Kolektory słoneczne - ogrzewanie słońcem

Inwestycja naprawdę opłacalna

Na pytanie kiedy warto zainwestować w kolektor i kiedy inwestycja się zwróci ciągle nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Jedno jest pewne – w Polsce kolektor nie ma szans stać się jedynym źródłem ciepła w domu – ani w instalacjach c.w.u., ani, tym bardziej, w systemach grzewczych. Jest u nas stanowczo za mało słońca w ciągu roku, zbyt często jest ono schowane za chmurami. Ale ponoć klimat się zmienia...

Jednak nie oznacza to, że nie warto zastanowić się nad montażem systemu solarnego, bo od marca do października dobrze dobrany zestaw zapewni nawet 80-90% zapotrzebowania na ciepłą wodę. W miesiącach najcieplejszych (w przeszłości był to lipiec i sierpień, ale teraz jest równie prawdopodobne, że może być to np. maj, czerwiec i wrzesień), kolektory zapewnią 100% energii zużywanej na ogrzanie wody.

Podgrzeją ciepłą wodę nawet w okresie chłodniejszym – wystarczą dwie-trzy godziny słońca w ciągu dnia, żeby ogrzać wodę w zbiorniku o kilka stopni. Mogą się one okazać niezastąpione w domach ogrzewanych wyłącznie prądem (wysokie ceny energii) albo kotłem na paliwo stałe (uciążliwe dokładanie opału) – ciepłą wodę można wtedy uzyskiwać z kolektorów, dogrzewając ją jedynie podgrzewaczem elektrycznym.

Trzeba też wiedzieć, że im większe jest zużycie ciepłej wody w domu, tym kolektory są inwestycją bardziej opłacalną, np. w domu, w którym mieszka 6 lub więcej osób, zwłaszcza, gdy lubią często kąpać się w wannie lub w domu z basenem letnim. W obu przypadkach inwestycja taka zwróci się już po kilku latach.

Płaski czy rurowy?

Najważniejszym elementem instalacji solarnej jest kolektor. To on przechwytuje ciepło z promieniowania słonecznego i przekazuje je tzw. czynnikowi roboczemu do instalacji c.w.u. Firmy oferują dwa podstawowe typy kolektorów – płaskie i próżniowe rurowe.

Najbardziej popularny jest kolektor płaski. Ma on wprawdzie nieco niższą efektywność energetyczną i szybciej traci ciepło niż kolektor rurowy, ale niezaprzeczalną i najważniejszą jego zaletą jest dużo niższa cena. Jedne i drugie stosuje się głównie do sezonowego ogrzewania c.w.u. – między marcem i październikiem.

Czynnikiem roboczym może być w nich woda, która pozwala na dodatkowe obniżenie kosztów instalacji, ale choćby ze względu na odkładanie się kamienia w takiej wodnej instalacji nie jest polecana przez producentów kolektorów. Lepszym i częściej stosowanym czynnikiem roboczym jest niezamarzający roztwór glikolu.

W kolektorze płaskim znajduje się absorber promieniowania słonecznego połączony z rurkami miedzianymi, którymi płynie czynnik roboczy. Odbiera on ciepło od absorbera i przekazuje je do instalacji c.w.u. Absorberem jest płyta (wykonana ze stali, miedzi, aluminium lub tworzywa sztucznego) pokryta specjalną cienką powłoką zwiększającą skuteczność pochłaniania promieniowania słonecznego.

Od zewnątrz kolektor zabezpieczony jest szybą ze szkła hartowanego, teflonu lub przezroczystego tworzywa. Chroni ona przed czynnikami atmosferycznymi, takimi jak deszcz, grad czy śnieg. Ponadto szyba ta zatrzymuje promieniowanie wewnątrz kolektora (jest to tzw. efekt „szklarniowy”), co pozwala osiągnąć wyższą temperaturę czynnika grzewczego. Od spodu kolektor jest zabezpieczony warstwą izolacji cieplnej, która uniemożliwia oddawanie ciepła na zewnątrz.

Wydajniejsze, ale i droższe są kolektory rurowe próżniowe. Wykorzystują one zarówno promieniowanie bezpośrednie jak i rozproszone, czyli takie, które przebija się przez cienką warstwę chmur. Dzięki temu działają nawet w dni pochmurne.

Na polskim rynku dostępne są dwa rodzaje kolektorów rurowych: z bezpośrednim przepływem czynnika roboczego lub z rurką ciepła. Kolektor próżniowy rurowy z bezpośrednim przepływem czynnika roboczego ma wbudowane kilka lub kilkanaście rur szklanych.

W każdej z nich jest próżnia, dzięki której straty ciepła do otoczenia są znacznie mniejsze niż w kolektorach płaskich, a to oznacza, większą ich efektywność. W każdą rurę próżniową wbudowany jest absorber i rurka, w której nagrzewa się czynnik roboczy. Wewnątrz rur mogą znajdować się specjalne lustra ukierunkowujące promienie słońca na absorber.

Rozwiązanie takie pozwala jeszcze skuteczniej wykorzystać energię słoneczną. Rurki ciepła są bardziej zaawansowanym technologicznie rozwiązaniem. Taki kolektor do złudzenia przypomina urządzenie opisywane wcześniej, lecz działa nieco inaczej. Czynnik roboczy paruje pod wpływem promieniowania słonecznego i unosi się do specjalnego wymiennika, zamontowanego na końcu rurki kolektora.

Tam oddaje ciepło czynnikowi grzewczemu. Jednocześnie sam ulega skropleniu i wpływa z powrotem do środka rurki. Kolektory te mają najwyższą sprawność ze wszystkich dostępnych typów. Sprawdzają się szczególnie zimą i w pochmurne dni, gdy dominuje promieniowanie rozproszone.

Na dachu czy na trawie?

Kolektor będzie pracował najlepiej, jeżeli będzie skierowany na południe. Może być on odchylony o 10° w kierunku wschodnim lub zachodnim, ale im większe odchylenie, tym mniejsza efektywność pracy kolektora. Montujemy go w miejscu niezacienionym przez drzewa i budynek. W przeciwnym razie będzie mało wydajny.

Kolektor słoneczny można zamontować na dachu lub na południowej ścianie budynku, przy ścianie na ziemi, albo jako wolno stojący. Niewątpliwie najbardziej popularne jest instalowanie kolektora na dachu. Nie zajmuje on wtedy dodatkowego miejsca i nie zacienia budynku. Również kąt nachylenia połaci dachowej zazwyczaj jest wystarczający do montażu kolektora. Jeżeli dach jest płaski, trzeba go zamontować na podporach.

Nie za duży, nie za mały...

Nie łudźmy się, kolektor nie zastąpi podgrzewacza. Koszty instalacji byłyby wtedy absurdalnie wysokie, a powierzchnia kolektorów bardzo duża. Optymalnie dobrane urządzenie ogrzeje 80-90% ciepłej wody użytkowej i maksimum 30% wody do celów grzewczych. Dla jednego mieszkańca potrzeba 1-1,5 m² powierzchni kolektora płaskiego, wykorzystywanego do ogrzewania c.w.u. Zatem czteroosobowa rodzina potrzebuje zestaw o powierzchni 4-6 m².

Zamiast kolektora płaskiego można zamontować kolektor rurowy, wystarczy 0,6-0,8 m² takiego kolektora na osobę, czyli 2,4-3,2 m² dla czteroosobowej rodziny. W przypadku instalacji solarnej współpracującej z instalacją c.o. przyjmuje się, że kolektory ogrzeją maksimum 30% wody na cele c.o.

Wstępnie możemy przyjąć, że na 1 m² budynku przypada 0,3-0,5 m² powierzchni kolektora. Chcąc ogrzewać wodę w basenie krytym musimy założyć, że powierzchnia kolektorów powinna wynosić ok. 40% powierzchni lustra wody w basenie, a basenu otwartego ok. 70%. Jeżeli przykładowo basen ma wymiary 5x10 m, najlepiej kupić kolektory o powierzchni 20 m² (basen kryty), a 35 m² (basen otwarty).

Przekrój przez kolektor płaski: 1 – szyba zabezpieczająca; 2 – absorber; 3 – miedziane rurki, którymi płynie czynnik roboczy; 4 – izolacja cieplna; 5 – osłona (fot. Wolf)

Sam kolektor to nie wszystko

Ciepło wytworzone przez kolektor trzeba gdzieś zmagazynować. Dlatego niezbędnym elementem instalacji solarnej jest akumulator ciepła – zasobnik, w którym gromadzona jest gorąca woda. Stamtąd jest ona pobierana do użytku domowego. Zasobnik powinien mieć pojemność kilkuset litrów, więc wystarczającą na 1,5-3 dniowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę. Rodzina czteroosobowa zużywająca średnio 200 l wody na dobę powinna zaopatrzyć się w zbiornik o pojemności 300-600 l.

W kolektorze nie stosuje się bezpośredniego przepływu podgrzewanej wody, tylko zbiornik z wbudowaną wężownicą, którą płynie gorąca woda z kolektora. A woda na drodze kolektor-zbiornik krąży w obiegu zamkniętym wymuszonym przez pompę cyrkulacyjną. Dzięki temu możliwa jest współpraca kotła jako podstawowego źródła ciepła z kolektorem słonecznym, który tylko wspomaga system ogrzewania wody.

Jeżeli promieniowanie słoneczne jest zbyt słabe, układ sterowania włącza dodatkowe podgrzewanie wody, np. kocioł na dowolne paliwo. Pozwala to z jednej strony obniżyć koszty ogrzewania poprzez zmniejszenie zużycia paliwa, z drugiej zaś zapewnia komfort ciepłej wody, niezależnie od liczby słonecznych dni. Tańszym rozwiązaniem może okazać się zasobnik z wbudowaną grzałką elektryczną, która dogrzeje wodę w razie potrzeby.

Rodzaje instalacji

Najtańszym rozwiązaniem jest wykorzystanie kolektora w instalacji grawitacyjnej. Nie trzeba w niej instalować pompy obiegowej, gdyż ogrzana woda sama płynie do góry. Jeżeli zbiornik zamontujemy powyżej kolektora, zbędne będą dodatkowe urządzenia. Takie rozwiązanie jest idealne w domkach letniskowych lub w prostych instalacjach z podgrzewaczem elektrycznym.

Zastosowanie pompy cyrkulacyjnej

Drugim sposobem jest zastosowanie pompy cyrkulacyjnej, tłoczącej zimną wodę do kolektora. Rozwiązanie to jest bardziej elastyczne pod względem możliwości montażu kolektora i zbiornika na wodę względem siebie.

Ten rodzaj instalacji stosowany jest przede wszystkim w domach jednorodzinnych. Należy pamiętać, że woda, która przepływa przez kolektor musi spełniać wymogi stawiane wodzie pitnej i nie może zawierać zbyt dużo żelaza, które, osadzając się na ściankach rurek miedzianych w kolektorze, po pewnym czasie może zablokować przepływ wody przez kolektor.

W tym przypadku należy również pamiętać o spuszczaniu wody z kolektora przed nadejściem zimy. Jeżeli chcemy korzystać z energii słonecznej przez cały rok, w obiegu kolektora musi krążyć czynnik niezamarzający, którym jest zazwyczaj roztwór glikolu. Ogrzewanie wody użytkowej odbywa się przez wymiennik, co powoduje niewielki spadek wydajności systemu oraz podwyższa koszty instalacji.

W celu skoordynowania działania układu złożonego z kolektora i kotła lub grzałki elektrycznej musimy zastosować automatykę. W przypadku braku ciepła z kolektora będzie włączane drugie źródło ciepła.

Warto, czy nie warto?

Koszt systemu solarnego to nie tylko sam kolektor, ale również pozostałe elementy: rury, zasobnik, dodatkowy wymiennik lub grzałka elektryczna, pompa cyrkulacyjna, zawory i automatyka. W kosztach eksploatacji trzeba wymienić okresowe przeglądy instalacji, usuwanie ewentualnych awarii oraz wymiana zużywających się elementów. W układach z pompą cyrkulacyjną dochodzi jeszcze koszt energii elektrycznej do zasilania pompy.

Podsumowując zasadność inwestowania w kolektory słoneczne, wniosek nasuwa się w miarę klarowny. Taka instalacja nie świadczy jedynie o zasobności portfela inwestora. W naszym klimacie darmową energię słoneczną można bowiem efektywnie wykorzystać do przygotowania ciepłej wody i podgrzewania wody w basenach, rzadziej do ogrzewania budynków.

Mimo, że koszty są dość wysokie to rozsądnie zaplanowany i eksploatowany system solarny może się opłacać, obniżając średnio o 70% koszty przygotowania c.w.u. (w przypadku dużej rodziny) lub ogrzania wody w basenie. Rozważając kwestię zakupu systemu należy przeanalizować wszystkie za i przeciw, a decydując się na rozwiązanie konkretnej firmy wziąć pod uwagę również dostępność serwisu, oraz koszty okresowych przeglądów.

Iwona Małkowska
zdjęcie otwierające: Nibe Biawar