Kolektory słoneczne - najczęściej zadawane pytania

Dlaczego kolektory słoneczne wykorzystujemy do ogrzewania wody?

W naszym klimacie energię w budynkach zużywamy głównie na ich ogrzewanie oraz do przygotowywania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Przez ostatnie lata zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania znacznie spadło - domy mają coraz lepsze ocieplenie, okna, wentylację z rekuperatorem. Jednak zużycie ciepłej wody i energii do jej podgrzewania pozostały takie same, jak kilkadziesiąt lat temu. Można je skutecznie obniżyć, decydując się na kolektory. Zwykle dobiera się je tak, żeby pokrywały ok. 50% rocznego zapotrzebowania na energię do podgrzania c.w.u. Do tego wystarczą 2-3 kolektory dla 4-osobowej rodziny.

Wykorzystanie kolektorów do ogrzewania, czy raczej dogrzewania budynku nie jest zaś w naszym klimacie popularne. Wszystko dlatego, że zimą i tak dają niewiele ciepła. Mogą dogrzewać dom w okresach przejściowych, czyli wiosną i jesienią, ale wymaga to znacznie większych, a zatem i droższych instalacji złożonych przynajmniej z kilkunastu kolektorów.

Przygotowanie ciepłej woda pochłania dużo energii. Kolektory to dobry sposób na jej oszczędzanie. (fot. Oras)

O ile spadną koszty c.w.u. po zainstalowaniu solarów?

Prawidłowo dobrany system solarny pozwala obniżyć zużycie energii na potrzeby c.w.u. o około połowę w skali roku. Jeżeli do jej podgrzania wykorzystujemy tylko jeden nośnik ciepła, np. gaz płynny. Oznacza to 50% redukcję kosztów. Im droższy jest nasz nośnik ciepła, tym różnica w domowym budżecie będzie bardziej odczuwalna. Dlatego o sięgnięciu po ciepło słońca powinni w pierwszym rzędzie pomyśleć użytkownicy kotłów na gaz płynny, olej opałowy oraz korzystający z energii elektrycznej. Dla tych ostatnich szczególnie atrakcyjne są zaś instalacje fotowoltaiczne.

Oszczędności będą większe, gdy mamy kocioł na paliwo stałe uruchamiany w sezonie, a latem dogrzewamy wodę prądem, żeby uniknąć kłopotliwego palenia. Energia elektryczna jest wszak przynajmniej 4 razy droższa od ciepła z węgla lub drewna. Wbrew pozorom, nawet eksploatując kocioł przez cały rok, możemy sporo zyskać, decydując się na kolektory. Dotyczy to przede wszystkim właścicieli kotłów z podajnikiem.

Poza sezonem grzewczym, działając tylko na potrzeby c.w.u., taki kocioł pracuje z bardzo niską sprawnością, więcej ciepła pochłania zwykle samo podtrzymanie żaru, niż podgrzanie wody. Sprawność jest zatem przynajmniej dwukrotnie gorsza, zaś cena ciepła proporcjonalnie do tego wyższa. Faktyczna oszczędność energii jest więc znacznie wyższa od obliczanej na podstawie średniorocznej sprawności kotła. Kolektory są przecież efektywne głównie w cieplejszej połowie roku.

Dzięki kolektorom słonecznym poza sezonem grzewczym można nie palić w kotle na paliwo stałe. To duża wygoda. (fot. SAS)

Czy solary zwiększają komfort życia?

Jeżeli mamy kocioł na paliwo stałe lub kominek z płaszczem wodnym, instalacja solarna uwolni nas od konieczności palenia poza sezonem grzewczym. Koniec z codziennym rozpalaniem, dźwiganiem opału, czyszczeniem z popiołu i sadzy. W takiej sytuacji najlepiej wyposażyć jeszcze zbiornik wody w grzałkę elektryczną. Będzie ona działać sporadycznie, nie generując wysokich kosztów, a system stanie się w pełni bezobsługowy przynajmniej na pół roku. W sezonie grzewczym znów będzie ogrzewana konwencjonalnie przez kocioł. Ale wówczas to żaden problem, skoro urządzenie i tak pracuje.

Przeczytaj więcej o kolektorach słonecznych.

Ile kolektorów wystarczy dla 4-osobowej rodziny?

Żeby zaspokoić potrzeby 4 osób, zwykle wystarczają 2 bądź 3 kolektory o powierzchni zabudowy ok. 2 m2 każdy. Oczywiście, mówimy o kolektorach korzystnie zorientowanych na południe i typowym zużyciu wody około 50 l na osobę w ciągu doby. Jeżeli lubimy częste kąpiele w sporej wannie, albo z racji innych nawyków zużywamy jej po prostu wyraźnie więcej, warto pomyśleć o dodaniu jednego kolektora.

Jednak dalsza rozbudowa systemu nie tylko nie przyniesie korzyści, a może przysporzyć kłopotów. Przewymiarowana instalacja wbrew pozorom nie poprawi istotnie rocznego stopnia pokrycia zapotrzebowania na energię do c.w.u., za to będziemy borykać się z problemem nadmiaru ciepła w sezonie letnim. Powiększanie instalacji ponad miarę jest chyba najczęściej popełnianym błędem. A potem na forach internetowych rozrastają się wątki o tym, jak przesłonić lub schłodzić przegrzane kolektory.

Kupowanie większej liczby kolektorów ma sens tylko w specjalnych przypadkach - gdy służą również do ogrzewania basenu, dogrzewania budynku, albo prowadzimy pensjonat i mamy gości głównie latem. Takie systemy projektuje się jednak indywidualnie.

Gdzie umieścić kolektory?

Z wielkością instalacji wiąże się też kwestia wygospodarowania na nią miejsca - im jest większa, tym bardziej to problematyczne. Zdecydowanie najpopularniejszy wariant to kolektory na dachu, umieszczone na pokryciu. To dobry wybór, pod warunkiem, że połać dachu zwrócona jest mniej więcej na południe, kąt nachylenia wynosi około 45° i nie ma elementów zacieniających w rodzaju lukarn, kominów itp.

Dach to zdecydowanie najpopularniejsze, ale nie jedyne dobre miejsce na kolektory.

Jeżeli takim miejscem nie dysponujemy, trzeba zastosować któreś z rozwiązań alternatywnych:

• na płaskim dachu domu lub garażu (ze specjalną konstrukcją wsporczą);
• na gruncie obok budynku;
• na ścianie (pionowo albo pod kątem).

Bardzo często oznacza to wydłużenie rurociągów pomiędzy zasobnikiem wody i kolektorami, co pociąga za sobą zwiększone straty ciepła. Są jednak także istotne zalety. Kolektor stojący na odrębnej konstrukcji można ustawić korzystniej względem stron świata i pod optymalnym kątem. Ponadto dostęp do niego jest łatwiejszy, można go wygodnie skontrolować, oczyścić ze śniegu, umyć.

Na płaskim dachu kolektory można ustawić pod dowolnym kątem, a dostęp do nich jest bardzo wygodny. (fot. Buderus)

Duży taras też może być niezłym miejscem montażu. (fot. Turbosolar)

Jakie znaczenie w instalacji kolektorów mają strony świata?

Najkorzystniejsze jest zwrócenie kolektorów wprost na południe, bo to najbardziej nasłoneczniony kierunek. Ma się rozumieć, pod warunkiem, że nie znajdą się wówczas w cieniu rzucanym przez budynek, drzewa itp. Nawet spore odchylenie, do 50°, na zachód lub wschód nie jest zbyt szkodliwe. Żeby zrównoważyć taką mniej sprzyjającą ekspozycję, wystarczy zwiększenie powierzchni czynnej kolektora o około 20%. W praktyce oznacza to, że zamiast 2 kolektorów - założymy 3, lub kupimy dwa o nieco większej powierzchni.

Nie ma natomiast sensu planowanie kolektorów zwróconych na północ. Z tego kierunku nigdy nie będziemy mieć intensywnego, bezpośredniego promieniowania słonecznego, a takie ogrzewa najskuteczniej. Uwaga! Jeżeli mamy dużą instalację i kolektory są skierowane w różne strony (np. na osobnych połaciach dachu), każda z takich grup powinna mieć własny sterownik i pompę. Inaczej woda będzie przepływać przez kolektory, które się jeszcze nie nagrzały, albo (co gorsza) pompa nie zostanie uruchomiona, choć będą już nagrzane.

Na co wpływa kąt nachylenia kolektorów do poziomu?

Ma to znaczny wpływ na uzysk energii zależnie od pory roku. Wprawdzie w skali całego roku rozbieżności w uzysku energii nie są duże w zakresie kąta nachylenia od 30 do 60°, jednak jeśli liczymy na sezonowe zróżnicowanie, warto ten kąt zmienić jeszcze bardziej.

W okresie letnim korzystne jest ustawienie bardziej płaskie 0-30°. Daje to lepszą ekspozycję na słońce - szczególnie około południa, gdy kąt padania zbliża się do prostego względem powierzchni ziemi.

Z kolei zimą i jesienią zalecana jest pozycja zbliżona do pionu (60-90°). Zimą słońce jest nisko nad horyzontem i kąt padania jego promieni będzie przy takim usytuowaniu najkorzystniejszy. Dla odmiany latem uzysk ciepła będzie mniejszy niż przy typowym ustawieniu 45°. Może to być nawet pożądane w dużych instalacjach, przewidzianych do dogrzewania budynków (latem nie ma co zrobić z nadmiarem ciepła).

Jeżeli kolektory spoczywają na osobnej konstrukcji wsporczej, dość łatwo można zmienić kąt ich nachylenia na bardziej sprzyjający, zależnie od pory roku. Jednak w małych, amatorskich instalacjach nie jest to popularne.

W poziomo zamontowanych rurowych kolektorach próżniowych można zaś w pewnym zakresie zmienić kąt nachylenia, obracając same rury.

Średnia temperatura wody w zasobniku w instalacji z dwoma kolektorami płaskimi skierowanymi wprost na południe. Wyraźnie widać ogromną różnicę pomiędzy miesiącami letnimi i zimowymi.

Ile energii dają kolektory?

Przede wszystkim musimy pamiętać o bardzo dużym sezonowym zróżnicowaniu nasłonecznienia, typowym dla naszych szerokości geograficznych. Ten sam zestaw kolektorów w czerwcu podgrzeje wodę w zasobniku do nawet ponad 60°C, w grudniu będzie ona miała zaledwie 20°C. Po prostu od początku kwietnia do końca września dociera do nas aż 80% z rocznej sumy promieniowania.

Dla odmiany, łącznie na grudzień, styczeń i luty (zima) przypada jedynie ok. 6%. Do tego w miesiącach zimowych znacznie większe są straty ciepła z kolektora do otoczenia, co jeszcze zmniejsza ilość faktycznie pozyskanej energii. Nic więc dziwnego, że instalacja solarna latem potrafi całkowicie zaspokoić zapotrzebowanie na c.w.u. (ważne dla właścicieli kotłów na paliwa stałe), zimą zaś tylko wstępnie ogrzewa nieco wodę.

Jeżeli chodzi o wartości średnioroczne, producenci chętnie chwalą się certyfikatami potwierdzającymi roczny uzysk przynajmniej 525 kWh/m2. Czyli dwa kolektory o typowej powierzchni czynnej ok. 2 m2 to ok. 2000 kWh zaoszczędzonej energii. Przy ogrzewaniu wody prądem to jakieś 1200 zł oszczędności, a kiedy korzystamy z gazu z sieci - ok. 500 zł.

Jednak pamiętajmy, że jest to wartość średnia, uzyskana w ściśle określonych warunkach testowych, w tym klimatycznym typowym dla Wurzburga w Niemczech. Nie będą one więc nigdy identyczne w naszej instalacji. Dlatego podawany uzysk energii należy traktować z pewną rezerwą, jako wartość orientacyjną. Trzeba też wziąć pod uwagę, że bywają lata z większym od typowego zachmurzeniem i słabszym operowaniem słońca.

Czym się różnią kolektory płaskie i próżniowe?

Na rynku dominują dwa typy konstrukcji kolektorów - płaskie i rurowe próżniowe. Różni je przede wszystkim kształt absorbera, czyli elementu pochłaniającego promieniowanie słoneczne, i sposób jego izolacji cieplnej.

W kolektorach płaskich absorberem jest metalowa płyta, pokryta specjalnymi powłokami poprawiającymi pochłanianie promieni słonecznych, równocześnie zmniejszającymi wypromieniowywanie ciepła. Od dołu do tej płyty przylegają rurki, którymi przepływa płyn niezamarzający. Ogrzewa się on od absorbera i dalej trafia do wężownicy w zasobniku wody. Obudowa tego rodzaju kolektora to jakby metalowa wanna izolowana wełną mineralną, od góry przykryta taflą szkła o dużej wytrzymałości.

Zaletami tej konstrukcji są głównie prostota, trwałość i stosunkowo niska cena. Izolacja cieplna jest jednak daleka od doskonałości, co ujawnia się przede wszystkim w chłodnych porach roku (duże straty ciepła do otoczenia). Za to latem osiągi są świetne, bo z racji wysokiej temperatury otoczenia - znaczenie strat ciepła maleje, zaś duży absorber, zajmujący prawie całą powierzchnię kolektora. zbiera mnóstwo energii.

Kolektory płaskie to najlepszy wybór dla tych, którym zależy na sprawnym przygotowywaniu ciepłej wody przede wszystkim poza sezonem grzewczym. (fot. Galmet)

Rurowe kolektory próżniowe to z kolei zespoły szklanych rur próżniowych, w każdej z nich znajduje się absorber. Może to być pas blachy z odpowiednią powłoką i umocowaną od spodu rurką z płynem roboczym, tzw. ciepłowód (heat pipe) itd. Konstrukcje są rozmaite, a rzeczywiste osiągi zależą w nie mniejszym stopniu od zastosowanego rozwiązania, co od jakości wykonania.

Właśnie słaba jakość uszczelnień rur i połączeń jest typowym mankamentem wielu tanich kolektorów próżniowych importowanych prosto z Chin. W razie pojawienia się choćby mikroskopijnych nieszczelności, z izolującej niczym termos rury próżniowej robi się zwykła szklana tuba. Dlatego w przypadku kolektorów próżniowych - zdecydowanie przestrzegamy przed tanimi produktami marnej jakości.

Dobre kolektory próżniowe, z racji lepszej izolacji, dają wyższy uzysk energii w chłodniejszych porach roku, a także liczony jako średnia z całego roku. Za to latem, przy wysokiej temperaturze otoczenia oraz intensywnym słońcu, nieco ustępują kolektorom płaskim.

Rury próżniowe zapewniają świetną izolację cieplną, co daje przewagę w chłodniejszych porach roku. (fot. Viessmann)

Dlaczego potrzebne jest zabezpieczenie przez poparzeniem?

Temperatura wody podgrzewanej przez słońce bywa bardzo zmienna, przy tym trudno ją kontrolować. Czasem może się nagrzać do ponad 60°C, co już grozi oparzeniem. Dlatego obowiązkowym wyposażeniem instalacji solarnej powinno być zabezpieczenie, chroniące przed trafianiem do kranów zbyt gorącej wody. Najlepiej żeby był to termostatyczny zawór mieszający, umieszczony centralnie, na wyjściu ciepłej wody z zasobnika. Takie zabezpieczenie jest pewne i nie wymaga zasilania elektrycznego. Zamiast tego teoretycznie można się zdecydować na baterie termostatyczne w każdym punkcie poboru, ale będzie to sporo droższe.

Ponadto dla niektórych z nich temperatura wody ze zbiornika może być zbyt wysoka. Jeżeli w instalacji c.w.u. nie ma obiegu cyrkulacyjnego, czyli powodującego krążenie wody pomiędzy punktami poboru i zasobnikiem (po odkręceniu kranu nie musimy czekać na spuszczenie wychłodzonej wody z rur), to układ jest prosty. Jeśli mamy cyrkulację, staje się on nieco bardziej złożony. Najprostszy, a dobrze działający wariant tego rozwiązania pokazujemy na rysunkach.

Zabezpieczenie przed poparzeniem w układzie bez cyrkulacji c.w.u. to po prostu zawór mieszający na wypływie wody ze zbiornika.

Jeżeli mamy cyrkulację, to montaż zaworu chroniącego przed poparzeniem jest nieco bardziej skomplikowany. Powrót wody z cyrkulacji należy włączyć po stronie zasilania zaworu zimną wodą.

Jaki powinien być zbiornik wody?

Poza ogólnymi wymogami, jak wysoka jakość, skuteczne zabezpieczenie antykorozyjne oraz izolacja cieplna, dobry zbiornik wody w instalacji solarnej musi mieć jeszcze dwie bardzo istotne cechy. Pierwszą jest wielkość. Generalnie, powinien być większy od typowego. Dla 4 osób zaleca się 200-300 l.

Orientacyjnie można przyjąć, że na 1 kolektor (ok. 2 m2 powierzchni czynnej) ma przypadać 100 l. Umożliwi to przejęcie całego ciepła nawet w słoneczne letnie dni, równocześnie pozwoli zgromadzić zapas na wypadek, kiedy jeden dzień jest słoneczny, a drugi pochmurny. Jednak w drugą stronę też nie należy przesadzać. Jeżeli dwa kolektory będą ogrzewać wielki 400 l zasobnik, wprawdzie nigdy nie będziemy musieli obawiać się nadmiernego wzrostu temperatury, ale za to bardzo często będziemy musieli dogrzewać wodę konwencjonalnie, bo do normalnego użytku (np. kąpieli) będzie po prostu zbyt zimna.

Ponadto zasobnik solarny ma pozwalać właśnie na dogrzanie wody przez kocioł lub grzałkę. Nie zapominajmy, że przy mniej korzystnych warunkach, słońce tylko wstępnie podgrzeje nam wodę, np. do 20°C, i będziemy musieli ją podgrzać. Dlatego typowym rozwiązaniem są zbiorniki dwuwężownicowe. Dolną, większą wężownicę ogrzewają kolektory, górną - kocioł. Dzięki temu mamy wstępne podgrzanie, a w razie konieczności możliwość konwencjonalnego dogrzania wody. Analogicznie działa układ z wężownicą i grzałką elektryczną. Pamiętajmy jednak, że zbiornik współpracujący z kolektorami musi mieć wężownicę większą od standardowej. Inaczej jej moc cieplna przy niskiej temperaturze płynu solarnego będzie zbyt mała i ciepła słonecznego przy słabszym nasłonecznieniu po prostu nie wykorzystamy.

Czasem, gdy na duży zbiornik wody brakuje miejsca, albo nie chcemy się pozbywać mniejszego, już posiadanego, łączy się dwa szeregowo. W pierwszym wodę podgrzewa tylko instalacja solarna, w drugim zaś mamy wężownicę zasilaną przez kocioł i ta służy do dogrzewania wody.

Jakie są elementy typowego zestawu solarnego?

Zestaw solarny to nie tylko kolektory. Poza nimi potrzebujemy jeszcze:

• dużego zbiornika wody;
• konstrukcji wsporczej do montażu na dachu lub na gruncie;
• naczynia wzbiorczego obiegu solarnego;
• naczynia wzbiorczego c.w.u.;
• zaworów bezpieczeństwa;
• pompy;
• sterownika;
• rur, otulin, złączek, przepustów przez pokrycie (np. tzw. dachówek solarnych), itp.

Dodatkowe elementy znacznie wpływają na cenę. Przykładowo na zasobnik z dwoma wężownicami wydamy przynajmniej 1500 zł. Dlatego niska cena samych kolektorów może być zwodnicza. Jeżeli potrzebujemy raczej typowej instalacji, najlepiej kupić wszystkie elementy sprzedawane jako firmowy komplet od jednego producenta. Wówczas nie musimy się martwić o dopasowanie komponentów. A wbrew pozorom nawet takie czynniki, jak wydajność pompy mają istotny wpływ na osiągi systemu.

System solarny to wiele elementów poza samymi kolektorami.

Instalacja kolektorów słonecznych - ile to kosztuje?

Dobrej jakości firmowy zestaw z 2 kolektorami płaskimi, zasobnikiem 200 l i niezbędnymi akcesoriami kupimy za ok. 6000 zł (z VAT 23%). Kupując sprzęt razem z usługą montażu, możemy nieco zaoszczędzić, bo wtedy zapłacimy niższą stawkę VAT równą 8%. Do tego trzeba dodać koszty montażu. Wycenia się je indywidualnie, zależnie od poziomu skomplikowania prac. Zwykle należy się liczyć z wydatkiem przynajmniej 2000-3000 zł.

To praktycznie najtańsza opcja, jeżeli oczekujemy bezawaryjnych komponentów dobrej jakości. Za bardziej rozbudowane instalacje, albo wykorzystujące kolektory próżniowe, będziemy musieli zapłacić już wyraźnie więcej (nawet dwukrotnie).

Jarosław Antkiewicz
fot. otwierająca: Hewalex