Kolektory słoneczne - podstawowe informacje

Kolektory słoneczne już dawno przestały być rzadkim, luksusowym rozwiązaniem. W naszym klimacie są dobrym sposobem na zmniejszenie kosztów przygotowywania ciepłej wody. Zaś korzystającym z paliw stałych (węgiel, pelety, drewno) pozwalają nie palić w kotle latem tylko na potrzeby przygotowania ciepłej wody. To duża wygoda, a przy tym mniejsze zanieczyszczenie środowiska.

Jak działają kolektory słoneczne?

Kolektory zamieniają padające na nie promieniowanie słoneczne na ciepło i podgrzewają nim wodę w zasobniku. Stosowane w praktyce rozwiązania mogą się sporo różnić, ale ogólny schemat działania jest zawsze ten sam. Podgrzewana woda to najczęściej tzw. ciepła woda użytkowa (c.w.u.), czyli do mycia, zmywania itp. Rzadziej woda w przydomowym basenie, a już naprawdę sporadycznie ta krążąca w instalacji grzewczej (c.o.) budynku. Wynika to z rosnących kosztów poszczególnych systemów, ale przede wszystkim ze specyfiki naszego klimatu. Objaśnimy to nieco dalej, a teraz zajmiemy się budową samych kolektorów oraz towarzyszącej im instalacji.

Za typową instalację z 2-3 kolektorami, zasobnikiem o pojemności 300 l, osprzętem i montażem zapłacimy do 10 000 zł.

Kolektory płaskie składają się z metalowej płyty z przylegającymi od spodu rurkami, przez które przepływa płyn niezamarzający. Płyta nagrzewa się od słońca, od niej zaś płyn. Przepływa on następnie przez wężownicę w zbiorniku wody i oddaje jej ciepło. Żeby ograniczyć straty ciepła z kolektora i podnieść w ten sposób jego temperaturę, zamyka się go w dobrze izolowanej obudowie, od góry przykrytej bardzo wytrzymałą szybą (nie może jej uszkodzić np. gradobicie).

Sama płyta, nazywana absorberem, pokryta jest zaś specjalnymi powłokami, które poprawiają pochłanianie promieniowania słonecznego oraz ograniczają wypromieniowywanie ciepła. Schemat budowy jest więc prosty, jednak ostateczny efekt - sprawność i trwałość urządzenia - może być bardzo różny. Producenci wciąż je przy tym udoskonalają. Kilkanaście lat temu stosowano np. inne powłoki i szyby.

Kolektory próżniowe to dla odmiany zespoły szklanych rur próżniowych (pozbawionych powietrza). Absorber jest podzielony na kawałki, np. po pasku blachy w każdej rurze. Próżnia zapewnia rewelacyjną izolację cieplną, podobnie jak w termosie. Konstrukcje są tu ogromnie zróżnicowane. W środku rury próżniowej może np. znajdować się rurka przez którą przepływa czynnik roboczy (kolektory z przepływem bezpośrednim) albo tzw. ciepłowód (heat pipe), wypełniony cieczą o niskiej temperaturze parowania, który dopiero pośrednio przekazuje ciepło płynowi niezamarzającemu, płynącemu przez "szynę zbiorczą" łączącą wszystkie rury.

Kolektory płaskie są proste w budowie i bardzo trwałe. Świetnie sprawdzają się w ciepłych miesiącach roku, przy intensywnym nasłonecznieniu. (fot. Immergas)

Kolektory próżniowe składają się z zespołu rur. Z racji lepszej izolacyjności cieplnej, lepiej od płaskich radzą sobie w niskiej temperaturze otoczenia. (fot. Immergas)

Kolektory słoneczne - kiedy wybrać płaskie, a kiedy próżniowe?

Nie ma prostej odpowiedzi, który rodzaj kolektorów jest lepszy. Płaskie dają więcej energii, gdy temperatura otoczenia jest wysoka, szczególnie latem. Wynika to z większej powierzchni absorbera (jedna ciągła płyta), przy tej samej powierzchni zabudowy. Są przy tym tańsze i bardzo trwałe (w naszym kraju są instalacje działające już ponad 20 lat).

Kolektory próżniowe mają zaś przewagę, gdy temperatura otoczenia jest niska - zimą, a także wczesną wiosną i jesienią. Próżnia zapewnia im bardzo dobrą izolację. Jednak pokawałkowany na poszczególne rury absorber jest nieco mniejszy i latem uzysk ciepła jest niższy. Rury próżniowe są przy tym bardziej narażone na awarie - wystarczy minimalne rozszczelnienie, żeby straciły swoje właściwości termoizolacyjne. Na dodatek możemy tego w ogóle nie zauważyć. Nie można też zapominać, że kolektory próżniowe, chociaż przez ostatnie lata potaniały, wciąż są droższe od płaskich.

Przede wszystkim powinniśmy odpowiedzieć sobie na pytanie - czego oczekujemy od instalacji solarnej?

Kolektory płaskie będą najlepszym rozwiązaniem, jeżeli:

• mamy kocioł na paliwo stałe i szukamy sposobu na to żeby nie musieć w nim palić poza sezonem grzewczym wyłącznie na potrzeby c.w.u.;
• szukamy sposobu na zmniejszenie kosztów przygotowania ciepłej wody, liczonych w skali całego roku. Wówczas nie przeszkadza nam, że w chłodnych porach roku uzysk ciepła będzie niewielki;
• kolektory służą nie tylko do pozyskania c.w.u. w kranach ale również do podgrzewania przydomowego basenu używanego latem;
• latem wynajmujemy pokoje turystom, wiec sezonowe zużycie wody jest znacznie większe.

Odkryty basen można w cieplejszych porach roku z powodzeniem ogrzewać kolektorami. (fot. Centrum Techniki Basenowej)

Kolektory próżniowe mają zaś przewagę, gdy:

• zależy nam na jak największym obniżeniu kosztów przygotowania c.w.u. w ciągu całego roku, choćby za cenę wyższych nakładów inwestycyjnych (więcej droższych kolektorów). Ma to sens, gdy korzystamy z drogich nośników energii (prądu, oleju opałowego, gazu płynnego);
• chcemy użyć kolektorów również do dogrzewania budynku, szczególnie wiosną i jesienią;
• ogrzewamy basen w budynku, użytkując go przez cały rok.

Trzeba od razu zaznaczyć, że w naszym klimacie nie ma co liczyć na ogrzanie budynku zimą tylko z pomocą kolektorów. Zimą po prostu dociera do nas zbyt mało energii słonecznej, zresztą inaczej nie mielibyśmy wówczas mrozów. Jednak znacznie większa od typowej instalacja, zajmująca przynajmniej kilkanaście metrów kwadratowych, jest w stanie dać dość ciepła, żeby dogrzewać budynek w okresach przejściowych, czyli wiosną i jesienią.

Instalacja grzewcza w budynku powinna być niskotemperaturowa, dobrze sprawdza się ogrzewanie podłogowe. Może ono skutecznie działać nawet, gdy temperatura wody zasilającej wynosi zaledwie ok. 30°C. Ponadto wylewka podłogowa jest akumulatorem ciepła, co się przydaje, bo nagrzewamy ją za dnia, a ciepło oddaje potem przez wiele godzin, także w nocy, gdy temperatura zewnętrzna jest najniższa.

Jeżeli myślimy o wykorzystania kolektorów do dogrzewania pomieszczeń, powinny one mieć niskotemperaturowe ogrzewanie płaszczyznowe. (fot. Wieland)

Gdzie ustawić kolektory słoneczne?

Dla efektu działania instalacji solarnej bardzo ważny jest sposób montażu kolektorów. Przede wszystkim nie mogą być zacienione. To przecież z promieniowania słonecznego pochodzi oddawana przez nie energia. Zacienienie przez drzewa, budynki, czy choćby komin lub lukarnę dyskwalifikuje daną lokalizację.

Drugi czynnik to orientacja względem stron świata. Najlepiej żeby były skierowane wprost na południe. Jednak dopuszczalne jest duże odchylenie, nawet 50°, na wschód lub zachód. Kierunek zachodni jest przy tym nieco korzystniejszy. Uzysk energii będzie nieco mniejszy niż przy ustawieniu prosto na południe, ale różnica wyniesie kilkanaście procent. To niekorzystne odchylenie trzeba więc jedynie uwzględnić przy projektowaniu i ewentualnie zwiększyć liczbę kolektorów.

Dla ilości pozyskiwanego ciepła bardzo ważny jest kąt nachylenia kolektorów. Najczęściej jest to ok. 45°, bo taki spadek mają zwykle dachy. Tak się szczęśliwie składa, że to akurat uniwersalne nachylenie, dość dobre zarówno zimą jak i latem.

Jeżeli dach jest nieodpowiednio zorientowany względem stron świata, stelaż nośny dla kolektorów można umocować do ściany. (fot. Makroterm)

Bliższe pionowemu poprawia z kolei uzysk energii zimą oraz wczesną wiosną i późną jesienią, zmniejszając go za to latem. Ma ono sens, jeżeli używamy instalacji także do dogrzewania budynku, tym bardziej, że w lecie mamy raczej problem z wykorzystaniem nadmiaru energii z takiej dość dużej instalacji. Bliskie pionowemu stawienie ma jeszcze ten szczególny walor, że łatwiej o samoczynne zsunięcie się śniegu

Z kolei, gdy zależy nam na maksymalizacji uzysku ciepła w sezonie letnim, korzystne jest ustawienie pod bardzo małym kątem, prawie płasko.

Warto jeszcze dodać, że kolektory próżniowe dają możliwość obracania poszczególnych rur i w ten sposób zmiany kąta nachylenia.  W istocie liczy się przecież to, jak będzie ustawiony absorber, nie zaś cały kolektor.

Oczywiście, w większości przypadków czynnikiem determinującym jest i tak kąt nachylenia dachu. Jednak solary bywają też ustawiane np. na płaskim dachu, albo na gruncie, podparte osobną konstrukcją. Wtedy to od nas zależy jak je nachylimy.

Warto więc się zastanowić, kiedy takie ustawienie na gruncie, zamiast na dachu ma sens. Przede wszystkim nie każdy dach jest korzystnie ustawiony względem stron świata i mamy na nim dość miejsca. Przypomnijmy, że zacienienie, choćby przez komin, przekreśla sens takiego rozwiązania. Dlatego czasem ustawienie kolektorów na gruncie będzie lepszą opcją. Ma zresztą niewątpliwe zalety - kąt nachylenia możemy dobrać dowolny, orientacje często też. Do tego jeszcze taki kolektor o wiele łatwiej jest oczyścić ze śniegu, sprawdzić, czy wreszcie naprawić.

Wadą jest fakt, że kolektory zabiorą nam nieco miejsca na działce. Do tego przewody łączące je z zasobnikiem wody są znacznie dłuższe oraz biegną na zewnątrz budynku, narażone na niską temperaturę. Dlatego trzeba szczególnie starannie zadbać o ich jak najlepszą izolację cieplną. Bo cóż z tego, że kolektor pozyska ciepło, skoro zostanie po drodze stracone w przewodach?

Na płaskim dachu lub gruncie możemy dowolnie wybrać kąt nachylenia kolektorów, a dostęp do nich jest bardzo łatwy. (fot. Buderus)

Na co zwracać uwagę, wybierając zasobnik?

Instalacja solarna to nie tylko same kolektory, ależ wiele innych elementów - zbiornik wody, rury, naczynie wzbiorcze, pompa, sterownik. Wszystkie są niezbędne dla dobrego funkcjonowania całości. Zasobnik c.w.u. ma tu szczególne znaczenie, bo źle dobrany będzie wciąż sprawiał problemy, a ponadto jest najdroższym i największym elementem instalacji wewnątrz budynku.

Przede wszystkim musi być większy niż w typowej instalacji z kotłem. Przyjmuje się, że jego pojemność powinna wynosić ok. 1,5 dobowego zużycia wody. Zakładając typowe wartości musi więc mieć 300 l dla 4 osób. To, oczywiście, zgrubne przybliżenie i trzeba je skonfrontować z nawykami własnej rodziny. Niektórzy zużywają wody znacznie więcej, co powinniśmy uwzględnić zarówno przy doborze zbiornika, jak i samych kolektorów.

Zasobnik musi być większy niż standardowy, bo ilość ciepła, które daje słońce, jest często nieprzewidywalna - letniego słonecznego dnia będzie to znacznie więcej niż potrzebujemy, kolejnego zaś, pochmurnego, zdecydowanie mniej. To zwiększenie pojemności pozwala w pewnym stopniu kompensować takie wahania.

Wielkość zasobnika wody ma kluczowe znaczenie dla prawidłowości działania systemu solarnego. Musi być on też wyposażony w wężownicę większą od standardowej. (fot. Galmet)

Ponadto zbyt mały zasobnik często nie będzie już w stanie przejmować ciepła z kolektorów. W efekcie, ich temperatura znacznie wzrośnie, aż do tzw. stanu stagnacji. Jeżeli pojemność naczynia wzbiorczego będzie zbyt mała, nastąpi otwarcie zaworu bezpieczeństwa i część płynu niezamarzającego (roztworu glikolu) zostanie wyrzucona z instalacji. Potem trzeba go będzie uzupełniać.

Jednak i zbyt wielki, względem powierzchni kolektorów, zasobnik też jest problemem. Nie musimy się martwić przegrzaniem w okresie letnim, jednak przez pozostałą część roku często będziemy musieli dogrzewać wodę kotłem lub grzałką, bo zamiast ciepła, będzie zaledwie letnia.

Zasobnik wody musi mieć przy tym specjalną konstrukcję. Temperatura płynu w kolektorach często jest niska, dlatego powierzchnia wymiany ciepła powinna być większa od typowej, przy zasilaniu z kotła. Wymaga to dłuższych wężownic w zasobniku, ostatecznie zbiorników dwupłaszczowych. Ponadto potrzebna jest druga wężownica połączona z kotłem lub grzałka elektryczna.

Jeżeli temperatura wody jest zbyt niska, dogrzewa się ją do niezbędnego poziomu konwencjonalnie. W takim układzie wężownica solarna znajduje się blisko dna, tam gdzie woda jest najchłodniejsza, druga, kotłowa jest wyżej, dogrzewając w ten sposób wodę już wstępnie nieco ogrzaną. Ponadto, korzystając tylko z kotła można szybciej podgrzać pewną ilość wody w górnej części zbiornika.

Odnośnie zasobnika i wody trzeba jeszcze uczulić na ważną kwestię bezpieczeństwa. W instalacji solarnej woda w zasobniku może mieć niejednokrotnie dość wysoką temperaturę, grożącą oparzeniem. Dlatego na wylocie ze zbiornika powinno się założyć zawór termostatyczny, który poprzez zmieszanie wody ciepłej z zimną z wodociągu obniży jej temperaturę do bezpiecznej. Jak może być zbudowany taki układ pokazujemy na rysunku.

Temperatura wody w zasobniku może grozić oparzeniem. Dlatego standardem powinien być zawór mieszający. Najprostsza wersja dla układów bez cyrkulacji.

Kolektory słoneczne - wielkość i koszty

Systemy do szczególnych zastosowań, takich jak dogrzewanie domu lub basenu, zawsze muszą być zwymiarowane indywidualnie. Nie jest to proste, bo np. w basenie trzeba uwzględnić nie tylko jego wielkość, ale też to czy ma osłonę (i jaką), na ile sam jest nasłoneczniony itd.

Jeżeli zaś chodzi o typowe instalacje tylko do c.w.u., to w pierwszym rzędzie trzeba przestrzec przed ich zbytnim rozbudowywaniem. Dla 4 osób wystarczą 2 lub 3 kolektory. Zapewnią one pokrycie zapotrzebowania na ciepło do podgrzania wody w około 60% rocznie. Z zastrzeżeniem, że latem będzie to praktycznie 100%, a w grudniu, gdy dni są krótkie i zimne, zaledwie kilkanaście. To rozwiązanie zwykle optymalne, jeżeli chodzi o zrównoważenie kosztów inwestycyjnych i osiąganych korzyści.

Nie należy ulegać pokusie dokładania kolejnych kolektorów, w nadziei, że używanie konwencjonalnego źródła ciepła stanie się zbędne przez cały rok. To po prostu niemożliwe, bo przy pochmurnej pogodzie i niskiej temperaturze płyn solarny nagrzeje się np. tylko do 20°C. I wielkość instalacji niczego tu nie zmieni. Można powiedzieć, że przy zwiększaniu liczby kolektorów obowiązuje zasada malejących korzyści - koszty inwestycyjne rosną wciąż tak samo, a korzyści coraz mniej.

Za typową instalację z 2-3 kolektorami, zasobnikiem o pojemności 300 l, osprzętem i montażem zapłacimy do 10 000 zł.

Typowy zestaw z dwoma kolektorami, zasobnikiem, osprzętem i montażem to koszt ok. 10 000 zł. (fot. Nibe-Biawar)

Więcej materiałów o kolektorach słonecznych.

Jarosław Antkiewicz