Zasada działania kolektora słonecznego

Czego dowiesz się z artykułu?

• Jakie są korzyści z instalacji kolektorów słonecznych?
• Ile kolektorów słonecznych zamontować?
• Jak lokalizacja kolektorów słonecznych wpływa na ich sprawność działania?
• Jakie są rodzaje kolektorów słonecznych?
• Jakie są orientacyjne koszty instalacji kolektorów słonecznych?

W ciągu roku energii słonecznej dociera do nas znacznie więcej niż wynoszą nasze potrzeby energetyczne. Na 1 m2 działki pada rocznie ok. 1000 kWh tej darmowej, odnawialnej energii.

Jednym z najlepiej sprawdzonych i stosowanych już od dziesiątków lat sposobów jej wykorzystania jest użycie kolektorów słonecznych. W naszym klimacie służą one przede wszystkim do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

Czysty zysk

Dobrze zaprojektowana i wykonana instalacja z kolektorami słonecznymi zapewnia ok. 50% ciepła potrzebnego w ciągu roku do przygotowywania c.w.u. Nie znaczy to, że przez pół roku będziemy się mogli obyć bez konwencjonalnego źródła ciepła (kotła, grzałki). W ciepłe i słoneczne dni rzeczywiście tak będzie, ale często kolektory wstępnie podgrzeją wodę (np. do 30°C), a potem jej temperaturę będzie trzeba jeszcze nieco podnieść. Ale tak czy inaczej na energię wydamy już znacznie mniej.

Istotny jest tu też aspekt ekologiczny. Energia słoneczna jest formą energii odnawialnej. Praca kolektorów jest więc przyjazna dla środowiska naturalnego, zastępuje użycie konwencjonalnych paliw.

Ponadto kolektory szczególnie warto polecić właścicielom domów ogrzewanych paliwami stałymi (węglem, drewnem, peletami). Dzięki nim poza sezonem grzewczym praktycznie nie musimy rozpalać w kotle. Ewentualnie od czasu do czasu wspomożemy kolektory grzałką elektryczną. Koszty i tak będą bardzo niskie, a wygoda ogromna. Wbrew pozorom, nawet jeżeli mamy nowoczesny kocioł z podajnikiem (prawie bezobsługowy), instalacja solarna jest w pełni uzasadniona. Podtrzymanie żaru w kotle poza sezonem grzewczym pochłonie więcej paliwa niż podgrzanie c.w.u.

Aż ok. 60% energii ze słońca dociera do nas w zaledwie cztery miesiące w roku - od maja do końca sierpnia. (fot. Gaspol)

Wielkość instalacji

W typowym domu jednorodzinnym, dla 4-5 osób w zupełności wystarczają 2 lub 3 kolektory słoneczne. Zapewniają one ok. 50% pokrycie zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania c.w.u., inwestycja nie jest zbyt kosztowna i nie przysparza problemów technicznych ani w trakcie budowy, ani eksploatacji.

W typowym domu jednorodzinnym, dla 4-5 osób w zupełności wystarczają 2 lub 3 kolektory słoneczne. (fot. Ruukki)

Bo właśnie budowanie zbyt dużych instalacji jest powszechnie popełnianym błędem. Nie warto tak robić, bo pomimo nieraz znacznego wzrostu kosztów korzyści będą niewielkie, a do tego pojawią się problemy. Dodając np. jeszcze 2 kolektory, w ciągu roku uzyskamy więcej ciepła, ale właśnie rocznie. W miesiącach zimowych, gdy słońca dostajemy niewiele, a temperatura powietrza jest niska, i tak zaspokoimy zaledwie ok. 1/5 zapotrzebowania na energię. Bilans poprawi się wczesną wiosną i późną jesienią. To jest niewątpliwa korzyść. Problem w tym, że taka instalacja w sezonie letnim da praktycznie dwa razy więcej energii niż potrzebujemy. I jak ją wówczas zagospodarować?

Problemu nie mają właściciele basenów przydomowych (taka objętość wody wchłonie praktycznie każdą ilość energii), albo niektórych rodzajów kolektorów, które samoczynnie opróżniają się, gdy nie ma zapotrzebowania na ciepło. Niestety, fora internetowe są pełne porad jak poradzić sobie z przegrzaniem kolektorów - jak je schłodzić, zasłonić, albo może wymienić zasobnik wody na większy. Pokazuje to, jak powszechny jest problem.

Instalacja solarna musi być zabezpieczona materiałami odpornymi na wysokie temperatury i promieniowanie słoneczne. (fot. Armacell)

W naszej szerokości geograficznej, kolektory wykorzystuje się głównie do przygotowania c.w.u., niekiedy także do podgrzewania wody w przydomowym basenie. (fot. Makroterm)

Prawidłowa orientacja

Najlepiej, jeśli kolektory skierowane są wprost na południe. To po prostu kierunek z którego pada najwięcej bezpośredniego promieniowania słonecznego. Jednak nawet dość znaczne odchylenie (do 45°) na wschód lub zachód jest dopuszczalne i obniża uzysk energii o nie więcej niż 20%.

Natomiast trzeba zdecydowanie odradzić zakładanie kolektorów od strony północnej. Tam prawie nie ma najkorzystniejszego, bezpośredniego promieniowania słonecznego. Pozyskamy więc bardzo mało ciepła. Natomiast niezależnie od stron świata, podstawowym wrogiem instalacji solarnych jest zacienienie. Cień może rzucać sąsiedni budynek, drzewa, komin, czy lukarna na dachu. Praktycznie eliminuje to dane miejsce.

Najlepiej, jeśli kolektory skierowane są wprost na południe. To po prostu kierunek z którego pada najwięcej bezpośredniego promieniowania słonecznego. (fot. Buderus (Bosch))

Jeżeli ze względu na niekorzystną orientacje względem stron świata albo zacienienie do zabudowy nie nadaje się dach domu, trzeba pomyśleć o innych rozwiązaniach. Kolektory można też umieścić na samodzielnej konstrukcji nośnej (stelażu) ustawionej przy budynku lub na dachu płaskim. Czasem odpowiednie elementy nośne mocuje się też na ścianie budynku, na tarasie, daszku nad wykuszem itd. Wbrew pozorom, możliwości jest sporo, a takie samodzielne ustawienie pozwala nawet lepiej dobrać kąt nachylenia kolektorów.

Kolektory montuje się również na konstrukcjach wsporczych na dachach płaskich, ewentualnie na gruncie. (fot. Viessmann)

Musimy jednak pamiętać, aby odległość pomiędzy kolektorami i zasobnikiem wody była możliwie mała. Trzeba je przecież połączyć rurami otulonymi dość grubą izolacją cieplną. W chłodniejszych porach roku jej skuteczność ma zasadnicze znaczenie. Bo co z tego, że płyn solarny nagrzeje się w kolektorze, jeżeli zdąży się ochłodzić po drodze, zanim dotrze do zbiornika c.w.u.?

Elastyczne rury preizolowane z izolacją kauczukową służą np. do łączenia kolektorów słonecznych z zasobnikami gorącej wody. (fot. Armacell)

Musimy też od razu myśleć, jaki sposób ułożenia i wyprowadzenia rur na dach będzie najwygodniejszy. Czasem da się do tego celu wykorzystać nieczynny kanał w kominie, ukryć rury w warstwie ocieplenia dachu i użyć specjalnej dachówki z przepustem. Doświadczony instalator, po obejrzeniu naszego domu, na pewno coś doradzi.

Rodzaje kolektorów

Nieprzypadkowo kwestią tą zajmujemy się dopiero na końcu. Tak naprawdę możemy je rozsądnie wybrać dopiero wówczas, jeżeli wiemy, jak dużą ilość energii chcemy pozyskać, ile i gdzie możemy przeznaczyć miejsca. Zanim cokolwiek kupimy, musimy zdecydować, co jest dla nas priorytetem. Czy mamy dużo miejsca, czy dla odmiany dobrze nasłoneczniona i cały dzień wolna od zacienienia jest tylko niewielka część dachu. Czy ciepło z kolektorów potrzebne jest nam przede wszystkim poza sezonem grzewczym, żebyśmy mogli nie palić wówczas w kotle, czy może mamy bezobsługowy kocioł na gaz płynny, ale dzięki kolektorom liczymy na zmniejszenie rachunków. Tego rodzaju pytania można mnożyć, dlatego dobrze przemyślmy czego oczekujemy od instalacji solarnej, zanim umówimy się z instalatorem.

Na naszym rynku mamy dwa główne typy kolektorów:

• płaskie - mają absorber, czyli element pochłaniający promienie słoneczne, w formie metalowej płyty. Od spodu stykają się z nią rurki, którymi przepływa płyn solarny. To on ogrzewa następnie wodę w zasobniku c.w.u. Od góry zaś absorber osłania tafla bardzo wytrzymałego szkła (musi wytrzymać grad). Całość zamknięta jest w obudowie izolowanej wełną mineralną. Jest to więc dość prosta i trwała konstrukcją, o ile oczywiście komponenty są dobrej jakości;
• próżniowe - mają absorber w różnej postaci, ale zawsze podzielony na części, z których każda umieszczona jest w szklanej rurze próżniowej. Podstawowe założenie jest takie, że dzięki próżni uzyskujemy bardzo dobrą izolacyjność termiczną. Co jest szczególnie ważne w chłodniejszych porach roku. Rury próżniowe łączy rodzaj szyny zbiorczej, przez którą przepływa płyn solarny. To on odbiera od nich ciepło i przekazuje dalej do zasobnika c.w.u. Jednak stosowane tu rozwiązania są bardzo różne i w praktyce kolektory próżniowe mogą zasadniczo różnić się sprawnością, izolacyjnością cieplną, trwałością i innymi cechami.

Najczęściej uzasadniony w domach jednorodzinnych jest montaż kolektorów płaskich. Są one tańsze i prostsze w budowie. Ich uszkodzenie i spadek wydajności jest mniej prawdopodobny. Ponadto w ciepłych, letnich miesiącach, dają więcej energii niż próżniowe o takiej samej powierzchni zabudowy. Cechują je większe straty ciepła do otoczenia, ale gdy jest i tak gorąco, ma to mniejsze znaczenie. Za to mają większą powierzchnię absorbera, elementu pochłaniającego energie słoneczną.

Montaż kolektorów próżniowych ma sens, jeżeli zależy nam na większym uzysku energii w chłodniejszych miesiącach (wczesną wiosną i jesienią). Jednak przede wszystkim trzeba zwracać baczną uwagę na ich jakość. Od kilku lat na rynku jest mnóstwo tanich kolektorów próżniowych z dalekiego wschodu. W rzeczywistości często wcale nie mają lepszych parametrów izolacyjnych niż dobrej jakości kolektory płaskie. Ponadto ich marna jakość może spowodować, że uzysk energii też jest niski, a po kilku latach jeszcze wyraźnie spada. Wszystko dlatego, że pośledniej jakości rury próżniowe często ulegają rozszczelnieniu. A wtedy nici z deklarowanej, świetnej izolacyjności.

Montaż kolektorów próżniowych ma sens, jeżeli zależy nam na większym uzysku energii w chłodniejszych miesiącach (wczesną wiosną i jesienią). (fot. Viessmann)

Dlatego porównując oferty zwracajmy baczną uwagę na renomę i tradycję producenta. Ponadto czy deklarowane parametry mają poparcie w dokumentach wydanych przez niezależne instytucje. Najpopularniejszym certyfikatem tego rodzaju jest Solar Keymark.

Wszystkie elementy instalacji solarnej, czyli kolektory, zasobnik wody, sterownik, pompę obiegową i elementy zabezpieczające zwykle najlepiej kupić jako kompletny zestaw od jednego producenta. (fot. Gaspol)

Koszty instalacji

Za zestaw solarny z dwoma kolektorami płaskimi, zasobnikiem 200 l i niezbędnymi akcesoriami zapłacimy 5-7 tys. zł. Układ bardziej rozbudowany będzie 2-3 razy droższy. Na instalację z kolektorami słonecznymi można wziąć pożyczkę na preferencyjnych warunkach w wysokości do 8000 zł. Taką możliwość przewiduje rządowy program "Czyste Powietrze".

Co ważne, sposób ogrzewania naszego domu musi spełniać wymogi programu, chociaż w tym przypadku pożyczka nie dotyczy instalacji grzewczej. W istniejącym budynku musi to być więc co najmniej kocioł klasy 5 na paliwa stałe, lub spełniający wymogi dyrektywy Ecodesign (Ekoprojekt), jeżeli dom jest dopiero w trakcie budowy. Jeżeli zaś mamy kocioł gazowy, musi to być urządzenie kondensacyjne.

Czas zwrotu z inwestycji w instalację solarną nie dla każdego jest taki sam. Kolektory opłacają się tym bardziej, im więcej zużywamy w domu ciepłej wody. Zakup zwróci się więc znacznie szybciej w przypadku dużej rodziny, niż wtedy, gdy w domu mieszkają dwie osoby.

Redaktor: Norbert Skupiński
Na zdjęciu otwierającym: Kolektory mają spory wpływ na wygląd domu, dlatego warto je zgrupować wraz z oknami dachowymi. (fot. Fakro)