Ile ciepła z kolektorów?

Kolektory umożliwiają wykorzystanie darmowej energii promieniowania słonecznego. Jednak dobór kolektorów i osprzętu instalacji solarnej jest specyficznym zagadnieniem. Z jednej strony chcieli byśmy uzyskać ze słońca jak najwięcej ciepła, z drugiej, jesteśmy ograniczeni nierównomiernym natężeniem promieniowania słonecznego w różnych porach roku oraz warunkami jakie musimy spełnić aby instalacja pracowała prawidłowo i bezawaryjnie.

ile ciepla z kolektorow - Ile ciepła z kolektorów?

Niezależnie od rodzaju i przeznaczenia instalacji solarnej, kolektory słoneczne stanowią zawsze dodatkowe źródło ciepła, które wspomaga główne, np. k ocioł grzewczy. Dla oceny opłacalności inwestycji ważną informacją będzie ile energii cieplnej w ciągu roku uzyskamy dzięki kolektorom słonecznym (kWh/m2 rok) i w jakim stopniu pokryje ona zapotrzebowanie na ciepło budynku – ile oszczędzimy na kosztach paliwa głównego źródła ciepła. Często można zetknąć się z niejednoznaczną oceną efektywności pracy kolektorów słonecznych różnych producentów. W miejscu deklarowanej wydajności (kWh/m2 rok) podawane są maksymalne szacowane uzyski energii kolektora w idealnych warunkach, niekoniecznie odpowiednich dla naszego kraju.

{jumi [plugins/content/jumi/porady.html]}

reklama

Ta sama instalacja solarna inaczej może pracować z kolektorami tego samego rodzaju w budynku znajdującym się na południu lub północy kraju. Chociaż różnice w nasłonecznieniu są niewielkie i często uśredniane do 1000 kWh/m2 w ciągu roku. Istotne znaczenie ma również przeznaczenie instalacji solarnej. Uzyski ciepła z tego samego typu kolektora słonecznego, w zależności od instalacji w jakiej pracuje, mogą wynosić od 300 do ponad 700 kWh/m2 w ciągu roku. Wydajność ta pomijając warunki meteorologiczne miejsca pracy i zabudowę kolektora (pochylenie, skierowanie) wynika bowiem w decydującej mierze z takich aspektów jak rodzaj oraz przeznaczenie instalacji, a także zakładane pokrycie zapotrzebowania na ciepło.

ile ciepla z kolektorow 1 - Ile ciepła z kolektorów? Wariant 1. Płaskie kolektory słoneczne wspomagają ogrzewanie budynku i wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 15 m2. Wykorzystano istniejący podgrzewacz 200 litrów, w którym woda użytkowa ogrzewana jest przez kocioł gazowy. Dla kolektorów słonecznych zastosowano dodatkowy podgrzewacz o pojemności 500 litrów wyposażony w wężownicę grzewczą. Łączna pojemność podgrzewaczy wody użytkowej: 700 litrów. Kolektory słoneczne wspomagają ogrzewanie budynku przez zasobnik buforowy wody grzewczej o pojemności 1000 litrów – wyposażony w wężownicę grzewczą. ile ciepla z kolektorow 2 - Ile ciepła z kolektorów? Wariant 2. Kolektory próżniowe do wspomagania ogrzewania budynku i wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 12 m2. Wyposażenie instalacji solarnej jak w wariancie 1. ile ciepla z kolektorow 3 - Ile ciepła z kolektorów? Wariant 3. Płaskie kolektory słoneczne do wspomagania ogrzewania budynku i wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 15 m2. Istniejący podgrzewacz wody użytkowej 200 litrów zastąpiono biwalentnym o pojemności 300 litrów (wyposażony w dwie wężownice grzewcze). Kolektory ogrzewają wodę z instalacji grzewczej budynku przez wymiennik płytowy, która następnie magazynowana jest w zasobniku o pojemności 900 litrów.

Zmieniające się w ciągu roku natężenie promieniowania słonecznego i względy ekonomiczne zmuszają do pewnych kompromisów. Najwięcej „słońca” mamy w lecie, jednocześnie w tym okresie potrzebujemy najmniej ciepła – tylko do ogrzewania wody użytkowej. Natomiast, w zimie, kiedy zapotrzebowanie na ciepło budynku jest największe liczba dni słonecznych jest stosunkowo niewielka.
Niezależnie od przeznaczenia instalacji solarnej musimy szukać kompromisu – dobrać taką powierzchnię kolektorów aby uzyskać z nich jak najwięcej energii cieplnej jednocześnie zapobiegając częstym przegrzewom w instalacji i negatywnym skutkom jakie mogą powodować.
Niedowymiarowana instalacja (zbyt mała powierzchnia kolektorów) w mniejszym stopniu pokryje zapotrzebowanie na ciepło, tym samym oszczędności na kosztach ogrzewania będą mniejsze. W takich instalacjach kolektory są intensywnie schładzane przez czynnik grzewczy (niskie temperatury pracy), co prowadzi do częstego i długotrwałego zaparowania szyby kolektorów.
Z drugiej strony, jeśli instalacja solarna zostanie przewymiarowana doprowadzi to do nadwyżek ciepła, które nie zostaną wykorzystane. Szczególnie instalacje solarne do ogrzewania wody użytkowej i wspomagania ogrzewania budynku powinny być starannie zaprojektowane aby w jak największym stopniu ograniczyć przegrzewy w okresie letnim, kiedy promieniowanie słoneczne jest najintensywniejsze a nie wykorzystujemy go do ogrzewania budynku.

ile ciepla z kolektorow 1 - Ile ciepła z kolektorów? Wariant 4. Kolektory próżniowe do wspomagania ogrzewania budynku i wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 12 m2. Wyposażenie instalacji solarnej jak w wariancie 3. ile ciepla z kolektorow 2 - Ile ciepła z kolektorów? Wariant 5. Płaskie kolektory słoneczne do wspomagania ogrzewania wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 7,5 m2. Do istniejącego podgrzewacza 200 litrów dołożono drugi dla kolektorów słonecznych o pojemności 500 litrów – łączna pojemność podgrzewaczy wody użytkowej 700 litrów. ile ciepla z kolektorow 3 - Ile ciepła z kolektorów? Wariant 6. Kolektory próżniowe do wspomagania ogrzewania wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 6,4 m2. Wyposażenie instalacji solarnej jak w rozwiązaniu 5.

Przy braku odbioru ciepła z kolektorów wzrasta temperatura płynu solarnego w efekcie czego odparowuje. Częste przegrzewy będą prowadzić do degradacji czynnika roboczego, który straci swoje właściwości i może zamienić się w „galaretę” zanieczyszczając instalację. Przegrzewy spowodują wzrost ciśnienia i zadziałanie zaworu bezpieczeństwa, który wyrzuci część płynu z instalacji. Mogą również prowadzić do uszkodzenia elementów instalacji: pompy solarnej, naczynia przeponowego itp.
Jedynym sposobem na optymalny dobór i przybliżenie rzeczywistych warunków pracy instalacji z kolektorami słonecznymi, jest wykonanie obliczeń z wykorzystaniem programów komputerowych. Uwzględniają one wiele czynników mających wpływ na pracę instalacji solarnej, jak na przykład warunki meteorologiczne w danym rejonie kraju. Pozwalają uniknąć błędów projektowych związanych przede wszystkim z niewłaściwie dobraną powierzchnią kolektorów, pojemnością podgrzewacza wody użytkowej czy zasobnika wody grzewczej. Przede wszystkim pozwalają na optymalizację doboru wszystkich elementów instalacji solarnej dla danego budynku i różnych wariantów rozwiązań. Analizując wyniki obliczeń łatwo możemy określić ile oszczędności przyniesie dane rozwiązanie i czy inwestycja będzie uzasadniona ekonomicznie.
Zobaczmy wyniki doboru instalacji kolektorów dla konkretnego budynku, w którym kolektory słoneczne mają ogrzewać wodę użytkową i wspomagać centralne ogrzewanie. Obliczenia wykonano programem ESOP dla domu dwurodzinnego w Warszawie, w którym mieszka sześć osób. Instalacja grzewcza została wykonana kilka lat temu, obecnie inwestor planuje jej rozbudowę o kolektory słoneczne.

Dane budynku:

  • powierzchnia pomieszczeń ogrzewanych: 324 m2,
  • obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło budynku: 18 kW,
  • zastosowano kocioł gazowy o mocy 22 kW wyposażony w regulator pogodowy,
  • instalacja grzewcza w budynku podzielona została na dwa niezależne obiegi grzewcze: ogrzewanie podłogowe na powierzchni 100 m2 i temperaturze wody grzewczej 35/20°C; w pozostałej części budynku – grzejniki, zaprojektowane na temperaturę wody 55/40°C,
  • woda użytkowa ogrzewana jest w podgrzewaczu o pojemności 200 litrów,
  • wymagana temperatura ciepłej wody: 50°C,
  • w instalacji wody użytkowej zastosowano cyrkulację,
  • dach skierowany idealnie na południe, pochylony do poziomu pod kątem 40°.

Założeniem inwestora było zastosowanie kolektorów słonecznych do wspomagania ogrzewania budynku i ciepłej wody użytkowej. Dobór instalacji solarnej wykonano dla kilku wariantów rozwiązań.
Symulację komputerową wykonano dla kolektorów słonecznych płaskich i próżniowych o wysokich sprawnościach pracy. Często można spotkać się z opinią, że kolektory próżniowe są lepsze od płaskich – i tak jest w rzeczywistości. Jednak wynika z tego jedynie to, że w tej samej instalacji możemy zastosować mniejszą powierzchnię kolektorów próżniowych niż płaskich. Porównując wyniki obliczeń dla tego samego rozwiązania instalacji ale z różnymi kolektorami (wariant 1 i 2), przekonamy się, że uzyski ciepła i oszczędności z obu instalacji będą zbliżone. Dzięki kolektorom próżniowym dodatkowo oszczędzimy na kosztach zakupu gazu jedynie 141 PLN w ciągu roku. Przy czym koszt zakupu kolektorów próżniowych będzie znacznie wyższy niż płaskich.
W rozwiązaniu 1 i 2 kolektory wspomagały ogrzewanie budynku i wody użytkowej. Zobaczmy jak wygląda porównanie kolektorów płaskich i próżniowych, które tylko ogrzewają wodę użytkową – wariant instalacji 5 i 6. Tutaj również różnice w ilości uzyskiwanego ciepła i oszczędności w zużyciu gazu będą niewielkie – 74 PLN/rok. Jedyna korzyść z zastosowania kolektorów próżniowych wynika z mniejszej ich powierzchni.
Dzięki programowi łatwo możemy porównać jak zmienią się wyniki obliczeń przy zmianie elementów wyposażenia instalacji solarnej. Na przykład, jeśli zamiast dwóch podgrzewaczy wody użytkowej zastosujemy jeden z dwoma wymiennikami ciepła i zamiast zasobnika wody grzewczej o pojemności 1000 l (z wężownicą grzewczą), zastosujemy zasobnik 900 litrów z zewnętrznym płytowym wymiennikiem ciepła (wariant 1 i 3 lub wariant 2 i 4).

Tabela 1. Wyniki obliczeń
  Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Wariant 4 Wariant 5 Wariant 6
Przeznaczenie instalacji kolektorów c.w.u+c.o. c.w.u+c.o. c.w.u+c.o. c.w.u+c.o. c.w.u. c.w.u.
Ilość kolektorów 6 płaskich 4 próżniowe 6 płaskich 4 próżniowe 3 płaskie 2 próżniowe
Łączna powierzchnia czynna absorberów [m2] 15,0 12,8 15,0 12,8 7,5 6,4
Napromieniowanie na powierzchnię kolektorów w ciągu roku:
[kWh]
[kWh/m2]
17 260
1 150,97
14 770
1 150,97
17 260
1 150,97
14 770
1 150,97
8 630
1 150,97
7 390
1 150,97
Energia uzyskana z kolektorów w ciągu roku:
[kWh]
[kWh/m2
6 650
443,45
7 970
620,64
6 010
400,65
7 410
577,02
3 930
523,97
4 420
688,8
Energia uzyskana z kolektorów w ciągu roku, po uwzględnieniu strat w instalacji solarnej
[kWh]
[kWh/m2]
5 860
390,82
6 790
528,71
5 140
342,35
6 060
472,49
3 610
481,8
4 000
622,66
Zapotrzebowanie energii do ogrzewania ciepłej wody użytkowej [kWh/rok] 5 100 5 100 5 100 5 100 5 070 5 070
Zapotrzebowanie energii do ogrzewania budynku [kWh/rok] 38 140 38 140 38 140 38 140
Energia z instalacji solarnej w ciepłej wodzie użytkowej [kWh/rok] 4 330 4 770 3 830 4 470 3 340 3 660
Energia z instalacji solarnej dostarczona do ogrzewania budynku [kWh/rok] 523,44 739,9 814,44 1 052,66
Doprowadzona dodatkowa energia z kotła gazowego [kWh/rok] 40 130 39 540 40 430 39 730 3 280 2 994,63
Oszczędność paliwa (gazu ziemnego) [m3/rok] 605,1 675,6 564,1 662,7 407,6 444,6
Zmniejszenie emisji CO2 [kg/rok] 1 372,7 1 532,7 1 279,7 1 503,5 924,8 1 008,7
Stopień pokrycia przez instalację solarną zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania wody użytkowej, w ciągu roku 63,2% 69,0% 55,2% 62,8% 50,5% 55,0%
Stopień pokrycia przez instalację solarną zapotrzebowania na ciepło dla ogrzewania budynku, w ciągu roku 1,37% 1,94% 2,1% 2,8%
Całkowite pokrycie zapotrzebowania na ciepło przez instalację solarną 10,8% 12,2% 10,3% 12,2%
Sprawność instalacji solarnej (z uwzględnieniem strat ciepła w kolektorach, orurowaniu, podgrzewaczu/zasobniku itp.) 28,1% 37,3% 26,9% 37,4% 38,7% 49,5%
Obniżenie kosztów ogrzewania (oszczędności) dzięki instalacji solarnej, przy założeniu, że cena gazu wynosi: 2 PLN/m3 brutto. [PLN/rok] 1 210 1 351 1 128 1 325 815 889

Analizując wyniki symulacji komputerowej łatwo uzyskamy odpowiedź czy warto inwestować w instalację kolektorów słonecznych do ogrzewania budynku. O ile przy ogrzewaniu wody użytkowej kolektory w ciągu roku pokrywają zapotrzebowanie na ciepło na poziomie ok. 60%, to przy wspomaganiu ogrzewania budynku pokrycie potrzeb wynosi do 3%. Jak łatwo zauważyć, oszczędności na kosztach ogrzewania budynku będą niewielkie i nie zrekompensują wysokich nakładów finansowych poniesionych na wykonanie instalacji solarnej. Natomiast instalacja kolektorów tylko do ogrzewania wody użytkowej przyniesie wymierne korzyści. Jest stosunkowo niedroga w wykonaniu i w zupełności wystarczą do tego kolektory płaskie.

K.G.

UDOSTĘPNIJ
Poprzedni artykułGeneralne porządki
Następny artykułSzkolenie – instalacje wodociągowe i grzewcze

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here