Woda podgrzana słońcem

Najbardziej popularnym sposobem wykorzystania energii słonecznej, w przypadku budownictwa jednorodzinnego, są obecnie instalacje kolektorów słonecznych na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Przyczynia się do tego fakt, że słoneczne instalacje nie są zbyt drogie, a poza tym są na tyle proste, że nie wymagają zbyt skomplikowanych technologii i zastosowania drogich materiałów. Nie bez znaczenia jest też fakt, że dzięki dofinansowaniom po stronie państwa, zyskują na coraz to większej popularności.

FOT. 1. W dużych instalacjach, finansowanych przez gminy lub z funduszy strukturalnych, z uwagi na wydłużony okres gwarancji/rękojmi preferowane są kolektory renomowanych firm polskich lub zagranicznych europejskich.

Instalacje solarne składają się głównie z kilku elementów takich jak: kolektora, zbiornika magazynującego ciepło, systemu rurociągów, pompy, wymiennika ciepła, a czasami także układu kontrolno-sterującego i pomocniczego podgrzewacza wody. Jak podaje literatura [1], instalacje tego typu można podzielić na trzy zasadnicze grupy:

• na instalacje aktywne, z obiegiem wymuszonym – przepływ czynnika odbywa się przy pomocy pompy cyrkulacyjnej,
• instalacje pasywne z tzw. przepływem naturalnym wynikającym z różnic gęstości czynnika w kolektorze oraz w zbiorniku (bezpompowe),
• instalacje bez przepływu czynnika tzw. kolektory magazynujące, czyli zbiornik magazynujący w tym przypadku jest także i kolektorem energii promieniowania słonecznego – integrated storage collector.

W naszej strefie klimatycznej najczęściej spotyka się pierwszy typ instalacji słonecznych, ponieważ u nas często występują w ciągu roku ujemne temperatury, a to wymusza potrzebę, zastosowania układów z wydzielonym obiegiem pierwotnym – kolektorowym, w którym krąży mieszanka niezamarzająca, np. wodny roztwór 40–50% glikolu propylenowego z dodatkiem uszlachetniaczy, które zabezpieczają kolektor przed uszkodzeniem przy spadku temp. poniżej -20°C.

FOT. 2. Najbardziej popularnym sposobem wykorzystania energii słonecznej, w przypadku budownictwa jednorodzinnego, są obecnie instalacje kolektorów słonecznych na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

Można także czasem spotkać kolektory magazynujące. Jednak nadają się one wyłącznie do pracy w temperaturach powyżej zera, a więc w naszych warunkach klimatycznych wykorzystuje się je w miesiącach cieplejszych, a w chłodniejszych nie są one używane. Ponadto podczas ich „wyłączenia” należy opróżnić zbiornik i instalację z wody.

Kolektory słoneczne najczęściej umieszcza się na południowych połaciach dachu, a jeśli jest to niemożliwe to na stelażach posadowionych na gruncie, co jednak ze względów estetycznych jest rozwiązaniem niechętnie stosowanym przez inwestorów. Urządzenia te sytuuje się pod pewnym kątem do płaszczyzny poziomej, od tego zależy także czas eksploatacji systemu słonecznego. Zbiorniki magazynujące umieszcza się przeważnie w piwnicy budynku w pobliżu kotła c.o. jeśli jest on uzupełniającym źródłem energii dla instalacji słonecznej. Innym, prostszym rozwiązaniem jest grzałka elektryczna, którą umieszcza się bezpośrednio w zbiorniku.

FOT. 3. Kolektory słoneczne najczęściej umieszcza się na południowych połaciach dachu, a jeśli jest to niemożliwe – to na stelażach posadowionych na gruncie.

Sterowanie pracy instalacji odbywa się przy pomocy elektronicznego układu sterowniczego, czasem też stosuje się ręczną regulację przepływu. Ponieważ kolektory słoneczne produkowane są w kilku znormalizowanych wymiarach (powierzchnia absorberów to najczęściej od 1,5 do 2,0 m2) zatem łączy się je w grupy po kilka sztuk, tzw. baterie, przy czym najczęściej kolektory łączy się równolegle, szeregowo lub też jako kombinację tych połączeń, a wynika to z obliczeń i zależy od pojemności zbiornika akumulacyjnego, który w przypadku instalacji domowych zawiera się w przedziale od 200 – 300 litrów.

FOT. 4. Planując instalację solarną warto pomyśleć również, obok uzysku ciepła dla c.w.u., także o ogrzewaniu całego budynku energią słoneczną. Taka inwestycja szybciej się zbilansuje.

Rynek kolektorów słonecznych to jedna z najdynamiczniej rozwijających się gałęzi przemysłu na świecie i w Europie. Potentatem w tym zakresie od lat są Chiny. Produkuje się tam najwięcej cieczowych kolektorów słonecznych. W Polsce największą popularnością cieszą się płaskie kolektory cieczowe lub powietrzne, oraz kolektory rurowo-próżniowe, ewentualnie rzadziej stosowane kolektory skupiające. Urządzenia te różnią się od siebie nie tylko budową, ale także i sprawnością czyli stosunkiem energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania, które dociera do kolektora. Oczywiście od tego parametru zależy także cena urządzenia.

Jeśli zaś chodzi o wymiarowanie słonecznej instalacji to najczęściej powierzchnia kolektorów jest wymiarowana pod kątem maksymalnego pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową i to głównie w okresie letnim. Jeśli ilość promieniowania słonecznego w okresie wiosenno-jesiennym jest wystarczająca tego typu instalację mogą służyć do dogrzewania pomieszczeń w tym okresie, a często także do ogrzewania wody basenowej. Jak podaje literatura [2], przyjmuje się, że w przeciętnych warunkach polskich kolektory wytwarzają ok. 300 — 500 kWh/m2 użytecznej energii cieplnej rocznie. Udział energii słonecznej w całkowitym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę użytkową w gospodarstwie domowym może sięgać ok. 70%, zaś w ogrzewaniu pomieszczeń do 30%. Generalnie jednak przyjmuje się zasadę, że przy doborze powierzchni kolektorów na potrzeby c.w.u. na jednego użytkownika wystarczy 1 m2 powierzchni kolektora.

Zdaniem EKSPERTA

Rosnące ceny energii i rozwój techniki solarnej spowodowały wzrost zainteresowania instalacjami z kolektorami słonecznymi. Na rynku dostępna jest pełna gama urządzeń – jak informują producenci i dystrybutorzy – coraz lepszych technologicznie, bardziej wydajnych i bardziej ekonomicznych. Jak zatem wybrać w tym worku produkt optymalny? O jakość oferty zapytaliśmy Janusza Starościka – prezesa Zarządu SPIUG, eksperta Switzerland Global Enterprise.

Małgorzata Dobień: Dynamicznie rośnie popularność kolektorów słonecznych, głównie za sprawą dotacji. Jednak duży wpływ na rozwój tej branży ma również import tańszych produktów z Chin. Jak to się przekłada na jakość urządzeń?

Janusz Starościk: Chińczycy potrafią produkować kolektory słoneczne dobrej jakości, ale takie kolektory słoneczne cenowo są bardzo zbliżone do cen europejskich producentów. Niestety, większość Importerów tych kolektorów do Polski, na pierwszym miejscu kładzie kryterium ceny. Chińczycy wyprodukują taki kolektor, który optycznie nie będzie się różnić od tego o lepszej jakości, ale jego funkcjonowanie może być zawodne i krótkotrwałe. Dlatego tego typu kolektory instalatorzy montują głównie w domkach jednorodzinnych, gdzie późniejsze problemy z niezadowolonym klientem są nieporównywalnie mniej kłopotliwe niż w instytucjach publicznych. W dużych instalacjach, finansowanych przez gminy, lub z funduszy strukturalnych, z uwagi na wydłużony okres gwarancji/rękojmi instalatorzy raczej nie ryzykują stosowania tego typu produktów i instalują kolektory renomowanych firm polskich lub zagranicznych, żeby mieć spokój z ich obsługa i naprawami w przyszłości.

Jak zatem poznać produkt dobrej jakości? Czy polskie prawo normalizuje parametry kolektorów? Jakich certyfikatów oczekiwać od dostawców?

Rynek kolektorów słonecznych w Polsce zaczął się rozwijać dosyć późno, dlatego w Polsce przejęliśmy zagraniczne standardy jakości dla kolektorów słonecznych. Obecnie podstawowym standardem wymaganym m.in. przez NFOŚiGW jest Solar Key Mark. Inne europejskie standardy dotyczące kolektorów słonecznych to Grupa Norm Europejskich EN1297x oraz testy kolektorów zgodnie z EN12975. Jest cała lista parametrów, jakie są badane w wypadku kolektorów słonecznych, które mają wpływ na ich jakość. Nie chcę wymienić ich wszystkich, aby nie zanudzać czytelnika, ale przykładowo testowanie kolektorów według EN 12975 polega na badaniu wydajności termicznej, obejmujących testowanie przy zachowaniu warunków statycznych (w warunkach wewnętrznych i na zewnątrz) oraz testowanie przy warunkach quasi-dynamicznych. Z kolei badanie niezawodności i żywotności obejmuje takie działania jak: testowanie wewnętrznego ciśnienia absorbera, ekspozycję, szybką zmianę temperatury zewnętrznej, szybką zmianę temperatury wewnętrznej, penetrację wody deszczowej, obciążenia mechaniczne, temperaturę stagnacji i kontrolę końcową. Ostatnio była dyskusja w branży na ten temat przy okazji modyfikacji zasad przyznawania dofinansowania w ramach programu wsparcia przez NFOŚiGW. W tamtej dyskusji zwracaliśmy uwagę, aby przy określaniu instalacji zamienić powierzchnię brutto na powierzchnię czynną netto apertury z uwzględnieniem współczynnika sprawności, po to, by premiowany był przede wszystkim największy uzysk energii słonecznej. Warto wczytać się w podawane przez producentów parametry i porównać je z innymi, ale należy zwracać uwagę, aby nie ulec trickom stosowanym czasami przez producentów, aby optycznie polepszyć parametry swoich produktów w oczach potencjalnego klienta.

Czy zastosowanie kolektorów w naszej strefie klimatycznej jest ekonomicznie uzasadnione?

A dlaczego nie? Polska leży w strefie klimatu umiarkowanego, z nasłonecznieniem podobnym jak w Niemczech, Francji, lepszym niż np. w Danii, gdzie funkcjonuje największa w Europie ciepłownia oparta na kolektorach słonecznych. Oczywiście, jeżeli się ograniczy rolę instalacji kolektorów słonecznych wyłącznie do wytwarzania ciepłej wody użytkowej, wtedy czas zwrotu takiej instalacji się wydłuży. Ale jeżeli instalacja kolektorów słonecznych będzie służyć do pozyskiwania ciepła także do ogrzewania, a nie tylko wytwarzania C.W.U to sytuacja może się zmienić diametralnie. Miałem okazję oglądać w Niemczech domy praktycznie samowystarczalne pod kątem zapotrzebowania na ciepło w skali roku. Ich stopień pokrycia rocznego zapotrzebowania na ciepło uzyskiwanego z energii słonecznej wynosi ponad 90%. Do tego należy dodać, że słońce, w przeciwieństwie do dystrybutorów ciepła czy dostawców paliw nie wystawia nam rachunków. Ceny nośników energii będą wzrastać, bez względu na to, czy nam, czy też uznanym ekspertom, się to podoba czy nie. A cena energii słonecznej będzie niezmienna i będzie stale wynosić zero. Warto zatem zainwestować wcześniej w takie rozwiązanie, wtedy, kiedy nas na to stać, po to, aby na emeryturze, kiedy nasze dochody będą niższe, nie ponosić kosztów ogrzewania, które stanowią znaczną pozycję w budżecie domowym. I jeszcze jedno – koszty takiej instalacji to tylko 5 do 15% więcej kosztów całej instalacji grzewczej w domu. Dodatkowe koszty to tylko nieco większa powierzchnia kolektorów słonecznych, duży zbiornik ciepła i panel sterujący zarządzający przepływem ciepła w całej instalacji. Oczywiście nie wszędzie można w pełni wykorzystać dar jakim jest energia słoneczna, ale to przecież tylko od nas zależy ile z tej energii uda nam się zagospodarować. Ta energia i tak dotrze na ziemię bez względu na to ile z niej przechwycimy.

Na co zwrócić uwagę podczas doboru i montażu systemów solarnych by inwestycja w nie była optymalnie wykorzystana?

Na ten temat można by napisać książkę, ale krótko: po pierwsze trzeba zwrócić uwagę na lokalizacje budynku, który chcemy ogrzać, czy wytworzyć c.w.u. Kolektory powinny być możliwie skierowane na południe, kolektory nie powinny być zacienione ani w lecie, ani tym bardziej w zimie. Instalacja musi być dobrze dobrana i zaprojektowana, tak, aby uniknąć przewymiarowania, co może przynieść negatywny efekt w lecie. Kolektory powinny być możliwie blisko odbiornika – zasobnika ciepła, aby zredukować ewentualne straty ciepła miedzy kolektorami a zasobnikiem wodą. Należy pamiętać o tym, że ich sprawność i uzyski ciepła są tym lepsze, im niższa temperatura panuje w dolnej części instalacji – dlatego ważne jest prawidłowe sterowaniem obiegu po to, aby czynnik transportujący ciepło był w trakcie obiegu maksymalnie schładzany przed powrotem do kolektora. Innym bardzo ważnym problemem, na który należy zwrócić szczególną uwagę, jest jakość wykonania instalacji. Instalacja musi być szczelna i dobrze zaizolowana. Należy zwracać szczególną uwagę na jakość połączeń. Nie należy się także obawiać budowania instalacji służących obok uzysku ciepła dla c.w.u. także do ogrzewania całego budynku. Każda ilość ciepła pozyskana z instalacji w okresie jesienno-zimowym lub po prostu wtedy, gdy jest chłodno, oznacza mniejsze koszty z tytułu uzupełniającego ogrzewania.

Które elementy systemów solarnych uległy w ostatnich latach największej ewolucji technologicznej?

Kolektory słoneczne zarówno płaskie, jak i próżniowe, podlegały w ostatnich latach ciągłemu udoskonalaniu. Dotyczyło to różnych elementów konstrukcji i materiały wykorzystywanych do ich budowy. Dotyczy to zarówno materiału absorbera, sposobu uszczelniania rur próżniowych, wytwarzania szkła osłonowego dla kolektorów płaskich, sposobu wykonywania przewodów odbierających ciepło itd. Z pewnością w ostatnich latach coraz większe znaczenie, na razie jeszcze nie w Polsce, mają układy hybrydowe, czyli połączenie kolektorów słonecznych i paneli fotowoltaicznych w jedno. Jest to rozwiązanie będące przykładem pełnej symbiozy. Dzięki takiemu rozwiązaniu z tej samej powierzchni dachu pozyskuje się więcej energii. Należy zwrócić uwagę, że panele fotowoltaiczne zmniejszają swoją sprawność działania wraz ze wzrostem temperatury. Tymczasem element kolektora słonecznego odbiera to ciepło, wychładzając przy tym panel PV i polepszając jego sprawność. Następnym elementem który uległ rozwinięciu w ostatnich latach są magazyny ciepła. Dotyczy to zarówno zwykłych zasobników dwuwężownicowych, jak też sezonowych magazynów ciepła różnej konstrukcji. Całość osiągnięć technologicznych powoduje, że możemy lepiej i skuteczniej pozyskiwać i magazynować pozyskane ciepło z promieniowania słonecznego.

Niektórzy znani producenci urządzeń grzewczych wycofują się z produkcji kolektorów słonecznych przerzucając siły projektowe i konstrukcyjne na powietrzne pompy ciepła. Twierdzą, że zastosowanie tych drugich urządzeń jest o wiele efektywniejsze. Jakie jest Pana zdanie na ten temat?

Należałoby się przyjrzeć przyczynom tego typu działań. Raczej można by tutaj mówić o dywersyfikacji, jak i poszerzaniu palety produktów, aniżeli odchodzenia od kolektorów słonecznych. Konkurencja na rynku kolektorów słonecznych w ostatnich latach się bardzo zaostrzyła. Szereg producentów produkuje dobre jakościowo kolektory sprzedawane w korzystnych cenach. Konkurencja powoduje, że niektórym producentom urządzeń grzewczych bardziej się opłaca dokupić od OEM-owego producenta wysokie jakościowo kolektory, niż ponosić koszty produkcji przy stosunkowo ograniczonym wolumenie sprzedaży.

Kolektorów słonecznych, podobnie zresztą jak pomp ciepła, nie można wszędzie stosować. Decyzja o doborze takiej czy innej instalacji powinna wypływać z lokalnych zasobów energii jak też czynników lokalizacyjnych obiektu. Każdy rodzaj urządzenia może działać doskonale lub niezadowalająco – wszystko zależy od instalatora i projektanta, czy efekt końcowy będzie odpowiadać oczekiwaniom inwestora. Jeśli chodzi o powietrzne pompy ciepła do c.w.u. to można zaobserwować wzrost zainteresowania tymi urządzeniami szczególnie w ciągu ostatnich dwóch lat. Są to stosunkowo proste urządzenia, mogące być zamontowane bardzo szybko i bez dodatkowego wysiłku, np. wychodzenia na dach i prowadzenia stamtąd instalacji. Zaryzykowałbym stwierdzenie, że ich powodzenie wśród instalatorów często bierze się z pójścia przez nich na łatwiznę. Instalację takiej pompy można porównać do ustawienia i podłączenia lodówki, z tą różnicą, że jeszcze trzeba do niej doprowadzić przyłącza. Pracy mniej, a instalator kasuje klienta na porównywalne pieniądze, stąd takie powodzenie tych urządzeń u instalatorów. Natomiast trzeba zwrócić na jedną rzecz uwagę – podczas eksploatacji, aby wytworzyć c.w.u. taka pompa ciepła często pobiera ciepło z pomieszczenia w którym się znajduje, czyli mówiąc krótko wychładza dom, w którym stoi. Poza tym potrzebuje w eksploatacji więcej energii elektrycznej w porównaniu do zasilania panelu sterowania instalacji kolektorów słonecznych. W wypadku przerw w dostawie prądu – pompa po prostu nie działa. W lecie jest OK, ponieważ spełnia role wsparcia dla klimatyzacji, ale w zimie, trzeba więcej ciepła z instalacji grzewczej aby uzupełnić pobrane ciepło. Dlatego jeszcze raz podkreślam, że instalacje i urządzenia muszą być dobierane z głową. Stosować je należy tam, gdzie dadzą właściwy rezultat, bez niepożądanych efektów ubocznych.

Opracowanie:
mgr inż. Joanna Kopica
mgr inż. Radosław Turski
Prawa autorskie należą do serwisu www.ogrzewnictwo.pl

Literatura:
[1] Pluta Z. „Słoneczne instalacje energetyczne” Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007, str. 15–16.
[2] Wiśniewski G., Gołębiowski S., Gryciuk M., Kurowski K., Więcka A. „Kolektory Słoneczna, Energia Słoneczna w Mieszkalnictwie, Hotelarstwie i Drobnym Przemyśle”, Wydawnictwo Medium, Warszawa 2008, str. 61.