Zestawy solarne we współpracy z różnymi źródłami ciepła

Kolektory słoneczne stanowiące centralny element zestawu solarnego współpracują z różnymi dodatkowymi źródłami ciepła. Wynika to z faktu, że promieniowanie słoneczne po pierwsze dostępne jest tylko w ciągu dnia, a po drugie zmienia się stosownie do pory roku, zmienia się również w trakcie dnia w wyniku przemieszczania się Słońca po nieboskłonie. Dużą rolę w ograniczeniu promieniowania odgrywa zachmurzenie, opady, zanieczyszczenie środowiska itd. Ciepło uzyskane przez kolektory nie wystarcza więc do zabezpieczenia potrzeb energetycznych użytkownika. Stosuje się więc kotły olejowe, gazowe, na paliwo stałe, wykorzystuje energię elektryczną itd.

Bilans energetyczny budynku

Decydując się na zakup kolektorów słonecznych oczekujemy aby dostarczyły one jak najwięcej energii cieplnej i zaspokoiły w maksymalnym stopniu na przestrzeni całego roku kalendarzowego potrzeby cieplne związane podgrzaniem wody użytkowej, wspomaganiem ogrzewania itd. W tradycyjnych instalacjach solarnych niemożliwe jest pełne pokrycie tych potrzeb a stopień w jakim instalacja solarna jest w stanie te potrzeby zaspokoić nazywany jest wskaźnikiem pokrycia solarnego. Na poniższym rysunku pokazano to zagadnienie dla instalacji solarnej służącej do pozyskiwania ciepłej wody użytkowej (rys. 1).

W pokazanym przypadku instalacja solarna jest w stanie zaspokoić potrzeby związane z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej w 59%. Pozostałe 41% musi zabezpieczyć dodatkowe źródło ciepła. Nie oznacza to oczywiście, że osiąga się 59% w każdym miesiącu roku kalendarzowego, przy odpowiednim doborze zestawu solarnego możliwe jest bowiem osiągnięcie w szczycie lata prawie 100% pokrycia potrzeb energetycznych (rys. 2).

Użytkownik wiedząc, że koszt ogrzewania ciepłej wody użytkowej po zastosowaniu kolektorów słonecznych spadnie o te 59% w skali roku może obliczyć ile wyniosą jego oszczędności.

Instalacja solarna z kotłem olejowym lub gazowym

W nowym budownictwie indywidualnym do ogrzewania budynków najczęściej wykorzystuje się nowoczesne kotły olejowe lub gazowe. W przypadku, gdy budynki znajdują się na etapie budowy potencjalni użytkownicy kolektorów słonecznych zamawiają zasobniki dwuwężownicowe lub kombinowane, dzięki czemu mogą w każdej chwili zastosować kolektory słoneczne. Zdarza się, że równocześnie z zakupem zasobnika zamawia się uchwyty dachowe aby kolektory zamontować na przykład, gdy otrzyma się dofinansowanie. Dolna wężownica tych zbiorników przeznaczona jest do podłączenia kolektorów słonecznych (rys. 3).

W przypadku zasobnika dwuwężownicowego (rys. 3a) kolektory słoneczne wykorzystywane są do pozyskiwania ciepłej wody użytkowej, zasobnik kombinowany (rys. 3b) stosowany jest w przypadku, gdy kolektory słoneczne wykorzystuje się dodatkowo do wspomagania ogrzewania.

Wielu potencjalnych użytkowników kolektorów słonecznych mieszka już w swoich budynkach, wówczas kotły zwykle współpracują z zasobnikami ciepłej wody użytkowej wyposażonymi w jedną wężownicę. Nie stanowi to jednak przeszkody w zastosowaniu kolektorów słonecznych, które można podłączyć do istniejącej instalacji wykorzystując dodatkowy zasobnik solarny lub zewnętrzny wymiennik ciepła (rys. 4). W zależności od proporcji wielkości pomiędzy zasobnikiem solarnym, a właściwym zasobnikiem ciepłej wody użytkowej stosuje się różny sposób ich podłączenia. W przypadku, gdy zasobnik solarny posiada pojemność większą od zasobnika właściwego ciepła woda z zasobnika solarnego kierowana jest bezpośrednio do zasobnika właściwego (rys. 4a). Gdy pojemności są identyczne lub proporcja jest odwrotna niezbędne jest zastosowanie dodatkowego podmieszania wody znajdującej się w obu zasobnikach (rys. 4b). Możliwe jest również wykorzystanie płytowego wymiennika ciepła (rys. 4c).

Instalacja solarna z kotłem na pellety

Z uwagi na stale rosnące ceny paliwa w postaci oleju lub gazu coraz szersze zastosowanie znajdują kotły na pellety.

Są to bardzo nowoczesne kotły, sterowane mikroprocesorem, który nadzoruje proces spalania. Paliwem w niektórych takich kotłach poza pelletami może być groszek węglowy.

Pellety produkuje się z odpadów drzewnych takich jak trociny, wióry oraz z roślin energetycznych po odpowiedniej przeróbce, a mianowicie suszeniu oraz mieleniu. Następnie pod wysokim ciśnieniem wytłacza się wałki o średnicy od 6 do 12 mm i długości do 30 mm. Ich wartość energetyczna wynosi ok. 18 MJ/kg.

Ponieważ w procesie produkcji pelletów nie stosuje się żadnych substancji chemicznych jest to paliwo bardzo bezpieczne dla środowiska naturalnego. Ma niską zawartość popiołu wynoszącą ok. 0,5%, oraz wilgoci od 8 do 12% (www.info-ogrzewanie.pl).

Podłączenie kolektorów słonecznych następuje w tym przypadku w sposób identyczny jak w kotłach gazowych lub cieplnych (rys. 5).

Instalacja solarna wspierana energią elektryczną

W przypadku budynków, których mieszkańcy z różnych względów zmuszeni są do korzystania wyłącznie z energii elektrycznej możliwe jest zastosowanie instalacji solarnej współpracującej z solarnym zasobnikiem ciepłej wody użytkowej wyposażonym w grzałkę elektryczną lub też woda z zasobnika solarnego kierowana jest do elektrycznego podgrzewacza wody, w którym następuje podgrzew wody do wymaganej temperatury (rys. 6). Podgrzew może następować centralnie przez podgrzewacz umieszczony bezpośrednio za zasobnikiem solarnym albo podgrzewacze umieszcza się w poszczególnych pomieszczeniach, w których znajdują się odbiorniki ciepłej wody (rys. 6c).

Rozbudowane instalacje grzewcze

Przedstawione powyżej schematy „kotłowni” współpracujących z zestawami kolektorów słonecznych mogą być oczywiście znacznie bardziej rozbudowane. Poza standardowym kotłem grzewczym dodatkowymi źródłami ciepła mogą być na przykład kominek (rys. 7) czy pompa ciepła. Takie bardziej rozbudowane instalacje pozwalają użytkownikowi na bardziej swobodne dysponowanie „paliwem” w celu optymalizacji kosztów związanych z potrzebami energetycznymi budynku.

Oszczędności związane z zastosowaniem kolektorów słonecznych

Zastosowanie zestawów kolektorów słonecznych przynosi określone korzyści związane z wykorzystaniem „bezpłatnej” energii promieniowania słonecznego. Oszczędności wynikające z zastosowania kolektorów słonecznych określono za granicą w formie tak zwanych rocznych energetycznych przeliczników energii promieniowania słonecznego, pokazanych poniżej.

Promieniowanie roczne na 1 m2 (975 – 1275 kWh) odpowiada:

• 95 – 120 l oleju opałowego
• 190 – 240 kg pelletów
• 95 – 120 m3 gazu ziemnego
• 180 – 235 kg węgla brunatnego
• 230 – 310 kg drewna opałowego

Energia promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię 1m2 pozwala na zaoszczędzenie określonej ilości paliwa. Ciągle rosnące ceny paliwa powodują, że wykorzystanie kolektorów słonecznych nabiera większego znaczenia.

Podsumowanie

Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego możliwe jest w kombinacji praktycznie z każdym dodatkowym źródłem ciepła. Rosnące ceny paliw oraz wprowadzone dotacje do kolektorów słonecznych winny doprowadzić do pozytywnych zmian w kierunku wzrostu udziału wykorzystania energii promieniowania słonecznego w obszarze odnawialnych źródeł energii.

Jerzy Chodura

Źródła ilustracji:

[1] Rysunek do podręcznika autora (w przygotowaniu)
[2] M. Zawadzki – Kolektory słoneczne, pompy
ciepła – na tak. ISBN 83-918540-0-0
[3] www.wagner-solar.com
[4] www.ikz.de