Jak działają kolektory słoneczne? Gdzie je zamontować? Alternatywa dla fotowoltaiki
W obliczu rosnących kosztów ogrzewania, które wkrótce mogą być jeszcze wyższe, warto zacząć szukać sposobów na ich obniżenie. Jednym z najefektywniejszych rozwiązań jest instalacja kolektorów słonecznych, które pozwalają na wykorzystanie darmowej energii ze słońca do podgrzewania wody.
Spis treści
- Jak obniżyć koszty ogrzewania domu? Odnawialne źródła energii i kolektory słoneczne
- Kolektor słoneczny i panel fotowoltaiczny — różnice
- Czy fotowoltaika się opłaca?
- Co to jest kolektor słoneczny?
- Co jest lepsze kolektory słoneczne czy fotowoltaika? Chodzi o efektywność!
- Zasobnik solarny jako magazyn energii
- Dobór odpowiedniego zestawu kolektorów i zasobników
- Systemy biwalentne i dodatkowe źródła ciepła
- Schemat instalacji z kolektorami słonecznymi
- Kolektory słoneczne wspomagające centralne ogrzewanie
- Zysk energetyczny i wydajność kolektorów słonecznych
- Zalety systemu wspomagania ogrzewania energią słoneczną
- Kiedy działają kolektory? Zimowa efektywność kolektorów słonecznych
- Gdzie zamontować kolektory?
Jak obniżyć koszty ogrzewania domu? Odnawialne źródła energii i kolektory słoneczne
Koszty ogrzewania domu urządzeniami wykorzystującymi paliwa kopalne rosną, bo maleje dostępność tych paliw w Europie – ich zasoby się kończą. Wobec tego Unia Europejska jest zmuszona prowadzić politykę ograniczania zużycia energii, która pochodzi ze spalania paliw, i zastępowania jej energią ze źródeł odnawialnych.
Jednym z elementów tej polityki jest planowane opodatkowanie emisji CO2 z domowych kotłowni (od 2027 r.). Pozyskiwane w ten sposób środki miałyby wspierać tych, którzy nie są w stanie samodzielnie pokrywać kosztów transformacji energetycznej.
To oczywiście sprawi, że ogrzewanie kotłem na węgiel, drewno, gaz czy olej będzie jeszcze droższe. A sposobem na uniknięcie tych kosztów jest zastępowanie konwencjonalnych urządzeń grzewczych takimi, które zamiast paliw wykorzystują OZE.
Oprócz bardzo popularnych w ostatnich latach – ze względu na dotacje – pomp ciepła i fotowoltaiki, są nimi także trochę zapomniane kolektory słoneczne. Jakie są korzyści z ich zastosowania?
Przeczytaj również: Jakie kolektory słoneczne wybrać? Vademecum dla kupujących solary
Kolektor słoneczny i panel fotowoltaiczny — różnice
Kolektory słoneczne, tak jak panele fotowoltaiczne, służą do pozyskiwania darmowej energii z promieniowania słonecznego. Fotowoltaika umożliwia produkowanie z niej energii elektrycznej, którą następnie można wykorzystać do zasilania wszelkich urządzeń elektrycznych, na przykład służących do podgrzewania wody.
Przeczytaj również: Solary na wodę w praktyce. Kolektory słoneczne do przygotowania ciepłej wody
Z kolei w kolektorach słonecznych zachodzi bezpośrednia konwersja energii promieniowania słonecznego na ciepło. Ich przeznaczeniem jest więc wyłącznie grzanie wody, czy to użytkowej, czyli do mycia, czy to do wspomagania działania instalacji centralnego ogrzewania.
Kolektory słoneczne zaczęły masowo pojawiać się na dachach polskich domów kilkanaście lat temu, wraz z dużymi dopłatami do kredytu na ich zakup i montaż.
Mniej więcej dziesięć lat później zaczęły znikać, bo modne i bardzo opłacalne stało się instalowanie fotowoltaiki, do której państwo dopłacało jeszcze więcej niż niegdyś do kolektorów.
Wówczas niektórzy właściciele tych urządzeń zaczęli je demontować, by zwolnić miejsce na dachu dla paneli PV. Boom na instalacje fotowoltaiczne sprawił, że o kolektorach trochę zapomnieliśmy – przestały być reklamowane, wiele firm wycofało je ze swojej oferty. Nie było dotacji na ich zakup.
Czy fotowoltaika się opłaca?
Dziś można powiedzieć, że dobry czas dla inwestycji w fotowoltaikę się skończył, przynajmniej dla gospodarstw domowych.
Owszem, ci, którzy uruchomili swoją instalację PV przed 1 kwietnia 2022 r., nadal odnoszą z niej dużą korzyść w postaci bardzo niskich rachunków za energię elektryczną, co jest zasługą systemu rozliczeń z przedsiębiorstwami energetycznymi nazywanym net-meteringiem lub systemem opustów.
Obowiązuje on w okresie 15 lat wszystkich prosumentów, którzy podpisali umowę na rozliczanie energii przed wspomnianą datą.
Ci, którzy zrobili to później, musieli się pogodzić z przyjęciem nowych zasad rozliczania – w systemie net-billingu. A ten, jak się okazało, już tak bardzo korzystny dla prosumentów nie jest. Choćby dlatego, że nie daje możliwości w miarę dokładnego oszacowania okresu zwrotu inwestycji w fotowoltaikę.
Ponadto zasady przyznawania dotacji do zakupu instalacji PV nie są już tak atrakcyjne, jak parę lat temu. Taka sytuacja skłania do zastanowienia się, czy znów nie byłoby warto zainwestować w kolektory słoneczne.
Co to jest kolektor słoneczny?
Mówiąc najprościej, jest to odpowiednio ukształtowana cienka rurka (lub bateria rurek) szybko nagrzewająca się pod wpływem działania promieniowania słonecznego dzięki absorberowi, do którego przylega.
Absorber to dobrze przewodząca ciepło cienka płyta o dużej powierzchni umożliwiającej pochłanianie znacznie większej ilości energii promieniowania słonecznego niż przez samą cienką rurkę.
Sprzyja temu także powłoka selektywna, którą są pokrywane absorbery – dobrze pochłaniająca promieniowanie słoneczne i jednocześnie emitująca niewiele promieniowania cieplnego.
Straty ciepła do otoczenia ogranicza obudowa kolektora w postaci płaskiej skrzynki z izolowanym cieplnie dnem (w przypadku kolektorów płaskich) albo szklanych rur próżniowych (w przypadku kolektorów rurowych).
Wewnątrz rurek znajduje się ciecz, która ogrzewa się od ich ścianek. Żeby nie zamarzła zimą, musi mieć niską temperaturę krzepnięcia, dlatego w naszym klimacie w kolektorach nie podgrzewa się bezpośrednio wody, tylko roztwór glikolu.
Ten oddaje ją podgrzewanej wodzie w wymienniku ciepła – podgrzewaczu pojemnościowym nazywanym zasobnikiem solarnym. Żeby woda nie zamarzała, zasobnik ustawia się w ogrzewanym pomieszczeniu, ale najlepiej niezbyt daleko od kolektorów, które oczywiście trzeba umieścić na zewnątrz.
Co jest lepsze kolektory słoneczne czy fotowoltaika? Chodzi o efektywność!
Choć zastosowanie instalacji fotowoltaicznej jest bardziej uniwersalne, gdy zależy nam na zmniejszeniu kosztów ogrzewania, to warto brać pod uwagę, że wyższą efektywność zapewnią nam kolektory słoneczne.
Aby uzyskać ten sam efekt w pozyskiwaniu do ogrzewania energii z promieniowania słonecznego, co z kolektorów słonecznych, powierzchnia paneli fotowoltaicznych musi być ponad dwa razy większa.
Za zaletę kolektorów można też uznać to, że całą pozyskaną przez nie energię wykorzystujemy wyłącznie na własne potrzeby, a magazyn tej energii jest integralną częścią każdej standardowej instalacji.
Nie musimy się więc martwić o to, czy i za ile uda nam się sprzedać nadwyżki energii. Opłacalność stosowania kolektorów nie jest od tego uzależniona. Jedyną niewiadomą w jej szacowaniu są przyszłe koszty ciepła pozyskiwanego ze źródła, dla którego kolektory mają być alternatywą.
Przeczytaj również: Dom z kolektorami, rekuperatorem i instalacją PV: koszt instalacji i ogrzewania
Zasobnik solarny jako magazyn energii
Zasobnik solarny to nie tylko podgrzewacz, ale jednocześnie też magazyn energii. Dlatego jego objętość powinna być na tyle duża, żeby pomieścił tyle ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), ile nam potrzeba do mycia w ciągu doby.
Sprzedawcy oferują typowe zestawy przeznaczone do domów o określonej liczbie mieszkańców. Składają się one z zasobnika o dostosowanej do tej liczby pojemności i tylu kolektorów, ile potrzeba, żeby zapewnić odpowiednio wysoką temperaturę wody w takim zasobniku.
Dobór odpowiedniego zestawu kolektorów i zasobników
Z doświadczeń wynika, że w przypadku małych instalacji do domów jednorodzinnych i kolektorów płaskich odpowiedni wskaźnik to 1 m2 powierzchni apertury (części absorbera, do której dociera promieniowanie słoneczne) na 50-60 l pojemności zasobnika.
Powierzchnia apertury typowego pojedynczego kolektora płaskiego wynosi zwykle blisko 2 m2, więc zasobnik 200-litrowy jest odpowiedni do współpracy z dwoma kolektorami płaskimi, a 250-litrowy – z trzema.
Standardowy zestaw kolektorów słonecznych w naszym klimacie ma za zadanie pokryć zapotrzebowanie na ciepło do przygotowywania c.w.u. w 70% w okresie od wiosny do jesieni.
Jest to więc system, który z założenia wspomaga tylko inne źródło ciepła. Gdybyśmy chcieli korzystać wyłącznie z kolektorów, musielibyśmy zaakceptować to, że nie zawsze (zwłaszcza zimą) są one w stanie zapewnić nam komfort.
Systemy biwalentne i dodatkowe źródła ciepła
W celu dogrzewania wody przez inne urządzenie grzewcze w układzie z kolektorami słonecznymi stosuje się tak zwany zasobnik biwalentny, czyli pojemnościowy podgrzewacz wody z dwiema wężownicami.
Dolną przepływa roztwór glikolu ogrzewany energią słoneczną w kolektorach, górną – woda podgrzewana przez kocioł bądź pompę ciepła. Sterownik instalacji solarnej odbierający sygnały z czujników temperatury uruchamia pompę powodującą przepływ glikolu, gdy jego temperatura w kolektorze staje się o kilka stopni wyższa niż wody w zasobniku.
Jeśli temperatura wody nie osiąga wymaganej wartości dzięki promieniowaniu słonecznemu, uruchamiana jest pompa wymuszająca przepływ wody z kotła przez górną wężownicę.
Zadaniem układu sterującego jest też niedopuszczenie do przekroczenia bezpiecznej temperatury wody w zasobniku – zatrzymuje w takiej sytuacji pompę wymuszającą przepływ glikolu.
Zimą pompa może być uruchamiana, by rozpuścić śnieg zalegający na kolektorach – jest do tego wykorzystywane ciepło zakumulowane w wodzie wypełniającej zasobnik, które glikol transportuje do kolektorów.
Jeżeli mamy kocioł, który nie uruchamia się automatycznie (na przykład węglowy), w zasobniku przyda się nam dodatkowa elektryczna grzałka gwarantująca stałą dostępność ciepłej wody. Przeponowe naczynie kompensacyjne jest potrzebne do przejmowania nadmiaru glikolu, gdy jego objętość zwiększy się pod wpływem wzrostu temperatury.
Schemat instalacji z kolektorami słonecznymi
Kolektory słoneczne wspomagające centralne ogrzewanie
Kolektory słoneczne mogą też wspomagać działanie urządzeń zasilających instalację centralnego ogrzewania pomieszczeń.
Trzeba jednak mieć świadomość, że natężenie promieniowania słonecznego zimą jest znacznie mniejsze niż wiosną i jesienią, nie mówiąc już o lecie, więc jeśli kolektory słoneczne mają dostarczać energię w ilości umożliwiającej ogrzewanie pomieszczeń, trzeba ich zainstalować więcej niż do wspomagania instalacji przygotowującej wyłącznie ciepłą wodę użytkową.
Z tego powodu system wspomagania działania instalacji ogrzewania budynku energią słoneczną jest znacznie droższy.
Zysk energetyczny i wydajność kolektorów słonecznych
Zysk energetyczny w typowym systemie przygotowywania ciepłej wody użytkowej sięga najwyżej 600 kWh energii z 1 m2 zainstalowanych kolektorów, a czasami bywa nawet o ponad połowę niższy.
Za dobry wynik, świadczący o poprawnym doborze elementów instalacji i jej prawidłowej pracy, uznaje się 450 kWh/(m2·rok).
Na okres zimowy, kiedy ogrzewanie jest najbardziej potrzebne, przypada tylko niespełna 10% energii promieniowania słonecznego docierającego w Polsce do powierzchni ziemi w ciągu roku.
Zalety systemu wspomagania ogrzewania energią słoneczną
Mimo tego użytkownicy działających przez cały rok instalacji słonecznych do wspomagania centralnego ogrzewania twierdzą, że udaje się im uzyskiwać rocznie aż blisko 900 kWh/(m2·rok), czyli dwa razy więcej niż użytkownikom instalacji do wspomagania jedynie c.w.u.
A to oczywiście sprawia, że czas zwrotu wydatków poniesionych na zakup instalacji jest dwa razy krótszy, zatem jest to interesująca propozycja dla każdego, komu zależy na ograniczeniu zużycia energii ze źródeł konwencjonalnych.
W dobie popularności instalacji fotowoltaicznych wielu inwestorów zapomina, jak duże oszczędności mogą przynieść termiczne kolektory słoneczne.
Ich wybór do wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej jest korzystny zarówno dla mieszkańców domów jednorodzinnych, jak i właścicieli pensjonatów.
W przypadku standardowego domu jednorodzinnego zamieszkanego przez 4-5 osób wystarczy instalacja solarna składająca się z dwóch kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni 5,7 m² oraz zasobnika c.w.u. o pojemności 300 l.
Taka instalacja pozwala zaoszczędzić rocznie:
- przy wspomaganiu działania kotła na pelety lub kotła węglowego – około 1300 zł
- przy wspomaganiu działania kotła gazowego kondensacyjnego – około 1850 zł
- przy wspomaganiu działania podgrzewacza elektrycznego – około 3500 zł
Cena takiego zestawu solarnego to około 8400 zł brutto z dwuwężownicowym zasobnikiem c.w.u. oraz 5500 zł brutto bez zasobnika. Do tego trzeba jeszcze doliczyć koszty zestawu montażowego do kolektorów, orurowania, armatury oraz robocizny (ceny montażu różnią się znacznie w zależności od regionu).
Wraz ze wzrostem liczby mieszkańców w budynku opłacalność instalacji solarnej staje się jeszcze większa. Szczególnie widoczne jest to w przypadku pensjonatów.
Oszczędności w średniej wielkości pensjonacie (dla 40 gości) w wyniku wyposażenia w instalację solarną wynoszą obecnie:
- przy wspomaganiu działania kotła na pelety lub kotła węglowego – około 15 tys. zł
- przy wspomaganiu działania kotła gazowego kondensacyjnego – około 21 tys. zł
- przy wspomaganiu działania podgrzewacza elektrycznego – około 40 tys. zł
Nawet jeśli pensjonat jest wyposażony w wysokosprawne źródło ciepła, takie jak pompa ciepła, oszczędności w przygotowaniu c.w.u. mogą wynieść około 14 tys. zł rocznie.
Niezależnie od oszczędności i wielkości instalacji, dodatkową zaletą stosowania kolektorów słonecznych jest ich w pełni automatyczne działanie, co stanowi znaczące ułatwienie, zwłaszcza dla posiadaczy kotłów na paliwa stałe.
Kiedy działają kolektory? Zimowa efektywność kolektorów słonecznych
Zimą wartość natężenia promieniowania słonecznego rzadko i na krótko osiąga poziom umożliwiający uzyskanie w kolektorze słonecznym temperatury niezbędnej do działania ogrzewania.
By płyn podgrzany w kolektorach przekazał ciepło wodzie w zasobniku systemu ogrzewczego, musi mieć temperaturę o kilka stopni wyższą niż ona.
W instalacjach z solarami standardowo sterownik uruchamia pompę wymuszającą przepływ płynu transportującego energię, gdy temperatura płynu w kolektorze jest o 6℃ wyższa niż wody w zasobniku.
Im częściej występuje taka sytuacja, tym więcej darmowej energii trafia do instalacji ogrzewczej. Dlatego powinna to być instalacja niskotemperaturowa – z możliwie najniższą temperaturą zasilania.
W instalacji c.w.u. do zasobnika trafia zimna woda o temperaturze rzadko przekraczającej 10℃, więc już przy 20℃ w kolektorze słonecznym możliwe jest ogrzewanie jej energią ze słońca.
W działającej instalacji centralnego ogrzewania pomieszczeń woda ma temperaturę nie niższą niż 28-30℃ – to minimum umożliwiające utrzymywanie komfortu cieplnego, i to przy nie najniższej temperaturze na zewnątrz.
Gdy do w miarę szybkiego zwiększenia temperatury w pomieszczeniach potrzebna jest pełna moc cieplna, temperatura wody zasilającej instalację c.o. powinna być chociaż o kilka stopni wyższa.
Zatem przekazywanie do instalacji ogrzewczej energii z kolektorów jest możliwe dopiero po osiągnięciu przez opuszczający je płyn temperatury blisko 40℃.
Konsekwencją niskiej wartości temperatury zasilania instalacji c.o. jest konieczność zastosowania w pomieszczeniach elementów grzejnych o dużej powierzchni, więc w takim przypadku system ogrzewczy powinien się opierać na ogrzewaniu płaszczyznowym – podłogowym lub ściennym.
Niska temperatura i stosunkowo niewielka ilość energii możliwej do uzyskania z instalacji słonecznej powodują, że najbardziej odczuwa się efekty jej wykorzystywania w domach o minimalnych stratach ciepła i dobrej akumulacyjności cieplnej.
A zatem powinni się nią zainteresować szczególnie ci, którzy chcą wybudować właśnie taki dom.
Gdzie zamontować kolektory?
Ilość energii słonecznej zamienianej w ciepło zależy od ustawienia kolektorów względem stron świata i ich nachylenia. Zatem ważną sprawą jest znalezienie dla nich najkorzystniejszej lokalizacji.
Nieruchomą płaską powierzchnię absorbującą promieniowanie słoneczne najlepiej skierować na południe, bo wtedy przez najdłuższy okres kąt padania na nią tego promieniowania jest zbliżony do prostego.
Ale odchyłka od tego kierunku nawet o 90℃, czyli skierowanie kolektorów na wschód lub zachód, nie uniemożliwia ich działania.
Wyraźnie mniej (blisko o połowę) energii uzyskuje się wtedy zimą, lecz w okresie od wiosny do jesieni różnica w stosunku do kolektorów skierowanych na południe nie przekracza 20%.
Kolektor nachylony do płaszczyzny poziomej pod kątem od 0 do 30℃ przejmuje latem powyżej 90% docierającego do niego promieniowania nawet wtedy, gdy jest skierowany na wschód lub zachód.
Z kolei zimą, gdy słońce wschodzi później, a zachodzi wcześniej i w ciągu dnia jest niżej nad horyzontem, korzystniejsze jest nachylenie kolektorów pod większym kątem. Wówczas jednak nabiera znaczenia odchyłka od kierunku południowego – nie powinna być duża.
Mały kąt nachylenia – około 20℃ – jest zalecany w przypadku zastosowania kolektorów do podgrzewania wody głównie latem (na przykład w odkrytym basenie).
Gdy mają służyć do przygotowywania ciepłej wody do mycia od wiosny do jesieni, optymalne dla naszej szerokości geograficznej nachylenie wynosi 30-50℃. Taki sposób montażu jest stosowany najczęściej, bo daje najlepszy efekt.
Dla uzyskania wysokiej efektywności kolektorów bardzo ważne jest unikanie ich zacienienia. Dlatego w przypadku, gdy w niewielkiej odległości od miejsca montażu są wysokie obiekty, warto przeprowadzić obserwację rzucanego przez nie cienia.
Ponieważ jest znacznie dłuższy zimą niż latem, trzeba to zrobić w najmniej korzystnym czasie. Jeśli kolektory mają działać od wiosny do jesieni, to długość cienia powinna być zbadana na początku lub końcu tego okresu.
W dyskusjach dotyczących instalacji solarnych często pojawia się problem przegrzewania się kolektorów słonecznych latem. W tej kwestii warto zwrócić uwagę na dwa istotne aspekty.
Pierwszym z nich jest właściwy dobór instalacji do zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Nie należy przewymiarowywać instalacji, ponieważ wtedy dużo częściej dochodzi do stanu, w którym nie ma odbioru ciepła z kolektorów, czyli tak zwanej stagnacji, co prowadzi właśnie do nadmiernego wzrostu ich temperatury.
Drugim ważnym aspektem jest wybór kolektora słonecznego o określonej budowie.
Wśród dostępnych na rynku urządzeń można znaleźć trzy główne typy układów orurowania wewnątrz kolektora:
- pojedynczy harfowy
- podwójny harfowy
- meander
Przed przegrzewaniem i wynikającą z niego degradacją płynu solarnego najlepiej chroni układ pojedynczy harfowy. Układ ten w łatwy i pewny sposób opróżnia się automatycznie w stanach braku odbioru ciepła i tym samym zabezpiecza płyn solarny przed utratą jego właściwości, a w skrajnych przypadkach – zatkaniem układu hydraulicznego absorbera.
Znaczenie ma także automatyka sterująca wyposażona w odpowiednie funkcje zabezpieczające, takie jak tryb urlopowy, funkcja przeciwdziałająca przegrzaniu kolektorów czy też dodatkowe wychładzanie nocne poprzez odwrócenie kierunku przekazywania energii cieplnej – z zasobnika do kolektorów.
Jedynie odpowiednia budowa wewnętrzna kolektora słonecznego w połączeniu z odpowiednio dobraną automatyką z funkcjami zabezpieczającymi umożliwia użytkownikom bezproblemowe, nieprzerywane przestojami serwisowymi, korzystanie z instalacji solarnych i osiąganie tym samym znacznych oszczędności.
PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ: Czym najlepiej ogrzać dom? Piec na gaz, kocioł na biomasę, pompa ciepła, a może fotowoltaika? Wady i zalety
Autor: Tomasz Zakrzewski, projekt: Marek Chmura, Bartłomiej Hornik/HORNIK CHMURA ARCHITEKTURA
Odkąd zasady przyłączania mikroinstalacji fotowoltaicznych do sieci zmieniły się na mniej korzystne, zainteresowanie panelami PV nieco osłabło
