Możliwości kolektorów słonecznych. Czy ogrzewanie domu wchodzi w grę?

Kolektory słoneczne służą do zamiany energii promieniowania słonecznego w ciepło. Czego można od nich oczekiwać? W praktyce kolektory stosuje się najczęściej do ogrzewania wody użytkowej, wody w basenach, do zasilania instalacji ogrzewania pomieszczeń i ciepła technologicznego. Zdecydowanie najpopularniejsze jest pierwsze z tych zastosowań, a to głównie ze względu na korzystny stosunek kosztów systemu do uzyskiwanych efektów energetycznych.

Zobacz galerię 5 zdjęć

Autor: Hewalex

Nie wszędzie do powierzchni ziemi dociera ta sama ilość ciepła. Na mapie zaznaczono nasłonecznienie, czyli średnią moc natężenia promieniowania słonecznego na obszarze Polski. Największy zysk z kolektorów mogą mieć mieszkańcy okolic Lublina, najmniejszy rejonów zaznaczonych na żółto. Na szczęście różnice nie są bardzo duże (rys. Hewalex)

Jak wykorzystać ciepło z kolektorów słonecznych?

Można próbować wykorzystywać energię słoneczną­ także do ogrzewania pomieszczeń, ale niezbędne do tego nakłady finansowe na instalację są bardzo duże w stosunku do uzyskiwanych w naszym klimacie efektów. Niestety – zimą, gdy zapotrzebowanie na ciepło jest największe, kolektory nie są w stanie dostarczać go w znacznej ilości. System nadający się do zasilania w ciepło instalacji centralnego ogrzewania trzeba wyposażyć w kolektory o powierzchni równej mniej więcej połowie powierzchni ogrzewanych pomieszczeń.

Ile ciepła przekazuje słońce

Nasłonecznienie, czyli średnia moc promieniowania słonecznego, waha się w Polsce od 900 do 1100 kWh/(m² x rok) w zależności od rejonu. Na ustawioną prostopadle do promieni słonecznych powierzchnię znajdującą­ się w górnej granicy atmosfery pada promieniowanie o mocy około 1366 W/m² ( stała słoneczna). Do ziemi dociera jednak tylko jego część. Najważniejszym czynnikiem decydującym o ilości energii docierającej do powierzchni ziemi jest zachmurzenie. W polskich warunkach, przy bezchmurnej pogodzie, promieniowanie całkowite (bezpośrednie i rozproszone) ma moc nawet 1050 W/m² (z tego 90% to promieniowanie bezpośrednie), a przy pełnym zachmurzeniu poniżej 100 W/m² i wówczas jest to tylko promieniowanie rozproszone. Dlatego do określenia opłacalności stosowania kolektorów słonecznych niezbędna jest wiedza o tym, przez jak długi czas na danym obszarze można liczyć na bezchmurne niebo. Informuje o tym wielkość zwana usłonecznieniem, która jest sumą godzin bezchmurnych w porze dziennej dla danego obszaru w ciągu roku. Dla Polski wynosi ona średnio 1600 godzin.

Energia słoneczna i wydajność instalacji

W kolektorach słonecznych udaje się zamienić w ciepło od kilku do nawet 85% energii słonecznej, w zależności od zastosowanych w nich rozwiązań, ich jakości oraz warunków, w jakich pracują.

Można przyjąć, że dobra instalacja słoneczna jest w stanie dostarczyć w postaci ciepła 50% energii słonecznej docierającej w ciągu roku do powierzchni kolektorów, czyli około 500 kWh/(m² x rok). To niemało, bo zapotrzebowanie na ciepło do podgrzewania wody użytkowej dla czteroosobowej rodziny wynosi przeciętnie około 3000 kWh/rok.

Wynikałoby z tego, że zastosowanie kolektorów słonecznych o powierzchni 6 m² powinno wystarczyć do tego, żeby ciepłą wodę w domu jednorodzinnym podgrzewało tylko słońce. W praktyce sprawa nie jest taka prosta, bo kolektory słoneczne nie pracują stale z taką samą mocą.

W naszym klimacie przez co najmniej 1/4 roku jest ona niewystarczająca do działania instalacji grzewczej. Chodzi przede wszystkim o zimę, ale i w pozostałych porach roku również zdarzają się dni, gdy promieniowanie słoneczne jest zbyt słabe, by kolektory dostarczały ciepło do instalacji. Problem częściowo rozwiązuje zastosowanie zbiorników akumulacyjnych, w których magazynuje się podgrzaną przez słońce wodę. W czasie ładnej pogody kolektory dostarczają na ogół za dużo ciepła, więc teoretycznie można wykorzystać je w okresie, gdy mamy do dyspozycji mniej energii słonecznej. W typowych instalacjach do domów jednorodzinnych zbiorniki akumulacyjne mają pojemność kilkuset litrów, ale magazynowana w nich woda stygnie. Można liczyć, że bez dogrzewania pozostanie gorąca przez kilkadziesiąt godzin, więc trzeba pogodzić się z koniecznością korzystania, także z innego źródła ciepła przez całą zimę, od czasu do czasu także wiosną i jesienią, a może się zdarzyć, że także latem.

Kolektory mogą być również wykorzystane do instalacji wspomagających ogrzewanie budynku. Należy zwrócić jednak uwagę na następujące uwarunkowania:

• aby udział energii z kolektorów w ogrzewaniu był znaczący, budynek powinien zapewniać niskie straty energii cieplnej do otoczenia;
• zastosowany system ogrzewania powinien opierać się na niskich parametrach temperaturowych ( np. ogrzewanie podłogowe);
• ze względu na konieczność zastosowania większej ilości kolektorów, należy przewidzieć możliwość wykorzystania nadwyżki ciepła w okresie letnim np. do ogrzewania basenu kąpielowego, co spowoduje poprawę wskaźnika nakładów inwestycyjnych do uzyskanego efektu.

Piotr Laskowski