Oszczędzaj nieodnawialne źródła energii - inwestuj w pierwsze paliwo, część 7 - kolektory słoneczne

Tekst Ludomir Duda, Wiesław Rudolf

Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania domu dobrze ocieplonego, z ciepłymi oknami wyposażonymi w rolety oraz z wysoko sprawną wentylacją mechaniczną, wynosi około 20-25 kWh/(m2rok). Publikujemy kolejną część cyklu PIERWSZE PALIWO

1 z 3kolektory słoneczne
Fot. Viessmann
2 z 3kolektor płaski,kolektory słoneczne
Rys. Viessmann
3 z 3kolektor próżniowo-rurowy,kolektory słoneczne
Rys. Viessmann
Przy takim standardzie energetycznym energia słońca (około 1000 kWh/m2) powinna wystarczyć na ogrzanie nawet kilkupiętrowego domu. Problem polega na tym, że nawet przy bardzo dobrym ociepleniu budynku, potrzebujemy zewnętrznego źródła ciepła od listopada do lutego, ponieważ w tych miesiącach słońce świeci zaledwie przez osiem godzin w ciągu dnia i dostarcza dziesięciokrotnie mniej energii niż na przykład w lipcu.

Taka ilość energii - niestety - nie pokrywa dostatecznie zapotrzebowania na ciepło nawet bardzo energooszczędnego domu, a póki co nie potrafimy jeszcze w opłacalny ekonomicznie sposób zakumulować latem odpowiedniego zapasu energii na zimę.

Możemy natomiast z powodzeniem wykorzystać energię słońca do ogrzewania wody, choć i tutaj nie obejdziemy się bez zasobnika ciepła. Nie jest bowiem ono skłonne świecić zawsze wtedy, kiedy właśnie zapragniemy kąpieli.

Problem nadmiaru gorącej wody

Podobno od przybytku głowa nie boli Zależy nam przecież na jak największej ilości gorącej wody za "darmo" i nie zastanawiamy się nad tym, że jej nadmiar może sprawić nam kłopoty.

Tymczasem, optymalizacja instalacji słonecznej nie jest niestety prostym zadaniem. Po pierwsze dlatego, że w miesiącach, w których mamy najwięcej słońca, czyli od końca czerwca do początku września, wypadają wakacje. Wtedy liczba mieszkańców naszego modelowego domu z czterech zmniejsza się do dwóch, a może nawet do zera.

Z powodu braku odbioru ciepłej wody, dostatek słońca z zalety zmienia się w wadę i wymaga zabezpieczenia instalacji przed przegrzewaniem. Problem ten oczywiście można rozwiązać, choć niestety czasem dość znacznym kosztem.

Może to być system, w którym glikol wypychany jest z układu kolektorów przez pary przegrzanego płynu, albo użycie kolektorów próżniowych z rurkami cieplnymi, czy wreszcie najtaniej inwestycyjnie - zastosowanie automatyki, która wylewa nadmiar gorącej wody do kanalizacji.

Ten ostatni sposób jest niestety najkosztowniejszy eksploatacyjnie, bo zarówno czysta woda, jak i zrzut ścieków kosztują coraz więcej. Pomijamy tu aspekt etyczny takiego rozwiązania - wylewanie gorącej wody pitnej do kanalizacji.

Proponowanym często przez instalatorów rozwiązaniem problemu nadmiaru ciepła produkowanego przez instalację słoneczną latem, jest podgrzewanie wody w basenie (jeśli oczywiście tylko go mamy, co na razie nie jest powszechne).

Na pierwszy rzut oka to dobre rozwiązanie, po co jednak podgrzewać wodę w basenie, w którym akurat nikt się nie kąpie.

Jak widać z powyższych rozważań, właściwy dobór kolektorów nie jest sprawą prostą, i dlatego warto mu poświęcić trochę uwagi.

Optymalne kolektory

Gdybyśmy skorzystali z danych klimatycznych dotyczących nasłonecznienia na przykład na Mazowszu, to okazałoby się, że najwięcej energii słonecznej w ciągu roku pada na płaszczyznę pochyloną na południe pod kątem 30°. Jednakże wybór takiego pochylenia kolektorów byłby błędem. W takim położeniu dają one najwięcej ciepła w miesiące wakacyjne, a więc wtedy, gdy najmniej go potrzebujemy.

Znacznie korzystniejsze jest pochylenie kolektora pod kątem 60°. Daje ono najwięcej energii jesienią, zimą i wiosną. Gdyby tak dobrać powierzchnię kolektorów pochylonych pod kątem 60°, by pokryć 100% zapotrzebowania na ciepło do ogrzania wody w kwietniu, to w marcu i wrześniu pokrylibyśmy średnio 85% tego zapotrzebowania, w lutym i październiku 57%, a w trzech najzimniejszych i najciemniejszych miesiącach roku - do 27%.

Pozostaje oczywiście problem, co zrobić z wakacyjnym brakiem poboru ciepłej wody, ale jest on mniejszy niż przy mniejszych kątach pochylenia kolektora.

Kolektor o pochyleniu 60° pozwala na pokrycie aż 70% zapotrzebowania na ciepłą wodę w skali roku. Uzyskanie takiego wyniku możliwe jest pod warunkiem wykorzystania kolektorów próżniowych z rurkami cieplnymi. Kolektory takie są jednak znacznie droższe od kolektorów płaskich.

Jeśli jednak weźmiemy pod uwagę, że w całej instalacji solarnej koszt kolektora to zaledwie 30% całości wydatków, to nawet jego dwukrotnie wyższa cena podnosi koszty instalacji tylko o 25%. Biorąc pod uwagę 25÷30% wzrost sprawności systemu w okresie od października do marca (średnio 15% rocznie) i 20-letni okres trwałości kolektora, koszty kapitałowe ogrzania ciepłej wody będą podobne, jak przy zastosowaniu kolektorów płaskich.

Równocześnie kolektory te rozwiązują problemy z przegrzewaniem wody. Wybierając kolektory próżniowe, należy jednak brać pod uwagę wysokie ryzyko ich niskiej jakości. Bez wiarygodnych gwarancji ich stosowanie może narazić nas na straty.

Kolektory do ogrzewania domu

Kolektory słoneczne, po odpowiedniej modyfikacji instalacji, mogą również wspomagać ogrzewanie budynku. Jednak zastosowanie kolektorów słonecznych do takiego celu na razie nie jest sensowne pod względem ekonomicznym, ale wiele osób traktuje to rozwiązanie jako swoiste zabezpieczenie na przyszłość. Zdając sobie sprawę, iż energia będzie drożała, liczą, że zastosowanie kolektorów słonecznych pozwoli ograniczyć jej zużycie.

Jednak na razie w naszej części Europy nie ma mowy o sprawnych i racjonalnych ekonomicznie instalacjach z kolektorami słonecznymi, które ogrzewałyby dom przez cały sezon grzewczy. Główną barierą jest to, że kiedy na zewnątrz jest najzimniej i najbardziej potrzebujemy ogrzewania, ilość energii słonecznej, którą możemy wykorzystać, jest niewielka.

Często jest tak, że przez 2-3 miesiące w roku instalacja ta w ogóle nie pracuje, i to niezależnie od rodzaju zastosowanych kolektorów. Rozwiązaniem tego problemu byłoby magazynowanie energii produkowanej latem i jesienią, w celu wykorzystania jej w sezonie grzewczym. Wymagałoby to zastosowania ogromnych zbiorników buforowych wypełnionych wodą, których pojemność byłaby niewiele mniejsza od całego domu. Jest to więc rozwiązanie drogie, cechujące się niską sprawnością i brakiem możliwości "zabudowy" zbiornika wewnątrz domu.

Od lat trwają prace nad wyprodukowaniem akceptowalnych pod względem gabarytów zbiorników wypełnionych innym materiałem niż woda, których pojemność cieplna byłaby porównywalna do ogromnego zbiornika z wodą. Na razie nie ma więc mowy o zastosowaniu kolektorów słonecznych do przygotowania ciepłej wody czy ogrzewania domu, lecz jedynie o wspomaganiu tych procesów.

Projektowanie instalacji słonecznej

Dla wspomagania przygotowania ciepłej wody instalację dobiera się tak, by pokryła około 50-60% rocznych potrzeb energetycznych na ten cel. Przy instalacji mieszanej, wspomagającej przygotowanie ciepłej wody i ogrzewanie domu, byłoby to około 20-25% rocznych potrzeb. Czasem spotyka się instalacje, w których inwestor dąży do dalszego zwiększenia pokrycia rocznych potrzeb energetycznych przez kolektory słoneczne. Jednak zwiększanie liczby kolektorów powoduje tylko niewielki wzrost ilości energii pozyskiwanej w sezonie grzewczym i jednocześnie duży nadmiar energii w okresie letnim. Korzystne jest to tylko w instalacjach, w których letni nadmiar energii cieplnej wykorzystuje się do podgrzewania basenu kąpielowego.

Budowa kolektorów do wspomagania podgrzewania ciepłej wody

W kolektorach słonecznych wykorzystuje się efekt cieplarniany i właściwości szyby. Ciała o wysokiej temperaturze (w tym Słońce) wypromieniowują ciepło za pomocą fal krótkich. A ponieważ szkło bardzo dobrze przepuszcza promieniowanie krótkofalowe (szyba w kolektorach wysokiej jakości - 91-96%), a w bardzo małym stopniu - długofalowe, energia cieplna ze słońca z łatwością dociera do wnętrza kolektora, powodując nagrzewanie się blachy absorbera. Absorber przekazuje ciepło do wodnego roztworu glikolu. Sposób odbioru ciepła przez kolektor zależy od jego rodzaju. Na rynku są dwie grupy kolektorów - płaskie i próżniowo-rurowe.

Kolektory płaskie - są one wykonane z blachy pokrytej materiałem dobrze pochłaniającym promieniowanie słoneczne, do której przymocowane są rury wypełnione wodnym roztworem glikolu. Blacha absorbera jest umieszczona w skrzynce wykonanej z aluminium lub tworzywa sztucznego. Od dołu, pomiędzy obudową a absorberem, znajduje się warstwa izolacji termicznej, z reguły wełna mineralna. Od góry kolektor przykryty jest szkłem ochronnym.

Zalety kolektora płaskiego to niższa cena, łatwy montaż oraz wysoka sprawność w okresie letnim (jest tak dlatego, że kolektor płaski ma jedną warstwę szyby, która zatrzymuje tylko część promieniowania słonecznego).

Wadą jest niższa sprawność w okresie zimowym, kiedy temperatura zewnętrzna jest niska i ogromne znaczenie mają straty ciepła z kolektora (duża obudowa z aluminium i szkła skutecznie oddaje ciepło do otoczenia).

Kolektory płaskie mają z reguły mniejszą sprawność w ciągu roku niż rurowe. Odnosi się to jednak do porównania dwóch kolektorów o tej samej powierzchni. Ponieważ dostępne na rynku kolektory płaskie mają zwykle co najmniej dwa razy większą powierzchnię od typowego rurowego, a cena takiego zestawu jest niższa, więc z reguły zakup kolektora płaskiego jest bardziej opłacalny niż kolektora rurowego. Nad zastosowaniem kolektorów rurowych warto się zastanawiać, gdy na dachu jest mało miejsca.

Kolektory próżniowo-rurowe - obecnie są na rynku dwa rodzaje tych kolektorów: z bezpośrednim przepływem oraz z rurką ciepła (heat-pipe).

- Z bezpośrednim przepływem. Kolektor taki składa się z kilku czy kilkunastu rurek o małej średnicy (8-10 mm), ukształtowanych w literę U. Każda "U-rurka" umieszczona jest w kształtowniku aluminiowym, na który nasunięta jest rura szklana wykonana z dwóch szczelnie połączonych warstw, pomiędzy którymi panuje próżnia. Pod rurami znajduje się zwierciadło.

Zaletą tego rodzaju kolektorów są małe straty ciepła w okresie zimowym oraz efektywna praca także przy niekorzystnej orientacji połaci dachu. Wady - wysoka cena, niższa sprawność w okresie letnim oraz wrażliwość na długotrwały brak odbioru ciepła.

- Heat-pipe. W kolektorach tego typu wewnątrz rur szklanych znajduje się pojedyncza rurka, w której wnętrzu jest ciecz wrząca w niskiej temperaturze. Promieniowanie słoneczne podgrzewa ciecz, która odparowuje z dolnej części rury i skrapla się w górnej - oddając ciepło czynnikowi krążącemu w instalacji.

Zalety i wady kolektorów rurowych typu heat-pipe są takie same, jak tych z bezpośrednim przepływem. Dodatkowo, możliwy jest ich montaż etapami: najpierw ramki, a potem instalacja rur kolektora. Mają także częściowe zabezpieczenie glikolu przed zbyt wysoką temperaturą. Dodatkowym minusem jest też niska jakość niektórych kolektorów oferowanych na rynku.

Korzyści z eksploatacji kolektorów

Zakładamy, że w naszym modelowym domu mieszkają 4 osoby zużywające dziennie po 35 l ciepłej wody o temperaturze 55°C. Oznacza to dobowe zużycie wody na poziomie 140 l, dla którego dobierzemy kolektory i pojemność zasobnika.

Zakładając 1,5 m2 absorbera na każde 50 l zużywanej na dobę wody, da nam to 140 : 50 × 1,5 = 4,2 m2. Przyjęliśmy dwa kolektory płaskie o powierzchni 2,33 m2 każdy. Dla uzyskania odpowiedniej sprawności instalacji, dobraliśmy zasobnik o pojemności około 300 l (dwa razy większy od dziennego zużycia wody).

Dobór możemy uznać za prawidłowy, gdyż na podstawie przeprowadzonej symulacji sprawdziliśmy, że pokryje on około 52,1% rocznych potrzeb energetycznych do podgrzania wody.

- Koszty inwestycyjne. Większość producentów oferuje podstawowe zestawy z kolektorami słonecznymi, przeznaczone dla domów jednorodzinnych, jako kompletne pakiety. Koszt pakietu to około: 8000-12 000 zł (znaczne różnice w cenie wynikają z dużego zróżnicowania typów i jakości elementów składowych).

Rozpatrując zastosowanie kolektorów słonecznych jako rozszerzenie konwencjonalnej instalacji z kotłem kondensacyjnym musimy od kosztu pakietu odjąć koszt standardowego zasobnika o pojemności 150 l, który byłby zastosowany w instalacji z kotłem kondensacyjnym. W zależności od producenta i technologii, powinniśmy odjąć około 2000-2500 zł, wówczas koszt pakietu z kolektorami słonecznymi to 6000-10 000 zł plus robocizna (1500-2000 zł). Łącznie będzie to od 7500 do 12 000 zł.

Teoretycznie można by powiedzieć, że zastosowanie instalacji z kolektorami słonecznymi pozwala zaoszczędzić około 52% energii niezbędnej do podgrzania wody, czyli w naszym modelowym domu - około 143 m3 gazu. Po pomnożeniu przez cenę gazu (2,3 zł/m3), moglibyśmy określić roczną oszczędność gazu. Jest to jednak sposób obarczony bardzo dużym błędem.

Na podstawie wyników z poprzednich części cyklu, możemy dokonać dokładniejszych obliczeń, analizując łącznie koszt ogrzewania domu i przygotowania ciepłej wody dla poszczególnych wariantów wykonania domu. Porównanie kosztów eksploatacji samego kotła kondensacyjnego i współpracującego z kolektorami przedstawiamy w tabeli.

Zastosowanie kolektorów słonecznych jest z pewnością korzystne. Przy obecnych cenach i polityce taryfowej nie zawsze jest to jednak opłacalne rozwiązanie.

Koszt ciepłej wody z kolektorów

Przyjmując zużycie ciepłej wody na mieszkańca na poziomie 35 l/dobę, w naszym domu potrzebujemy rocznie około 2665 kWh energii do jej podgrzania. Zakładając, że korzystamy z najdroższego źródła, czyli energii elektrycznej (0,52 zł za 1 kWh) jest to:

2665 kWh/rok × 0,52 [zł/kWh] = 1386 [zł/rok].

Z tej kwoty możemy zaoszczędzić przy instalacjach z kolektorami płaskimi 52%, czyli 1386 × 0,52 = 721 zł.

Odejmując od tej kwoty koszty energii elektrycznej do napędu pomp obiegowych układu solarnego (około 50 zł/rok) i roczne koszty konserwacji instalacji na poziomie 80 zł/rok, pozostanie nam 591 zł rocznych oszczędności. W rzeczywistości, korzyści te będą jeszcze mniejsze, bo straty ciepła na samym zasobniku, w zależności od jakości izolacji, to od 30 do 60 kWh miesięcznie, co podniesie koszty ogrzewania wody w miesiącach zimowych (latem i tak mamy nadwyżki darmowej energii słonecznej).

Koszt instalacji solarnej to średnio 10 000 zł, po uwzględnieniu 20% dotacji netto Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska (dotacja brutto to 45% nakładów, od czego płacimy podatek dochodowy i koszty bankowe). Kwota ta, zdeponowana na lokacie w banku 5,5%, daje nam 546 zł odsetek, a więc prawie tyle samo, co oszczędności, przy braku ryzyka technicznego (ewentualne koszty awarii).

Podobnie niekorzystny wynik otrzymujemy, analizując czas zwrotu nakładów 10 000 zł : 546 zł/rok = 18,3 lat. Widać, że koszty zwracają się w okresie zbliżonym do czasu życia instalacji.

Także koszt 1 kWh ciepła z kolektora jest porównywalny do kosztu prądu: [10 000 zł + 20 lat × (50 zł/rok + 80 zł/rok)] : : (20 lat x 2500 kWh/rok × 0,52 zł/kWh) = 0,48 zł/kWh.

Jeśli uwzględnimy ryzyko awarii w dwudziestoletnim okresie eksploatacji, to zapewne koszt ten będzie jeszcze wyższy.



Oszczędzanie wody

Zmniejszenie zużycia energii do podgrzewania wody można jeszcze osiągnąć w inny sposób. Jest nim ograniczenie zużycia wody dzięki inwestycji w armaturę energooszczędną. Tu nakłady rzędu 2000 zł (na umywalkową armaturę bezdotykową, wodooszczędny natrysk i wysoko sprawne perlatory) pozwalają obniżyć zużycie ciepłej wody o minimum 60%. Rocznie oszczędzamy zatem na energii: 2655 kWh × 0,6 × 0,52 zł/kWh = 828 zł, ale także na kosztach wody i zrzutu ścieków (około 700 zł). Daje to rewelacyjny czas zwrotu nakładów 2000 : 1528 = 1,3 roku.

Przy okazji i tu obserwujemy ingerencję państwa, zapobiegającą rozprzestrzenianiu się rozwiązań racjonalizujących zużycie energii. Rozporządzenie o certyfikacji energetycznej budynków zostało tak zapisane, że instalowanie wodooszczędnej armatury, wbrew faktom, nie poprawia wskaźników energetycznych.

Wszystko to prowadzi do wniosku, że na razie decyzja o instalacji w domu kolektorów słonecznych wynika raczej z działań marketingowych niż przesłanek ekonomicznych.

Koszt instalacji solarnej a dotacje

Wysokie koszty kolektorów słonecznych na polskim rynku są w znacznym stopniu generowane przez politykę wspierania tych inwestycji przez NFOŚ. Już pierwsze systemy wspomagania finansowania instalacji solarnych dla odbiorców zbiorowych spowodowały radykalną podwyżkę cen kolektorów.

Wynika to bezpośrednio ze sposobu dofinansowania inwestycji. NFOŚ finansuje określony procent nakładów. Powoduje to, że jeśli chcemy uzyskać największą dotację, musimy zwiększyć koszty. Mało efektywną próbą ograniczenia tego efektu jest wprowadzenie przez NFOŚ granicznego kosztu instalacji na poziomie 2500 zł/m2 kolektora. Doprowadziło to do ustalenia się cen na poziomie, jakie w Europie osiągają kolektory hybrydowe PV-T, produkujące prąd i ciepło. Teoretycznie, możliwa jest alternatywna polityka wspierania instalacji kolektorów słonecznych. Wystarczyłoby ustalić stały poziom wsparcia na przykład na poziomie 1000 zł/m2 kolektora, oczywiście przy postawieniu wysokich wymagań jakościowo-efektywnościowych.

Wtedy optymalizacja dotacji, z punktu widzenia klienta, polegałaby na znalezieniu najtańszej oferty spełniającej wymaganie jakościowe, czyli minimalizacji wkładu własnego.

Ponieważ już dziś, poza systemem wsparcia NFOŚ, można znaleźć na rynku przyzwoitą instalację dla 4-osobowej rodziny za 6000 zł (4m2), to przy dotacji w wysokości 4000 zł, a więc niższej niż obecnie, koszt dla inwestora wyniósłby tylko 2000 zł. Tym samym cena 1kWh ciepła do podgrzania wody spadłaby do 0,18 zł/kWh i wszystkie dachy pokryłyby się kolektorami słonecznymi. Być może obawa przed takim scenariuszem jest przyczyną, dla której polityka dotacji jest inna. Spowodowałoby to bowiem duże zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło.

Czy należy bać się przegrzewu w kolektorach

Wiele osób obawia się pozostawienia latem instalacji bez dozoru, podczas wyjazdu domowników na wakacje. W praktyce, prawidłowo wykonana instalacja nie stanowi żadnego zagrożenia dla użytkownika czy tym bardziej budynku. Jest ona wyposażona w zawór bezpieczeństwa, z którego problem ewentualnego wycieku glikolu daje się rozwiązać przez podstawienie dodatkowego pojemnika. Prócz tego, w instalacji jest naczynie wzbiorcze, które kompensuje wahania ciśnienia związane z cyklicznym nagrzewaniem się i stygnięciem instalacji. W prawidłowo wykonanej i konserwowanej instalacji, naczynie wzbiorcze praktycznie nie dopuszcza do otwarcia się zaworu bezpieczeństwa.

Większym zagrożeniem występującym w instalacji, jest ryzyko zniszczenia czynnika grzewczego, czyli wodnego roztworu glikolu propylenowego, przy długotrwałym braku odbioru ciepła w instalacji i utrzymywaniu się temperatury na poziomie powyżej 140-150oC. Taką temperaturę są w stanie osiągnąć prawie wszystkie kolektory płaskie. Kolektory rurowe są w stanie osiągnąć nawet 220-270oC. W takich warunkach dochodzi do rozwarstwienia czynnika i pojawienia się trudnych do usunięcia z instalacji osadów. Czasami zdarza się, że napełniona w fazie budowy domu instalacja z kolektorami słonecznymi, po kilku miesiącach braku użytkowania nie daje się uruchomić. Powstający w instalacji szlam trafia bowiem do filtrów, separatora powietrza czy pompy obiegowej i skutecznie blokuje przepływ. Z tego powodu na etapie wykonywania instalacji ważne jest przykrycie kolektorów i nienapełnianie ich do czasu, gdy będą eksploatowane. Zasady montażu kolektora zawsze należy skonsultować z producentem.

W czasie eksploatacji instalacji stosuje się różne metody ochrony czynnika przed przegrzaniem. Przykładowo, niektóre sterowniki mają funkcję nocnego chłodzenia instalacji. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie zaworów termostatycznych, które po przekroczeniu pewnego poziomu temperatury odprowadzają do kanalizacji część gorącej wody z zasobnika, doprowadzając do niego zimną wodę. Obie te metody nie są idealne z powodu niepotrzebnego, dodatkowego zużycia energii i wody. Z tego powodu poszukiwano innych metod zabezpieczenia czynnika.

Przy kolektorach rurowych można zastosować dużej pojemności zbiornik (powyżej 80 l na 1 m2 absorbera kolektorów), który dopiero po kilku dniach intensywnego nagrzewania osiąga wysoką temperaturę. Inną metodą jest zastosowanie kolektorów typu heat-pipe, w których przy braku odbioru ciepła w instalacji dochodzi do odparowania czynnika pośredniczącego, który nie przekazuje dalej ciepła do wodnego roztworu glikolu.

W kolektorach płaskich skutecznym zabezpieczeniem czynnika okazuje się zastosowanie absorbera meandrycznego.

Korzystnym rozwiązaniem są też systemy drainback czy też z grawitacyjnym powrotem czynnika, w których podczas braku odbioru ciepła kolektory pozostają puste.

Zapisz się na NEWSLETTER. Co tydzień najnowsze wiadomości o budowie, remoncie i wykańczaniu wnętrz w Twojej poczcie e-mail: Zobacz przykład



Skomentuj:

Oszczędzaj nieodnawialne źródła energii - inwestuj w pierwsze paliwo, część 7 - kolektory słoneczne