Kolektory słoneczne - ciepła woda z dachu

Kolektory do podgrzewania wody słońcem stają się coraz bardziej popularne. Pytanie tylko, jakie wybrać: płaskie są tańsze, ale za to próżniowe mają większą sprawność.
Ceny paliw i energii stale rosną, dlatego coraz większym zainteresowaniem cieszą się odnawialne źródła energii. Zasoby ropy naftowej, gazu ziemnego, węgla kamiennego maleją i szacuje się, że wystarczą na odpowiednio 50, 100 i 200 lat. Potencjał zaś energii słonecznej jest praktycznie niewyczerpalny. Roczna energia promieni padająca na powierzchnię Ziemi przekracza o około 15 tysięcy razy globalne roczne zapotrzebowanie na energię. W krajach zachodnioeuropejskich kolektory słoneczne montuje się obecnie w większości nowych domów jednorodzinnych. Najczęściej wykorzystywane są w instalacjach solarnych do podgrzewania wody użytkowej oraz wody basenowej, a rzadziej do wspomagania ogrzewania budynku.

Rodzaje kolektorów

Płaskie. Zbudowane są z izolowanej cieplnie obudowy, w której umieszczony jest absorber, czyli płyta wykonana zazwyczaj z miedzi lub aluminium, pokryta ciemną matową warstwą pochłaniającą (absorbującą) promieniowanie słoneczne. Do płyty przymocowane są przewody, w których płynie niezamarzający czynnik grzewczy (glikol), odbierający wytwarzane ciepło. Kolektor przykryty jest szybą, która chroni absorber przed wpływem warunków zewnętrznych, a samo urządzenie przed nadmiernymi stratami ciepła. Dzięki temu, że szybę produkuje się ze szkła hartowanego, odznacza się ona zwiększoną odpornością na uderzenia, na przykład gradu, oraz wytrzymałością na nacisk spowodowany zaleganiem śniegu. Szyba powinna cechować się również wysoką przepuszczalnością promieni słonecznych. Zapewnia to szkło antyrefleksyjne (przenika przezeń nawet 95% promieniowania) lub specjalne szkło solarne (90%).

Próżniowe. Składają się z pojedynczych szklanych rur, w których znajduje się absorber otoczony próżnią. Dzięki niej zostały znacznie zmniejszone straty ciepła do otoczenia, charakterystyczne dla kolektorów płaskich. Rury mogą mieć konstrukcję jedno- lub dwuwarstwową. Izolacja cieplna kolektorów z podwójną rurą szklaną jest skuteczniejsza, ale przez dwie warstwy szkła dociera mniej promieniowania słonecznego do absorbera. Kolektory próżniowe mogą zostać wyposażane w dodatkowe zwierciadła paraboliczne. Wychwytują w ten sposób dodatkowe promieniowanie słoneczne - ale tylko wtedy, gdy ich powierzchnie lustrzane będą czyste. Na naszym rynku dostępne są dwa rodzaje kolektorów próżniowych: n z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego przez absorber, n z rurami ciepła heatpipe, w których czynnik grzewczy nie przepływa bezpośrednio przez absorber, energię z absorbera odbiera czynnik roboczy, który odparowuje i oddaje ciepło do czynnika grzewczego. Zaletą kolektorów z rurami heatpipe jest możliwość wymiany pojedynczych rur kolektora podczas prac serwisowych, bez konieczności przerywania pracy instalacji solarnej.

Dobór powierzchni

Dokładne obliczanie potrzebnej powierzchni kolektorów wymaga przeprowadzenia obliczeń za pomocą specjalistycznych programów komputerowych. Jednak w standardowej instalacji z powodzeniem można korzystać z ogólnych wskaźników doboru powierzchni kolektorów (patrz ramki obok). Dla wspomagania ogrzewania w budynkach jednorodzinnych producenci zalecają stosowanie kolektorów próżniowych. Ogólnie przyjmuje się, że 0,07-0,10 m2 kolektora wystarcza na 1 m2 powierzchni ogrzewanej nowego budynku.

Próżniowy kontra płaski

Sprawność. Kolektory płaskie mają znacznie większą sprawność w okresie letnim niż zimowym i z tego względu służą najczęściej do podgrzewania wody użytkowej i w basenie. Kolektory próżniowe osiągają większą sprawność średnioroczną niż płaskie, gdyż wykazują się efektywną pracą przez cały rok. Mogą one wykorzystywać energię słońca również przy minusowych temperaturach w zimie, bądź gdy niebo jest zachmurzone. Sprawdzają się więc z powodzeniem nie tylko w instalacjach do podgrzewania wody użytkowej, ale także do wstępnego podgrzania wody na cele centralnego ogrzewania.

Zajmowana powierzchnia. Wyższa sprawność kolektora próżniowego pozwala zmniejszyć jego powierzchnię w porównaniu do kolektora płaskiego, co jest istotne dla domów ze skomplikowanym kształtem dachu (mała powierzchnia odpowiednia do montażu kolektora). W praktyce tyle energii, ile uzyskuje się z 5 m2 kolektorów płaskich, można uzyskać z 3 m2 kolektorów próżniowych. Energia ta wystarcza do wytworzenia ciepłej wody użytkowej potrzebnej dla domu zamieszkałego przez 3-4 osoby.

Zaparowanie szyby. Sporadycznie zjawisko takie może wystąpić w kolektorach płaskich zamontowanych w połaci dachu, gdy zostaną przesłonięte otwory wentylacyjne wykonane przez producenta. Kolektory nie mają wtedy zapewnionej właściwej wentylacji obudowy. Służy ona odprowadzeniu wilgoci z izolacji cieplnej kolektora, na przykład z wełny mineralnej. Aby rozwiązać ten problem, zaleca się wykonanie dodatkowych otworów w obudowie. Zwiększa to niestety straty ciepła przez kolektor do otoczenia, a więc obniża jego sprawność. Zjawisko zaparowania szklanej powierzchni nie występuje w kolektorach próżniowych, gdzie rolę izolatora termicznego pełni próżnia.

Miejsce dla kolektora

Najczęściej kolektory montuje się na dachu, ale wielu producentów podaje, że miejsce montażu jest dowolne - na przykład na elewacji albo obok budynku.

Największą sprawność kolektory uzyskują wtedy, gdy promienie słoneczne padają na ich powierzchnię pod kątem prostym. Dlatego optymalny kąt pochylenia kolektorów zależy od szerokości geograficznej. W Polsce dla kolektorów pracujących przez cały rok ten warunek jest spełniony, gdy są one skierowane na południe z nachyleniem 30 stopni do poziomu. W praktyce zauważono, że jeżeli połać dachu ma nachylenie pomiędzy 25 a 45 stopni oraz odchylenie od kierunku południowego nie większe niż 45 stopni (a więc południowy-wschód lub południowy-zachód), to nie zmniejsza to zauważalnie całorocznej sprawności kolektora.

Większość produkowanych kolektorów próżniowych ma możliwość obracania szklanych rur. Dzięki temu można korygować kąt nachylenia absorbera do promieni słonecznych, gdy nachylenie dachu jest inne niż zalecane, a także instalować te kolektory na dachach płaskich bądź elewacjach.

Działanie instalacji solarnej

Do gromadzenia energii cieplnej uzyskanej dzięki kolektorom służą zbiorniki. W układach solarnych przygotowujących ciepłą wodę stosuje się podgrzewacze biwalentne (z dwoma wężownicami), zwykle o pojemności od 300 do 500 litrów. Umożliwiają one współpracę z dwoma źródłami ciepła, czyli z kotłem i z kolektorem. Do dolnej wężownicy podłącza się instalację solarną, do górnej kocioł grzewczy. Automatyka mierzy temperaturę na wyjściu z kolektorów słonecznych i w dolnej części podgrzewacza biwalentnego. Jeśli temperatura w kolektorach jest wyższa o nastawioną wartość (przeważnie 5-8 stopni) od temperatury w zasobniku, uruchamia się pompa obiegowa i glikol odbiera ciepło z kolektorów, oddając je do wody użytkowej przez wężownicę grzewczą.

Oszczędności na podgrzewaniu wody

Zamontowanie kolektorów słonecznych wiąże się z dość dużym wydatkiem, ale jest opłacalne, jeśli zużywamy duże ilości ciepłej wody ogrzewanej przez tradycyjny kocioł gazowy lub olejowy. Oto przykład obliczeń.

Założenia

1. Przyjęto typową instalację solarną stosowaną dla czteroosobowej rodziny, o łącznej powierzchni kolektorów 5 m2.

2. Z 1 m2 kolektora słonecznego pracującego w instalacji solarnej na podgrzanie wody użytkowej można uzyskać 400-600 kWh rocznie.

3. Średnia sprawność kotła podczas ogrzewania wody użytkowej latem jest niższa niż zimą i wynosi od 60 do 80%.

4. Przybliżone wartości opałowe paliw wynoszą: oleju opałowego - 10 kWh/litr, gazu ziemnego - 10?kWh/m3.

5. Przyjmujemy ceny paliw: gazu ziemnego - 1,46 zł/m3, oleju opałowego - 2,35?zł/l.

Obliczenia

Kolektory o łącznej powierzchni 5 m2 dostarczą w ciągu roku: 5 m2×600 kWh/m2 = 3000 kWh energii.

Aby kocioł wytworzył tę samą ilość ciepła, zużyje następujące ilości paliwa (p):





Wskaźniki doboru powierzchni kolektorów przygotowujących ciepłą wodę użytkowąZalecana powierzchnia kolektoraTyp kolektorapłaskipróżniowym2/osobę1,2-1,50,8-1,0m2/100 litrów c.w.u.ok. 2,5ok. 1,5 Wskaźniki doboru powierzchni kolektorów podgrzewających wodę w basenie zewnętrznym*
Zalecana powierzchnia kolektora na 1 m2 powierzchni basenu







Typ kolektorapłaskipróżniowybasen z przykryciem (np. roletą)0,4-0,70,4-0,5basen bez przykrycia0,5-0,90,5-0,7 Wskaźniki doboru powierzchni kolektorów podgrzewających wodę w basenie zadaszonym*
Zalecana powierzchnia kolektora na 1 m2 powierzchni basenu







Typ kolektorapłaskipróżniowybasen z przykryciem (np. roletą)0,25-0,40,25-0,3basen bez przykrycia0,3-0,50,3-0,4




Koszt instalacji solarnej dla czteroosobowej rodziny







ProducentRodzajPowierzchniaLiczbaPojemnośćDodatkowe elementy wchodzące w skład zestawuCena zestawukolektorówkolektoraabsorberakolektorówzasobnikanetto + VAT[m2][m2][litry][zł]Cichewiczpłaskie6,065,493300zestaw pompowy, grupa bezpieczeństwa, sterowanie7450 Wattpłaskie6,175,563300grupa solarna, regulator, uchwyty do kolektorów, zestaw przyłączydo instalacji, naczynie przeponowe, otuliny na rury miedziane, płyn7599 Wattpróżniowe4,203,842300grupa solarna, regulator, uchwyty do kolektorów, zestaw przyłączydo instalacji, naczynie przeponowe, otuliny na rury miedziane, płyn7599 Vaillantpłaskie4,484,042300solarna grupa pompowa, naczynie przeponowe, odpowietrznik automatyczny,grupa bezpieczeństwa zasobnika, zestaw montażowy, płyn10 800 Vaillantpróżniowe5,163,224300solarna grupa pompowa, naczynie przeponowe, odpowietrznik automatyczny,separator powietrza, grupa bezpieczeństwa zasobnika, zestaw montażowy, płyn19 605 Veluxpłaskie5,004,402300kołnierze uszczelniające, przewody łączące kolektory, przewody łączącekolektor ze zbiornikiem, grupa pompowo-sterująca, czujniki temperatury,naczynie przeponowe, termostatyczny zawór mieszający, odpowietrzacz, płyn13 560 Viessmannpłaskie5,024,602300zestaw mocujący kolektor, solarna grupa pompowa, naczynie przeponowe,12 216separator powietrza, zestaw przyłączy do instalacji, regulator, płyn9648* Viessmannpróżniowe4,323,001300zestaw mocujący kolektor, solarna grupa pompowa, naczynie przeponowe,separator powietrza, zestaw przyłączy do instalacji, regulator, płyn19 681 ile to kosztuje
Kolektory: n płaskie600-1200 zł/m2 + VAT n próżniowe1600-3500 zł/m2 + VAT n koszt montażu500-2000 zł

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



Więcej o: