Dlaczego kolektory słoneczne służą oszczędnościom?

Według danych GUS („Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2012 r.”, publ. 2014) na podstawie badania rocznego zużycia energii i ciepła w 4576 gospodarstwach domowych, największy udział w potrzebach energetycznych stanowi ciepło. Łącznie dla ogrzewania pomieszczeń oraz podgrzewania ciepłej wody użytkowej zużywa się blisko 84% całkowicie zużywanej w budynku energii i ciepła. Tak więc przede wszystkim po stronie ciepła należy szukać możliwości obniżenia kosztów eksploatacyjnych budynku.

Rys_1

Porównanie kosztów podgrzewania wody użytkowej

Rys_2

Instalacja solarna podczas pracy wymaga jedynie zasilania pompy obiegowej. W zależności od jej typu, pobór energii elektrycznej wynosi zwykle od 10 do 40 W. Dzięki temu instalacja solarna należy do najbardziej efektywnych systemów grzewczych. Przykładowo podgrzanie 300 litrów ciepłej wody do temperatury 45oC w przypadku instalacji solarnej wiąże się z wydatkiem jedynie 14 groszy, to jest od 15 do 50 razy mniej niż dla innych urządzeń grzewczych (ceny paliw i energii dla 06.2015)..

Poszanowanie środowiska naturalnego

Bezpośrednie wykorzystanie energii promieniowania słonecznego, wpływa na osiąganie przez instalację solarną najwyższego poziomu ograniczania emisji zanieczyszczeń. Tak zwana niska emisja zanieczyszczeń będąca problem wielu regionów kraju, powstaje w wyniku spalania paliw stałych w lokalnych źródłach ciepła małej mocy. Typowa mała instalacja solarna złożona z 3 kolektorów płaskich pozwala ograniczyć rocznie emisję dwutlenku węgla o 430 do 880 kg. Zastępuje to „pracę” od 60 do 120 drzew. Ograniczenie pracy np. kotła na węgiel szczególnie poza sezonem grzewczym, w decydujący sposób ogranicza emisję dwutlenku i tlenku węgla, szkodliwych pyłów oraz związków siarki i azotu.

Rys_3

Budowa kolektora płaskiego

Rys_8

Uznawanym za główny element kolektora jest absorber odpowiedzialny za pozyskiwanie energii słonecznej, wytwarzanie ciepła i przekazywanie go do przepływającego przez orurowanie glikolu. Przed utratą ciepła, chroni obudowa wykonana najczęściej z aluminium.  Izolacja cieplna obudowy najczęściej oparta o wełnę mineralną, musi zapewniać wysoką skuteczność, ale również odporność na niekorzystne warunki pracy. Sprawność kolektora słonecznego zależy w dużej mierze także od rodzaju przeszklenia. Ze względu na wymagania wytrzymałościowe, przeszklenie jest wykonywane ze szkła hartowanego. W zależności od klasy, szkło może cechować się różną przepuszczalnością promieniowania słonecznego, od czego zależy ilość energii słonecznej docierającej do absorbera.

Wytrzymałość kolektora słonecznego

Kolektory słoneczne pracują w trudnych warunkach – przy zmiennych warunkach zewnętrznych (śnieg, deszcz, nasłonecznienie, wiatr, itd.), a także wewnętrznych (temperatura, ciśnienie, wilgotność). Od jakości materiałów użytych do ich budowy zależy utrzymanie wysokiej sprawności pracy w całym okresie eksploatacji. Na rynku europejskim standardem dla oceny parametrów kolektora słonecznego jest znak Solar Keymark. Określa on wymagania dla producenta i samego kolektora słonecznego oraz jednoznacznie określa warunki wyznaczania jego sprawności. W ramach badań prowadzonych przez niezależne laboratoria, kolektor poddawany jest szerokiemu zakresowi badań, które odwzorowują niekorzystne warunki pracy. Sprawdzana jest m.in. długotrwała odporność na wysokie temperatury przy braku odbioru ciepła, odporność na szoki termiczne wewnętrzne i zewnętrzne, na naciski od sił wiatru i śniegu, na uderzenia (gradobicie) i szereg innych. Certyfikaty Solar Keymark są dostępne w bazie na stronie solarkeymark.org i stanowią potwierdzenie jakości i sprawności kolektora słonecznego.

Rys_15

Efekty pracy instalacji solarnej

Instalacja solarna pracująca dla potrzeb podgrzewania wody użytkowej w domu jednorodzinnym, powinna pokrywać 50÷60% rocznych potrzeb cieplnych. W miesiącach letnich pokrycie potrzeb powinno sięgać 90÷100% co pozwala w znacznym stopniu eliminować pracę konwencjonalnego źródła ciepła, np. kotła na paliwo stałe. Optymalny dobór wielkości instalacji solarnej nie powinien dopuszczać do powstawania nadwyżek ciepła w okresie letnim. Najkorzystniejszym okresem dla pracy instalacji solarnej jest przedział miesięcy IV-IX, na który przypada 80% rocznej energii słonecznej. W pozostałym okresie można z kolei zapewniać wstępny podgrzew wody użytkowej.

Kolektor płaski, czy próżniowy?

Dla zdecydowanej większości warunków inwestycji, uzasadnione jest stosowanie kolektorów płaskich. Cechują się one sprawdzoną konstrukcją, wysoką niezawodnością i korzystnym wskaźnikiem „cena/wydajność”. Popularne kolektory próżniowe oparte o zastosowanie rur 2-ściennych cechują się niską sprawnością optyczną i tym samym w większości zakresu pracy uzyskują niższe efekty niż kolektory płaskie. Dobrej klasy kolektory próżniowe o 1-ściennych rurach uzyskują podwyższone efekty pracy, ale koszt ich zakupu jest często wyższy od 4 do 6 razy w porównaniu do kolektora płaskiego (w przeliczeniu na powierzchnię czynną, zł/m2). Niektóre rodzaje kolektorów próżniowych pozwalają na zastosowanie w nietypowych warunkach zabudowy, np. pionowo na ścianie budynku. Należy mieć na uwadze również specyfikę klimatu środkowoeuropejskiego z opadami śniegi. Kolektory próżniowe mogą osiągać wyższe efekty pracy zimą, pod warunkiem czystej powierzchni przeszklonej. Niższe straty ciepła powodują jednak znaczne wydłużenie zalegania na powierzchni rur śniegu i szronu. W odróżnieniu do tego, kolektory płaskie ulegają szybkiemu samoczynnemu oczyszczeniu ze śniegu lub szronu, wskutek podgrzewania szyby przez znajdujące się w obudowie powietrze. Na doświadczonych rynkach Europy Zachodniej, w podobnym klimacie np. w Austrii czy w Niemczech, jedynie od 2 do 10% klientów decyduje się na wybór kolektora próżniowego.

Rys_16

Ochrona instalacji solarnej przed przegrzewaniem

Prawidłowo dobrana instalacja solarna nie powinna w okresie letnim generować częstych nadwyżek ciepła. W razie jednak występowania okresów braku odbioru ciepła, duże znaczenie odgrywa odpowiednia konstrukcja absorbera oraz ogólna wytrzymałość kolektora słonecznego i odporność na wysokie temperatury pracy. Przy braku odbioru ciepła glikol może podlegać wrzeniu w orurowaniu absorbera. Tworząca się para wodna powinna swobodnie wypchnąć glikol z absorbera, co jest możliwe, gdy posiada on również dolne przyłącza. Wzrost objętości glikolu w instalacji solarnej przejmuje prawidłowo dobrane naczynie przeponowe wzbiorcze zainstalowane przy grupie pompowej. Po obniżeniu temperatury, glikol zostanie samoczynnie wtłoczony do kolektora słonecznego, a instalacja solarna powraca do normalnego trybu pracy

Rys_5

Funkcja chłodzenia kolektorów słonecznych

Rys_11

Sterowniki instalacji solarnych mogą zawierać integralną funkcję chłodzenia kolektorów słonecznych w ciągu dnia ich pracy. Jeżeli woda w podgrzewaczu osiągnie wartość zadaną przez użytkownika np. 60 oC, to instalacja solarna może zostać wyłączona z pracy. Nastąpił by wówczas tzw. stan stagnacji (postoju), glikol może podlegać wrzeniu w kolektorach słonecznych, a naczynie wzbiorcze będzie musiało przejąć wzrost objętości glikolu w układzie. Funkcja chłodzenia pozwala przedłużyć pracę instalacji solarnej i wykorzystać ciepło nadal wytwarzane przez kolektory słoneczne. Gdy woda w podgrzewaczu osiągnie 60 oC, funkcja chłodzenia utrzyma pracę pompy obiegu solarnego, zapewniając jednocześnie chłodzenie kolektora słonecznego i odbiór ciepła. Woda w podgrzewaczu będzie w tej sytuacji osiągać wyższą temperaturę, zależnie od nastawy sterownika, np. 80 oC. UWAGA: korzystanie z funkcji chłodzenia jest zalecane, jednak należy pamiętać o względach bezpieczeństwa. Aby uniknąć oparzeń gorącą wodą, na wyjściu z podgrzewacza instaluje się termostatyczny zawór mieszający. Zapewnia od zmieszanie gorącej wody z zimną wodociągową tak, aby na wejściu do budynku ciepła woda nie miała wyższej temperatury niż np. 50 oC.

Rys_10

Funkcja urlopowa ochrony instalacji solarnej

Wydłużone okresy braku odbioru ciepła, mogą występować podczas dłuższej nieobecności mieszkańców domu, np. w trakcie wyjazdu urlopowego. Nowoczesne sterowniki instalacji solarnych posiadają dodatkową funkcję, tzw. urlopową, która skutecznie chroni układ przed nadmiernymi przegrzewami. Zasada pracy funkcji urlopowej polega na uruchamianiu pompy obiegu solarnego w nocy w celu schładzania wody w podgrzewaczu. Ciepło oddawane jest do otoczenia przez kolektory słoneczne (wyższa skuteczność dla kolektorów płaskich). W ten sposób tworzy się warunki do przyjmowania ciepła z kolektorów słonecznych w kolejnym dniu nieobecności mieszkańców. W zależności od rodzaju sterownika, ustawia się liczbę dni lub dokładny zakres dat dla aktywnej funkcji urlopowej.

Rys_7
Rys_6

Ciśnienie w instalacji solarnej

Rys_9

Ciśnienie w instalacji solarnej jest ważnym parametrem, który odpowiada za jej prawidłową pracę. Zbyt niskie ciśnienie może świadczyć o nieszczelności układu i jego zapowietrzaniu, a także o uszkodzeniu naczynia wzbiorczego. Może prowadzić do wczesnego wrzenia glikolu w kolektorach słonecznych. Zbyt wysokie ciśnienie może powodować przy wyższych temperaturach roboczych, otwieranie zaworu bezpieczeństwa w grupie pompowej i ubytki glikolu wymagające wykonania serwisu – uzupełnienia, odpowietrzenia instalacji. Odczytu ciśnienia w instalacji dokonuje się na manometrze zabudowanym w grupie pompowej. W stanie zimnym (np. rano) ciśnienie wstępne w instalacji solarnej w miejscu pomiaru (manometr), przyjmuje się ogólnie jako 1,5 do 2,0 bar z dodaniem ciśnienia powodowanego przez glikol w układzie (0,1 bar na każdy 1 m wysokości instalacji solarnej). Przykładowo dla instalacji solarnej o wysokości 12 metrów, ciśnienie wstępne w stanie zimnym powinno wynosić przynajmniej 2,7 bar (1,5 + 0,1×12). Przy podwyższonych temperaturach pracy, ciśnienie w układzie wzrasta o około 1÷2 bar (zależnie od rodzaju kolektorów słonecznych). Dzięki temu w razie braku odbioru ciepła, wrzenie glikolu może nastąpić dopiero przy temperaturze około 140÷160 oC.o.

Czy należy myć kolektory słoneczne?

W warunkach klimatu Polski z częstymi opadami atmosferycznymi, nie wymaga się mycia szyb kolektorów słonecznych. Wpływ zwykłego zanieczyszczenia szyby na sprawność kolektora słonecznego jest znikomy i pomijalny. Opady atmosferyczne samoczynnie usuwają nadmiar zabrudzeń. Niektóre badania laboratoryjne wskazują że kolektory pracujące w ośrodkach miejskich w silniej zanieczyszczonym środowisku, można ewentualnie co kilkanaście lat poddać myciu. Należy zwrócić uwagę na wymagania producenta, w szczególności w przypadku szyb z powłokami antyrefleksyjnymi wrażliwymi na uszkodzenia mechaniczne i działanie detergentów.

Rys_13

Czy instalacja solarna może zamarznąć?

Rys_12

Jeżeli glikol w instalacji solarnej zachowuje swoje parametry, nie występuje ryzyko zamarznięcia w warunkach Polski. Standardowo stosowane glikole propylenowe posiadają najczęściej deklarowaną temperaturę zamarzania na poziomie -25 oC. Należy zaznaczyć, że aby zachodziło ryzyko zamarznięcia glikolu, temperatura zewnętrzna musiała by być w dłuższym okresie w nocy znacznie bardziej jeszcze obniżona. Temperatura -25 oC samego glikolu nie oznacza jego zamarznięcia, a jedynie początek krzepnięcia i powstawania kryształków lodu. Sterowniki instalacji solarnych posiadają w niektórych przypadkach funkcje antyzamarzaniowe, ale są one przeznaczone do stosowania w ciepłym klimacie, gdzie instalacja solarna może być eksploatowana z czynnikami o mniejszym progu zamarzania. Należy zaznaczyć, że nie jest zalecane stosowanie glikoli o niższej temperaturze zamarzania, gdyż pociąga to za sobą obniżenie sprawności całej instalacji solarnej (niższe ciepło właściwe glikolu – niższa zdolność odbierania i oddawania ciepła).