Poradnik inwestora

2017-02-27 10:23:05

Kolektory

Kolektory słoneczne należą do odnawialnych źródeł energii (OZE). Działanie tych urządzeń polega na zamianie energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Sprawność tych instalacji jest zależna od ilości promieni słonecznych padających na aperturę powierzchni kolektora, czyli na czynną nasłonecznioną powierzchnię urządzenia. Efektywność pracy zależy również od typu budowy kolektora oraz jakości użytych do jego konstrukcji materiałów.

Niezależnie od typu, każdy kolektor słoneczny składa się z następujących elementów:

  • absorbera będącego najważniejszą częścią urządzenia, gdyż to właśnie w nim zachodzi zamiana promieniowania słonecznego na energię cieplną. W płaskich kolektorach absorber montowany jest na ryflowanych, bądź płaskich blachach. Rury absorbera mogą mieć formę harfy lub być prowadzone w sposób meandrowy.
  • hartowanej szyby solarnej chroniącej kolektor przed uszkodzeniami oraz zatrzymującej promieniowanie słoneczne na powierzchni urządzenia. W urządzeniach najwyższej jakości szyba ta posiada powłokę antyrefleksyjną, która zatrzymuje promienie tuż przy powierzchni absorbera.
  • aluminiowej obudowy odpornej na zmienne warunki atmosferyczne – silny wiatr, mróz, opady śniegu.

Biorąc pod uwagę sprawność kolektorów można wyróżnić trzy ich typy, które przedstawia poniższa tabela.

Podejmując decyzję co do typu kolektora, który chcemy zamontować, należy najpierw ustalić, do czego mają służyć te urządzenia – czy do podgrzania c.w.u., czy może wody w basenie, albo też mają stanowić wsparcie dla systemu ogrzewania domu? Wreszcie – czy zależy nam na tym, ażeby urządzenia te pracowały cały rok, czy też tylko sezonowo, a więc w okresie wiosenno-letnim?

Jeżeli instalacja solarna ma zostać zamontowana w domku letniskowym i służyć tylko do podgrzania c.w.u. lub ogrzewać wodę w basenie zewnętrznym, to lepiej zdecydować się na kolektory płaskie, które uzyskują wysoką sprawność w warunkach silnego nasłonecznienia i wysokiej temperatury zewnętrznej.

Dobrze zaizolowane (przez próżnię) kolektory próżniowe nawet w sezonie jesienno-zimowym zdolne są zamieniać energię promieniowania słonecznego na energię cieplną, dlatego zdecydowanie lepiej montować je wówczas, gdy planujemy całoroczne podgrzewanie c.w.u. przez te urządzenia, a dodatkowo ich wykorzystanie w systemach hybrydowych z centralnym ogrzewaniem.

Kolejnym czynnikiem, który wpływa na wybór typu kolektorów jest samo źródło ciepła. Jeśli w domu działa kocioł gazowy, olejowy lub elektryczny, to zastosowanie urządzeń typu próżniowego będzie wygodniejsze w okresach słabego nasłonecznienia. Kolektory płaskie natomiast są najsprawniejsze latem, kiedy podgrzewanie wody następuje bardzo szybko. Jeśli więc uzyskanie c.w.u. następuje poprzez rozpalanie kotła na paliwa stałe, to latem można tego uniknąć.

Kolektory płaskie

Kolektory płaskie znajdują zastosowanie przede wszystkim do sezonowego przygotowania ciepłej wody użytkowej w domach jednorodzinnych i letniskowych, gdzie w okresie letnim mogą pokryć zapotrzebowanie na ciepłą wodę nawet w 100 proc., a poza sezonem w 60 proc. Są również dobrych rozwiązaniem w przypadku konieczności podgrzania wody w przydomowym basenie.

Są zbudowane z warstwy absorbera, tylniej płyty z blachy stalowej, aluminium lub stali szlachetnej oraz ramy wraz ze szkłem solarnym i izolacją cieplną. Antyrefleksyjna powłoka szklana, pokrywająca powierzchnię tych kolektorów, zmniejsza skalę odbicia promieni słonecznych, a materiał uszczelniający urządzenia zapobiega stratom ciepła.

Urządzenia te są łatwe w montażu na dachach domów jednorodzinnych, a także – coraz częściej – na fasadzie budynku lub nawet na konstrukcjach umocowanych do gruntu. Wśród tego typu kolektorów najpopularniejsze są te o powierzchni absorbera od 2 do 2,5 m2.

Kolektory próżniowe

Kolektory próżniowe z kolei mogą pracować przez cały rok, służąc jako urządzenia zarówno do przygotowania c.w.u, jak i wspomagając system ogrzewania domu. Ich budowa jest nieco inna, niż kolektorów płaskich, a to za sprawą absorbera, który w tym typie urządzeń ma postać wypełnionej próżnią szklanej rurki. Próżna pełni tu funkcję izolatora, wskutek czego straty ciepła są mniejsze, niż przy kolektorach płaskich.

Zasadniczą sprawą, zapewniającą wysoką sprawność i długą żywotność kolektorów próżniowych, jest szczelność tych urządzeń, a więc wspomniana próżnia. Minimalne ilości wodoru krążące w rurach kolektora próżniowego, są pochłaniane przez cienką warstwę baru (to pochłaniacz gazów), którym wyłożone są wewnętrzne ścianki rur.

W tym typie kolektorów słonecznych można wyróżnić te z bezpośrednim przepływem oraz urządzenia z technologią rur typu heatpipe, które charakteryzują się szczególnie wysoką niezawodnością w okresie eksploatacji. 

Z czego składa się instalacja solarna i jak ona działa?

Kolektor słoneczny zamienia promieniowanie słoneczne na energie cieplną, która jest przekazywana na nośnik ciepła, a jest nim niezamarzający płyn solarny. Kiedy kolektory osiągają odpowiednio wysoką temperaturę, załącza się pompa obiegowa pompująca gorący płyn solarny, który płynie do zbiornika i oddaje ciepło wodzie podgrzewając ją. Dobrze dobrana i zamontowana instalacja solarna powinna w ciągu kilku godzin nagrzać wodę w zbiorniku do zadanej temperatury.

Elementy instalacji solarnej to:

  • pojemnościowy podgrzewacz magazynujący energię cieplną i stosowany tylko do podgrzewania c.w.u;
  • monowalentny podgrzewacz c.w.u. stosowany w systemach hybrydowych – przy wspomaganiu centralnego ogrzewania;

  • biwalentny pojemnościowy podgrzewacz c.w.u. montowany w nowych i mniejszych instalacjach solarnych, wyposażony w dwa wymienniki ciepła (górny i dolny), dzięki czemu sprawność urządzenia, szczególnie podczas słabego nasłonecznienia się zwiększa;

  • woda grzewcza jako czynnik ogrzewany w zasobniku buforowym lub zbiorniku multimedialnym, stosowany w instalacjach hybrydowych, w których kolektory wspomagają system centralnego ogrzewania;
  • elektroniczny regulator instalacji solarnej umożliwiający bezobsługową pracę całego systemu. Podczas dłuższej nieobecności można przełączyć system solarny w bezpieczny tryb wakacyjny, a wtedy zmagazynowane w zbiorniku ciepło jest automatycznie oddawane. Jednocześnie regulator umożliwia współpracę z innymi źródłami ciepła, sterując ich pracą w okresach przejściowych czy zimowych;
  • grupa pompowa i naczynie wzbiorcze, od których zależy sprawność systemu i bezpieczeństwo jego działania;

 

Jak wybrać wielkość zbiornika i liczbę kolektorów?

Dobór liczby urządzeń i pojemności zbiornika zależy od realnego zapotrzebowania domowników na ciepłą wodę użytkową. Przyjmuje się, że jedna osoba zużywa od 30 do 60 litrów ciepłej wody o temperaturze 55-60 st. C na dobę. Na tej podstawie określamy dzienne zapotrzebowanie na c.w.u.

A zatem wzór określający zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową to:

liczba domowników x 50 litrów, np.: 3 x 50 l=150 l lub 3 x 60 l = 180 l

 

Znając dzienne zapotrzebowanie na c.w.u. dobieramy odpowiednio duży zbiornik, kierując zasadami:

  • dzienne zapotrzebowanie + 50 proc.
  • dodatkowe 50 proc. ma zagwarantować odpowiednią ilość ciepłej wody w dni o mniejszym nasłonecznieniu.

 

Ustalenie wielkości zbiornika pozwala ustalić liczbę kolektorów słonecznych. Przyjmuje się dobór powierzchni urządzeń według następującej zależności: 2m2 powierzchni czynnej kolektora na 100-150 l wody do podgrzania. Stosując tę zasadę, dobrze dobrany zestaw będzie składał się z kolektorów o powierzchni łącznej 6m kw.

A co w przypadku, gdy kolektory mają nie tylko podgrzewać c.w.u., ale także wspomagać centralne ogrzewanie, czyli pracować w systemie hybrydowym? W tym wypadku trzeba również brać pod uwagę zapotrzebowanie energetyczne instalacji c.o. Należy także wiedzieć, czy istnieje możliwość zastosowania odbiornika nadmiaru ciepła latem oraz jakie są techniczne możliwości zamontowania kolektorów.

Przyjmuje się zasadę, wedle której jeden kolektor próżniowy przypada na 15m kw. powierzchni niskotemperaturowego systemu centralnego ogrzewania. Działanie tej zasady ilustruje poniższa tabela.

Jak powinien wyglądać montaż systemu z kolektorami słonecznymi?

Kolektory słoneczne można montować na dachach płaskich i skośnych, na fasadach budynków, na konstrukcjach przymocowanych do gruntu, w budynkach starszych - modernizowanych i nowych.

 

 

Montaż na dachu skośnym

W przypadku montażu tych urządzeń na dachu skośnym, kolektory mogą być zamontowane na powierzchni lub w połaci dachu. Tutaj bardzo ważne jest sprawdzenie stref zacienienia, gdyż ta zmienna odpowiada w dużej mierze za efektywność pracy całego systemu. W instalacji skierowanej na południe obszar pomiędzy południowym wschodem, a zachodem powinien być niezacieniony, a kąt pochylenia większy niż 20 stopni. Należy też wziąć pod uwagę rosnące wokół posesji drzewa i tempo ich wzrostu w ciągu 20 lat, czyli w okresie pracy kolektorów. 

Koszt montażu systemu kolektorów zależny jest od typu dachu i rodzaju materiału, który go pokrywa. Ze względu na fakt, iż konstrukcja nie może pogarszać głównej funkcji dachu, w tym przypadku jego szczelności, warto skorzystać z pomocy dekarza, który po wykonaniu prac montażowych sprawdzi, czy dach w jakimś miejscu nie jest uszkodzony. 

Kolektory na dachu mocuje się przy użyciu haków lub klamer, ażeby zapewnić im stabilność i bezpieczeństwo podczas eksploatacji. To właśnie podczas tego etapu prac trzeba kontrolować szczelność poszycia dachu, gdyż po podłączeniu całej instalacji ewentualne nieszczelności nie będą widoczne. Dobór systemu mocowania należy uzależnić od warunków atmosferycznych, które panują na danym obszarze Polski. Inaczej ta sprawa wygląda bowiem np. na Podlasiu, gdzie zimą występują obfite opady śniegu, a inaczej na Dolnym Śląsku, gdzie śniegu jest mniej, za to deszczu więcej.

Jeśli kolektory są montowane w połaci dachu, to wówczas zastępują one pokrycie i są osadzone bezpiecznie i stabilnie. Ze względu jednak na konieczność odprowadzania opadów deszczu z dachu, kolektory montuje się tak, żeby szyba urządzenia tworzyła szczelną warstwę, po której spłynie woda, albo też montuje pod urządzeniem rodzaj wanny zbierającej opady. 

Montaż na elewacji

Na elewacjach budynków można montować wszystkie typy kolektorów. Jeśli urządzenia montowane są równolegle do fasady i zwrócone w kierunku południowym, to do kolektora w ciągu roku dociera o 30 proc. mniej promieniowania słonecznego, niż w przypadku, gdy ustawimy go pod kątem 45 stopni.

Jeśli kolektory nie są przymocowane równolegle do fasady, ich wydajność jest taka, jak w przypadku kolektorów montowanych na dachach płaskich lub na dachach skośnych z takim samym nachyleniem.

Podobnie, jak w przypadku instalacji na dachach, również na fasadach rzędy kolektorów powinny być rozmieszczone w prawidłowych odległościach od siebie, przy czym w tym przypadku bierze się pod uwagę wysokość Słońca w środku lata, a nie zimą.

 

Zbiornik solarny – integralną część systemu z kolektorami - najczęściej umieszcza się w kotłowni, skąd najłatwiej dopiąć go do systemu podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Niemniej miejsce, w którym posadowimy ten zbiornik zależy od możliwości, jakie stwarza sam budynek.

Dlatego też już na etapie projektowym domu dobrze jest przewidzieć, w którym miejscu stanie zbiornik solarny oraz ustalić jego wymiary, pamiętając o zabezpieczeniu dodatkowego miejsca na wymianę anody (doliczyć do wysokości). Warto także ująć w projekcie odpowiednią szerokość drzwi do kotłowni, tak ażeby można było przez nie wnieść zbiornik do pomieszczenia. Największe wymiary mają zbiorniki przeznaczone do wspomagania centralnego ogrzewania. Regulator może natomiast znajdować się w pomieszczeniu głównym domu, co pozwoli sterować instalacją bez schodzenia do kotłowni.

Montaż na dachu płaskich i na gruncie

Montaż na dachu płaskich i na gruncie ma tę korzyść, że urządzenia zawsze można umieścić z wystawą południową i pod odpowiednim kątem w stosunku do położenia Słońca. W przypadku montażu na dachu płaskim stosuje się specjalne konstrukcje wsporcze mające zapobiec przemieszczeniu się kolektora, np. podczas silnych podmuchów wiatru.

Ze względu na konieczność uniknięcia stref cienia, przy montażu większej liczby kolektorów konieczne jest prawidłowe ich rozmieszczenie względem siebie. W tym celu bierze się pod uwagę kąt pozycji Słońca przypadający 21 grudnia, który jest w Polsce najkrótszym dniem roku. Kąt ten, w zależności od szerokośći geograficznej, wynosi od 11,5 do 19,5 stopnia. 

Wzór na obliczenie odległości pomiędzy kolektorami jest następujący:

z/ h = sin(180° – (α+β)) / sinβ 

gdzie z oznacza odstęp pomiędzy rzędami kolektorów, h – wysokość urządzenia, α - kąt nachylenia kolektora, β - kąt padania promieni słonecznych, czyli pozycji Słońca.

    Ważne informacje
  • - najczęściej popełniane błędy
  • - ile to kosztuje?

  • przewymiarowanie instalacji z kolektorami, czyli zamontowanie ich w nadmiarze, przekraczającym zapotrzebowanie na ciepła wodę użytkową;
  • błędna orientacja urządzeń względem stron świata, niewłaściwy kąt ich nachylenia, zła izolacja przewodów, co skutkuje zbyt niską temperaturą c.w.u.;
  • błędne umiejscowienie czujnika temperatury, co powoduje, iż cały system otrzymuje błędne dane, a kolektory nie podgrzewają wody do zadanej temperatury, jednocześnie same się przegrzewając;
  • nieodpowiednie ciśnienie, które może uszkodzić urządzenia lub obniżyć ich sprawność;
  • złe podłączenie instalacji solarnej do wężownicy zbiornika,;
  • brak naczynia przeponowego lub jego wadliwe podłączenie, a tym samym brak ochrony całej instalacji przed zmianami ciśnienia;
  • nieprawidłowe odpowietrzenie instalacji, skutkujące obniżeniem sprawności kolektorów, ich przegrzewaniem się i krótszą żywotnością urządzeń;

 

Inwestorzy decydujący się na zakup kolektorów słonecznych często nie zwracają uwagi na ich sprawność optyczną, czyli maksymalną sprawność urządzenia określającą, jaki procent energii docierającej do absorbera zostanie wykorzystany i zamieniony na ciepło. Producenci podają często tylko sprawność absorpcji, która może wynosić nawet 95 proc., co jednak nie świadczy o wysokiej sprawności optycznej kolektora, która w najlepszych urządzeniach dochodzi do 85 proc.

Warto więc zwrócić uwagę na sprawność optyczną kolektora, zależną od jakości izolacji urządzenia, bo to ona w dużej mierze określa jego efektywność.

Drugą ważną informacją jest ta dotycząca powierzchni czynnej kolektora, czyli jego absorbera, którą należy odróżnić od powierzchni brutto kolektora, informującej tylko o wymiarach zewnętrznych urządzenia. Powierzchnia czynna informuje, na jak dużą powierzchnię urządzenia padają promienie słoneczne, które są zamieniane na energie cieplną.

W przypadku kolektorów płaskich stosunek powierzchni czynnej do powierzchni brutto urządzenia wynosi prawie 1 do 1, poważne różnice występują namiast w kolektorach próżniowych – może to być nawet 100 proc., a to oznacza 100 proc. mniej uzyskanej energii. Przy zakupie należy bezwzględnie wziąć to pod uwagę.

Sprawność kolektorów poszczególnych producentów, którzy oferują swoje urządzenia na rynku światowym, a więc także polskim, według zunifikowanych standardów, można sprawdzić w bazie Solar Keymark, dostępnej pod adresem http://solarkey.dk/solarkeymarkdata/qCollectorCertificates/ShowQCollectorCertificatesTable.aspx

Kolektor

 

Kolektor próżniowo-rurowy

Kolektor płaski

Dostępna, niezacieniona powierzchnia dachu niezbędna do zainstalowania kolektorów

3,0 m2– 6,0 m2

4,0 m2– 7,0 m2

Zbiornik na ciepłą wodę współpracujący z kolektorami

300 l – 500 l

(~90 litrów/1m2 kolektora)

250 l – 400 l

(~50 litrów/1m2 kolektora)

Koszty brutto kolektorów i osprzętu wraz z instalacją

15 000 zł – 21 000 zł

12 000 zł – 14 000 zł

Stopień pokrycia zapotrzebowania na energię
do ogrzania wody użytkowej

 

Do 65% rocznie: 90–100% w okresie letnim
i do 40% w pozostałym okresie

Do 60% rocznie: 90–100% w okresie letnim
i do 30% w pozostałym okresie

Szacunkowe roczne oszczędności energii w kWh

Około 1825-3685 kWh

Około 2060-3600 kWh

Szacunkowe roczne oszczędności w zł w odniesieniu do kosztów ogrzewania gazem ziemnym

Około 470-940 zł

Około 530-920 zł

Szacunkowe roczne oszczędności w zł w odniesieniu do kosztów ogrzewania energią elektryczną

Około 1180-2390 zł

Około 1340-2340 zł

                                                                                                                                źródło: http://polreff.org



Będzie rewolucja w ogrzewaniu budynków?Naukowiec z Politechniki Gdańskiej opracował innowacyjną technologię. Energią słoneczną, przechowywaną w gruncie, można ogrzewać i ochładzać budynki przez cały rok. Komercjalizacja technologii potrwa jeszcze około dwóch lat, ale już teraz pomysłem interesują się deweloperzy.Przeczytaj >>
Buduj się i nie drażnij sąsiadaPrzepisy mówią, że budowa twojego domu nie musi wiązać się z koniecznością uzyskania zgody sąsiada. Jeśli ściśle do tych przepisów dostosowana jest wielkość działki i projekt w domu. Rzecz w tym, że stan idealny trudno osiągnąć i często z sąsiadem trzeba się liczyć.Przeczytaj >>
Instalacja wodociągowa – wykonaj ją prawidłowoInstalacja wodociągowa to układ przewodów z armaturą w budynku i na terenie nieruchomości, którego zadaniem jest dostarczenie wody dla odbiorcy zgodnie z zapotrzebowaniem o odpowiedniej jakości i określonym ciśnieniu.Przeczytaj >>
Oświetlenie – nowoczesność i nasze przyzwyczajeniaWymiana żarówek nie jest ostatnim krokiem w kierunku oszczędzania energii elektrycznej. Dalszą redukcję rachunków za prąd mogą zapewnić układy sterowania oświetleniem.Przeczytaj >>
Domy energooszczędne i pasywne – fakty i mityBudowa domów energooszczędnych i pasywnych to w budownictwie temat nadal jeszcze nowy. Nie wszyscy znają choćby podstawy ich funkcjonowania. W związku z tym pojawiło się wiele mitów. Przyjrzyjmy się najważniejszym z nich.Przeczytaj >>
Ustawa o OZE dyskryminuje energetykę wiatrowąW projekcie ustawy o OZE pojawił się zapis zakładający, że 100% produkcji energii elektrycznej zadeklarowanej w aukcji podlega rozliczeniu co 3 lata pod sankcją kary. Proponowane rozwiązanie budzi liczne kontrowersje wśród ekspertów oraz inwestorów, którzy podkreślają, że różnice w prognozowanej produkcji energii z wiatru, a tym ile jej się wytwarza w cyklach kilkuletnich, sięgają 15%.Przeczytaj >>