Instalacja solarna. Wskazówki dla inwestora

Centralne ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody użytkowej stanowi największą część wydatków związanych z eksploatacją domu. Względy ekonomiczne, oraz rosnąca świadomość ekologiczna powodują, że coraz częściej wykorzystujemy alternatywne źródła energii które zmniejszają zużycie kosztownego ciepła – do takich należy energia słoneczna. Instalacja solarna składająca się z kolektorów słonecznych, zbiornika na wodę, rur i pompy obiegowej może przynieść realne oszczędności w domach – w których zużywa się duże ilości ciepłej wody. W poniższym wpisie podpowiadam, na co zwrócić uwagę – decydując się na inwestycję w instalacje solarną.

Dlaczego kolektory słoneczne?

Kolektory słoneczne to urządzenia, które przekształcają energię promieniowania słonecznego w energię cieplną. Tą z kolei możemy wykorzystać do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, wody w basenie – rzadziej do wspomagania ogrzewania domu. W przeciętnych gospodarstwach domowych ogrzewanie wody do celów użytkowych może pochłonąć kilka tysięcy kilowatów rocznie – pozyskanie tej energii ze źródeł odnawialnych, jaką jest energia słoneczna może znacznie obniżyć koszty utrzymania naszego domu zwłaszcza, że w sezonie letnim wodę użytkową podgrzewamy najczęściej za pomocą elektrycznego podgrzewacza wody. Podgrzewanie wody przez kocioł na paliwa stałe poza sezonem jest nie tylko kłopotliwe, ale i uciążliwe dla użytkowników. Z drugiej strony ogrzewanie prądem do najtańszych nie należy – dlatego zamiast elektrycznego podgrzewacza wody możemy zastosować kolektory słoneczne. Choć nakład inwestycyjny jest większy, to koszty eksploatacyjne pewnością to zrekompensują.

Jak ogrzewać ciepłą wodę użytkową?

Przeczytaj wpis: Ciepła woda użytkowa. Gaz, podgrzewacz czy pompa ciepła?

Rodzaje kolektorów – płaskie i próżniowe

Istotną kwestią inwestycji jest wybór jednego z dwóch rodzajów kolektorów – płaskiego lub próżniowego. Zdarza się, że inwestorzy i instalatorzy mają problem z wyborem właściwego typu kolektora. Odmienne cechy konstrukcyjne sprawiają, że w zależności od potrzeb ich dobór powinien być odpowiednio przemyślany.

Kolektory płaskie składają się z metalowej ramy wypełnionej materiałem izolacyjnym (absorberem), na którym rozprowadzone są miedzianie rurki. Rurki ułożone są w układzie meandrowym lub harfowym, którymi przepływa ogrzewana ciecz (niezamarzający roztwór glikolu). Całość przykryta jest szybą ze szkła solarnego, które dobrze przepuszcza promieniowanie słoneczne i jednocześnie ma dobrą izolacyjność termiczną.

Kolektor płaski - instalacja solarna

Zdj.1. Budowa kolektora płaskiego

Kolektory płaskie są niezawodne i tańsze od próżniowych – cechuje je korzystny stosunek ceny do wydajności. Jednak dostarczają one gorącą wodę tylko podczas słonecznej pogody i pod warunkiem, że na dworze nie jest bardzo zimno. Wynika to ze sposobu połączenia płyty absorbera z rurami, oraz ze strat ciepła przez obudowę. W kolektorach płaskich materiał izolacyjny umieszczony jest jedynie pod absorberem, obudowa nie jest szczelna co prowadzi do wymiany ciepła (konwekcji) między absorberem a wnikającym powietrzem. Powstają straty ciepła, przez co kolektory płaskie – choć dobrze spisują się latem, są praktyczne bezużyteczne zimą – kiedy zużywamy najwięcej energii cieplnej.

W zimowym otoczeniu lepiej sprawują się próżniowe kolektory rurowe (z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego) – to ustawione równolegle szklane rury połączone w baterie. Ze względu na ich skomplikowaną budowę, ą droższe od płaskich. Absorber otoczony jest próżnią, która pozwala na wyeliminowanie konwekcyjnych strat ciepła. Skoro absorber nie jest otoczony przez powietrze, nie dochodzi do jego wychłodzenia. W ofercie producentów znajdziemy kilka rodzajów kolektorów próżniowych, różniących się budową, a co za tym idzie sprawnością oraz ceną. Szklane rury kolektora mogą być dwuścienne, z próżnią między dwiema warstwami szkła – jak w termosach. Absorber i rurka z ogrzewaną cieczą znajdują się w wewnętrznej rurze, wypełnioną powietrzem. To rozwiązanie jest stosunkowo niedrogie, jednak sprawność takich kolektorów nie jest dużo wyższa od kolektorów płaskich.

Lepsze parametry uzyskują kolektory próżniowe z rur jednościennych – w tym przypadku próżnia występuje w całej przestrzeni wewnątrz rury, w których znajduje się absorber z rurą transportującą ciecz – ze względu na rygorystyczne wymagania konstrukcyjne, takie kolektory są droższe od dwuściennych.

Kolektor próżniowy - instalacja solarna

Zdj. 2. Budowa kolektora próżniowego

Nowatorskim rozwiązaniem są kolektory z rurką cieplną (heat-pipe). W tego typu kolektorach, miedziana rurka znajdująca się w każdej ze szklanych rur próżniowych jest z obu stron zamknięta i wypełniona płynem wrzącym w temperaturze ok. 25°C. Podgrzany płyn odparowuje i unosi się do kondensatora. Tam oddaje ciepło omywającej kondensator cieczy – na skutek czego się skrapla. Skropliny spływają na dół i cykl się powtarza. Według producentów, wykorzystanie zjawiska przemiany fazowej (parowania i skraplania) pozwoliło na zwiększenie sprawności kolektorów z rurką cieplną nawet o 20 proc. w porównaniu do kolektorów próżniowych z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego.

Ważne parametry kolektora

O wyborze kolektora słonecznego, oprócz ceny – powinny decydować jego najważniejsze parametry, którymi są:

  • Uzysk energii – mówi o tym, ile energii dostarcza kolektor w ciągu roku w umownych warunkach, przy określonym natężeniu promieniowania słonecznego (1000 W/m2) na 1m2 powierzchni apertury. Jeżeli danych o rocznym uzysku energii brak, to powinniśmy kierować się pozostałymi parametrami.
  • Sprawność optyczna (ηo) – wielkość ta wskazuje, jaka część docierającej do kolektora energii słonecznej zostaje zamieniona w energię cieplną. Oczywiście w warunkach, gdy nie występują straty ciepła, oraz gdy temperatura jest taka sama jak kolektora. Im wyższa sprawność, tym lepiej.
  • Współczynnik liniowych strat ciepła (a1) – informuje o tym, jak maleje sprawność kolektora wraz ze spadkiem temperatury otoczenia, przy niewielkiej różnicy temperatury miedzy nim a otoczeniem. Im niższy współczynnik, tym sprawniej kolektor będzie pracować w porze ciepłej (od wiosny do jesieni).
  • Współczynnik nieliniowych strat ciepła (a2 analogicznie jak wyżej, jednak współczynnik ten odnosi się do dużej różnicy temperatur między kolektorem a otoczeniem. Im niższy jest współczynnik, tym bardziej kolektor nadaje się do pracy w porze zimniej (od jesieni do wiosny).

Trudno znaleźć kolektor o bardzo dobrych parametrach ηo, a1 i a2. Często niskiemu współczynnikowi a1 towarzyszy wysoki a2, z kolei wysoka sprawność optyczna przekłada się na wysoki współczynnik strat ciepła.

Kiedy zainwestować w droższy kolektor?

W większości przypadków zastosowanie kolektorów płaskich jest uzasadnione technicznie i ekonomicznie. Kolektory płaskie są tańsze, choć teoretycznie ich sprawność jest mniejsza od kolektorów próżniowych, to w naszym klimacie sprawują się bardzo dobrze – jeżeli ich rolą jest tylko podgrzewanie ciepłej wody użytkowej. W Polsce rynek kolektorów próżniowych jest bardzo zróżnicowany, można kupić wydajne kolektory z najwyższej półki, jak i kolektory próżniowe o sprawności niższej lub porównywalnej z kolektorami płaskimi. Warto sprawdzić, czy ich parametry (sprawność optyczna i współczynniki strat ciepła odniesione do powierzchni apretury) różnią się na tyle, że opłaca się je kupić. Te z klasy premium, mogą być dwa razy droższe od kolektorów płaskich. Przy słonecznej pogodzie jedne i drugie działają podobnie, jednak w niesprzyjających warunkach wyższą sprawność osiągają próżniowe – zwłaszcza, gdy pracują w niskiej temperaturze (próżnia ogranicza straty ciepła).

W praktyce jesienią, wiosną a tym bardziej zimą, promieniowanie słoneczne docierające do kolektorów jest tak słabe, ze wyeliminowanie strat ciepła niewiele zmienia – kolektory i tak nie podgrzeją wody do niezbędnej temperatury. Inwestując w droższe rozwiązanie, zyskujemy niewiele, nie zawsze się to opłaca. Wyższa sprawność kolektorów próżniowych z kolei przekłada się na mniejsze gabaryty w porównaniu do kolektorów płaskich – mogą być jedynym rozwiązaniem w budynkach w których nie ma zbyt wiele miejsca do zamontowania kolektorów na dachu lub gdy usytuowanie jego połaci jest niekorzystne (wschód, zachód).

Kolektory próżniowe mogą zostać wykorzystywane do wspomagania ogrzewania w sezonie grzewczym. Jednak śnieg i szron zalegający na rurach może obniżyć wydajność kolektorów próżniowych. W kolektorze płaskim już niewielka ilość promieniowania powoduje jednak zwiększenie temperatury powietrza pod szybą, dzięki czemu szron się topi, z kolei próżnia sprawia, że powierzchnia szklanych rur długo pozostaje zimna.

Rodzaje powierzchni kolektora

Wyróżnia się trzy rodzaje określeń kolektora i są one definiowane następująco:

  • Powierzchnia brutto kolektora – określana jest na podstawie wymiarów zewnętrznych obudowy kolektora. Ma jedynie znaczenie dla zaplanowania miejsca zabudowy.
  • Powierzchnia absorbera – mówi o wielkości najważniejszego elementu kolektora, pochłaniającego energię słoneczną.
  • Powierzchnia apertury – informuje o powierzchni czynnej jaka może być eksponowana, aby odbierać promieniowanie słoneczne. Absorber może być częściowo zacieniony przez zewnętrzną obudowę kolektora.

Współpraca kolektorów z instalacją c.w.u.

Z kolektorów nie będziemy mieć pożytku, jeżeli nie zostaną skomponowane o instalację odbierającą od nich ciepło. Mówimy o obiegu solarnym, który składa się z przewodów rurowych, solarnego zestawu pompowego, urządzeń zapewniających bezpieczeństwo działania instalacji i zasobnikowego wymiennika ciepła. W obiegu solarnym największy wpływ na sprawność mają przewody rurowe oraz zasobnikowy wymiennik ciepła. Trasa przewodów pomiędzy zasobnikiem a kolektorami powinna być możliwe jak najkrótsza, zapobiegniemy w ten sposób stratom ciepła, które występują przy przepływie czynnika z kolektora do zasobnika. Powinniśmy również zadbać o staranne zaizolowanie przewodów rurowych.

Schemat instalacji solarnej

Zdj. 3. Schemat współpracy instalacji solarnej z kotłem grzewczym

Pozyskaną energię nie udaje się wykorzystać na bieżąco, kolektor dostarcza ciepło zazwyczaj wtedy, gdy go nie potrzebujemy, czyli w ciągu dnia. Ciepłą wodę zużywamy zazwyczaj po południu i wieczorem. Dlatego pozyskane ciepło musimy magazynować w zasobniku solarnym – to pojemnościowy podgrzewacz wody, czyli zbiornik ze spiralną wężownicą w środku. Energia jest magazynowa w wypełniającej go wodzie, która stygnie bardzo powoli dzięki wysokiej izolacji cieplnej zasobnika.

Najbardziej rozpowszechnione są zasobniki dwusystemowe biwalentne, w której znajdują się dwa wymienniki ciepła. W dolnym przepływa czynnik z obiegu solarnego, w górnym – woda ogrzana w kotle, dogrzewa ona wodę do wymagalnej temperatury, gdy nie udaje się jej uzyskać wyłącznie dzięki działaniu kolektorów. Pracę zbiornika kontroluje układ sterujący z czujnikami temperatury w kolektorach i w zasobniku. Zamiast zasobnika z podwójną wężownicą można zastosować zasobnik z pojedynczą wężownicą i grzałką elektryczną. To droższe rozwiązanie eksploatacyjne od zasobnika biwalentnego, ale jest wygodniejsze, zwłaszcza gdy dom ogrzewamy kotłem na paliwa stałe.

Jaka powierzchnia kolektorów?

Instalacji solarnej nie wykonuje się z przewymiarowaniem, montaż bardzo dużej powierzchni kolektorów zwiększa koszty inwestycji i wydłuża jej czas zwrotu. Przy doborze elementów instalacji zakłada się, że kolektory mają dostarczać 50-70 proc. rocznego zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania wody użytkowej – w okresie letnim kolektory powinny pokrywać zapotrzebowanie w 100 proc. Jeżeli kolektory będą skierowane na południe, w miejscu niezacienionym, pod kątem 40°, wówczas w uproszczeniu możemy przyjąć poniższe założenia:

  • Instalacja z kolektorami płaskimi do przygotowania ciepłej wody użytkowej powinna mieć powierzchnię czynną 1-1,5 m2 przypadającą na jedną osobę – czyli 4-6 m2 w przypadku czteroosobowej rodziny.
  • Instalacja z kolektorami próżniowymi do przygotowania ciepłej wody użytkowej powinna mieć powierzchnię czynną 0,6-0,8 m2 przypadającą na jedną osobę – czyli 2,4-3,2 mw przypadku czteroosobowej rodziny.

W sprzedaży znajdziemy gotowe są zestawy solarne, składające się najczęściej z dwóch, trzech kolektorów słonecznych, zasobnika na ciepłą wodę o pojemności 200-300 litrów, pompy obiegowej i układu sterującego. Najmniejsze zestawy są odpowiednie do domu, w którym mieszkają maksymalnie cztery osoby. Jeżeli zużycie wody jest większe, konieczny będzie zestaw z zasobnikiem o większej pojemności.

Koszt instalacji solarnej

Same kolektory nie muszą być drogie, rozpiętość cenowa zależy od ich rodzaju (płaskie, próżniowe) oraz jakości i marki. Najtańsze kolektory możemy kupić za mniej niż 1000 zł, to urządzenia których jakość pozostawia wiele do życzenia. Kompletny zestaw solarny dla czterech użytkowników, z dwoma kolektorami płaskimi, zasobnikiem 200 l,  grupą solarną, sterownikiem oraz innymi elementami koniecznymi do zainstalowania i pracy układu zapłacimy ok. 9 tys. zł. – nie licząc kosztów montażu. Porównywalna pod względem wydajności instalacja z kolektorami próżniowymi będzie droższa o 3-4 tys. zł. Zestaw przeznaczony dla większej rodziny – z czterema lub większą liczbą kolektorów płaskich i zasobnikiem o większej pojemności – będzie odpowiednio droższy.

Jeżeli instalacja solarna oprócz przygotowania wody użytkowej ma także wspomagać ogrzewanie domu, kolektory muszą mieć większą powierzchnię (proporcjonalną do wielkości powierzchni ogrzewanej dobrze ocieplonego domu), a zasobnik solarny także większą pojemność. To naturalnie podniesie jeszcze koszt instalacji, nawet dwukrotnie).

Wycenę przygotowali eksperci z firmy Hewalex

Wariant 1 – podgrzewanie c.w.u., cztery osoby, kolektory płaskie

  • Zestaw solarny – 7 260 zł

W skład zestawu wchodzą: 2 kolektory płaskie o łącznej powierzchni (czynnej) 3,6 m2, Zasobnik (biwalentny, 250 l), zespół pompowy, sterownik instalacji solarnej, naczynie wzbiorcze, płyn do instalacji.

  • Rura elastyczna w otulinie – 735 zł
  • Zestaw montażowy – 452 zł
  • Prace montażowe – 1500 zł
  • Koszt wariantu (z Vat 8%) – 10 743 zł

Wariant 2 – podgrzewanie c.w.u., cztery osoby, kolektory próżniowe

  • Zestaw solarny – 11 570 zł

W skład zestawu wchodzą: 3 kolektory próżniowe o łącznej powierzchni (czynnej) 3 m2, zasobnik (biwalentny, 250 l) , zespół pompowy, sterownik instalacji solarnej, naczynie wzbiorcze, płyn do instalacji.

  • Rura elastyczna w otulinie – 735 zł
  • Zestaw montażowy – 361 zł
  • Prace montażowe – 1500 zł
  • Koszt wariantu (z Vat 8%) – 15 299 zł

Wariant 3 – wspomaganie ogrzewania, podgrzewanie c.w.u., dom o pow. 150 m2, cztery osoby, kolektory płaskie

  • Zestaw solarny – 13 260 zł

W skład zestawu wchodzą: 5 kolektorów płaskich o łącznej powierzchni (czynnej) 9,1 m2, zasobnik (multiwalentny, 500 l) , zespół pompowy, sterownik instalacji solarnej, naczynie wzbiorcze, płyn do instalacji.

  • Rura elastyczna w otulinie – 1 030 zł
  • Zestaw montażowy – 1 155 zł
  • Prace montażowe – 2500 zł
  • Koszt wariantu (z Vat 8%) – 19 381 zł

Wariant 4 – wspomaganie ogrzewania, podgrzewanie c.w.u., dom o pow. 150 m2, cztery osoby, kolektory próżniowe

  • Zestaw solarny – 20 520 zł

W skład zestawu wchodzą: 6 kolektorów próżniowych o łącznej powierzchni (czynnej) 6.1 m2, zasobnik (multiwalentny, 500 l), zespół pompowy, sterownik instalacji solarnej, naczynie wzbiorcze, płyn do instalacji.

  • Rura elastyczna w otulinie – 1 030 zł
  • Zestaw montażowy – 715 zł
  • Prace montażowe – 3 000 zł
  • Koszt wariantu (z Vat 8%) – 27 286 zł

Podsumowanie

  • Odpowiednio zaprojektowana instalacja solarna pozwoli obniżyć koszty przygotowania ciepłej wody użytkowej nawet o 70 proc.
  • Instalacja solarna potrafi pozyskać ok. 300-600 kWh energii rocznie z 1 mpowierzchni czynnej kolektora.
  • O jakości i skuteczności kolektora informują nas takie parametry jak: sprawność optyczna (im większa, tym lepiej) i współczynniki strat liniowych (powinny być jak najniższe), a najlepszą informacją jest roczny uzysk energii.
  • Instalacja solarna ma stosunkowo prostą budowę, dzięki czemu jest niezawodna i trwała. Z kolei dobrej jakości kolektory utrzymują wysoką sprawność pracy przez długie lata.
  • Do magazynowania pozyskanej energii cieplnej należy zastosować przeznaczony do tego podgrzewacz pojemnościowy (zasobnik solarny) o specjalnej konstrukcji – inny niż do kotła grzewczego.

Zdjęcia: fotolia.pl, viessmann.pl

Damian Czernik

Absolwent Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, projektant instalacji sanitarnych, autor bloga

2 komentarze na temat “Instalacja solarna. Wskazówki dla inwestora”

  1. Bardzo interesujący wpis. Teraz sporo osób montuje tego typu instalacje aby obniżyć koszty rachunków za ciepłą wodę. Odnośnie rodzaju kolektora (płaski czy próżniowy) to wybór jest jednak rzeczą indywidualną. Dobrze że opisałeś różnicę bo sporo osób nie wie co kupuje i później są niezadowoleni. Ciekawy blog!

  2. Wyrazy szacunku za prace wkładaną poszukiwania optymalnego systemu ogrzewania chałupy. Dom w klasie energetycznej FN 40 , 100 mkw powierzchni 800 pln. koszty ogrzewania rok. Koszt instalacji ok 24 tys pln na gotowo. Pomieszczenie na kotłownie zbędne, przewód dymowy także…Absolutna bezobsługwość

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *