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.

[box kolor=”#2172ba”]

Jak ogrzewać ciepłą wodę użytkową?

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

[/box]

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.

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.

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 (η_o) – 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 η_o, 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.

[grey]

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.

[/grey]

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.

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 m²w 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

[grey]

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