Instalacje kolektorów słonecznych zadomowiły się w naszych budynkach na dobre. Stosuje się je coraz chętniej i są darzone dużym zaufaniem przez użytkowników. Stają się (powoli) nieodzownym elementem zarówno budynku jednorodzinnego, obiektów wypoczynkowo-hotelowych, czy też sportowych, szpitali itd.

W zdecydowanej większości przypadków kolektory słoneczne (KS) są wykorzystywane do podgrzewania wody użytkowej (c.w.u.), można powiedzieć więcej (automatycznie) kojarzone z ekologicznym wytworzeniem c.w.u. W naszym kraju przyjęły się systemy zamknięte, pompowe, pracujące na czynniku niezamarzającym (roztworze glikolu propylenowego o stężeniu 41-55% wagowych), ze sterowaniem opartym na pomiarze różnicy temperatury pomiędzy kolektorem a zasobnikiem ciepłej wody, z zabezpieczeniem przeciw nadmiernemu wzrostowi temperatury i ciśnienia (stan stagnacji) w postaci ustawień automatyki oraz zabezpieczeniami hydraulicznymi (naczynie wzbiorcze i zawór bezpieczeństwa). Wspomaganie ogrzewania wody realizowane jest przez dodatkowe źródło ciepła np. kocioł gazowy oraz wykorzystanie zasobnika biwalentnego lub przez wykorzystanie grzałki elektrycznej (dla okresowego wykorzystania c.w.u.).

W zależności od rozwiązań hydraulicznych budynku, ilości potrzebnej wody użytkowej i sposobu jej wykorzystania mogą być stosowane odmienne rozwiązania do wyżej przedstawionych. Jednocześnie należy pamiętać, iż kolektory słoneczne to nie tylko woda wykorzystywana do celów bytowych. W niniejszym materiale zostanie przedstawione całe spektrum wykorzystania cieplnej energii słonecznej dla różnorodnych celów.

Ciepła woda inaczej...
Oprócz typowych systemów zamkniętych, działających na czynniku niezamarzającym, spotyka się (coraz częściej) tzw. systemy suche (zwane również drain back, system ze swobodnym powrotem czynnika). Pracują one w układzie bezciśnieniowym, wodnym, z opróżnieniem górnej części instalacji słonecznej w momencie, gdy ona nie działa. Jest to ciekawe rozwiązanie w przypadku niskiej temperatury zewnętrznej (poniżej 0°C) czy ekstremalnie wysokiej i braku odbioru ciepła. W takich przypadkach nie ma konieczności napełniania instalacji cieczą niezamarzającą czy też stosowania licznych zabezpieczeń w przypadku braku odbioru ciepła (zabezpieczenie przed przegrzaniem się instalacji). Instalacja napełniana jest w przypadku nagrzania kolektora słonecznego i istnienia możliwości odbioru ciepła. Po napełnieniu kolektora (z wodą z zasobnika buforowego) następuje przekazywanie ciepła do zasobnika, aż do momentu jego nagrzania, względnie braku dopływu energii słonecznej do kolektora. W tym momencie następuje spływ grawitacyjny wody roboczej do zasobnika i zabezpieczenie kolektora przed przegrzewem, względnie zamarzaniem. Wykorzystuje się bezciśnieniowe zbiorniki buforowe, wewnątrz których umieszczana jest wężownica, w której następuje podgrzanie przepływowe wody użytkowej. Wykorzystanie powyższego rozwiązania jest szczególnie ciekawe dla budynków eksploatowanych okresowo czy też z czasowo nieużywaną instalacją c.w.u. Rozwiązanie gwarantuje komfort korzystania z energii słonecznej, szybkie przygotowanie c.w.u. oraz pewność i bezpieczeństwo w okresie zimowym czy też letnim, kiedy nie korzysta się z instalacji.

Podgrzewanie wody w basenie kąpielowym
Temperatura wody w basenach kąpielowych kształtuje się w dosyć szerokim zakresie od 24 do 34°C (najczęściej przyjmuje się temperaturę 28°C). Temperatura uzależniona jest od przeznaczenia basenu – najniższa jest w basenach sportowych wyczynowych, wyższa jest w „zwykłych” sportowych, jeszcze wyższa w basenach rekreacyjnych, najwyższa zaś dla małych dzieci i osób starszych. Temperatura rzędu 30°C i wyższa nie jest jednak zalecana w związku z poważnym zagrożeniem namnażania się bakterii. W basenie podgrzanie wody jest na poziomie paru stopni. Przyczynia się to do bardzo wysokiej sprawności urządzenia grzewczego, jakim jest kolektor słoneczny (efektywne wykorzystanie energii słonecznej). Praca na tak niskiej temperaturze nie wymaga stosowania zaawansowanych urządzeń (o płaskiej charakterystyce sprawności), gdyż w tego typu zastosowaniach najistotniejsza jest charakterystyka dla niskich przyrostów temperatury. Dodatkowo, urządzenia o stromej charakterystyce mają zwykle najwyższą sprawność optyczną, co przy niewielkich przyrostach temperatury gwarantować może wysoką sprawność urządzenia. Najlepiej w takiej funkcji, szczególnie dla wykorzystania w okresie lata, sprawdzają się tzw. „gołe kolektory”, czyli absorbery. Produktów takich jest jak na lekarstwo. Są to m.in. kolektory tworzywowe bez przykrycia. Zdecydowanie częściej wykorzystuje się kolektory płaskie, które mogą mieć przewagę w dłuższym okresie eksploatacji (nie tylko w lecie). Kolektory próżniowe, uwzględniając niskie przyrosty temperatury, niejako na siłę są wykorzystywane przy ogrzewaniu basenu, ponieważ zakres pracy kolektorów próżniowych nie odpowiada optymalnemu zakresowi charakterystyki cieplnej (patrz rysunek). Instalacja słoneczna dla ogrzewania basenów pracuje najczęściej w układzie pośrednim – wykorzystując tzw. wymiennik basenowy, rzadziej woda basenowa przepływa przez urządzenia słoneczne – absorbery – dla najprostszych rozwiązań. Najprostsze rozwiązania wykorzystywane są dla basenów otwartych – bazują na absorberach tworzywowych. Dla tego typu basenów należy osłaniać nieckę przed ucieczką ciepła w nocy. Dobór wielkości instalacji słonecznej do ogrzania basenu powinno się prowadzić w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło obiektu. Orientacyjnie można przyjąć, iż wielkość pola kolektora waha się w przedziale od 0,8 do 1,2 pola powierzchni basenu (dla średniej głębokości 1,5 m).

Dogrzewanie pomieszczeń
Kolektory słoneczne wykorzystuje się też do dogrzewania pomieszczeń. Rozwiązanie wydaje się ciekawe, zwłaszcza w kontekście coraz wyższych kosztów związanych z ogrzewaniem. Nie można mieć jednak złudzeń, że kolektory zastąpią nam system grzewczy czy nawet będą stanowiły istotne źródło ciepła na potrzeby c.o. (szczególnie w grudniu i styczniu). Energii słonecznej jest wtedy zdecydowanie poniżej potrzeb. Kolektory słoneczne mogą jedynie wspomagać system ogrzewczy w miesiącach bardziej słonecznych (niekoniecznie ciepłych), jednak to wspomaganie, w zależności od jednostkowego zapotrzebowania na ciepło, wielkości instalacji słonecznej, rozwiązań instalacyjnych, będzie stanowić od 10 do maksymalnie 30% potrzeb grzewczych budynku. Z tego powodu należy dążyć do ograniczenia zapotrzebowania energię cieplną co najmniej do poziomu budynku energooszczędnego – 70 kWh/a · m2, a jeszcze lepiej niskoenergetycznego, czyli poziomu 45 kWh/a · m2. Jednocześnie zastosowanie kolektorów słonecznych do wspomagania dogrzewania pomieszczeń wymaga zastosowania odpowiedniej jakości urządzeń (dobrze izolowane cieplnie – aby straty pozyskanej energii były jak najmniejsze) oraz zastosowań technologicznych – magazynów ciepła (zbiorniki buforowe, kombinowane lub jeszcze lepiej zbiorniki magazynujące ciepło długookresowo – duże magazyny ziemno-wodne czy zbiorniki ciepła utajonego) i rozwiązań instalacyjnych (zapewnienie ogrzewania budynku przez co najmniej dwa źródła ciepła).

Warto w tym miejscu poświęcić trochę miejsca zasobnikom ciepła. Ze względu na to, iż realizacja ogrzewania budynku następuje najczęściej w połączeniu z wytworzeniem c.w.u., konieczne jest zastosowanie odpowiednich zasobników. Można to realizować wykorzystując dwa zasobniki lub jeden o specjalnej konstrukcji. Zasady doboru pojemności zasobnika na potrzeby c.w.u. są powszechnie znane. Dobiera się najczęściej o 30% większe niż ilość potrzebnej wody w ciągu doby. Dla 4-osobowej rodziny zatem nie dobiera się zasobnika 200 l, a co najmniej 250 l czy nawet 300 l. W przypadku jednoczesnego wytwarzania wody na potrzeby c.o., pojemność zasobników c.w.u. jest zazwyczaj mniejsza, ponieważ ciepło słoneczne magazynowane jest w zasobnikach c.o. (odpowiednio dużych) i dopiero z nich czerpane jest ciepło na potrzeby c.w.u. Przyjmuje się, iż dla budynku jednorodzinnego wykorzystać można zasobniki o pojemności całkowitej 0,5 do 1 m3. Zwiększenie pojemności powiązane jest z wielkością instalacji słonecznej oraz z możliwością pokrycia większego zapotrzebowania na ciepło.

Określając wielkość instalacji słonecznej na potrzeby dogrzewania pomieszczeń należy mieć świadomość, iż liczba urządzeń uzależniona jest od potrzeb cieplnych budynku. Jednocześnie, zakładając, że instalacja będzie wykorzystywana również do dogrzewania pomieszczeń – jej wielkość nie ma praktycznie ograniczeń. Przeszkodą w nadmiernym powiększaniu instalacji może być jej koszt, ze względów eksploatacyjnych zaś – możliwość produkcji dużej ilości ciepła w lecie, kiedy to nie ma odbioru ciepła do c.o.). Z tego względu praktykuje się jednoczesne wykorzystanie kolektorów do dogrzewania pomieszczeń oraz ogrzewania basenu kąpielowego, wykorzystywanego w porze letniej.

Dogrzewania powietrza wentylacyjnego
Wykorzystanie powietrznych kolektorów słonecznych daje możliwość dogrzewania powietrza wentylacyjnego. Jest to szczególnie ciekawe rozwiązanie w przypadku dostarczania dużej ilości powietrza wentylacyjnego, które należy podgrzać. Sytuacja taka ma miejsce w halach, budynkach wielkokubaturowych itp. Wstępne dogrzanie powietrza pozwala znacznie ograniczyć nakłady energetyczne.

Wykorzystanie kolektorów wielkopowierzchniowych, np. (montaż ścienny) pozwala jednocześnie uzyskać bardzo korzystny bilans cieplny przegrody. Dzieje się tak dlatego, ponieważ przegroda pochłaniając ciepło staje się tzw. „ciepłą przegrodą” – zatrzymuje jednocześnie ucieczkę ciepła do otoczenia. Stosowany system „przewietrzania” kolektora w okresie letnim pozwala na wychładzanie wnętrza kolektora i nie przegrzewanie przegrody w tym okresie. Powietrze w okresie letnim transportowane jest stosownym obejściem.

...pełna wersja artykułu w PI 7-8/12