Kolektory, czyli darmowa energia ze słońca

Bardzo ważnym elementem kształtowania budynku energooszczędnego jest energia słoneczna. Architektura słoneczna wykorzystuje to darmowe ciepło zarówno w kroku pierwszym, poprzez właściwie ukształtowane przeszkleń w budynku, jak i w kroku drugim, poprzez stosowanie kolektorów słonecznych (i/lub ogniw fotowoltaicznych) jako elementów systemu wytwarzania energii dla budynku.

Energia słoneczna jest bardzo ważnym źródłem energii, również dla Polski. Jako normę dla Polski można przyjąć wartość napromieniowania całkowitego w ciągu roku wynoszącą ok. 1000 kWh/m² na rok. Ponieważ jednak zdecydowana część, bo aż ok. 80% rocznego nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy od kwietnia do września, a promieniowanie słoneczne na obszarze Polski charakteryzuje się dużym udziałem składowej rozproszonej - średnio w skali rocznej blisko 50% energii dociera do powierzchni ziemi w postaci promieniowania rozproszonego - należy zachować racjonalne podejście w zakresie wykorzystania tej energii dla potrzeb zasilania w ciepło budynków mieszkalnych.

Zastosowanie kolektorów słonecznych

Rozsądnym (ekonomicznie) rozwiązaniem dla regionu Polski jest zastosowanie kolektorów słonecznych dla potrzeb przygotowania ciepłej wody użytkowej. Wykonajmy prostą analizę: 1000 kWh/m² (energia słoneczna) x 6 m² (powierzchnia kolektorów) x 0,5 (sprawność średnioroczna) to 3000 kWh/rok darmowej energii ze słońca. W porównaniu do ogrzewania wody energią elektryczną możliwe jest zaoszczędzenie około 1500 zł na rok, a porównaniu do użycia w tym samym celu gazu ziemnego - około 1000 zł rocznie. Przy kosztach instalacji do 10 000 zł inwestycja zwraca się po około 10 latach. Dodatkowo w czasie kąpieli w okresie ciepłym mamy miłą świadomość, iż kąpiemy się właściwie za darmo, w ekologicznym cieple ze słońca.

W Polsce możliwe jest zastosowanie kolektorów słonecznych do wspomagania ogrzewania budynku. Aby jednak udało się to zrealizować, należy znacząco zwiększyć powierzchnię kolektorów słonecznych. Trzeba jednak pamiętać, że w takim wypadku konieczne jest znalezienie zastosowania dla nieuniknionego nadmiaru ciepła w okresie letnim. Rozwiązaniem może być tutaj: basen przydomowy, akumulacja ciepła w gruncie rodzimym (np. regeneracja wymiennika pompy ciepła) lub w dużym zasobniku wodnym (jego objętość musiałaby by mieć jednak przynajmniej kilka metrów sześciennych).

Kolektory słoneczne - kryteria efektywności

Liczba kolektorów słonecznych potrzebnych do podgrzewania wody użytkowej uzależniona jest przede wszystkim od liczby osób, które będą z niej korzystać. Zakłada się, że na 1 osobę należy przewidzieć około 1,5 m² kolektora, ale trzeba też mieć na uwadze typ urządzenia. Im kolektor ma większą sprawność i odnotowuje mniejsze straty ciepła, tym jego powierzchnia może być mniejsza (dla niektórych urządzeń wystarczającą jest powierzchnia nawet nieco poniżej 1m² na 1 osobę). Bardzo ważne jest właściwe dobranie wielkości zasobnika. Dla 4-osobowej rodziny powinna ona wynosić przynajmniej 350 litrów. Duży zasobnik jest podstawowym zabezpieczeniem przed przegrzaniem układu. Należy pamiętać o tym, aby przewody między kolektorem a zasobnikiem były krótkie i prowadzone głównie przez ogrzewaną część budynku, co pozwala na zmniejszenie strat ciepła.

Aby wspomagać ogrzewanie domu ciepłem z kolektorów słonecznych, trzeba zainstalować przynajmniej 10-12 m² urządzeń. Warto jednak pamiętać, że latem pozwolą one uzyskać około 10 kW mocy, którą trzeba będzie zagospodarować. Dobrze, jeśli mamy basen lub magazyn energii cieplnej, jeśli nie - nasz układ będzie niestety mało ekonomiczny. Aby właściwie spożytkować dodatkowe ciepło z kolektorów i zwiększyć ekonomię inwestycji, można podłączyć np. pralkę czy zmywarkę pod instalację wody ciepłej zamiast pod instalację wody zimnej.

Czy energią słoneczną możemy ogrzać dom w Polsce?

Jeśli zainstalujemy 20 m² kolektorów, uzyskamy około 10 000 kWh rok energii rocznie (20 m² x 1000 kWh/rok x 0,5 = 10 000 kWh/rok). Dla małego, niskoenergetycznego domu jest to ilość wystarczająca na jego ogrzanie i przygotowanie c.w.u. przez cały rok. Niestety, ta energia dociera do nas w okresie od kwietnia do września. Jeśli mamy finanse pozwalające na rozwiązanie problemu akumulacji długoterminowej tej energii, będziemy mieli szanse stworzyć dom samowystarczalny pod względem cieplnym. Takie rozwiązania są jednak wciąż bardzo drogie i wymagające indywidualnego projektowania.

Zasady i możliwości lokowania kolektorów

Kolektory słoneczne należy lokalizować tak, aby były skierowane w stronę południową lub bliską południowej. Wybierając działkę budowlaną pod dom, który ma być wyposażony w kolektory słoneczne, trzeba pamiętać o optymalnym kierunku ze względu na montaż kolektorów słonecznych.

Oprócz orientacji względem stron świata ważne jest, aby działka, na której stanie dom zasilany przez energię słoneczną nie była zbyt zadrzewiona. Wysokie drzewa rzucające cień na kolektory prawdopodobnie znacząco wpłyną na obniżenie ekonomii naszej inwestycji.

Zmiana lokalizacji z południowej na południowo-wschodnią lub południowozachodnią to zmniejszenie ilości energii produkowanej przez urządzenie o niewiele, bo o około 2 do 3%. Jednak dalsze odchylenie od kierunku południowego to większe zmiany. Kolektor skierowany na wschód lub zachód produkuje o 8 do 9% energii cieplnej mniej niż kolektor zlokalizowany prawidłowo. Dokładne wyniki zależą od lokalnych warunków pogodowych. Zawsze jednak zmniejszenie produkcji ciepła powoduje zmniejszenie opłacalności inwestycji.

Kolektory słoneczne płaskie ładnie wyglądają na płaskiej połaci dachowej, wkomponowane np. między okna dachowe. Trudno jest w sposób estetyczny zlokalizować kolektory płaskie cieczowe na dachu o skomplikowanej konstrukcji. Najlepiej prezentują się na dachu dwuspadowym. Optymalny kąt nachylenia dachu pod montaż kolektorów to około 40-45^o (dla regionu Polski).

Oczywiście nie ma problemu z umieszczeniem kolektora na dachu płaskim, ale wymaga to zastosowania odpowiedniej konstrukcji wsporczej, pozwalającej na montaż urządzenia pod odpowiednim kątem i zgodnie z pożądanym kierunkiem. Umieszczenie kolektora płaskiego na elewacji (w pionie) spowoduje zmniejszenie jego rocznej produkcji ciepła o około 7 do 8%.

Większe możliwości aranżacji niosą ze sobą kolektory rurowe. Kolektory rurowe z przepływem bezpośrednim (oraz niektóre typy kolektorów typu Heat Pipe) można umieszczać pod dowolnym kątem, np. na ścianie pionowej lub poziomo i ustawieniem poszczególnych rur dostosować położenie do kąta padania promieniowania słonecznego. Kolektory takie mogą być elementem elewacji, pergoli lub barierki, stanowiąc ciekawy element kształtujący architekturę budynku energooszczędnego.

opr.: dr inż. Małgorzata Szulgowska-Zgrzywa
zdjęcie: Schüco