envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










33Zmiany w prawodawstwie unijnym (oraz adekwatne zmiany w polskich regulacjach) mające na celu ograniczenie emisji CO2 i wzrost efektywności energetycznej budynków skłaniają do postawienia prostego pytania: jak te ambitne cele realizować w sposób bezpieczny i przystępny finansowo dla wielu użytkowników? Wydaje się, że znaczącą rolę mogą tu odegrać m.in. kolektory słoneczne, wykorzystywane zasadniczo do ogrzewania budynków, a nie tylko do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz współpracujące w układzie hybrydowym z innym źródłem energii cieplnej.

Każda forma monopolu w zakresie zaopatrzenia budynków w energię jest ryzykowna z uwagi na bezpieczeństwo energetyczne odbiorców, bez względu na to, o jaką postać energii i jakie rozwiązania chodzi. Najbardziej dobitnym tego przykładem jest uzależnienie polskiej energetyki i ciepłownictwa od węgla i dużych sieci. Już teraz widać, że braki w dostawach energii w jakiejś części systemu mogą mieć wpływ na wszystkich odbiorców. Ponadto rosnące koszty pozyskiwania paliw kopalnych i – co za tym idzie – wytwarzania energii, zwiększają obszar ubóstwa energetycznego (i to niezależnie od stałego wzrostu opłat od emisji czy nowych regulacji prawnych ograniczających możliwość korzystania z tych surowców). Zasada ta odnosi się także do odnawialnych źró- Janusz Staroscik, prezes zarządu SPIUG, członek Pool of Experts Switzerland Global Enterprise deł energii, a więc czerpania energii głównie z lokalnych zasobów. Promując wykorzystanie OZE, trzeba pamiętać o istniejących i możliwych ograniczeniach, m.in. o tym, że dostępność energii z OZE jest zróżnicowana w zależności od nośnika, pory dnia czy roku. Dlatego w wielu przypadkach najbardziej rozsądnym i bezpiecznym rozwiązaniem wydaje się kombinacja różnych źródeł energii, które uzupełniają się nawzajem, pozwalając na efektywną gospodarkę energetyczną po możliwie najniższych kosztach.34

Jedną z możliwości są kolektory
Wariantów instalacji hybrydowych zaopatrujących budynki w energię może być bardzo wiele, w zależności od warunków lokalnych, możliwości i potrzeb. Mogą one oczywiście obejmować wyłącznie OZE, ale znacznie częściej są to układy, w których OZE współpracują z konwencjonalnymi urządzeniami grzewczymi, np. kondensacyjnymi kotłami gazowymi. Dotyczy to zwłaszcza istniejących budynków. Stworzenie w nich układu hybrydowego, składającego się z OZE, magazynu ciepła oraz urządzenia grzewczego (często na bazie już istniejącego źródła ciepła), pozwala zwiększyć efektywność energetyczną budynku, obniżyć emisję CO2 oraz zredukować koszty eksploatacji dzięki mniejszemu zużyciu paliwa czy energii elektrycznej. Jednym z przykładów może być instalacja kolektorów słonecznych powiązana z zasobnikiem ciepła i szczytowym urządzeniem grzewczym.35

Kolektory nie tylko do przygotowania c.w.u. Większość działających w Polsce instalacji kolektorów słonecznych służy tylko do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Warto jednak zauważyć, że obecnie coraz częściej urządzenia te wykorzystuje się dodatkowo do wspomagania systemu grzewczego. Na przykład w Niemczech takie zastosowanie ma około połowy wszystkich nowych instaKolektory nie tylko do przygotowania c.w.u. Większość działających w Polsce instalacji kolektorów słonecznych służy tylko do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Warto jednak zauważyć, że obecnie coraz częściej urządzenia te wykorzystuje się dodatkowo do wspomagania systemu grzewczego. Na przykład w Niemczech takie zastosowanie ma około połowy wszystkich nowych instalacji kolektorów słonecznych, a w niemieckim programie wsparcia dla ciepła z OZE, który funkcjonuje od początku 2020 r., układy hybrydowe kotłów gazowych z kolektorami słonecznymi dla doładowania ciepła także podlegają możliwości dotacji, co cieszy się bardzo dużym powodzeniem. Obliczenia związane z wykorzystaniem kolektorów słonecznych do wspomagania systemu grzewczego budynku nie są jednak tak proste jak w przypadku instalacji tylko do przygotowania c.w.u. Należy wówczas wziąć pod uwagę zarówno podstawowe uwarunkowania, związane np. z lokalizacją budynku, jego orientacją względem stron świata czy możliwościami zainstalowania większego niż zwykle buforu ciepła, jak i wiele dodatkowych aspektów, jednakże, przyjmując kilka wartości orientacyjnych, można dokonać dobrej wstępnej oceny rentowności dla takiej instalacji. Jej ogromną zaletą będzie ograniczenie ilości spalanego paliwa lub wykorzystywanej na cele grzewcze energii elektrycznej, a więc i kosztów eksploatacji – dzięki wykorzystaniu darmowej energii słonecznej, magazynowanej w postaci ciepła w lokalnym buforze. Co więcej: rozwiązanie to pozwala zwiększyć efektywność energetyczną istniejących budynków, których użytkownicy nie są w stanie od razu udźwignąć ciężaru finansowego kompleksowej termomodernizacji i całościowego przejścia na OZE. Zapewnia im przy tym komfort cieplny przez cały rok przy racjonalnych kosztach, nawet w ekstremalnych warunkach pogodowych.

36Wykorzystanie ciepła z energii słonecznej
Ciepło pozyskiwane z energii słonecznej przez kolektory w budownictwie kubaturowym jest obecnie wykorzystywane w trzech głównych obszarach:

  • do wytwarzania ciepłej wody użytkowej,
  • do wspomagania systemu grzewczego w budynkach,
  • do podgrzewania wody w basenach.

Oczywiście, obok tych zastosowań, kolektory słoneczne są już wykorzystywane z powodzeniem także do wspierania wytwarzania ciepła w procesach przemysłowych oraz w lokalnych sieciach ciepłowniczych.

Wytwarzanie ciepłej wody użytkowej. Biorąc pod uwagę koszt wykonania takiej instalacji, jest to najtańsze rozwiązanie. Nawet mała instalacja kolektorów słonecznych o powierzchni od 3 do 6 m2 jest wystarczająca, aby osiągnąć stosunek pokrycia słonecznego w wysokości 60% i więcej w rocznym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę (uwaga: oszczędność 60% odnosi się tylko do kosztów przygotowania c.w.u.).

Wspomaganie systemu grzewczego. Instalacje kolektorów słonecznych do wspomagania systemu grzewczego są najbardziej złożonymi, ale i najbardziej efektywnymi energetycznie systemami ogrzewania. Wymagają większej powierzchni dachu niż pozostałe rozwiązania lub innego miejsca do montażu kolektorów słonecznych i zasobnika ciepła (o wystarczającej objętości), ale w rezultacie w znacznym stopniu przyczyniają się do przygotowania c.w.u. i wsparcia ogrzewania domu. Należy założyć, że taka instalacja będzie wymagać od 7 do 15 m2 powierzchni kolektorów słonecznych i zasobnika ciepła o objętości od 800 do 1000 l – zależnie od wielkości domu i jego lokalizacji, oraz nieco zwiększonych kosztów inwestycyjnych.

37Podgrzewanie wody w basenie. Zapewnienie odpowiedniej temperatury wody w przydomowym basenie wymaga (zwłaszcza w lecie) znacznie mniejszych nakładów energii niż przygotowanie c.w.u., dlatego nawet mała, bardzo prosta instalacja tzw. basenowych kolektorów słonecznych, bez dodatkowej izolacji termicznej, będzie wystarczająca. Zbędny jest też zazwyczaj zasobnik ciepła, ponieważ woda w basenie przechowuje ciepło przez dłuższy czas, a jego utrata postępuje w sposób stały. To wszystko obniża koszty wykonania takiej instalacji.

Współpraca kolektorów z innymi systemami grzewczymi
Kolektory słoneczne w typowych instalacjach hybrydowych mogą pokryć całkowite zapotrzebowanie na ciepło budynku tylko latem, wczesną jesienią i późną wiosną. Zimą i w okresach przejściowych ogrzewanie z kolektorów słonecznych musi być uzupełniane z innego źródła ciepła, przy czym zasadniczo możliwe jest ich połączenie ze wszystkimi systemami grzewczymi, które oddają ciepło poprzez grzejniki lub ogrzewanie powierzchniowe oraz podgrzewają wodę. Ogrzewanie solarne może zatem współpracować zarówno z klasycznymi urządzeniami zasilanymi paliwami kopalnymi czy energią elektryczną, jak i z innymi rozwiązaniami wykorzystującymi OZE. Wielu użytkowników łączy też system kolektorów słonecznych z kominkami lub ogrzewaniem na podczerwień jako dodatkowym elementem do ogrzewania lokalnego (mniejszych pomieszczeń lub w innych sytuacjach).

38Połączenie układu solarnego z ogrzewaniem gazowym. Częstym rozwiązaniem jest powiązanie instalacji kolektorów słonecznych z ogrzewaniem gazowym (lub olejowym). Tradycyjny system ogrzewania jest włączany, najczęściej automatycznie, gdy kolektory nie generują wystarczającej ilości ciepła do buforu ciepła. Co najmniej jeden taki magazyn ciepła służy jako węzeł, do którego oba źródła (lub więcej źródeł) dostarczają wytworzone ciepło. Stamtąd ciepło jest rozprowadzane do grzejników lub innych odbiorników ciepła w budynku.

! Choć stworzenie takiego układu nie jest skomplikowane, znaczącym ograniczeniem może być brak miejsca na odpowiednio duży buforowy magazyn ciepła – np. gdy kolektory mają współpracować ze starym stojącym kotłem gazowym.

Połączenie układu solarnego z pompą ciepła. To rozwiązanie znacząco zwiększa opłacalność stosowania pompy ciepła w budynku, a do wyboru są zasadniczo dwa warianty współpracy kolektorów i pompy ciepła.

W pierwszym przypadku, podobnie jak przy współpracy kolektorów z kotłem gazowym lub olejowym, oba urządzenia zasilają wytwarzanym ciepłem zasobnik ciepła. Kolektory słoneczne i pompa ciepła współdzielą zatem wytwarzanie ciepła. Ta kombinacja eliminuje potrzebę wykorzystywania pompy ciepła służącej tylko do wytwarzania ciepła i c.w.u. latem oraz w okresach przejściowych, przez co poprawia się ogólny bilans energetyczny domu (mniejsze zużycie energii elektrycznej na potrzeby pompy ciepła). Czas pracy pompy ciepła jest krótszy, wzrasta więc także żywotność urządzenia. Systemy tegotypu są coraz częściej oferowane przez producentów urządzeń grzewczych.
39W drugim wariancie współpracy (tzw. wsparcie pośrednie) ciepło pozyskiwane z kolektorów słonecznych podgrzewa okolice dolnego źródła ciepła (DZC) pompy ciepła, czyli np. grunt wokół sondy, aby zapewnić wyższą efektywność tego źródła i wydajność pompy ciepła. Dzięki temu można zaprojektować mniejszą instalację DZC oraz zredukować koszt zakupu pompy ciepła. Na współpracy zyskuje też system solarny. Gdy nadmiar ciepła jest odprowadzany do gleby, temperatura w kolektorze słonecznym spada i zwiększa się wydajność całej instalacji solarnej.
Bardzo obiecującym, choć mniej znanym sposobem współpracy kolektorów słonecznych i pompy ciepła jest tzw. ogrzewanie lodowe, wykorzystujące energię przemiany fazowej.

Połączenie układu solarnego i ogrzewania pelletem. Rynek kotłów na pellet odnotował w ostatnich latach zauważalne wzrosty, podobnie jak rynek pomp ciepła i częściowo rynek kolektorów słonecznych, choć, oczywiście nie były one tak spektakularne jak w przypadku pomp ciepła. Te dwa źródła energii odnawialnej – ze słońca i biomasy – również można łatwo ze sobą połączyć. Podstawowy schemat współpracy urządzeń, czyli kolektorów słonecznych oraz kotła biomasowego, jest podobny jak w przypadkach wcześniej opisanych: oba źródła ciepła zasilają instalację grzewczą budynku za pośrednictwem jednego lub więcej zasobników ciepła, przy czym kolektory słoneczne przejmują większość wytwarzania ciepła w lecie i okresach przejściowych, a kocioł włącza się tylko w razie potrzeby. Zainstalowana jednostka sterująca wykrywa, kiedy system ogrzewania słonecznego nie może już zapewnić wystarczającej ilości ciepła, aby zaspokoić zapotrzebowanie na ciepło budynku. Załączany jest wtedy kocioł pelletowy, który doładowuje zasobnik brakującym ciepłem.
Zaletą tego rozwiązania, tak samo jak poprzednio, jest istotne obniżenie kosztów ogrzewania, ale też redukcja nakładu pracy w obsługę kotła biomasowego i redukcja emisji dwutlenku węgla oraz innych produktów spalania.

Połączenie układu solarnego z ogrzewaniem elektrycznym. Zasada działania takiego układu hybrydowego jest analogiczna jak wcześniej opisane instalacje kolektorów słonecznych z innymi urządzeniami grzewczymi.
Układ grzewczy oparty jest o odpowiedniej wielkości bufor ciepła, do którego podłączona jest zarówno instalacja kolektorów słonecznych, jak i elektryczny kocioł grzewczy lub po prostu grzałka elektryczna, która jest uruchamiana automatycznie w sytuacjach zwiększonego zapotrzebowania na ciepło lub gdy ilość ciepła pozyskiwanego z kolektorów słonecznych jest niewystarczająca.

40Projektowanie grzewczego układu solarnego
Zasadnicza trudność przy projektowaniu instalacji grzewczej z wykorzystaniem kolektorów słonecznych wynika z tego, że taka instalacja pozyskuje szczególnie dużą ilość ciepła, gdy zapotrzebowanie na ogrzewanie jest najniższe, czyli w lecie. I odwrotnie, stosunkowo najmniej ciepła dostarcza zimą, gdy występuje największe zapotrzebowanie na ciepło. Trzeba to odpowiednio uwzględnić w obliczeniach. Kompensatorem pozyskiwanego i oddawanego do instalacji grzewczej ciepła będzie odpowiednio dobrany magazyn ciepła. Jego dobór jest kluczowy w prawidłowym i efektywnym działaniu instalacji hybrydowej, podobnie jak odpowiednia powierzchnia i umiejscowienie kolektorów słonecznych.

! Ważne jest, aby znaleźć optymalny sposób wytwarzania wystarczającej ilości ciepła przez kolektory słoneczne (wielkość pola kolektorów), które można przechowywać tak długo jak to możliwe (wielkość zbiornika buforowego), bez ryzyka wystąpienia awarii systemu w wyniku jego przegrzania. Taka awaria jest możliwa, gdy system będzie zaprojektowany jako zbyt duży, przewymiarowany pod względem mocy.

Warto też wziąć pod uwagę, że zbyt duży system solarny nie zwraca się tak szybko jak optymalnie dobrana instalacja solarna – ze względu na wyższe koszty inwestycyjne i niższą ogólną sprawność. Fakt ten znany jest również jako niski poziom wykorzystania ciepła z promieniowania słonecznego.

Wykorzystanie schematu wymiarowania do c.w.u. Jako podstawę do obliczeń instalacji grzewczej często wykorzystuje się schemat wymiarowania instalacji kolektorów słonecznych do przygotowania ciepłej wody użytkowej. W tym celu oblicza się zapotrzebowanie na ciepłą wodę i na tej podstawie planuje się stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepło energią słoneczną. Określa się zatem, jaki procent zapotrzebowania na energię pokrywa termiczna instalacja słoneczna – średnio, w skali roku, najczęściej jest to około 60%, co jest potwierdzone w praktyce.

Przykład:

  • przeciętny dom jednorodzinny wymaga 7 m2 powierzchni kolektorów do przygotowania ciepłej wody;
  • wymaganą powierzchnię kolektorów mnoży się raz przez współczynnik 2, a raz przez współczynnik 2,5 – wartości współczynników wynikają z doświadczeń praktycznych i z grubsza odzwierciedlają dodatkową potrzebę wsparcia ogrzewania;
  • średnia wartość z tych dwóch wyników (między 14 a 17,5 m2 dla domu jednorodzinnego), w zależności od innych parametrów charakterystyki budynku, takich jak zapotrzebowanie na ciepło, izolacja itp., jest następnie wykorzystywana do wyznaczenia wielkości pola kolektorów.

41Wykorzystanie tzw. reguły kciuka. Przybliżone oszacowanie ogrzewania słonecznego jest również możliwe przy użyciu tzw. reguły kciuka, która sprowadza się do poniższych założeń.

Przykład:

  • w przypadku domu jednorodzinnego na każde 10 m2 ogrzewanej powierzchni mieszkalnej lub użytkowej potrzeba około 1 m2 powierzchni kolektorów płaskich lub 0,5 m2 powierzchni kolektorów próżniowych;
  • zgodnie z tą samą praktyczną zasadą, pojemność zasobnika solarnego powinna wynosić 50 l na każdy 1 m2 powierzchni kolektora płaskiego oraz 50 l w celu pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę na każdą osobę; przeciętna instalacja kolektorów słonecznych w układach hybrydowych ma powierzchnię kolektorów 10-15 m2 i zasobnik ciepła o pojemności 600-1000 l.

Ważne jest indywidualne podejście Przedstawione przykłady są oczywiście poglądowymi schematami 42obliczeń, które zostały przedstawione, aby przybliżyć zasadę doboru i rząd wielkości oraz wstępnie oszacować wielkość instalacji kolektorów słonecznych i zasobnika ciepła. Każdy budynek, m.in. ze względu na swoją architekturę, parametry techniczne określające zapotrzebowanie na ciepło i lokalizację, wymaga indywidualnego podejścia, aby zaprojektować najbardziej optymalny wariant instalacji hybrydowej. Zanim przystąpi się do inwestycji dobrym rozwiązaniem może być zatem konsultacja ze specjalistyczną firmą zajmującą się ogrzewaniem solarnym lub działami technicznymi producentów kolektorów słonecznych. Przede wszystkim warto ustalić, czy taka instalacja w danym miejscu się opłaci, oraz uzyskać wsparcie w prawidłowym doborze jej elementów.

Stowarzyszenie Producentów i Importerów Urządzeń Grzewczych przygotowuje obecnie ramowe wytyczne doboru i realizacji hybrydowych instalacji grzewczych wykorzystujących kolektory słoneczne. Będzie to już kolejne opracowanie poświęcone instalacjom kolektorów słonecznych – po wytycznych dla ciepła sieciowego i procesowego oraz dla całorocznego ogrzewania tzw. domów słonecznych.


 

pi