Kolektory słoneczne do c.o. i c.w.u.

Kolektory słoneczne do c.o. i c.w.u.
Kolektory słoneczne do c.o. i c.w.u.

Dobór kolektorów i wyposażenia instalacji solarnej jest specyficznym zagadnieniem. Dla oceny opłacalności inwestycji ważną informacją będzie ile energii cieplnej w ciągu roku uzyskamy dzięki kolektorom słonecznym (kWh/m2rok) i w jakim stopniu pokryje ona zapotrzebowanie na ciepło budynku – ile oszczędzimy na kosztach głównego źródła ciepła.

Niezależnie od przeznaczenia instalacji solarnej musimy szukać kompromisu – dobrać taką powierzchnię kolektorów aby uzyskać z nich jak najwięcej ciepła jednocześnie zapobiegając częstym przegrzewom w instalacji i negatywnym skutkom jakie mogą powodować.

Zbyt mała powierzchnia kolektorów w mniejszym stopniu pokryje zapotrzebowanie na ciepło, tym samym oszczędności na kosztach ogrzewania będą mniejsze. W takich instalacjach kolektory są intensywnie schładzane przez czynnik grzewczy (niskie temperatury pracy), co prowadzi do częstego i długotrwałego zaparowania szyby kolektorów.

Jeśli zastosujemy zbyt dużą powierzchnię kolektorów (przewymiarowana instalacja), doprowadzi to do nadwyżek ciepła, które nie zostaną wykorzystane. Szczególnie instalacje solarne do ogrzewania wody użytkowej i wspomagania ogrzewania budynku powinny być starannie zaprojektowane aby w jak największym stopniu ograniczyć przegrzewy w okresie letnim, kiedy promieniowanie słoneczne jest najintensywniejsze a nie wykorzystujemy go do ogrzewania budynku.

Przy braku odbioru ciepła z kolektorów wzrasta temperatura płynu solarnego w efekcie czego odparowuje. Częste przegrzewy będą prowadzić do degradacji czynnika roboczego, który straci swoje właściwości i może zamieni

się w „galeretę” zanieczyszczając instalację. Przegrzewy spowodują wzrost ciśnienia i zadziałanie zaworu bezpieczeństwa, który wyrzuci część płynu z instalacji. Mogą również prowadzić do uszkodzenia elementów instalacji: pompy solarnej, naczynia przeponowego itp.

Jedynym sposobem na optymalny dobór i przybliżenie rzeczywistych warunków pracy instalacji z kolektorami słonecznymi, jest wykonanie obliczeń z wykorzystaniem programów komputerowych. Pozawalają uniknąć błędów projektowych związanych przede wszystkim z niewłaściwie dobraną powierzchnią kolektorów, pojemnością podgrzewacza wody użytkowej czy zasobnika wody grzewczej. Przede wszystkim pozwalają na optymalizację doboru wszystkich elementów instalacji solarnej dla danego budynku i różnych wariantów rozwiązań. Analizując wyniki obliczeń łatwo możemy określić ile oszczędności przyniesie dane rozwiązanie i czy inwestycja będzie uzasadniona ekonomicznie.

Zobaczmy wyniki doboru instalacji kolektorów dla konkretnego budynku, w którym kolektory słoneczne mają ogrzewać wodę użytkową i wspomagać centralne ogrzewanie. Obliczenia wykonano programem ESOP dla domu dwurodzinnego w Warszawie, w którym mieszka sześć osób. Instalacja grzewcza została wykonana kilka lat temu, obecnie inwestor planuje jej rozbudowę o kolektory słoneczne.

Dane budynku:

  • powierzchnia pomieszczeń ogrzewanych: 324 m2,
  • obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło budynku: 18 kW,
  • zastosowano kocioł gazowy o mocy 22 kW wyposażony w regulator pogodowy,
  • instalacja grzewcza w budynku podzielona została na dwa niezależne obiegi grzewcze: ogrzewanie podłogowe na powierzchni 100 m2 i temperaturze wody grzewczej 35/20°C; w pozostałej części budynku – grzejniki, zaprojektowane na temperaturę wody 55/40°C,
  • woda użytkowa ogrzewana jest w podgrzewaczu o pojemności 200 litrów,
  • wymagana temperatura ciepłej wody: 50°C,
  • w instalacji wody użytkowej zastosowano cyrkulację,
  • dach skierowany idealnie na południe, pochylony do poziomu pod kątem 40°.

 

Dobór instalacji solarnej wykonano dla kilku wariantów rozwiązań – symulacja wykonana przez producenta systemów solarnych.

 

Wariant 1. Płaskie kolektory słoneczne wspomagają ogrzewanie budynku i wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 15 m2. Wykorzystano istniejący podgrzewacz 200 litrów, w którym woda użytkowa ogrzewana jest przez kocioł gazowy. Dla kolektorów słonecznych zastosowano dodatkowy podgrzewacz o pojemności 500 litrów wyposażony w wężownicę grzewczą. Łączna pojemność podgrzewaczy wody użytkowej: 700 litrów.

Kolektory słoneczne wspomagają ogrzewanie budynku przez zasobnik buforowy wody grzewczej o pojemności 1000 litrów – wyposażony w wężownice grzewczą.


 

Wariant 2. Kolektory próżniowe do wspomagania ogrzewania budynku i wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 12 m2. Wyposażenie instalacji solarnej jak w wariancie 1.


 

Wariant 3. Płaskie kolektory słoneczne do wspomagania ogrzewania budynku i wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 15 m2. Istniejący podgrzewacz wody użytkowej 200 litrów zastąpiono biwalentny o pojemności 300 litrów (wyposażony w dwie wężownice grzewcze).

Kolektory ogrzewają wodę z instalacji grzewczej budynku przez wymiennik płytowy, która następnie magazynowana jest w zasobniku o pojemności 900 litrów.


 

Wariant 4. Kolektory próżniowe do wspomagania ogrzewania budynku i wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 12 m2. Wyposażenie instalacji solarnej jak w wariancie 3.


 

Wariant 5. Płaskie kolektory słoneczne do wspomagania ogrzewania wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 7,5 m2. Do istniejącego podgrzewacza 200 litrów dołożono drugi dla kolektorów słonecznych o pojemności 500 litrów – łączna pojemność podgrzewaczy wody użytkowej 700 itrów.


 

Wariant 6. Kolektory próżniowe do wspomagania ogrzewania wody użytkowej – powierzchnia czynna absorberów 6,4 m2. Wyposażenie instalacji solarnej jak w rozwiązaniu 5.

 

Tabela 1. Wyniki obliczeń

Wariant 1 Wariant 2 Wariant 3 Wariant 4 Wariant 5 Wariant 6
Przeznaczenie instalacji kolektorów
c.w.u+c.o. c.w.u+c.o. c.w.u+c.o. c.w.u+c.o. c.w.u. c.w.u.
Ilość kolektorów
6 płaskich 4 próżniowe 6 płaskich 4 próżniowe 3 płaskie 2 próżniowe
Łączna powierzchnia czynna absorberów [m2]
15 12,8 15 12,8 7,5 6,4
Napromieniowanie na powierzchnię kolektorów w ciągu roku :[kWh][kWh/m2]
172601150,97 147701150,97 172601150,97 147701150,97 86301150,97 73901150,97
Energia uzyskana z kolektorów w ciągu roku[kWh][kWh/m2]
6650443,45 7970620,64 6010400,65 7410577,02 3930523,97 4420688,8
Energia uzyskana z kolektorów w ciągu roku, po uwzględnieniu strat w instalacji solarnej[kWh][kWh/m2]
5860390,82 6790528,71 5140342,35 6060472,49 3610481,8 4000622,66
Zapotrzebowanie energii do ogrzewania ciepłej wody użytkowej [kWh/rok]
5100 5100 5100 5100 5070 5070
Zapotrzebowanie energii do ogrzewania budynku [kWh/rok]
38140 38140 38140 38140
Energia z instalacji solarnej w ciepłej wodzie użytkowej [kWh/rok]
4330 4770 3830 4470 3340 3660
Energia z instalacji solarnej dostarczona do ogrzewania budynku[kWh/rok]
523,44 739,9 814,44 1052,66
Doprowadzona dodatkowa energia z kotła gazowego [kWh/rok]
40130 39540 40430 39730 3280 2994,63
Oszczędność paliwa (gazu ziemnego) [m3/rok]
605,1 675,6 564,1 662,7 407,6 444,6
Zmniejszenie emisji CO2 [kg/rok]
1372,7 1532,7 1279,7 1503,5 924,8 1008,7
Stopień pokrycia przez instalację solarną zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania wody użytkowej, w ciągu roku
63,20% 69,00% 55,20% 62,80% 50,50% 55,00%
Stopień pokrycia przez instalację solarną zapotrzebowania na ciepło dla ogrzewania budynku, w ciągu roku
1,37% 1,94% 2,10% 2,80%
Całkowite pokrycie zapotrzebowania na ciepło przez instalację solarną
10,80% 12,20% 10,30% 12,20%
Sprawność instalacji solarnej (z uwzględnieniem strat ciepła w kolektorach, orurowaniu, podgrzewaczu/zasobniku itp.)
28,10% 37,30% 26,90% 37,40% 38,70% 49,50%
Obniżenie kosztów ogrzewania (oszczędności) dzięki instalacji solarnej, przy założeniu, że cena gazu wynosi: 2 PLN/m3 brutto. [PLN/rok]
1210 1351 1128 1325 815 889

 

Symulację komputerową wykonano dla kolektorów słonecznych płaskich i próżniowych o wysokich sprawnościach pracy. Często można spotkać się z opinią, że kolektory próżniowe są lepsze od płaskich – i tak jest w rzeczywistości. Jednak wynika z tego jedynie to, że w tej samej instalacji możemy zastosować mniejszą powierzchnię kolektorów próżniowych niż płaskich. Porównując wyniki obliczeń dla tego samego rozwiązania instalacji ale z różnymi kolektorami (wariant 1 i 2), przekonamy się, że uzyski ciepła i oszczędności z obu instalacji będą zbliżone. Dzięki kolektorom próżniowym dodatkowo oszczędzimy na kosztach zakupu gazu jedynie 141 PLN w ciągu roku. Przy czym koszt zakupu kolektorów próżniowych będzie znacznie wyższy niż płaskich.

W rozwiązaniu 1 i 2 kolektory wspomagały ogrzewanie budynku i wody użytkowej. Zobaczmy jak wygląda porównanie kolektorów płaskich i próżniowych, które tylko ogrzewają wodę użytkową – wariant instalacji 5 i 6. Tutaj również różnice w ilości uzyskiwanego ciepła i oszczędności w zużyciu gazu będą niewielkie – 74 PLN/rok. Jedyna korzyść z zastosowania kolektorów próżniowych wynika z mniejszej ich powierzchni.

Dzięki programowi łatwo możemy porównać jak zmienią się wyniki obliczeń przy zmianie elementów wyposażenia instalacji solarnej. Na przykład, jeśli zamiast dwóch podgrzewaczy wody użytkowej zastosujemy jeden z dwoma wymiennikami ciepła i zamiast zasobnika wody grzewczej o pojemności 1000 l (z wężownicą grzewczą), zastosujemy zasobnik 900 litrów z zewnętrznym płytowym wymiennikiem ciepła (wariant 1 i 3 lub wariant 2 i 4).

Analizując wyniki symulacji komputerowej łatwo uzyskamy odpowiedź czy warto inwestować w instalację kolektorów słonecznych do ogrzewania budynku, dla konkretnego domu. O ile przy ogrzewaniu wody użytkowej kolektory w ciągu roku pokrywają zapotrzebowanie na ciepło na poziomie ok. 60%, to przy wspomaganiu ogrzewania budynku pokrycie potrzeb wynosi do 3%. Jak łatwo zauważyć, oszczędności na kosztach ogrzewania budynku będą niewielkie i nie zrekompensują wysokich nakładów finansowych poniesionych na wykonanie instalacji solarnej. Natomiast, instalacja kolektorów tylko do ogrzewania wody użytkowej przyniesie wymierne korzyści, jest stosunkowo niedroga w wykonaniu i w zupełności wystarczą do tego kolektory płaskie.

Polecamy

Najnowsze

Ogrzewanie – sterowniki pokojowe, do kotłów i pomp

Podczas wykańczania mieszkania bądź domu ważnym krokiem jest dobór ogrzewania. Ciepło w środku w dużym stopniu wpływa na komfort mieszkania. Dlatego tak ważne jest, aby ogrzewanie odpowiadało naszym preferencjom, budżetowi oraz rodzajowi budownictwa. Sterowniki do ogrzewania odgrywają tutaj niebagatelną rolę. Są one odpowiedzialne nie tylko za wspomniany wyżej komfort, ale również nasze bezpieczeństwo. Sterowniki pokojowe […]

Jak słońce pozwoli Ci uniknąć podwyżek cen prądu? Wykorzystaj OZE do zasilania urządzeń w swoim domu

Informacje o podwyżkach cen prądu coraz częściej pojawiają się w polskich mediach. Choć drastyczny wzrost kosztów za energię elektryczną dla prywatnych właścicieli domów nie jest jeszcze potwierdzony, już teraz wiele koncernów musi zapłacić więcej za wytwarzanie prądu. Skutki tego odczują wszyscy odbiorcy energii.     Czy inwestycja w instalacje OZE, zwłaszcza w fotowoltaikę, pomoże Ci […]

Kotły olejowe

Jeśli nie mamy do dyspozycji gazu ziemnego i nie chcemy pompy ciepła, jednym z rozwiązań, które zapewni bezobsługowe ogrzewanie będzie kocioł olejowy. Jeszcze kilka lat temu bardzo popularne, dzisiaj cieszą się małym zainteresowaniem. Głównie ze względu na wysoką cenę oleju i związane z tym wysokie koszty ogrzewania. Ale, decydując się na ogrzewanie olejem i tutaj […]