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.
