Kolektory słoneczne Tomasz Więcek, Politechnika Rzeszowska

Kolektory słoneczne
Tomasz Więcek, Politechnika Rzeszowska
Opłacalność ekonomiczna zastosowania instalacji kolektorów
słonecznych do podgrzewania wody użytkowej
Okres taniej energii pochodzącej z surowców naturalnych należy do przeszłości. Z
każdym miesiącem cena baryłki ropy osiąga kolejne rekordowe wartości z okresowymi i
krótkotrwały-mi wahaniami. Gaz ziemny, importowany przez Polskę głównie z Rosji, w
ciągu ostatnich dwóch lat podrożał dla odbiorcy indywidualnego o 38%. Perspektywa
wyczerpywania się tradycyjnych źródeł energii pierwotnej, przy coraz większym
zapotrzebowaniu na energię, zdecydowanie będzie wpływać na wzrost cen surowców
naturalnych na światowych giełdach. Obecny wysoki poziom cen prawie wszystkich
nośników energii konwencjonalnej powoduje, że w naszych warunkach geograficznych
coraz bardziej opłacalne ekonomicznie staje się wykorzystywanie niekonwencjonalnych
źródeł czystej energii (instalacja kolektorów słonecznych). Tym bardziej, że w ostatnich
latach obserwuje się tendencje spadkowe cen typowych zestawów instalacji słonecznych.
Spadek ten spowodowany jest między innymi coraz większą liczbą firm produkujących
gotowe instalacje oraz produkcją na masową skalę, która obniża jednostkowe koszty
wytworzenia pojedynczego zestawu.
Pomijając inne względy (ochrona środowiska, poprawa bezpieczeństwa zaopatrzenia w
energie, lepszy wizerunek) inwestujący w budowę kolektora słonecznego powinien mieć
świadomość, że poniesione koszty finansowe zwrócą mu się w przyszłości w postaci
kosztu zaoszczędzonej energii ze źródeł konwencjonalnych
Rodzaj kosztów
Amortyzacja
urządzeń
inwestycyjne)
Paliwa i energia dodatkowa
Obsługa i remonty
Źródła
konwencjonalne
%
(koszty 20-30
30-60
20-40
Kolektory
słoneczne
%
60-95
0-10
5-10
Z powyższego zestawienia wynika ,że decydującym składnikiem wytwarzania energii w
urządzeniach konwencjonalnych jest koszt zużytego paliwa a w kolektorach słonecznych
1
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Współpracy Transgranicznej Rzeczpospolita Polska – Republika Słowacka 2007 – 2013
amortyzacja. Wynika stąd ważny wniosek dla budujących kolektor słoneczny: należy
dążyć do obniżenia kosztów inwestycyjnych i jednocześnie do wydłużenia okresu
eksploatacji kolektora poza okres zwykłej amortyzacji (ok. 8-12 lat)
Składniki kosztów inwestycyjnych to:
-kolektory słoneczne 30-50%,
-rury, kanały, izolacja 25-30%,
-zasobnik wodny 20-25%
-pompy i urządzenia sterujące 5-15%
W powyższej strukturze kosztów materiałowych uwzględnione są koszty montażu, które średnio
stanowią ok. 25-30% kosztów ogółem. Właściwie dobrana instalacja z kolektorem słonecznym
do podgrzewania ciepłej wody użytkowej w naszym klimacie powinna pokrywać potrzeby
użytkownika w 60-70% (1-1,5 m2 powierzchni kolektora na jednego mieszkańca) a instalacja do
ogrzewania domu 20-30% (1m2 powierzchni kolektora na 10 m2 powierzchni użytkowej
budynku)
Montaż systemów solarnych
Pole kolektorów może być posadowione w różnych miejscach w zależności od dostępnego
miejsca: na pochyłym lub płaskim dachu, przymocowane do fasady budynku lub na ziemi w
sąsiedztwie budynku. Należy uwzględnić następujące czynniki:
-dostępne miejsca do zabudowy, posiadające korzystne warunki nasłonecznienia bez zacienienia
w jakichkolwiek porze dnia,
-przeznaczenie instalacji słonecznej do pracy okresowej lub całorocznej,
-wymagania eksploatacyjne zastosowanego typu kolektora słonecznego.
Zabudowa na dachu pochyłym i skierowanym na południe, jest najczęściej stosowanym
wariantem, który wymaga dla poprawnego działania kolektorów słonecznych stosunkowo nie
wielkiego pochylenia dachu (20-30 stopni). Wraz z kolektorami producenci dostarczają zestawy
mocujące w zależności od rodzaju pokrycia dachu (dachówka falista, blacha falista , pokrycie
gładkie itp.) W przypadku dachu krytego dachówka ceramiczną falistą są możliwe dwa
rozwiązania montażu kolektorów słonecznych: nad połacią dachu na dostarczonych przez
producenta wspornikach , jak również w postaci dachu w miejsce usuniętego pola dachówek.
Zabudowa na dachu płaskim wymaga zastosowania specjalnych stelaży, które należy mocować
do podłoża lub zastosowania odpowiednich obciążników balastowych celem zapobiegania siły
wiatru. Konieczne jest również uwzględnienie obciążenia statycznego konstrukcji dachu
budynku od przewidywanych przez te instalacje naprężeń. W niektórych przypadkach z powodu
braku dostępnego miejsca ,kolektory mocuje się przy pomocy specjalnych konstrukcji nośnych
do ścian budynku. Ustawienie kolektora na ziemi wymaga wyboru wolnego, niezacienionego
przez cały rok miejsca w jak najmniejszej odległości od kotłowni(aby skrócić do minimum
2
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Współpracy Transgranicznej Rzeczpospolita Polska – Republika Słowacka 2007 – 2013
rurociągi). Należy również pamiętać o właściwym zakotwieniu w gruncie wsporników i ram
kolektorów.
Produkcja zestawów solarnych
ARISTON THERMO Polska Sp. z o.o. Kraków-kolektor płaski KAIROS CF, certyfikat
SOLAR KEYMARK, (www.aristonheating.pl)
FOTTON Systemy Solarne CENTROPOL SJ, Gliwice – kolektor próżniowy SP FOTTON,
kolektor płaski G4, certyfikat SOLAR KEYMARK, (www.fotton.eu)
HERZ Armatura i Systemy Grzewcze Sp.z o.o. Wieliczka-kolektor płaski CS, (www.herz.com.pl)
ECOSOLAR, Warszawa-kolektor płaski FM-S, (www.ecosolar.pl)
ENSOL ENERGETYKA SOLARNA Sp.z o.o. ,Racibórz- kolektor płaski ENSOL,
(www.ensol.pl)
HEWALEX Leszek Skiba, Bestwinka- kolektor płaski KS 2000, kolektor próżniowy
HEWALEX KSR-10, certyfikat SOLAR KEYMARK, (www.hewalex.pl)
FONKO POLSKA Sp. z o.o., Warszawa- kolektor płaski WATT 3000 S, kolektor próżniowy
WATT CPC 9, certyfikat SOLAR KEYMARK, (www.fonko.pl)
SOLVER Sp. z o.o. ,Katowice- kolektor płaski GA5, certyfikat IBMER, (www.solver.katowice.pl)
Viessmann Sp. z o.o., Wrocław- kolektor płaski Vitosol 100F,kolektor próżniowy Vitosol 200T,
certyfikat SOLAR KEYMARK,(www.viessmann.pl)
EcoJura Sp. z o.o., Częstochowa-kolektor płaski Jura Sol, kolektor próżniowy RS-10,
(www.ecojura.pl)
Termet, Świebodzice- kolektor płaski SOLAR PIX 2,0, (www.termet.com.pl)
Makroterm, Koniusza-kolektor płaski TuRBOSOLAR III, kolektor próżniowy TURBOSOLAR
I, (www.makroterm.pl)
Galmet, Głubczyce-kolektor płaski KSG, kolektor próżniowy PT, (www.galmet.com.pl)
Technika Grzewcza SONNENKRAFT ,Gliwice- kolektor płaski SK 500, kolektor próżniowy
VK 25, (www.sonnenkraft.com)
BMK SOLAR Sp. z o.o., Chorzów- kolektor płaski BMK Solar 2,0, kolektor próżniowy NSC
58/1800-10, (www.bmksolar.pl)
Hartmann Sp.z o.o., Świerklaniec-kolektor płaski HS, kolektor próżniowy HS-C, (www.elco.pl)
Projektowanie dużych instalacji solarnych
Aby obniżyć koszt i poprawić konkurencyjność energetyki słonecznej, oprócz wprowadzania
nowych materiałów i rozwiązań technicznych w pojedynczych kolektorach słonecznych
stosowanych w małych instalacjach, warto zwrócić uwagę na możliwości jakie stwarza budowa
wielkowymiarowych instalacji kolektorów. Z powodu specyfiki podejścia i odmiennych efektów
3
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Współpracy Transgranicznej Rzeczpospolita Polska – Republika Słowacka 2007 – 2013
użytkowych przyjęto stosować podział instalacji słonecznych w zależności od całkowitej
powierzchni kolektorów na:
-małe-do kilkunastu metrów kwadratowych
-średnie- od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów kwadratowych
-duże – od ok. 100 metrów kwadratowych wzwyż
Małe instalacje słoneczne, przeważnie do użytku domowego, są sprzedawane w postaci zestawów
od 2 do 6 kolektorów zaopatrzonych w standardowo dobrany zbiornik, regulator oraz pozostałe
elementy hydrauliczne. Instalacje te montowane są głównie na płaszczyźnie dachowej i
przeważnie są przeznaczone do przygotowania c.w.u.
Średniej wielkości instalacje budowane są w małej wielkości ośrodkach wypoczynkowych oraz
budynkach małych wspólnot mieszkaniowych. Służą one głównie do przygotowania c.w.u.
Instalacje wielkowymiarowe powstają głównie z przeznaczeniem dla wspólnot mieszkaniowych,
ośrodków zdrowia, dużych ośrodków wypoczynkowych i rekreacyjnych, obiektów użyteczności
publicznej. Wykorzystywane są do podgrzewania c.w.u., pomieszczeń oraz basenów.
Jednostkowe koszty budowy instalacji wielkowymiarowych są mniejsze w porównaniu z
odpowiednią liczbą instalacji małych, dostarczających taką samą ilość energii. Oszczędność ta
może sięgać do 30 %. Instalację wielkowymiarową w Polsce można wybudować już od 1000
zł/m2, jednak w miarę komplikacji instalacji (wykorzystanie ciepła słonecznego w systemach c. o.
) oraz doboru droższych elementów koszty te mogą dochodzić nawet do 3000 zł/m2 i więcej.
Ceny dostawy urządzeń do instalacji wielkowymiarowych zazwyczaj ustalane są na przetargach
(co obniża koszty), ale też częściej w tych przypadkach inwestorzy korzystają z pomocy
publicznej (dotacje i kredyty preferencyjne, które niekiedy powodują podniesienie kosztów).
Zaleta instalacji wielkowymiarowych jest również to, że pracują one wydajniej niż małe
instalacje. Wynika to z bardziej równomiernego wykorzystania wytworzonej c.w.u. w ciągu dnia,
ponieważ korzysta z niej większa liczba odbiorców zazwyczaj o zróżnicowanych potrzebach.
Niestety w tego typu instalacjach występują też większe straty ciepła
spowodowane
koniecznością ciągłej cyrkulacji c.w.u. w obiegu wtórnym oraz rozbudowanym systemie
wodociągów.
Podstawowe wytyczne przy projektowaniu:
Zysk energetyczny z kolektorów słonecznych jest uzależniony od wielu czynników takich jak
rodzaj kolektora słonecznego i jego usytuowanie względem słońca, całkowitej pojemności
wodnej instalacji słonecznej, rodzaju zasobników, ich pojemności i lokalizacji, wielkości
zapotrzebowania na c.w.u. lub c.o. oraz innych.
Projektowanie instalacji słonecznych dla indywidualnych gospodarstw domowych jest
stosunkowo proste, gdyż przeważnie korzysta się z gotowych zestawów. Większe instalacje
wymagają dokładniejszej analizy i optymalizacji doboru elementów instalacji.
Dla dużych instalacji dobór odpowiedniej powierzchni kolektorów słonecznych ma na celu
uzyskanie wysokich efektywności wyrażanych w kWh/m2* rok, a niekoniecznie zapewnienie
wysokich oszczędności energii jak w przypadku instalacji małych . Z uwagi na często
występujący nierównomierny rozbiór c.w.u. w okresie roku, związane z tym, ryzyko
przegrzewania szeregowo połączonych kolektorów słonecznych zaleca się, aby w dużych
instalacjach stopień pokrycia rocznych potrzeb ciepła dla podgrzewu c.w.u. wynosił nie więcej
4
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Współpracy Transgranicznej Rzeczpospolita Polska – Republika Słowacka 2007 – 2013
niż 35-40%.
W przypadku dużych instalacji należy wziąć pod uwagę rozbiory wody użytkowej w okresie
letnim i jeżeli pobór taki jest znacznie niższy niż w pozostałym, okresie rok, to przyjmuje się go
jako wartość, w odniesieniu do której dobiera się powierzchnię kolektorów słonecznych.
Tak więc projekt wielkowymiarowej instalacji słonecznej powinien opierać się na rzeczywistym
zapotrzebowaniu na ciepło a nie jak to się dzieje w przypadku tradycyjnych bojlerów,
gwarantowanej ilości ciepła aby pokryć jej zapotrzebowanie w najzimniejsze dni.
Głównym zadaniem instalacji jest pokrycie wymaganego w lecie zapotrzebowania w ciepło i
całkowite zastąpienie w tym okresie działania bojlerów wykorzystujących tradycyjne paliwo.
Kolektory słoneczne rozmieszcza się według ogólnie przyjętych zasad . Nachylenie płaszcza
kolektora, w zależności od pory roku w jakiej wykorzystuje się kolektory przyjmuje się w
zakresie 30-60 stopni. W przypadku całorocznego wykorzystania kolektorów przyjmuje się kąt
45 stopni. W przypadku konieczności montażu kolektorów na konstrukcji wsporczej w kilku
rzędach na powierzchni płaskiej (np. na dachu budynku) należy zwrócić uwagę na unikanie
zacieniania, przez same kolektory, jak również sąsiednie budynki, drzewa. Z tego względu ważne
jest określenie minimalnej odległości pomiędzy rzędami kolektorów umieszczonych na
wspornikach. Odległość tę można w przybliżeniu określić, dla kątów 30-45 stopni pochylenia
kolektorów jako potrójną odległość rzutu płaszczyzny kolektora na powierzchni dachu.
Przykładowo dla kolektorów słonecznych o standardowej dł. 2 m i pochyleniu 45 stopni musi ona
wynosić co najmniej 4,5 m.
O wielkości instalacji do c.w.u. decyduje ilość osób korzystających z instalacji i oczekiwany
stopień pokrycia energią słoneczną całkowitego zapotrzebowania na ciepło. W określeniu
wielkości zapotrzebowania c.w.u. należy również uwzględnić charakter obiektu ( dom
mieszkalny, pensjonat czy hotel)oraz zużycie wody( duże , średnie, małe).
Wielkowymiarowe instalacje słoneczne powinny charakteryzować się kompaktowością oraz
centralnym usytuowaniem względem odbiorców ciepła. Instalacja ta nie jest odpowiednia do
zastosowania w osiedlach domów jednorodzinnych z rozproszoną zabudową, ze względu na
znaczne straty ciepła na przesyle. Korzystniejszym rozwiązaniem jest wykorzystanie słonecznej
instalacji wielkowymiarowej do zaopatrzenia w ciepło w budownictwie szeregowym .
Wspomaganie ogrzewania budynków mieszkalnych- projektowanie
Stosowanie instalacji wielkowymiarowych w ogrzewaniu budynków jest częstsze niż w
przypadku małych instalacji, ale ma sens jedynie w przypadku, gdy budynki mają standard
niskoenergetyczny. Według obecnie obowiązujących norm, budynki w Polsce muszą mieć
zaopatrzenie w ciepło dla c.o. ok. 90-120 kWh/m2 budynku. Budynki niskoenergetyczne
sklasyfikowane np. wg przepisów niemieckich, to takie obiekty, których zapotrzebowanie na
ciepło nie przekracza 50 kWh/m2. Udział ciepła z kolektorów słonecznych w całkowitym bilansie
cieplnym jest wówczas znacznie większy.
Znacznie obniżone zapotrzebowanie na ciepło oraz niskotemperaturowy system grzewczy
stwarza niemal idealne warunki do wykorzystania kolektorów do ogrzewania. Problemem jest
jednak mała podaż energii słonecznej i konieczność jej gromadzenia. Standardowe zbiorniki c.o.
mogą utrzymywać ciepło przez maksymalnie 2 dni. Można stosować specjalistyczne zasobniki do
gromadzenia energii w dłuższym okresie (wykorzystujące do gromadzenia energii przemianę
fazową). Są to jednak zbiorniki bardzo drogie i w kraju jeszcze nie stosowane. Zalecane jest
zatem stosowanie dodatkowego źródła ciepła dogrzewającego wodę c.o. w okresach niedoboru
energii. Znacznie zmniejszone zapotrzebowanie na energię zwiększy udział energii słonecznej do
poziomu 50%. Udział energii słonecznej w ogrzewaniu dla budynków standardowych nie
5
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Współpracy Transgranicznej Rzeczpospolita Polska – Republika Słowacka 2007 – 2013
przekroczy kilkunastu procent, zaś energia słoneczna mogłaby być wykorzystywana głównie
jesienią i wiosną ( a nie zimą ze względu na zbyt duże zapotrzebowanie nie mogące znaleźć
pokrycia w absorbowanym w tym okresie promieniowaniu słońca).
Wspomaganie ogrzewania wody w basenach-projektowanie
Coraz częściej kolektory słoneczne wykorzystywane są do podgrzewania wody w basenach
kąpielowych. Instalacja słoneczna do podgrzewania wody w basenie w polskich warunkach
klimatycznych to idealne rozwiązanie dla posiadaczy basenów. Prawidłowo dobrana i
zaprojektowana instalacja umożliwia obniżenie o 70% rocznie koszty ogrzewania wody
basenowej w basenach zamkniętych. W przypadku basenów otwartych wydłużeniu ulega okres
użytkowania basenu, nawet o kilka miesięcy. Idealna temperatura wody mieści się między 23 a
28 C ale w naszej szerokości geograficznej można ją osiągnąć tylko przez dodatkowe
podgrzewanie. Basen kąpielowy jest najlepszym odbiornikiem ciepła dla instalacji grzewczej
wyposażonej w kolektory słoneczne. Wymagana ilość ciepła jest określana różnicą pomiędzy
ciepłem dostarczonym przez promieniowanie słoneczne i stratami ciepła z basenu wywołanymi
przez parowanie. Większość ciepła ok. (70 %) ucieka z basenu wskutek parowania wody. W
przypadku basenów zewnętrznych straty ciepła przez odparowanie są szczególnie intensywne
podczas nocnych spadków temperatur i przy wietrznej pogodzie. W przypadku zastosowania
osłony termicznej( przykrycia) na basen, zapotrzebowanie na energię można zmniejszyć do 40 %,
zaś jeśli basen umieszczony w pomieszczeniu ( basen kryty) można zaoszczędzić dalsze 30 %
energii.
W słonecznych grzewczych instalacjach basenowych wykorzystuje się zarówno bezpośredni (
instalacja jednobiegowa) jak i pośredni przepływ czynnika grzewczego (instalacja dwubiegowa).
Jeśli instalacja słoneczna ma być wykorzystywana tylko do podgrzewania wody w basenie,
można zastosować prostą instalację z obiegiem bezpośrednim i wówczas woda z basenu
przepływa bezpośrednio przez kolektory słoneczne. Nie jest wtedy wymagane zastosowanie
wymiennika ciepła. Instalacja taka jest prosta, stosunkowo tania oraz pracuje zazwyczaj z dużą
sprawnością.
Jeśli również planujemy pozyskiwanie c.w.u. wówczas należy wykorzystać instalację grzewczą
wyposażoną w kolektory z obiegiem pośrednim, gdzie ciepło słoneczne jest odbierane przez
obiekt pierwotny, z kolektorami słonecznymi, w którym krąży ciecz nie zamarzająca, natomiast
poprzez wymienniki ciepło jest wówczas przekazywane zarówno do wody basenowej jak i do
użytku domowego.
6
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Współpracy Transgranicznej Rzeczpospolita Polska – Republika Słowacka 2007 – 2013