Wykorzystanie kolektorów słonecznych do produkcji c.w.u. i c.o. przy zastosowaniu automatyki BMS

Kolektory słoneczne stają się w Polsce coraz popularniejsze. To m.in. wpływ sąsiadów, którzy kolektory „już mają”, i reklam dofinansowania z NFOŚiGW sprawił, że stale przybywa instalacji solarnych służących do przygotowywania ciepłej wody. Z drugiej strony przybywa też niezadowolonych, którzy narzekają, że instalacje nie dają tyle c.w.u., ile oczekiwali.

Przygoda autora z kolektorami zaczęła się ponad 10 lat temu – właśnie od niezadowolenia z działania przydomowej instalacji. Posadowione na gruncie cztery duże płaskie kolektory nie były w stanie zapewnić przez całe lato wystarczającej ilości ciepłej wody użytkowej. Skłoniło to autora do przebadania kilkunastu różnych kolektorów i za każdym razem deklarowane parametry uzysku energii nie potwierdzały się w praktyce.

Przyczyna tych rozbieżności jest banalna: producenci kolektorów, zarówno płaskich, jak i próżniowych, podają zazwyczaj wyniki badań tylko dla samych urządzeń, a nie całych instalacji, nie biorąc odpowiedzialności za te ostatnie. A to, jak kolektor działa, zależy w dużej mierze właśnie od instalacji.

Renomowani producenci kolektorów czasem wprost informują w ulotkach, że nawet wysokiej klasy kolektor słoneczny może nie zagwarantować optymalnego działania instalacji solarnej. Efektywność zależy bowiem od doboru całego systemu, a nie parametrów pojedynczego elementu.

Dzieje się tak z wielu względów, głównie z powodu wpływu zewnętrznych warunków pracy i braku optymalizacji całego układu solarnego. Wieloletnie prace autora skupiały się właśnie na optymalizacji w warunkach rzeczywistych pracy instalacji składającej się z kolektora, przewodów, grupy solarnej, wężownicy w zasobniku oraz odpowiedniego sterownika zarządzającego, tak by uzyskać maksymalne efekty.

W domu testowym Galia zbudowano osiem stanowisk do badania kolektorów słonecznych stojących obok siebie. Badano również wpływ zmiany położenia powierzchni kolektora względem słońca – w tym zakresie dobre wyniki uzyskano zwłaszcza w przypadku kolektorów rurowych.

Ogólnie rzecz biorąc, wyniki optymalizacji są bardzo obiecujące i można z powodzeniem zwiększyć efektywność pracy instalacji solarnej w stosunku do klasycznie montowanego zestawu.

Jednak w dalszym ciągu jest to wydajność mniejsza od teoretycznej, którą podają producenci kolektorów. Podobnie jak z samochodami − uzyskanie podawanego przez producenta poziomu zużycia paliwa w warunkach rzeczywistych jest bardzo trudne, zwłaszcza jeśli uwzględnić cały rok eksploatacji.

Kolektory współpracują w instalacji z przewodami doprowadzającymi medium (glikol), zasobnikami, sterownikami. Z wieloletniego monitoringu pracy instalacji w warunkach rzeczywistych z różnymi kolektorami wynika, że kolektor płaski o wydajności ponad 525 kWh/m² rocznie daje w praktyce 337–431 kWh/m² [1] – tak wpływa na niego współpracująca instalacja. Jest to istotna różnica nie tylko przy liczeniu zapotrzebowania na c.w.u., ale zwłaszcza przy obliczeniach dotyczących układu wspomagania ogrzewania.

W przypadku kolektorów rurowych próżniowych zależności są jeszcze bardziej złożone, a wyniki przeprowadzonych optymalizacji pracy instalacji nawet bardziej zachęcające. W warunkach rzeczywistych wydajność pracy zoptymalizowanej instalacji można zwiększyć o 35–60% w stosunku do instalacji standardowej, zbliżając się czy nawet przekraczając wartość 525 kWh/m²/a (choć istnieje kilka metod liczenia powierzchni czynnej kolektora).

Prowadzone doświadczenia wykazały, że największy wpływ na wzrost efektywności miało zmienne (dynamiczne) ustawienie kolektorów względem przesuwającego się słońca – układy nadążne pozwalają zwiększyć efektywność nawet o 60%. Skutecznym sposobem zwiększania efektywności pracy instalacji są układy dzielone, czyli włączające się kolejno poszczególne sekcje skierowane w różnych kierunkach pod kątem drogi, którą pokonuje słońce.

Wyniki dla obu rodzajów kolektorów są zależne od wielu czynników i w praktyce pomiędzy instalacjami występują znaczne różnice. Być może dlatego instalacje budowane w ramach programów wsparcia oferowanych przez NFOŚiGW nie podlegają obowiązkowi montowania ciepłomierzy, gdyż wielce prawdopodobne jest, że większość instalacji nie spełniłaby założonych w projektach uzysków 525 kWh/m2 energii w ciągu roku, choć każdy dotowany kolektor musi mieć badania na zgodność z PN-EN 12975 [2].

Czy wymóg zgodności z podstawową normą, a nie rzeczywista wydajność energetyczna instalacji to właściwa droga dla tworzenia rynku ochrony środowiska?

W Niemczech rozwiązano to w ten sposób, że oprócz badania na zgodność kolektorów słonecznych z normami EN (SolarKeymark) wprowadzono również znak Niebieskiego Anioła (Der Blaue Engel), przyznawany wg wytycznych RAL UZ 73 [3] produktom wyróżniającym się ekologicznym wytworzeniem i właśnie efektywnością energetyczną. Takie kolektory muszą się wykazać udokumentowanym uzyskiem w wysokości minimum 525 kWh/m²/a.

Projektowanie instalacji z kolektorami słonecznymi

Istotne znaczenie ma nie tylko kwestia samego kolektora, ale również optymalizacja sposobu odbioru energii cieplnej. Większość instalacji solarnych jest obecnie projektowana „na okres największego nasłonecznienia”, by zaspokoić 90% zapotrzebowania na c.w.u. 

Oznacza to w praktyce takie zaprojektowanie instalacji, aby była ona zabezpieczona przed przegrzaniem w okresie letnim, gdy odbiór jest minimalny lub wcale go nie ma, np. w czasie urlopu użytkowników. 

Zasadniczo projektuje się tak, aby praca instalacji była bezpieczna latem, a nie, by była również efektywna przez cały rok. Taka filozofia projektowania wyklucza wręcz możliwość zastosowania kolektorów do wspomagania instalacji c.o. w okresach przejściowych, ponieważ instalacje solarne są świadomie niedoszacowane (sztucznie pomniejszone) właśnie ze względu na bezpieczeństwo ich użytkowania latem, a nie na jak największy uzysk wiosną czy jesienią.

Świadome niedoszacowanie instalacji solarnych jest, zdaniem autora, jedym z najczęstszych błędów w założeniach projektowych. 

Instalacje przydomowe i przemysłowe powinny być projektowane tak, by mogły wspomagać centralne ogrzewanie w okresach przejściowych. Pomniejszanie instalacji, aby można było zapanować nad nadwyżką ciepła latem, kiedy zapotrzebowanie jest najmniejsze, nie jest uzasadnione ze względów ekonomicznych. 

Włączenie do takiej „standardowej” instalacji kolejnych dwóch kolektorów płaskich to dodatkowy wydatek inwestycyjny rzędu 20–30%, a uzysk, zwłaszcza w okresie wiosennym i jesiennym, znacznie większy. 

W instalacjach takich ważna jest kwestia wykorzystania nadmiaru energii latem, szczególnie podczas przerw w rozbiorze ciepłej wody. Istnieje wiele sprawdzonych rozwiązań zapewniających bezpieczeństwo instalacjom przy za dużej ilości energii, np.:

• automatyczne odwracanie się od słońca kolektorów nadążnych, 
• tłoczenie i składowanie energii w gruntowym wymienniku, a następnie odzyskiwanie jej przy wykorzystaniu pomp ciepła,
• zrzucanie nadmiaru energii do przydomowych basenów. 

Ta ostatnia metoda sprawdza się w praktyce, ponieważ daje duże możliwości rozbudowywania instalacji solarnej, a jedyne „niebezpieczeństwo”, z jakim się wiąże, to podgrzana do 32°C woda w basenie. Przy obecnych cenach przydomowych basenów ogrodowych jest to również najtańsza metoda zagospodarowywania nadmiaru energii słonecznej latem. 

W domu eksperymentalnym Galia w okresach największego nasłonecznienia i niskich rozbiorów c.w.u. instalacja kieruje nadmiar energii do basenu o pojemności 35 m³ i rzadko zdarza się, by temperatura w nim dochodziła do 34°C, co jest raczej powodem do zadowolenia niż zmartwień domowników. Jest to jednak temat na tyle obszerny, że zasługuje na odrębny artykuł.

Instalacje, które mogą zapobiec negatywnym skutkom nadmiaru energii słonecznej w okresie letnim, można zatem zaprojektować tak, by były to układy nastawione na zaspokojenie zapotrzebowania na c.w.u. i jednocześnie wspomagające niskotemperaturowe systemy centralnego ogrzewania.

Projektant jest w stanie obliczyć realne wydajności instalacji w okresach od marca do maja i od września do października, zatem możliwe jest też obliczenie, ilu kolektorów słonecznych wymagać będzie wspomaganie instalacji c.o.

Sprowadza się to do pięciu punktów (rozpatrujemy wariant ze zrzutem nadmiaru ciepła do basenu):

• obliczenia mocy na pokrycie strat energii na cele c.o. w ogrzewanej kubaturze w okresie od września do października,
• obliczenia zapotrzebowania na c.w.u. i zaprojektowanie wolnostojącego basenu jako dodatkowego odbiornika nadwyżki energii latem,
• zbudowanie lub rozbudowa istniejącej kotłowni w celu montażu odpowiedniej wielkości zasobnika (lub zasobników) buforowego z wężownicami, które są w stanie efektywnie (całkowicie) odebrać energię z dobranej liczby kolektorów słonecznych,
• zainstalowanie zestawu kolektorów próżniowych odpowiedniej mocy,
• zainstalowanie systemu automatyki budynkowej, która będzie „inteligentnie” reagowała na zapotrzebowanie na energię do celów c.o. i automatycznie dogrzewała wodę energią elektryczną (grzałkami elektrycznymi lub pompą ciepła).

Warto podkreślić, że warunki dofinansowania NFOŚiGW dopuszczają możliwość rozbudowania dotowanej instalacji solarnej w celu podgrzewania wody basenowej, choć nie zawsze i nie dla każdego basenu.

Praca instalacji solarnych latem i w okresach przejściowych

Działanie takich instalacji sprowadza się do dwóch niezależnych trybów pracy:

• tryb letni: podgrzewanie wody w zasobniku (zasobnikach) przez kolektory słoneczne na potrzeby c.w.u. Jeśli temperatura wody po okresie dużego zachmurzenia okaże się zbyt niska, następuje automatyczne dogrzewanie energią elektryczną bądź grzałką w zasobniku lub podgrzewaczu przepływowym albo za pomocą pompy ciepła;
• tryb zimowy: podgrzewanie w zasobniku (zasobnikach) przez kolektory słoneczne wody na potrzeby c.o., a następnie dogrzewanie jej energią elektryczną i kierowanie do niskotemperaturowej powierzchniowej instalacji ogrzewania (najczęściej 35°C) i ogrzewanie domu przez podłogi lub/i ściany do zadanej temperatury w poszczególnych pomieszczeniach.

O ile w dni słoneczne nie ma problemu z pozyskiwaniem energii, to w okresach niższego nasłonecznienia efektywny uzysk polega na wstępnym „darmowym” ogrzewaniu wody w zasobnikach do temperatury 30–40°C i następnie dogrzewaniu jej tylko o wartość niezbędną do efektywnego ogrzania budynku. Lepiej do tego celu nadają się kolektory rurowe izolowane próżniowo niż te urządzenia, w których wykorzystano materiały izolacyjne, takie jak wełna mineralna czy podobne. 

Przez większość okresów przejściowych odpowiednio zaprojektowana instalacja solarna może się okazać całkowicie wystarczająca do ogrzania całego energooszczędnego budynku. 

Sercem takich systemów jest układ automatyki BMS, który może stale analizować zapotrzebowanie całego budynku na energię i okresowo jak najefektywniej wykorzystywać energię ze słońca (nawet magazynując ją w „akumulatorach”, jakimi są stosunkowo bezwładne instalacje ogrzewania podłogowego), tak aby w jak najmniejszym stopniu korzystać z energii z zewnątrz.

System taki powinien być projektowany jako układ całoroczny z zespolonym źródłem energii na okres zimowy – takim jak pompa ciepła czy nawet kocioł na paliwo stałe lub kominek z płaszczem wodnym. Podobny układ został zastosowany w eksperymentalnym domu Galia, gdzie system kolektorów słonecznych oraz pompa ciepła i kominek z płaszczem wodnym współdziałają z powodzeniem już od kilku lat. 

Dopóki świeci słońce, system jest samowystarczalny, a w okresach przejściowych dopuszcza się dogrzewanie zbiorników pompami ciepła i grzałkami elektrycznymi. Grzałki te są zasilane głównie nadmiarem energii pochodzącej z zainstalowanych obok domu paneli fotowoltaicznych oraz małej turbiny wiatrowej.

Korzystanie z tych źródeł wiąże się niestety z niemożnością przewidzenia takiej dodatkowej fali energii ze słońca lub wiatru i dlatego niezbędny jest system zarządzania budynkiem (BMS), odpowiedzialny za odpowiedni rozdział energii pomiędzy odbiorniki, czyli c.o. i c.w.u., aby ją w pełni zagospodarować. Wbrew pozorom i obiegowym opiniom jest to rozwiązanie najtańsze w eksploatacji, biorąc pod uwagę nawet niemały wydatek na BMS.

Ciepła woda użytkowa z kolektorów słonecznych

W eksperymentalnym domu Galia system przygotowania ciepłej wody został zaprojektowany i wykonany całkowicie odmiennie niż tradycyjnie ujmuje się to zagadnienie. W tym systemie nie istnieje powszechnie stosowany „priorytet c.w.u.”. Ciepła woda użytkowa jest zapewniana na kilka sposobów, w zależności od zmieniających się warunków pogodowych i dostępności różnych źródeł energii.

W okresie letnim niewielkie wydzielone zbiorniki c.w.u. korzystają wprost z kolektorów słonecznych, które podgrzewają wodę nawet do stosunkowo wysokiej temperatury 60–70°C. Woda o tej temperaturze jest mieszana z chłodniejszą do temperatury ok. 55°C, zanim trafi do wylewek. 

Poza okresem letnim głównym źródłem c.w.u. jest woda wstępnie podgrzana energią z kolektorów słonecznych. Następnie woda ta dogrzewana jest, w zależności od jej temperatury i stanu budynku, centralnie w zasobniku lub miejscowo pod wylewką przez elektryczne przepływowe podgrzewacze.

Scenariusz dogrzewania wody użytkowej jest wielowariantowy, wyboru dokonuje automatyka budynku. Opis tych wariantów może stanowić materiał na odrębny artykuł, dlatego w tym miejscu opisany zostanie tylko jeden wybrany. 

Kiedy np. domownicy wrócili do domu i chcą natychmiast skorzystać z ciepłej wody, a kolektory słoneczne nie zdążyły nagrzać wody do żądanej temperatury i nie ma też czasu lub brakuje energii na dogrzewanie c.w.u. pochodzącej z turbiny wiatrowej i ogniw fotowoltaicznych, system kieruje wstępnie podgrzaną wodę zgromadzoną w zasobniku o temperaturze 20–35˚C do wylewek, pod którymi znajdują się inteligentne przepływowe podgrzewacze elektryczne. 

Podgrzewają one wodę tylko do zadanej temperatury i dopasowują swoją moc do temperatury wody nadpływającej z zasobnika. Wprawdzie pobór energii przez te podgrzewacze może być na początku poboru wody znaczny, ale po chwili stabilizuje się, dopasowując się do rzeczywistego jej poboru i zadanej temperatury. 

Taki system w praktycznej eksploatacji okazał się znacznie bardziej ekonomiczny niż tradycyjny – czyli dogrzewanie grzałką elektryczną w zasobniku wody wstępnie podgrzanej przez kolektory.

System przygotowania i dystrybucji ciepłej wody ma całkowicie przedefiniowane zasady działania cyrkulacji. W klasyczny sposób cyrkulacja działa tylko w okresie letnim, gdy w instalacji c.w.u. występuje nadmiar ciepłej wody. 

W pozostałych okresach działanie takiego klasycznego układu cyrkulacji powodowało na tyle duże straty energii, że lepiej było skorzystać z rozwiązania polegającego na tym, że w miejscach, gdzie potrzebna jest ciepła woda, zostaje ona podpompowana za pomocą układu cyrkulacji pracującego okresowo. 

O tym, kiedy i który obwód cyrkulacji zasilać ciepłą wodą, decyduje BMS i zależy to od wielu czynników, jak np. obecność czy nawet chwilowa aktywność mieszkańców w domu, wykonywane czynności, pora dnia czy dzień tygodnia itp.

Rozwiązanie to jest bardziej skomplikowane od klasycznych układów stosowanych w kotłowniach, ma jednak kilka zalet. Główną jest eliminacja warunków sprzyjających rozwojowi bakterii Legionella – układ przygotowania c.w.u. nie magazynuje ciepłej wody w takim zakresie temperatur, w których się ona rozwija. 

Ważnym atutem tego systemu jest też brak strat energii w wyniku składowania dużych ilości c.w.u. w zasobnikach przez większość roku. Taki sposób zarządzania energią dzięki zintegrowaniu systemów c.o. i c.w.u. powoduje znacznie mniejsze zapotrzebowanie na energię cieplną i jest tym samym źródłem finansowania większych wydatków inwestycyjnych.

Podsumowanie

Kolektory słoneczne mogą i powinny stanowić istotny element systemów c.w.u. i c.o. każdego domu energooszczędnego i należy zaplanować ich użycie już na etapie projektu architektonicznego. Jednak projektowanie systemów solarnych jako tylko wspomagających c.w.u. nie ma racji bytu, ponieważ inwestycja taka przeważnie się nie amortyzuje.

Ponosząc wydatki inwestycyjne na instalacje solarne wyższe o 20–30%, można na tyle rozbudować taki system, że będzie on efektywnie wspomagał ogrzewanie basenu w okresie letnim i zapewni bufor bezpieczeństwa, a w okresach przejściowych wspomagać będzie centralne ogrzewanie. Wymaga to jednak praktycznej znajomości wydajności energetycznej urządzeń w warunkach rzeczywistych dla konkretnej konfiguracji w danej instalacji oraz przemyślenia projektu. 

Nierzadko konieczne jest odejście od tradycyjnego sposobu projektowania, by stworzyć układ, w którym kolektory słoneczne będą mogły dostarczać każdą możliwą do pozyskania porcję energii do systemów c.w.u., c.o. i basenu. Efektem takiego niestandardowego podejścia jest możliwość na tyle efektywnego wykorzystania zestawów solarnych, że inwestycja zwraca się w niedługim okresie.

Literatura

1. Badania własne autora, dane udostępnione redakcji.
2. PN-EN 12975 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy. Kolektory słoneczne.
3. RAL-UZ 73 Sonnenkollektoren.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!