Kolektory słoneczne. Opłacalność stosowania

Poniżej zawarto próbę odpowiedzi na pytanie, stawiane przez przyszłych inwestorów, o czas zwrotu nakładów inwestycyjnych, które ponosimy, montując kolektory słoneczne. Opłacalność tej inwestycji zależy bowiem od takich parametrów jak:

• zużycie wody ciepłej,
• sposób zaprojektowania i sprawność instalacji ciepłej wody,
• rodzaj nośnika energii, którym ta woda jest podgrzewana,
• koszt zestawu kolektorów,
• średnie nasłonecznienie w roku terenu, na którym są one montowane.

Prawdziwych odpowiedzi powinno być tyle, ile jest kombinacji tych parametrów. W opracowaniu przedstawiono obliczenia prostego czasu zwrotu SPBT kosztów inwestycyjnych dla niektórych z tych parametrów.

Obliczanie zapotrzebowania ciepła do podgrzewania wody jest oparte na dobowym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę dla jednego użytkownika. Zużycie ciepłej wody jest rożne w poszczególnych gospodarstwach. Wg normy PN-92/B-01706 [3] należy przyjmować zużycie w wysokości 110–130 dm³/(j.os.dobę). Norma ta dotyczy obliczania i projektowania instalacji, a nie obliczania zużycia wody. W wielu analizach spotyka się jednak tę wielkość jako podstawę do wykonywania obliczeń, co – jak się okaże – może prowadzić do błędnych wniosków.

Według danych statystycznych i doświadczeń praktycznych dobowe zużycie ciepłej wody podgrzanej do temperatury 60°C w budynkach mieszkalnych wynosi około 35 dm³ na mieszkańca w budynkach jednorodzinnych i 48 dm³ na mieszkańca w budynkach wielorodzinnych. Wynika z tego, że w rzeczywistości zużycie to jest o około dwie trzecie mniejsze od wartości normowych.

Poniżej przedstawiono podstawowe elementy rożnych systemów przygotowania ciepłej wody:

• źródło ciepła (urządzenie wytwarzające i dostarczające ciepło służące do podgrzania wody);
• podgrzewacz wody umożliwiający transformacje parametrów nośnika ciepła, którym może być:
  - podgrzewacz przepływowy – podgrzewana jest tylko ta ilość wody, na którą jest aktualnie zapotrzebowanie w instalacji, nie stosowany w instalacji z kolektorem;
  - zasobnikowy podgrzewacz wody – woda po podgrzaniu jest przechowywana w zbiorniku retencyjnym w stanie gotowości na jej pobór;
  - lub wymiennik ciepła współpracujący z zasobnikiem c.w.u.;
• układ przewodów z pompą cyrkulacyjną zapewniającą rozpływ wody do punktów odbioru;
• punkty odbioru ciepłej wody;
• układ przewodów zapewniających odprowadzenie wody zużytej.

Wszystkie te elementy generują mniejsze lub większe straty ciepła, które muszą być pokryte ze źródła ciepła. Sprawność instalacji dostarczania c.w.u. w zależności od rozległości instalacji, stopnia zaizolowania rurociągów, rozwiązania cyrkulacji może się zmieniać od 50% do 80%.

Z obliczeń zapotrzebowania ciepła dla celów przygotowania c.w.u. wynika, że roczne zapotrzebowanie energii cieplnej do podgrzania wody od temperatury 10°C do 60°C dla rodziny 4-osobowej w wysokości 120 dm³/(j.os.dobę) wynosi Q120 = 3,024 GJ/rok. W przypadku przyjęcia zużycia wody dla tej samej rodziny w wysokości 50 dm³/(j.os.dobę) roczne zapotrzebowanie energii cieplnej wynosić będzie Q50 = 1,26 GJ/rok. Wartości te zostaną wykorzystane w dalszej analizie.

Nośniki energii konwencjonalnej, wykorzystywane do podgrzewania wody, różnią się m.in.: ceną, dostępnością, wartością opałową, obciążeniem dla środowiska naturalnego oraz rożną technologią ich spalania. W tab. 1 porównano rożne nośniki energii konwencjonalnej pod względem ich wartości opałowej, sprawności wykorzystania, ceny i faktycznych kosztów KN jej wytworzenia.

Jak wynika z tab. 1, do najdroższych nośników energii można zaliczyć olej opałowy, gaz płynny (propan-butan) oraz energię elektryczną, gdzie koszt wykorzystania 1 GJ energii wynosi odpowiednio 119,15 zł, 138,70 zł i 115,98 zł. Średnie koszty wykorzystania 1 GJ energii wyniosą odpowiednio, przy użyciu gazu ziemnego 51,50 zł i peletów 61,73 zł/GJ. Natomiast do tanich nośników energii można zaliczyć węgiel kamienny – 43,96 zł/GJ, którego koszt mocno zależy od jego wartości opałowej. Większa wartość opałowa zmniejszy ten koszt.

Kolejnym czynnikiem wpływającym na opłacalność inwestycji jest wielkość zasobów energii słonecznej występujących w miejscu zainstalowania kolektorów słonecznych. Zorientowanie powierzchni kolektorów względem padających promieni słonecznych jest także czynnikiem, który wpływa na efektywność pozyskiwania energii cieplnej przez kolektory. Kąt ten jest zmienny w okresie roku. Przyjmuje się, że najkorzystniejszy kąt to 45°.

Do dalszej analizy ekonomicznej przyjęto, że w ciągu okresu rocznego można zaoszczędzić obliczony przy pomocy programu komputerowego RETScreen procent wykorzystania energii z kolektorów na cele podgrzania c.w.u. W analizowanym przypadku średnioroczne wykorzystanie ciepła z kolektorów wynosi 43%. Pozostała część ciepła musi być wytwarzana z nośników energii konwencjonalnej.

Cena zakupu instalacji słonecznej jest jednym z głównych czynników decydujących o opłacalności zastosowania układów słonecznych. Im niższa jej cena, tym szybszy może być czas zwrotu poniesionych kosztów zakupu, choć nie w każdym przypadku (za niższą ceną przeważnie kryje się niższa sprawność i trwałość instalacji). Obecnie na rynku polskim sprzedaje swoje produkty wiele firm polskich i zagranicznych. Instalacje słoneczne produkowane przez firmy różnią się jakością wykonania, poziomem technicznym, ceną i długością bezawaryjnej eksploatacji układów. Do analizy wykorzystano średnią cenę rożnych firm z tej branży.

Cena kompletnego zestawu (powierzchnia kolektorów 4,6 m² – korzystniej jest kupować zestawy, których cena jest mniejsza niż suma cen składowych wszystkich elementów kupowanych osobno) wynosi 10 675 zł brutto. Oprócz poniesionych kosztów zakupu instalacji, po stronie wydatków na inwestycje doliczono również koszty związane z jej montażem. Koszt montażu instalacji z dodatkowymi materiałami (KM) wyniesie ok. 1000 zł. Całkowite nakłady inwestycyjne wynoszą 11 675 zł.

Podczas pracy instalacji występują koszty związane z eksploatacją systemu (KE). Do kosztów eksploatacji (KE) zaliczono koszty związane z potrzebą wymiany cieczy służącej do przekazywania energii cieplnej pomiędzy kolektorami i wymiennikiem w podgrzewaczu (KC) oraz koszty związane z poborem energii elektrycznej przez pompę obiegu solarnego (KP).

Dwadzieścia pięć litrów specjalnego niezamarzającego płynu kosztuje 500 zł. Ponieważ wymiana płynu odbywa się co pięć lat, roczny średni koszt wymiany płynu w instalacji (KC) wyniesie 100 zł/rok. Założono z kolei, że pompa układu słonecznego pracuje średnio 1600 h/rok, a moc pompy elektrycznej wynosi 0,065 kW. Po przemnożeniu czasu pracy pompy (1600 h/rok) przez moc pompy (0,065 kW) i cenę 1 kWh energii elektrycznej (0,41 zł/kWh) otrzymano roczny koszt pracy pompy (KP). Koszty związane z poborem energii elektrycznej przez pompę (KP) wyniosły 42,55 zł/rok, a średni roczny koszt eksploatacji instalacji kolektorów słonecznych (KE), będący sumą tych wartości wynosi 142,55 zł/rok.

Końcowym wynikiem obliczenia czasu zwrotu (SPBT) poniesionych nakładów na inwestycję jest podstawienie otrzymanych wcześniej kosztów inwestycji (KI), kosztów eksploatacji (KE) i zysku (Z) z oszczędności energii konwencjonalnej do następującego wzoru:

SPBT = KI/(Z-KE)

Zyskiem (Z) przy stosowaniu kolektorów słonecznych jest koszt zaoszczędzonej energii konwencjonalnej, którą w przypadku braku instalacji słonecznej należałoby zużyć do podgrzania wody użytkowej. Zysk (Z) otrzymamy po przemnożeniu ilości zaoszczędzonej energii (Q120, Q50) przez koszty nośnika energii:

(KN) Z = EŚR × KN

W zależności od zastępowanego nośnika energii konwencjonalnej przez energię słoneczną, otrzymany zysk (Z) jest inny. W dalszej analizie przedstawiono obliczenia dla rożnego zużycia wody i sprawności instalacji c.w.u. W tab. 2 przedstawiono zysk roczny wynikający z zastosowania kolektorów przy zużyciu wody w wysokości 120 dm³/(j.os.dobę) bez uwzględnienia sprawności przesyłu i z jej uwzględnieniem.

W tab. 3 przedstawiono zysk przy zużyciu ciepłej wody w wysokości 50 dm³/(j.os.dobę). Najlepsze efekty, jeżeli chodzi o opłacalność inwestycji, osiąga się w obiektach, gdzie zastępuje się najdroższe nośniki energii konwencjonalnej energią pozyskaną z instalacji słonecznej.

Żywotność instalacji słonecznych, które zostały wykonane z materiałów dobrej klasy, zakłada się mniej więcej na 15 lat. Jak wynika z tab. 5, przy uwzględnieniu sprawności przesyłu instalacji c.w.u. nie opłaca się z ekonomicznego punktu widzenia montować instalacji słonecznych w budynkach, gdzie do podgrzewania wody użytkowej wykorzystywane są następujące nośniki energii: węgiel kamienny, pelety, gaz ziemny.

Koszty zwrotu nakładów inwestycyjnych nastąpią dopiero po 15 latach, czyli po czasie żywotności eksploatacyjnej układu. Zawyżenie zużycia wody przedstawione w tab. 4 skutkuje akceptowalnymi czasami zwrotów dla wszystkich nośników energii. A może energia jest zbyt tania, aby uzyskać akceptowalne czasy zwrotu inwestycji?

W ciągu najbliższych lat ceny energii będą wzrastać. Uwzględniając narastający wzrost cen energii w wysokości 5% rocznie, w ciągu 10 lat uzyska się krótsze czasy zwrotu o około 40%. Analiza ta wykazuje, jak znacznie zmienia się prosty czas zwrotu inwestycji zastosowania kolektorów przy przyjęciu do analizy rożnych założeń. Jakże często można spotkać jeszcze większe wartości zużycia wody, co skutkuje mniejszymi czasami zwrotu inwestycji.

Podejmując decyzję o montażu kolektorów, trzeba wiedzieć, jakie jest zużycie wody. Mała sprawność instalacji c.w.u. zwiększa efektywność inwestycji zastosowania kolektorów słonecznych, lecz przy braku ich działania (w nocy) niska sprawność przesyłu spowoduje szybsze rozładowanie zasobnika lub podgrzewacza. Najbardziej efektywne jest stosowanie kolektorów słonecznych do podgrzewania wody w basenach.

Stosowanie płaskich kolektorów słonecznych do wspomagania ogrzewania budynków w polskich realiach nasłonecznienia, czyli bardzo niskiego w okresie największego zapotrzebowania na ciepło, jest dla przeciętnego budynku nieekonomiczne. Lepiej będą się tu sprawdzać kolektory próżniowe, które absorbują więcej promieniowania rozproszonego. Dlatego nawet w krótkie i pochmurne zimowe dni dostarczają one więcej energii niż kolektory płaskie. Ich zastosowanie do wspomagania ogrzewania budynku będzie efektywne tylko dla budynków niskoenergochłonnych, a zwłaszcza dla budynków pasywnych.

Budynek pasywny jest to umowne określenie budynku niskoenergochłonnego, którego łączne zapotrzebowanie na energię wynosi poniżej 30 kWh/(m² rok), w tym nie więcej niż 15 kWh/(m² rok) na cele ogrzewania pomieszczeń. Konstrukcja takiego budynku ma za zadanie pasywne pozyskiwanie energii z otoczenia oraz maksymalne ograniczenie czasu wykorzystania konwencjonalnego źródła ciepła w ciągu roku.

Na rysunku 1 przedstawiono porównanie uzysku energii (lewa oś) z kolektora próżniowego i płaskiego. Na osi prawej przedstawiono wyniki poniżej opisanej analizy. W kolektorach słonecznych próżniowych można uzyskać o ok. 76% wzrost uzysku energii w stosunku do kolektorów płaskich w ciągu roku, a w miesiącach letnich (kwiecień – wrzesień) o około 65%. W najbardziej niekorzystnych miesiącach uzysk ten jest większy i wynosi dla stycznia 307%, a dla grudnia 370% (kolor żółty), ale wartościowo jest zbyt mały, aby zapewnić zapotrzebowanie na energię cieplną.

Instalację solarną projektuje się na wartości maksymalnego uzysku, więc tak znaczny wzrost uzyskiwanej energii w kolektorach próżniowych nie będzie domykał bilansu dla miesięcy zimowych. Średni udział uzyskiwanej energii do wartości maksymalnej dla kolektora próżniowego w roku wynosi 53,4%, a dla kolektora płaskiego 49,5%. Wyższe ceny kolektorów próżniowych „rekompensowane” są większym uzyskiem energii.

Kolektory próżniowe mają też i wady, do których można zaliczyć mniejszą odporność na gradobicie i brak możliwości ich odśnieżania w terenach o dużym opadzie śniegu, można zastosować tylko ręczne omiatanie. Kolektory płaskie można odśnieżyć, wykorzystując medium (płyn niezamarzający) pośredniczące w wymianie ciepła. W niektórych krajach Unii Europejskiej tego typu inwestycje, które chronią środowisko naturalne, są dofinansowywane.

W przypadku dofinansowania cena zakupu instalacji słonecznej dla potencjalnego inwestora jest niższa. Okres zwrotu poniesionych kosztów na inwestycję maleje proporcjonalnie do wielkości dofinansowania. W przypadku dopłat do inwestycji ekologicznej, jaką jest zastosowanie instalacji słonecznej, może się okazać, że przedsięwzięcie jest opłacalne w budynkach, gdzie wykorzystywane są najtańsze nośniki energii konwencjonalnej.

Literatura

1. Instalacje ciepłej wody w budynkach, Biblioteka Fundacji Poszanowania Energii, SORUS, Warszawa – Poznań 2006.
2. Kolektory słoneczne, Numer specjalny, „Polski Instalator” nr 3/2008.
3. PN-B-01706:1992 Instalacje wodociągowe – Wymagania w projektowaniu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!