Instalacje hybrydowe z kolektorami słonecznymi

Przygotowany przez SPIUG poradnik pt. Instalacje kolektorów słonecznych do wspomagania instalacji ogrzewania w budynkach został opracowany m.in. na podstawie materiałów Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) i Sonnenhaus Institut oraz Solar Heat Europe.

Większość działających w Polsce instalacji kolektorów słonecznych służy tradycyjnie tylko do przygotowania c.w.u., ale coraz częściej wykorzystywane są one także do wspomagania systemu grzewczego. U naszych zachodnich sąsiadów początkowo kolektory także pracowały tylko na potrzeby c.w.u., a obecnie ponad połowa wspomaga instalacje c.o. O ile obliczenia instalacji kolektorów na potrzeby przygotowania c.w.u. nie są trudne, to wsparcie ogrzewania wymaga już szerszych analiz. Jednak przyjmując kilka wartości orientacyjnych, można dokonać trafnej wstępnej oceny rentowności takich instalacji hybrydowych.

Nowe regulacje prawne promują korzystanie w nowych i remontowanych budynkach z energii odnawialnej, w tym słonecznej. Instalacje takie pozwalają nie tylko spełnić wymogi prawne, ale również ograniczyć koszty przygotowania c.w.u. i ogrzewania. Rozwiązania hybrydowe sprawdzają się w modernizowanych budynkach także z tego powodu, że użytkownicy często nie są w stanie udźwignąć ciężaru finansowego kompleksowej termomodernizacji i przejścia w pełni na ciepło ze źródeł odnawialnych bez ryzyka utraty komfortu cieplnego w pomieszczeniach.

Instalacje hybrydowe z kolektorami słonecznymi mają duży potencjał pokrycia zapotrzebowania na ciepło zwłaszcza w okresie przejściowym i przy łagodnych zimach. Latem system ogrzewania słonecznego może całkowicie pokryć zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w.u. w domach jedno- i wielorodzinnych. Ogrzewanie słoneczne powinno być zawsze traktowane jako dodatkowe źródło ciepła w ramach instalacji hybrydowej (z wyjątkiem specjalnie zaprojektowanych nowych budynków, które charakteryzują się odpowiednią architekturą, jak np. tzw. dom słoneczny). Efektywne działanie systemu hybrydowego wymaga spełnienia kilku podstawowych warunków związanych z lokalizacją budynku, jego zorientowaniem względem stron świata, możliwościami technicznymi zainstalowania większego niż zwykle buforu ciepła, co jest konieczne z uwagi na konieczność magazynowania ciepła oraz zapobiegania przegrzewaniu się instalacji w okresie letnim. Ciepło pozyskiwane z energii słonecznej jest obecnie wykorzystywane w czterech głównych obszarach: do wytwarzania ciepłej wody użytkowej, dodatkowego wspomagania systemu grzewczego oraz podgrzewania basenów, jak również do wspomagania wytwarzania tzw. ciepła procesowego w przemyśle.

Czytaj również: Jak wybrać odpowiedni system grzewczy dla Twojego domu: przegląd najnowszych technologii >>

Instalacje kolektorów słonecznych jako dodatkowe źródło ciepła do wspomagania systemu grzewczego są najbardziej złożone i wymagają znacznej powierzchni dachu lub innej przestrzeni do montażu kolektorów oraz miejsca w budynku na montaż zasobnika ciepła o wystarczającej objętości. Przyczyniają się w znaczący sposób do pokrycia zapotrzebowania na c.w.u. i wsparcia ogrzewania domu. Instalacja dla domu jednorodzinnego działająca w układzie hybrydowym na potrzeby ogrzewania pozwala zaoszczędzić od 10 do 30%, a w sprzyjających warunkach nawet do 40% całkowitych kosztów ogrzewania. Na potrzeby samej ciepłej wody użytkowej wystarczają mniejsze instalacje i zwykle umożliwiają one oszczędność do 60% rocznych kosztów przygotowania ciepłej wody. Podgrzewanie wody w basenie może efektywnie wspomagać nawet mała i bardzo prosta instalacja tzw. basenowych kolektorów słonecznych, bez dodatkowej izolacji termicznej i zasobników ciepła, którą można niedrogo zrealizować.

Zapotrzebowanie domów na ciepło

W budynkach istniejących o średnim zużyciu ciepła energia słoneczna nie może zwykle pokryć więcej niż 30–40% całkowitego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania, nawet przy bardzo dużych instalacjach. W nowych budynkach, o znacznie niższym zapotrzebowaniu na ciepło (domy niskoenergetyczne lub pasywne), można osiągnąć wyższy udział pokrycia zapotrzebowania na ciepło energią pozyskaną przez kolektory słoneczne, a w tzw. domach słonecznych nawet do 100% [2].

Przed wymiarowaniem instalacji kolektorów słonecznych konieczne jest dokładne obliczenie zapotrzebowania na ciepło dla ogrzewania domu, np. na podstawie rachunków za energię czy paliwo, a w projektowanych budynkach należy takie zapotrzebowanie oszacować na podstawie danych projektowych.

Pokrycie energią z kolektorów od 20 do 40% średniorocznego zapotrzebowania na ciepło w istniejącym budynku, a tym samym nawet całkowitego w okresach przejściowych, może być czasami trudne, gdyż energia słoneczna jest zależna od warunków pogodowych i stopnia nasłonecznienia. Buforem bezpieczeństwa są odpowiednio pojemne magazyny ciepła. Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania zależy nie tylko od powierzchni ogrzewanej, ale też od rodzaju instalacji c.o. (ogrzewanie powierzchniowe lub grzejniki), izolacji termicznej budynku oraz możliwości instalacji magazynu ciepła. Do dyspozycji są magazyny ciepła krótko- i średniookresowe, które przechowują ciepło przez kilka dni lub tygodni, oraz sezonowe magazyny ciepła pozwalające na jego przechowywanie przez wiele tygodni, a nawet miesięcy.

Najczęściej stosowana w domach jednorodzinnych technologia magazynowania pozwala przechowywać energię słoneczną przez krótki czas, zwykle do tygodnia, ale i ten zależy od wielu warunków, np. lokalizacji i architektury budynku.

Optymalnym rozwiązaniem jest zatem wykorzystanie energii słonecznej do wspomagania systemu ogrzewania po to, aby darmowym ciepłem pozyskiwanym z promieniowania słonecznego zredukować ilość energii lub paliwa potrzebną do prawidłowego funkcjonowania takiego układu.

Można także wykorzystać kolektory hybrydowe PVT i instalacja taka dostarcza energię elektryczną i ciepło do wspomagania ogrzewania (i/lub zasilania urządzeń elektrycznych) z jednej powierzchni instalacji kolektorów.

Instalacje hybrydowe wykorzystujące kolektory słoneczne

Kolektory mogą być łączone w układy hybrydowe z kotłami gazowymi, olejowymi, na biomasę oraz z urządzeniami zasilanymi energią elektryczną. Podstawowy system ogrzewania jest włączany, najczęściej automatycznie, gdy system ogrzewania słonecznego nie generuje wystarczającej ilości ciepła do zasobnika ciepła, w którym temperatura spada poniżej pewnej minimalnej wartości. Wiele nowoczesnych kotłów gazowych ma fabryczne rozwiązania umożliwiające podłączenie kolektorów do systemu ogrzewania i tworzenie takich instalacji.

W układach hybrydowych są dwa warianty zasilania instalacji. W pierwszym wariancie oba systemy zasilają wytwarzanym ciepłem wspólny zasobnik ciepła i dotyczy to głównie układów kolektorów z kotłami gazowymi, olejowymi, elektrycznymi i na biomasę oraz klasycznego wariantu z pompami ciepła. W drugim wariancie ciepło z kolektorów podgrzewa grunt wokół sondy gruntowej pompy ciepła, aby osiągnąć wyższą efektywność dolnego źródła ciepła.

Połączenie pomp ciepła z systemami ogrzewania słonecznego jest szczególnie korzystne w dobrze izolowanych budynkach, gdyż pozwala na uzyskiwanie efektów bardzo bliskich tzw. domom bez rachunków ze względu na znaczne ograniczenie zapotrzebowania na energię elektryczną potrzebną do zasilania pompy ciepła, którą można pokryć z lokalnego źródła do pozyskiwania energii elektrycznej (PV, turbiny wiatrowe czy mikroelektrownie wodne), a nawet korzystanie w stu procentach z energii odnawialnej do c.o. i c.w.u.

Typowe komponenty instalacji kolektorów do połączonego przygotowania ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania to: kolektory słoneczne, instalacja z obiegiem nośnika ciepła (płynu solarnego), grupa pompowa ze sterowaniem i wyposażeniem, zasobnik ciepłej wody z wymiennikiem ciepła oraz podstawowe źródło ciepła – zwykle istniejący kocioł lub pompa ciepła.

Kolektory i kotły gazowe

Połączenie gazu i słonecznej energii cieplnej może zmniejszyć zapotrzebowanie na gaz ziemny o ok. 30–40%. Praktycznie każdy nowoczesny kocioł gazowy może być połączony z systemem ogrzewania słonecznego. Jeśli kocioł gazowy jest stary, wysłużony i niedostosowany do współpracy z kolektorami słonecznymi, to warto dokonać modernizacji instalacji i skorzystać z możliwości wymiany kotła na bardziej efektywny energetycznie. Podłączenie instalacji kolektorów do stojących kotłów gazowych starszego typu, które zwykle charakteryzują się dużymi wymiarami, może być skomplikowane i wymaga dużo miejsca na buforowy magazyn ciepła. Zgodnie z obecnie dyskutowanymi planami unijnymi i krajowymi sieć gazowa może być w przyszłości zasilana mieszanką wodoru i metanu, a po modernizacji lub przebudowie z czasem nawet samym wodorem, który może być także wytwarzany i wykorzystywany na miejscu, co wydaje się bardziej korzystnym rozwiązaniem niż jego przesył. Uczyni to z tych układów hybrydowych instalacje całkowicie bezemisyjne, korzystające z energii odnawialnej i spełniające przyszłe wymagania.

Kolektory i pompy ciepła

W klasycznym układzie ogrzewania słonecznego kolektory słoneczne i pompa ciepła współdzielą wytwarzanie ciepła. Stosuje się dwa obwody i kombinacja ta zapewnia wyższą ogólną efektywność energetyczną oraz eliminuje potrzebę stosowania tradycyjnego systemu c.o. i c.w.u. – przynajmniej latem i w okresach przejściowych. Takie gotowe łączone systemy są już oferowane przez producentów.

W pośrednim wsparciu ciepło z kolektorów trafia także do gruntu wokół sondy gruntowej i tym samym pompa ciepła może mieć znacznie wyższą wydajność oraz potrzebuje mniejszą ilość energii elektrycznej do wygenerowania wymaganej temperatury pracy. Pozwala to na dobór pompy ciepła o mniejszej mocy, dzięki czemu zredukowane są koszty inwestycyjne, a mniej włączeń pompy i krótsza praca zwiększają jej żywotność. Taki układ pośredni zwiększa też wydajność samych kolektorów, gdyż ciepło z nich przejmuje grunt o niskiej temperaturze.

Kolektory i kotły na biomasę

Kolektory w połączeniu z kotłami na biomasę zmniejszają zużycie paliwa nawet o 30–40%. Kotły na pelet działają najefektywniej, gdy pracują w górnym zakresie mocy, dlatego warto przeanalizować w wypadku takiej instalacji możliwość zmniejszenia ich mocy nominalnej. Trzeba też brać pod uwagę przestrzeń potrzebną do przechowywania peletu i miejsce na duży zasobnik ciepła. Zaletą tego układu jest nieskomplikowane połączenie przez dwuwężownicowy magazyn ciepła. Przy wymiarowaniu instalacji kolektorów należy dobrać zasobnik ciepła tak, aby uniknąć przegrzewania się instalacji w okresieletnim.

Kolektory i kocioł elektryczny

Zasada funkcjonowania takiej instalacji jest podobna jak w przypadku kotłów gazowych i kotłów na pelet. Ciepło z kolektorów trafia do buforowego zbiornika ciepła, do którego z drugiej strony podłączony jest kocioł elektryczny. Jeżeli temperatura jest za niska, automatycznie włączany jest kocioł elektryczny, który dogrzewa wodę w zasobniku ciepła do temperatury gwarantującej komfort cieplny w ogrzewanych pomieszczeniach i zadanej temperatury c.w.u. Taka instalacja może działać całkowicie bezobsługowo.

Dom słoneczny

Dom słoneczny to koncepcja budowlana opracowana kilkanaście lat temu przez Sonnenhaus-Institut e.V. w Straubing. Charakteryzuje się udziałem powyżej 50% pokrycia zapotrzebowania na c.o. i c.w.u. energią z kolektorów, a pozostała część zapotrzebowania na ciepło jest pokrywana przez drugie źródło ciepła energii odnawialnej – najczęściej z kotła na pelet. Do ogrzewania wykorzystywany jest duży magazyn ciepła i niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe lub ścienne. Straty ciepła nie mogą przekraczać 0,28 W/m²K, a zapotrzebowanie na energię pierwotną 15 kWh/m² na rok. Kluczowa jest lokalizacja budynku i jego architektura. Budynek wymaga południowej orientacji powierzchni dachu i dużego magazynu ciepła: 150–200 dm³/1 m² powierzchni kolektorów. Powierzchnia pola kolektorów przekracza często 40 m² i powinna być bardziej nachylona w porównaniu do klasycznego sposobu montażu. Dom słoneczny musi spełnić wiele wymagań, w tym dotyczące wysokiego standardu izolacji cieplnej przegród zewnętrznych budynku oraz stolarki. Dokładny opis konstrukcji oraz wytyczne dotyczące projektowania i wykonawstwa zostały zawarte w opracowaniu Minimalizacja kosztów ogrzewania w praktyce – czy można ogrzać dom ciepłem słonecznym? [1].

Obliczanie ogrzewania słonecznego

Obliczenia prowadzi się w celu określenia: stopnia pokrycia zapotrzebowania na ciepło i wielkości powierzchni kolektorów oraz wielkości magazynu ciepła. Głównym problemem przy obliczeniach jest to, że instalacja uzyskuje dużą ilość ciepła wtedy, gdy nie występuje zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania lub jest ono małe – czyli latem i we wczesnych okresach przejściowych.

W procesie doboru trzeba znaleźć optymalną wielkość powierzchni kolektorów i optymalną wielkość magazynu ciepła, tak aby móc je przechowywać jak najdłużej i bez ryzyka awarii z powodu przegrzania. Największe zyski ciepła występują latem, dlatego inwestycja w system kolektorów do ogrzewania nie zwraca się tak szybko jak do c.w.u. ze względu na wyższe koszty inwestycyjne i niższą sprawność całoroczną. Trudno przedstawić uniwersalną formułę wyznaczania wielkości instalacji, ponieważ jest to zależne od wielu czynników indywidualnych dla danego budynku i jego lokalizacji.

W dalszej części artykułu pokazane zostały różne podejścia do szacowania wielkości elementów instalacji, dlatego mogą wystąpić pewne różnice wynikowe, ale ogólny rząd wielkości jest zbliżony.

Warunkiem wstępnym dla efektywnego zastosowania systemu ogrzewania słonecznego jest dostępność odpowiedniej powierzchni dachu. Dach powinien być skierowany na południe, a ewentualne odchylenie od 15 do 30° od kierunku południowego nie ma znaczącego wpływu na uzysk ciepła. Nachylenie połaci kolektorów słonecznych pracujących na potrzeby wsparcia ogrzewania powinno wynosić ok. 50°, co różni się od zalecanego nachylenia ok. 30° dla instalacji do c.w.u. lub instalacji PV. Jest to podyktowane koniecznością ograniczenia ryzyka przegrzewania się kolektorów w okresie letnim i zwiększania uzysku ciepła w okresach przejściowych i w zimie.

Wybór komponentów instalacji kolektorów słonecznych dla wsparcia ogrzewania jest bardzo ważny: ceny i jakość komponentów znacznie się miedzy sobą różnią. Kolektory powinny mieć certyfikat „Solar Keymark” lub inny równoważny. Potwierdza to zgodność z normą PN-EN 12976 i stanowi często podstawę do ubiegania się o dofinansowanie.

Przy obliczaniu instalacji hybrydowych z wykorzystaniem kolektorów słonecznych należy najpierw określić właściwe założenia dla instalacji. Ważne jest, aby określić poszczególne zmienne potrzebne do indywidualnego podejścia przy projektowaniu danej instalacji: sposób zaopatrzenia w ciepłą wodę, wielkość budynku, dostępną powierzchnię dla kolektorów, nachylenie i orientację względem południa oraz potencjalne zacienienie dachu, lokalne warunki klimatyczne, stan izolacji budynku, sposób magazynowania ciepła, dobór rodzaju kolektorów słonecznych i ew. fotowoltaiki lub kolektorów hybrydowych PVT.

Wpływ na instalację kolektorów dla przygotowania ciepłej wody użytkowej i wsparcia ogrzewania mają następujące czynniki:

• powierzchnia mieszkalna – im większa, tym większa powierzchnia kolektorów. Należy wziąć pod uwagę nieuniknione letnie nadwyżki ciepła. Celem jest pokrycie ok. 20–30% całkowitego zapotrzebowania na ciepło (dla c.o. i c.w.u. łącznie) energią słoneczną w skali roku;
• termoizolacja budynku (włącznie z oknami i stolarką drzwiową) – im lepiej dom jest zaizolowany, tym większy udział pokrycia zapotrzebowania na ciepło mają kolektory;
• zapotrzebowanie na c.w.u. – 30 l na osobę to niskie zużycie i bardziej prawdopodobne jest średnie, czyli 45 l na osobę, wysokie wynosi do 60 l – każde założenie oparte jest na temperaturze wody 45°C;
• wybór rodzaju kolektora – kolektory próżniowe wymagają ok. 30% mniejszej powierzchni dzięki wyższej sprawności;
• pożądany udział pokrycia zapotrzebowania na ciepło energią słoneczną do ogrzewania i przygotowania c.w.u. Im wyższy stopień pokrycia zapotrzebowania, tym większa powierzchnia kolektorów i pojemność magazynu ciepła;
• konstrukcja zbiornika magazynowego i jego wielkość dobrana do stopnia pokrycia zapotrzebowania na ciepło i powierzchni kolektorów. Dla przeciętnego czteroosobowego gospodarstwa domowego przyjmuje się 700–1000 l;
• zgodność z wymaganiami pod kątem uzyskania finansowych instrumentów wsparcia.

Typowa wielkość instalacji

Często stosowaną podstawą wymiarowania instalacji kolektorów jest wielkość zapotrzebowania na c.w.u. Kolektory pokrywają zwykle do 60% całkowitego zapotrzebowania na c.w.u., np. typowy dom jednorodzinny wymaga 7 m² powierzchni kolektorów do przygotowania c.w.u. Wielkość ta zależy także od liczby łazienek i korzystających z nich mieszkańców – przyjmuje się 1–1,5 m² kolektora na osobę.

W celu zwymiarowania powierzchni kolektorów na potrzeby ogrzewania powierzchnia dla c.w.u. jest mnożona przez współczynnik 2 lub 2,5. Wielkości te wynikają z praktyki i doświadczeń z eksploatacji. Zatem średnia wielkość instalacji do wsparcia c.o. wynosi od 14 do 17,5 m², trzeba do niej dodać powierzchnię wynikającą z cech indywidualnych budynków, takich jak zapotrzebowanie na ciepło oraz izolacja termiczna.

Stosuje się też zgrubne określenie wielkości instalacji. Na każde 10 m² powierzchni ogrzewanej przyjmuje się 1 m² kolektora płaskiego lub 0,5 m² kolektora próżniowego. W zgrubnej metodzie pojemność zasobnika ciepła wyznacza się jako 50 l na 1 m² powierzchni kolektora płaskiego i 50 l dla zapotrzebowania na c.w.u. na 1 osobę.

Reasumując – do wyboru są kolektory płaskie i rurowe. Te drugie potrzebują ok. 20% mniej miejsca na montaż, ale są droższe. W praktyce przyjmuje się 1,5 m² powierzchni płaskiego kolektora na osobę na potrzeby przygotowania c.w.u. Minimalna objętość dla akumulacji ciepła na potrzeby c.w.u. wynosi 200% dziennego zużycia. Dla pełnego wsparcia instalacji c.o. potrzeba 2,3 m² powierzchni kolektorów oraz 50 l pojemności zasobnika na 10 m² ogrzewanej powierzchni. Instalacja kolektorów słonecznych tylko na potrzeby przygotowania c.w.u. jest oczywiście tańszą opcją – wymaga mniej kolektorów i mniejszego zasobnika.

Magazynowanie energii słonecznej

Ogrzewanie słoneczne wymaga magazynowania ciepła. Oprócz wielkości zbiornika ciepła ważny jest wybór jego typu. Zbiornik akumulacyjny powinien przechowywać od 1,5 do 2 razy większą ilość ciepła od dziennego zapotrzebowania, aby instalacja kolektorów słonecznych nie przegrzewała się latem. Ważna jest dobra izolacja termiczna zasobnika. Typowa wielkość zasobnika ciepła dla instalacji kolektorów do podgrzewania c.w.u. i wspomagania c.o. wynosi 60 l/1 m² powierzchni kolektora płaskiego i 80 l/1 m² pow. kolektora próżniowego. W typowym domu jednorodzinnym wymagany jest zbiornik o pojemności ok. 700 l, ale może to być więcej, jeżeli pozwalają na to warunki i założenia ekonomiczne. Gdy nie ma wystarczającej ilości ciepła słonecznego, zbiornik ciepła jest dogrzewany przez podstawowe urządzenie grzewcze – kocioł gazowy, peletowy, pompę ciepła lub kocioł elektryczny. Dostępne na rynku zasobniki akumulujące ciepło z kolektorów słonecznych dla systemu grzewczego mają zwykle pojemność od 500 do 1000 l. Są też większe, o pojemności kilku tysięcy litrów, do długiego magazynowania – to sezonowe zasobniki ciepła.

Wielkości zbiorników podawane w artykule są szacunkowe i w praktyce zależą od wielu czynników indywidualnych i lokalnych. Stąd biorą się różnice w ich wielkości w zależności od podejścia projektowego. Generalna zasada jest taka, że bezpieczniej przyjąć nieco większą pojemność magazynu ciepła, aby zminimalizować niebezpieczeństwo przegrzania się instalacji. Nie warto jednak przesadzać z przewymiarowaniem, gdyż przegrzaniu instalacji można zapobiegać nocnym schładzaniem kolektorami, odwracając obieg w instalacji. W wielu krajach w programach wsparcia instalacji słonecznej na cele grzewcze wielkość zasobnika ma wpływ na możliwe do pozyskania środki, gdyż preferowane są instalacje pracujące na potrzeby wsparcia ogrzewania budynku, a nie tylko przygotowania c.w.u.

Zasobniki ciepła do c.o. i c.w.u.

Zasobnik taki służy do magazynowania i jednoczesnego dostarczania ciepłej wody użytkowej i wody zasilającej układ grzewczy. Jest to możliwe dzięki kilku rozwiązaniom. W systemie zbiornik w zbiorniku wewnątrz głównego zbiornika magazynującego ciepło z kolektorów słonecznych w górnej części znajduje się dodatkowy zamknięty zbiornik dla c.w.u. W ten sposób dwa obiegi wody – na cele c.o. i c.w.u. – są od siebie oddzielone, a ciepło z kolektora trafia do zbiornika c.w.u., który może też być podgrzewany z drugiego źródła ciepła.

Warstwowy zasobnik jest bardzo wysoki i wąski. Ciepła woda gromadzi się w górze zbiornika, a chłodniejsza na dnie. Stratyfikacja może być pasywna lub aktywna. Pasywna odbywa się za pomocą rur wymiennikowych w zasobniku z przepływem do góry. Aktywną stratyfikację tworzy się za pomocą wielu punktów zasilania wężownic (wymienników ciepła) na różnych wysokościach. Woda podgrzana przez kolektory jest kierowana do zasobnika dokładnie we właściwym miejscu. Dzięki temu woda o niższej temperaturze nie miesza się z cieplejszą wodą i średnia temperatura w zasobniku nie spada. Taki zasobnik znacznie rzadziej wymaga dogrzewania i ciepło z kolektorów jest efektywniej wykorzystywane.

Kalkulacja potencjału oszczędności

Cel oszczędności lub zakładany limit wydajności dla podgrzewania c.w.u. wspomaganej energią z kolektorów wynosi zwykle 60%. W przypadku modernizacji systemu grzewczego w celu wspomagania go instalacją kolektorów potencjał oszczędności wynosi 20–30% kosztów ogrzewania. Potencjał oszczędności kosztów eksploatacyjnych rośnie wraz z wyższymi kosztami nośników energii, co obserwujemy obecnie w postaci znacznych podwyżek cen energii elektrycznej, gazu czy biomasy i oszczędności te mają bezpośredni wpływ na inwestycję i jej amortyzację.

Punktem wyjścia jest zakres inwestycji, na którym opiera się kalkulacja wsparcia kolektorami instalacji ogrzewania. Aby uzyskać równowagę między kosztem zakupu a zyskiem, należy uwzględnić potencjał oszczędności w trakcie eksploatacji jako czynnik amortyzacji. Im wyższa inwestycja początkowa, tym większe powinny być efekty oszczędności podczas bieżącej działalności. Doświadczenie pokazuje, że amortyzacja słonecznych instalacji pozyskujących ciepło do wspomagania ogrzewania wynosi od 10 do 15 lat. Okres ten skraca się dzięki dotacjom do instalacji OZE. W Niemczech dzięki tamtejszemu programowi dotacji okres zwrotu skraca się do pięciu lat. Przy obecnych cenach nośników energii ten okres może ulec znacznemu skróceniu, nie licząc zwiększenia efektu niezależności od zewnętrznych dostawców, co ma duży wpływ na zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego na podstawowym poziomie.

Instalacje kolektorów słonecznych do wspomagania c.o. i przygotowania c.w.u. wymagają większych nakładów, ale dostarczają więcej energii i tym samym ich potencjał oszczędności szacuje się na 20–30% rocznych kosztów eksploatacyjnych. Potencjał oszczędności instalacji tylko do przygotowania c.w.u. wynosi od 55 do 60% rocznych kosztów.

Ceny instalacji i koszty eksploatacji

Z uwagi na brak wiarygodnego punktu odniesienia do cen w Polsce przyjęto ceny z rynku niemieckiego. Można założyć, że poziom cen w Polsce będzie niższy niż w Niemczech. Czasopismo branżowe „Sonne, Wind & Wärme”, z którym współpracuje SPIUG, prowadzi stale aktualizowany przegląd rynku pakietów solarnych, systemów ciepłej wody i systemów kombinowanych. W tabeli zestawiono przykładowe ceny komponentów instalacji. Do obliczeń przyjęto dom o powierzchni mieszkalnej 128 m² z ogrzewaniem powierzchniowym z zasilaniem temperaturą 35°C i o rocznym zapotrzebowaniu na ciepło 9090 kWh.

Koszty eksploatacji i serwisu, podobnie jak koszty inwestycyjne, pochodzą z rynku niemieckiego. Bieżące koszty obejmują prace serwisowe, ubezpieczenie i koszty energii elektrycznej do obsługi pompy obiegowej i automatyki. Konserwacja instalacji do ogrzewania słonecznego powinna być przeprowadzana raz w roku, a koszt takiej usługi wynosi od 50 do 100 euro. Koszt zasilania pompy obiegowej to ok. 20 euro. Ubezpieczenie obejmuje szkody spowodowane warunkami pogodowymi, kradzieżą lub aktami wandalizmu i kosztuje ok. 40 euro rocznie. Raz na kilka lat, w zależności od wymagań producenta kolektorów, należy wymienić płyn solarny (glikol).

Podsumowanie

Wykorzystanie ciepła z kolektorów słonecznych przechodzi obecnie renesans w wielu krajach europejskich. Wynika to z coraz wyższych wymagań dla budynków w zakresie redukcji emisji oraz korzystania z energii odnawialnej, a także dążenia użytkowników do redukcji kosztów ogrzewania. W przyszłości, gdy będą obowiązywać reguły wymuszające dekarbonizację w ogrzewnictwie, energia słoneczna będzie jednym z kluczowych rozwiązań. Przejście na ogrzewanie zasilane energią odnawialną wiąże się jednak z koniecznością głębokiej termomodernizacji istniejących budynków. Podwyższanie standardu efektywności budynków to proces wymagający czasu i nie wszędzie będzie to możliwe ze względów ekonomicznych lub technicznych. Dlatego wykorzystanie instalacji hybrydowych, które przynajmniej w części pozwolą ograniczyć zużycie paliw czy energii elektrycznej, a przez to ograniczyć emisję CO2 do atmosfery, jest praktycznym rozwiązaniem, które można zaadaptować do istniejących budynków stosunkowo niskim kosztem, uzyskując praktycznie od razu wymierny efekt ekologiczny i ekonomiczny.

W nowych budynkach instalacje kolektorów słonecznych są uzupełnieniem innych źródeł ciepła, co ma pozytywny wpływ na żywotność tych źródeł i koszty eksploatacji (zużywanych paliw lub energii elektrycznej). Instalacje hybrydowe będą stosowane coraz częściej także z uwagi na możliwości dywersyfikacji nośników energii oraz wykorzystania zasobów lokalnych. Transformacja energetyczna w UE i podnoszenie bezpieczeństwa energetycznego przy równoczesnym odchodzeniu od paliw kopalnych to planowana elektryfikacja ok. 1/3 zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania w budynkach mieszkalnych oraz 1/2 w budynkach komercyjnych. Scenariusze rozwoju ogrzewnictwa wskazują, że znaczna część zapotrzebowania na ciepło w budynkach mieszkalnych, których nie obejmie ogrzewanie zasilane energią elektryczną, będzie musiała korzystać z ciepła wytwarzanego z OZE, takich jak energia słoneczna, biomasa i biometan, oraz z gazów zdekarbonizowanych, głównie wodoru, i technologii magazynowania ciepła.

Literatura

1. Instalacje kolektorów słonecznych do wspomagania instalacji ogrzewania w budynkach, SPIUG 2021, https://spiug.pl/raporty/planowanie-instalacji-kolektorow-slonecznych-do-wspomagania-ogrzewania-w-budynkach/
2. Wytyczne dotyczące zasady konstrukcji domu słonecznego opisane w broszurze wydanej przez SPIUG pt.: Minimalizacja kosztów ogrzewania w praktyce: czy można ogrzać dom ciepłem słonecznym?
3. Materiały techniczne: Sonnenhaus Institut e.v, www.solaranlagen-portal.com, BDH, Solar Heat Europe, Net4energy, Minergie, Sonne Wind & Wärme