Podgrzewanie wody słońcem – jak działają kolektory słoneczne?

Słoneczne podgrzewanie wody polega na tym, że kolektor na dachu zamienia promieniowanie w ciepło, a płyn solarny przenosi je do zasobnika w budynku. Dobrze zaprojektowana instalacja pokrywa średnio około 50–60% rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę. Latem bywa to całość, zimą tylko ułamek. Dlatego kolektor pracuje w parze z kotłem, grzałką albo pompą ciepła.

Jak kolektor słoneczny zamienia promieniowanie w ciepłą wodę?

Kolektor pochłania promieniowanie słoneczne i zamienia je w ciepło, które płyn solarny przenosi z dachu do ciepłej wody użytkowej w zasobniku. Ciepło powstaje w absorberze, czyli ciemnej płycie z powłoką selektywną i przylutowanymi rurkami. Stamtąd przejmuje je płyn krążący w obiegu zamkniętym. Pompa cyrkulacyjna tłoczy nagrzany płyn do wężownicy w dolnej części zasobnika CWU. Tam płyn oddaje ciepło wodzie i schłodzony wraca na dach, ale nigdy się z nią nie miesza.

O tym, kiedy obieg rusza, decyduje sterownik mikroprocesorowy, który porównuje odczyty dwóch czujników. Pompa włącza się przy nastawionej różnicy temperatur. Kolektor musi o nią przewyższać temperaturę dolnej strefy zasobnika. Wielkość uzysku zależy od położenia kolektora. Połać powinna być skierowana na południe, nachylona pod kątem 30–45° i wolna od cienia w godzinach najmocniejszego słońca.

Kolektor płaski, próżniowy i zestaw kompaktowy

Konstrukcje różnią się sposobem ograniczania strat ciepła i miejscem, w którym stoi zbiornik z wodą. Wybór zależy od ceny i od tego, ile ciepła instalacja ma dawać w chłodnych miesiącach.

Kolektor płaski

Kolektor płaski to prostokątna skrzynia. Składa się z aluminiowej ramy, hartowanej szyby solarnej, absorbera z powłoką selektywną i warstwy wełny mineralnej od spodu. Uchodzi za uniwersalny, bo jest prosty w montażu i tani w przeliczeniu na metr kwadratowy.

Od wiosny do jesieni dobrze radzi sobie z grzaniem wody dla domu. Przewagę traci przy niskiej temperaturze otoczenia. Gorący absorber oddziela wtedy od mroźnego powietrza tylko szyba i izolacja, więc straty rosną i do zasobnika trafia coraz mniej ciepła.

Kolektor próżniowy heat pipe

Kolektor próżniowy to rząd szklanych rur o podwójnych ściankach, spomiędzy których wypompowano powietrze. Próżnia nie przewodzi ciepła, więc absorber traci niewiele energii nawet przy mrozie i wietrze. W każdej rurze biegnie miedziana rurka heat pipe z niewielką ilością cieczy. Ciecz paruje pod wpływem ciepła, w głowicy oddaje je płynowi solarnemu i po skropleniu spływa w dół. Za wyższą cenę dostajemy więc wyraźnie lepszą pracę w chłodne i pochmurne dni.

Zestaw kompaktowy ze zbiornikiem

Zestaw kompaktowy łączy kolektor i zbiornik na wspólnym stelażu. Woda krąży w nim grawitacyjnie, bez pompy i sterownika. W instalacji z zasobnikiem w budynku zbiornik stoi w ciepłym pomieszczeniu i współpracuje z kotłem. W kompakcie stoi na dachu albo w ogrodzie.

Wersja bezciśnieniowa ma otwarty zbiornik. Woda płynie w niej bezpośrednio przez szklane rury. Przy przymrozku woda w rurach zamarza, więc ta wersja nadaje się wyłącznie do pracy sezonowej. Wersja ciśnieniowa, podłączona do wodociągu, może pracować dłużej, choć zbiornik na zewnątrz nocą stygnie.

Czy solary grzeją wodę zimą i w pochmurne dni?

Kolektory grzeją wodę także zimą i w pochmurne dni, ale ich uzysk wyraźnie wtedy spada. Przy zachmurzeniu do absorbera dociera głównie promieniowanie rozproszone. Jest słabsze, ale wciąż użyteczne.

Według danych producentówy zimą dobrze zaprojektowany system pokrywa średnio około 50–60% rocznego zapotrzebowania na ciepłą wodę. W najsłabszym, zimowym okresie do powierzchni dociera jednak tylko około 20% rocznego nasłonecznienia. Ta sama instalacja dostarcza wtedy zaledwie 10–30% potrzebnej energii.

Resztę musi uzupełnić konwencjonalne źródło ciepła. Dlatego instalacja solarna z zasobnikiem w budynku współpracuje z kotłem, grzałką elektryczną albo pompą ciepła. Współpracę obu źródeł umożliwia budowa podgrzewacza wody. Zasobnik biwalentny ma dwie wężownice, dolną dla płynu solarnego i górną dla drugiego źródła. Słońce wstępnie ogrzewa wodę, a kocioł czy grzałka dogrzewają górną strefę do temperatury użytkowej.

Kolektor słoneczny czy fotowoltaika z grzałką do wody?

Kolektor słoneczny oddaje ciepło wprost. Panel fotowoltaiczny daje prąd, który na ciepło zamienia dopiero grzałka elektryczna w zasobniku CWU. Według porównania producenta kolektorów w cyklu grzania wody do 45°C kolektor osiąga średnio 60% sprawności. Panel osiąga 15%. Obie wartości dotyczą nasłonecznienia 1000 W/m². Oba systemy warto porównać według czterech praktycznych kryteriów:

• Powierzchnia – według producenta ta sama ilość ciepłej wody wymaga kilkukrotnie większej powierzchni paneli niż kolektorów.
• Praca zimą – oba źródła dają wtedy niewiele, bo brakuje słońca. Panel nie potrzebuje jednak ochrony przed mrozem, a kolektor pracuje na glikolu.
• Prostota instalacji – grzałkę z panelami łączą przewody i sterownik MPPT dopasowujący obciążenie do chwilowej mocy. Kolektor wymaga rur, pompy i płynu solarnego.
• Elastyczność – prąd z paneli zasila inne odbiorniki, gdy woda jest już gorąca. Ciepło z kolektora trafia tylko do wody.

Który system wybrać, skoro oba korzystają z tego samego słońca? Kolektor wygrywa przy małym dachu, dużym zużyciu wody i braku paneli. Właścicielowi instalacji PV z letnimi nadwyżkami zwykle wystarczy dołożyć grzałkę. Grzanie wody fotowoltaiką nie wymaga wtedy nowego miejsca na dachu ani drugiego obiegu.

Komu słoneczne podgrzewanie wody przynosi największe korzyści?

Światło słoneczne jest darmowe, ale realna korzyść zależy od czterech warunków. Największy efekt daje ich połączenie:

• Duże zużycie ciepłej wody latem – rodzina z dziećmi albo pensjonat wykorzystuje letni nadmiar ciepła.
• Drogie obecne źródło – największą różnicę w rachunkach widać przy grzałce elektrycznej, gazie płynnym i kotle, który latem pracuje tylko na wodę.
• Nasłoneczniony dach – połać ustawiona tak, jak opisano na początku, i niedaleko zasobnika.
• Emisyjne źródło do zastąpienia – emisja CO₂ spada najbardziej tam, gdzie kolektor słoneczny wypiera węgiel albo prąd z sieci.

Przy takim profilu domu jednorodzinnego kolektory mogą latem pokryć nawet 100% zapotrzebowania na ciepłą wodę.

Przegrzewanie i zamarzanie to słabe strony instalacji solarnej

Przegrzewanie zdarza się latem. Zasobnik osiąga wtedy temperaturę maksymalną, pompa staje, a słońce dalej grzeje kolektor, z którego nikt nie odbiera ciepła. Ten stan nazywa się stagnacją. Temperatura kolektorów próżniowych może wtedy przekraczać 300°C.

Na początku stagnacji, przy 140–150°C, glikol zostaje wyparty z kolektora, więc się nie przegrzewa. Wypartą objętość przejmuje naczynie wzbiorcze. Zanik prądu w upalny dzień wywołuje ten sam scenariusz, dlatego sterownik może podtrzymać pracę z zasilacza awaryjnego UPS.

Przegrzewanie dotyczy też samej wody, która w zasobniku bywa gorętsza niż 60°C. Przepisy o temperaturze wody wymagają, by w punktach czerpalnych dało się uzyskać wodę o temperaturze nie niższej niż 55°C. Górna granica wynosi 60°C. Przed poparzeniem chroni zawór termostatyczny na wyjściu ciepłej wody, który domieszkuje do niej zimną. Przepisy wymagają ponadto, by instalacja miała zabezpieczenie przed przekroczeniem dopuszczalnego ciśnienia i temperatury.

Ciepła woda, która długo stoi w zasobniku, może sprzyjać namnażaniu bakterii legionelli. Te same przepisy wymagają, by do dezynfekcji termicznej dało się uzyskać w punktach czerpalnych wodę o temperaturze co najmniej 70°C. Sterownik albo kocioł przegrzewa wtedy wodę według harmonogramu, co ogranicza ryzyko. Nie zastępuje to jednak dbałości o całą instalację.

Zamarzaniu zapobiega glikol propylenowy, który z czasem traci właściwości. Instalacje często pracują na tym samym glikolu dłużej niż 10 lat, pod warunkiem systematycznych przeglądów. Przegląd obejmuje pomiar odporności płynu na mróz, kontrolę ciśnienia i szczelności złączek, które cały czas na przemian się nagrzewają i stygną.

Ile kosztuje instalacja solarna i kiedy się zwraca?

Kompletna instalacja dla czteroosobowej rodziny kosztuje według cenników od 12000–13000 zł brutto z montażem. W tej cenie są dwa lub trzy kolektory płaskie, zasobnik CWU o pojemności około 300 l, grupa pompowa i sterownik.

Co właściwie porównujemy, zestawiając ceny ze sklepów? Najprostsze zestawy kompaktowe kosztują od kilkuset do kilku tysięcy złotych. Całoroczny system z zasobnikiem to inna kategoria urządzeń. Kolektor próżniowy podnosi cenę zestawu o kilka tysięcy złotych. Sam montaż kosztuje według części cenników 1,5–4 tys. zł, zależnie od rodzaju dachu i długości rur do zasobnika.

Okres zwrotu nie jest stały. Wynika z trzech zmiennych:

• Cena wypieranego źródła – przy tanim gazie ziemnym zwrot wyraźnie się wydłuża.
• Zużycie wody – oszczędność daje tylko ciepło, które faktycznie trafi do kranu.
• Dofinansowanie – dotacja albo ulga podatkowa zmniejsza kwotę, którą trzeba odzyskać.

Rachunek najlepiej zacząć od obecnych wydatków. Koszt podgrzania 1 m³ wody obecnym źródłem mnożymy przez roczne zużycie i udział słońca, a wynik porównujemy z ceną instalacji po dotacji.

Kolektory słoneczne figurują w urzędowym wykazie wydatków objętych ulgą termomodernizacyjną. Wykaz obowiązuje od 1 stycznia 2019 r. i był od tego czasu zmieniany. Ulga pozwala odliczyć od dochodu do 53 tys. zł na podatnika, ale tylko w części niepokrytej dotacją.

W programie Czyste Powietrze kolektory są kosztem kwalifikowanym w instalacji ciepłej wody użytkowej. W instalacji centralnego ogrzewania wchodzą jako element hybrydowego systemu z nowym źródłem ciepła. Warunki zmieniają się z kolejnymi naborami.