Dobór kolektorów słonecznych. Przyjmowanie mocy

Dobór urządzeń instalacji solarnej jest czynnością, którą powinno poprzedzić uzyskanie dokładnej informacji o zapotrzebowaniu na ciepłą wodę i charakterze jej rozbioru.

W przypadku małych instalacji domowych dobór ten jest ograniczony raczej do standardowych rozwiązań. Ponieważ jednak na rynku dostępne są różne kolektory i różne podgrzewacze, postaramy się przybliżyć uniwersalne zasady, którymi należy kierować się przy doborze urządzeń.

W polskich warunkach klimatycznych, w słoneczny dzień można uzyskać z jednego metra kwadratowego powierzchni czynnej kolektora od 3 do 3,5 kWh energii. Wartość ta potwierdzona jest badaniami, jak również wyliczeniem, że instalacja może pracować przez około sześć godzin dziennie przy średniej wartości promieniowania słonecznego 800 W/m² i średniej sprawności około 65%. Dlatego wskazana powyżej wartość energii stanowi podstawę doboru baterii kolektorów w stosunku do zapotrzebowania na ciepłą wodę w danej instalacji.

Sprawność optyczna

W wykonywanych projektach bardzo często obserwujemy przyjmowanie mocy kolektora jako wielkości decydującej o doborze ilości kolektorów. Najczęściej przyjmowana jest moc maksymalna, wynikająca ze sprawności optycznej („eta zero") i promieniowania słonecznego na poziomie G = 1000 W/m², z pominięciem strat na skutek różnicy temperatur. Są to więc warunki czysto teoretyczne, z którymi nie mamy do czynienia w rzeczywistości. Ponadto w czasie pracy kolektora mamy do czynienia z ciągłą zmianą mocy, z jaką pracuje. Niestety faktu tego nie znają, bądź nie chcą znać, „fachowcy" od tworzenia materiałów marketingowych i reklamowych, a co jest też o wiele bardziej szkodliwe dla przyszłych użytkowników -osoby tworzące specyfikacje przetargowe. Panuje tutaj wyścig na wyższą sprawność optyczną, która, niestety, w wielu przypadkach jest zawyżana. Jako dokument potwierdzający rzekomo wysoką sprawność wielu dostawców na polskim rynku często przedstawia wyniki badań wykonanych przez jedyne polskie laboratorium. Z powodu szeregu nieprawidłowości Polskie Centrum Akredytacji cofnęło jednak w minionym roku akredytację do wykonywania badań kolektorów słonecznych przez to laboratorium. Pomimo tego wydane wcześniej raporty z badań, paradoksalnie, nadal zachowują swoją ważność. Przy sprawdzaniu wartości sprawności optycznej najbezpieczniej jest posługiwać się danymi z europejskiego certyfikatu Solar Keymark.

W przypadku doboru powierzchni kolektorów płaskich nie musimy rozpatrywać ich specyficznych parametrów, gdyż, poza szczególnymi przypadkami, wydajności tych urządzeń w dobrych warunkach pogodowych są do siebie zbliżone. Nieco inaczej może być w przypadku kolektorów próżniowych, gdzie ich sprawność optyczna może się różnić nawet o ponad 25%. Generalnie jednak z tej samej powierzchni czynnej, w przypadku kolektora próżniowego, w słoneczny dzień możemy uzyskać tylko niewiele więcej energii niż z kolektora płaskiego. Ich przewaga ujawnia się przede wszystkim w przypadku słabszych wartości promieniowania, jak również w niskich temperaturach otoczenia. Tak więc mając dzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę o temperaturze 45°G (podgrzanie o 35°G), w ilości 200 1 (4 osoby po 50 1), teoretyczne zapotrzebowanie na energię do jej ogrzania będzie wynosiło około 8 kWh. Ponieważ należy uwzględnić sprawność wynikającą ze strat podgrzewacza i ewentualnej cyrkulacji na poziomie 10%, zapotrzebowanie na energię cieplną zwiększamy do około 9 kWh. Biorąc pod uwagę przyjętą wydajność zim² powierzchni kolektora, nasze potrzeby w słoneczny dzień może zaspokoić około 2,6-3 m² jego powierzchni czynnej. W praktyce jednak w słoneczny dzień dopuszczamy w podgrzewaczu osiągnięcie wyższej temperatury sięgającej max. 65°G. Uwzględniając wymienioną uprzednio sprawność instalacji, rzeczywista energia, którą możemy bezpiecznie i efektywnie zmagazynować, będzie wynosiła 13-14 kWh, a odpowiadająca temu powierzchnia czynna kolektorów od 3,5 do 4 m2 dla 200 1 ogrzewanej wody. Ponieważ wyliczenia przeprowadzono dla bardzo korzystnego dla pracy kolektorów słonecznego dnia, każdy mniej pogodny dzień będzie dostarczał mniejszej ilości energii, a co się z tym wiąże -temperatura podgrzanej wody będzie niższa. W tym wypadku jednak z kolektorów próżniowych, przy zachowaniu identycznej powierzchni czynnej jak dla kolektorów płaskich, będziemy uzyskiwali wyższą temperaturę w podgrzewaczu niż w przypadku kolektorów płaskich. Panująca na rynku tendencja oferowania znacznie mniejszej powierzchni kolektorów próżniowych w stosunku do powierzchni kolektorów płaskich do tej samej pojemności podgrzewacza powoduje, że możemy być nieco rozczarowani w przypadku słonecznego dnia, jak również nie zauważymy przewagi tego typu kolektorów w dniach o znacznie mniejszym nasłonecznieniu.

Wyliczona poprzednio wartość powierzchni kolektorów (3,6-4 m²) w stosunku do pojemności podgrzewacza (200 l) pozwala na wyznaczenie optymalnego wskaźnika na poziomie od 50 do 55 l ogrzewanej wody na 1 m² powierzchni czynnej kolektora. Sprawia to, że optymalnie dobrane i najczęściej spotykane zestawy kolektorów dla naszych warunków klimatycznych to:

• podgrzewacz 200 l i 2 kolektory 1,8- 2 m² (3,5-4 m² sumarycznej powierzchni czynnej),
• Podgrzewacz 300 l i 3 kolektory 1,8-2 m² (5-6 m² sumarycznej powierzchni czynnej),
• podgrzewacz 500 l i 5 kolektorów 1,8-2 m² (9-10 m² sumarycznej powierzchni czynnej).


Zasady bezpiecznego doboru instalacji

1. Sprawa doboru zestawu zawsze pozostaje indywidualną decyzją użytkownika. Warto zatem, abyśmy mieli na uwadze kilka ważnych zasad:
2. Wybierając kolektor słoneczny do zestawu, należy kierować się nie tylko sprawnością optyczną, która powinna być jak najwyższa, ale również bardzo ważnymi współczynnikami strat, które powinny być jak najmniejsze;
3. Dane kolektorów słonecznych najlepiej pozyskać z niezależnych od producentów źródeł, przy czym za w pełni wiarygodne możemy uznać dane stanowiące załącznik do certyfikatu Solar Keymark: http://solarkey.dk/so-larkeymarkdata/qCollectorCertifica-tes/ShowQCollectorCertificatesTa-ble.aspx, który stanowi podstawowy i wyłączny warunek uzyskania dofinansowania w większości krajów Europy, niestety za wyjątkiem Polski;
4. Kolektor słoneczny nie działa jak zainstalowany kocioł centralnego ogrzewania, a dostarczona przez niego dobowa ilość energii jest bardzo uzależniona od warunków pogodowych;
5. Instalacja słoneczna wymaga większych pojemności akumulacyjnych ze względu na fakt, że godziny pozyskiwania energii słonecznej zazwyczaj nie pokrywają się z godzinami, w których korzystamy z podgrzanej wody;
6. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę może być bardzo zróżnicowane, od 30 do ponad 100 1 wody na osobę dziennie, dlatego decydując się na zakup zestawu solarnego, należy, o ile to możliwe, jak najdokładniej określić swoje potrzeby;
7. Przyjmowanie   mniejszej   powierzchni kolektorów niż wymagana, w stosunku do pojemności podgrzewacza, będzie skutkowało spadkiem ilości niezbędnej energii w dniach o mniejszym nasłonecznieniu, szczególnie w okresach przejściowych wiosny i jesieni, wymuszając częstszą pracę kotła oraz zwiększając koszt jednostkowy budowy instalacji, który przypada na 1 m² zainstalowanej powierzchni kolektorów;
8. Zawyżanie powierzchni kolektorów, w stosunku do zapotrzebowania i pojemności podgrzewacza, będzie powodowało nadmierne przegrzewanie wody i brak możliwości wykorzystania dostępnego promieniowania w okresie letnim, co będzie skutkowało obniżaniem ogólnej sprawności instalacji i przyczyni się do wydłużenia czasu zwrotu poniesionych nakładów;
9. Z uwagi na konieczność zastosowania w instalacji dodatkowych niezbędnych urządzeń, takich jak m.in. zespoły sterowniczo-pompowe, oruro-wanie, armatura, płyn do napełniania instalacji, budowanie bardzo małych instalacji, np. z 1 kolektorem i podgrzewaczem 100 1, będzie bardziej kosztowne w przeliczeniu na 1 m² zainstalowanej powierzchni kolektora. Każde zaś zwiększenie instalacji, aż do jej optymalnej dla danych potrzeb wielkości, będzie skutkowało obniżeniem wskaźnika kosztu jej budowy.
10. Jak widać, dobór wielkości instalacji, choć jest stosunkowo prosty, potrafi nastręczyć wiele kłopotu zarówno przyszłemu użytkownikowi, jak i początkującemu instalatorowi. Jednak kierowanie się powyższymi zasadami przy doborze instalacji, z pewnością pozwoli zapewnić oczekiwany efekt w postaci oszczędności.


Autor: Bartłomiej Kordek

źródło: www.instalator.pl