Maty grzewcze współpracujące z fotowoltaiką – przyszłość ogrzewania domów jednorodzinnych

Panele fotowoltaiczne zyskały w ostatnich latach ogromną popularność i można je obecnie spotkać dosłownie wszędzie – na budynkach i w ich otoczeniu. Ponieważ są one źródłami energii odnawialnej, na ich zakup i montaż można uzyskać dotacje.

 W 6 edycji rządowego programu Mój Prąd będzie można uzyskać wysokie dotacje także do coraz popularniejszych magazynów energii. Pozwalają one na gromadzenie nadwyżek energii produkowanej przez panele PV oraz pewne uniezależnienie się od dostawców energii (niekorzystne rozliczenia w tzw. net-billingu). Natomiast maty grzewcze stanowią ekologiczną, a zarazem ekonomiczną formę elektrycznego ogrzewania podłogowego, która zyskuje coraz większe zainteresowaniem inwestorów. Tzw. podłogówka ma wiele zalet w stosunku do tradycyjnych grzejników. Jej połączenie z fotowoltaiką jest doskonałym przykładem taniego i ekologicznego rozwiązania ogrzewania domu jednorodzinnego.

Podstawowe informacje techniczne

Czym są maty grzewcze?

Zbudowane są z elementu grzejnego - cienkiego przewodu oporowego - ułożonego na samoprzylepnej siatce z włókna szklanego i przeznaczone do systemów elektrycznego ogrzewania podłogowego. Obecnie oferowane są również nowoczesne maty grzewcze produkowane na bazie taśm z metalu amorficznego (szkła metalicznego). Materiał ten jest bardzo elastyczny i jednocześnie niezwykle wytrzymały oraz posiada duży opór elektryczny. Dzięki tym właściwościom wykorzystujące go maty grzewcze mogą być bardzo cienkie (zaledwie 2,2 mm), co ma znaczenie, ponieważ nie podnoszą one znacząco podłogi. Taśmy pokrywają co najmniej 25% powierzchni podłogi (dla porównania przewody w zwykłych matach jedynie 1-2%) oraz nagrzewają się szybko do zaledwie 30°C, (dla porównania: przewody do 60°C). Dzięki temu maty te utrzymują odpowiednio niską temperaturę powierzchni podłogi i ogrzewają ją równomiernie. Mogą być układane bezpośrednio pod każde wykończenie podłogi: panele, płytki ceramiczne, drewno czy wykładzinę. Przy wykorzystaniu termostatu można zaoszczędzić 20-40% energii elektrycznej. Podczas regulacji temperatury cykl grzania będzie znacznie krótszy od cyklu stygnięcia – w domu z dobrą izolacją termiczną pobór prądu będzie trwał tylko 25% czasu pracy, czyli 6 godzin w ciągu doby. Maty grzewcze oferowane są w wersjach o mocy: 50, 75, 100, 120, 150 oraz 200 W/m², zaś termostaty w wersji manualnej lub programowalnej.

Czym są panele fotowoltaiczne?

Panele fotowoltaiczne (PV) zamieniają padające na nie światło słoneczne na energię elektryczną. Generują one napięcie stałe (DC), dlatego jest ono następnie zamienianie w tzw. inwerterach na napięcie zmienne 230 V AC, takie jak w sieci energetycznej i domowej instalacji elektrycznej. Wydajność paneli PV zależy ich sprawności, umiejscowienia oraz warunków atmosferycznych (nasłonecznienia). Sprawność to procentowa ilość wytworzonej energii elektrycznej w porównaniu do wykorzystanej energii słonecznej. Obecnie produkowane panele monokrystaliczne posiadają sprawność 20-22%, zaś polikrystaliczne 16-18%. Moc elektryczną systemów PV mierzymy w kWp (kilowatopikach), zaś paneli w Wp (watopikach). W Polsce najpopularniejsze są panele o mocy 330 – 580 Wp. Praktyczna reguła mówi, że każdy 1 kWp prawidłowo dobranej i zamontowanej instalacji PV w polskim klimacie oznacza wyprodukowanie 1000 kWh energii elektrycznej rocznie. Typowa instalacja fotowoltaiczna dla nowych domów jednorodzinnych ma przeważnie moc około 4 kWp, czyli produkuje ok. 4000 kWh rocznie. Jednak dla mat grzewczych potrzebna jest znacznie większa moc, 7 kWp i więcej, o czym piszemy w dalszej części artykułu.

Integracja systemów: fotowoltaiki z matami grzewczymi

Panele fotowoltaiczne można wykorzystać do zasilania systemów grzewczych w domu: nie tylko mat do podłogówki, ale także folii na podczerwień lub pomp ciepła. Jednak bardzo ważne jest prawidłowe dobranie mocy zarówno paneli, jak i elektrycznych elementów grzewczych, zależnie od kilku czynników, głównie powierzchni domu, jego zapotrzebowania na energię (dom energooszczędny a najlepiej pasywny będzie lepszy pod tym względem od tradycyjnego) oraz tego, czy ogrzewanie podłogowe z matami elektryczne ma być jedynym źródłem ciepła w domu, czy tylko uzupełniającym, np. instalację CO z grzejnikami. Nie jest to zadanie łatwe, dlatego najlepiej zlecić je specjalistom.

2. Zalety połączenia fotowoltaiki z matami grzewczymi

Systemy fotowoltaiczne posiadają następujące zalety:

• Niższe rachunki za energię elektryczną.
• Znaczne uniezależnienie się od podwyżek cen energii.
• Możliwość uzyskania dofinansowania na zakup i montaż – głównie z programów rządowych
• Wykorzystywanie niewyczerpalnej energii ze Słońca
• Łatwość obsługi i komfort użytkowania
• Redukcja emisji CO₂ do atmosfery, co oznacza korzystny wpływ na środowisko naturalne

Natomiast zaletami elektrycznego ogrzewania podłogowego są:

• Mniejsza ilość zużywanej energii w porównaniu do grzejników elektrycznych
• Pracą elektrycznych systemów grzewczych sterują inteligentne termostaty, co oznacza jednocześnie wygodę dla użytkowników i oszczędność zużywanej energii.
• Oszczędność miejsca i estetyka w pomieszczeniu
• Równomierny rozkład temperatur na podłodze oraz korzystny dla człowieka rozkład temperatur w pionie,
• Brak przesuszania powietrza i unoszenia się kurzu
• Połączenie tych dwóch systemów da nam 2 dodatkowe zalety:
• Większa autokonsumpcja energii elektrycznej wygenerowanej przez instalację fotowoltaiczną - zwykle jest ona poziomie około 20-40%, a nadwyżki oddawane do sieci.
• Inwestycja w fotowoltaikę zwróci się szybciej - prawdopodobnie w ciągu 3-6 lat (zamiast 6-10)

Koszty eksploatacji

Do ogrzewania elektrycznego domu nie energooszczędnego potrzeba w przybliżeniu 70-150 kWh/m²*rok. Oznacza to, że przy cenie prądu 1,22 zł/1 kWh koszty ogrzewania matami grzewczymi zasilanymi z sieci (bez fotowoltaiki) wyniosą 85-183 zł/m². Dla właścicieli domu o powierzchni użytkowej domu 100m² oznacza to wydatek 8500-18300 zł rocznie, jednak nikt nie gwarantuje, że ceny energii nie będą dalej szły w górę. Liczby te pokazują jednak, ile możemy zaoszczędzić montując fotowoltaikę.

3. Wyzwania i ograniczenia

Koszty instalacji PV

Mała instalacja fotowoltaiczna dla domu jednorodzinnego oznacza wydatek około kilkunastu-kilkudziesięciu tysięcy złotych. Jednak beneficjenci rządowych programów dofinansowania mogą uzyskać zwrot ponad 50% tych kosztów. Gdy instalacja PV zasila elektryczne ogrzewanie podłogowe, to taka inwestycja zwraca się często już w ciągu 5 lat lub szybciej. Opłacalność zainstalowania paneli PV jest tym większa, im więcej energii elektrycznej zużywa budynek i im większa jest instalacja (ceny zestawów spadają proporcjonalnie do wielkości fotowoltaiki). Jeżeli fotowoltaika ma być również wykorzystywana do zasilania oświetlenia, sprzętu RTV, AGD, komputerowego itd. w domu, to inwestycja zwraca się jeszcze szybciej. Koszt paneli PV stanowi około połowę kosztów całej instalacji. W 2024 r ceny paneli wynoszą od 1000 do 6000 zł za 1 kWp mocy. Zależą one od producenta i wydajności.

Zależność wydajności fotowoltaiki od pory roku i pogody

Panele fotowoltaiczne produkują energię również zimą, gdy dzień jest znacznie krótszy, przeważnie panuje zachmurzenie a temperatury na zewnątrz są niższe (nawet do -40°C). Zimą promieniowanie słoneczne jest 6-8 razy słabsze niż latem. Praktycznie w Polsce panele o mocy 1 kWp mogą wytworzyć w styczniu zaledwie 20-30 kWh energii elektrycznej, w lutym ok. 60 kWh, natomiast w okresie letnim aż 180 kWh miesięcznie. Zimą możemy jednak wykorzystać prąd z sieci na podstawie rozliczeń z dostawcą energii, jeśli odsprzedawaliśmy nadwyżki energii produkowanej przez fotowoltaikę latem. Ponadto coraz popularniejsze i tańsze staja się magazyny energii, w których właściciele domów mogą gromadzić te nadwyżki.

Wymagania formalno- prawne i techniczne

W Polsce mikroinstalacje fotowoltaiczne o mocy do 50 kW nie wymagają pozwolenia na budowę ani zgłaszanie w urzędzie. Wyjątkiem są instalacje na obszarze lub obiekcie wpisanym do rejestru zabytków. W takiej sytuacji konieczne jest dokonanie zgłoszenia oraz otrzymanie zgody konserwatora zabytków. Ponadto jeżeli instalacja będzie wpływać na konstrukcję dachu, potrzebne będzie odpowiednie pozwolenie. Każda nowopowstała instalacja PV o mocy powyżej 6,5 kW musi zostać zgłoszona Państwowej Straży Pożarnej. Natomiast na etapie projektu konieczne jest uzgodnienie tej instalacji z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych. Po wykonaniu mikroinstalacji PV właściciel budynku musi przed jej uruchomieniem załatwić formalności z dostawcą energii elektrycznej (Zakładem Energetycznym). Jeśli moc paneli fotowoltaicznych nie przekracza mocy przyłączeniowej określonej w umowie o dystrybucji energii elektrycznej to wystarczy zgłosić operatorowi sieci przyłączenie mikroinstalacji, jednak co najmniej 30 dni przed jej planowanym uruchomieniem. Natomiast gdy moc ta będzie wieksza, trzeba złożyć wniosek o ponowne określenie warunków przyłączenia do sieci i podpisać nową umowę. Aby zagwarantować niezawodne działanie oraz odpowiednią ochronę, instalacje PV powinno się zaprojektować i wykonać zgodnie z obowiązującymi przepisami, normami i rozwiązaniami technicznymi. Projekt instalacji fotowoltaicznej powinien być wykonany właściwie, gdyż w przeciwnym razie osiągnie zbyt małą wydajność, lub będzie przewymiarowana (zbyt duża i droga jak na potrzeby domu). Projekt powinna wykonać osoba, która posiada odpowiednie uprawnienia budowlane oraz certyfikat w zakresie systemów fotowoltaicznych. Elementy instalacji, takie jak moduły PV, inwertery, optymalizatory mocy, konstrukcje wsporcze powinny mieć odpowiednie parametry techniczne (np. sprawność ogniw fotowoltaicznych minimum 16%). System musi być wyposażony w ochronę przeciwporażeniową (zabezpieczenie użytkowników), przed przepięciami oraz odgromową.

4. Przypadek praktyczny domu z instalacją PV oraz elektrycznym ogrzewaniem podłogowym z matami.

Moce ogrzewania podłogowego z matami grzewczymi oraz zasilającej instalacji PV zależą głownie od powierzchni budynku, jego lokalizacji oraz ocieplenia i szczelności (energooszczędności) i najlepiej powinna być dobrana przez eksperta. Jednak, aby zobrazować sytuację, podamy przykład domu o popularnej powierzchni użytkowej 144 m² i klasie energetycznej 50 kWh/m² (wg serwisu enerad.pl). Na potrzeby samego ogrzewania i wentylacji zużywa on ok. 7200 kWh energii rocznie (do produkcji ciepłej wody użytkowej dla 4 osób dodatkowo będzie potrzebne ok. 3800 kWh). Jeżeli do ogrzania budynku wykorzystywana będzie podłogówka z matami grzewczymi, w których praktycznie cała energia elektryczna zamienia się na ciepło (sprawność 99-100%), to moc instalacji fotowoltaicznej wynosi minimum 7,2 kW. Cena takiej instalacji to około 30 000 – 40 000 zł. Natomiast koszty wykonania ogrzewania podłogowego z matami grzewczymi dla tego budynku to około 28 000 zł. Roczne koszty eksploatacji takiego systemu grzewczego przy zasilaniu z sieci energetycznej wyniosą obecnie ok. 7000 zł. Widać więc, ile można zaoszczędzić zakładając fotowoltaikę, dzięki której mamy darmowy prąd.

5. Przyszłość ogrzewania podłogowego i fotowoltaiki

Nowe technologie w branży fotowoltaiki

Podstawowym elementem każdego systemu PV jest moduł, który zamienia energię słoneczną w elektryczną. Systematycznie wzrasta sprawność tych elementów. Panele jednej z firm, wykorzystujące technologię IBC, uzyskują sprawność niemal 25%. Podobny wynik uzyskują panele heterozłączowe HJT. Natomiast ogniwa tandemowe, wykorzystujące krzem i perowskit, mają w przyszłości uzyskać sprawność ponad 30%. Rozwijana jest również technologia drukowania paneli PV, co pozwoli obniżyć koszty. Trwają prace nad opracowaniem ogniw przezroczystych i elastycznych. Coraz częściej stosowane są także panele z powłokami antyrefleksyjnymi, które zwiększają absorpcję światła słonecznego. Innowacje obejmują również pozostałe elementy instalacji PV. Są to np. tzw. trackery, czyli układy śledzące położenie Słońca i automatycznie kilka razy dziennie zmieniające położenie paneli tak, aby były one ustawione optymalnie. Dzięki temu mogą one wyprodukować nawet o 40% więcej energii elektrycznej. Coraz większą popularnością cieszą się systemy BIPV, czyli systemy fotowoltaiczne zintegrowane z budynkami. Wykorzystuje się w nich panele cienkowarstwowe, wyjątkowo lekkie i elastyczne oraz mogące przyjmować niemal dowolne kształty. Montowane na dachach, ścianach i oknach. Wytwarzają energię elektryczną i pełnią funkcje strukturalne.

Instalacje fotowoltaiczne a ekologia

Ze względu uwagi na lawinowo rosnącą liczbę instalacji fotowoltaicznych, znajdowanie nowych możliwości utylizacji zużytych paneli PV nabrało dużego znaczenia. Opracowano już skuteczne techniki odzyskiwania szkła, aluminium, krzemu oraz innych materiałów. Ponadto prowadzone są badania nad ogniwami PV, wykorzystującymi związki organiczne oraz biomateriały, czyli surowce odnawialne. Opracowywane są też bardziej przyjazne dla środowiska technologie łączenia ogniw, nie wykorzystujące toksycznego ołowiu.

Podsumowanie 

Jak widzimy, systemy fotowoltaiczne rozwijają się szybko i są coraz popularniejsze, ponieważ oferują dostarczanie darmowej energii elektrycznej, uniezależnienie się od coraz droższej energii elektrycznej i są ekologiczne. Wykorzystywanie darmowej energii ze Słońca oznacza mniej CO₂ z elektrowni węglowych i własnych kotłów, uwalnianego do atmosfery. Natomiast elektryczne systemy podłogowe, wykorzystujące maty grzejne, oferują właścicielom domów jednorodzinnych możliwość taniego i zdrowego ogrzewania pomieszczeń. Instalacje fotowoltaiczne są praktycznie bezobsługowe, pracą elektrycznych systemów grzewczych sterują inteligentne termostaty. Oznacza to wygodę dla mieszkańców domów i oszczędności zużywanej energii. Technologie PV będą się dalej rozwijać, głównie w kierunku coraz większej sprawności wytwarzania energii ze Słońca oraz zmniejszania oddziaływania na środowisko.

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (T.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.ogrzewnictwo.pl