archirama.pl

Dom napędzany przez słońce - najlepsze na rynku kolektory słoneczne

W dobie, gdy energia, staje się coraz droższa, chętnie skłaniamy się do poszukiwania tańszych jej źródeł. Rośnie zainteresowanie niekonwencjonalnymi i przyjaznymi środowisku systemami. Jednym z najdostępniejszych na rynku są kolektory słoneczne, które energię z naszej nam najbliższej gwiazdy przemieniają w ciepło bądź prąd

Systemy słoneczne

Home for Lofe w Arhus w Danii - jeden z 6 modelowych domów aktywnych firmy VELUX, o minimalnym zapotrzebowaniu na energię

Fot: Dzięki uprzejmości Velux

Systemy wykorzystujące odnawialne źródła energii osiągnęły na tyle wysoki poziom technologiczny, że umożliwiło to powszechne ich wykorzystanie w budownictwie, a wiele z nich uważane jest już za technologie dojrzałe. Niemniej jednak wciąż są to rozwiązania dla inwestorów mogących pozwolić sobie na zaakceptowanie stosunkowo długiego okresu zwrotu inwestycji.

Zanim podejmie się decyzję o zakupie instalacji słonecznej, powinno się racjonalnie ocenić możliwości obniżenia zużycia energii w obiekcie. Energię słoneczną można wykorzystywać zarówno przez systemy aktywne, jak i pasywne. Do tych drugich należą rozwiązania architektoniczne budynku gwarantujące odpowiednie jej pochłanianie, magazynowanie i rozprowadzenie wewnątrz pomieszczeń. Działania te realizowane są przede wszystkim poprzez odpowiednie usytuowanie budynku i otwarcie go na promieniowanie słoneczne dzięki zastosowaniu dużych, przeszklonych powierzchni od strony południowej. Dotyczy to obiektów nowo projektowanych, niemniej jednak w każdym budynku możliwe jest ograniczenie strat energetycznych poprzez poprawę izolacyjności przegród zewnętrznych i dachu, ze szczególnym uwzględnieniem strony północnej, która charakteryzuje się największym współczynnikiem strat. Szacuje się, że w warunkach polskich zastosowanie rozwiązań pasywnych w budynku może ograniczyć wydatki na cele grzewcze o co najmniej 30%. Zanim wykorzysta się aktywne systemy słoneczne, warto rozważyć również niedoceniane rozwiązania pasywne.

W przypadku aktywnych systemów, energia promieniowania może zostać wykorzystana do wytworzenia ciepła bądź chłodu, jak również energii elektrycznej. Obecnie na rynku najczęściej stosowanymi systemami są instalacje kolektorów słonecznych do przygotowywania ciepłej wody użytkowej c w.u). Charakteryzują się one najwyższą sprawnością wśród systemów słonecznych. Zapewniają w skali całego roku nawet do 60% całkowitego zapotrzebowania na c.w.u.. System kolektorów słonecznych można opisać jako wymiennik ciepła służący do zamiany energii elektromagnetycznej promieniowania słonecznego na ciepło. Konwersja fototermiczna realizowana jest za pomocą zamkniętego obiegu czynnika roboczego, który cyrkulując pomiędzy kolektorem słonecznym a wymiennikiem ciepła, ogrzewa zimną wodę do ustalonej przez użytkownika temperatury. Nadmiar ciepła magazynowany jest w zasobnikach o odpowiednio dobranej objętości w stosunku do potrzeb odbiorcy.

Aby instalacja dobrze funkcjonowała, konieczny jest poprawny projekt systemu, nie tylko uwzględniający liczbę osób przebywających w budynku. Kluczem do optymalnej pracy instalacji jest przede wszystkim dobrze oszacowane, już w fazie projektu instalacji, dobowe zapotrzebowanie na c.w.u. Zainstalowane kolektory słoneczne mogą również służyć do ogrzewania pomieszczeń lub basenów kąpielowych. Warto jednak zaznaczyć, że tego typu rozwiązania wymagają znacznie większej powierzchni samych kolektorów słonecznych niż w przypadku instalacji do podgrzewania c.w.u. Ponadto są to systemy o większym stopniu skomplikowania, a co za tym idzie, znacznie droższe. Coraz większą popularność zdobywają tzw. systemy kombi, w których wytwarzane ciepło wykorzystywane jest zarówno na cele grzewcze, jak i do przygotowywania c.w.u. W ostatnich latach, częściej w krajach Europy Południowej, ale również i w Polsce, instalacje konwersji fototermicznej stosowane są do wytwarzania chłodu dla potrzeb klimatyzacji. Takich rozwiązań na ogół używa się w dużych obiektach biurowych. Aby wytworzyć chłód w systemie kolektorów słonecznych, konieczne jest zwiększenie temperatury czynnika grzejnego do poziomu 90°C. Dlatego też stosowane są zazwyczaj do tego celu kolektory próżniowe lub płaskie wyposażone w szybę antyrefleksyjną, zwiększającą przepuszczalność promieni słonecznych.

Krajowy rynek oferuje wiele rozwiązań technicznych możliwych do zastosowania w budownictwie, przemyśle czy w rolnictwie. Do celów grzewczych mogą być wykorzystywane kolektory płaskie przeszklone, próżniowe kolektory rurowe, kolektory nieprzeszklone i powietrzne. Kolektory nieprzeszklone (rzadko wykorzystywane w Polsce) służą głównie do podgrzewania wody w basenach ogrodowych. Podobnie jest w przypadku kolektorów do ogrzewania powietrza. Pomimo znacznego potencjału ich zastosowania w rolnictwie do procesów suszarniczych, a także do ogrzewania szklarni i tuneli foliowych, ich wykorzystanie jest sporadyczne. Natomiast blisko 69% zainstalowanej powierzchni kolektorów w 2007 roku stanowiły płaskie kolektory słoneczne, a 30,9% próżniowe. Porównując powyższe wyniki z tymi uzyskanymi w roku 2006, można stwierdzić dwukrotny wzrost zainteresowania klientów kolektorami próżniowymi. Spowodowane jest to głównie napływem kolektorów produkowanych w Chinach, których jakość i sprawność jest często adekwatna do proponowanej niskiej ceny.

Kolektory płaskie

Ich konstrukcję stanowi obudowa wyposażona w izolację cieplną. Wewnątrz umieszczony jest absorber wykonany z miedzi lub aluminium i powlekany warstwą pochłaniającą promieniowanie słoneczne. Obecnie stosowane powierzchnie absorpcyjne wykonane są zazwyczaj na bazie tlenków tytanu lub czarnego chromu. Wymianę ciepła pomiędzy absorberem a zbiornikiem akumulacyjnym zapewnia niezamarzający czynnik roboczy, najczęściej glikol. Aby zapewnić odpowiednio wysoki odbiór ciepła, pod płytą absorbera poprowadzona jest sieć przewodów czynnika roboczego w układzie meandrowym lub harfowym. Zastosowanie kolektorów z układem meandrowym zalecane jest w przypadku dużych systemów, gdzie połączone jest ze sobą kilka pojedynczych kolektorów. Rozwiązanie takie zapewnia równomierny przepływ czynnika roboczego przez całą baterię kolektorów.

Elementem wpływającym na pracę kolektora jest przykrywająca go szyba, chroniąca absorber przed negatywnym wpływem warunków zewnętrznych i nadmiernymi stratami ciepła. Dostępne na rynku kolektory słoneczne wyposażone są zazwyczaj w pokrycie ze szkła solarnego lub antyrefleksyjnego. Dla porównania warto podać kilka wartości obrazujących przepuszczalność promieniowania słonecznego. I tak zwykłe szkło charakteryzuje się przepuszczalnością w granicach 70-80%, szkło solarne 90%, natomiast szkło antyrefleksyjne odznacza się nawet przepuszczalnością promieniowania słonecznego w 95%.

Kolektory próżniowe

Podstawową zaletą jest ich bardzo dobra izolacja termiczna. Zredukowana do minimum ilość powietrza w kolektorze zmniejsza ruch konwekcyjny i tym samym minimalizuje straty ciepła na samym absorberze. Kolektory próżniowe na ogół produkowane są w postaci rur próżniowych, rzadziej jako kolektory płaskie. Rurowe kolektory próżniowe mogą występować jako jednowarstwowe lub podwójnie przeszklone. Pierwszy typ odbiera bezpośrednio promienie padające na powierzchnie absorbera, natomiast kolektor podwójnie przeszklony także absorbuje promienie odbite od zwierciadeł umieszczonych pod spodem całego układu rur próżniowych. Kolektory podwójnie przeszklone charakteryzują się lepszą izolacyjnością cieplną, ale mimo to niższą sprawnością pracy w porównaniu do kolektorów jednowarstwowych. Powodem jest ograniczony dostęp promieniowania słonecznego do absorberów umieszczonych na wprost zwierciadeł. W kolektorach próżniowych wymiana ciepła następuje poprzez bezpośredni przepływ czynnika roboczego przez absorber albo za pośrednictwem tzw. rurki cieplnej. W tym drugim przypadku transfer ciepła z absorbera do czynnika roboczego odbywa się samoczynnie przy pomocy czynnika cieplnego pracującego pod ciśnieniem. Podstawową zaletą układu rur próżniowych o przepływie pośrednim jest możliwość demontażu pojedynczego układu bez konieczności zatrzymania pracy całej instalacji w przypadku prac serwisowych.

Ogniwa fotowoltaiczne – baterie słoneczne

Ich zastosowanie umożliwia bezpośrednią produkcję energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Możliwe jest to dzięki powstaniu siły elektromotorycznej w materiale złącza półprzewodnikowego p-n wskutek oświetlenia powierzchni ogniw fotowoltaicznych promieniowaniem o ustalonej długości fali. Pierwsze panele fotowoltaiczne w celu uzyskania odpowiednio wysokiej sprawności zbudowane były głównie z materiału o strukturze monokrystalicznej i bardzo wysokiej czystości. Technologia ta była jednak bardzo kosztowna, a znaczna grubość i mała plastyczność materiału ograniczała zakres jej zastosowania. Z tego powodu na szeroką skalę rozwinęła się produkcja ogniw polikrystalicznych. Materiał wyjściowy do budowy tego typu paneli stanowi przede wszystkim krzem polikrystaliczny, jednak coraz większe zainteresowanie wzbudzają związki półprzewodnikowe, a w szczególności związki organiczne. Warto nadmienić, że już wykorzystywane cienkowarstwowe ogniwa polikrystaliczne przyczyniły się do znacznego obniżenia kosztów produkcji systemów fotowoltaicznych poprzez niskie zużycie materiału podczas produkcji. Ponadto, dzięki zastosowaniu ogniw polikrystalicznych, możliwe jest znaczne rozszerzenie zakresu absorpcji fotonów, nawet poza widmo światła widzialnego. Dodatkowo, dzięki plastycznym właściwościom polikrystaliczne warstwy ogniw nowej generacji, mogą być łatwo dopasowane do kształtu dachu lub elementów elewacji budynków. Jak na razie w Polsce zastosowanie ogniw fotowoltaicznych jest znikome. Najczęściej używa się ich do oświetlenia i zasilania znaków drogowych lub jako duże systemy budowane w celach badawczo-demonstracyjnych. W budownictwie jednorodzinnym prawie w ogóle nie znalazły zastosowania z powodu zbyt niskiej sprawności instalacji.

Na polskim rynku dostępna jest zróżnicowana oferta systemów słonecznych. Mogą być one montowane tradycyjnie na połaci dachu lub w nią wbudowane. Dobór odpowiedniej technologii uzależniony jest od wielu czynników, ale podstawowym jest przeznaczenie systemu. Klienci wybierają najczęściej kolektory płaskie. Jest to wynikiem kompromisu pomiędzy satysfakcjonującymi efektami pracy kolektorów płaskich a kosztami inwestycyjnymi. Są to najtańsze systemy na rynku, przy tym sprawdzone i powszechnie dostępne. Nie oznacza to wcale, że są pozbawione wad, zdarza się, że występują problemy eksploatacyjne. Jednym z takich mankamentów jest konieczność zastosowania mikrowentylacji obudowy kolektora. Powoduje to napływ powietrza do wnętrza konstrukcji i tym samym straty ciepła na absorberze.

Dodatkowo częstym zjawiskiem przy nowych instalacjach jest parowanie szyby kolektora. To skutek zastosowania takich materiałów izolacji termicznej jak wełna mineralna, która stale pochłania wilgoć z otoczenia i oddaje ją. Zastosowanie mikrowentylacji jest więc konieczne, aby zapewnić tzw. odpowiednie oddychanie kolektora. Problemy związane z izolacyjnością termiczną nie dotyczą natomiast kolektorów próżniowych. Poprawnie wykonany kolektor próżniowy nie ma prawa mieć wymiany gazowej ze środowiskiem. Instalacje z rurowymi kolektorami próżniowymi charakteryzują się wyższą sprawnością, ale również wyższymi kosztami inwestycyjnymi. Dzięki zastosowaniu tego typu systemu użytkownik jest w stanie dodatkowo ograniczyć niezbędną powierzchnię dachu potrzebną do jego instalacji. Na potrzeby przygotowania c.w.u. dla domu jednorodzinnego, w którym stale przebywają 3-4 osoby, zalecane jest zastosowanie ok. 5-6 m2 kolektorów płaskich, a w przypadku kolektorów próżniowych wystarcza powierzchnia 3 m2.

Wybór systemu słonecznego jest bardzo istotny, jednak najważniejsze jest jego poprawne zaprojektowanie i instalacja. Zalecany jest właściwy dobór powierzchni systemu do potrzeb danego budynku. Przewymiarowanie systemu kolektorów słonecznych może prowadzić do okresowego przegrzewania i tym samym do obniżenia sprawności pracy instalacji.

Źródło: "Architektura-murator" 10/2010
Autor: Paweł Choromański
Zdjęcia: Dzięki uprzejmości Velux, Andrzej Szandomirski, Dzięki uprzejmości Soleko
Data publikacji: 13.06.2011 15:08

Dział Architektura wprowadzi Cię w wyjątkowy świat budynków oraz rozwiązań architektonicznych. Architektura w Polsce i na świecie. Dowiesz się, jakie inwestycje architektoniczne planowane są w rodzimych miastach. Dział Architektura przybliży Ci obrazy poszczególnych miast kraju oraz świata. To tu znajdują się aktualności związane z lokalizacją obiektów sportowych oraz ich konstrukcją. Specjaliści z działu Architektura zwrócą uwagę na niecodzienne budowle, bryły architektoniczne oraz funkcjonalne rozwiązania. Możesz znaleźć tu również ekskluzywne budowle: architektura, która na pewno zwróci Twoją uwagę. W dziale Architektura znajdziesz znajdziesz informacje na temat architektów, biur projektowych, najnowszych realizacji, a także ajniki aranżacji ogrodu, aby przykuwał uwagę przybywających gości. Możesz liczyć także na przegląd zabytków, które być może wskażą Ci kierunek wakacyjnych eskapad. Zajrzyj do działu Architektura, a na pewno nie pożałujesz!