Ciepła woda z kolektora

Promieniowanie słoneczne to źródło darmowej energii, którą dzięki kolektorom można efektywnie wykorzystywać, na przykład do podgrzewania wody na potrzeby domowe.

W ten sposób, w okresie od kwietnia do października, można w około 70% zaspokoić potrzeby związane z ogrzaniem ciepłej wody użytkowej.

Jaki kolektor?

W budownictwie jednorodzinnym zwykle stosuje się kolektory płaskie. Zależnie od rodzaju czynnika pośredniczącego w transporcie ciepła mogą być one dwojakiego rodzaju: powietrzne lub cieczowe.
W pierwszych czynnikiem roboczym jest powietrze, które po ogrzaniu się od absorbera może być tłoczone do ogrzewanych pomieszczeń lub do wymiennika ciepła. Sprawność wymienników powietrze-woda wynosi zaledwie 30-60%, dlatego do współpracy z układami grzewczymi stosuje się kolektory cieczowe.
W kolektorach cieczowych ogrzany czynnik roboczy, czyli woda, przepływa do wymiennika woda-woda i tam przekazuje ciepło. Sprawność takich wymienników jest wyższa niż sprawność wymienników powietrze-woda i wynosi 70-80%.

Do zasilania instalacji w domach jednorodzinnych zwykle stosuje się kolektory płaskie cieczowe. Najczęściej instaluje się je na pochyłym dachu. Autor: VIESSMANN		Kolektory próżniowe rurowe mają większą sprawność niż kolektory płaskie cieczowe. Montuje się je tak jak kolektory cieczowe głównie na dachach. Autor: VIESSMANN

Gdzie zainstalować kolektor?

Z oczywistych względów kolektory umieszcza się na południowej połaci dachu.
Najczęściej cały system wykorzystywania energii słonecznej instaluje się w istniejącym domu. Kolektory montuje się wtedy na specjalnych wspornikach ponad dachem, w odległości około 15 cm od połaci dachu pochyłego. Podobnie na dachu płaskim: tam również kolektory ustawia się na specjalnych stojakach, pamiętając o właściwym kącie i kierunku.
Każdy metr kwadratowy kolektora waży około 35 kg - konstrukcja dachu musi mieć więc odpowiednio dużą wytrzymałość. Do kolektora musi być swobodny dostęp, by w razie potrzeby można go było umyć lub naprawić.
Jeśli kolektorów nie da się zainstalować na dachu, można je ustawić na gruncie przy budynku, na stojakach lub specjalnie ukształtowanej skarpie ziemnej.
Kolektory działające zimą mają kąt nachylenia do poziomu bliski 90°, więc można je mocować także na elewacjach budynków.

Sześć godzin w słońcu

Słońce powinno padać na kolektor co najmniej 6 godzin w ciągu dnia, najlepiej - gdyby padało prostopadle do płaszczyzny pochłaniającej. Dlatego idealne rozwiązanie to kolektor podążający za ruchem Słońca - stale ustawiający się prostopadle do promieni słonecznych. Ponieważ bardzo trudno to osiągnąć, trzeba zdecydować, o jakiej porze roku kolektor ma mieć największą sprawność, i wtedy wybrać optymalny kąt nachylenia, pamiętając, że ma pracować minimum 6 godzin, czyli od 9.00 do 15.00 (w Polsce jest wtedy najlepsze nasłonecznienie). Wbrew pozorom, takie nachylenie kolektora,  przy którym promienie słoneczne padają na niego prostopadle w samo południe, wcale nie jest najlepsze. Optymalna godzina to 10.45.
Dopuszczalne jest niewielkie odchylenie kolektora od osi północ-południe: do 30°, jeśli kolektor ma działać tylko latem, do 10° dla kolektorów działających zimą.

Jak duży kolektor?

Powierzchnię kolektora (P) można obliczyć w uproszczony sposób, znając:
- liczbę domowników (przeciętna rodzina składa się z 4 osób),
- dobowe zużycie ciepłej wody - średnio 60 l/osobę · dobę,
- różnicę między temperaturą wody zimnej i ciepłej - 45°C (55° odjąć 10°C),
- ciepło właściwe wody - 4,19 kJ/(kg · K),
- sprawność kolektora - na przykład 60% (0,6),
- średnią sumę dziennego nasłonecznienia - na przykład w półroczu letnim - 4,3 kWh/m²/dobę.

     P  =  4 · 60 · 45° · 4,19 / 3600 · 0,6 · 4,3 =  4,84 m²                
Uwzględniając straty cieplne całego układu i sprawność wymiennika ciepła, obliczoną w ten sposób powierzchnię kolektorów trzeba zwiększyć około 15%, czyli do 5,4 m².
Zwiększenie pola powierzchni kolektorów ponad obliczone optimum jest nieopłacalne.

Kolektor próżniowy rurowy można zamontować także na ścianie domu lub wykonać z niego barierkę na tarasie. Autor: VIESSMANN		Jeśli orientacja dachu jest niekorzystna albo kąt nachylenia nieodpowiedni, kolektor można ustawić na specjalnej konstrukcji, na przykład na dachu garażu lub przybudówki. Autor: PARADIGMA		Kolektor wraz z zasobnikiem można ustawić bezpośrednio na ziemi. Autor: THERMOSOLAR JUMA

Zasobnik

Zasobniki to zwykle stalowe zbiorniki, ocynkowane, emaliowane lub w inny sposób zabezpieczone przed korozją. Wymagają zaizolowania co najmniej 5-centymetrową warstwą pianki poliuretanowej, styropianu lub wełny mineralnej.
Uwaga! Pojemność zasobnika ciepłej wody użytkowej powinna być co najmniej taka, jak dobowe zapotrzebowanie na wodę. Jednak dopiero większe zasobniki, o pojemności równej dwu- lub trzykrotnemu dobowemu zapotrzebowaniu, umożliwiają komfortowe korzystanie z ciepłej wody.

Zabezpieczenia

Układ wykorzystujący energię słoneczną do przygotowania c.w.u. jest typową instalacją grzewczą, która może być przegrzewana, ciśnienie w niej może się zmieniać. Potrzebne są więc elementy zabezpieczające: zawór bezpieczeństwa, przeponowe naczynie wzbiorcze, odpowietrzenie i ogranicznik temperatury.  Kolektory cieczowe

Najważniejszym elementem kolektora jest absorber, czyli płyta pochłaniająca, wykonana najczęściej ze stali, miedzi, aluminium lub tworzyw sztucznych. Do płaskiej płyty przymocowane są rury, w których cyrkuluje ciecz. Dwa arkusze blachy, odpowiednio wytłoczone i zgrzane, tworzą kanały do cyrkulacji cieczy. Płyta absorbera pochłania promieniowanie słoneczne, w wyniku czego wzrasta jej temperatura. W rurach czy kanałach znajduje się czynnik roboczy (cyrkulacyjny), który odbiera ciepło i transportuje je do wymiennika lub akumulatora energii.
Aby zwiększyć sprawność kolektorów, płyty absorberów pokrywa się warstwami selektywnymi, które łatwo przepuszczają promienie słoneczne, ale nie pozwalają na wydostawanie się na zewnątrz promieniowania cieplnego. Warstwy selektywne poprawiają sprawność kolektora nawet o 50%. Dobrymi materiałami selektywnymi są: tlenek miedzi, miedź czerniona, czerń chromowa, tlenki i siarczki niklu.
Zewnętrzna obudowa kolektora powinna być barierą dla promieniowania cieplnego wydostającego się z absorbera, a jednocześnie możliwie najlepiej przepuszczać do wnętrza kolektora promieniowanie słoneczne. Musi także być wytrzymała, twarda, odporna na gradobicie i nie powinna odbijać promieniowania słonecznego, padającego pod kątem ostrym w stosunku do płaszczyzny kolektora.
Sprawność kolektorów cieczowych zależy od temperatury czynnika roboczego i można przyjąć, że maleje ona wraz ze wzrostem temperatury czynnika roboczego. Dlatego nie należy łączyć ze sobą szeregowo (jeden za drugim) większej liczby kolektorów cieczowych. Aby zmniejszyć ucieczkę ciepła do otoczenia spowodowaną ruchami konwekcyjnymi powietrza wewnątrz kolektora, w niektórych urządzeniach wytwarza się próżnię w przestrzeni między szybami z przezroczystego pokrycia lub wąską płaszczyznę absorbera umieszcza się w szklanej rurze, w której jest próżnia. W ten sposób powstają kolektory próżniowe rurowe, o lepszej niż płaskie sprawności.

Płyta absorbera w kolektorze płaskim cieczowym pochłania promieniowanie słoneczne i ogrzewa znajdujący się w rurach lub kanałach czynnik roboczy. To on transportuje ciepło do wymiennika lub akumulatora energii. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Instalacje słoneczne ogrzewające wodę:

Sezonowa.
Prosty układ do sezonowego przygotowania c.w.u, tak zwany termosyfonowy, składa się z kolektora i umieszczonego 30 cm powyżej jego górnej krawędzi zasobnika ciepłej wody. Woda podgrzewa się w kolektorze i podnosi do zasobnika. Powoduje to zassanie do kolektora chłodnej wody z dołu zasobnika. Taki układ jest bardzo prosty i sprawny, ale ma też wady:
- czynnikiem roboczym jest woda; kolektory trzeba opróżnić z niej na zimę, żeby nie zamarzła;
- nie można zastosować inhibitorów korozji;
- zasobniki muszą mieć pojemność większą niż w innych układach.

Układ do sezonowego przygotowania ciepłej wody. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Całoroczna.
Aby uniezależnić się od pogody, stosuje się układy pośrednio podgrzewające wodę, z dodatkowymi podgrzewaczami (na przykład pompami ciepła lub tradycyjnymi kotłami). W układzie instaluje się pompę cyrkulacyjną, dzięki czemu położenie kolektora względem zasobnika może być dowolne.
Czynnikiem roboczym w takich układach są wodne roztwory glikolu lub inne związki. Można stosować trzy układy podgrzewania i dogrzewania ciepłej wody.
Układ z szybkim dogrzewaniem ciepłej wody. Współpracuje z podgrzewaczem konwencjonalnym dużej mocy. Podgrzewacz włącza się tylko wtedy, gdy chcemy skorzystać z ciepłej wody (odkręcamy kran), a temperatura wody w zasobniku jest niższa od wymaganej.

Układ z szybkim dogrzewaniem ciepłej wody. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Układ z dwustrefowym zasobnikiem ciepłej wody. Wysokość zasobnika jest minimum trzy razy większa od jego średnicy. W takim pionowym zasobniku następuje naturalne rozwarstwienie wody o różnej temperaturze. W dolnej, chłodniejszej części zamontowany jest wymiennik kolektorowy, a w górnej – cieplejszej – wymiennik zasilany gorącą wodą z kotła lub grzałką elektryczną. Takie układy stosuje się najczęściej.

Układ z dwustrefowym zasobnikiem ciepłaj wody. Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Układ z dodatkowym zasobnikiem akumulacyjnym. Umożliwia zastosowanie dodatkowego źródła energii o mniejszej mocy niż w układzie z dwustrefowym zasobnikiem ciepłej wody. Układ ten jest najlepszy, ale najdroższy, dlatego rzadko stosowany.

Układ z dodatkowym zasobnikiem akumulacyjnym.