Kolektory i pompy ciepła - odnawialne źródła energii

Odnawialne źródła energii – kolektory i pompy ciepła Jednym z głównych celów polskiej polityki energetycznej jest polepszenie bezpieczeństwa energetycznego i obniżenie emisji zanieczyszczeń. To jednocześnie wymagania, które stawia przed nami Unia Europejska. Dlatego na coraz większą skalę wykorzystywane są odnawialne źródła energii, będące wolną od zanieczyszczeń i tańszą alternatywą dla konwencjonalnych źródeł ciepła. Największą popularnością cieszą się kolektory słoneczne i pompy ciepła.

Słońce jest największym dostawcą energii odnawialnej. Wytwarzana przez nie energia, docierająca do Ziemi w ciągu roku, jest ponad 10 tys. razy większa niż zużywana w tym samym czasie energia pierwotna. Wszędzie tam, gdzie padają promienie słoneczne ( w zależności od ich natężenia) możliwe jest wykorzystanie energii do celów użytkowych.

Sytuacja w Polsce

Pompa ciepła ©STIEBEL ELTRON

W położonej w Europie Środkowej Polsce panuje klimat umiarkowany, a wielkość promieniowania słonecznego uzależniona jest m.in. od pór roku. Dzienny strumień energii waha się w tej części globu od 7,5 latem do 0,1 kWh/m2/dobę – zimą. w takich warunkach kolektor może zapewnić całkowite zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową tylko w okresie od kwietnia do września. Warto również pamiętać, że nasłonecznienie Polski różni się w zależności od regionu nawet 950-1250 kWh/m2 w skali roku. Najbardziej korzystna sytuacja występuje na wschodzie i w pasie środkowym kraju.

Wydajność pomp ciepła zależy nie tyle od warunków atmosferycznych czy pory dnia, lecz od różnicy temperatur między górnym i dolnym źródłem ciepła. Im większa stałość temperatury dolnego źródła, tym mniejsze zmiany w wydajności pompy.

Słoneczni dostawcy ciepła

W ofercie producentów dostępne są kolektory cieplne o różnej budowie, w których konstrukcjach wykorzystane są wszelkiego rodzaju materiały. Największą popularnością cieszą się kolektory płaskie oraz próżniowe.

Kolektory płaskie cechuje prosta budowa. Absorber stanowi cienka płyta, najczęściej o ciemnogranatowej barwie, która pochłania ciepło promieni słonecznych. Pod nim znajdują się przewody miedziane lub aluminiowe, przez które przepływa czynnik roboczy. Absorber od góry chroniony jest przed stratami ciepła przezroczystą pokrywą, a pozostała część osłaniana jest za pomocą obudowy i izolacji, najczęściej wełną mineralną lub poliuretanem.

Kolektor próżniowy powstał z kolei z myślą o zmniejszeniu strat ciepła do otoczenia. Udało się to osiągnąć dzięki zastosowaniu w kolektorze próżni w szklanej rurze otaczającej absorber. Przykładem może być kolektor próżniowo-rurowy zbudowany z dwóch szklanych rur (jedna w drugiej). Zewnętrzna, przezroczysta rura przepuszcza promieniowanie słoneczne, natomiast wewnętrzna pokryta jest absorberem. w samym środku znajduje się pojedyncza zamknięta rurka działająca jak wymiennik ciepła, w którego odpowiednich częściach, czynnik ulega odparowaniu i skraplaniu.

W praktyce

Kolektory słoneczne w skali roku pokrywają do 60 proc. zapotrzebowania gospodarstwa domowego na CWU. w okresie letnim z kolei nawet do 100 proc. Należy pamiętać, że ze względu na zmienność promieniowania słonecznego i jego brak w godzinach nocnych, nie ma możliwości oparcia centralnego ogrzewania wyłącznie na instalacji solarnej. Wspomaganie pieców CO kolektorami może osiągnąć wartość 15-25 proc. przy ogrzewaniu wysokotemperaturowym (ściennym) i od 20-30 proc. przy niskotemperaturowym (podłogowym).

Do przygotowania CWU dla czteroosobowej rodziny zamieszkującej dom o powierzchni 150 mkw. potrzeba ok. 6 mkw. kolektorów płaskich (~3 absorbery) lub 4 mkw. kolektorów próżniowych (~2 kolektory). Należy przy tym pamiętać, że powierzchnie kolektorów różnią się w zależności od producenta. Zakłada się, że jeżeli dzienne zużycie wody na osobę wynosi 60 l, to rodzina potrzebuje zasobnika CWU o pojemności < 300 l. w przypadku zastosowania kolektorów próżniowych, ze względu na większe uzyski ciepła, zasobniki powinny być większe o 30 proc. w skład instalacji wchodzą ponadto: zespół pompowy, sterownik, naczynie wyrównawcze, orurowanie instalacji, konstrukcja wsporcza, elementy łączeniowe i płyn solarny.

W przypadku systemów opartych na współpracy kolektorów z instalacją CWU oraz CO, należy zmienić zasobnik na większy o pojemności ok. 600 l. Często spotykane są połączenia dwóch zasobników – osobnego do CO i osobnego do przygotowywania CWU, nierzadko innymi typami są zasobniki płaszczowe bądź kombinowane.

Jak to działa?

Schemat instalacji ogrzewania ©VIESSMANN

Pompa cyrkulacyjna uruchamia obieg czynnika grzewczego. Włącza się wtedy, gdy temperatura czynnika na wylocie z kolektorów przekroczy – o wymaganą wartość – temperaturę mierzoną w dolnej części zbiornika. Czynnik przepływa przez dolną grzałkę dopóki obie temperatury się nie wyrównają. Po przekazaniu ciepła do wody, ochłodzony przepływa przez kolektor, ponownie się ogrzewając. w momencie niewystarczającego promieniowania słonecznego wykorzystywana jest grzałka elektryczna umieszczona w górnej części zbiornika ciepłej wody. Często dogrzewanie wody w zbiorniku pochodzi z istniejącego kotła centralnego ogrzewania lub innego źródła ciepła.

Płaskie czy próżniowe?

Kolektory płaskie charakteryzują się prostą budową, niskim kosztem produkcji i dużą niezawodnością. Natomiast próżniowe posiadają bardziej złożoną konstrukcję, dlatego też są droższe. Płaskie przetwarzają promienie słoneczne na ciepło, na wyjściu z kolektora wynoszącym do 60oC, próżniowe do 100oC, ponieważ straty ciepła do otoczenia obniżone są przez zastosowanie próżni. Powierzchnia wymagana do montażu kolektorów próżniowych jest mniejsza, z drugiej strony łatwiej ulegają one uszkodzeniom. Kolektory rurowe mogą sprawdzić się lepiej w instalacjach wspierających CO, mają bowiem lepsze uzyski ciepła w zimowych miesiącach. Wybór konkretnego rozwiązania zależy jednak od indywidualnych potrzeb.

Warto wiedzieć

Kolektory nie zawsze podgrzeją wodę do pożądanej temperatury, ich sprawność waha się od 20 do 80 proc. i w dużej mierze zależy od pogody, zachmurzenia, a także pory dnia i roku. Inwestując w takie urządzenia, nie należy szukać najtańszego rozwiązania, czy też kierować się marką. Warto natomiast zwrócić uwagę na długoletnią gwarancję (10-12 lat). Żywotność instalacji to aż 20 lat.

Duże znaczenie podczas wyboru kolektorów powinna mieć również temperatura stagnacji (najwyższa temperatura występująca w instalacji). Najlepiej wybierać te o niższej temperaturze, jednocześnie posiadające wyższe uzyski energetyczne. Trzeba mieć na uwadze, że im dłużej kolektor jest w wysokiej temperaturze stagnacji, tym szybciej zużywa się absorber. w kolektorach płaskich czynnik po zbyt długim nagrzewaniu może się rozwarstwić na rzadką wodę i żel, który często zatyka instalację.

Kolektor słoneczny ©VIESSMANN

Co istotne, przed wyjazdem na wakacje w sterowniku wystarczy włączyć tryb pracy urlopowej. Wówczas pompa obiegowa pozostaje wyłączona, chyba że czujnik powiadomi sterownik o temperaturze przegrzania kolektora. w takiej sytuacji sterownik załącza pompę, która działa do momentu, gdy temperatura spadnie o co najmniej 5oC.

Kolektory powinny być skierowane w kierunku południowym pod kątem 45o, jeżeli mają być wykorzystywane także w miesiącach zimowych. Natomiast jeśli planujemy ich eksploatację tylko w miesiącach letnich, optymalne nachylenie to 30o. Absorbery montuje się najczęściej na dachach lub obok budynków od strony południowej.

Szacuje się, że koszty zakupu instalacji solarnej, przy uwzględnieniu 45 proc. dofinansowania, zwracają się po ok. 5-6 latach. Energia elektryczna pobierana jest wyłącznie przez pompę obiegową.

Pompy ciepła – różnorodność rozwiązań

Pompa ciepła jest urządzeniem działającym poniekąd przeciwko prawom termodynamiki. Dzięki pracy sprężarki, wymuszony zostaje przepływ ciepła z otoczenia o niższej temperaturze (dolne źródło ciepła) do otoczenia o wyższej temperaturze (górne źródło ciepła). Poza sprężarkowymi pompami ciepła, na rynku dostępne są również pompy adsorpcyjne i gazowe, które jednak działają na innych zasadach. Mają także różne zastosowanie, wydajność i cenę. Dzięki swojej różnorodności, mogą być wykorzystywane zarówno do podgrzewania ciepłej wody, ogrzewania, jak i klimatyzacji.

Ze względu na otoczenie, z którego pozyskiwana jest energia do pompy ciepła i sposób jego przygotowania, wyróżniamy pompy typu: powietrze-powietrze, woda-woda, grunt-woda, woda-powietrze oraz powietrze-solanka-woda. Parametrem charakteryzującym pompy jest współczynnik efektywności energetycznej (COP), który wyrażany jest jako stosunek energii przekazanej w skraplaczu do energii dostarczonej sprężarce. Powinien zawierać się w przedziale od 3 do 4,5.

Funkcjonowanie pomp

Działanie pompy zaczyna się od parownika (wymiennika ciepła), w którym ciepło z dolnego źródła pochłaniane jest przez czynnik chłodniczy wrzący w niskiej temperaturze (kilku stopni). Tak powstałe opary przechodzą przez sprężarkę, która podnosi ciśnienie czynnika, powodując tym samym wzrost temperatury. Przygotowany w ten sposób czynnik trafia do skraplacza (drugi wymiennik ciepła), tam oddaje temperaturę do obiegu CWU lub CO. Temperatura czynnika spada, para skrapla się i przepływa przez zawór rozprężny. Na zaworze tym obniżają się jego ciśnienie i temperatura, dzięki temu jest gotowy do ponownego cyklu.

Powietrze, woda, ziemia?

Pompy ciepła wykorzystujące temperaturę powietrza nie są dostosowane do wahań temperatury, wręcz przeciwnie. Pokrywają całkowite zapotrzebowanie na ciepło przy temperaturze zewnętrznej nie niższej niż 3-5oC. w zimniejsze dni niezbędne okazuje się użycie dodatkowego źródła ciepła. Ten konkretny rodzaj pomp ciepła jest najłatwiejszy w instalacji, nie posiadają one wymiennika ciepła, powietrze zasysane jest bezpośrednio przez wentylator do parownika.

Lepszym rozwiązaniem są pompy z gruntowym wymiennikiem ciepła, w których dolne źródło ciepła umieszczone jest w gruncie. Im głębiej, tym lepiej, bo zakumulowane ciepło na głębokości 7-10 m utrzymuje się na stałym poziomie 9-11oC. Wymiennikiem ciepła są długie rury z tworzywa sztucznego lub miedziane, powleczone tworzywem, które mogą być wkopane płasko już na głębokości 2 m.

Jako dolne źródło ciepła wykorzystuje się również kolektor poziomy w postaci wężownicy wypełnionej solanką (25-30 proc.) na głębokości 1,5-2 m, gdzie temperatura zmienia się od 11 do 17oC latem i od 0 do 5oC zimą. Jednak wymagana powierzchnia takiego kolektora jest około dwa razy większa niż powierzchnia ogrzewanego metrażu. Przy braku dostatecznej powierzchni, posłużyć się można sondami pionowymi, jest to jednak droższe przedsięwzięcie. Dużą rolę odgrywa rodzaj gruntu i nasłonecznienie terenu.

Kolejnym źródłem ciepła są wody gruntowe - tu możemy liczyć na temperaturę ok. 10oC przez cały rok. Przy takiej instalacji należy wywiercić studnię o minimalnej wydajności 1,5m3/h, która oddawać będzie ciepło w parowniku, następnie odprowadzana będzie do drugiej „chłodnej” studni. Przy takich inwestycjach, trzeba pamiętać o dobrych parametrach i czystości wody.

Pompy ciepła ponadto nie są szkodliwe dla środowiska, a ich nienaganną pracę warunkuje dbałość o to, aby źródło ciepła oraz instalacja w budynku nie zostały zabrudzone. Cena ich instalacji i montażu jest o 40 proc. wyższa niż cena zamontowania konwencjonalnego systemu grzewczego. w zależności od rodzaju pompy i wymiennika ciepła, zwrot nakładów inwestycyjnych następuje po 10-15 latach. Pompy ciepła najbardziej sprawdzają się jako urządzenia dostarczające ciepło do ogrzewania podłogowego, gdzie wymagana minimalna temperatura wynosi 30-40oC. Zalecana temperatura pracy wynosi 55oC na wyjściu z instalacji, jednak możliwe jest uzyskanie temperatur dochodzących do 100oC.

Połączenie obu rozwiązań

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 02/2013
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl

Wcale nie musimy wybierać między kolektorami słonecznymi a pompą ciepła – możemy zamontować oba urządzenia, które będą wspierać się nawzajem. Mogą zasilać wspólnie jeden zasobnik wody lub być połączone w inny sposób. w takich sytuacjach, parownik pompy ciepła do ogrzewania CWU umieszczony jest w kolektorze słonecznym, a skraplacz znajduje się w osobnym wymienniku ciepła podłączonym do zbiornika magazynującego. Pompa używana może być zarówno w słoneczny dzień, jak i wtedy, gdy występuje brak nasłonecznienia – jako układ uzupełniający, wykorzystując powietrze otaczające kolektor. Problemem jest dopasowanie obciążenia pompy do zmiennych warunków otoczenia i aktualnego zapotrzebowania energii. Jeżeli jako dolne źródło wykorzystywane są równocześnie energia słoneczna i powietrze otaczające, konieczna jest zmiana wydajności pompy zależna od poboru energii w dolnym źródle. Do takiego układu najlepiej wykorzystać kolektor nieoszklony.

Przed rozpoczęciem każdej inwestycji należy zawsze dokładnie zastanowić się, czego tak naprawdę oczekujemy i jakie mamy do tego warunki. Obecnie rynek energetyczny obfituje w tak różne instalacje i urządzenia, że każdy znajdzie odpowiednie rozwiązanie dla siebie. Warto przy tym pamiętać, że inwestycja w odnawialne źródła energii, oprócz ograniczenia emisji szkodliwych gazów, jest również przyjazna dla kieszeni.

Marta Baran