Domy słoneczne… już są

Zgodnie z definicją stworzoną przez Sonnenhaus Institut, domem słonecznym nazywamy  budynek, w którym roczne zapotrzebowanie na ciepło jest pokrywane przynajmniej w 50% przez promieniowanie słoneczne. Wiedząc, że na przykład Polsce ciepło stanowi ponad 80% zapotrzebowania w energię przez gospodarstwo domowe, redukcja o połowę może przynieść w krótkim czasie wymierne korzyści.  Warto zwrócić uwagę na określenie „przynajmniej 50%”, ponieważ większość tego typu domów pokrywa swoje zapotrzebowanie na ciepło na poziomie 75-85%, ale jest spora liczba domów, gdzie udział mierzonego zapotrzebowania w ciepło w ciągu roku, było pokryte aż w 95%. I to można nazwać celem tej idei.

Kryteria projektowania domu słonecznego

Główną, zasadą obowiązującą w projektowaniu i budowie takiego domu jest skierowany na południe dach o dużym spadku, w którym pokrycie stanowią kolektory słoneczne. Duży zasobnik z ciepła wodą umieszczony wewnątrz obrysu budynku stanowi magazyn ciepła na wiele dni lub nawet tygodni. Niskoparametrowe ogrzewanie podłogowe i ścienne pozwala na równomierne rozłożenie ogrzewania pomieszczeń. W najzimniejszych i najmniej nasłonecznionych dniach w ciągu zimy, przewidziane jest dodatkowe źródło ciepła. Instalacja kolektorów słonecznych powinna zawierać zabezpieczenie w postaci drugiego źródła ciepła, które w przypadku złych warunków atmosferycznych będzie dogrzewało potrzebną objętość wody. W praktyce jest to ogrzewanie na biomasę, np. kocioł opalany drewnem lub zrębkami drewna, który przez spalanie neutralne pod kątem dwutlenku węgla, może dogrzać w razie potrzeby wodę w zasobniku, ale także może to być kocioł gazowy lub olejowy. Założenia projektowe dla domu słonecznego, są związane w dużym stopniu z uzyskaniem wysokiego poziomu jego efektywności energetycznej i dobrej termoizolacji. Jest to o tyle ważne, że do standardu domu słonecznego, można przygotować nie tylko świeżo projektowany budynek, ale także już istniejące obiekty planowane do modernizacji. W wybudowanych i projektowanych domach słonecznych podstawowym kryterium jest standard termoizolacji. Dla nowych budynków wynosi on maks. 0,28 W/m²K, dla istniejących już budynków wartość ta wynosi 0,40 W/ m²K.  Oczywiście, w założeniach projektowych, zgodnie z definicją, pokrycie rocznego zapotrzebowania na ciepło musi wynosić minimum 50% ciepłem pochodzących ze Słońca. Przewidziane też musi być dodatkowe, pomocnicze źródło ciepła, możliwie OZE, np. kocioł na drewno.

Zapotrzebowanie, na konsumpcję energii pierwotnej w domach słonecznych w ilości od 5 do 15 kWh/m² w skali roku, kilkukrotnie przewyższa wymagania stawiane budynkom pasywnym, wyposażonym w urządzenia rekuperacyjne. Zakładane zapotrzebowanie na energię pierwotną, uwzględnia zużycie energii przez urządzenia pomocnicze, takie jak pompy, oraz ilość energii, która jest potrzebna do wytworzenia, przetworzenia i przesyłu energii ze źródeł znajdujących się poza domem słonecznym.  

W koncepcji domu słonecznego, zapotrzebowanie na paliwa kopalne potrzebne do zaopatrzenia w energię, które są źródłem niskiej emisji jest bardzo niskie. Ciepło jest (a w zasadzie powinno być) w 100% pokrywane ze źródeł odnawialnych. Dodatkowo, stosowane są pompy o wysokiej sprawności energetycznej, które zużywają rocznie tylko 200 do 300 kWh.

W koncepcji domu słonecznego, wykorzystuje się także pasywne korzystanie z energii  słonecznej. Przeźroczyste elementy budowlane, w tym także ogrody zimowe, pozwalają na dostarczanie ciepła i światła do pomieszczeń. Zwykle w tych miejscach są duże straty ciepła, szczególnie wtedy, gdy nie ma wystarczającego promieniowania słonecznego.  Częściowo jest to kompensowane przez zastosowanie trzywarstwowych szyb o niskim współczynniku przenikania ciepła, które mają właściwości termoizolacyjne czterokrotnie wyższe, niż dobrze zaizolowana ściana zewnętrzna. Obok jakości termicznej przeszklenia i ram okiennych, dochodzi jeszcze odpowiednie wymiarowanie części okiennych na fasadzie, które jest uzależnione od ukierunkowania względem nieba i możliwości magazynowania ciepła przez budynek. W celu uniknięcia przegrzania pomieszczeń w budynku, musi być przewidziana ochrona w postaci rolet lub występy dachu.

Jeżeli w zimne dni świeci Słońce, dom słoneczny jest zwykle ciepły także bez dodatkowego aktywnego dogrzewania. Pasywne wykorzystanie energii słonecznej nie konkuruje jednak z aktywnym ogrzewaniem, ponieważ ciepło pochodzące z promieniowania słonecznego, pozyskiwane za pomocą kolektorów słonecznych, jest magazynowane w zasobnikach ciepłej wody przez wiele tygodni. Nie stosuje się w zasadzie przewietrzania budynku przez otwarte okna, podobnie zresztą, jak jest to w wypadku domów pasywnych. Wbudowanie wymuszonej wentylacji, wydaje się sensowne, ale z punktu widzenia efektywności energetycznej, nie jest specjalnie konieczne. Pozytywny efekt odzysku ciepła do bilansu cieplnego, jest kompensowany energetycznie przez zapotrzebowanie na energię elektryczną dla wentylatorów.

Kluczowe w projektowaniu domów słonecznych jest zorientowanie budynku wobec stron świata. Dotyczy to takiego usytuowania, aby optymalnie wykorzystać promieniowane Słońca w ciągu całego roku.  Odchyłka budynku w stosunku do kierunku południowego nie powinna być większa niż 30° w każdą stronę.

W zimie wykorzystuje się optymalnie nasłonecznienie zarówno w sposób pasywny, jak i aktywny. Jest to konieczne z uwagi na częsty niedobór promieniowania słonecznego. Natomiast w lecie, należy zwracać szczególną uwagę na to, aby nie przegrzać instalacji i całego budynku. Daje się to uniknąć dzięki odpowiedniej konstrukcji budynku.

Na rysunku 2, warto zwrócić uwagę, że nachylenie połaci dachowej z kolektorami słonecznymi jest tak ustawione, aby uzyskać w zimie maksymalną absorpcję promieniowania. Dzięki temu, żaden promień słońca w porze zimowej się nie marnuje. Natomiast takie ustawienie dachu i kolektorów w lecie pozwala uniknąć przegrzania instalacji, tym bardziej, że ewentualny nadmiar ciepła, będący efektem stosunkowo dużej powierzchni kolektorów, jest transportowany do zasobnika z wodą, gdzie jest realizowane długotrwałe magazynowanie ciepła.

Ideałem jest ukierunkowanie kolektorów na południe pod kątem 45° do 80°, aby ich nachylenie było prostopadłe do promieni słonecznych w zimie i przez to maksymalnie wykorzystać ich ciepło w tym okresie.

Jak funkcjonuje koncepcja ogrzewania w domu słonecznym? 

Przesył ciepła w instalacji słonecznej może się odbywać wtedy, gdy temperatura kolektora słonecznego jest wyższa niż w dolnej, najzimniejszej części zasobnika na wodę. Roztwór, którym jest napełniona instalacja jest przetłaczany za pomocą pompy wewnątrz instalacji i przy przejściu przez kolektor jest podgrzewany o ok. 10-15° i oddaje pobrane ciepło przez wymiennik do wody w zbiorniku. Kiedy temperatura na wejściu jest wyższa niż panująca w górnej 1/3 pojemności zasobnika, włącza się drugi wymiennik ciepła. Wtedy, zbiornik wodny jest podgrzewany na całej swojej wysokości z dobrym podziałem temperaturowym na poszczególne warstwy wody w jego wnętrzu. W okresie letnim, przegrzanie może być w nocy rozładowane poprzez kolektory. Odbiór ciepła z zasobnika przez instalację jest sterowany specjalnym mieszaczem, dzięki czemu najpierw wychładzana jest dolna cześć zasobnika. Dopiero, gdy w tej części temperatura wody jest poniżej minimalnej wartości, włączany jest zapas gorącej wody w wyższej partii.  W miejscu, gdzie jest zapas najcieplejszej wody, znajduje się w zasobniku zbiornik ciepłej wody użytkowej. Dogrzewanie uzupełniającym źródłem ciepła jest realizowane od góry do dołu. Jest to podyktowane tym, żeby ciepłą wodę użytkową w zbiorniku na górze podgrzać możliwie szybko do temperatury, potrzebnej do jej użycia. Dopiero wtedy, czterodrogowy mikser przełącza przepływ ciepła do dolnej części zbiornika, dzięki czemu dalszy zapas wody może być podgrzany do zmagazynowania ciepła. W wypadku dodatkowego kotła grzewczego, wysoka wydajność przepływu wody, oraz duża komora spalania, znacznie poprawiają komfort działania instalacji. Także inne rozwiązania zasobników, dające dobre rozdzielenie warstw ciepłej wody pod kątem jej temperatury, mogą mieć zastosowanie.

Pozyskiwanie ciepła z promieniowania słonecznego jest realizowane zasadniczo z użyciem kolektorów słonecznych. Żeby w domu jednorodzinnym osiągnąć pokrycie 50 do 95% rocznego zapotrzebowania na ciepło z promieniowania słonecznego, potrzebna jest powierzchnia 30 do 70 m² kolektorów słonecznych. Jak już było wspomniane, kolektory muszą być stromo nachylone w kierunku południowym, aby maksymalnie przejąć ciepło promieniowania słonecznego w miesiącach zimowych. 

Najlepiej się do tego nadają wielkopowierzchniowe kolektory płaskie, ale także zwykłe kolektory, ściśle ze sobą połączone, które są montowane do dachu lub fasady odpowiednią obróbką blacharską i dają efekt zintegrowanego pokrycia dachowego. Dzięki temu uzyskuje się odpowiednią estetykę i zabezpieczenie przed czynnikami pogodowymi. Pozostałą wolną połać dachową, jeżeli taka zostanie, można pokryć np. panelami fotowoltaicznymi, aby uzyskać dodatkową energię elektryczną na pokrycie przynajmniej częściowego zasilania urządzeń zainstalowanych w domu.

Następnym ważnym elementem instalacji jest zasobnik na ciepłą wodę, który pełni rolę sezonowego magazynu ciepła. Duży zasobnik wodny ze zintegrowanym zasobnikiem na ciepłą wodę, magazynuje ciepło słoneczne do ogrzewania i uzyskania ciepłej wody użytkowej na wiele dni a nawet tygodni. Jako przelicznik dla domów słonecznych o rocznym pokryciu zapotrzebowania na ciepło w wysokości 50-80%, przyjmuje się 150-250 litrów na metr kwadratowy zainstalowanej powierzchni kolektorów.  Dla domów, w których promieniowanie słoneczne zapewnia pełne pokrycie zapotrzebowania na ciepło, potrzebne są jeszcze większe zasobniki o pojemności rzędu 40 m³. 

Z uwagi na dobry rozdział poszczególnych frakcji temperaturowych wewnątrz zasobnika, rekomenduje się jego wąski – wysoki kształt. Ostatnio preferowane są dwupiętrowe zasobniki, z dwustopniowym zasilaniem i pobieraniem ciepła do instalacji. Doładowywanie ciepłem może się odbywać z użyciem zewnętrznych lub wewnętrznych wymienników. Ustawienie wymiennika wewnątrz kubatury budynku, pozwala na praktyczne uniknięcie strat ciepła, ponieważ ewentualne straty i tak dogrzewają budynek od wewnątrz. Do tego, zasobniki mają izolację termiczną o grubości 25-30 cm. Zasobnik umieszczony wewnątrz obrysu budynku, nie musi koniecznie „straszyć” swoim wyglądem. Może stanowić element architektoniczny wnętrza, wszystko zależy od architektury i inwencji użytkowników. Na poniższej fotografii, kolumna przy klatce schodowej, to nic innego, jak zabudowany magazyn ciepła.

Pełna wersja artykułu do pobrania w PDF