Kolektory słoneczne – kiedy wydać więcej, by zyskiwać więcej

Dokonując wyboru instalacji solarnej, bierze się pod uwagę szereg czynników technicznych, kosztowych i związanych ze świadczeniami (np. okres i warunki gwarancji, dodatkowe korzyści np. zniżki, czy dodatkowe wyposażenie w atrakcyjnej cenie, itd.). Dokonanie takiego wyboru nie jest łatwym zadaniem szczególnie dla klienta indywidualnego. Posiada on najczęściej ogólną wiedzę i nie jest w stanie ocenić jaki wpływ na efektywność i tym samym na efekt ekonomiczny ma wybór np. kolektora z szybą antyrefleksyjną (rys.1 .) zamiast „standardową”, czy też wybór podgrzewacza wody o klasie efektywności energetycznej C, zamiast D. Szczegółowa analiza wymagałaby bardzo gruntownej analizy techniczno-finansowej. Można jednak podjąć próbę orientacyjnej oceny wpływu niektórych cech elementów instalacji solarnej na jej efektywność i efekt ekonomiczny i w ten sposób wspomóc naszego klienta.

Wpływ materiałów absorbera na sprawność kolektora słonecznego

Obecny standard na rynku europejskim stanowią kolektory płaskie z absorberami aluminiowo-miedzianymi (Al-Cu). W ostatniej dekadzie wypierały one absorbery w pełni miedziane, wobec ponad 6-krotnego wzrostu ceny miedzi w trakcie lat 2003-2006. Według danych statystycznych [2], 3/4 kolektorów ma rynku europejskim w 2012 roku miało absorber typu Al-Cu i należy sądzić, że obecnie ten udział będzie jeszcze wyższy. Zastąpienie miedzi przez aluminium w budowie absorbera nie wpłynęło jednak na obniżenie sprawności kolektora słonecznego (rys.2.). Wpływ na sprawność niższej przewodności cieplnej aluminium zniwelowano, zwiększając grubość blachy absorbera, a także wprowadzając inne modyfikacje. Na sprawność kolektora wpływa bowiem wiele czynników, takich jak w m.in. rodzaj i grubość izolacji cieplnej, rodzaj szyby, odległość pomiędzy absorberem, a szybą czy też średnica i długość orurowania absorbera.

Kluczowym czynnikiem wpływającym na sprawność kolektora słonecznego jest rodzaj pokrycia absorbera. W tym przypadku jednak nie pozostaje wiele miejsca na dokonywanie porównań, gdyż niemal wszystkie kolektory słoneczne produkowane i przeznaczone dla naszej strefy klimatycznej mają absorbery z pokryciem typu PVD (rys.3.). Zdominowała ona na dobre rynek i wyparła pokrycia lakierowane czy też galwanizowane.

Wpływ rodzaju szyby na sprawność kolektora słonecznego

Szkło zastosowane w przykryciu kolektora słonecznego odgrywa wysokie znaczenie dla jego sprawności (rys.4.) Przy porównywalnej konstrukcji, szyba antyrefleksyjna zwiększa o około 4% średnią sprawność w zakresie 16÷64 K w porównaniu do szkła strukturyzowanego i około 18% w porównaniu do szkła gładkiego.

Kolektory  z szybami antyrefleksyjnymi znajdują zastosowanie przeważnie w większych instalacjach solarnych, gdzie oczekiwana jest jak najwyższa wydajność przy zachowaniu korzystnej ceny (niższej niż dla kolektorów z absorberami Cu-Cu). Z kolei kolektory z szybami gładkimi są przeznaczone zarówno dla stosowania w klimacie ciepłym, jak i umiarkowanym. Niższa wydajność może być rekompensowana niższą ceną zakupu i skróceniem okresu zwrotu kosztów inwestycji.
Standardem rynkowym są szyby ze szkła „solarnego” (pryzmatyczne, strukturyzowane, itp.) zapewniające wysoką sprawność optyczną kolektora płaskiego (zazwyczaj ponad 80%). Brak dodatkowych powłok nie naraża także takiej szyby na ryzyko uszkodzeń w trakcie prac montażowych i wieloletniej eksploatacji.

Zastosowanie droższej szyby antyrefleksyjnej jest opłacalne, jeśli zwiększenie kosztów wynosi 5÷10%. Z drugiej jednak strony, możliwość znacznego (~20%) obniżenia ceny kolektora słonecznego i całego zestawu solarnego, przy zastosowaniu szkła gładkiego, pozwala uzyskać jeszcze korzystniejszy efekt ekonomiczny. Roczny uzysk ciepła jest niższy o około 7÷10% w porównaniu do zestawu z kolektorami, gdzie znajduje się „standardowe” szkło solarne, ale przy niższej cenie okres zwrotu kosztów inwestycji może się skrócić nawet o 20÷25%.

Wpływ pompy obiegowej i trybu regulacji na efektywność instalacji solarnej

Od września 2015 roku obowiązującym standardem także dla grup pompowych przeznaczonych do instalacji solarnych, są pompy obiegowe wysokoefektywne (popularnie nazywane „elektronicznymi”). Zastąpiły one powszechnie stosowane pompy o stopniowej regulacji wydajności (rys.5.). Roczny czas pracy pompy obiegowej w instalacji solarnej, a także stosunkowo niska wydajność (natężenie przepływu i wysokość podnoszenia) sprawiają, że zmniejszenie zużycia energii elektrycznej jest mniej zauważalne niż chociażby w systemach grzewczych.

Roczne zużycie energii elektrycznej (Q_aux) dla przykładowego zestawu solarnego z pompą obiegową stopniową typoszeregu Wilo ST 15/6 ECO powinno wynieść 111 kWh/rok, podczas gdy przy zastosowaniu pompy wysokoefektywnej   Wilo-Yonos PARA ST blisko połowę mniej: 59 kWh/rok (na podstawie kart produktowych zestawów solarnych zgodnie z wymaganiami dyrektywy o efektywności, obliczane metodą SOLCAL). Oznacza to obniżenie kosztów eksploatacyjnych z około 67 na 35 zł/rok.

Wpływ podgrzewacza na efektywność systemu

Większość 2-wężownicowych podgrzewaczy wody oferowanych na rynku ma klasę efektywności energetycznej C lub D. Znacznie mniej podgrzewaczy jest w wyższej klasie B, a podgrzewacz z klasą A można spotkać sporadycznie. Wpływ izolacji cieplnej na straty cieplne podgrzewacza i całkowitą efektywność zestawu solarnego obrazuje poglądowo porównanie wykonane wg metody SOLCAL (rys.6.). Służy ona określeniu rocznego udziału energii innej niż energia słoneczna (Q nonsol ) dla zestawu solarnego (wg rozporządzenia UE 812/2013). Od strat ciepła podgrzewacza zależeć będzie ilość dodatkowego ciepła koniecznego do doprowadzenia do wody użytkowej.

Porównując zestaw solarny z podgrzewaczem 300 litrów o klasie C do zestawu z podgrzewaczem klasy B, uzyskuje się około 5% zwiększenia potrzeb dodatkowego ciepła. Dla zestawu z podgrzewaczem klasy D będzie to już około 12%. Czy to dużo? W wymiarze energetycznym tak, jednak przeliczając to na koszty zużycia dodatkowego paliwa, np. gazu ziemnego (~0,28 zł/kWh) zwiększenie kosztów można szacować na odpowiednio ~20 zł/rok i ~60 zł/rok. Tak więc decyzja o wyborze bardziej efektywnych produktów jak w każdym przypadku powinna uwzględniać koszty inwestycji, a także warunki gwarancji itp.

Podsumowanie, czyli o ile można zwiększyć efektywność instalacji solarnej?

Różnorodność oferty rynkowej kolektorów słonecznych oraz kompletnych zestawów solarnych pozwala dostosować wybór rozwiązania do możliwości finansowych inwestora oraz wymagań technicznych. Jeżeli możliwości wyboru są ograniczone ze względów finansowych, to możliwe jest znalezienie na rynku korzystnych cenowo produktów. Mogą one przy korzystnej relacji ceny do wydajności, zapewnić krótkie okresy zwrotu kosztów inwestycji.
Jeśli priorytetem jest uzyskanie jak najwyższych efektów pracy instalacji solarnej, to oferta rynkowa proponuje szereg rozwiązań, o których wspomniano wcześniej.

Potencjał do zwiększania efektywności pracy instalacji solarnej jest znaczny i leży nie tylko po stronie cech jego komponentów, ale również nastaw pracy, jak np. skrócenia czasu pracy cyrkulacji wody użytkowej w budynku. Można szacować, że poprawa efektywności o 10÷20% całej instalacji solarnej leży „w zasięgu ręki” (rys.7.) i nie wymaga nadmiernego zwiększenia kosztów inwestycji.

Warto jednak w każdym wypadku doradzania klientom pamiętać, że mogą oni mieć różne preferencje i wymagania odnośnie wyposażenia swojego domu, w tym także instalacji, a więc i kolektorów słonecznych. Jednych przecież stać na… limuzynę, czy  SUV-a i tylko takim mogą jeździć, a inni są zadowoleni z samochodu w przyzwoitym średnim standardzie.

Literatura:

[1] „Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2012 r.”, GUS, 2014

[2] “More automation more adhesives”, Sun & Wind Energy 7/2012