Nawet w naszej szerokości geograficznej, która nie jest optymalna, możemy wykorzystać promieniowanie słoneczne do wytworzenia ciepła.
Mapa nasłonecznienia Polski
Do tej ilości energii szczególnie przydatne są próżniowe kolektory rurowe, który zapewnia ciepło nie tylko w miesiącach letnich, ale przez cały rok. Już przy nasłonecznieniu wynoszącym 200 W/m 2 może on przekształcić promieniowanie w wykorzystaną energię. Oznacza to, że jest on wykorzystany nawet w pochmurne dni zimowe. Kolektory słoneczne sprawdzają się szczególnie w przypadku systemów ogrzewania wody użytkowej w połączeniu z pompami ciepła.
Wartość współczynnika wykorzystania klasycznych systemów solarnych mieści się w przedziale 20-60%, a wartość współczynnika pokrycia w przedziale 50-30%. Jednakże stosując kolektor słoneczny współpracujący z pompą ciepła jesteśmy w stanie przekierować całą energię niewykorzystaną bądź to z powodu jej nadmiaru lub zbyt niskiego poziomu temperatury do celów podgrzewu wody do gruntu podnosząc temperaturę zasilania pompy ciepła. Źródła ciepła takie jak grunty przy zastosowaniu kolektorów słonecznych mogą być w pełni zregenerowane energwtycznie już w maju, gdzie normalnie proces ten trwa całe lato.
W sytuacji, kiedy ceny tradycyjnych paliw wykorzystywanych do ogrzewania wody użytkowej ciągle rosną warto zastosować instalację solarną. Słońce jest bowiem niewyczerpalnym i bardzo tanim źródłem energii.
Natężenie promieniowania słonecznego w Polsce, w zależności od regionu, zawiera się w przedziale 930-1160 kWh/m 2/rok.
Górna granica wartości współczynnika wykorzystania systemu wynosi wynikających to z przyczyn technicznych, około 70-75%. Z praktycznego punktu widzenia oznacza to, że przy rocznych dostawach energii słonecznej w ilości około 1000 kWh/m 2/rok, uzysk instalacji solarnej może maksymalnie wynosić tylko 700-750kWh/m 2/rok. Takich wartości w rzeczywistości jednak w zasadzie osiągnąć nie można. Wynika to z negatywnego oddziaływania przede wszystkim następujących czynników:
- duże długości rur
- niedostateczna lub uszkodzona izolacja
- nierównomiernie rozłożone czasy zapotrzebowania na ciepłą wodę (im większy stopień nierównomierności, tym straty są większe)
- wysoka wartość temperatury ciepłej wody w stanie gotowości do wykorzystania (im wyższa temperatura, tym straty są większe)
- zbyt niska temperatura osiągana przez kolektor do grzania wody
Aby uzyskać wartość współczynnika pokrycia 60%, do jakiej dąży się w przypadku instalacji przeznaczonych dla domów jedno- i wielorodzinnych, powinno się zakładać około 1.0-1.5m 2 powierzchni kolektora na jedną osobę.
Praktyczny uzysk kolektora dla podgrzewu ciepłej wody przy dobrze funkcjonującej instalacji solarnej może wynosić od 300 do 450 kWh/m 2/rok. Pozostałe 300-450W/m 2/rok przy zastosowaniu autonomicznej instalacji solarnej jest tracone. Inaczej sprawa się przedstawia jeżeli zintegrujemy instalację solarną z pompą ciepła. Cała tracona lub bezużyteczna energia do podgrzewania ciepłej wody może zostać przekierowana do poprawienia współczynnika sprawności pompy ciepła i regeneracji źródła dolnego. Z doświadczenia wynika, iż już przy zastosowaniu 2m 2 kolektora na 10kW mocy chłodniczej pompy ciepła regeneracja gruntu następuje już w miesiącu maju (normalnie trwająca do sierpnia), a temperatura źródła pompy ciepła może być wyższa nawet o 3°C co jest równoznaczne z poprawą współczynnika sprawności o ponad 10%.
Kolektory słoneczne współpracujące z pompami ciepła Solis nie muszą jak w układach autonomicznych być wypełnione roztworem glikolu zabezpieczającym przed zamarzaniem do -20°C. Cały układ: kolektor gruntowy oraz kolektor słoneczny powinny być wypełnione roztworem zamarzającym w temperaturze min -10°C. Sterownik pompy ciepła w razie spadku temperatury do niebezpiecznego poziomu uruchomi zawór obiegu słonecznego celem zabezpieczenia go przed zamarznięciem. Rozwiązanie takie daje wymierne oszczędności w energii do napędu pomp roztworu glikolu.
Sprawność kolektora słonecznego definiowana jest jako iloraz energii cieplnej pozyskanej przez medium grzewcze do napromieniowania powierzchni kolektora w jednostce czasu.
Wielkościami opisującymi charakterystykę sprawności kolektora jest sprawność optyczna (eta) , która odpowiada sytuacji kiedy różnica temperatury w kolektorze (T M) i temperatury otoczenia (T ) wynosi zero oraz jej pochylenie, które jest miarą strat cieplnych kolektora. O sprawności kolektora decydują jego parametry konstrukcyjne jak i warunki w jakich jest eksploatowany.
Ogrzewanie wody użytkowej
W naszej strefie klimatycznej zastosowanie układu solarnego pozwala zaoszczędzić rocznie do 60% kosztów związanych z produkcją ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). W okresach o małym nasłonecznieniu zaleca się połączenie instalacji solarnej z innym źródłem ciepła. W takich, dwusystemowych instalacjach dodatkowe ciepło dostarczane jest przez grzałkę elektryczną lub pompę ciepła.
Ogrzewanie wody w basenach
Coraz częściej kolektory słoneczne wykorzystuje się do podgrzewania wody w basenach kąpielowych. Utrzymanie temperatury 23-24°C w okresie czerwiec-sierpień wymaga zainstalowania 0,8 - 0,9 m 2 kolektora na 1m 2 basenu bez osłony termicznej.
Dla basenów z osłoną termiczną wystarczy 0,4-0,6 m 2 kolektora na 1m 2 basenu.
Wspomaganie układu centralnego ogrzewania
Dogrzewanie pomieszczeń z zastosowaniem układu solarnego jest najbardziej wydajne w okresach przejściowych (marzec-kwiecień, wrzesień-październik). Istotną rolę odgrywa tutaj rodzaj zastosowanego systemu grzewczego. Kolektory słoneczne wykazują najwyższą wydajność współpracując z ogrzewaniem niskotemperaturowym - podłogowym oraz ściennym.
Średnio przyjmuje się 1 m2 kolektora słonecznego na 10 m 2 powierzchni ogrzewanej.
Przykładowe układy instalacji pomp ciepła z kolektorami słonecznymi
