Ogrzewanie z odnawialnymi źródłami energii

Kolektory słoneczne i pompy ciepła to, bez wątpienia, najpopularniejsze urządzenie czerpiące energię ze źródeł odnawialnych, wykorzystywane do ogrzewania i podgrzewania c.w.u. Czym się one charakteryzują i jakie są ich najpopularniejsze rodzaje? 

Kolektory słoneczne

Kolektory słoneczne służą do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Dodatkowo mogą być wykorzystywane jako wspomaganie wodnego ogrzewania budynku. Kolektory słoneczne zamieniają energię słoneczną na energię cieplną nośnika ciepła, którym może być ciecz (np. glikol) lub gaz (powietrze).
Na rynku dostępne są dwa podstawowe rodzaje kolektorów słonecznych: płaskie i próżniowe rurowe. Ze względu na trudności technologiczne rzadko spotyka się płaskie kolektory próżniowe. 

Jak pokazują statystyki ESTIF (European Solar Thermal Industry Federation) w krajach Europy Zachodniej standardem rynkowym stały się kolektory płaskie (około 85 – 90% udziału w rynku). 

W Polsce udział rynkowy kolektorów próżniowych jest dość wysoki i wynosi 25% udziału w rynku. Wynika to z istniejącego w naszym kraju przekonania wielu inwestorów, że próżniowy kolektor jest lepszy od płaskiego.

Generalnie, mniejsze zainteresowanie próżniowymi kolektorami słonecznymi wynikać może z ich wysokiej ceny, kilkakrotnie wyższej niż kolektorów płaskich. Dotyczy to szczególnie kolektorów próżniowych najwyższej klasy, które charakteryzują się dobrą sprawnością. Okazuje się bowiem, że nie każdy kolektor próżniowy jest sprawniejszy od swojego płaskiego odpowiednika.

Wpływ na efektywną pracę instalacji słonecznej ma nie tylko wybór i jakość kolektorów, ale także sposób ich zamontowania. Największą skuteczność osiąga się ustawiając panele w pozycji nachylonej do pionu od 30º do 45º. Nie zawsze jednak istnieje taka możliwość.

Jak ustawienie kolektorów wpływa na ich skuteczność? 

Kluczowym czynnikiem zapewniającym skuteczną i efektywną pracę kolektorów słonecznych jest zapewnienie im właściwego nasłonecznienia. Optymalnym rozwiązaniem byłoby ustawienie paneli zawsze prostopadle do promieniowania słonecznego – zapewnia to najwyższy poziom przepuszczalności promieniowania przez szybę i przyjmowania promieniowania. Wiąże się to jednak z zastosowaniem kosztownej automatyki sterującej, odpowiednich stelaży itp. Dlatego w praktyce bardzo rzadko się to stosuje. Na szczęście dla użytkowników kolektory słoneczne cechuje szeroki zakres pracy, nie wymagający ciągłego kierowania na słońce.

Instalacja kolektorów słonecznych, pod względem stopnia nachylenia, zależy także od ich przeznaczenia. Najczęściej kolektory służą do całorocznego podgrzewania ciepłej wody użytkowej. W takiej sytuacji najkorzystniejsze i zalecane nachylenie wynosi od 30º do 45º, na południowej połaci dachu.

W instalacjach przewidzianych do dodatkowego wspomagania centralnego ogrzewania, kolektory zaleca się instalować z wyższym nachyleniem. W ten sposób poprawia się warunki nasłonecznienia w okresie jesienno-zimowym, gdy słońce porusza się nisko nad horyzontem, a jednocześnie obniżana nasłonecznienie latem, zmniejszając możliwość występowania przegrzewów (kąt padania promieni słonecznych na pionowo ustawiony kolektor jest ostry).

Planując instalację kolektorów słonecznych na dachu należy przewidzieć także odpowiednią odległość od krawędzi dachu. Ze względu na zwiększone siły wiatru w tym obszarze odległość ta powinna wynosić minimum 1 metr.
Zaleca się także montaż kolektorów w górnej części dachu, po to aby zminimalizować obciążenia powstające na skutek zsuwającego się śniegu. Dodatkową ochronę przed śniegiem stanowią barierki przeciwśniegowe.

Pompy ciepła

Pompy ciepła energię niezbędną do podgrzania wody czerpią ze źródeł odnawialnych. W zależności od rodzaju pompy są to powietrze, grunt lub woda. Do pracy, pompa ciepła, potrzebuje jedynie niewielką ilość energii elektrycznej. Jest to jednak bardzo mała wartość, w stosunku do wytworzonej energii cieplnej. Istnieją trzy główne rodzaje pomp ciepła: powietrzne (powietrze/woda), gruntowe (solanka/woda) i wodne (woda/woda).

Powietrzne pompy ciepła

Pompy ciepła typu powietrze/woda są najtańsze w montażu i dobrze sprawdzają się w budynkach wyposażonych już w źródło ciepła, np. kocioł olejowy lub węglowy. Wówczas instalując pompę znacznie obniża się koszty eksploatacji – nawet o 50%.

Powietrzne pompy ciepła instaluje się także w obiektach, przy których nie ma możliwości wykonania wymiennika gruntowego (pompy solanka/woda), np. ze względu na ukształtowanie działki.

Urządzenia zasilane powietrzem mogą również służyć do chłodzenia pomieszczeń latem, wykorzystując do tego np. instalację podłogową lub klimakonwektory.

Należy jednak pamiętać, że powietrzne pompy ciepła działają zależnie od warunków panujących na zewnątrz. I choć niektóre urządzenia mogą działać nawet przy temperaturze -20ºC to w takich warunkach znacznie spada ich sprawność. W Polsce temperatury zimą potrafią być jeszcze niższe co powoduje, że powietrzna pompa ciepła nie może być samodzielnym źródłem ciepła i potrzebuje wsparcia.

Gruntowe pompy ciepła

Ze względu na warunki klimatyczne panujące w naszym kraju, jedynie gruntowe pompy ciepła są w stanie samodzielnie, bez dodatkowego źródła ciepła, zapewnić całoroczne ogrzewanie budynku.
Urządzenia te pozyskują energię z ziemi, wykorzystując do tego zasadę termodynamiki. Dzięki temu energia cieplna z dolnego źródła (gruntu), za pomocą czynnika roboczego (np. glikolu), dostarczana jest do górnego źródła (np. ogrzewania podłogowego, ściennego, grzejników konwekcyjnych, klimakonwektorów).

Gruntowa pompa ciepła pracuje stabilnie przez cały rok, bo pozyskuje stałą temperaturę (np. 0 stopni) z gruntu i produkuje z tego ciepło. Pompa ciepła zasilana powietrzem pracuje w bardzo dużej rozpiętości temperatur na zewnątrz – od kilkunastu stopni do minus dwudziestu kilku. Wraz ze spadkiem temperatury na zewnątrz spada jej sprawność. Pompa ciepła zasilana powietrzem pracuje w skali roku około 2 razy dłużej niż pompa ciepła gruntowa. Średnio pompa gruntowa pracuje od 2 do 2,5 tys. godz./rok, a powietrzna pompa ciepła od 4 do 5 tys. godzin. Wpływa to na żywotność sprężarki – najważniejszego elementu pompy ciepła.

Wodne pompy ciepła

Wodne pompy ciepła są najrzadziej stosowane. Ich największą zaletą jest duża efektywność. Do pozyskania energii wykorzystują dwie studnie: biorczą, z której pobiera się wodę oraz zdawczą, która odprowadza ją z powrotem do środowiska naturalnego. Studnie sięgają głębokości 10 m pod powierzchnią ziemi, gdzie temperatura wody waha się od 8 do 10ºC, natomiast 10 m głębiej nie spada poniżej 12ºC. Warto zatem zdecydować się na głębszy odwiert, ponieważ zapewni on stabilniejsze źródło energii przez cały rok.