Kolektory Słoneczne Wodne i Powietrzne oraz “Farmy Słoneczne”

Inteligentny Dom , Inteligentny Budynek eHouse – wykorzystanie kolektorów słonecznych do pozyskiwania darmowej energii grzewczej.

Istnieje bardzo wiele rodzajów kolektorów słonecznych oraz wiele form podziałów i kategorii

  • Płaskie
  • Paraboliczne – skupiające
  • próżniowe
  • rtęciowe
  • obrotowe – śledzące słońce

Technologia wytworzenia i typ kolektora mają wpływ na sprawność i wydajność, medium izolacyjne, różnicę powierzchni elementu odbierającego ciepło do całej powierzchni kolektora.

My zajmiemy się podziałem na medium odbierające ciepło z kolektora:

  • kolektory słoneczne wodne (medium przepływające przez kolektor to niezamarzający płyn)
  • kolektory słoneczne powietrzne (substancja chłodząca kolektor to powietrze atmosferyczne)

Kolektory słoneczne są darmowym źródłem energii grzewczej, jednak kosztują dość dużo. Przy planowaniu inwestycji kolektorów słonecznych należy brać pod uwagę co najmniej 10-15lat.

Przy projektowaniu miejsca umieszczenia kolektorów należy uwzględnić naturalne zacienienia jak drzewa (które cały czas rosną), zabudowania na sąsiednich działkach oraz ewentualną wygodę podczas serwisu i montażu.

Należy brać pod uwagę fakt że latem słońce świeci pod znacznie większym kontem w stosunku do powierzchni ziemi więc zimą ta sama przeszkoda może udaremnić używanie kolektorów rzucając na nie cień. W przypadku dużych działek np. rolnych, można montować kolektory słoneczne na ziemi – na północnej stronie działki, gdyż sami zarządzamy rozplanowaniem zabudowań i drzew na własnym terenie. Instalowanie kolektorów na ziemi zajmuje miejsce jednak

  • pozwala na ich łatwy serwis (okresowe czyszczenie)
  • montaż
  • regulację konta nachylenia w stosunku do pory roku
  • zasłanianie w przypadku gdy nie dysponujemy alternatywnym obiegiem chłodzącym latem gdy wyjeżdżamy na urlop
  • straty energii proporcjonalne do odległości od ogrzewanego miejsca

Decydując się na kolektory na dachu trzeba to uwzględnić przy planowaniu bryły budynku, kształtu dachu, tak aby połać do instalacji kolektorów znajdowała się na stronie południowej, abyśmy mogli z niej czerpać największe zyski.

Przy montażu kolektorów na dachach trzeba uwzględnić konieczność serwisu i czyszczenia, szczególnie gdy palimy w domu paliwami stałymi (kotły, kominki) i na kolektorach może osadzać się dużo sadzy.

Szczególnie w przypadku starych gospodarstw rolnych, z dużymi działkami najlepiej instalować kolektory na ziemi.

Jeśli nie mamy możliwości lub nie chcemy instalować kolektorów bezpośrednio na gruncie, można pomyśleć o wykonaniu wiaty lub drewutni pod kątem instalacji kolektorów słonecznych na ich dachu. Przy projektowaniu należy uwzględnić powyższe czynniki.

Kolektory Słoneczne Powietrzne

W tych kolektorach Słonecznych medium odbierającym ciepło jest zwykłe powietrze atmosferyczne lub inny gaz pracujący w układzie zamkniętym. Mają one znacznie mniejszą wydajność w stosunku do wodnych ze względu na 20 razy mniejszy współczynnik przekazywania ciepła przez powietrze w stosunku do wody, co powoduje że są niskotemperaturowym źródłem energii do ogrzewania. Nie nadają się do ogrzewania wody użytkowej.

Doskonale nadają się do ogrzewania fundamentów, pustych przestrzeni powietrznych (np między styropianem ocieplającym a budynkiem na zewnątrz, pod gipso-kartonem wewnątrz budynku). Pomimo niskiej temperatury powietrza (20-40C) mają szereg korzystnych cech przy optymalnym wykorzystaniu do ogrzewania wolnych przestrzeni:

  • osuszają mury budynku, wełnę mineralną z rosy i pary wodnej – pod styropianem, gipso-kartonem i dachem, zmniejszając współczynniki wymiany ciepła materiałów budowlanych i ograniczając ucieczkę ciepła przez mostki cieplne
  • przeciwdziałają przemarzaniu ścian stanowiąc ich wstępne ogrzewanie od zewnątrz
  • znacznie ograniczają ucieczkę energii z budynku przez darmowe dogrzanie elementów generujących największe straty jak dachy, skosy, ściany
  • są proste i tanie do samodzielnego wykonania i uzyskania np. pobierając rozgrzane powietrze spod blacho-dachówki na dachu wiat, garaży, budynków i tłocząc je wentylatorami do ogrzewanych przestrzeni
  • pozwalają na darmowe ogrzanie czy wstępne dogrzanie pomieszczeń piwnicy, garażu, szklarni, itd. jednocześnie zapewniając ich prawidłową wentylację przez wymuszenie obiegu powietrza

Bardzo prosty przykład taniego i efektywnego “kolektora powietrznego” wykonanego samodzielnie:

Założenie dach wykonany z blacho-dachówki umieszczonej na deskowaniu pełnym. Dach przy minimalnym świeceniu słońca nawet przez chmury nagrzewa się, ogrzewając przestrzeń pomiędzy blacho-dachówką a deskowaniem pełnym więźby dachowej. Nawet w przypadku lutowych przymrozków dochodzących do minus 20 stopni (przymrozki zimowe (dzienne) występują przy pełnym słońcu i braku zachmurzenia). W pochmurne dni chmury przeciwdziałają mrozom tworząc “puchową kołdrę” nad okolicą więc jest względnie wysoka temperatura.

Zimą w dni słoneczne pomimo dużych mrozów na zewnątrz, dach nagrzewa się do 40-50 stopni. Ciepło to normalnie ucieka bezpowrotnie w górę przez kalenicę dachu. Aby to ciepło wykorzystać należy odwrócić ciąg grawitacyjny powietrza pomiędzy blacho-dachówką a deskowaniem zasysając to powietrze przy pomocy miniaturowych wentylatorów np komputerowych na 12V.

Na strychu w deskowaniu pełnym pod kalenicą wycinamy co 2mb otwór o średnicy ok 10cm lub mniejsze co 1mb.

rozprowadzamy rury wentylacyjne w izolacji termicznej pomiędzy tymi otworami a miejscami które chcemy ogrzewać (może to być na przykład północna ściana budynku – przestrzeń pomiędzy styropianem a murem) na dole muru w takiej samej odległości instalujemy wentylatory miniaturowe wyciągające wystudzone przez zimne ściany powietrze na zewnątrz . W tym układzie wykorzystujemy darmową energię nagrzewania się dachu do ogrzewania północnej części budynku, która jest najzimniejsza. Dodatkowo jest ona osuszana suchym i ciepłym powietrzem. Wykorzystujemy tu rocznie tysiące kilowatów energii grzewczej, która ucieka bezpowrotnie w eter, a może pracować dla nas za darmo.

Oczywiście taki układ ma tylko sens przy zapewnieniu sterowania wentylatorami niezależnie mierząc temperaturę bezpośrednio w miejscach poboru nagrzanego powietrza.

Konieczne jest wykorzystanie do tego sterownika pokojowego, który pozwala na sterowanie ogrzewaniem dla 7 niezależnych stref grzewczych w zaprogramowany sposób. Sterownik po skonfigurowaniu automatycznie włączy każdy wentylator, niezależnie wykonując pomiar z powiązanego z nim czujnika temperatury, wyciągając zimne powietrze na zewnątrz budynku (lub do nieogrzewanego garażu), a tym samym zasysając ciepłe spod nagrzanej blacho-dachówki. Po wystudzeniu powietrza pod blacho-dachówką wentylator automatycznie zostanie wyłączony przez sterownik mikroprocesorowy. Ponowne włączenie wentylatora nastąpi dopiero po nagrzaniu się powietrza pod blacho-dachówką

Sterownik ten jest elementem Inteligentny Dom, Inteligentny Budynek eHouse.

Temperatury progowe włączenia i wyłączenia wentylatora ustawia się indywidualnie dla każdego wejścia pomiarowego.

Praca tego “kolektora powietrznego” ma także sens latem, wysuszając ściany oraz akumulując energię w murach budynku co w uwzględnieniu do zapotrzebowania rocznego na energię przyczyni się do znacznych oszczędności w okresach przejściowych i sezonie grzewczym. Osuszanie budynku ogranicza straty cieplne (zmniejsza przenikalność cieplną), przeciwdziała powstawaniu grzybów, pleśni, zapachu stęchlizny alergenów co czyni budynek mniej zdrowym i wymaga częstych remontów.

Kolektory słoneczne wodne

W Kolektorach słonecznych wodnych medium odbierającym ciepło (energię wytworzoną przez promienie słoneczne) jest niezamarzająca ciecz. Może to być mieszanina wody z niezamarzającym koncentratem (np płynem do chłodnic) na bazie glikolu czy innego związku chemicznego. Mają one znacznie wyższą sprawność od kolektorów powietrznych i mogą oddawać znacznie wyższe temperatury. W okresach przejściowych (wiosna, jesień) oraz latem w zależności od warunków atmosferycznych, mogą całkowicie zaspokoić zapotrzebowanie na ogrzewanie domu oraz ogrzanie wody użytkowej, przy stosunkowo małej powierzchni nie przekraczającej 10m2 dla domu jednorodzinnego o powierzchni do 200m2. Aby wykorzystać efektywnie energię z kolektorów wodnych konieczne jest jej magazynowanie w buforach ciepłej wody o pojemności zależnej od czynnej powierzchni kolektorów. Dodatkowo ze względu na wysoką sprawność, konieczne jest zabezpieczenie kolektorów przed przegrzaniem gdy nie ma odbioru gorącej wody (np podczas urlopów, wyjazdów letnich, zaniku prądu, itd.).

W sytuacjach takich konieczne jest zapewnienie kolektorom (pompie awaryjnego zasilania UPS zapewniające ciągłą pracę) oraz alternatywny obieg medium chłodzącego kolektory celem odprowadzenia niewykorzystanego ciepła z kolektora. W tym celu warto jest wykonać wężownicę (rurę do ogrzewania podłogowego) zapewniającą odbiór ciepła w sytuacjach gdy przez dłuższy czas nie ma zużycia energii grzewczej ani gorącej wody. Niektóre instalacje w takim przypadku automatycznie otwierają elektrozawór wylewający gorącą wodę do kanalizacji, jednak jest to kilkaset kilowatów, które można by było wykorzystać w bardziej pożyteczny sposób.

Nadwyżki energii z kolektorów słonecznych wodnych można wykorzystać do magazynowania energii cieplnej w materiałach o dużej bezwładności cieplnej jak beton, czy ziemia bezpośrednio pod fundamentem.

Podgrzanie kilkudziesięciu metrów sześciennych betonu w bryle budynku o kilka stopni pozwoli na zmniejszenie nakładów na ogrzewanie w późniejszym terminie. W przypadku grzania płyty fundamentowej lub ziemi bezpośrednio pod podłogą ze względu na bardzo dużą bezwładność cieplną, pozwoli to na wykorzystanie tej energii za kilka tygodni, zmniejszając sumaryczne roczne zużycie energii grzewczej oraz późniejszą ucieczkę energii cieplnej do gruntu, w wyniku mostków cieplnych fundamentu lub płyty fundamentowej.

Aby maksymalnie wykorzystać tą energię można także ogrzewać betonowe elementy domu jak schody, stropy, wylewane ściany betonowe, podłogę piwnicy, garażu. Aby móc korzystać z tej energii konieczne jest na etapie budowy rozłożenie wężownic wodnych (rur do ogrzewania podłogowego) w miejscach gdzie zamierzamy magazynować tą energię.  Przed przejściem do kolejnych etapów budowy konieczne jest sprawdzenie ich szczelności. W przypadku uszkodzenia lub rozszczelnienia takiej wężownicy podczas budowy domu lub z czasem, niestety jest ona nie do użycia i musi zostać odłączona aby nie zalewać domu czy fundamentów.

Stosowanie Magazynowania energii w bryle budynku także należy przeprowadzić z głową zaopatrując ją w automatyka sterująca i rozprowadzającą w miejsca gdzie jest najniższa temperatura.

Konieczne jest wykorzystanie do tego sterownika pokojowego, który pozwala na sterowanie ogrzewaniem dla 7 niezależnych stref grzewczych w zaprogramowany sposób. Sterownik po skonfigurowaniu automatycznie otworzy każdy elektrozawór dla danego segmentu wężownicy, niezależnie wykonując pomiar z powiązanego z nim czujnika temperatury (podłogi lub betonu), i ogrzewając go do wymaganej temperatury.

Po podgrzaniu do zaprogramowanej temperatury sterownik zamyka elektrozawór danej sekcji “ogrzewania podłogowego” kierując płyn z kolektorów do innych sekcji grzewczych. Po wystudzeniu bloku betonu do zaprogramowanej temperatury dolnej   sterownik mikroprocesorowy ponownie otworzy elektrozawór umożliwiając dalsze nagrzewanie i magazynowanie energii.  Czynności te są wykonywane automatycznie i niezależnie dla każdego segmentu sterowania ogrzewania.

Przy zastosowaniu dużej ilości kolektorów słonecznych i tego typu sterowania, oraz sprzyjających warunków klimatycznych i atmosferycznych można uzyskać pokrycie z rzędu 60%-70% zapotrzebowania na ogrzewanie domu i ciepłej wody użytkowej na przestrzeni całego roku.

Farmy solarne

Pod tym pojęciem kryją się obiekty zawierające dużą ilość (powierzchnię) kolektorów słonecznych dowolnego typu. Mogą to być gospodarstwa rolne lub inne obiekty gospodarcze, których duży procent zapotrzebowania na ogrzewanie jest z kolektorów słonecznych. W niektórych przypadkach sprawność kolektorów nie ma większego znaczenia i znacznie korzystniej może okazać się zastosowanie mało wydajnych kolektorów o większej powierzchni czynnej ale znacznie tańszych. Takie zastosowania mogą obejmować dogrzewanie i ogrzewanie szklarni, ogrodów zimowych, obiektów gospodarczych, magazynów spożywcze gdzie nie musimy utrzymywać temperatury pokojowej, a tylko temperatury dodatniej jednocześnie zapewniając dobrą wentylację.
W farmach solarnych powierzchnia efektywna kolektorów jest liczona nadmiarowo aby zapewnić wysoki procent pokrycia zapotrzebowania na poziomie 85%-90% całorocznego zużycia energii. W czasie nadprodukcji energii grzewczej jest ona wytracana lub magazynowana w wielkich zbiornikach, basenach, stawach, lub ziemi w szklarniach zmniejszając częściowo potrzebę dogrzewania zimą. Do magazynowania energii słonecznej (grzewczej) od jakiegoś czasu wykorzystuje się bufory wypełnione żelem, który może magazynować ok 16 razy więcej energii w stosunku do wody, dla tej samej jednostki objętości. W farmach solarnych część kolektorów w miesiącach nadprodukcji energii może być zasłaniana manualnie sterowane automatycznie lub przez system sterowanie rolet, markiz, żaluzji lub oddawany sąsiednim gospodarstwom lub obiektom.

automatyka domu i budynku eHouse