W Polsce od kilku lat widoczny jest wzrost zainteresowania odnawialnymi źródłami energii. W dziedzinie kolektorów słonecznych Polska jest już znaczącym krajem na rynku europejskim. Według wstępnych szacunków Stowarzyszenia Producentów i Urządzeń Grzewczych za rok 2020 powierzchnia kolektorów w kraju wyniosła 2,5 mln m kw.
Istnieje wiele publikacji (w tym publikacje polskich jednostek naukowych) dotyczących samych parametrów i funkcjonowania instalacji kolektorów słonecznych. Specjaliści zajmujący się tą tematyką zwracają jednak uwagę na to, że wszystkie dostępne opracowania są efektem badań prowadzonych w warunkach laboratoryjnych, a brak jest badań prowadzonych w warunkach rzeczywistych, co pozwoliłoby na rzetelną ocenę efektywności systemów i optymalizację urządzeń. Do tej pory nie było także żadnych dostępnych danych dotyczących badania systemu kolektorów słonecznych we współpracy z kotłami gazowymi – co jest typowym rozwiązaniem stosowanym w domach jednorodzinnych. Dlatego poniżej prezentujemy pierwsze wyniki prac b+r przeprowadzonych w Polsce w warunkach rzeczywistych.
Kolektory słoneczne. Fot. shutterstock
Celem projektu współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego była ocena pracy instalacji badawczych zaopatrujących budynki jednorodzinne w c.w.u oraz analiza porównawcza uzyskanych wyników. Ocena pracy instalacji została wykonana na podstawie analizy danych pochodzących z ciepłomierzy i wodomierzy zainstalowanych na instalacjach zlokalizowanych w stworzonych stanowiskach badawczych. Analizowane dane były zarejestrowane z krokiem czasowym wynoszącym 1 h w okresie od kwietnia 2019 do sierpnia 2020.
Na potrzeby badań stworzono dwa stanowiska badawcze służące do podgrzewania zimnej wody wodociągowej w celu zaopatrzenia instalacji wodociągowej w ciepłą wodę użytkową (w skrócie c.w.u.) zlokalizowane w budynkach jednorodzinnych oddalonych od siebie o mniej niż 30 km. Budynki jednorodzinne, w których znajdują się stanowiska badawcze, są zamieszkiwane przez cztery osoby w sposób ciągły (nie są zamieszkiwane sezonowo). Gospodarstwa domowe składają się z dwóch osób dorosłych w wieku 30-50 lat mieszkających z dwojgiem dzieci w wieku do 18 roku życia. Oba budynki zostały wyposażone w kolektory słoneczne o takich samych wielkościach i parametrach, które zostały zamontowane pod takim samym kątem nachylenia. Stanowiska badawcze składają się z dwóch płaskich kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni ok. 4,1 m2 i kotła gazowego (jako źródła ciepła), zasobnika na c.w.u., zespołu pompowo-sterowniczego, naczynia przeponowego, ciepłomierzy i wodomierzy oraz automatycznego urządzenia rejestrującego pochodzące z nich dane (centrala M-Bus). Stanowiska badawcze różnią się między sobą wielkością zasobnika ciepłej wody użytkowej. Na stanowisku badawczym numer 1 zastosowano zasobnik o pojemności 250 litrów, natomiast na drugim stanowisku zamontowano zasobnik o pojemności 200 litrów. Kolektory zamontowano tak, aby ich powierzchnie były skierowane w kierunku południowym pod kątem 45 stopni. Sposób mocowania kolektorów na dachu wykonano w oparciu o wytyczne otrzymane od producenta kolektorów słonecznych.
Pierwszym analizowanym parametrem była moc cieplna, czyli energia dostarczona do zimnej wody wodociągowej gromadzonej w zasobniku w celu jej podgrzania i wytworzenia c.w.u.
W przypadku stanowiska badawczego numer 1, dla rozpatrywanego okresu badawczego, miesiącami, w których więcej mocy cieplnej pochodziło z instalacji solarnej niż z instalacji z kotła były czerwiec i sierpień 2019 oraz lipiec i sierpień 2020.
W przypadku stanowiska badawczego numer 2 przez cały okres letni, tj. od początku czerwca do końca sierpnia więcej mocy cieplnej pochodziło z instalacji solarnej niż z instalacji kotłowej, co jest zgodne z oczekiwaniami.
Z analizy wynikało, że w przypadku obu stanowisk badawczych od września – czyli od chwili wkraczania w okres jesienny – widoczna jest zwiększająca się różnica w dostarczanej mocy cieplnej przez instalację solarną i kocioł. Wówczas w obu stanowiskach badawczych funkcję ogrzewania zimnej wody wodociągowej na cele c.w.u. przejął kocioł, co jest sytuacją oczekiwaną w przypadku mniejszych zysków ciepła od słońca jesienią, na co wpływa coraz krótszy dzień oraz zmiana kąta padania promieni słonecznych na powierzchnię ziemi.
Z rozkładu wartości jednostkowego średniego dobowego zużycia c.w.u. (q) wynika, że w przypadku stanowiska badawczego numer 1 w okresie od maja do sierpnia wartość średniego dobowego zużycia wody na c.w.u. wahała się w granicach od ok. 48 dm3/mk*d do ok. 59 dm3/mk*d. Następnie od września widoczny jest wzrost zużycia wody na cele c.w.u. Ta sytuacja jest prawdopodobnie związana z okresem roku szkolnego, kiedy to mieszkańcy mają stały rytm dnia i są w nim obecni o stałych porach.
W dalszej analizie badano korelację między mocą cieplną pochodzącą z instalacji solarnych i kotłów a zużyciem c.w.u. oraz korelację między mocą cieplną pochodzącą z instalacji solarnej a zużyciem c.w.u.
Z powyższej tabeli wynika, że w okresie letnim stopień pokrycia przez instalację solarną zapotrzebowania na ciepło dla pozyskania c.w.u. w poszczególnych miesiącach wynosił maksymalnie ok. 59,45% w przypadku stanowiska badawczego numer 1 i ok. 70% w przypadku stanowiska badawczego numer 2. Jednak trzeba mieć na uwadze, że znaczący wpływ na wyniki badań miała sytuacja epidemiczna w Polsce. Zachorowalność na wirusa zaobserwowano w kraju od marca 2020. Od tego momentu wprowadzono wiele ograniczeń do życia całego społeczeństwa, co przełożyło się także na sposób funkcjonowania gospodarstw domowych, w tym również tych, które brały udział w badaniach. Porównano przedziały czasowe od kwietnia do sierpnia roku 2019 do analogicznego okresu w roku 2020, gdzie życie społeczne naznaczyła pandemia. Zużycie ciepłej wody wzrosło nawet o ponad 47% (czerwiec 2019 a czerwiec 2020, stanowisko nr 1). Jednostkowe dobowe zużycie ciepłej wody użytkowej wzrosło tu z poziomu 58,25 litrów/osobę do poziomu 85,83 litrów/osobę. Liczba dni, które rodziny spędziły w analizowanym okresie na wypoczynku poza domem nie miały znaczącego wpływu na otrzymane dane, gdyż ilościowo i okresowo były bardzo do siebie zbliżone.
Ilość zużywanej ciepłej wody użytkowej ma bezpośredni wpływ na sposób funkcjonowania instalacji solarnej, jak i dobór części składowych. W związku z tak znaczącym wzrostem zużycia ciepłej wody użytkowej układy solarne pracowały zdecydowanie mniej efektywnie (porównując analogiczne okresy rok do roku). Mimo okresu letniego 2 kolektory słoneczne nie były w stanie podgrzać tak dużej ilości ciepłej wody i stopień pokrycia solarnego pozostał na niskim poziomie (Sp 59,45% w czerwcu 2019 w porównaniu Sp 36,93% w czerwcu 2020, stanowisko nr 1).
Fakt iż zdecydowany wzrost ilości ciepłej wody użytkowej nie wpłynął na ilość ciepła pozyskanego z instalacji solarnej jest jednak bardzo ważny przy tworzeniu aplikacji, gdyż wynika z niego maksymalny uzysk słoneczny jaki mogą osiągnąć 2 kolektory słoneczne i kształtuje on się na poziomie około 7,92 GJ (2200 kWh). Rzeczywisty rozkład energii pozyskany z instalacji solarnej na podgrzanie c.w.u w ciągu roku okazał się zupełnie różny od prezentowanego w dostępnych na rynku programach symulacyjnych. W przeprowadzonych badaniach w okresie 6 miesięcy od kwietnia do września uzyskano średnio 78,5% całości energii pozyskanej z instalacji kolektorów słonecznych. Podczas gdy z programów symulacyjnych procent ten był dużo niższy i wynosił poniżej 70%. Zatem właściwe było stwierdzenie, iż to miesiące w których jest więcej promieniowania słonecznego odpowiadają w Polsce w znacznie większym stopniu za sprawność całego układu. Ponadto bardzo znaczący okazał się wpływ cyrkulacji ciepłej wody użytkowej, w które wyposażone były badane gospodarstwa domowe. Działająca w nocy instalacja cyrkulacji, wymuszała obieg ciepłej wody użytkowej i w ten sposób wychładzała zasobnik. W następstwie powodowało to częstsze załączania się kotła gazowego, nawet w miesiącach letnich kiedy teoretycznie dodatkowe źródło ciepła powinno pracować sporadycznie. Dlatego zdecydowano się zmodernizować układy cyrkulacji, aby w godzinach nocnych wyłączać pompę cyrkulacyjną i w ten sposób zmagazynować większą ilość ciepła w zasobniku. Zaobserwowano także bardzo dużą nierównomierność rozkładu temperatur w samym zasobniku. Latem w dolnej części zasobnika, podgrzewanej przez kolektory słoneczne, osiągnięto temperaturę około 70°C. Natomiast w górnej części zasobnika, podgrzewanej przez kocioł gazowy osiągano temperaturę 45°C. Te wartości były zgodne z oczekiwaniami, natomiast brak możliwości zmieszania się wody o różnej temperaturze miał wpływ na pracę całego układu solarnego i ciepłej wody użytkowej. Problemem był brak ujednoliconej, uśrednionej na podobnym poziomie temperatury ciepłej wody użytkowej, co skutkowało częstszym załączaniem się dodatkowego źródła ciepła. Było to spowodowane ochłodzeniem się zasobnika w górnej części przy jednocześnie wysokiej temperaturze w jego dolnej części. W związku z tym stwierdzono, iż nawet nie sama wielkość zasobnika, ale jego budowa, w tym w szczególności jego wysokość ma znaczący wpływ na pracę układów solarnych. Uzyskane dane z pomiarów zostały zaimplementowane do aplikacji dostępnej na stronie https://sun-app.pl/
Sprawdź też:
Bariery rozwoju odnawialnych źródeł energii
Rynek fotowoltaiki w Polsce 2021. RAPORT
Prototypowe magazyny energii w czterech miejscowościach w Polsce
Mikroinstalacje PV montowane na gruncie
