logowanie

Ekologiczny dom – jak wykorzystać odnawialne źródła energii?

Zasoby paliw konwencjonalnych, takich jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny, powoli się kurczą, a ich ceny są coraz wyższe. Dlatego coraz większym zainteresowaniem cieszą się urządzenia wykorzystujące tak zwane niekonwencjonalne źródła energii.

Najpopularniejsze urządzenia grzewcze to kotły, w których pali się gazem, olejem opałowym, węglem lub drewnem. Przez lata ich konstrukcję udoskonalano, tak że produkowane w tej chwili urządzenia mają bardzo wysoką sprawność – wykorzystują niemal całą energię chemiczną paliwa i trudno byłoby jeszcze coś w nich poprawić. Zdecydowane zmniejszenie kosztów ogrzewania i jego niekorzystnego oddziaływania na środowisko jest więc możliwe jedynie dzięki zastosowaniu innego rodzaju źródeł ciepła. Od dawna konstruuje się urządzenia grzewcze produkujące energię elektryczną z wykorzystaniem praktycznie niewyczerpalnych zasobów energii słonecznej. Dziś kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe czy pompy ciepła są produkowane masowo i oferowane przez wiele firm na całym świecie. Nie są tanie, ale rosnące ceny paliw powodują, że coraz bardziej opłaca się je stosować.

Pompy ciepła

Są najczęstszą alternatywą dla kotłów grzewczych na paliwa kopalne. Pobierają ciepło zakumulowane w gruncie, wodzie, a nawet w powietrzu. Jak to możliwe, że ciepło z zimnego otoczenia przekazywane jest do znacznie cieplejszych pomieszczeń? Pompa ciepła napędzana jest energią elektryczną, a w jej wnętrzu krąży płyn (tak zwany czynnik roboczy), który poddawany jest procesom termodynamicznym – w niskiej temperaturze odparowuje, tym samym pobierając ciepło z otoczenia, następnie jest sprężany w sprężarce, dzięki czemu rośnie jego temperatura. Staje się ona tak wysoka, że płynem tym można ogrzewać wodę krążącą w instalacji centralnego ogrzewania lub powietrze nadmuchiwane do pomieszczeń. Do ogrzania domu pompą ciepła potrzeba kilkakrotnie mniej energii elektrycznej niż do zasilania grzejników elektrycznych czy pieców akumulacyjnych. O jakości i sprawności pompy świadczy podawany przez producentów współczynnik efektywności COP, który może wynosić od 2 do ponad 5. Oznacza to, że pompa może dostarczać od dwóch do przeszło pięciu razy więcej energii w postaci ciepła niż pobiera jej z sieci elektrycznej. W praktyce, ze względu na niedoskonałości całej instalacji, efektywność jest trochę mniejsza, ale i tak koszty eksploatacji pompy są niskie – w przypadku popularnych pomp gruntowych (typu solanka-woda) porównywalne z kosztami ogrzewania tanim węglem.

Jak działają?

Pompy ciepła nie są urządzeniami bardzo skomplikowanymi. Budowa i zasada działania tych urządzeń nie różni się znacznie od budowy i zasady działania popularnych lodówek i klimatyzatorów. Jeśli producentem jest znana na rynku firma, nie trzeba obawiać się o ich niezawodność i nie ma  kłopotu z usuwaniem ewentualnych usterek. Podstawowe podzespoły sprężarkowej pompy ciepła są takie same jak w domowych lodówkach: parownik, skraplacz, sprężarka i element dławiący (kapilara, zawór rozprężny). W przypadku pomp wykorzystujących ciepło z gruntu lub z wody niezbędny jest jeszcze wymiennik, za pośrednictwem którego ciepło dostarczane będzie do parownika pompy (w małych układach w wymienniku krąży czynnik roboczy pompy, więc rury wymiennika są jednocześnie parownikiem). Od jego właściwego doboru i wykonania zależy prawidłowe funkcjonowanie pompy. Wymienniki gruntowe wykonuje się z rur miedzianych lub z tworzyw sztucznych. Poziome układa się na głębokości 1–2 m pod powierzchnią gruntu, w jednej bądź w dwóch płaszczyznach, ewentualnie w formie spirali. Grunt na tej głębokości ma temperaturę 11–17°C w lecie i 0–5°C zimą. Najlepsze warunki do pozyskiwania ciepła panują w gruncie mokrym, gliniastym. Gęstość strumienia ciepła, od której zależy efektywność wymiennika gruntowego, wynosi w nim 40–50 W/m2, podczas gdy w gruncie suchym tylko 10–30 W/m2, czyli nawet pięciokrotnie mniej. Aby moc pompy ciepła wynosiła 15 kW, konieczne jest wykonanie wymiennika z rur o łącznej długości około 700 m. Jeśli na działce nie ma dostatecznie dużo miejsca do ułożenia rur w poziomie, wykonuje się wymienniki pionowe. Wymaga to wywiercenia w ziemi kilku otworów o głębokości 10–100 m, odległych od siebie o przynajmniej 5 m, i włożenia do każdego po jednej pętli rury. Źródłem ciepła dla pompy może być też woda z rzeki lub jeziora. Jej temperatura zimą waha się między 0 a 10°C. Kłopotliwa jest niestety konieczność przepompowywania stosunkowo dużej jej ilości. Dla osiągnięcia mocy 10 kW potrzebny jest przepływ ponad 2 m3/h wody o temperaturze 5°C. Do pompowania wody zużywa się zatem stosunkowo dużo energii, co niekorzystnie wpływa na efektywność systemu. Efektywnym źródłem ciepła jest za to woda gruntowa, która przez cały rok ma temperaturę około 10°C. Aby ją wykorzystać, trzeba wywiercić studnię o wydajności co najmniej 1,5 m3/h. Pompowana z niej woda oddaje ciepło w parowniku. Następnie trzeba ją odprowadzać do drugiej studni, tak zwanej chłonnej. Takie rozwiązanie może jednak sprawiać kłopoty eksploatacyjne –  wydajność studni z czasem się zmienia. Najprostsze jest zainstalowanie pompy ciepła wykorzystującej jako źródło ciepła powietrze. Tego typu urządzenia nie potrzebują żadnego zewnętrznego wymiennika. Powietrze zasysane jest po prostu do wnętrza pompy przez wentylator i bezpośrednio omywa parownik, oddając ciepło czynnikowi roboczemu, krążącemu w obiegu wewnętrznym pompy. Niestety urządzenie funkcjonuje tylko w czasie, gdy temperatura powietrza nie jest zbyt niska. Gdy jest mróz, efektywność powietrznej pompy ciepła gwałtownie maleje i zużycie energii elektrycznej rośnie do poziomu zwykłych ogrzewaczy elektrycznych. Dlatego w naszym klimacie powietrzna pompa ciepła nadaje się najbardziej do podgrzewania wody użytkowej potrzebnej przez cały rok, także latem, gdy efektywność takiej pompy jest wysoka.

  • powieksz
    Niekonwencjonalne źródła energii
    Fot.: Schüco
  • powieksz
    kolektory słoneczne
    Fot.: Andrzej Szandomirski

Kolektory słoneczne

To coraz bardziej popularne urządzenia grzewcze wykorzystujące energię słoneczną. Nie zastąpią kotła, ale są jego dobrym uzupełnieniem, umożliwiającym zmniejszenie kosztów ogrzewania. Trzeba podkreślić, że panujące w Polsce warunki nie sprzyjają wykorzystywaniu kolektorów do zasilania instalacji ogrzewania pomieszczeń. Standardowe rozwiązania służą jedynie do przygotowywania ciepłej wody użytkowej, płynącej do kranów. Kolektory to płaskie panele albo baterie szklanych rur, które umieszcza się w najsilniej nasłonecznionych miejscach pozbawionych cienia, zwykle na dachu domu, ewentualnie na elewacji. Ponieważ zapotrzebowanie na ciepło w domu jest największe w czasie, gdy warunki do pracy kolektorów są najgorsze, konieczne jest magazynowanie przekazywanej przez nie energii. Płaskie kolektory cieczowe to układ cienkich rurek (ewentualnie kanałów wykonanych z profili) przymocowanych do metalowej płyty, pokrytej tak zwaną powłoką selektywną. Całość jest zamknięta w obudowie, która ma ograniczać straty ciepła i chronić kolektor przed uszkodzeniami, a jednocześnie nie utrudniać przenikania promieniowania słonecznego do wnętrza. Płynąca rurkami kolektora ciecz (zwykle stosuje się trudno zamarzający roztwór glikolu) ogrzewa się od rozgrzanej przez słońce powierzchni płyty i przylegających do niej ścianek rur. Od jakości użytych materiałów i precyzji wykonania zależy sprawność kolektora, a zatem także ilość energii, jaką dostarczy do instalacji przy określonej powierzchni. Kolektory rurowe próżniowe to ustawione równolegle względem siebie szklane rury o średnicy 5–10 cm, łączone w baterie. W każdej rurze znajduje się osobna rurka z absorberem – płaskim lub naniesionym na powierzchnię rury (rozwiązanie tańsze, ale mniej doskonałe ze względu na brak bezpośredniego kontaktu absorbera z rurką z płynem). Próżnia wokół absorbera stanowi jego izolację. Nie następuje konwekcja (transport ciepła wynikający z ruchu materii), dzięki czemu straty ciepła z absorbera są znacznie mniejsze. Do tego absorber szybciej się ogrzewa, bo ciepło nie jest tracone na podgrzanie powietrza wokół absorbera. Kolektory rurowe mogą się składać z podwójnych rur (rura w rurze), w których próżnia jest między dwiema warstwami szkła, albo z pojedynczych rur próżniowych. Przez znajdującą się w szklanej rurze zamocowanej do absorbera rurce może przepływać roztwór glikolu (jak w kolektorach płaskich), ale są też konstrukcje z tak zwaną rurką cieplną (Heat-pipe). Rurka jest wtedy z obu stron zamknięta i wypełniona płynem parującym w temperaturze około 25°C. Podgrzany promieniami słonecznymi w dolnej części rurki płyn odparowuje i unosi się do znajdującego się na górnym końcu kondensatora. Ten jest z zewnątrz omywany glikolem, krążącym w instalacji solarnej. Na skutek tego para płynu w kondensatorze jest schłodzona (oddaje ciepło glikolowi), więc się skrapla i spływa po wewnętrznej ściance rurki cieplnej, gdzie ponownie odparowuje i cały cykl się powtarza. By to było możliwe, kolektory powinny być pochylone pod kątem około 20o. Wykorzystanie zjawiska przemiany fazowej (parowania i skraplania) umożliwia zwiększenie sprawności kolektora. Niektóre kolektory rurowe są wyposażone w zwierciadła odbijające promienie słoneczne, tak by padały na absorber nie tylko z wierzchu, lecz także od spodu. Dzięki temu temperatura cieczy w instalacji może znacznie przekraczać 100°C. W domowych warunkach nie jest to potrzebne, dlatego tego typu urządzenia mają  zastosowanie głównie w przemyśle. Do magazynowania wody podgrzanej ciepłem z kolektorów słonecznych potrzebny jest zaizolowany termicznie zbiornik. Od ilości zgromadzonej w nim wody zależy, czy wszyscy domownicy będą mogli się wykąpać w wodzie ogrzanej energią słoneczną, czy też konieczne będzie regularne dogrzewanie jej przez inne źródło.Zbiornik, czyli zasobnik, to niestety kosztowny element instalacji – tym droższy, im większy. Na jego cenę wpływa też rodzaj materiału, z którego jest zrobiony. Droższe, ale i trwalsze są te ze stali kwasoodpornej, tańsze – emaliowane. By móc uzupełniać niedostatki energii słonecznej ciepłem z innego źródła w instalacjach z kolektorami, stosuje się tak zwane zasobniki biwalentne, czyli wyposażone w dwa wymienniki ciepła (najczęściej w formie wężownic, spotyka się też konstrukcje typu zbiornik w zbiorniku) – przez jeden przepływa roztwór glikolu z kolektorów, przez drugi woda grzewcza z kotła lub innego źródła ciepła. Do sterowania systemem potrzebny jest też specjalny regulator z czujnikami temperatury, który uruchamia zasilanie w ciepło z kotła, gdy temperatura wody w zasobniku jest zbyt niska, a kolektory nie są w stanie jej podgrzać. Regulator sterujący pompą wymuszającą przepływ cieczy przez kolektory może odpowiadać też za zabezpieczenie instalacji przed nadmiernym wzrostem temperatury i za automatyczne odśnieżanie kolektorów.

Ile kolektorów, jak duży zasobnik?

Zakłada się, że każdy z domowników zużywa dziennie 50 l ciepłej wody o temperaturze 45°C. W uproszczeniu można przyjąć, że do jej podgrzania potrzebny jest kolektor słoneczny o powierzchni absorbera 1 m2, ale powinno się wykonać dokładniejsze obliczenia uwzględniające jego sprawność, usytuowanie względem stron świata, pochylenie i mogące występować zacienienie przez sąsiednie budynki lub drzewa. Wszelkie odstępstwa od sytuacji, w której absorber jest skierowany w stronę południową, pochylony pod kątem około 40o i niezacieniony, mogą spowodować konieczność zastosowania kolektorów o większej powierzchni. Pojedynczy kolektor płaski ma zwykle absorber o powierzchni około 2 m2. W domach jednorodzinnych do podgrzewania wody potrzebne są zatem dwa, trzy, czasami cztery takie kolektory. Pojemność zasobnika na wodę podgrzewaną energią słoneczną powinna być 1,5–2 razy większa od przewidywanego dziennego zużycia ciepłej wody. Zasobniki do instalacji solarnych mają pojemność co najmniej 200 l. Najmniejsze nadają się dla rodziny dwuosobowej, dla trzech osób zalecana jest pojemność około 250 l, dla czterech 300 l, ale jeśli wszyscy mieszkańcy chcą się kąpać w dużej wannie, lepiej wybrać jeszcze większe – nawet 500 l, chyba że pogodzimy się z dogrzewaniem wody przez konwencjonalne źródło ciepła.

Źródło: redakcja

Partnerzy serwisu

To dzięki tym firmom możemy realizować Wasze potrzeby i zainteresowania

border_left border_right