Ze względu na małą gęstość energii słonecznej, dużą czasową zmienność jej natężenia oraz jej cykliczność, obecnie na świecie buduje się tak zwane zintegrowane systemy grzejne, w których skład, oprócz kolektora przetwarzającego energię słoneczną na cieplną, wchodzi również system magazynowania energii. Najczęściej spotykane są kolektory cieczowe, rzadziej — dwufazowe z czynnikiem podlegającym przemianie fazowej: parowanie — kondensacja. Badania laboratoryjne wykazały, że wydajność cieplna kolektora dwufazowego jest o ponad 10% wyższa niż standardowego kolektora cieczowego, jednak jego mniejsza popularność wynika z wysokiego kosztu związanego z koniecznością zamontowania dodatkowo zbiornika kondensatu oraz wypełniania systemu czynnikiem wrzącym w stosunkowo niskiej temperaturze (amoniak, freon, propan). Dostępne są również kolektory o nowoczesnych konstrukcjach i większej niż standardowe sprawności — absorpcyjne oraz kolektory załamujące promieniowanie słoneczne. Schematy budowy najczęściej spotykanych systemów wykorzystujących energię słoneczną do ogrzewania obiektów ogrodniczych przedstawiono na rysunku 1. Integralną częścią takich konstrukcji są instalacje magazynujące nadwyżkę energii cieplnej w ciągu dnia i kierujące ciepło do wnętrza obiektu w nocy. Szklarnia może być ogrzewana za pomocą osobnych cieczowych kolektorów słonecznych (rys. 1a) lub też na skutek pasywnego ogrzewania przez oszklenie (rys. 1b, 1c). W tych ostatnich konstrukcjach podgrzane powietrze w górnej przestrzeni szklarni tłoczone jest do złoża akumulującego (ciało o dużej pojemności cieplnej, systemy wykorzystujące ciepło przemian termodynamicznych).

RYS. 1. SCHEMAT KONWERSJI ENERGII SŁONECZNEJ NA ENERGIĘ CIEPLNĄ W OBIEKTACH SZKLARNIOWYCH
a) oddzielne kolektory

b) kolektory zintegrowane z konstrukcją szklarni

c) szklarnia jako kolektor słoneczny

W badaniach eksploatacyjnych, przeprowadzonych w krajach położonych na podobnej do Polski szerokości geograficznej (Francja, Niemcy, Czechy, Kanada), wykazano, że takie systemy mogą dostarczyć w ciągu roku nawet 30% energii potrzebnej do ogrzewania obiektu. Stwierdzono jednak, że bezpośrednie kierowanie ciepłego powietrza zmagazynowanego w zbiorniku wodnym do wnętrza szklarni jest niekorzystne. Wraz z dostarczanym ciepłem, powstałym w wyniku przemiany fazowej (para wodna — ciecz), zwiększa się wilgotność powietrza, a tym samym wzrasta niebezpieczeństwo rozwoju chorób grzybowych. Dlatego też przy instalowaniu zintegrowanych systemów grzejnych należy zaplanować wymuszoną wentylację. Badania wykorzystujące glebę jako magazyn ciepła przeprowadzone w warunkach greckich dowiodły, że system taki pozwala z powodzeniem prowadzić w szklarni uprawę pomidorów przy temperaturze zewnętrznej 6–9°C, zaś energia elektryczna zużyta do napędu wentylatorów stanowi około 20% ener-gii odzyskanej z akumulatora glebowego. Szacuje się, że w szklarni ogrzewanej kolektorami słonecznymi (wraz z systemem magazynującym nadwyżkę energii cieplnej) uzyskano temperaturę wewnątrz średnio o 8°C wyższą niż
w szklarni nieogrzewanej.

Przedmiotem wykonanej na Akademii Rolniczej w Krakowie analizy jest system grzejny obiektu składający się z cieczowego kolektora słonecznego wraz z mechanizmem pozwalającym mu obracać się w kierunku Słońca oraz zbiornika do magazynowania nadwyżki energii cieplnej w  ciągu dnia (wodny akumulator ciepła). Podgrzana przy pomocy energii słonecznej w kolektorze i magazynowana w akumulatorze ciepła woda jest kierowana do przewodów grzejnych. Na wypadek, gdyby temperatura zasilania instalacji była niższa od wynikającej z aktualnego zużycia ciepła przez obiekt, w systemie zainstalowano kocioł szczytowy o sprawności równej 70%, opalany miałem węglowym o wartości opałowej 18,9 MJ/kg (rys. 2).

RYS. 2. SCHEMAT SYSTEMU GRZEJNEGO WRAZ Z KOLEKTOREM SŁONECZNYM
ORAZ AKUMULATOREM CIEPŁA

Obliczenia przeprowadzono dla tunelu foliowego o długości 36 m i szerokości 9 m oraz szklarni wolno stojącej o takich samych wymiarach. Podczas analizy wzięto pod uwagę lokalizację obiektów na szerokości geograficznej 50–54° oraz kąt pochylenia kolektora wynoszący 43°. Dla szklarni przyjęto sezon grzewczy od początku lutego do końca listopada, zaś dla tunelu — od początku marca do końca listopada. Dla obydwu analizowanych osłon uwzględniono przerwę w dostarczaniu energii cieplnej od drugiej połowy maja do końca pierwszej połowy września. Do obliczeń wykorzystano średnie wieloletnie temperatury powietrza. Założono, że w obiektach uprawiane będą pomidory szklarniowe, zaś temperatura powietrza wewnątrz obiektów będzie utrzymywana na poziomie optymalnym dla tej uprawy (wiosną 20°C w dzień, 15°C w nocy, jesienią — odpowiednio 21°C i 15°C).

Na podstawie badań można stwierdzić, że wymagana powierzchnia kolektorów i objętość akumulatora ciepła dla szklarni (rys. 3) oraz tunelu foliowego (rys. 4) zmienia się, w zależności od natężenia promieniowania w poszczególnych miesiącach. W ciągu dnia ilość uzyskanego ciepła z 1 m2 kolektora waha się od 13,7 MJ w lutym do 34,9 MJ w maju. Przeciętne zapotrzebowanie ciepła szklarni z pomidorami w lutym jest o około 47% wyższe niż w listopadzie. Podobnie ilość energii słonecznej w lutym jest o około 56% wyższa, aniżeli w listopadzie. Przy zainstalowaniu w systemie maksymalnej powierzchni kolektorów potrzebnych w listopadzie istnieje jednak niebezpieczeństwo wrzenia wody w akumulatorze w okresach o zwiększonej intensywności promieniowania słonecznego. Stąd należy albo okresowo odłączać od instalacji system obiegu cieczy roboczej w kolektorze, albo podłączyć do systemu dodatkowy odbiornik ciepła (np. podgrzewanie wody technologicznej lub użytkowej).

RYS. 3. WYMAGANA POWIERZCHNIA KOLEKTORÓW ORAZ POJEMNOŚĆ ZBIORNIKA DLA SZKLARNI
W SEZONIE GRZEJNYM

RYS. 4. WYMAGANA POWIERZCHNIA KOLEKTORÓW ORAZ POJEMNOŚĆ ZBIORNIKA DLA TUNELU FOLIOWEGO W SEZONIE GRZEJNYM

Analiza ekonomiczna wykazała, że najkorzystniejszym rozwiązaniem przy konfigurowaniu poszczególnych elementów systemu ogrzewania jest przyjęcie powierzchni kolektorów i pojemności zbiornika odpowiadających zapotrzebowaniu ciepła przez obiekt w maju. W ocenie ekonomicznej różnych wariantów rozwiązań przyjęto koszty kolektorów i zbiornika oferowanych przez firmę Hewalex. Według cen z 2002 roku, koszt instalacji (4 kolektory o powierzchni 4 m2, zbiornik, pompa obiegowa, przewody instalacyjne, itp.) wyniósł około 10 000 zł. Okres zwrotu nakładów poniesionych na budowę instalacji grzejnej zarówno dla szklarni, jak i tunelu (liczony jako stosunek poniesionych dodatkowych nakładów do zysku związanego ze zmniejszonym zużyciem paliwa) wynosi od 12 lat (wielkość powierzchni kolektora i innych elementów systemu grzejnego przyjęta dla maja) do 32 lat (dla listopada).
Wraz ze zmniejszeniem powierzchni kolektorów zwiększa się masa substancji szkodliwych, emitowanych do atmosfery przy opalaniu kotła miałem węglowym (tabela). Około jedenastokrotne zmniejszenie powierzchni kolektorów powoduje blisko 132-krotne zwiększenie masy emitowanych do atmosfery zanieczyszczeń.
Z przedstawionej analizy wynika, że instalacja systemów wykorzystujących energię słoneczną warta jest zastanowienia.

ZMIANA W EMISJI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH DO ATMOSFERY, W ZALEŻNOŚCI OD POWIERZCHNI KOLEKTORÓW, PRZY OGRZEWANIU SZKLARNI

*powierzchnia kolektorów w m²