UWAGA – Poniżej omówiono podstawy projektowania kolektorów dachowych (głównie płaskich) w oparciu o materiały firm Vissmann i Junkers
Projektując kolektory słoneczne należy uwzględnić następujące kryteria:
– kolektory w Polsce powinny być w miarę możliwości zwrócone w kierunku południowym
– kąt nachylenia kolektora powinien być powiązany z szerokością geograficzną i przeznaczeniem instalacji, np. instalacja do przygotowania c.w.u., instalacja do ogrzewania domu, basenu
– kolektory nie mogą być zasłonięte przez drzewa, sąsiednie budynki, lub inne obiekty w godzinach od 8-16.00
Gdzie można zamontować kolektory?
Rys. Miejsca montażu kolektorów dachowych. 1- kolektor zintegrowany z połacią dachową, 2- kolektor zamocowany na połaci dachowej, 3- kolektor zamocowany na konstrukcji wsporczej nad połacią dachową, 4- kolektor na fasadzie budynku, 5- kolektor zamocowany na dachu płąskim na stelażu, 6- montaż wolnostojący kolektora.
Azymut kolektora – w warunkach Polski największe promieniowanie słoneczne występuje z kierunku południowego, dlatego należy ustawiać zwierciadła kolektorów idealnie na południe. W praktyce dopuszcza się odchylenie od kierunku południowego nawet do 45° , ale wiąże się to ze zmniejszeniem wydajności kolektora. W okresie letnim odchylenie od kierunku południowego rzędu 20° nie ma wpływu na wydajność kolektorów
Kąt nachylenia kolektora – określa się jako:
α = φ ± 15°
gdzie: φ – kąt szerokości geograficznej (dla warunków Polski wynosi od 49-55°)
Dla obszaru Polski szerokość geograficzna φ wynosi 49° – 55°, zatem kąt ten powinien wynosić 34° – 70°, przy czym wartość mniejsza jest zalecana dla instalacji użytkowanych latem (od 30°), a większa dla instalacji użytkowanych zimą (60°). Instalacje całoroczne powinny mieć kąt nachylenia zbliżony do 40-45°.
Na rys. 5 przedstawiono diagram ujmujący zależność względnej wartości natężenia promieniowania od kątów azymutu (na obwodzie koła) oraz nachylenia (okręgi współśrodkowe). Zamieszczony przykład ilustruje sposób korzystania z diagramu.
Z uwagi na zmieniający się kąt padania promieni słonecznych w ciągu roku zysk ciepła z kolektorów dachowych podlega znacznym wahaniom. Na rys. poniżej pokazano wpływ kąta ustawienia kolektora na uzysk ciepła w poszczególnych miesiącach roku.
Z wykresu widać, że przy kącie ustawienia kolektora 90° uzyskamy najwięcej ciepła w okresie zimowym, ale stosunkowo najmniej w lecie. Odwrotna sytuacja wystąpi przy kącie 0°, gdzie pojawią się wysokie zyski latem i bardzo małe zimą. Optymalny kąt leży pomiędzy 30-45°. Kat ustawienia kolektora ma też duży wpływ na jego trwałość i serwisowanie. Kąt 90° jest najbezpieczniejszy, chroni przed gradem, w zimie przed pokrywą śnieżną. Kąty poniżej 20° wpływają niekorzystnie na zarastanie kurzem, łatwo też pokrywają się śniegiem. W zależności od zakresu stosowania instalacji solarnej zaleca się następujące instalacji solarnej zaleca się następujące optymalne kąty nachylenia:
■ Instalacja solarna do podgrzewu wody użytkowej od 30 do 45° – Taki mały kąt nachylenia uwzględnia wysokie położenie słońca w lecie.
■ Instalacja solarna wspomagająca ogrzewanie pomieszczeń od 45 do 60° – Przy uwzględnieniu niskiego położenia słońca w okresach przejściowych i w zimie. Poprzez świadomy wybór dużego kąta nachylenia w
lecie uzyskuje się skrócenie okresów stagnacji.
Rys.6 Wpływ azymutu i kąta ustawienia kolektora na uzysk energii
Przy obliczeniach szczegółowych mocy kolektora, wszelkie odstępstwa od zalecanych kątów montażu powinny być uwzględnione w postaci współczynników korekcyjnych.
Współczynnik korekcyjny dla azymutu kolektora.
W celu uzyskania tej samej wydajności co z kierunku południowego, powierzchnię płaskiego kolektora słonecznego należy powiększyć o odpowiednie współczynniki korekcyjne zgodne z rys.7 . Z analizy rysunku wynika, że odchylenie kolektora od kierunku południowego w kierunku zachodnim jest korzystniejsze niż odchylenie w kierunku wschodnim.
Rys.7 Współczynnik korekcyjny dla kolektora płaskiego w zależności od ustawienia względem kierunku południowego.
Współczynnik korekcyjny dla pochylenia kolektora
Polska znajduje się w szerokości geograficznej równej około 50°. Kąt padania promieni słonecznych dla tej szerokości zmienia się o ok. +/- 23°, dlatego kąt nachylenia
kolektora słonecznego powinien zmieniać się w granicach od 27 do 73°. I tak, dla okresu jesienno-zimowego kąt nachylenia kolektora powinien być wyższy (ok. 60°) niż w okresie wiosenno-letnim (ok. 30°), natomiast optymalny kąt w okresie jego całorocznej eksploatacji powinien wynosić ok. 40°. W przypadku innej wartości należy zwiększyć powierzchnię kolektora płaskiego o odpowiednie współczynniki korekcyjne.
Rys.8 Współczynnik korekcyjny dla kąta ustawienia kolektora.
Lokalizowanie na dachu płaskim
Wymaga usytuowania kolektorów na konstrukcjach wsporczych zapewniających odpowiedni kąt kolektora. Planowanie usytuowania kolektorów na dachu powinno uwzględniać następujące elementy:
– Pole kolektorów powinno być usytuowane możliwe w kierunku południowym .
– Pole kolektorów należy ustawić tak, aby jego płaszczyzna pokrywała się z płaszczyzną okien i drzwi .
– Należy unikać ewentualnego zacienienia
przez pobliskie budynki
– Należy unikać obszarów z uskokami wysokości dachu ..
–Należy ocenić zapotrzebowanie miejsca na dachu
– Na dachach nachylonych pole kolektorów ustawiać równolegle do kalenicy (bez spadku bocznego).
– W przypadku uskoków wysokości dachów trzeba unikać zsuwania się 
mas śniegu, poczynając od kąta nachylenia dachu α> 15°. Długość
dodatkowego obciążenia wynikającego ze zsuwających się mas śniegu
wynika z uskoku wysokości dachu
ls = 2 x h
– Należy unikać montowania kolektorów w obszarze ls pod uskokami wysokości.
– W przypadku montażu pod uskokami wysokości:
– Na wyższej połaci dachu należy zamontować kratę śniegową.
– Podczas montażu należy uwzględnić dodatkowe obciążenia.
Rys. Układ kolektorów przy uskokach wysokości.
[1] Dodatkowe obciążenie powodowane przez zsuwający się śnieg
[2] Normalne obciążenie śniegiem
[α] Nachylenie dachu
[h] Uskok wysokości
[ls] Długość dodatkowego obciążenia
Kąt ustawienia kolektorów
Kąt ustawienia kolektorów zależy od obszaru zastosowania oraz od kąta nachylenia dachu. W zależności od obszaru zastosowania, kąta nachylenia dachu oraz kąta ustawienia kolektora określa się kąt nachylenia wsporników kolektora. Dla różnych zastosowań instalacji słonecznych przewidziano różne kąty ustawienia, które zapewniają optymalne wykorzystanie energii słonecznej w zależności od danej pory roku. (zob. projektowanie kolektorów dachowych).
W przypadku dachów pochylonych kąt ustawienia oblicza się następująco:
W przypadku dachów zorientowanych nieznacznie w kierunku południowym:
– kąt ustawienia [2] = kąt nachylenia [1] – nachylenie dachu [3]
W przypadku dachów lekko nachylonych w kierunku północnym:
– kąt nachylenia [2] = kąt ustawienia [1] + nachylenie dachu [3]
Rys. Kąt ustawienia na dachach pochylonych.
Przy montażu kolektorów na fasadach budynków, kolektor może wisieć pionowo i nie wymaga wtedy konstrukcji wsporczej, jednak jego moc użyteczna znacznie spada. Zwykle nie przekracza 70% mocy kolektora pochylonego, stąd przy obliczeniach i doborze należy stosować współczynniki korygujące. Przy zastosowaniu konsoli ściennej kąt ustawienia kolektora liczy się następująco: kąt nachylenia [2] = 90° — kąt ustawienia [1]
Rys. Kąt ustawienia kolektora na fasadach mocowanych na konsoli ściennej.
[1] Kąt ustawienia kolektora (wielkość bezwzględna kąta w stosunku
do płaszczyzny poziomej)
[2] Kąt nachylenia wspornika kolektora
UWAGA – W przypadku montażu na fasadzie kąt ustawienia musi mieścić się w przedziale od 45° do 60°.
Zapotrzebowanie miejsca na dachu
Minimalny odstęp X między rzędami kolektorów wynika z kąta ustawienia kolektorów.
– Odstęp X należy obliczyć na podstawie danych dotyczących wymiarów kolektora (dostępne u producenta). W przypadku pól wielorzędowych przestrzegać wartości odstępu X, aby nie dochodziło do zacienień .
Rys. Unikanie zacienienia, montaż na dachu płaskim
[α] Kąt ustawienia
[β] Najniższe położenie słońca
[X] Odstęp między rzędami kolektorów
Rys.(u dołu) Minimalny odstęp X pomiędzy kolektorami umieszczonymi na fasadzie budynku.
[α] Kąt ustawienia
[β] Najwyższe położenie słońca
[X] Odstęp między rzędami kolektorów
Zapotrzebowanie miejsca na kolektory na dachu płaskim
Rys. Wymagane odległości na dachu płaskim. h – wysokość budynku liczona do najwyższej części dachu.
Zapotrzebowanie miejsca na kolektory na dachu stromym.
Wymiar a: należy przyjąć mniejszą z obliczonych wartości.
Wymiar A i B: zależą od wymiarów kolektorów i zasad ich montażu (np. połaciowy, na szynach montażowych)
Wymiar C: odległość od pola kolektorów do kalenicy, dla dachów ceramicznych co najmniej dwa rzędy dachówek
Wymiar D: odległość od pola kolektorów do wewnętrznej płaszczyzny ściany szczytowej, należy przyjmować minimum 0,5m
Wymiar E: minimalny odstęp od górnej krawędzi kolektora do dolnej szyny montażowej (podaje producent kolektora)
Wymiar F: odległość pionowa od górnej krawędzi kolektora do szczytu dachu (minimum 0,4m)
Należy też przewidzieć minimum 0,3m od dolnej krawędzi kolektora do podłogi poddasza, dla położenia przewodu powrotnego. Rysunek poniżej.
