Poczta „Magazynu Instalatora”. Kolektor próżniowy czy płaski?

Aby pozwolić sobie na ogólnikowe określenie: kolektor próżniowy jest lepszy od kolektora płaskiego, trzeba to stwierdzenie udowodnić dla całej gamy kolektorów słonecznych, zarówno tych „z dolnej, jak i górnej półki”, tańszych i droższych. Typów kolektorów płaskich i próżniowych jest na rynku polskim taka ilość, że zadanie to jest praktycznie niemożliwe do zrealizowania. Zwłaszcza że dane dotyczące certyfikatów kolektorów oraz wyniki badań dotyczące ich wydajności są przez firmy handlujące kolektorami słonecznymi ukrywane albo prezentowane w sposób dla nich wygodny.

Aby udowodnić wyższość kolektora próżniowego nad płaskim, większość autorów to czyniących porównuje pracę kolektorów w tych okresach lub sytuacjach, kiedy kolektor próżniowy jest rzeczywiście w stanie uzyskać wyższą temperaturę na absorberze (zwłaszcza w zimie) i próbuje wmówić Czytelnikowi, że oto kolektor próżniowy podgrzeje wodę w zasobniku do znacznie wyższej temperatury niż kolektor płaski.

Jeden z autorów (http://solaris18.blogspot.com/) przyjął do porównania wybrany kolektor płaski o sprawności optycznej η0 = 80%, współczynniku liniowym strat k1 = 3,15 W/(m2 K) oraz współczynniku kwadratowym strat k2 = 0,025 W/(m2 K2) – (rys. 1) oraz próżniowy o sprawności optycznej η0 = 70%, współczynniku liniowym strat k1 = 1,15 W/(m2 K) oraz współczynniku kwadratowym k2 = 0,008 W/(m2 K2) – (rys. 2). Na wykresach przedstawiłem sprawność obu kolektorów dla natężenia promieniowania słonecznego odpowiednio 800, 600, 400, 200, 100 i 50 W/m2. Niby wszystko w jak najlepszym porządku, ponieważ autor przyjął pewien „średni” poziom sprawności dla obydwu typów kolektorów słonecznych, ale dokonał swobodnego przekształcenia wzoru na sprawność i sporządził wykres (rys. 3) w celu udowodnienia, że cytuję: „kolektor płaski przy natężeniu promieniowania słonecznego 50 W/m2 pozwala uzyskać na absorberze temperaturę o 12oC wyższą od otoczenia kolektora. Zakładając, że na zewnątrz mamy – 2oC, kolektor ten może podgrzać wodę maksymalnie do 10oC. Dla porównania – w tych samych warunkach przykładowy kolektor próżniowy (niebieska linia) uzyska na absorberze temperaturę o 26oC wyższą od otoczenia i również zakładając, że na zewnątrz jest -2oC, kolektor ten pogrzeje wodę do 22oC. Analogicznie przy 100 W/m2 kolektor płaski uzyska na absorberze temperaturę o 22oC wyższą, a próżniowy o 46oC wyższą od otoczenia”.

Autor wprowadził Czytelników w błąd, albowiem – po pierwsze, ten kolektor wcale nie podgrzeje wody (autor „zapomniał”, że woda znajduje się w zasobniku, a nie w kolektorze, a to znaczy, że jedynie płyn solarny ulegnie podgrzaniu), a po drugie, z wykresów 1 i 2 wynika, że podane przez autora temperatury nie są wcale realnymi temperaturami podgrzewu, a temperaturami stagnacji kolektorów, a więc temperaturami, jakie osiągnie kolektor bez odbioru energii (bez przepływu płynu przez kolektor) – kolektory posiadają wówczas zerową sprawność!

Uwaga na szczegóły Jak to więc jest naprawdę z tym porównaniem kolektorów? Spróbujmy temat rozważyć z innej strony. Jak wiemy, podstawową zaletą kolektora próżniowego, której raczej nie należy negować, jest zastosowanie próżni jako idealnego izolatora ciepła, a co za tym idzie, kolektor ten powinien charakteryzować się niższymi stratami ciepła w obrębie układu rur, zwłaszcza w przypadku istnienia znacznej różnicy temperatur pomiędzy otoczeniem a wnętrzem kolektora (rur). Kiedy mamy do czynienia z taką sytuacją, jakie jest wówczas dostępne nasłonecznienie?

Na kolejnym rysunku przedstawiłem wykres rozkładu promieniowania słonecznego na przestrzeni roku kalendarzowego dla wybranego polskiego miasta – (rys. 4). Wykres ten przekształcić można do postaci przedstawionej na (rys. 5). Wynika z niego, że 2/3 całorocznego dostępnego promieniowania słonecznego przypada na 1/2 roku kalendarzowego (od kwietnia do września), a na drugą połowę roku (od października do marca) jedynie 1/3 promieniowania. Można też w przybliżeniu powiedzieć, że to, czym obdarza nas słońce od października do marca, jest praktycznie identyczne z ilością promieniowania, które daje nam ono w dwóch najcieplejszych miesiącach lata!

O ile więc kolektor próżniowy winien być sprawniejszy w tej „gorszej” połówce roku, aby nadrobić to, co siłą rzeczy straci w „gorącej” części roku? Odpowiedź nie jest prosta. Wiadomo jednak, że tylko te kolektory próżniowe, które posiadają wysoką sprawność optyczną (ich wydajność w „ciepłej” połówce roku jest wtedy podobna do wydajności kolektora płaskiego) i niskie współczynniki strat ciepła (straty cieplne w „zimnej” połówce lata znacznie niższe od kolektora płaskiego) mają szanse na „odrobienie strat”. Czy te dwie cechy wystarczą? Może się okazać, że jest to zbyt mało – nie sama sprawność kolektora decyduje bowiem o energii pozyskiwanej przez kolektory słoneczne!

Poniżej przedstawiam zależność empiryczną, w oparciu o którą wyznaczyć można ilość energii  dowolnego kolektora zastosowanego w modelowej instalacji do pozyskiwania ciepłej wody użytkowej – wzór ten wykorzystywany bywa do prognozowania uzysku energetycznego kolektora:

Q = (271*η0 – 18,8*k1 – 653*k2 + 172*IAM50 – 0,792*C – 20,7)*Ac

We wzorze tym występują składniki wzoru na sprawność kolektora (η0, k1, k2), ale również współczynnik korekcji kąta padania promieniowania słonecznego IAM50 oraz pojemność cieplna kolektora C [kJ/(m2*K)], jak również powierzchnia czynna kolektora słonecznego Ac [m2].

W przypadku małej instalacji do podgrzewu ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania wzór wygląda następująco:

Q = (199*η0 – 16,3*k1 – 504*k2 + 133*IAM50 – 0,590*C – 23,5) Ac

Jak widać, współczynnik korekcji kąta padania promieniowania słonecznego wpływa na podniesienie uzysku energetycznego, a pojemność cieplna na jego obniżenie.

Co się kryje pod tymi dwoma parametrami? Promieniowanie słoneczne pada na kolektory pod różnym kątem, zależnym między innymi od pory roku, w efekcie część promieniowania może odbijać się od szyby kolektora, załamywać, degradować się podczas przenikania szkła itp. Kolektor próżniowy teoretycznie jest w tym przypadku mniej wrażliwy z uwagi na fakt, że rury są okrągłe i promieniowanie je przenika z różnych kierunków korzystniej niż w kolektorach płaskich. Z tym, że załamujące się na szkle rury promieniowanie może w ogóle nie docierać do paska absorbera znajdującego się w osi rury. W przypadku zaś rur typu „termos” z podwójną ścianką promieniowanie dociera do absorbera znajdującego się na wewnętrznej rurze szklanej, ale zanim energia promieniowania dotrze do rurki, w której płynie ciecz solarna, może upłynąć sporo czasu. Zjawisko to znane jest jako późny start. Krótko mówiąc, duża część energii może iść na grzanie elementów kolektora zamiast na efektywne przekazywanie energii do medium roboczego.

 Jaka powierzchnia?  Teraz już bez przeszkód można dokonać w miarę obiektywnego porównania kolektorów – trzeba jednak mieć dostęp do pełnych certyfikatów i wyników badań. Oczywiście, nie można się dać „nabrać” na wyimaginowane wartości powierzchni czynnej kolektora podawane przez „zapobiegliwych” sprzedawców kolektorów.

Przyjmijmy w tym miejscu, że wyrażenie w nawiasie wyznaczone dla konkretnego kolektora próżniowego osiągnęło wartość wyższą np. o 10% od wartości wyznaczonej dla wybranego kolektora płaskiego, czy to już pozwala na stwierdzenie, że kolektor próżniowy jest „lepszy” od płaskiego? Tak, pod warunkiem, że nie okaże się, że kolektor próżniowy posiada powierzchnię czynną o ponad 10% mniejszą od porównywanego z nim kolektora płaskiego!

I tu dochodzimy do ważnego zagadnienia, jakim jest dysproporcja pomiędzy powierzchnią czynną a powierzchnią brutto lub powierzchnią zabudowy kolektora. W kolektorach płaskich powierzchnia czynna kolektora niewiele się różni od powierzchni brutto i dzięki temu dla osiągnięcia efektu końcowego na przykład w postaci podgrzewu określonej objętości wody wymagana powierzchnia zabudowy kolektorów płaskich może być znacznie mniejsza niż próżniowych. Dodatkową zaletą może być możliwość zastosowania płaskich kolektorów poziomych, dzięki czemu na powierzchni płaskiego dachu ustawić można więcej rzędów kolektorów (brak zacienienia).

A na dane, jakie przytaczają niektórzy autorzy („Magazyn Instalatora” 4/2008), trzeba spojrzeć z przymrużeniem oka, ponieważ autorzy nie byli nawet skłonni podać podstawowych parametrów porównywanych kolektorów! Autorom tym trzeba również przypomnieć, że uzysk energetyczny kolektora słonecznego zależy od rodzaju instalacji solarnej, w której jest wykorzystany. Inny będzie uzysk w instalacji do przygotowania ciepłej wody użytkowej, a inny w instalacji do przygotowania c.w.u. i wspomagania ogrzewania!

Wybór jest prosty! Zamiast zajmowania się udowadnianiem wyższości kolektorów próżniowych nad płaskimi należy, moim zdaniem, zająć się projektowaniem w konkretnej instalacji solarnej tych kolektorów, które, po pierwsze, uzyskają wymagane wydajności, po drugie, spowodują, że zwrócą się nakłady inwestycyjne ich zastosowania.

Jerzy Chodura
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij