Wspomaganie zasilania instalacji c.w.u. i niskotemperaturowych systemów grzewczych (2). Rurka na dachu

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa   zobacz pdfa      

W obecnie dostępnych wodnych kolektorach słonecznych stosowane są bardzo różne rozwiązania koncepcyjne i techniczne. W konsekwencji przebieg procesu wymiany ciepła pomiędzy słońcem (źródłem promieniowania słonecznego) a płynem operacyjnym w kolektorze może być również bardzo różny. Najbardziej podobnymi koncepcyjnie do UKS są płytowe kolektory słoneczne. Dalsze przedstawienie budowy i specyfiki działania UKS zostanie odniesione do płytowych, wodnych kolektorów słonecznych.

Ukryty kolektor słoneczny wykorzystuje istniejącą konstrukcję pokrycia dachowego budynków. UKS jest zwykle ciągłą rurką ułożoną w pustce powietrznej konstrukcji połaci dachowej (rys. 1).
Rurka może być wykonana z polipropylenu lub polietylenu. Średnica zewnętrzna rurki wynosi zwykle 25 mm. Rurka ułożona jest w sposób ciągły na dostępnej powierzchni dachu i tworzy układ pętli zamkniętej z wymiennikiem ciepła w magazynie energii (np. gruntowym) lub zbiorniku ciepłej wody użytkowej. Materiał, z którego wykonane są rurki, musi zapewnić maksymalną temperaturę pracy nie mniejszą niż 95°C. Jako płyn operacyjny stosuje się wodę z dodatkiem środka obniżającego temperaturę zamarzania.
Ze względu na ograniczoną, możliwą do osiągnięcia wydajność UKS preferowane są konstrukcje dachowe, które charakteryzują się spadkiem 30-45°C. Konstrukcja wsporcza pokrycia dachowego zwykle jest krokwiowa lub krokwiowo-jętkowa. Najbardziej korzystnym wykończeniem powierzchni połaci dachowej jest blacha metalowa o dowolnym kształcie przekroju, ale o jak najciemniejszym kolorze. Warstwa materiału termoizolacyjnego powinna być umieszczona szczelnie pomiędzy krokwiami (w przypadku konstrukcji krokwiowej). Ze względu na niezbędną szczelność pokrycia warstwa termoizolacyjna powinna być wykonana z wełny mineralnej lub ewentualnie ze styropianu. Technologia montażu warstwy termoizolacyjnej powinna być tak dobrana, aby zapewnić ciągłość (w obszarach pomiędzy krokwiami), jednorodność i szczelność warstwy.
Bez względu na rodzaj konstrukcji dachowej warstwy pokrycia dachowego muszą tworzyć pustkę powietrzną o grubości około 5 cm. Rurka kolektora zamocowana jest do deskowania poprzez podkładki zapewniające dystans około 5 mm. Takie mocowanie ma zmniejszyć zaburzenia przepływu powietrza wokół rurki. W przypadku zastosowania UKS nie można zastosować typowego układ łaty/kontrłaty. Należy zastąpić go układem łat z podcięciem umożliwiającym przepływ powietrza i wody deszczowej.
Wszystkie pozostałe elementy konstrukcji dachu pozostają takie same jak w rozwiązaniach tradycyjnych.

Proces wymiany ciepła
W tradycyjnych płytowych kolektorach słonecznych energia promieniowania krótkofalowego ulega konwersji na ciepło w warstwie powierzchniowej absorbera (rys. 2). Absorber może być wykonany w bardzo różny sposób. Najczęściej stosowane są absorbery panelowe, stripowe, serpentynowe i harfowe. Od strony źródła promieniowania krótkofalowego (słońca) kolektor zamknięty jest osłoną wykonaną z materiału transparentnego. Osłona pełni kilka ważnych funkcji: przepuszcza jak najwięcej promieniowania krótkofalowego (wysoka transmisyjność), chroni absorber przed stratami ciepła na drodze promieniowania długofalowego oraz zamyka pustkę powietrzną, chroniąc absorber przed stratami ciepła przez konwekcję.
Ciepło (przez materiał ścianki absorbera) przenoszone jest przez przewodzenie bezpośrednio do powierzchni stykającej się z płynem. W celu zwiększenia intensywności przewodzenia ciepła absorber wykonany jest z metalu o dużej wartości współczynnika przewodzenia ciepła. Następnie ciepło przejmowane jest przez płyn na drodze konwekcji. Poniżej absorbera umieszczana jest warstwa izolacji termicznej, zabezpieczająca przed stratami ciepła przez przewodzenie.
Proces wymiany ciepła w UKS przebiega inaczej. Podstawowa różnica polega na tym, że w przeciwieństwie do tradycyjnych płytowych kolektorów słonecznych absorber w UKS nie stanowi obudowy kanału, przez który przepływa płyn operacyjny przenoszący pozyskaną energię. Funkcję absorbera w UKS pełni nieprzezroczyste pokrycie dachowe. Energia promieniowania słonecznego ulega konwersji na ciepło w warstwie pokrycia dachowego i przenoszona jest na drodze przewodzenia do powierzchni stykającej się z powietrzem w pustce powietrznej konstrukcji dachu (rys. 3). Następnie ciepło przejmowane jest przez konwekcję do powietrza w pustce powietrznej. Ciepło przenoszone jest do powierzchni rurek UKS przez promieniowanie długofalowe, emitowane przez absorber oraz konwekcję naturalną/wymuszoną w pustce powietrznej.
Decydującą dla wydajności UKS częścią procesu wymiany ciepła jest konwekcja w pustce powietrznej. Ponieważ ilość ciepła przenoszona na drodze radiacji długofalowej z absorbera do powierzchni rurek jest relatywnie mała, jak największa ilość energii musi być przeniesiona przez konwekcję. Jednak kontrola przebiegu konwekcyjnej wymiany ciepła jest bardzo trudna. Najbardziej korzystne jest utrzymanie w pustce powietrznej konwekcji naturalnej o niedużej intensywności przepływu powietrza. Niestety nieszczelności pokrycia dachowego i zwiększona prędkość wiatru mogą spowodować, że zacznie dominować konwekcja wymuszona o znacznie bardziej intensywnym przepływie powietrza, obniżając temperaturę powietrza w pustce i zmniejszając ilość przejmowanej energii przez powierzchnię rurek.

Wnioski z analizy
Analiza procesu wymiany ciepła w UKS prowadzi do kilku praktycznych wniosków:
* wysokość pustki powietrznej powinna wynosić nie więcej niż 5 cm (ogranicza rozwój turbulencji),
* warstwa wykończeniowa pokrycia dachowego powinna być wykonana z materiału o dużej wartości współczynnika przewodzenia ciepła, najlepiej metalu; w przypadku zastosowania dachówek najbardziej korzystne są dachówki betonowe,
* kolor pokrycia dachowego powinien być jak najciemniejszy (duży współczynnik absorpcji),
* należy stosować pokrycia dachowe zapewniające największą szczelność (np. blachy o niskim przekroju poprzecznym).
Zastosowanie powyższych wniosków do typowych konstrukcji dachów spadzistych nie jest trudne i nie wymaga wprowadzenia istotnych zmian projektowych. Pozwala to na powszechne zastosowanie tego typu kolektora słonecznego.
dr hab. inż. Marek Krzaczek

Rys. 1. Budowa ukrytego kolektora słonecznego.
Rys. 2. Proces wymiany ciepła w płytowym kolektorze słonecznym.
Rys. 3. Proces wymiany ciepła w ukrytym kolektorze słonecznym.

Prenumerata Magazynu Instalatora

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