Kolektor płaski czy próżniowy ? Kgn www.kotly.pl 03.2008

Co wpływa na ilość ciepła uzyskiwanego z kolektorów ? Natężenie promieniowania słonecznego Powierzchnia kolektora słonecznego Sprawność optyczna Rodzaj izolacji cieplnej kolektora Sprawność w rzeczywistych warunkach pracy Ustawienie i skierowanie kolektora / kolektorów Optymalizacja wszystkich elementów instalacji 2

Natężenie promieniowania słonecznego Natężenie promieniowania słonecznego zmienia się w zależności od pory roku, dnia i zachmurzenia. Przyjmuje się że dla Polski wynosi maksymalnie 1000 W/m2 (bezchmurne niebo, przejrzyste powietrze, pora południowa). Natężenie promieniowania słonecznego w innych warunkach przedstawia rysunek poniżej. 3

Powierzchnia kolektora Powierzchnia kolektora – powierzchnia liczona według wymiarów zewnętrznych kolektora (całkowita) Powierzchnia absorbera – powierzchnia z przykryciem selektywnym, pochłaniającym promieniowanie słoneczne Powierzchnia czynna absorbera – jest to powierzchnia na którą może padać promieniowanie słoneczne 4

Sprawność optyczna Najwyższą sprawność osiągają kolektory przy braku strat ciepła. Jest to tzw. sprawność optyczna (o), która uwzględnia głównie skuteczność przenikania promieniowania słonecznego przez przykrycie przeźroczyste kolektora (szybę) oraz własności pochłaniania promieniowania przez absorber (materiały z jakich został wykonany). Im wyższa sprawność optyczna tym lepsze jest wykorzystanie promieniowania słonecznego docierającego do kolektora słonecznego. VITOSOL 100-F Kolektor płaski VITOSOL 200-F Kolektor płaski VITOSOL 200-T Kolektor próżniowy o= 74,3 o= 79,3 o= 82,0 5

Rodzaj izolacji cieplnej kolektora Głównym czynnikiem decydującym o ilości ciepła uzyskanego z kolektora słonecznego w czasie jego normalnej pracy jest izolacja cieplna. W kolektorach płaskich izolacja wykonana jest z wełny mineralnej, natomiast w próżniowych, jest nią właśnie próżnia. wężownica z rury miedzianej izolacja z wełny mineralnej płyta absorbera Sol-Titan pokrywa ze szkła solarnego rama aluminiowa profilowana rura zbiorcza miedziana izolacja boczna z pianki melaminowo-żywicowej aluminiowo-cynkowa blacha denna 6

Sprawność w rzeczywistych warunkach pracy W rzeczywistych warunkach pracy sprawność kolektora jest niższa od optycznej, która wynika głównie ze strat ciepła. Dzięki skutecznej izolacji cieplnej kolektorów próżniowych, ze wzrostem różnicy temperatur dT ich sprawność maleje w mniejszym stopniu niż kolektorów płaskich. Różnica temperatur dT jest to różnica między temperaturą absorbera kolektora i temperaturą otoczenia. Na przykład, jeśli temperatura absorbera wynosi 50°C a temperatura otoczenia 10°C to różnica dT=40 K (różnicę temperatur wyraża się zawsze w stopniach Kelvina, wartość bezwzględna stopnia 1K = 1°C). 7

Sprawność w rzeczywistych warunkach pracy Kolektory Viessmann: płaskie Vitosol 100-F i 200-F, próżniowe Vitosol 200-T i 300-T. Przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącym 800 W/m2. 8

Sprawność w rzeczywistych warunkach pracy Najwyższą sprawność osiągają kolektory dla dT=0, czyli przy braku strat ciepła (sprawność optyczna). W rzeczywistych warunkach pracy, w zależności od rodzaju instalacji (jej przeznaczenia), typowe zakresy pracy kolektorów zaznaczono polami na wykresie. Najczęściej kolektory słoneczne w małych instalacjach (domach jednorodzinnych) wykorzystywane są do wspomagania ogrzewania ciepłej wody użytkowej, dla których różnica temperatury dT mieści się w przedziale od 30 do 50 K. 9

Uzyski ciepła z kolektorów Uzyski ciepła (moc) z kolektorów płaskich firmy Viessmann i przykładowego próżniowego firmy X, przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącym 700 W/m2. 10

Uzyski ciepła z kolektorów Uzyski mocy dla innych warunków nasłonecznienia i różnicy temperatur dT 11

Uzyski ciepła z kolektorów G – całkowite natężenie promieniowania słonecznego dT - różnica między temperaturą absorbera kolektora i temperaturą otoczenia Porównanie wykonano dla kolektorów o zbliżonej powierzchni czynnej absorbera. Kolektor X – przykładowy kolektor polskiego importera rur próżniowych (rury próżniowe wykonane w formie podwójnej rury szklanej). Dane na temat sprawności i wydajności uzyskano z wyników testów kolektora przeprowadzonych w Instytucie SPF w Szwajcarii. Kolektory firmy Viessmann – sprawności i wydajności zaczerpnięto z wyników testów przeprowadzonych w Instytucie ISFH w Niemczech. 12

Uzyski ciepła - porównanie zestawów solarnych Porównanie zestawów solarnych do wspomagania ogrzewania c.w.u. dla 3-4 osób. Viessmann, płaskie: 2 x Vitosol 100-F i 2 x Vitosol 200-F; oraz firmy X: 2 x próżniowy. Przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącym 700 W/m2. 13

Uzyski ciepła - porównanie zestawów solarnych Uzyski mocy dla innych warunków nasłonecznienia i różnicy temperatur dT 14

Porównanie instalacji solarnych firmy Viessmann Porównanie wykonano programem komputerowym firmy Viessmann do doboru i optymalizacji instalacji kolektorów słonecznych. Założenia: budynek: jednorodzinny miejscowość: Warszawa przeznaczenie instalacji solarnej: wspomaganie ogrzewania ciepłej wody użytkowej liczba osób: 6 miejsce zabudowy kolektorów: na dachu kąt pochylenia kolektorów: 40° skierowanie kolektorów: idealnie na południe wymagana temperatura c.w.u.: 50 °C 15

Porównanie instalacji solarnych firmy Viessmann Pokrycie zapotrzebowania ciepła do c.w.u. przez instalację solarną z kolektorami płaskimi Vitosol 200-F w poszczególnych miesiącach. Stopień pokrycia zapotrzebowania ciepła w ciągu roku: 51 % 16

Porównanie instalacji solarnych firmy Viessmann Pokrycie zapotrzebowania ciepła do c.w.u. przez instalację solarną z kolektorami próżniowymi Vitosol 200-T w poszczególnych miesiącach. Stopień pokrycia zapotrzebowania ciepła w ciągu roku: 55 % 17

Porównanie instalacji solarnych firmy Viessmann Porównanie stopnia pokrycia zapotrzebowania ciepła w poszczególnych miesiącach. Różnica całkowitego pokrycia zapotrzebowania ciepła w ciągu roku między instalacją z kolektorami próżniowymi a płaskimi wynosi : 4% 18

Podsumowanie „Kolektory próżniowe są lepsze od płaskich – wydajniejsze nawet o 40%” Takie stwierdzenie może być słuszna jeśli porównamy kolektory płaskie i próżniowe wysokiej jakości i o podobnej powierzchni czynnej absorbera. W porównaniu z kolektorami próżniowymi słabej jakości różnica będzie znacznie mniejsza lub nawet będzie na korzyść kolektorów płaskich. Instalacje solarne do wspomagania ogrzewania wody użytkowej projektuje się tak aby pokryły ok. 50-60% zapotrzebowania ciepła potrzebnego do ogrzewania c.w.u. w ciągu roku. Dotyczy to zarówno kolektorów płaskich jak i próżniowych. Kolektory próżniowe są wydajniejsze od płaskich, dla tego można zastosować ich mniejszą powierzchnię aby uzyskać ten sam efekt. Przykładowo, w typowej instalacji dla rodziny 3 do 4-ro osobowej z reguły wystarczy zastosować dwa kolektory płaskie Vitosol 100-F lub Vitosol 200-F o łącznej powierzchni absorbera 4,6 m2 lub jeden kolektor próżniowy Vitosol 200-T o powierzchni absorbera 3 m2 – uzyski ciepła w obu przypadkach będą zbliżone. 19

Podsumowanie „Kolektorów płaskich już raczej się nie stosuje, ponieważ są wypierane przez próżniowe jako najnowsze rozwiązanie techniczne” Tutaj należało by rozdzielić kolektory próżniowe od próżniowych – nie są takie same. Kolektory próżniowe wysokiej jakości zapewniają większe uzyski energii oraz gwarantują bezawaryjną pracę z niezmienną sprawnością przez min. 20 lat. Niestety, przekłada się to również na ich cenę – są znacznie droższe od kolektorów płaskich. Tego nie można powiedzieć o kolektorach próżniowych niskiej jakości, których uzyski ciepła są podobne jak dla płaskich a cena również jest do nich zbliżona. Z pewnością, takie kolektory próżniowe nie będą wypierać płaskich z rynku. W warunkach klimatycznych krajowych, do wspomagania ogrzewania ciepłej wody użytkowej w domach jednorodzinnych, w zupełności wystarczające będą kolektory płaskie. A przy właściwie zaprojektowanej instalacji różnice w uzyskach ciepła w stosunku do kolektorów próżniowych nie będą duże. 20

Podsumowanie „Kolektory próżniowe są lepsze bo - działają nawet w pochmurne dni” Każdy kolektor słoneczny działa w pochmurne dni, nawet przy temperaturze –20 °C na zewnątrz budynku. Tylko że w takich warunkach straty ciepła kolektora są tak duże że nie przekazuje on ciepła do instalacji – czyli działa przy zerowych uzyskach ciepła. Tutaj, kolektory próżniowe mają przewagę nad płaskimi – są skuteczniejsze. Ze względu na lepszą izolację cieplną, są one w stanie wykorzystać nawet niewielkie nasłonecznienie w pochmurny dzień. Jednak, pod warunkiem, że promienie słoneczne mają dobry dostęp do absorbera – nie ograniczony np. przez podwójną rurę szklaną. Kolektory próżniowe mogą być lepszym rozwiązaniem dla instalacji służącej do ogrzewania ciepłej wody użytkowej i wspomagania centralnego ogrzewania. 21

Podsumowanie „Kiedy warto rozważyć zastosowanie kolektorów próżniowych ?” Gdy, nie ma wystarczająco dużo miejsca na dachu dla ustawienia kolektorów płaskich – mniejsza powierzchnia kolektorów próżniowych może to ułatwić. Nie ma możliwości ustawienia kolektorów płaskich w kierunku południowym, lub gdy kolektory mają być zamontowane na ścianie budynku, czy położone bezpośrednio na dachu płaskim – kolektory próżniowe dają więcej możliwości. W budynkach o ograniczonym odbiorze ciepła w okresie letnim, dla ochrony kolektorów i instalacji solarnej przed przegrzewami (np. budynki biurowe, szkolne, jednorodzinne ze wspomaganiem ogrzewania) – stosuje się kolektory próżniowe z wbudowanymi ogranicznikami temperatury takie jak Vitosol 300-T. Ograniczniki temperatury powodują „wyłączenie” kolektora jeśli temperatura przekroczy dopuszczalną wartość – kolektor nie przegrzewa się i nie przekazuje ciepła do instalacji. W budynkach wysokich, na płaskich dachach, gdzie stosowanie nachylonych kolektorów płaskich jest niemożliwe (duże opory aerodynamiczne = duże masy balastowe) i wówczas jedynym rozwiązaniem staje się zastosowanie kolektorów próżniowych położonych poziomo – Vitosol 200-T 22