www.solarblog.pl

Kolektory płaskie i próżniowe w jednym budynku

- porównanie efektów pracy

Statystyki pracy kolektorów płaskich i próżniowych

Rzeczywisty efekt pracy instalacji solarnej

dla wspomagania ogrzewania

Kolektor płaski, czy próżniowy?

Slajd

2

Kolektory płaskie i próżniowe na rynku europejskim

Kolektory słoneczne płaskie i próżniowe znajdują zastosowanie w wielu krajach

Europy Zachodniej już od lat 80-tych. Obecnie na rozwiniętych rynkach energetyki

słonecznej, jak Niemcy, czy Austria, udział rynkowy kolektorów próżniowych jest

stosunkowo niski – na poziomie od 3 do 10% (dane estif.org).

Niższy udział rynkowy kolektorów próżniowych wynika z faktu wysokich cen ich

zakupu, jeśli dotyczy to wysokiej klasy technicznej kolektorów o wyraźnie wyższej

sprawności pracy w porównaniu do kolektorów płaskich. Znaczne zróżnicowanie

techniczne i cenowe w segmencie kolektorów próżniowych, widoczne w ostatnich

latach, spowodowało że na rynku polskim dostępne są urządzenia ze skrajnych

przedziałów cen i parametrów technicznych.

W krajach Europy Zachodniej, wcześniej już prowadzono dyskusję i badania

na temat zasad wyboru kolektorów słonecznych – „płaski, czy próżniowy”.

Jedno z badań prowadzono w roku 2004/2005 w warunkach rzeczywistych,

w 2-rodzinnym budynku mieszkalnym.

Slajd

3

Wybór budynku do badania pracy instalacji solarnej

Budynek dwurodzinny w południowych Niemczech zbudowany w latach 70-tych,

poddano w kolejnych latach przebudowie oraz poprawie izolacyjności cieplnej

przegród oraz wymianie okien. Zastosowano także instalację solarną.

Źródło: „Vakuumröhren- und Flachkollektoren im Vergleich”, Ch. Trinkl, W. Zörner, Fachhochschule Ingolstadt, 2005

Slajd

4

Cechy budynku wybranego do analizy pracy

Budynek użytkowany w standardowy sposób przez dwie rodziny, posłużył

badaniom prowadzonym przez Szkołę Wyższą w Ingolstadt (Fachhochschule

Ingolstadt) przy wsparciu projektu udzielonym przez bawarskie Ministerstwo

Środowiska, Zdrowia i Ochrony Konsumentów (Bayerische Staatsministerium

für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz).

Przedmiotem badania była ocena efektywności pracy instalacji solarnej opartej

o dwa typy kolektora słonecznego: płaski i próżniowy. Instalacja solarna została

przewidziana do podgrzewania ciepłej wody użytkowej oraz do wspomagania

ogrzewania budynku.

Źródło: „Vakuumröhren- und Flachkollektoren im Vergleich”, Ch. Trinkl, W. Zörner, Fachhochschule Ingolstadt, 2005

Slajd

5

System grzewczy w budynku

Źródło: „Vakuumröhren- und Flachkollektoren im Vergleich”, Ch. Trinkl, W. Zörner, Fachhochschule Ingolstadt, 2005

W budynku zastosowany jest wspólny system grzewczy – stojący kocioł olejowy

o mocy cieplnej 22 kW (rok produkcji 1998) oraz uniwersalny podgrzewacz

o pojemności 800 litrów spełniający funkcję podgrzewania ciepłej wody użytkowej

oraz wspomagania ogrzewania budynku. Dwa lokale mieszkalne w budynku

są zasilane oddzielnymi obiegami grzewczymi. System grzewczy został

zmodernizowany – zastosowano instalację ogrzewania podłogowego.

Zastosowano dwa rodzaje kolektora słonecznego (tego samego producenta):

Kolektory

płaskie

3 kolektory o powierzchni

łącznej:

- apertury: 5,7 m2

- brutto: 6,4 m2

Kolektory płaskie z absorberami miedzianymi,

z wysoko selektywnym pokryciem.

Sprawność optyczna: > 80%

Rok produkcji: 2001

Kolektory

próżniowe

12 kolektorów o powierzchni

łącznej:

- apertury: 9,7 m2

- brutto: 15,6 m2

Kolektory próżniowe z bezpośrednim przepływem

glikolu. Rury próżniowe 2-ścienne ze szkła

borokrzemowego, wbudowane zwierciadła (CPC)

Sprawność optyczna: 64,2%

Rok produkcji: 2002

Slajd

6

Schemat systemu grzewczego w budynku

1

2

3

4

5

6

System grzewczy budynku składa się z takich podstawowych elementów, jak:

1- kolektory płaskie: 3 szt. o łącznej powierzchni apertury 5,7 m2, brutto 6,4 m2

2- kolektory próżniowe: 12 szt. o łącznej powierzchni apertury 9,7 m2, brutto 15,6 m2

3- zasobnik buforowy wody grzewczej ładowany warstwowo, o pojemności 800 litrów

4- kocioł olejowy o mocy grzewczej 22 kW

5- centralne ogrzewanie: 2 obiegi

6- układ ciepłej wody użytkowej

Slajd

7

Stwierdzone nieprawidłowości w układzie

Stwierdzone w pierwszym okresie pracy bardziej istotne nieprawidłowości:

Błędne umiejscowienie czujnika temperatury dla układu kolektorów próżniowych – zamiast

na zasilaniu, zabudowano na powrocie do kolektorów słonecznych. Powodowało to tak

zwane taktowanie pracy pompy obiegowej w instalacji solarnej.

Zrezygnowano ze strategii „niskiego natężenia przepływu” (Low-Flow), ze względu na

występowanie stanów stagnacji w kolektorach próżniowych i wyraźną słyszalność uderzeń

pary wodnej w układzie solarnym.

Przed podjęciem prac badawczych, w ramach przeprowadzonego przeglądu

instalacji solarnej stwierdzono nieprawidłowości zarówno wykonawcze, jak

i eksploatacyjne. Zostały one usunięte. Złożoność systemu pokazała również,

jak łatwo jest popełnić błędy wykonawcze w tego rodzaju inwestycji i jak ważne

jest staranne i prawidłowe wykonanie prac instalacyjnych.

Slajd

8

Porównanie pracy kolektorów słonecznych

07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00

80

60

40

20

0

800

600

400

200

0

Pro

mie

nio

wa

nie

sło

ne

czn

e [

W/m

2]

Te

mp

era

tura

[oC

]

Temperatura zewnętrzna

Taktowanie pracy pompy

obiegowej dla kolektorów

próżniowych

Kolektory próżniowe

uruchamiają się

później wskutek

częściowego

zacienienia rano

i oszronienia

powierzchni rur

Kolektory próżniowe

po południu włączyły

się do pracy

ponownie

Promieniowanie

słoneczne

Kolektory

próżniowe

(zasilanie)

Kolektory

płaskie

(zasilanie)

Praca instalacji przedstawiona dla typowego dnia wczesnej zimy (15.11.2004),

wskazuje różnice w temperaturze i czasie pracy kolektorów płaskich i próżniowych

Tem

pera

tury

insta

lacji C

O

Źródło: „Vakuumröhren- und Flachkollektoren im Vergleich”, Ch. Trinkl, W. Zörner, Fachhochschule Ingolstadt, 2005

Slajd

9

Efekty wspomagania ogrzewania budynku

W przykładowym dniu (15.11.2004) o dobrym nasłonecznieniu i relatywnie niskiej

temperaturze zewnętrznej, obydwa pola kolektorów słonecznych były w stanie

wytworzyć temperaturę wody grzewczej na poziomie 25÷45 oC, co było

wystarczające dla wspomagania ogrzewania budynku.

Objętość podgrzewacza uniwersalnego (typu „kombi”) była w 3/4 podgrzana

przez kolektory słoneczne (strefa dolna i środkowa). Jedynie górna strefa

podgrzewacza wymagała dogrzewania przez kocioł grzewczy, dla zabezpieczenia

potrzeb podgrzewanej ciepłej wody użytkowej.

Kolektory płaskie uzyskiwały nieznacznie tylko niższą temperaturę pracy od

kolektorów próżniowych (dobrej klasy technicznej), stąd ich zastosowanie do

wspomagania ogrzewania budynku należy uznać za w pełni uzasadnione.

W październiku 2004 r., łączne pokrycie potrzeb cieplnych dla podgrzewania

wody użytkowej i wspomagania ogrzewania, można było szacować na 30%.

W mniej korzystnym listopadzie 2004 r., wartość ta była na poziomie około 15%.

Slajd

10

Porównanie efektów pracy kolektorów słonecznych

41 42 43 44 45 46 47

20

15

10

5

0

30

25

20

15

10

5

Sp

raw

no

ść k

ole

kto

ra s

łon

ec

zn

eg

o [

%]

Pro

mie

nio

wa

nie

sło

ne

czn

e / U

zys

k c

iep

ła [

kW

h/m

2]

Źródło: „Vakuumröhren- und Flachkollektoren im Vergleich”, Ch. Trinkl, W. Zörner, Fachhochschule Ingolstadt, 2005

Promieniowanie słoneczne

Uzysk ciepła (na pow. apertury) – K.PŁASKI

Uzysk ciepła (na pow. apertury) – K.PRÓŻNIOWY

Uzysk ciepła (na pow. brutto) – K.PŁASKI

Uzysk ciepła (na pow. brutto) – K.PRÓŻNIOWY

Sprawność (na pow. brutto) – K.PŁASKI

Sprawność (na pow. brutto) – K.PRÓŻNIOWY

Tydzień (miesiące 10-11.2004)

Slajd

11

Porównanie efektów pracy – wnioski

Monitoring pracy instalacji solarnej przedstawia efekty jej pracy w miesiącach

10-11.2004. Statystyka wskazuje na wyższą sprawność kolektorów płaskich niż

próżniowych – w odniesieniu do powierzchni brutto. Wyższe również są uzyski

ciepła w dla kolektora płaskiego w odniesieniu do powierzchni brutto.

Kolektory próżniowe będą miały wyższą sprawność i uzyski ciepła, w odniesieniu

do powierzchni apertury (czynnej). Jednak z punktu widzenia możliwości

zabudowy kolektorów na dachu budynku, istotna jest przede wszystkim

efektywność pracy odniesiona do powierzchni brutto kolektorów słonecznych

- szczególnie, gdy dotyczy to instalacji

o większych rozmiarach przeznaczonych

do wspomagania ogrzewania budynku.

Slajd

12

Kolektor płaski, czy próżniowy?

Efektywność kolektora próżniowego zastosowanego w budynku 2-rodzinnym

odbiegała wg wniosków z badania, od spodziewanych rezultatów. Efekty pracy

kolektorów próżniowych mogą być wyższe w porównaniu do kolektorów płaskich,

ale w odniesieniu do powierzchni apertury (czynnej). Jednak dla powierzchni brutto

wyniki dla kolektora próżniowego będą mniej korzystne. Wynika to ze znacznego

udziału „martwej powierzchni” w kolektorach próżniowych

W kolektorach płaskich „martwa powierzchnia” to jedynie obramowanie kolektora

– około 10% powierzchni brutto, podczas gdy dla kolektorów próżniowych to już

zazwyczaj 25÷40% (odstępy pomiędzy rurami próżniowymi).

Kolektory próżniowe dobrej klasy cechują się zwykle 3÷5 razy wyższą ceną niż

kolektory płaskie (w przeliczeniu na powierzchnię czynną – apertury, zł/m2). Za tak

dużą różnicą w cenie nie idzie w parze istotne zwiększenie uzysków ciepła. Należy

przy tym zwrócić uwagę, że na rynku są dostępne kolektory próżniowe o wysokich

sprawnościach pracy, ale też wysokich cenach zakupu. Dużą część rynku

wypełniają jednak kolektory próżniowe o niskich sprawnościach pracy – niższych

od kolektorów płaskich ( wykres na kolejnej stronie).

Slajd

13

Kolektory próżniowe z różnych klas technicznych

Porównanie typowych kolektorów słonecznych (dane z certyfikatów Solar Keymark):

= 71,0%

Q = 426 W/m2

= 58,2%

Q = 349 W/m2

= 50,1%

Q = 301 W/m2

= 45,2%

Q = 271 W/m2

= 35,6%

Q = 213 W/m2

-18%

-29%

-36%

-50%

2-ś

cie

nn

e „

nis

ko

sp

raw

ne

”

ko

lek

tory

pró

żn

iow

e

kolektor próżniowy

klasy „Premium”

kolektor płaski

Sp

raw

no

ść

ko

lek

tora

Slajd

14

Kolektory słoneczne – praca w okresie zimowym

Źródło: „Performance of Vacuum Tube and Flat Plate Collectors Concerning Domestic Hot Water Preparation

and Room Heating”, Ch. Trinkl, W. Zörner, C. Alt, Ch. Stadler, Fachhochschule Ingolstadt, 2005

W okresie zimowym kolektory próżniowe wymagały dłuższego czasu dla

rozmrażania powierzchni (niższe straty ciepła, także niższa sprawność optyczna)

Więcej o eksploatacji

kolektorów słonecznych

w sezonie zimowym

w prezentacji:

„Jak pracują kolektory

słoneczne zimą?”

www.solarblog.pl

Hewalex Ponad 20-letnie doświadczenie na rynku polskim i zagranicznym

więcej prezentacji >>> www.hewalex.pl

www.solarblog.pl więcej prezentacji >>>

Kompletne rozwiązania oparte o kolektory słoneczne i pompy ciepła

Zastosowanie w obiektach mieszkalnych i użytkowych

Hewalex Ponad 20-letnie doświadczenie na rynku polskim i zagranicznym

www.hewalex.pl