Rozkład strumieni ciepła w kolektorze

Pompy ciepła

i kolektory słoneczne

Bogusław Białko

Gęstość promieniowania słonecznego

Rozkład strumieni ciepła w kolektorze

Kolektor słoneczny – jest to urządzenie umożliwiające konwersję energii

promieniowania słonecznego na ciepło użyteczne.

Ilość energii docierającej do kolektora zależy od wielu czynników, w tym od:

• pory dnia/roku

• warunków pogodowych

• lokalizacji

• orientacji powierzchni

Kolektor słoneczny

Przyjmuje się, że średnio wynosi ona ~1kW/m² powierzchni prostopadłej do

padania promieni, w najbardziej optymalnych warunkach (czyste niebo).

Ogólny podział kolektorów – w zależności od czynnika roboczego przenoszącego ciepło, wyróżniane są dwa rodzaje kolektorów słonecznych, które obejmują wiele typów

kolektorów różniących się między sobą budową i przeznaczeniem.

Kolektory cieczowe

• kolektory płaskie (płaskopłytowe);

• kolektory próżniowe;

• kolektory magazynujące;

• kolektory elastyczne (z tworzyw sztucznych).

Kolektory powietrzne

• kolektory z absorberami płaskimi (w tym żebrowanymi);

• kolektory z absorberami o powierzchni rozwiniętej;

• kolektory z absorberami porowatymi;

• kolektory nadciśnieniowe (foliowe).

Kolektory słoneczne

• Bierne – przepływ swobodny na skutek różnicy temperatur pomiędzy poszczególnymi częściami instalacji

• Aktywne (czynne) – z pompą/wentylatorem wymuszającym obieg czynnika w instalacji.

Instalacje bierne stosuje się głównie do ogrzewania budynków, poprzez wykorzystanie ich elementów konstrukcyjnych (ścian, stropów) do absorbcji i

magazynowania ciepła. Ograniczenie stanowi też brak możliwości regulacji mocy cieplnej.

Instalacje aktywne stosuje się do podgrzewania wody użytkowej, ogrzewania budynków, w suszarniach itp.

Często obiegi aktywne wyposażone są w dodatkowe elementy np. do magazynowania ciepła. Bardziej skomplikowane układy wymagają precyzyjnego

kierowania, dlatego instalacje tego typu wyposażone są w zaawansowane układy sterujące.

Instalacje słoneczne

Podział instalacji słonecznych służących do przetwarzania energii promieniowania słonecznego na ciepło użyteczne, wynika również ze sposobu w jaki zachodzi w nich przepływ czynnika roboczego:

Absorbery kolektorów cieczowych wykonane są zwykle z blachy aluminiowej, miedzianej lub stalowej zaopatrzonej w układ kanałów przepływowych czynnika roboczego odbierającego ciepło. Powierzchnia absorberów

wyposażona jest w tzw. pokrycie selektywne w wysokim stopniu pochłaniające promieniowanie cieplne i

minimalizujące odbicie.

Osłona przezroczysta – ogranicza straty ciepła na skutek promieniowania i konwekcji. Zwykle jest to szyba, ale stosuje się również poliwęglan, poliester zbrojony włóknem szklanym, metakrylan etylu i inne tworzywa.

Osłona przezroczysta powoduje również straty wynikające z odbicia i absorbcji. Aby je ograniczyć stosuje się pokrycia antyodbiciowe.

Kolektory cieczowe (płaskie)

Budowa absorbera oraz właściwości optyczne powierzchni absorbującej są

parametrami decydującymi o sprawności przetwarzania promieniowania na energię cieplną i trwałość kolektora, co w konsekwencji przekłada się na jego cenę.

Istnieje ryzyko, że górna część ścian bocznych kolektora może stać się przyczyną znacznego zacienienia adsorbera powodując utratę znacznej ilości

promieniowania słonecznego.

Kolektory cieczowe (płaskie)

Zaleca się aby w związku z tym cień rzucany przez ramę nie przekraczał 10% ogólnej powierzchni

absorbera, gdy kątowa wysokość słońca nad powierzchnią czołową kolektora wynosi 30

stopni.

W rezultacie zalecana odległość pomiędzy

absorberem a płytą osłonową wynosi 13-38mm.

Typy absorberów

Rodzaje żeber

1. Absorber 2. Pokrycie

3. Uszczelnienie

4. Zacisk ustalający pokrywę 5. Wkładka dystansowa

6. Izolacja 7. Obudowa

8. Profilowana wypraska 9. Uszczelka

Budowa kolektora

Kolektory powietrzne

Kolektory powietrzne

Rodzaj powierzchni ρ₀

Swobodna powierzchnia wody 0,7 – 0,9

Gleba nie porośnięta 0,2 – 0,5

Roślinność zielona 0,15 – 0,33

Śnieg świeży 0,8 – 0,95

Śnieg zleżały 0,46

Asfalt suchy 0,07

Cegła czerwona 0,25

Dachówka biała 0,27

Dachówka kolorowa ciemna 0,09

Współczynnik refleksyjności podłoża

Współczynniki strat ciepła kolektorów powietrznych

( ) ( ) ( )

( )

1 2 1 1 2 1 2

1 2 2 1 1 2

c d r c d

L

c r

U U h h h h h U U h h U h h h U h h h

+   + +   + +

= + + +

(

) ( )

1

1 1 1

psr c psr c

r

p c

T T T T h σ

ε ε

+ +

=

+ −

U

U

T

T

h

ε

ε

h

h

T

T

( ) ( ) ( )

( ) ( )

1 2 1 1 2 1 2

1 2 1 1 2

c d r c d

L

d r

U U h h h h h U U h h

U h h U h h h

+   + +   + +

= + + +

(

) ( )

1

1 1 1

psr d psr d

r

p d

T T T T h σ

ε ε

+ +

=

+ −

U

U

T

T

T

h

ε

ε

h

h

T

T

Współczynniki strat ciepła kolektorów powietrznych

L b d c

U = U U + + U

=

⋅

b b

p

U A k A

1 1 1

=

d

+ +

p z

U

h h

δ λ

U

T

T

T

T

h

h

ε

ε

ε

ε

h

h

h

h

h

T

U

U

h

h

^h

^{= 2,8 3 + ⋅ v}

dla 5m/s v ≤

Współczynniki strat ciepła kolektorów powietrznych

1 1 1

=

b

+ +

b z

k

h h

δ

λ

1 1

1 1 ... 1 1 1

c c

a r a r an rn z ra c

U n d

h h h h h h h h λ

= + + + + + ⋅

+ + + +

Ud

T_a

Tc

T_c1 Tcn

ha1

h_an

ε_c1 ε_c2 ε_cn

ε_p hr h_a hr1

hrn

hra

Tp śr

Ub

Uc hz

hz

(

) ( )

1 1 1

psr c psr c

r

p c

T T T T h σ

ε ε

+ +

=

+ −

Współczynniki strat ciepła kolektorów powietrznych

Osłony przezroczyste to techniczna nazwa płyt,

względnie folii, za pomocą których absorbery w kolektorach

osłaniane są od góry od wpływów zewnętrznych.

Wykonuje się je z materiałów, które w

niewielkim stopniu absorbują promieniowanie

słoneczne.

Osłony

przezroczyste

Materiał Grubość

Trans- misyjność dla promie- niowania słonecznego

Trans- misyjność dla promie- niowania cieplnego

Współczyn- nik załama- nia światła

Maksymalna tempera- tura pracy

ciągłej

°C

Szkło zwykłe

3 4 6

0,86 0,84 0,80

0,02 0,02 0,02

1,526 200÷230

Szkło z małą zawartością Fe₂0₃

3 4 6

0,90 0,88 0,86

0,02 0,02 0,02

1,526 205

PMMA

3 4 6

0,88 0,85 0,78

0,02 0,02 0,02

1.49 80÷90

Poliester zbrojony włóknem szklanym

(35% szkła)

1 0,81 0,03 — 80÷90

Teflon 0,025 0,95 0,55 1.37 200

Tedlar 0,1 0,92 0,22 1,45 65

Poli(chlorek

winylu) 0,8 0,84 0,04 — —

Poliwęglan 3 0,82 0,04 1,60 120

Mylar (poliester) 0,1 0,87 0,18 — —

Konstrukcja adsorbera oraz użyte materiały

powinny zagwarantować bezawaryjną pracę mimo okresowych braków odbioru ciepła – głównie

dotyczy to sytuacji awaryjnych.

Przyjmuje się temperatury adsorbera:

• pokrytego czarną matową farbą – 150°C

• pokrytego pokryciem selektywnym – 200-240°C Temperatura w warunkach postoju nazywa się

temperaturą stagnacji.

Stagnacja

Wilgoć we wnętrzu kolektora powoduje spadek jego sprawności:

• skropliny na wewnętrznych powierzchniach osłony pogarszają transmisyjność;

• zawilgocona izolacja termiczna nie spełnia swojego zadania;

• wilgoć powoduje korozję metalowych części kolektora;

• wilgoć staje się problemem, jeśli

temperatura kolektora spadnie do 0°C. Lód może spowodować fizyczne uszkodzenia.

Zawilgotnienie

Jeżeli kolektor nie jest hermetycznie zamknięty – wykorzystuje się naturalną wentylację.

Przepływ powietrza odbywa się poprzez otwory wentylacyjne w bocznych ściankach obudowy.

Otwory wentylacyjne powinny być:

• osłonięte siatką, aby uniemożliwić dostęp owadom i większym zanieczyszczeniom;

• osłonięte przez zacinającym deszczem.

Kolektor powinien także posiadać otwory drenażowe umożliwiające odprowadzenie

wilgoci jeśli takowa się pojawi.

Zawilgotnienie

Zawilgotnienie

Materiały izolacyjne wykorzystywane w

kolektorach wykonane są zwykle z porowatych materiałów polimerowych lub włóknistych

materiałów pochodzenia mineralnego – wybór zależy od temperatury pracy.

Jeśli zastosowany jest absorber:

• nieselektywny – termoizolacja musi być odporna na działanie temperatur do 150°C

• selektywny – termoizolacja musi być odporna na działanie temperatur 200-240°C

Materiały termoizolacyjne

Materiały termoizolacyjne

Materiał

Współczynnik przewodzenia

ciepła W/(m·K)

Gęstość kg/m³

Maksymalna temperatura

pracy

°C

Współczynnik rozszerzalności

liniowej 10^-6m/(m·K)

Wełna szklana 0,03 – 0,04 20 – 100 340 8,5 – 10

Wełna mineralna 0,035 – 0,055 30 – 200 650 – 1040 –

Polistyren

spieniony 0,03 – 0,04 15 – 30 74 70

Pianka

poliuretanowa 0,02 – 0,03 20 – 60 120 70

Pianka

mocznikowo-

formaldehydowa 0,03 – 130 –

Pianka fenolowa 0,03 – 135 –

Przezroczyste materiały izolacyjne

Są to materiały, których wynalezienie powiększyło zakres stosowalności instalacji słonecznych – zarówno do podgrzewania wody użytkowej jak i celów

grzewczych.

Charakteryzują się dużym oporem przewodzenia ciepła, a równocześnie dużą transmisyjnością.

Dzielą się na materiały izolacyjne:

• o budowie komórkowej

• pęcherzykowe

• włókniste

• mikroporowate

Największe znaczenie i najczęściej stosowane są materiały o budowie komórkowej.

Materiały termoizolacyjne

Stosowane w kolektorach słonecznych materiały o budowie komórkowej umieszczane są pomiędzy dwiema szybami, aby nadać im odpowiednią sztywność – w innym przypadku łatwo ulegają deformacji pod wpływem własnego ciężaru.

Materiały termoizolacyjne

Izolacja kapilarna Izolacja ulowa