Burzliwe kolektory słoneczne. Turbulencja na dachu

Czy zastosowanie kolektorów słonecznych jest opłacalne? Jaki przepływ winien być uzyskiwany na kolektorach, aby otrzymać burzliwy przepływ w rurkach absorbera? Czy kolektor, który w trakcie badań uzysku energetycznego w Instytucie badawczym zdołał osiągnąć słynną granicę 525 kWh/m², pozwalającą w UE na uzyskanie dofinansowania, osiąga ją również w trakcie eksploatacji? Czy poprzez zastosowanie niewłaściwych urządzeń współpracujących z kolektorami słonecznymi można „zniweczyć" dobre parametry kolektorów?

Decydującą rolę w prawidłowej (efektywnej) pracy kolektora słonecznego odgrywa rodzaj przepływu. Bardzo ważne jest, aby w kolektorze słonecznym nie zachodził przepływ la-minarny. Z teorii wiadomo, że przepływ laminarny nie zachodzi (rura prostoliniowa) od momentu, gdy liczba Reynoldsa przekroczy wartość 2320. Wielkościami decydującymi o tej wartości są: rodzaj, skład oraz temperatura medium roboczego, przepływ oraz obwód rurek przepływowych (obowiązuje to również dla przypadku, gdy przekrój nie jest okrągły). Trzeba również zaznaczyć, że wartość krytycznej liczby Reynoldsa nie zależy od kształtu przekroju rurki (przynajmniej w pierwszym przybliżeniu) oraz od chropowatości powierzchni. Podczas przepływu turbu-lentnego cząsteczki medium roboczego przemieszczają się gwałtownie również w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu w stronę osi rury (nie zachodzi to podczas przepływu laminarnego). Zjawisko to powoduje, że zachodzi różnica wydajności kolektorów słonecznych rzędu 2-4% w zależności od rodzaju absorbera. Dla wielu krytyków jest to mała wartość, ale jeśli odnieść ją do wartości wymaganych, np. w celu uzyskania dofinansowania, to może się okazać, że te 2-4% spowodują obniżenie sprawności poniżej wymaganej granicy. Na wykresie 1 pokazano zmiany współczynnika sprawności kolektora słonecznego wynikające z wyjścia z przepływu laminarnego.

Niestety często przepływ burzliwy (turbulentny) mylony jest z przepływem zaburzonym, np. w wyniku natrafienia cieczy roboczej na zmianę przekroju rur lub tp. Zdarza się również, że producenci kolektorów słonecznych dla oszczędności zmniejszają grubości ścianek rurek przepływowych w absorberze, co prowadzi do zwiększenia ich średnicy wewnętrznej, efektem jest zmniejszenie prędkości przepływu, a co za tym idzie - liczby Reynoldsa.

Z badań, prowadzonych między innymi przez Austriackie Centrum Badawcze Arsenal Research, wynika, że kolektory posiadające absorber w formie harfy osiągają przepływy charakteryzujące się liczbą Reynoldsa (dla wody) rzędu 300-2000, natomiast w przypadku meandra liczba ta osiąga wartość rzędu 2000-15000. Uwzględniając fakt, że medium roboczym jest mieszanina wody z glikolem, rzeczywiste wartości liczby Reynoldsa są o 20 do 50% niższe Zmianę sprawności kolektora przy wyjściu z przepływu laminarnego dla kolektora słonecznego z absorberem selektywnym w postaci harfy przedstawiono na wykresie 2. Medium roboczym była woda o średniej temperaturze 32°G, temperatura otoczenia wynosiła 20°G, natężenie promieniowania słonecznego 909 W/m².

Widać wyraźny skok sprawności kolektora słonecznego przy wyjściu z przepływu laminarnego. Oznacza to, że praktycznie dla każdego kolektora słonecznego możliwe jest określenie wartości krytycznego przepływu masowego. Po przekroczeniu tej wartości następuje poprawa sprawności kolektora słonecznego.Z powyższego wynika, że kolektory słoneczne mogą w trakcie pozyskiwania energii słonecznej pracować w szerokim zakresie liczby Reynoldsa, a regulatory posiadające funkcję regulacji prędkości obrotowej pompy (jeśli nie posiadają właściwego algorytmu pracy) zamiast poprawiać uzysk energetyczny instalacji solarnej mogą prowadzić do efektu przeciwnego.

525 kWh/m²

Badanie kolektorów słonecznych w uprawnionych instytucjach badawczych prowadzi między innymi do określenia, czy modelowa instalacja so-larna, w której zastosowano badane kolektory słoneczne, osiągnie wartość uzysku solarnego 525 kWh/m2. Jako parametry tej modelowej instalacji przyjmowane są następujące założenia:

• lokalizacja instalacji: Wiirzburg (położenie 49°47'18" North, 9°53'21" East),
• pogoda TMY (Typical Meteorological Year) albo ekwiwalentne dane pogodowe,
• usytuowanie kolektorów na południe, nachylenie odpowiednie do szerokości geograficznej,
• powierzchnia kolektorów jest tak dobrana, aby wskaźnik pokrycia solarnego wynosił 40%,
• parametry kolektorów przyjmuje się z certyfikatu będącego wynikiem badań przez uprawnioną jednostkę,
• przepływ masowy identyczny jak w trakcie badań, zastępczo 50 l/m2h,
• medium robocze takie jak w trakcie badań albo mieszanina wody i glikolu polipropylenowego o zawartości 30% glikolu,
• sterownik włącza pompę przy zaistnieniu różnicy temperatur w wysokości 2 K pomiędzy temperaturą medium roboczego u wylotu kolektora a temperaturą zasobnika w obszarze wymiennika ciepła,
• orurowanie: zasilanie i powrót po 7,5 m długości wewnątrz i na zewnątrz budynku na rurze DN 16 w izolacji o grubości 25 mm (k = 0,04 W/K*m);  straty  ciepła  liczone  z uwzględnieniem  temperatury  wewnątrz pomieszczenia oraz temperatury powietrza na zewnątrz budynku,
• wymiennik ciepła: zanurzony wymiennik ciepła z gładkimi rurami o znanych parametrach (współczynnik kA wynoszący 400 W/K (+/- 15%) przy temperaturach 42°/40°G na króćcu wlotowym i wewnątrz zasobnika),
• temperatura zimnej wody 10°G,
• zasobnik o pojemności 300 litrów, współczynnik strat ciepła włącznie z kołnierzami 2,2 W/K, stosunek wysokości do średnicy 2,5, pojemność dyspozycyjna 135 1 przy 47°G,
• temperatura wewnątrz pomieszczeń 15°G,
• standardowy pobór ciepłej wody 200 l/d przy 45°G (w przypadku, gdy temperatura przekracza 45°G następuje podmieszanie z zimną wodą do temperatury  45°G,  odpowiada  to energii 2950 kWh/a, przyjęto jednostkowy pobór 10 l/min),
• profil poboru: o godz. 7 i 19 po 40% i20%ogodz. 12.
• Każde odstępstwo od tych parametrów prowadzi do zmiany wartości uzysku solarnego. Już z samego faktu, że teren Polski leży w dużej części na północ od Wiirzburga, wynika, że kolektory poddane zostaną niższym wartościom promieniowania słonecznego. Przyjmując, że kolektory są identycznie usytuowane jak w instalacji modelowej (temperatury wody oraz profile zużycia również są identyczne), spróbujemy określić, na ile możliwe jest pogorszenie uzysku solarnego poprzez niewłaściwy dobór urządzeń i ich parametrów.

Zasobnik solarny

Kiedy zadajemy producentowi pytanie o grubość izolacji, wymiary i podstawowe dane techniczne zasobników, dane te bez problemu otrzymujemy. W momencie, gdy prosimy o charakterystykę oporów przepływu zaczynają się „schody". Renomowane firmy udostępniają wykresy bez przeszkód. Skąd więc takie trudności z uzyskaniem podobnych wykresów u innych producentów? Może wynika to z obawy, że opory przepływu przez ich wężownice są znacznie wyższe niż na prezentowanym wykresie? Nie bardzo wiadomo czy to dobrze czy źle... Zagadnieniu porównania zasobników warto poświęcić osobny artykuł. Wiele „baniaków", jak nazywane są pogardliwie przez instalatorów, nie posiada wymaganego stosunku, 2,5 wysokości do średnicy, przyjętego w instalacji modelowej! Są one po prostu „grubaskami", a tworzenie się warstw temperaturowych jest praktycznie niemożliwe. Efektem jest spadek uzysku solarnego.

Grupa solarna

Aby instalacja solarna pracowała właściwie, niezbędne jest, aby zastosowana w niej grupa solarna mogła zapewnić prawidłowe parametry przepływu. Jeżeli przepływ zalecany przez producenta kolektorów słonecznych jest na poziomie 90 l/h (1,5 l/min), a firma sprzedająca kolektory dostarczyła grupę pompową z rotametrem o zakresie np. 2-10 l/min, to wyregulowanie właściwego przepływu jest praktycznie niemożliwe. Jeśli wydajność pompy solarnej jest zbyt wysoka, to problem się pogłębia. Bardzo rzadko otrzymać można od producentów grup solarnych zapewnienie, że wyposażone są one w zawory antygra-witacyjne, a otrzymanie wykresów oporów przepływu kompletnej grupy solarnej graniczy z cudem. Powstałe w efekcie straty niweczą „wysiłek" kolektorów słonecznych.

Regulator solarny

Prawidłowe ustawienia regulatora oraz umiejscowienie czujników temperatury to kolejne „poważne" zagadnienie. Jeżeli błąd pomiaru czujnika przekracza wartość różnicy temperatur załączania pompy, czujniki są montowane jak na fotografii 1 lub w niewłaściwej pozycji, regulatory nie posiadają właściwego algorytmu pracy, to efektem jest obniżony uzysk solarny.

Uzasadnienie ekonomiczne zakupu

Dla nikogo nie jest tajemnicą, że okres zwrotu kosztów inwestycji w przypadku instalacji solarnych (zwłaszcza w budynkach indywidualnych) nie jest krótki. Okres ten ulega znacznemu skróceniu w przypadku istnienia dofinansowania do kolektorów. Jednocześnie okres ten ulega znacznemu wydłużeniu, czasem nie ma nawet szans na zwrot kosztów, jeśli instalacja jest niewłaściwie zaprojektowana. Pod pojęciem tym rozumiem przypadki niewłaściwego doboru urządzeń, złego schematu hydraulicznego w obwodzie solarnym lub w układzie ładowania zasobników, świadome przewymiarowanie instalacji u „majętnego klienta" itd.

Podsumowanie

Zwrot kosztów instalacji solarnej jest uzależniony od wielu czynników. Instalacja musi być prawidłowo zaprojektowana, właściwie użytkowana, regularnie przeglądana. Tylko praca w zakresie właściwego przepływu medium roboczego zapewnia dobrą wydajność kolektorów słonecznych. Do sukcesu potrzebne są jednak jeszcze właściwe komponenty zestawu solarnego. Po ilu latach zwrócą się te koszty?

Autor dr inż. Jerzy Chodura