Kolektory płaskie i próżniowe – porównanie

Kolektory płaskie i próżniowe – porównanie

Porównanie sprawności płaskich i próżniowych kolektorów słonecznych

Wskaźniki ekonomiczne kolektorów płaskich i próżniowych

Możliwości zastosowania w zależności od rodzaju kolektora słonecznego

Wydanie 1/2017

30.06.2017

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

2

Możliwości zastosowania kolektorów

słonecznych

Zastosowanie kolektorów słonecznych w budynkach mieszkalnych jest najczęściej

przewidziane dla potrzeb podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Mała instalacja solarna

składa się wówczas z 2÷3 kolektorów słonecznych, które są w stanie podgrzewać ciepłą

wodę dla potrzeb jednej rodziny. Atutem instalacji solarnej jest wysoka efektywność

energetyczna. Zużycie energii elektrycznej przez pompę obiegową w stosunku do ciepła

wytwarzanego w układzie jest śladowe. Dlatego przyjmuje się, że nakład energii pierwotnej

EP dla pracy instalacji solarnej jest zerowy. Wpływa to znacząco na poprawę bilansu

energetycznego budynku, co jest

szczególnie istotne w aspekcie

obowiązujących od 2017 roku

Warunków Technicznych WT 2017

dla projektowanych budynków lub

istniejących poddawanych większej

przebudowie.

3

Wpływ zastosowania kolektorów słonecznych

na efektywność energetyczną

Zastosowanie kolektorów słonecznych pozwala ograniczyć zużycie energii pierwotnej

(paliwa, energii elektrycznej), a tym samym podnieść efektywność energetyczną systemu

(najczęściej po stronie podgrzewania ciepłej wody użytkowej). Szczególnie w budynkach

ogrzewanych kotłem grzewczym, pozwala to obniżyć jednostkowe roczne zużycie energii

pierwotnej poniżej poziomu wymaganego przez warunki WT 2017 (< 95 kWh/m2rok).

Przykładowo zastosowanie gazowego kotła kondensacyjnego nawet w budynku

o standardzie izolacji cieplnej zgodnym z warunkami WT 2017, nie zapewni spełnienia

warunków pod względem maksymalnego zużycia energii pierwotnej EP. Dopiero dodanie

nawet małej instalacji solarnej powinno w wystarczającym stopniu obniżyć zużycie energii.

EPmax WT 2017 = 95 kWh/m2rok

EP = 94,8 kWh/m2rok EP = 106,2 kWh/m2rok

http://eko-blog.pl/2017/01/systemy-grzewcze-dla-budynku-standardzie-wt-2017/



4

Jaki kolektor słoneczny wybrać?

Jednym z dylematów przy wyborze instalacji solarnej pozostaje kwestia wyboru rodzaju

kolektora słonecznego – płaskiego lub próżniowego. Różnią się one budową, efektami pracy

i kosztami zakupu. Wyboru można dokonać biorąc pod uwagę swoje wymagania preferencje.

5

1. Porównanie sprawności kolektorów

słonecznych – płaskich i próżniowych

Porównanie sprawności kolektorów słonecznych

– płaskich i próżniowych

Porównanie przedstawia jakie sprawności osiągają kolektory słoneczne w zależności

od warunków pracy – różnicy temperatury pomiędzy absorberem, a otoczeniem.

Warunki pracy są zależne od przeznaczenia instalacji solarnej (woda użytkowa lub

basenowa, wspomaganie ogrzewania), wielkości instalacji, chwilowych potrzeb ciepła

oraz nasłonecznienia. Wykresy sprawności można wykonać dla różnych wartości

promieniowania słonecznego, np. 1000 lub 300 W/m2.

Na podstawie parametrów sprawnościowych zawartych w ogólnodostępnych certyfikatach

Solar Keymark, można porównać wykresy sprawności kolektorów słonecznych

1.

6

Rodzaje kolektorów uwzględnianych

w porównaniach

W porównaniach uwzględniono 3 modele kolektorów płaskich i próżniowych:

Kolektor płaski z szybą

pryzmatyczną

(auroTHERM VFK 145)


antyrefleksyjną

(auroTHERM VFK 155)

Kolektor próżniowy

z przepływem bezpośrednim

(auroTHERM VTK 570/1140)

Sprawność optyczna: 0,790

Współczynnik a1: 3,721 W/m2K

Współczynnik a2: 0,016 W/m2K2

Dane sprawnościowe zgodnie

z certyfikatem Solar Keymark











7

Porównanie sprawności kolektora płaskiego

i próżniowego (przy 1000 W/m2)

W bardzo korzystnych warunkach nasłonecznienia (bezchmurny dzień, nasłonecznienie

1000 W/m2) kolektor płaski cechuje się wysoką sprawnością w dolnym zakresie różnicy

temperatury. W zakresie różnicy 0÷60 K, sprawność kolektora płaskiego VFK 145 jest

VTK 570

VFK 145

1000

W/m2 Średnio +7%

(0÷60 K)

Średnio -42%

(60÷120 K)

wyższa średnio o +7%

w porównaniu do kolektora

próżniowego. Przy wyższej

różnicy temperatury

sprawność kolektora

płaskiego będzie się obniżać

bardziej niż dla kolektora

próżniowego. W zakresie

różnicy 60÷120 K, sprawność

kolektora płaskiego będzie

niższa średnio o -42%


próżniowego.

~ 42 K

8

Porównanie sprawności kolektora płaskiego

i próżniowego (przy 300 W/m2)

Przy zachmurzonym dniu (nasłonecznienie 300 W/m2) sprawność kolektora płaskiego jest

wyższa od próżniowego do różnicy temperatury ok. 15 K. W zakresie różnicy 0÷60 K,

sprawność kolektora płaskiego jest niższa średnio o -36% w porównaniu do próżniowego.

VTK 570

VFK 145

300

W/m2 Średnio -36%

(0÷60 K)

> -300%

(60÷120 K)

Przy wyższej różnicy

temperatury (60÷120 K)

sprawność kolektora

płaskiego będzie niższa

średnio ponad 3-krotnie


próżniowego. Kolektor

próżniowy zachowuje

korzystniejsze parametry

pracy dla obniżonego

nasłonecznienia.

~ 15 K

9

Zastosowanie kolektora płaskiego

o podwyższonej sprawności pracy

Podwyższoną sprawnością pracy cechuje się kolektor płaski z szybą wykonaną ze szkła

antyrefleksyjnego. Może on stanowić pośrednie rozwiązanie pomiędzy płaskim i próżniowym

kolektorem słonecznym. Sprawność kolektora płaskiego ze szkłem antyrefleksyjnym

VTK 570

VFK 145

1000

W/m2

(auroTHERM VFK 155)

w standardowym zakresie

pracy (różnica temperatury do

60 K) jest wyższa średnio

o 8% w porównaniu do

kolektora płaskiego z szybą

standardową i wyższa średnio

o 15% w porównaniu do

kolektora próżniowego (VTK

570). W wyższym zakresie

(60÷120 K) sprawność

kolektora VFK 155 jest

VFK 155

http://eko-blog.pl/2012/08/kolektory-sloneczne-ze-szklem-antyrefleksyjnym/

http://eko-blog.pl/2012/08/kolektory-sloneczne-ze-szklem-antyrefleksyjnym/

10

Kolektory próżniowe – różnice

w konstrukcji i sprawności pracy

Należy zwrócić szczególną uwagę w przypadku wyboru kolektora próżniowego! Dostępne

na rynku produkty mogą różnić się znacząco pod względem konstrukcji, gwarancji, ceny

zakupu i sprawności. Stosunkowo tanie kolektory próżniowe mogą się cechować wyraźnie

VTK 570

1000

W/m2

niższą sprawnością nawet

w porównaniu do kolektorów

płaskich. Może być to niższa

sprawności w głównym

zakresie pracy (do 60 K),

a czasem nawet w całym

zakresie temperatury.

Dla przykładu kolektor

próżniowy o parametrach wg

certyfikatu Solar Keymark

011-7S1807R pracuje

z niższą sprawnością od

kolektora płaskiego (VFK 155)

VFK 155

011-7S1807R

11

Podsumowanie

Kolektory płaskie wysokiej klasy technicznej mogą pracować z wyższą sprawnością niż

próżniowe. Dotyczy to korzystnych warunków (wysokie promieniowane słoneczne) oraz

dolnego zakresu temperatur (różnica absorber-otoczenie w zakresu 060 K). Wyraźnie

wyższe efekty pozwala uzyskać kolektor płaski z szybą antyrefleksyjną.

Kolektory próżniowe wysokiej klasy technicznej cechują się płaskim przebiegiem krzywej

sprawności, co świadczy o skutecznej izolacji cieplnej. Uzyskują wyższą sprawność niż

kolektory płaskie przy niższym promieniowaniu słonecznym i wyższych temperaturach pracy.

Nie każdy rodzaj kolektora

próżniowego gwarantuje

uzyskiwanie wyższej

sprawności w porównaniu

do kolektorów płaskich

i w szerokim zakresie

temperatury pracy

12

2. Porównanie uzysków ciepła instalacji

solarnych z różnymi kolektorami słonecznymi

Porównanie uzysków ciepła instalacji solarnych

z różnymi kolektorami słonecznymi

Możliwe jest prześledzenie jak na uzyski ciepła wpływa zarówno wybrany rodzaj

kolektora słonecznego, jak i ich ilość. Porównanie jest także możliwe w rozbiciu na

poszczególne miesiące lub okresy (pora ciepła IV-IX i zimna X-III). Optymalny dobór

powinien zapewniać nie tylko jak najwyższe roczne pokrycie potrzeb ciepła (%/rok),

ale ze względów ekonomicznych przede wszystkim jak najwyższy jednostkowy uzysk

ciepła (kWh/m2rok).

Na podstawie symulacji komputerowych można porównać przewidywane uzyski ciepła

w różnych instalacjach – zarówno sumaryczne (kWh/rok) jak i jednostkowe (kWh/m2rok)

2.

13

Przykład doboru instalacji solarnych

dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej

Różnice w pracy kolektorów słonecznych można zaobserwować porównując przewidywane

efekty pracy. W tym celu można skorzystać z takich programów komputerowych jak T*SOL,

GetSolar czy Polysun. Wyniki symulacji zawierają szereg danych jak m.in. uzyski ciepła, czy

stopień pokrycia potrzeb cieplnych.

300 dm3/dzień, 45 oC

12,2 kWh/dzień

PODSTAWOWE ZAŁOŻENIA DLA SYMULACJI:

Nasłonecznienie: 1050 kWh/m2rok

Nachylenie kolektorów 35o, skierowanie na południe

Podgrzewacz wody 2-wężownicowy 300 litrów

Kolektory płaskie lub próżniowe

Kocioł gazowy kondensacyjny

14

Roczne sumaryczne uzyski ciepła

w instalacjach solarnych (kWh/rok)

W symulacji komputerowej uwzględniono 3 modele kolektorów płaskich i próżniowych

zastosowane w 2 wielkościach instalacji solarnych dla każdego z kolektorów.

Uzysk ciepła (kWh/rok)

3 kolektor płaski z szybą pryzmatyczną (VFK 145)

Powierzchnia apertury/brutto: 4,70/5,02 m2



3 kolektor płaski z szybą antyrefleksyjną (VFK 155)




6 m2 kolektora próżniowego (VTK 570/1140)



Powierzchnia apertury/brutto: 6,00/6,96 m2 +6,7%

+11,1%

15

Miesięczne uzyski ciepła oraz tabela rocznych

uzysków i pokrycia potrzeb ciepła

Najwyższy uzysk ciepła (kWh/rok) i pokrycie potrzeb cieplnych (%/rok) można uzyskać

przy zastosowaniu kolektorów próżniowych (VTK 570). Powierzchnia 6 m2 apertury tych

kolektorów pozwala pokryć 58,2% rocznych potrzeb ciepła. Dobór małej instalacji solarnej

dla podgrzewania wody użytkowej powinien zakładać maksymalne pokrycie rocznych

potrzeb na maks. 5560%, aby unikać zbędnych nadwyżek ciepła i przegrzewów latem.

4,7 m2 płaski VFK 145


5,0 m2 próżniowy VTK 570

6,0 m2 próżniowy VTK 570



Miesiąc

Uzysk c

iep

ła

(kW

h/m

-ąc)

kWh/rok %/rok

6,0 m2 próżniowy

VTK 570 2821 58,2%

5,0 m2 próżniowy

VTK 570 2471 51,7%

7,1 m2 płaski

VFK 155 2645 54,8%

4,7 m2 płaski

VFK 155 2146 45,1%

7,1 m2 płaski

VFK 145 2540 52,6%

4,7 m2 płaski

VFK 145 2022 42,6%

16

Porównanie jednostkowych uzysków ciepła

kolektorów słonecznych (kWh/m2rok)

Kolektory próżniowe cechują się wyższymi uzyskami ciepła w odniesieniu do powierzchni

czynnej (apertury), nawet rzędu 30% w porównaniu do kolektorów płaskich wysokiej klasy.

Uzysk ciepła (kWh/m2rok)












Powierzchnia apertury/brutto: 6,00/6,96 m2 +25%

+30%

17

Porównanie uzysków ciepła instalacji

solarnych w porze ciepłej i zimnej (kWh/rok)

Uzysk c

iep

ła (

kW

h)

Kolektory próżniowe i płaskie pracujące w instalacjach

o porównywalnej wielkości ( 5 m2 powierzchni apertury)

cechują się odmiennymi uzyskami ciepła. Można to

zaobserwować porównując uzyski ciepła dla dwóch

półrocznych okresów roku – pory ciepłej (IV-IX) i pory

zimnej (X-III).

Kolektory próżniowe wysokiej klasy w okresie letnim,

w przykładowym budynku, mogą uzyskiwać +11,4%

więcej ciepła w porównaniu do podstawowego typu

kolektora płaskiego (VFK 145) i +5,2% w porównaniu

do kolektora płaskiego z szybą antyrefleksyjną (VFK 155)

Większe różnice występują w okresie zimnym, na co

wpływ odgrywa skuteczniejsza izolacja cieplna (próżnia).

Kolektor próżniowy powinien uzyskiwać większą ilość

ciepła odpowiednio o +25,7% lub +17,7%.

Na porę ciepłą przypada około 75% rocznej ilości ciepła

wytwarzanego w instalacji solarnej.

18

Aspekty eksploatacji kolektorów słonecznych

w okresie zimowym

Przy wyborze typu kolektora słonecznego należy

wziąć pod uwagę również kwestię lokalnego klimatu.

Niskie straty ciepła stanowią zaletę kolektora

próżniowego którego sprawność pracy jest zależna

w mniejszym stopniu od temperatury zewnętrznej,

w porównaniu do kolektorów płaskich.

Utrudnieniem w pracy kolektorów próżniowych jest

z kolei zalegający na nim śnieg, lód i szron. Wówczas

zmniejszone nasłonecznienie absorbera i obniżone

do minimum straty ciepła, utrudniają i wydłużają czas

oczyszczania się rur próżniowych.

W strefach większych opadów śniegu, kolektory

płaskie pozwalają zwykle na dłuższą pracę w sezonie

zimowym. Powietrze wewnątrz kolektora odbierając

ciepło z absorbera podgrzewa od dołu szybę,

prowadząc do szybkiego samoczynnego usunięcia

śniegu czy szronu.

19

Podsumowanie

Zastosowanie kolektorów próżniowych o podwyższonej sprawności pracy, może pozwolić

na zmniejszenie wymaganej powierzchni apertury. Mniejsza powierzchnia czynna kolektorów

próżniowych może wytwarzać porównywalną lub mniejszą ilość ciepła w porze ciepłej

(w porównaniu do instalacji z kolektorami płaskimi). Z kolei w porze zimnej uzyski ciepła

z kolektorów próżniowych mogą być wyższe niż z kolektorów płaskich. Wykres miesięcznych

uzysków ciepła będzie bardziej „spłaszczony” niż dla instalacji z kolektorami płaskimi. Może

być to korzystne w przypadku wspomagania ogrzewania domu, a także dla uzyskania wyższego rocznego stopnia

pokrycia potrzeb ciepła

(rzędu 60% rocznie).

20

3. Porównanie kosztów inwestycji instalacji

solarnych z różnymi kolektorami słonecznymi

Porównanie kosztów inwestycji instalacji solarnych

z różnymi kolektorami słonecznymi

Dla oceny kosztów inwestycyjnych istotne jest porównanie cen wskaźników takich jak

cena jednostkowa za powierzchnię czynną (apertura) zł/m2, a także cen w odniesieniu

do mocy lub uzysków ciepła kolektorów słonecznych – zł/(kWh/rok). Podniesienie

poziomu efektywności instalacji solarnej wiąże się z wyższym kosztem inwestycji.

Decyzja o wyborze rozwiązania zależy od inwestora, a także możliwości zastosowania

określonych typów kolektorów w budynku (np. z uwagi na miejsce na dachu).

Na podstawie symulacji komputerowych można szacowane koszty inwestycji w odniesieniu

do powierzchni, a także do uzysków ciepła kolektora słonecznego.

3.

21

Porównanie cen jednostkowych (zł/m2)

- dla powierzchni apertury


pryzmatyczną (VFK 145)


antyrefleksyjną (VFK 155)


(VTK 570/1140)

Kolektory próżniowe wysokiej klasy technicznej cechują się stosunkowo wysoką ceną

zakupu. W przeliczeniu na powierzchnię apertury (czynną) ich cena może być nawet 2÷3

razy wyższa w porównaniu do kolektorów płaskich. Tym bardziej więc istotny jest dobór

wysokiej klasy kolektora próżniowego oraz prawidłowy dobór całej instalacji solarnej

z kolektorami próżniowymi.

Cena jednostkowa apertury (zł/m2)

Pod uwagę wzięto jedynie ceny katalogowe netto kolektorów słonecznych zgodnie

z cennikiem producenta (01.2017). Osprzęt instalacji w każdym rodzaju kolektora będzie

taki sam lub porównywalny do siebie i nie będzie wpływał na różnice w powyższych

obliczeniach wskaźników finansowych.

zł/m2

22

Porównanie cen jednostkowych [zł/(kwh/rok)]

- w przeliczeniu na roczny uzysk ciepła


pryzmatyczną (VFK 145)


antyrefleksyjną (VFK 155)


(VTK 570/1140)

Im większy będzie zakładany z instalacji solarnej uzysk ciepła (kWh/rok), tym należy się

liczyć z wyższymi nakładami finansowymi. Koszty inwestycji (w przeliczeniu na uzysk

roczny ciepła) w zakup kolektorów płaskich z szybą antyrefleksyjną, będą wyższe

w stosunku do podstawowych kolektorów z szybą pryzmatyczną o około 7 %. W stosunku

do kolektorów próżniowych będzie to już ok. 160 %.

Cena jednostkowa [zł/(kWh/rok)]

Pod uwagę wzięto ceny katalogowe netto kolektorów słonecznych zgodnie z cennikiem

producenta (01.2017) oraz roczne uzyski ciepła przy założeniu zgodnie z wynikami

symulacji komputerowej ( strona 14)

zł/(kWh/rok)

23

PODSUMOWANIE CECH

Kolektor płaski z szybą pryzmatyczną (auroTHERM VFK 145)

Kolektor płaski z szybą antyrefleksyjną (auroTHERM VFK 155)

Kolektor próżniowy z przepływem bezpośrednim (auroTHERM VTK 570/1140)

Korzystna cena zakupu, niski koszt inwestycji w odniesieniu do rocznych uzysków

ciepła instalacji solarnej, wysoka sprawność w standardowym zakresie temperatur

pracy (do różnicy 42 K wyżej niż kolektor próżniowy).

Nieznacznie wyższa cena zakupu w porównaniu do kolektora płaskiego z szybą

pryzmatyczną (ok. 7 %), przy zwiększeniu rocznych uzysków ciepła o około 4÷6 % .

Może stanowić pośrednie rozwiązanie między „standardowym” kolektorem płaskim,

a kolektorem próżniowym wysokiej klasy technicznej.

Wysoki roczny uzysk ciepła, jednostkowo (kWh/m2rok apertury) o około 30 %

więcej w stosunku do kolektora płaskiego z szybą pryzmatyczną i 25% do kolektora

z szybą antyrefleksyjną. Zwiększony koszt inwestycji.

Chłodzenie

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji

Technology

Kolektory płaskie i próżniowe – porównanie