Menu

Kolektory powietrzne

 

WSTĘP

ozekol418.jpg

Powietrzne systemy solarne nie są tak popularne jak cieczowe, w których nośnikiem ciepła jest glikol lub woda. Decydują o tym odmienne właściwości powietrza jak medium:
■ Powietrze nagrzewa się szybciej niż woda, dzięki znacznie mniejszej pojemności cieplnej. Oznacza to, że w kolektorach słonecznych można osiągnąć użyteczne temperatury nawet przy niskich poziomach nasłonecznienia.
■ Magazynowanie energii w systemach powietrznych jest droższe i można je przeprowadzić tylko pośrednio, ponieważ nośnik ciepła - powietrze - sam w sobie nie nadaje się do magazynowania energii.
■ Przenikanie ciepła z absorbera do nośnika ciepła jest gorsze w przypadku kolektora słonecznego powietrznego niż w przypadku kolektora słonecznego o podobnej wielkości wykorzystującego glikol, głównie z powodu niższej przewodności cieplnej powietrza.
■ Transport energii powietrzem wymaga większych przepływów masowych lub objętościowych w porównaniu z transportem energii w ciekłych nośnikach ciepła. Dlatego systemy powietrzne zawsze wymagają dokładnego planowania i montażu, aby zminimalizować zużycie energii pomocniczej. 

 

Tabela. Porównanie właściwości powietrza i wody jako medium w temp. +25C i przy ciśnieniu 1 bar.

Właściwość

Powietrze

Woda

gęstość w kg/m3

1,185

998,2

pojemność cieplna (masowa) w [Wh/kgK] 0,28 1,16
pojemność cieplna (objętościowa) w [Wh/m3K] 0,31 1158
przewodność cieplna [W/mK] 0,026 0,559

Zalety powietrza jako nośnika energii

- Prosta konstrukcja systemu. W przeciwieństwie do systemów opartych na cieczach, nie ma problemów z bezpieczeństwem instalacji z powietrzem jako nośnikiem ciepła, ze względu na jego właściwości. Powietrze nie może zamarznąć ani wrzeć: dlatego nie są konieczne żadne środki w celu ochrony przed zamarzaniem. W instalacji nie może też wystąpić problem stagnacji temperaturowej, stąd nie są potrzebne naczynia wzbiorcze i zawory bezpieczeństwa. 
- Powietrze jest znacznie mniej korozyjne niż ciecze. Zwiększa to żywotność kolektorów.

- Temperatura powietrza jest niższa niż medium ciekłego, z uwagi na niższe parametry pracy instalacji powietrznych, co ma pozytywny wpływ na sprawność kolektora. 

 

Wady

- Niższa pojemność cieplna i gorsza przewodność cieplna w porównaniu z cieczami, wymaga większych średnic kanałów i powierzchni wymiennika.

- Magazynowanie energii wymaga skomplikowanych i drogich instalacji

 
Ogólnie rzecz biorąc, właściwości te pozwalają na bardzo prosty projekt systemu do bezpośredniego ogrzewania słonecznego budynków. Powietrze przepływające przez kolektory można kierować bezpośrednio do budynku. Pozwala to na zwiększenie ilości świeżego powietrza i poprawia jego jakość w pomieszczeniach, jednocześnie zmniejszając lub eliminując konieczność doprowadzania dodatkowej energii do systemu. Systemy ogrzewania słonecznego powietrznego dobrze wpisują sie w konstrukcje nowych budynków z systemami rekuperacji powietrza wentylacyjnego. Połączenie obu systemów, z uwagi na to samo medium, nie sprawia problemów.

 

Elementy systemu - kolektory

 

ozekol408.jpg

Rys. Różne typu kolektorów powietrznych ze względu na sposób przepływu powietrza 
 

Kolektor z przepływem powietrza nad absorberem

Tutaj absorber leży bezpośrednio na izolacji cieplnej, a ogrzane powietrze przepływa nad nią.

 

Kolektor z przepływem powietrza pod absorberem

Ten typ absorbera posiada kanał powietrzny pomiędzy absorberem a izolacją termiczną, przez który przepływa powietrze. Zapobiega to kontaktowi przepływającego ciepłego powietrza bezpośrednio z osłoną kolektora, co znacznie ogranicza konwekcyjne straty ciepła od frontu.

 

Kolektor z przepływem powietrza nad i pod absorberem

Absorber jest w tym wypadku omywany powietrzem z obu stron, co poprawia wymianę ciepła, ale zwiększa jednocześnie straty od frontu przez przeszklenie.

 

Kolektor z przepływem przez absorber

Tutaj absorber składa się z porowatej płyty (zwanej także matrycą absorbera), przez którą przepływa powietrze. Matryca absorbera może być na przykład wykonana z grubego czarnego filcu, polaru lub tkanin (metalicznych lub niemetalicznych). Wadą takiego rozwiązania mogą być rosnące straty ciśnienia, które mogą się ujawnić, jeśli przepływający przez tkaninę materiał stopniowo zatyka się brudem lub kurzem. Ten typ absorbera jest często stosowany w praktyce bez izolacji termicznej.

 

Absorbery

W przypadku kolektorów powietrza z absorberami płytowymi najlepiej jest stosować metalowe materiały absorbera (takie jak stal, stal nierdzewna, aluminium lub miedź). W przypadku wyżej wymienionych kolektorów matrycowych, wełny i tkaniny pochodzą zarówno z materiałów metalicznych (np. Wełna stalowa, siatka druciana z miedzi), jak i niemetalowych (np. Tkanina bawełniana, włókna roślinne, włóknina poliestrowa). Absorbery metalowe są dodatkowo pokryte powłokami selektywnymi. Jednak z uwagi na znaczny wzrost kosztów produkcji, są to zwykle powłoki nie na bazie tlenków tytanu, a raczej czarnych, odpornych na temperaturę lakierów.

 

Kolektory powietrzne klasyczne

 

Posiadają absorber wykonany najczęściej z aluminiowego prostokątnego profilu pokrytego czarnym lakierem, przykrytego antyrefleksyjną szybą. Profil zaizolowany jest od spodu izolacją z wełny mineralnej lub wełny szklanej, całość zamknięta  w ramie staloozekol413.jpgwej bądź aluminiowej. W  konstrukcji znajdują się otwory wlotowe i wylotowe powietrza oraz wentylator, lub turbina. Kolektory są dostępne w różnych wersjach, o np. różnej głębokości w zależności od rozmiaru systemu. 
Ponadto, ze względu na szeregowe połączenie kolektorów z uwzględnieniem przepływu, dostępne są różne typy modułów. Kolektor środkowy jest połączony wąską stroną z kolektorami końcowymi za pomocą połączeń kołnierzowych. Kolektory końcowe mają zintegrowane przyłącze powietrza. Przyłącze to jest zaprojektowane jako połączenie rurowe, na przykład do prowadzenia powietrza odpadowego z budynku przez kolektory, lub jest wyposażone w filtr powietrza zintegrowany z tylnym otworem w celu doprowadzenia świeżego powietrza z otoczenia bezpośrednio przez kolektory.

ozekol414.jpg

Rys. Różne wersje kolektorów powietrznych firmy Grammer i ich układy na dachu.

ozekol415.jpgozekol416.jpg

Fot. Kolektory Top-solar na dachu stromym. Po lewej  układ szeregowy top-solar 10.0 z pięcioma modułami   SLKE +3xSLKM+SLKF, po prawej top-solar 8.5 z łącznikiem modułowym.

 

Kolektory powietrzne bezszybowe

Niekryty kolektor powietrza ma większe straty ciepła w porównaniu z absorberem pokrytym szkłem, ze względu naozekol409.jpg brak przezroczystej osłony, szczególnie przy wyższych temperaturach absorbera. Jego wydajność jest zatem niższa. Taka konstrukcja może jednak być interesująca w przypadku pracy z niższymi temperaturami absorbera, na przykład podczas wstępnego podgrzewania otaczającego powietrza. Ponieważ koszty materiałów są zmniejszone, a produkcja jest uproszczona, przy tego typu kolektorze i przy odpowiednich warunkach brzegowych można uzyskać bardzo niskie koszty produkcji ciepła. Do zastosowań, w których wymagane są wyższe temperatury pracy w kolektorze słonecznym, wybiera się zawsze izolowane i szklane kolektory słoneczne.

 

Fot. Bezszybowy kolektor powietrzny do montażu pionowego na elewacji budynków

 

Kolektory powietrzne z ogniwami PV

 

 

Aby zapewnić niezależną pracę wentylacji w budynkach bez osobnego zasilania (działki, chaty górskie, domki letniskowe itp.), można zastosować kolektory poiwetrzne ze zintegrowanym modułem PV. Zapewnia to energię elektryczną potrzebną do napędzania prądem stałym wentylatora, gdy tylko świeci słońce. System  w większości przypadków radzi sobie bez dodatkowej regulacji. Oprócz zastosowania w budynkach bez dostępu do sieci, system może pracować również w budynkach z własnym zasilaniem. W tym przypadku pozwala na odłączenie zasilania elektrycznego przez główny bezpiecznik podczas długich przerw w pracy (wyjazd wakacyjny), podczas gdy solarny system ogrzewania i wentylacji powietrza nadal działa, poprawiając wymianę powietrza w pomieszczeniach, chroniąc przez zagrzybieniem, itp. W firmie Grammer kolektory zintergowane z ogniwami PV noszą nazwę TWINSOLAR i są dostępne o powierzchniach od 2 do 10m2.

ozekol365.jpg

Zasadniczo konstrukcja jest podobna do standardowych kolektorów. Część przezroczystej osłony jest jednak zastąpiona powierzchnią modułową, która służy do napędzania wentylatora. Wielkość powierzchni modułu zależy od wielkości systemu solarnegoozekol410.jpg i waha sie od 10-114W.
 

 

 

Fot. Po lewej, kolektory powietrzne z ogniwami PV (123zeroenergy)

 

Kolektor powietrzny hybrydowy
Kolejnym zastosowaniem kolektorów powietrznych jest kontrolowana wentylacja powierzchni tylnej modułów PV w tzw. kolektorach hybrydowych. Zamiast szyby  kolektor powietrza jest od frontu częściowo lub całkowicie zakryty modułami. Moduły fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną, która jest wprowadzana do sieci. Wytwarzają również ciepło odpadowe, które służy do podgrzewania powietrza do celów wentylacyjnych lub grzewczych. Ta synergia prowadzi do wyższej wydajności modułów PV ze względu na niższą temperaturę pracy modułu.
Takie systemy mają zwykle moc zainstalowaną na poziomie kilku kWp lub kilkunastu metrów kwadratowych powierzchni kolektora. Wymiarowanie jest zgodne z wymaganą wydajnością PV i ich dostawą do sieci, a także niezbędną ilością powietrza wymaganą w budynku, w którym jest zainstalowany system. 

ozekol417.jpg

Fot. Kolektory powietrzne hybrydowe w lakierni samochowej (fot. Grammer)

 

 

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});