Kolektor próżniowy droższy niż płaski, a w sumie ciepła daje… mniej?

Za niższymi wydajnościami niektórych próżniowych kolektorów słonecznych nie idzie w parze niższa cena zakupu. Na podstawie cen katalogowych netto 20 kolektorów płaskich i 13 próżniowych okazuje się, że cena jednostkowa za 1 m2 jest wyższa dla próżniowych średnio 2,5-krotnie (2182 PLN/m2 wobec 889 PLN/m2)…

Kolektory słoneczne próżniowe zajmują różną pozycję na rynkach poszczególnych krajów. Według ostatniego raportu ESTIF z czerwca 2011 r., w całym 2010 roku udział kolektorów próżniowych wynosił np. dla Austrii 4,2%, Francji 3,5%, Hiszpanii 6,4%, Niemiec 10,0%, Włoch 12,8%. Polska należy do grupy krajów, gdzie udział kolektorów próżniowych jest znacznie wyższy, bo w 2010 roku wyniósł 24,3%. Podobne wskaźniki notuje się w Czechach 18,6%, Wielkiej Brytanii 28%, na Węgrzech 30% i w Szwecji 34,5%. Duży udział kolektorów próżniowych w rynku wynika zapewne z kilku czynników. Wydaje się jednak, że w przypadku Szwecji (szczególnie południowa i środkowa część) i Wielkiej Brytanii wpływ może mieć stosunkowo ciepły  „morski” klimat z rzadkimi opadami śniegu. Zjawisko zalegania śniegu i szronu na rurach próżniowych nie stanowi tutaj większego problemu. Z kolei popularność kolektorów próżniowych w Polsce i krajach ościennych może niestety wynikać ze względów cenowych i marketingowych.
Na rynku dostępnych jest bowiem wiele urządzeń o pozornie niskiej cenie zakupu i jednocześnie kojarzących się z wysokoefektywną techniką – zgodnie z utartą wciąż opinią o bezwzględnej wyższości kolektorów próżniowych  nad płaskimi. W przypadku Polski można szacować, że kolektory próżniowe o wysokiej sprawności pracy, a można do nich zaliczyć w praktyce kolektory o 1-ściennych rurach próżniowych, stanowią nie więcej niż 20% ogółu sprzedawanych rocznie kolektorów próżniowych.

Porównanie sprawności kolektorów słonecznych z polskiego rynku…

Dysponując parametrami kolektorów słonecznych z obecnej bazy certyfikatów Solar Keymark (solarkeymark.org) można w sposób wiarygodny porównywać w różnych warunkach pracy kolektory różnych typów. Biorąc pod uwagę 5 kolektorów oferowanych na rynku krajowym, w tym 4 próżniowe kolektory i 1 płaski, widoczne są znaczne dysproporcje pomiędzy wydajnościami cieplnymi kolektorów próżniowych. Są dostępne kolektory próżniowe o wyraźnie wyższych wydajnościach od kolektorów płaskich, ale jest też cała grupa  kolektorów ze znacznie niższymi sprawnościami pracy (rys. 1 )

Kolektory próżniowe – niższe sprawności, wyższe ceny?
Za niższymi wydajnościami niektórych próżniowych kolektorów słonecznych nie idzie w parze niższa cena zakupu. Na podstawie cen katalogowych netto 20 kolektorów płaskich i 12 próżniowych okazuje się, że cena jednostkowa za 1 m2 jest wyższa dla próżniowych średnio 2,5-krotnie (2182 PLN/m2 wobec 889 PLN/m2). W skrajnym przypadku różnica wynosi niemal 6 razy. Najtańszy kolektor próżniowy jest nadal droższy o 17% w stosunku do najdroższego płaskiego, a jednocześnie jego średnia wydajność cieplna w zakresie ΔT = 16-48 K, pozostaje niższa o 15% od wspomnianego kolektora płaskiego.
Wydajności cieplne próżniowych kolektorów słonecznych patrząc na wartość średnią dla 12 kolektorów są wyższe o 20% od wydajności średniej dla kolektorów płaskich (rys. 2 ). Jednak wykres pokazuje, że istnieje spora grupa kolektorów próżniowych, których wydajność cieplna może być zbliżona do średniej wydajności dla kolektorów płaskich (322 W/m2, rys. 2 ), a nawet niższa (!).

Ile trzeba rzeczywiście zapłacić za ciepło z m2 kolektora?

Wobec powyższych faktów staje się jasne, że ciepło uzyskiwane z kolektorów próżniowych „jest droższe” niż te uzyskiwane z kolektorów płaskich i jest to średnio 2-krotna różnica w przeliczeniu W/m2 (na powierzchnię apertury, dla zakresu pracy ΔT = 16-48 K).
Co ciekawe w takim porównaniu z reguły najmniej korzystnie wypadają najtańsze kolektory próżniowe o niskich zarazem sprawnościach. Na przykład: dla najtańszego w porównaniu kolektora wskaźnik, PLN/Wxm2 wyniósł 8,17 PLN/Wxm2 podczas gdy dla najbardziej wydajnego próżniowego: 5,06 PLN/Wxm2. Tak więc pozornie atrakcyjne cenowo kolektory, mogą okazać się …drogie.
Czy więc kolektory próżniowe mają sens zastosowania w naszych warunkach? Należy wziąć pod uwagę i inne czynniki, jak design, preferencje klienta czy warunki zabudowy. Niektóre kolektory próżniowe pozwalają na montaż w dowolnej pozycji, np. na elewacji budynku, czy dachu płaskim w pozycji poziomej.
Możliwość obracania rur próżniowych koryguje niekorzystne ustawienie absorberów względem kąta padania promieni słonecznych.
Warto też przyjrzeć się efektom pracy kolektorów obydwu typów w różnych warunkach. Występują tu znaczne i czasem zaskakujące różnice. Okazuje się, że najniższe straty ciepła do otoczenia wcale nie muszą się przekładać na najwyższe uzyski ciepła kolektora…

Porównanie pracy kolektorów słonecznych w okresie…

…letnim
Kolektory próżniowe powinny zapewniać wyższe efekty pracy także w okresie letnim. Tymczasem okazuje się, że spora część oferowanych na rynku urządzeń nie jest w stanie uzyskać więcej ciepła niż „tradycyjny” kolektor płaski nawet w sprzyjających warunkach. Obrazuje to przykład z rys. 4 , gdzie co prawda kolektor próżniowy 2-ścienny cechuje się najniższymi stratami ciepła (39 W/m2), ale pomimo tego osiąga niższą o 14% wydajność cieplną (458 W/m2) od kolektora płaskiego i o blisko 30% od kolektora próżniowego 1-ściennego. A zatem skuteczna izolacja cieplna tego typu kolektora próżniowego nie gwarantuje korzystniejszej od innych kolektorów pracy.

…zimowym
Wyższość kolektorów próżniowych nad płaskimi powinna być wyraźnie widoczna w sezonie zimowym. Straty ciepła kolektora próżniowego 2-ściennego mogą być niższe ponad 4-krotnie niż  płaskiego (rys. 5 ), a wydajność wyższa – w opisywanym przypadku o 14%. W stosunku jednak do kolektora próżniowego 1-ściennego, wydajność może być niższa o ponad 30%. Wydajność kolektora próżniowego w okresie zimowym będzie mogła być wyższa w porównaniu do kolektorów płaskich, pod warunkiem, że powierzchnia rur próżniowych będzie wolna od śniegu czy szronu. Jak wskazuje jednak praktyka, w warunkach zimowych mamy do czynienia nie tylko z zaleganiem śniegu, ale częściej szronu osadzającego się na powierzchni rur próżniowych.
Przepuszczalność promieniowania słonecznego przez warstwę szronu można szacować na 30-50% (solartirol.at). Przepuszczalność śniegu jest uzależniona od jego struktury, koloru itp. Można szacować, że warstwa śniegu o grubości 5 cm, zmniejsza przepuszczalność promieniowania słonecznego do 20%, a warstwa 10 cm do 5% [1].
Wobec tego do absorbera kolektora 2-ściennego próżniowego dociera mniejsza ilość promieniowania (66 W/m2, rys. 6 ) i przy niższych stratach ciepła do otoczenia (9 W/m2, niemal 5-krotnie mniej niż w kolektorze płaskim i 30% mniej niż w 1-ściennym próżniowym), powierzchnia rury próżniowej będzie przez długi czas pozostawać pokryta śniegiem lub szronem.
Potwierdza się to w wielu publikacjach, jak np. w porównaniu pracy kolektorów obydwu typów zabudowanych na połaci domu dwurodzinnego w Niemczech [2]. Uzyski ciepła odniesione do powierzchni brutto kolektorów w okresie 10.2004-03.2005 były wyższe dla kolektorów płaskich niż dla próżniowych.
Kolektory próżniowe mogły uzyskiwać wyższe wartości temperatury pracy, ale pracowały wyraźnie krócej w porównaniu do płaskich, z uwagi na dłuższe rozmrażanie powierzchni rur ze śniegu i szronu.

Kolektory słoneczne płaskie znajdują nie bez powodu najszersze zastosowanie na rynku, zapewniając najkorzystniejszą relację wydajności cieplnej do ceny zakupu. Także praktyka wskazuje na ich korzystne cechy, jak szybkość oczyszczania powierzchni w sezonie zimowym, a także nie poruszaną tutaj, niższą wrażliwość na braki odbioru ciepła – to znaczy możliwość schładzania (np. funkcja urlopowa) układu i niższe temperatury czynnika grzewczego chroniące go przed uszkodzeniem.
Kolektory próżniowe mają swoje zalety, jednak ich zastosowanie musi być przemyślaną decyzją, nie opieraną jedynie o pozorny argument niskiej ceny zakupu i obietnice uzyskiwania wysokich efektów oszczędności ciepła. Wiele, a można zaryzykować stwierdzenie, że wręcz większość kolektorów próżniowych oferuje przy wyższej cenie zakupu zbliżone, a często i niższe efekty pracy, jak w przypadku kolektorów płaskich.

Reportaż z 1 dnia zimowego i 19 kolektorów: płaskie pracują, próżniowe… się odmrażają

Wizualnej oceny pracy kolektorów słonecznych dokonano w warunkach rzeczywistych. W tym celu wykonano zdjęcia 19 instalacji, w jednym z dni mroźnej zimy – 12 lutego 2012 r., przy temperaturze powietrza -10oC, w tym samym czasie (12:00-12:30) i w bliskiej odległości od siebie (okolice Katowic, w promieniu do 3 km).
Pomimo korzystnych warunków nasłonecznienia przez cały dzień, kolektory próżniowe nie były w stanie rozmrozić swojej powierzchni do końca dnia (rys. 3 ). W tym czasie stwierdzona temperatura w jednym z układów z płaskimi kolektorami słonecznymi przekraczała 40oC. Podobna sytuacja powtarzała się przez kilka kolejnych dni.
W porównaniu o jakim mówi [2], w okresie trzech dni stycznia, w warunkach dobrego nasłonecznienia i przy temperaturze powietrza wahającej się od 0 do -14oC, kolektory płaskie pracowały każdego dnia. Z kolei próżniowe kolektory słoneczne zaczęły pracę dopiero z końcem 3-ego dnia.

[1] Field investigations of apparent optical properties of ice cover in Finnish and Estonian lakes in winter 2009, Estonian Journal of Earth Sciences, 2011, 60, 1, 50-64
[2] Performance of Vacuum Tube and Flat Plate Collectors Concerning Domestic Hot Water Preparation and Room Heating 2nd European Solar Thermal Energy Conference 2005 (estec2005), Freiburg, 21.-22.06.2005