Problemy eksploatacyjne kolektorów próżniowych heat-pipe w sezonie zimowym

Testy TÜV Rheinland i propozycje zmian procedur badań

Do jakich uszkodzeń kolektora typu heat pipe dochodziło w praktyce? Poddawane niskiej temperaturze zewnętrznej kolektory typu heat pipe, ulegały w niektórych przypadkach pęknięciom rurek cieplnych. Pozbawiona nośnika rurka była tym samym niezdolna do pracy. Co gorsza, takie uszkodzenie nie jest widoczne „gołym okiem”, gdyż oddzielony obieg glikolu pozostawał nienaruszony (nie dochodziło do jego wycieków). Dopiero dociekliwy użytkownik mógł być zaniepokojonyniższymi efektami pracy instalacji solarnej, w porównaniu do poprzednich sezonów, jeśli spadek ten przy uszkodzeniu kilku, lub kilkunastu rur, był już znaczny.

Europejski rynek próżniowych kolektorów słonecznych

Popularność kolektorów próżniowych na rynkach krajów europejskich jest zróżnicowana. W niektórych krajach jak np. Austria, Francja, Dania – śladowa (<4% udziału w rynku krajowym), w niektórych jak Niemcy, czy Włochy – umiarkowana (4-15% udziału), a w niektórych jak Irlandia, Wielka Brytania, Czechy, Węgry, Szwecja, czy Polska – wysoka (15-40%).

Pod względem sprzedaży kolektorów próżniowych, według danych ESTIF Europejskiego Stowarzyszenia Producentów Energetyki Słonecznej (estif.org), Polska w 2011 roku zajęła 2-gie miejsce. Zainstalowana powierzchnia wyniosła w Polsce w 2011 roku 66 500 m2, a na największym rynku – w Niemczech 118 000 m2. Przy czym, udział kolektorów próżniowych w rynku polskim wyniósł według danych ESTIF w 2011 roku 26,2%, a na rynku niemieckim 9,3%. Polska na rynku energetyki słonecznej w Europie, należała do najbardziej wzrostowych w sprzedaży kolektorów próżniowych porównując rok 2011 do 2010. W 2011 roku zainstalowano 66 500 m2 kolektorów próżniowych, to jest o 31 074 m2 więcej niż w roku 2010 (wzrost o +87,7%). W Niemczech przyrost ten wyniósł jedynie +2,6%, patrząc ilościowo oznacza to 3.000 m2 więcej zainstalowanej powierzchni kolektorów próżniowych (2011/2010).

Sumarycznie w krajach grupy EU-27 wraz ze Szwajcarią, udział kolektorów próżniowych w całkowitej sprzedaży kolektorów w roku 2011, wyniósł 9,9% (płaskie: 3 297 949 m2, próżniowe: 361 541 m2).

Ostatni 2011 rok przyniósł największe spadki sprzedaży ilości i udziałów kolektorów próżniowych w rynkach takich krajów, jak: Włochy (2011/2010: -34%), Wielka Brytania (-36%), Hiszpania (-20%), Austria (-26%), Szwecja (-28%), Słowenia (-25%) i Finlandia (-50%). Zdecydowanie największy wzrost sprzedaży kolektorów próżniowych odnotowano w Polsce (2011/2010: +87,7%), a na drugim miejscu w Belgii: +3005 m2 (+43,0%).

 

Rodzaje kolektorów próżniowych 

Próżniowe kolektory słoneczne występują w dwóch zasadniczych rodzajach konstrukcji, pod względem sposobu odbioru ciepła. Tradycyjnym rozwiązaniem znanym z kolektorów próżniowych najwcześniej, bo już w latach 90. ub. stulecia, był bezpośredni przepływ glikolu przez absorbery, przejmujący ciepło tak samo jak w kolektorach płaskich – wprost z absorberów. Rozwiązaniem jakie zaczęło się rozpowszechniać w kolejnych latach, stały się rury próżniowe pracujące na zasadzie rurki cieplnej heat pipe. W ich przypadku glikol nie ma bezpośredniego kontaktu z absorberem, a jedynie obiera ciepło z kondensatorów poszczególnych rurek cieplnych, gdzie nośnik ciepła skrapla się przy oddawaniu ciepła.

Kolektory typu heat pipe stanowią obecnie znaczącą część rynku polskiego, gdyż w grupie kolektorów próżniowych można szacować w roku 2011 ich udział na około 70-80%. Na największym europejskim rynku kolektorów próżniowych – w Niemczech, popularność kolektorów typu heat pipe, także jest wysoka, tym bardziej, że niektórzy producenci zmienili konstrukcję kolektorów próżniowych, przechodząc z przepływu bezpośredniego na pośredni typu heat pipe. Powodem tego była często zmiana dostawcy rur próżniowych, a także względy techniczne mające na celu eliminację problemów eksploatacyjnych występujących w stanach stagnacji w przypadku niektórych typów konstrukcji kolektorów z przepływem bezpośrednim przez absorbery. Kolektory typy heat pipe dają wykonawcy także wygodę montażu i łatwą możliwość wymiany w razie uszkodzenia. Rynek tych kolektorów rozwinął się bardzo dynamicznie w ostatnich latach i jak się okazuje niekoniecznie w sposób …kontrolowany. Świadczyć o tym mogą coraz częstsze zgłoszenia uszkodzeń kolektorów próżniowych heat pipe, przez użytkowników w różnych krajach.

Problemy eksploatacyjne kolektorów słonecznych w okresie zimowym

Instalacje solarne pracujące w warunkach środkowoeuropejskich, muszą być przewidziane do pracy całorocznej, a przez to norma EN 12975-2 wymagań stawianych kolektorom, na której oparte jest także przyznawanie certyfikatu Solar Keymark, określa sposób testowania tego typu urządzeń zarówno na warunki wysokiego nasłonecznienia, jak i na niską temperaturę zewnętrzną. W przypadku kolektorów słonecznych z bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego (glikolu) przez absorbery, odporność na niskie wartości temperatury badana dla obiegu glikolowym, potwierdza wprost wytrzymałość kolektora. Jednak w przypadku kolektorów próżniowych typu heat pipe mamy de facto do czynienia z dwoma obiegami. Pierwszy z nich to obieg glikolu o stosunkowo niewielkiej objętości, w formie wymiennika ciepła odbierającego ciepło z kondensatorów rurek cieplnych heat pipe. Drugim obiegiem jest zamknięta w rurce ciecz (nośnik ciepła) podlegająca przemianom, które pozwalają na transport ciepła z absorberów do obiegu glikolowego w wymienniku ciepła kolektora.

Teoretycznie próżnia w rurze szklanej, a także tylko niewielkie wypełnienie nośnikiem ciepła rurki cieplnej, powinno chronić go przed zamarzaniem. Jak się jednak okazuje w praktyce, powstał problem uszkodzeń kolektorów próżniowych typu heat pipe, wystawionych na długotrwałe działanie niskiej temperatury zewnętrznej.

Uszkodzenia kolektorów próżniowych typu heat pipe 

Do jakich uszkodzeń kolektora typu heat pipe dochodziło w praktyce? Poddawane niskiej temperaturze zewnętrznej kolektory typu heat pipe, ulegały w niektórych przypadkach pęknięciom rurek cieplnych. Pozbawiona nośnika rurka była tym samym niezdolna do pracy. Co gorsza, takie uszkodzenie nie jest widoczne „gołym okiem”, gdyż oddzielony obieg glikolu pozostawał nienaruszony (nie dochodziło do jego wycieków). Dopiero dociekliwy użytkownik mógł być zaniepokojonyniższymi efektami pracy instalacji solarnej, w porównaniu do poprzednich sezonów, jeśli spadek ten przy uszkodzeniu kilku, lub kilkunastu rur, był już znaczny.

Spoglądając na wymianę opinii na forach internetowych krajowych i zagranicznych, tego typu pytanie ze strony użytkowników nie należy do rzadkości. Wiele efektów pracy instalacji solarnych poddawanych jest w wątpliwość, często w subiektywnym odczuciu lub też poprzez dobór wielkości instalacji nieodpowiedni do potrzeb. Pomijając także błędy wykonawcze lub eksploatacyjne, można mieć jednak podejrzenia, że przynajmniej część instalacji solarnych z kolektorami typu heat pipe, uległo niezauważalnym uszkodzeniom. Ponieważ problem był bardzo mało znany i dopiero od około 2-3 ostatnich lat pojawia się na ten temat więcej opinii użytkowników, a także doniesień instalatorów i serwisantów, to też należy mieć tego świadomość w praktyce fachowej.

Problem ten został nagłośniony po ostrej zimie w sezonie 2009/2010, gdzie szczególnie na południu Niemiec, w Bawarii, zanotowano znaczną liczbę zgłoszeń uszkodzeń kolektorów typu heat pipe. Podobne sytuacje opisywano w Szwecji, USA, Kanadzie. Na przykład w stanie Wisconsin, użytkownik stwierdził po tygodniu występowania temperatury rzędu -20oC zimą 2010/2011, pęknięcie 23 z 60 rurek cieplnych w kolektorach zainstalowanych w 2006 roku [2]. W stanie Missouri, spośród 80 rurek cieplnych w kolektorze próżniowym, użytkownik stwierdził uszkodzenie 40% spośród nich. W Szwecji po 7 latach eksploatacji, użytkownik stwierdził z kolei uszkodzenie 3 rurek cieplnych [4]

 Mechanizm powstawania uszkodzeń rurek cieplnych

 Do uszkodzeń rurek cieplnych dochodzi wskutek długotrwałego obniżenia temperatury zewnętrznej, szczególnie w okresach nocnych. Można tu mówić o temperaturze zewnętrznej niższej niż -15oC. Zamarzanie nośnika ciepła zaczyna się od jego lustra, po czym utworzony „korek lodowy” nie jest w stanie rozszerzać się w górę rurki, wskutek sił tarcia przy ściankach rurki. Dochodzi do deformacji dolnego fragmentu rurki, a w skrajnej sytuacji do jej pęknięcia. Sytuację łatwo jest analogicznie zaobserwować np. przy pozostawieniu napełnionej otwartej beczki z wodą, gdzie przy niskiej temperaturze zewnętrznej, dochodzi do wybrzuszeń bocznych ścianek beczki.

W większości rurek cieplnych heat pipe, zastosowanie znajduje czysta woda, która pod względem termodynamicznym cechuje się bardzo korzystnymi własnościami i jest przy tym czynnikiem nieszkodliwym dla środowiska, tanim, jednorodnym i zachowującym swoje właściwości. Zastosowanie wody w rurkach cieplnych zaczęło być popularne z końcem lat 90. ub. stulecia, ponieważ eliminowało problemy występujące z innego typu nośnikami ciepła [5]. Obecnie zastosowanie znajdują także takie ciecze jak: amoniak, aceton, metanol czy też etanol. W ich przypadku można mówić o zalecie w postaci obniżenia temperatury krzepnięcia, jednak pod względem wielu cech fizyko-chemicznych, woda stanowi znacznie korzystniejsze rozwiązanie.

Woda ma takie pożądane cechy, jak: znacznie wyższe napięcie powierzchniowe od wymienionych czynników, wyższe ciepło parowania (zdolność przenoszenia ciepła), wyższą przewodność cieplną i jednocześnie niższą lepkość par i wody od większości wymienionych nośników. Woda jako jednorodny nośnik ciepła zachowuje stabilność i niezmienność właściwości w całym okresie eksploatacji. Wobec więc powszechności zastosowania wody jako nośnika ciepła w rurkach heat pipe, problem ich uszkodzeń w niskich temperaturach może dotyczyć wielu rodzajów kolektorów próżniowych. A z drugiej strony poszukiwanie innych rozwiązań w zakresie nośników ciepła, nie jest kwestią prostą.

 Badania prowadzone przez TÜV Rheinland

Problemem uszkodzeń rurek cieplnych heat pipe, zainteresował się w 2010 roku TÜV Rheinland. W pierwszej kolejności przeprowadzono badania odporności na niskie temperatury dla 30-tu rurek cieplnych (pozbawionych rur próżniowych), od 6-ciu różnych producentów. Rurki 5-ciu producentów już po 3-ech cyklach testu w komorze chłodniczej, wykazały deformacje powstałe wskutek zamarznięcia nośnika ciepła. Wszystkie z tych rurek cieplnych, następnie uległy pęknięciu po 50-ciu cyklach testu. Temperatura w obrębie rurki cieplnej była obniżana do około -10oC, a następnie podwyższana do ok. +10oC. Cały jeden cykl trwał 10 godzin.
W drugiej kolejności badaniom poddano całe rury próżniowe typu heat pipe tych samych producentów. W 21 cyklach testu 50% rurek cieplnych zostało uszkodzonych. W ten sposób wykazano, że standardowa procedura badań wytrzymałości kolektora na niskie wartości temperatury zewnętrznej, zgodna z normą EN 12975-2 jest niewystarczająca w przypadku kolektorów próżniowych typu heat pipe. Cykl 1-godzinny zamrożenia rurki cieplnej jest także zbyt krótkim i powinien wynosić 8 do 10 godzin. To zapewnia uzyskiwanie temperatury nośnika ciepła w rurce cieplnej w zakresie od -10oC do +10oC. Takie warunki pracy mogą występować podczas eksploatacji kolektorów słonecznych typu heat pipe, o czym świadczą odnotowane przypadki ich uszkodzeń. Badania prowadzone przez TÜV Rheinland wskazały także na możliwość badania pojedynczych rur próżniowych, a nie całego kolektora, co stanowi rozwiązanie kompromisowe pod względem kosztów.

 Propozycja modyfikacji normy EN 12975-2

 TÜV Rheinland opracował w efekcie badań propozycję poszerzenia standardowych testów zgodnych z normą EN 12975-2 („Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy — Kolektory słoneczne — Część 2: Metody badań”). Poszerzenie ma dotyczyć dostosowania badań wytrzymałości na niskie temperatury, do specyfiki konstrukcji kolektorów typu heat pipe. Propozycja ta powinna być według TÜV Rheinland uwzględniona w kolejnej modyfikacji wspomnianej normy.

[1] „Kolektor próżniowy droższy niż płaski, a w sumie ciepła daje… mniej?” Ireneusz Jeleń, InstalReporter (04)2012
[2] Forum solarpaneltalk.com
[3]  “Quality Assurance in solar thermal heating and cooling technology” TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH 05.2012
[4] Forum navitron.org.uk
[5] „Die Vakuumröhre wird attraktiver” Karl-Heinz Remmers, SBZ 13/2000

 

 

 

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 6/2016 2/2016 11/2015