Отличие плоских и вакуумных коллекторов

Используя знания и практический опыт относительно применения плоских и вакуумных коллекторов, мы объективно сравним характеристики солнечных коллекторов плоского и вакуумного типов.

              Плоский коллектор                                                            Вакуумный коллектор

Нередко можно столкнуться с мнением, что более высокую эффективность демонстрируют вакуумные коллекторы за счет наличия в их трубках вакуума. Именно поэтому их теплопотери существенно ниже. Отчасти, такое мнение имеет под собой правдивое основание, так как вакуум – действительно хороший теплоизолятор. Но, сегодня есть модели плоских коллекторов, которые не хуже, а то и лучше по своим теплоизоляционным свойствам. Так, у плоских коллекторов, между абсорбером и стеклом имеется инертный газ. Он позволяет обеспечить быстрый прогрев коллектора, не допустить тепловых потерь, а также в утреннее время предотвратить выпадение конденсата. Чтобы наиболее подробно сравнить свойства плоского и вакуумного коллекторов, рассмотрим их конструкцию.

Конструкция плоского коллектора

1 – стекло

2 – медная трубка

3 – воздух или инертный газ

4 – абсорбер

5 – теплоизоляция

6 – листовой метал

7 –корпус коллектора

Основу конструкции плоских коллекторов составляет абсорбер (так называемый поглотитель) и медные трубки, заполненные жидкостью (смесью гликоля с водой), которая обладает низкими показателями точки кипения (максимальная температура составляет примерно 200ºС). Теплоноситель берет у поглотителя тепло посредством медной трубки. Сам поглотитель надёжно закрыт корпусом и имеет эффективную защиту от тепловых потерь (для этого предусмотрено наличие 50 мм минеральной ваты). Коллектор сверху покрыт стеклом с минимальным содержанием железа.

Конструкция вакуумного коллектора

1 – сборный коллектор

2 – теплоизоляция

3 – корпус

4 – вакуумная трубка

5 – трубчатый теплообменник

6 – направляющий лоток

7 – абсорбер

8 – отражающая поверхность

Конструкция коллектора вакуумного типа имеет отличия. Состоит она из основного корпуса и трубок. В трубке расположен медный поглотитель, оснащённый тепловой трубкой, которую называют трубчатым теплообменником. Он заполнен испаряющейся жидкостью. Тепло забирается теплоносителем через трубчатый теплообменник. В состоянии простоя максимальная температура теплоносителя составляет 270ºС. Высокая теплоизоляция обеспечивается наличием вакуума в стеклянных трубках. Также за счет этого не допускаются теплопотери в результате теплообмена между поглотителем и стеклянной трубкой. Все трубки подсоединены к сборному коллектору.

1. Коэффициент полезного действия - КПД

Эффективность функционирования солнечного коллектора отражается несколькими показателями, и один из них – коэффициент полезного действия. Он демонстрирует, какая часть попадающей на коллектор солнечной энергии может быть трансформирована в полезную тепловую энергию. Часть солнечного излучения отражается на поглотителе, а также отражается и поглощается на стекле. Оптический КПД определяется тем, каково соотношение солнечного излучения, попадающего на коллектор, и мощности излучения, которое трансформируется в тепловую энергию.

Оптический КПД плоских солнечных коллекторов составляет 75-85% (точные показатели зависят от типа и производителя установки). У вакуумных коллекторов эти показатели приравниваются к 80-83%. Выходит, что по оптическому КПД плоские и вакуумные коллекторы практически равноценны.

Чтобы увидеть отличия в работе плоского и вакуумного коллекторов, рассмотрим конкретные примеры и данные.

Центром увеличения уровня разработок в солнечной энергетике (The centre of excellence for solar engineering), размещённым при Ингольштадском университете прикладной науки, было проведено исследование, в результате которого была изучена работа теплоснабжения на основе солнечной энергии двухсемейного частного дома. Задача исследования заключалась в том, чтобы сравнить функционирование плоского и вакуумного коллекторов, предназначенных для отопления здания и нагрева воды.

Дом в Баварии

Объектом исследования стал расположенный в Баварии двухсемейный частный дом. Лабораторию разместили непосредственно в самом доме. Коллекторы были установлены таким образом, чтобы они ориентировались на юг и их затенение было минимальным. При этом плоские коллекторы монтированы под вакуумными трубчатыми, которые в результате меньше затенены обзорным окном.

Изобразим график выработки тепловой энергии трубчатого и плоского вакуумных коллекторов в период осень-весна.

Гистограмма сравнение работы плоского и вакуумного коллекторов в период осень/весна

А – общая площадь (габаритные размеры)

В – площадь поглотителя (металлическая поверхность с покрытием, встроенная в коллектор)

С – апертурная площадь

Хоть у плоских коллекторов была более низкая номинальная эффективность, за всё время испытаний они продемонстрировали лучшие показатели, выработав больше тепловой энергии для общей площади. Верно сравнивать именно общую площадь ввиду того, что эта величина указывает на то, какое пространство на крыше предназначено для выработки тепла коллектором. Это значит, что следует учесть и представленную стоимость для хозяина домовладения. Также стоит отметить, что очень часто доступная площадь крыши позволяет устанавливать строго ограниченное количество коллекторов. А это важно, так как обычно требуются большие площади коллекторов, особенно, если речь идёт о системе солнечного отопления.

Для апертурной площади коллектора выработка тепловой энергии у вакуумного трубчатого коллектора выше в осенний и весенний периоды. И это несмотря на предположения, что вакуумная трубчатая установка выработает больше тепловой энергии в условиях температуры окружающей среды ниже нуля (зимой), чем плоский коллектор (согласно обещаниям производителей). В общем, оказалось, что рассматриваемы показатели тепловой энергии в зимнее время у вакуумного трубчатого и плоского коллекторов относительно равны.

2. Обмерзание

Была проведена исследовательская деятельность, направленная на изучение работы рассматриваемых типов коллекторов в зимний период. Для вакуумного коллектора были выбраны идеальные условия в январский день – отличное солнечное излучение наряду с низкой температурой окружающей среды. Исследования показали, что в рабочее состояние трубчатый коллектор вошёл только во второй половине дня на небольшой период времени (именно тогда солнечная интенсивность начала уменьшаться). Причиной такого явления стал тот факт, что вакуумный коллектор долгое время был покрыт снегом и изморозью, и процесс размораживания осуществлялся определённый период в результате эффективной вакуумной изоляции. При этом сход снежного слоя был затруднён ввиду того, что он задерживается между стеклянными трубками даже в том случае, если его угол наклона составляет 33º.

Вакуумные коллекторы зимой

Плоские коллекторы зимой

3. Механические повреждения

Одно из преимуществ плоских коллекторов – высокая устойчивость к механическим повреждениям. Калёное стекло повредить гораздо сложнее, так как оно в три раза толще (3-4 мм), чем в трубках вакуумного коллектора. Последний иногда даже не в состоянии перенести град. Такая разница из-за того, что в двух типах коллекторов имеется разница давления вакуум/воздух между трубками из стекла.

Плоские коллекторы изготавливают с использованием современного метода пайки. Винты, заклёпочные материалы и различные уплотняющие материалы не применяются. Благодаря материалу высокого качества такие установки прочные, износостойкие и долговечные.

Вакуумные же коллекторы нуждаются в периодической замене некоторых трубок, так как через время вакуум имеет свойство исчезать, из-за чего коллектор перестаёт работать эффективно.

Трубки вакуумного коллекторы, вышедшие из строя

4. Монтаж

Так как существуют различные типы вакуумных коллекторов, которые оснащаются разным количеством трубок, вес установки может варьироваться от 25 до 95 кг. Их монтируют на поверхности с разным углом – на наклонной или плоской кровле, на отдельно стоящей конструкции, на фасаде.

Монтаж вакуумного коллектора на наклонной кровлея

Монтаж вакуумного коллектора на плоской кровле

Монтаж вакуумного коллектора на фасаде

Несмотря на то, что плоский коллектор имеет каркасную конструкцию, а не собирается из отдельных трубок, его монтаж не вызовет никаких затруднений, так как его вес составляет около 40 килограмм или немного больше. Такой вид коллектора можно так же, как и вакуумный коллектор, монтировать под любым углом. Также можно выполнить установку плоского коллектора, монтированного в крышу.

Монтаж плоского коллектора на наклонной кровле

Монтаж плоского коллектора на плоской кровле

Монтаж плоского коллектора на фасаде

Монтаж плоского коллектора в кровлю

5. Стоимость

Общеизвестный факт, что цена вакуумных коллекторов намного выше цены плоских.

Для сравнения:

- цена плоского коллектора (не китайского) с КПД около 75-80% колеблется от 700 до 950 евро;

- цена плоского коллектора с КПД около 81-85% — 950 – 1350 евро;

- цена вакуумного коллектора 2 м2 (в зависимости от производителя) – 1700 – 2650 евро.

Подытоживая всё вышесказанное, хотелось бы отметить, что и вакуумный трубчатый, и плоский коллектор подходят для обустройства системы отопления и водоснабжения домов в условиях климата центральной Европы. Однако, как показали данные исследований и наши наблюдения, для солнечных систем плоский коллектор всё же несколько предпочтительнее вакуумного.