VADEMECUM. DLA PRZEDSIĘBIORCÓW Innowacyjne rozwiązania technologiczne. Doświadczenia Partnerstwa Budujmy Razem. Cieczowe systemy słoneczne

Maciej Wesołowski Cieczowe systemy słoneczne A. VADEMECUM DLA PRZEDSIĘBIORCÓW Innowacyjne rozwiązania technologiczne. Doświadczenia Partnerstwa Budujmy Razem A. Cieczowe systemy słoneczne Maciej Wesołowski B. Alternatywna kanalizacja Ziemowit Suligowski, Agnieszka Tuszyńska C. Alternatywne zagospodarowanie wód opadowych Katarzyna Gudelis-Taraszkiewicz, Ziemowit Suligowski D. Dokumentacja projektowa Zbigniew Kononowicz

Niniejsza publikacja została przygotowana przez projekt Budujmy Razem finansowany w ramach Inicjatywy Wspólnotowej Equal ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego i budżetu państwa. Wyrażone tu poglądy są wyłącznie poglądami autorów publikacji i w żadnym przypadku nie mogą być utożsamiane z oficjalnym stanowiskiem Unii Europejskiej.

Maciej Wesołowski Cieczowe systemy słoneczne A. VADEMECUM DLA PRZEDSIĘBIORCÓW Innowacyjne rozwiązania technologiczne. Doświadczenia Partnerstwa Budujmy Razem Praca napisana pod redakcją prof. Ziemowita Suligowskiego

Spis treści WSTĘP................................................................ 5 A. CIECZOWE SYSTEMY SŁONECZNE...................................... 7 A.1. ENERGIA PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO......................... 8 A.2. URZĄDZENIA PRZETWARZAJĄCE ENERGIĘ PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO W CIEPŁO........................................ 11 A.2.1. Typy i rodzaje cieczowych kolektorów absorbujących.................. 11 A.2.2. Budowa płaskich kolektorów cieczowych............................ 12 A.2.3. Budowa płaskiego próżniowego kolektora cieczowego................ 18 A.3. A.3.1. MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH DO PRZYGOTOWANIA CIEPŁEJ WODY UŻYTKOWEJ.................. 19 Możliwości zagospodarowania wody podgrzewanej przez instalacje słoneczne......................................... 20 A.3.2. Rodzaje systemów słonecznych instalacji do podgrzewania wody....... 20 A.3.3. Schematy hydrauliczne kolektorowych systemów ogrzewania ciepłej wody.......................................... 23 A.4. ZASADY PROJEKTOWANIA INSTALACJI SŁONECZNYCH................ 25 A.5. Przykład montażu cieczowej instalacji słonecznej w Marwałdzie......... 34 LITERATURA............................................................ 36

Wstęp Oddajemy w Państwa ręce opracowanie zawierające doświadczenia wyniesione z Partnerstwa Budujmy Razem. Publikacja prezentuje innowacyjne rozwiązania technologiczne z zakresu ochrony środowiska, opisuje w skondensowany sposób konkretne rozwiązania techniczne aparatury i instalacji cieplnych, kanalizacyjnych i zagospodarowania wód opadowych. Skierowana jest zarówno do projektantów, wykonawców, jak i potencjalnych użytkowników. Zaproponowane rozwiązania przynoszą konkretne oszczędności ekonomiczne, tak ważne w procesie inwestowania. Ze względu na wszechstronność i prostotę publikacji będzie ona przydatna dla wszystkich praktyków zajmujących się szeroko rozumianym wykorzystaniem energii odnawialnej, wód opadowych i ścieków gospodarczych. Wierzymy, że pokazane przez nas rozwiązania posłużą lepszemu wykorzystaniu środków i technologii w celu przywracania, utrzymania i chronienia środowiska, w którym żyjemy. Władysław Bielski Prezes Olsztyńskiej Izby Budowlanej

A. Cieczowe systemy słoneczne Słońce wypromieniowuje w przestrzeń kosmiczną w każdej sekundzie energię wynoszącą 3,826 10 26 J. W kierunku Ziemi wysyłany jest strumień promieniowania cieplnego o gęstości 1,73 10 16 W. Szacunkowo jedna trzecia tej energii zostaje odbita od atmosfery i powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną. Pozostała część energii promieniowania tzn. około 1,153 10 16 J w każdej sekundzie zasila powierzchnię Ziemi oraz jej atmosferę (Wołkow i Strumiłło 2000). Promieniowanie słoneczne docierające każdego roku do powierzchni Ziemi niesie ze sobą 10 razy więcej energii, niż zawierają jej w sumie wszystkie znane zasoby węgla, ropy naftowej, gazu ziemnego i uranu. Jej wartość 15 000 razy przekracza roczne potrzeby całej ludzkości (Hoagland 1995; Ciok 2001). Ziemia otrzymuje darmową energię promieniowania Słońca będącą pierwotnym źródłem wszystkich kopalnych zasobów paliw oraz odnawialnych energii, przemieszczających się mas powietrza, wody oraz ciepłych prądów morskich. Ze względu na kurczące się zasoby kopalnych źródeł energii coraz większe zainteresowanie budzą możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego na potrzeby ogrzewnictwa. W związku z tym pogłębiana jest wiedza na temat procesu fototermicznej konwersji i doskonalone są konstrukcje urządzeń służących do zamiany energii promieniowania słonecznego na ciepło. Technologie te są na tyle rozwinięte, że stają się konkurencyjne wobec tradycyjnych sposobów ogrzewania wody. W krajach Europy Południowej z ogrzewania ciepłej wody użytkowej praktycznie wyeliminowano energię elektryczną. Wzrost wykorzystania energii słonecznej obserwuje się także w Europie Zachodniej i Środkowej (Lewandowski 2002). Przyczyną tego wzrostu jest osiągalność systemów słonecznych o zadowalającej jakości oraz zainteresowanie tym rodzajem energii z przyczyn ekologicznych i ekonomicznych (Wach i Mikielewicz 1999). Przy termorenowacji budynków wymierne korzyści ekonomiczne i ekologiczne przynosi zamiana starego poszycia dachowego na kolektory dachowe (Berner 2003). Również pionowe ściany budynków wykorzystywane są coraz częściej do montażu kolektorów słonecznych (Meyer 2003b). Potencjalni użytkownicy kolektorów, rozważając możliwość ich instalacji, stawiają najczęściej pytanie o to jak szybko się ta inwestycja zwróci. Wymierne zyski materialne są jedną z korzyści, jakie daje wykorzystywanie kolektorów. Najważniejsze są jednak korzyści ekologiczne. Stosowanie systemów słonecznych przyczynia się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Obliczono, że kolektor słoneczny o powierzchni 1 m 2, zainstalowany w krajach śródziemnomorskich, obniża roczną emisję CO 2 o 440 kg, jeżeli zastąpionym źródłem energii jest olej opałowy, 195 kg w przypadku gazu ziemnego oraz 380 kg przy zastąpieniu energii elektrycznej z 50 % udziałem elektrowni jądrowych (Radović 2002). Analizy emisji substancji szkodliwych, w wyniku rocznej pracy niskotemperaturowego gazowego urządzenia grzewczego (pracującego na cele ogrzewania pomieszczeń i wody użytkowej domu jednorodzinnego o powierzchni 200 m 2, zamieszkiwanego przez 4 osoby w klimacie umiarkowanym) wykazały, że zastosowanie wspomagającej instalacji cieczowych płaskich kolektorów słonecznych o powierzchni absorberów 5 m 2, umożliwia obniżenie rocznej emisji CO 2 o około 420 kg, NO x o około 90 kg oraz obniżenie o połowę emisji CO, tj. o 15 kg (Viessmann 1997). Stosowanie systemów słonecznych ma też pewne mankamenty. Pamiętać należy, że są to urządzenia materiałochłonne. Problemy mogą wystąpić przy utylizacji płynów roboczych. W większości przypadków stosowane są środki przeciwzamrożeniowe i antykorozyjne. 7

A.1. Energia promieniowania słonecznego Energię promieniowania słonecznego opisują różnorodne parametry. Poniżej przedstawione zostaną tylko te spośród nich, które są ważne z punktu widzenia wykorzystania energii jako źródła ciepła. Znajomość bilansu energetycznego, różnych zakresów długości fal widma promieniowania słonecznego, umożliwia ocenę stopnia skuteczności różnych materiałów stosowanych do budowy kolektorów słonecznych. Najważniejszą jednak informacją, z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego do wytwarzania ciepła, są jej zasoby. Porównanie zasobów energii promieniowania słonecznego w różnych miejscach Europy i świata daje obraz potencjalnych możliwości ich wykorzystania. Główne parametry opisujące energię promieniowania Słońca w atmosferze Ziemi Promieniowanie słoneczne przechodząc przez atmosferę ziemską ulega złożonym procesom rozpraszania, pochłaniania i odbijania. Na skutek tego następuje rozkład części promieniowania bezpośredniego na dwie składowe: promieniowanie rozproszone i promieniowanie odbite. Atmosfera odbija i pochłania od 55 do 62% dochodzącego do niej promieniowania. W wyniku tego północne krańce Polski otrzymują średnio 45% promieniowania docierającego do górnej granicy atmosfery, centralne tereny około 40%, a południowe 38%. Możliwość zmian powyższych wartości w skali jednego roku nie przekracza 5% (Gogół 1993; Ciok 2001). Wśród parametrów opisujących promieniowanie słoneczne na powierzchni Ziemi, z punktu widzenia określenia potencjału procesu konwersji fototermicznej, najistotniejsze znaczenie mają: całkowite natężenie promieniowania słonecznego wyrażane w [W/m 2 ], napromieniowanie wyrażane w [kw h/m 2 rok], usłonecznienie wyrażane w [h]. Całkowite natężenie promieniowania słonecznego, wyrażane w [W/m 2 ], to gęstość strumienia promieniowania słonecznego dochodzącego z całej półkuli niebieskiej (2 ϖ) do płaskiej, poziomej powierzchni Ziemi. Stanowi ono sumę promieniowania bezpośredniego, rozproszonego oraz promieniowania odbitego. Najczęściej notowane na terenie Polski wartości bezpośredniego natężenia promieniowania zawierają się w przedziale 600 800 W/m 2. Wartości te występują w godzinach 9.00 15.00 przy bezchmurnym niebie na powierzchniach prostopadłych do kierunku promieni. Zdarza się jednak, że wartości chwilowe całkowitego natężenia promieniowania słonecznego mogą dochodzić w Polsce aż do 1250 W/m 2 (Gogół 1993). Napromieniowanie Napromieniowanie, wyrażane w [kw h/m 2 ], stanowi sumę energii promieniowania bezpośredniego (zwanego również nasłonecznieniem), rozproszonego i odbitego, padającej na jednostkę powierzchni w ciągu określonego czasu (roku, miesiąca, dnia, godziny). Parametr ten określany jest również mianem insolacji lub sumą usłonecznienia. Jako normę dla Polski można przyjąć wartość napromieniowania całkowitego w ciągu roku w wysokości 1000 kw h/m 2 ± 10% (Gogół 1993). Około 80% tej wartości przypada na okres od kwietnia do września. Fakt ten ogranicza możliwość wykorzystywania energii do ogrzewania pomieszczeń. Usłonecznienie n, wyrażane w [h], rozumiane jest jako czas dopływu promieniowania bezpośredniego do powierzchni Ziemi przy bezchmurnym niebie. Pomiarów usłonecznienia, z dokładnością do 0,1 godziny, dokonuje około 100 stacji meteorologicznych w Polsce. Mierzy się też długość dnia N [h] od wschodu do zachodu Słońca. Usłonecznienie zależy od zachmurzenia i przezroczystości atmosfery. W Polsce usłonecznienie wynosi średnio 1580 godzin w skali roku, a różnice tej wielkości na poszczególnych terenach nie przekraczają 450 godzin. Wieloletnie badania zmian wartości usłonecznienia w Polsce wykazują naprzemienne tendencje malejące i rosnące (Gogół 1993). Wyznacza się również wskaźnik usłonecznienia, będący stosunkiem usłonecznienia n [h] do długości dnia N [h] liczonego od wschodu do zachodu Słońca. Przykładowo w Brwinowie koło Warszawy średni wskaźnik usłonecznienia z okresu 1951 1960 wynosi 0,37, a w lecie 0,47 (Kowalik 1995).

Charakterystyki promieniowania słonecznego w punktach położonych na północnych i południowych krańcach Polski oraz w Polsce centralnej przedstawiono w tabeli A.1. Tabela A.1 Charakterystyka promieniowania słonecznego w wybranych miastach Polski (dane z lat 1961 1990) Stacja aktynometryczna Miesiące Półrocze Lato Rok III VI IX XII IV-IX X III VI-VIII I-XII liczba godzin dziennych N [h] Kołobrzeg 368 515 382 229 2794 1698 1494 4492 Warszawa 368 499 380 243 2737 1745 1455 4482 Zakopane 371 484 377 258 2677 1795 1416 4472 usłonecznienie średnie n [h] Kołobrzeg 108 218 140 34 1221 403 667 1624 Warszawa 108 231 143 29 1199 380 685 1579 Zakopane 117 157 138 51 944 523 510 1467 wskaźnik usłonecznienia n/n Kołobrzeg 0,29 0,42 0,37 0,15 0,44 0,24 0,45 0,36 Warszawa 0,29 0,46 0,38 0,12 0,44 0,22 0,47 0,35 Zakopane 0,32 0,32 0,37 0,20 0,35 0,29 0,36 0,33 napromieniowanie na granicy atmosfery [kw h/m 2 ] Kołobrzeg 178 348 203 45 1767 576 931 2343 Warszawa 190 349 213 57 1797 648 990 2445 Zakopane 204 351 225 72 1833 738 1001 2571 napromieniowanie całkowite maksymalne na pow. płaskiej Ziemi [kw h/m 2 ] Kołobrzeg 98 198 104 17 942 239 556 1149 Warszawa 93 183 101 19 869 234 493 1095 Zakopane 108 176 119 32 803 316 459 1105 napromieniowanie całkowite średnie na pow. płaskiej Ziemi [kw h/m 2 ] Kołobrzeg 71 177 89 12 865 199 491 1064 Warszawa 69 156 83 12 769 197 440 967 Zakopane 85 132 88 22 708 280 384 988 Stacja aktynometryczna Miesiące Półrocze Lato Rok napromieniowanie całkowite minimalne na pow. płaskiej Ziemi [kw h/m 2 ] Kołobrzeg 49 137 68 6 769 164 419 952 Warszawa 46 124 64 8 695 156 369 879 Zakopane 71 99 64 16 607 252 307 874 (Podogrodzki 1993) Bilans energii promieniowania Słońca Widmo promieniowania słonecznego dzieli się na krótko- i długofalowe. Wartość 4 μm przyjmuje się w meteorologii jako górną granicę długości fali zaliczanej do widma promieniowania słonecznego. Fale o długości od 4 do 120 μm zalicza się do długofalowego promieniowania Ziemi i atmosfery. Stanowią one promieniowanie wtórne (odbite). Największe możliwości pozyskiwania energii cieplnej stwarza promieniowanie o długości fali z zakresów podczerwonego i widzialnego. Podczerwone promieniowanie Słońca, o długości fali z zakresu 0,75 4,00 μm, zawiera 47% energii. Promieniowanie widzialne, o długości fali z zakresu 0,40 0,75 μm, zawiera 45% energii. Natomiast najmniej energii (7%) niesie promieniowanie ultrafioletowe, o długości fali z zakresu 0,15 0,40 μm (Gogół 1993). W skład promieniowania słonecznego wchodzi także promieniowanie naelektryzowanych cząstek elementarnych wyrzucanych przez Słońce. Jego udział jest o 10 7 razy mniejszy od energii promieniowania termicznego i z tego względu nie bierze się go pod uwagę. Ma ono natomiast wpływ na górne warstwy atmosfery Ziemi i pośrednio na klimat i pogodę. Zasoby helioenergetyczne wybranych miast w Polsce i innych państwach Ilość energii cieplnej, jaką można potencjalnie uzyskać z promieniowania słonecznego, można wstępnie szacować na podstawie wyników wieloletnich badań aktynometrycznych. Wyniki tych badań uzyskane w latach 1975 1985 w wybranych miastach Polski i innych krajów zamieszczono w tabeli A.2 oraz na rysunku A.1. 9

Tabela A.2 Średnie sumy roczne całkowitego promieniowania słonecznego na płaską powierzchnię Ziemi w różnych regionach świata (dane z lat 1975 1985) Miasto Szerokość geograficzna północna Wysokość n.p.m. [m] Śr. suma roczna pr. całkowitego [kw h/m 2 ] Helsinki 60 12 45 934 Londyn 60 08 82 945 Sztokholm 59 21 44 978 Kowno 54 53 73 1040 Kołobrzeg 54 11 16 1078 Suwałki 54 04 193 975 Hamburg 53 38 14 952 Poczdam 52 23 110 1012 Warszawa 52 16 130 967 Legnica 51 13 122 1030 Zamość 50 42 211 1033 Kijów 50 24 121 1175 Zakopane 49 18 857 988 Paryż 48 49 50 1130 Wiedeń 48 15 202 1078 Freiburg 48 00 269 1070 Budapeszt 47 26 130 1200 Rzym 43 40 131 1380 Kair 30 05 36 2040 (Gogół 1993, Podogrodzki 1993) W roku 1995 w Unii Europejskiej produkcja energii cieplnej z łącznej powierzchni kolektorów słonecznych wynoszącej 6,5 km 2, wynosiła 3,038 10 9 kw h, co odpowiada spaleniu 303,8 milionów dm 3 oleju opałowego. Obserwowane tempo wzrostu tej powierzchni pozwala przewidywać, że w roku 2010 powierzchnia kolektorów w krajach Unii Europejskiej osiągnie 100 km 2 (Lewandowski 2002). Podsumowując, z punktu widzenia realizacji założonych celów badawczych, najważniejsza jest znajomość wielkości i zmienności natężenia promieniowania słonecznego w miejscu prowadzenia badań, co pozwala wyznaczyć całkowitą energię napromieniowaną. Dane meteorologiczne z okresu 1961 1990 dla miejscowości położonych najbliżej badanej instalacji pozwalają spodziewać się wielkości całkowitego napromieniowania na płaskiej powierzchni Ziemi z przedziału od 874 do 1105 kw h/m 2 w ciągu roku. Wielkość zasobów helioenergetycznych danej miejscowości związana jest z jej szerokością geograficzną, wysokością n.p.m. oraz stopniem zanieczyszczenia powietrza. Polska, podobnie jak Niemcy, Francja i Dania, położona jest pomiędzy 49 a 55 stopniem szerokości geograficznej północnej. Oznacza to, że warunki nasłonecznienia w Polsce są dość atrakcyjne (Mikielewicz i Gumkowski, 1994). 2 ] 2500 2000 1500 1000 500 0 Helsinki Londyn Sztokholm Kowno Hamburg Rys. A.1 Porównanie zasobów helioenergetycznych różnych obszarów Ziemi w latach 1975 1985 Poczdam Warszawa Legnica Kijów Zakopane Freiburg Budapeszt Rzym Kair 25 30 35 40 45 50 55 60 65

A.2. Urządzenia przetwarzające energię promieniowania słonecznego w ciepło Rynek cieczowych kolektorów słonecznych w Europie rozwija się bardzo dynamicznie już od kilkunastu lat. W Polsce prace konstrukcyjne, obliczenia analityczne i badania eksperymentalne kolektorów słonecznych prowadzone były m.in. na Politechnice Gdańskiej, w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, na Akademii Górniczo- Hutniczej w Krakowie, w Wyższej Szkole Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie. Współcześnie, na naszym rynku obok urządzeń firm zachodnich takich jak: Paradigma (Trzaskowska 2003), Viessmann (Jeleń 2003b), Vaillant (Siedlaczek 2003), Stiebel Eltron (Maciejewski 2003), ThermoSolar (Kopryna 2003), Solahart (Skorut 2003), Makroterm (Wąchała 2003) z powodzeniem konkurują rodzimi producenci. Wśród nich wymienić należy: Gastrometal (Stachowiak 2003), Sunex (Kalyciok 2003), Aparel (Durys 2003), KM Solar Plast (Duraj 2003), Polska Ekologia (Zawadzki 2003), Bachus (Jabłoński 2003) i inne. Kolektory słoneczne wykorzystywane są najczęściej do podgrzewania wody użytkowej. Jak wskazują wyniki badań porównawczych jedenastu instalacji słonecznych do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz wspomagania ogrzewania pomieszczeń, czołowych producentów w Niemczech, zastosowanie tych urządzeń pozwala, w okresie roku, zmniejszyć zużycie paliw o 30% w stosunku do eksploatacji urządzeń grzewczych bez zastosowania kolektorów (Meyer i Wieser 2003). Oszczędności te mogą się jeszcze zwiększyć dzięki magazynowaniu energii, uzyskanej w okresach najwyższego nasłonecznienia, w zbiornikach z parafiną o czterokrotnie większej pojemności cieplnej i ośmiokrotnie dłuższym okresie utrzymywania ciepła w stosunku do obecnie stosowanych zbiorników wodnych (Meyer 2003a). A.2.1. Typy i rodzaje cieczowych kolektorów absorbujących Kolektor jest podstawowym elementem słonecznej instalacji grzewczej, w którym zachodzi zamiana energii promieniowania słonecznego w ciepło. Kolektory dzieli się na różne rodzaje ze względu na różne kryteria. Ze względu na sposób odbioru energii promieniowania słonecznego kolektory dzieli się na skupiające oraz absorbujące. W kolektorach skupiających, energia promieniowania słonecznego odbijana jest od zwierciadeł hiperbolicznych o bardzo dużej powierzchni, a następnie jest skupiana w miejscu jej zamiany na energię cieplną. Temperatura w punkcie skupienia może osiągać nawet 3000 C. Dzięki uzyskiwaniu tak wysokich temperatur urządzenia te mogą wytwarzać wysokoparametrową parę wodną zasilającą turbiny generatorów prądu (Kaiser 1995). W odróżnieniu od kolektorów skupiających, kolektory absorbujące pochłaniają bezpośrednio docierające do nich fale promieniowania słonecznego. Ze względu na niewielkie natężenia promieniowania słonecznego, temperatura jaką osiągają kolektory absorbujące nie przekracza 100 C (Wiśniewski, Gołębiowski i Gryciuk, 2001). Produkowane są również kolektory skupiająco-absorbujące, w których absorber w kształcie rury, umieszczony na zwierciadle, pochłania zarówno promieniowanie bezpośrednie, jak i odbite (Paradigma 2001). W zależności od temperatury ogrzewanego czynnika kolektory słoneczne dzielą się na niskotemperaturowe i wysokotemperaturowe. Niskotemperaturowe kolektory osiągają temperatury do około 100 C i są to najczęściej kolektory absorbujące. Stosuje się je do ogrzewania wody użytkowej, a także wody basenowej. Niektóre konstrukcje tych kolektorów umożliwiają wspomaganie centralnego ogrzewania oraz podgrzewanie wody na potrzeby technologiczne. Kolektory wysokotemperaturowe są na ogół kolektorami skupiającymi. Kolejnym kryterium podziału kolektorów jest zastosowany rodzaj nośnika ciepła. Nośnikiem takim może być powietrze lub ciecz (Waliłko 2001). W kolektorach powietrznych energia pochłonięta przez absorber oddawana jest strumieniowi powietrza przepływającemu w odpowiednio ukształtowanym kanale (Wiśniewski, Gołębiowski i Gryciuk, 2001). Przepływ powietrza wymuszany bywa przez wentylator. Kolektory tego typu z powodzeniem wykorzystywane są w rolnictwie do celów suszenia płodów rolnych, ziół, zielonek, drewna, ziarna zbóż i owoców (Sołowiej 1999, Wiśniewski1998). Okresy zapotrzebowania na energię na ten cel pokrywają się z okresami największego nasłonecznienia. 11

Kolektory powietrzne mają wiele zalet. W porównaniu z kolektorami cieczowymi są znacznie tańsze, nie sprawiają problemów związanych z wrzeniem i zamarzaniem płynu oraz nie występują w ich przypadku problemy z korozją części metalowych. Największą wadą kolektorów powietrznych (oprócz hałasu wytwarzanego przez wentylatory) jest ich niska sprawność wynikająca z niskiego współczynnika wnikania ciepła z absorbera do powietrza. Powoduje to wyższe temperatury absorbera i wyższe straty wypromieniowania ciepła do otoczenia. Znacznie wyższą sprawnością charakteryzują się kolektory cieczowe. Kolektory cieczowe posiadają wbudowane przewody umożliwiające przepływ czynnika grzewczego. Ze względu na uniwersalność zastosowań i prostotę budowy zyskują one coraz większą popularność. Można wyróżnić następujące rodzaje kolektorów cieczowych: kolektory płaskie, kolektory płaskie próżniowe, rurowe kolektory próżniowe (przepływowe), rurowe kolektory próżniowe (rura cieplna), rurowe kolektory z dewarowską izolacją próżniową, kolektory magazynujące. Do nowych konstrukcji słonecznych kolektorów cieczowych należą: kolektory z czynnikiem dwufazowym (ciecz niskowrząca), kolektory płaskie absorpcyjne (z płynem bezpośrednio absorbującym). Najbardziej rozpowszechnionym spośród wyżej wymienionych jest kolektor cieczowy płaski. Kolektor tego typu był także przedmiotem badań własnych przedstawionych w dalszej części pracy. Z tego względu poniżej zostanie przestawiona bardziej szczegółowo jego charakterystyka. A.2.2. Budowa płaskich kolektorów cieczowych Głównym elementem kolektora płaskiego jest płyta absorbera zintegrowana z systemem rur, w których płynie czynnik grzewczy. Płyta absorbera powleczona jest powłoką z materiałów minimalizujących straty wypromieniowania, zaizolowana termicznie i umieszczona w obudowie z przezroczystym przykryciem. Właściwości absorbera, powłoki oraz pokrywy w istotny sposób wpływają na sprawność kolektora. Poniżej przedstawione zostaną właściwości tych elementów pod kątem maksymalizacji sprawności. Płyta absorbera W przypadku płaskiego kolektora cieczowego do płyty absorbera przytwierdzone są rury. Płyty absorbera o grubości od 0,5 do 2,0 mm wykonywane z jednego arkusza lub równolegle położonych pasów z różnych materiałów o różnych współczynnikach przewodzenia ciepła przedstawiono w tabeli A.3. Im wyższa przewodność cieplna materiału absorbera tym większa intensywność przewodzenia energii cieplnej do cieczy. Tabela A.3 Współczynniki przewodzenia ciepła różnych materiałów używanych w konstrukcjach płyt absorbera Materiał Współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m K)] miedź 376 aluminium 206 cynk 112 żeliwo 52 stal 50 polietylen 0,35 0,46 akryl 0,2 (Chochowski i Czekalski 1999, s. 40) Najlepsze właściwości przewodzenia energii ma miedź. Na miedzianym absorberze następuje szybsze wyrównanie temperatur, co pozwala na zwiększenie odstępów pomiędzy przewodami z cieczą odbierającą ciepło. W tworzywach sztucznych gęstość strumienia energii jest o kilkaset razy mniejsza niż w metalach, dlatego absorbery wykonane z polietylenu czy akrylu muszą mieć postać cienkowarstwowego użebrowanego zbiornika z wymuszonym przepływem. Bardzo ważne jest przewodzenie cieplne połączenia rury z płytą absorbera. Przewód

rurowy o średnicy 10 20 mm mocowany jest do blachy płaskiej lub profilowanej na styk poprzez lutowanie, spawanie lub klejenie. W najnowszych technologiach stosuje się spawanie ultradźwiękowe na zimno lub spawanie pulsacyjnym laserem (Wieser 2003). Rurki mogą być również dołączone do profilowanej blachy absorbera poprzez docisk, konieczne jest wówczas wprowadzenie odpowiedniego wypełnienia w celu zminimalizowania cieplnego oporu kontaktowego. Tabela A.4 przedstawia opory cieplne różnych wypełnień kontaktowych i ich wpływ na obniżenie sprawności kolektora. Absorbery mogą być również wykonane poprzez walcowanie dwóch blach profilowanych, przy czym na obszarze, gdzie powstać mają kanały, blachy nie są walcowane. Tabela A.4 Opory cieplne różnych wypełnień kontaktowych i ich wpływ na obniżenie sprawności kolektora Wypełnienie kontaktowe Opór przewodzenia ciepła kontaktu w [(m K)/W] Spadek sprawności kolektora wywołany oporem cieplnym kontaktu rura blacha w [%] smar silikonowy z tlenkiem cynku 0,021 2,2 kauczuk silikonowy (RTV) 0,022 2,3 żywica epoksydowa 0,034 3,5 smar silikonowy 0,04 4 smar o wysokiej temperaturze kroplenia 0,049 4,9 brak wypełnienia kontakt cieplny rura blacha poprzez sam docisk 0,118 11 (Smolec 2000, s. 58) Sposób ułożenia rur pod absorberem wpływa znacząco na odbiór energii cieplnej z płaszczyzny kolektora w przypadku połączenia kilku kolektorów. Na zdjęciu wykonanym kamerą termowizyjną przedstawiono stopień nagrzania płyt absorberów podczas pompowania gorącej cieczy do połączonych kilku kolektorów w układzie harfowym i meandrycznym (rys. A.3). Górna fotografia przedstawia kolektory o układzie meandrycznym zasilane jednostronnie gorącą cieczą. Stopień nagrzania poszczególnych płyt absorberów jest bardzo zbliżony, co świadczy Rys. A.2. Sposoby ułożenia przewodów na płycie absorbera powrót zasilanie zasilanie powrót Fotografia przedstawia rozkład temperatur w sześciu kolektorach z meandrycznym układem rur zasilanych gorącą cieczą z jednej strony Fotografia przedstawia rozkład temperatur w sześciu kolektorach z harfowym układem rur zasilanych gorącą cieczą z jednej strony Wyróżnia się dwa sposoby prowadzenia przewodów rurowych, najczęściej wykonywanych z miedzi: meandryczny i równoległy (harfowy). Sposoby te przedstawia rysunek A.2. zasilanie zasilanie powrót Fotografia przedstawia rozkład temperatur w sześciu kolektorach z harfowym układem rur zasilanych gorącą cieczą z dwóch stron Rys. A.3 Fotografie termowizyjne obrazujące transport ciepła w różnych połączeniach kolektorów z układem harfowym i meandrycznym (Jeleń 2000) 13

o wyrównanym strumieniu przepływu we wszystkich rurach poza końcową powierzchnią najdalszego kolektora. Środkowa fotografia przedstawia połączenie sześciu kolektorów z harfowym układem rur jednostronnie zasilanych gorącą cieczą. Efektem takiego eksperymentu było silne nagrzanie dwóch pierwszych płaszczyzn, natomiast kolejne płaszczyzny pozostały zimne. Dolne zdjęcie przedstawia połączenie sześciu kolektorów z układem harfowym rur lecz zasilanych gorącą cieszą z dwóch stron. Rezultat tego wariantu zasilania okazał się lepszy, choć środkowe płyty kolektorów nie zostały dobrze nagrzane. Powłoki absorberów Zwiększenie zdolności pochłaniania energii słonecznej przez płytę absorbera uzyskuje się dzięki zastosowaniu specjalnego pokrycia selektywnego, nazywanego powierzchnią selektywną (ang. selective coating, selective surface). Pod pojęciem selektywność powłoki rozumie się właściwości powierzchni odpowiadające wysokiej zdolności absorbowania fal z zakresu długości od 0,2 0,35 μm do 2 4 μm, odpowiadających promieniowaniu słonecznemu i jednocześnie charakteryzujące się małą emisyjnością z zakresu fal o długości od 2 4 μm do 25 50 μm, odpowiadających promieniowaniu cieplnemu. Do powłok nieselektywnych można zaliczyć pokrycia z użyciem czarnych lakierów i matowych farb na bazie poliestrów oraz żywic epoksydowych z pigmentami zawierającymi: węgiel, tlenek żelaza, czarny popiół, asfalt. Współczynnik absorpcji takich powłok jest wysoki i wynosi 90 98 %. Jednocześnie wysoki jest współczynnik emisyjności wynoszący 85 90%. Sprawia to, że wykorzystanie tych powłok do celów intensywnej zamiany energii promieniowania słonecznego na ciepło jest nieefektywne. Współczynnik selektywności powłoki wyraża się jako stosunek współczynnika absorpcji do emisyjności (α/ε). Powłoki absorberów o wysokiej selektywności osiągają ten współczynnik powyżej 10, natomiast spadek wartości współczynnika selektywności do 1, oznacza bardzo niską efektywność takiego kolektora (Pluta 2000, Brinkworth 1979, Smolec 2000). Najczęściej spotykanym typem powłoki selektywnej jest pokrycie tandemowe. Jego selektywność uzyskuje się poprzez pokrywanie płyty absorbera jedną lub dwoma cienkimi warstwami materiału o odpowiednio dobranych właściwościach optycznych. Najczęściej stosownymi metodami pokrywania płyt absorbera są: metody chemiczne, polegające na zanurzaniu absorbera w kąpielach zawierających wodne roztwory związków chemicznych o ściśle określonych stężeniach, metody elektrochemiczne polegają na procesie przejścia określonych pierwiastków z elektrolitu na zanurzoną płytę absorbera, będącą katodą pod wpływem różnicy potencjałów, metody utleniania termicznego, polegające na wygrzewaniu płyty absorbera w wysokich temperaturach w powietrzu (Smolec 2000). Powyższe metody mają zastosowanie w pokrywaniu absorberów wykonanych z miedzi, aluminium lub stali nierdzewnej następującymi powłokami: czarnym chromem, czarną miedzią, czarnym molibdenem, czarnym kobaltem, niklem lub tlenkami żelaza. Ma to na celu zmniejszenie strat wypromieniowania energii (Boeker i Grondele 2002; Wackelgard i Tesfamichael 2000). Ze względu na znaczne obciążenia środowiska przy zastosowaniu metod chemicznych i elektrochemicznych oraz wysokie koszty utylizacji toksycznych ścieków, zaczyna je wypierać opracowana w ostatnich latach metoda suchego pokrywania tlenkami i azotkami tytanu. Nowość zaprezentowaną w 2003 roku na Targach ISH we Frankfurcie nad Menem stanowiła powłoka absorbera wykonana z nitowanych pasków blachy miedzianej z ultradźwiękowo dospawanymi rurami, pokryta selektywną powłoką Epsilon o współczynniku absorpcji 95% i współczynniku emisji 4% (Meyer 2003a). Na rysunku A.4 przedstawiono mikroskopowe powiększenie struktury powłoki wykonanej z tlenków tytanu o nazwie TitanSol. Wartości współczynników absorpcji i emisji dla różnych powłok selektywnych przedstawione zostały w Tabeli A.5. Rys. A.4 Struktura selektywnej powłoki absorbera z tlenków tytanu TitanSol (Jeleń 2000)

Bardzo ważnym zagadnieniem z eksploatacyjnego punktu widzenia jest zachowanie parametrów technicznych powłoki absorbera przez możliwie najdłuższy okres czasu. Negatywne procesy starzenia się powłok absorberów wywołane są przez skomplikowane reakcje utleniania powłok. Z analizy zjawisk wynikających z dłuższych okresów eksploatacji kolektorów płaskich wynika, że absorbery stalowe malowane czarnymi farbami, pomimo swojej atrakcyjnej ceny, nie powinny być stosowane z uwagi na szybką utratę wydajności cieplnej. Dłuższy okres eksploatacyjny zapewniają absorbery miedziane z powłoką pokrywaną galwanicznie lub próżniowo. Największą zmianę współczynnika absorpcji (1 2%) obserwuje się w pierwszym i drugim roku eksploatacji, a w późniejszym okresie obserwuje się już niewielki jego spadek. Stopień zmniejszania się współczynnika absorpcji uzależniony jest od temperatury nagrzewania absorbera. Im wyższa temperatura pracy tym szybszy proces degradacji powłoki. Należy unikać temperatur absorbera wyższych od 70 C. Z tego powodu bardzo ważne jest właściwe dobranie powierzchni kolektorów oraz ich montaż w miejscu zapewniającym nieprzerwany odbiór ciepła w okresie występowania najwyższych natężeń promieniowania słonecznego. Emisyjność selektywnych powłok absorbera ulega zwiększeniu w każdym roku. Tempo wzrostu nie zostało jednoznacznie określone, choć wiadomo, że zmiany absorbera związane z utlenianiem i różnymi rodzajami korozji przyspieszają proces zwiększenia właściwości emisyjnych powłoki. Najnowsze metody wytwarzania powłok selektywnych na potrzeby kolektorów próżniowych i skupiających (koncentrujących) wykazują niezmienność parametrów nawet przy wzroście temperatury absorbera do 350 400 C. Badania trwałości właściwości selektywnych absorberów powlekanych najlepszymi metodami wykazują, że w okresie 25 lat eksploatacji nie zachodzi znaczące ich obniżenie. Tabela A.5 Właściwości powłok metalicznych absorberów kolektorów cieczowych Rodzaj powłoki Płyta absorbera Współczynnik absorpcji α [%] Współczynnik emisyjności ε [%] czarny lakier matowy stal 90 98 85 90 czarny chrom miedź 95 97 8 14 czarny chrom stal 91 97 7 16 Rodzaj powłoki Płyta absorbera Współczynnik absorpcji α [%] Współczynnik emisyjności ε [%] czarny nikiel stal 89 96 7 17 czarna miedź miedź 85 95 10 15 czarna miedź aluminium 81 93 11 17 tlenek żelaza stal 85 8 folia niklowa wszystkie metale 95 99 8 11 tlenki tytanu miedź 95 5 (Chochowski i Czekalski, 1999, s. 42; Wiśniewski, Gołębiowski i Gryciuk, 2001, s.41) Osłony przezroczyste kolektorów Osłona przezroczysta kolektora (nazywana również pokryciem) to płyta, względnie folia, którą osłonięty jest on od góry w celu ochrony przed wpływami zewnętrznymi oraz w celu potęgowania efektu cieplarnianego wewnątrz kolektora. Płaskie kolektory cieczowe o najprostszych konstrukcjach nie posiadają żadnego przykrycia absorbera. Uzyskują one najwyższe sprawności przy jednakowej temperaturze powietrza i płyty absorbera. Najlepiej zdają egzamin na obszarach o wysokich temperaturach powietrza w okresie letnim, np. na południu Europy. Na szerokościach geograficznych odpowiadających Polsce występują znacznie niższe temperatury powietrza w okresie letnim. Straty energii związane z zastosowaniem przezroczystego przykrycia absorbera (absorbcyjności i refleksyjności pokrywy) są znacznie niższe od strat ciepła do otoczenia. Przykrycie przezroczyste zabezpiecza również powierzchnię absorbera przed bezpośrednim kontaktem z padającym deszczem, śniegiem czy gradem. Profil uszczelniający pokrywę przezroczystą z obudową kolektora powstrzymuje przenikanie zanieczyszczeń i wody do płyty absorbera. Promieniowanie słoneczne docierające do przezroczystego przykrycia absorbera ulega: częściowemu odbiciu, który określa współczynnik odbicia nazywany refleksyjnością, częściowemu pochłonięciu przez pokrywę, co wywołuje wzrost temperatury powierzchni przykrywającej i określane jest współczynnikiem pochłaniania zwanym absorbcyjnością, 15

przejściu przez powłokę w kierunku powierzchni absorbera, opisanemu współczynnikiem przepuszczania, zwanym transmisyjnością dla krótkofalowego promieniowania słonecznego. Przykładowe właściwości optyczne pokryw wykonanych ze szkła, akrylu i poliwęglanu przedstawiono w tabeli A.6. Tabela A.6 Właściwości optyczne pokryw przezroczystych dla prostopadłego (normalnego) do powierzchni przykrywy kierunku bezpośredniej składowej promieniowania słonecznego Materiał Grubość [mm] Krótkofalowe promieniowanie słoneczne Transmisyjność [%] Refleksyjność [%] Absorbcyjność [%] Długofalowe promieniowanie cieplne Transmisyjność [%] Refleksyjność [%] Absorbcyjność [%] szkło 3 4 83 91 8 9 1 8 1 3 11 15 85 88 akryl 2 3 88 92 9 3 2 8 90 poliwęglan (Krawczyk 2001, s. 146) 3 76 89 16 8 4 6 6 88 90 Ze wzrostem grubości pokrywy szklanej zmniejsza się współczynnik transmisyjności promieniowania słonecznego, dlatego stosowane są przykrycia o grubości nie przekraczającej 6,5 mm. Zmniejszanie grubości przykrycia powoduje znaczne obniżenie jego wytrzymałości mechanicznej, dlatego stosowane są pokrywy szklane o grubości nie mniejszej od 3 mm. Transmisyjność pokrycia zależy również od kąta padania promieniowania słonecznego, największa jest przy kącie 90 (kierunek normalny prostopadle do płaszczyzny) i nie ulega znacznemu zmniejszeniu przy zmianie kąta do 30, natomiast poniżej 30 bardzo silnie spada (Chochowski, Czekalski 1999). Prawo Lamberta przedstawia zależność natężenia emisji promieniowania w dowolnym kierunku w funkcji natężenia promieniowania w kierunku normalnym do płaszczyzny oraz kąta odchylenia od kierunku normalnego α. Zależność tę opisuje poniższy wzór: Iα = I N cos α (1) gdzie: I N natężenie promieniowania w kierunku normalnym [W/m 2 ], Iα natężenie promieniowania odchylonego pod kątem α do kierunku normalnego [W/m 2 ]. Po analizie danych eksperymentalnych okazało się, że wyniki odbiegają od powyższego wzoru i wykazują zgodność z zależnością 2 (Lewandowski 2002): Iα = I N cos 2 α (2) W celu zwiększenia mocy absorpcji zaproponowano specjalną konstrukcję pokrywy szklanej o zwiększającej się w kierunku do powierzchni absorbera gęstości, na której zostają załamywane promienie słoneczne tak, że stają się bardziej prostopadłe do powierzchni absorbera. Zmniejszenie współczynnika transmisyjności pokryw szklanych wywołują domieszki tlenków żelaza nadające im odcień zielony, dlatego stosuje się specjalny gatunek szkła pozbawiony tych domieszek. W celu obniżenia współczynnika refleksyjności dla promieniowania słonecznego, powleka się pokrywę szklaną po stronie zewnętrznej specjalnymi warstwami antyrefleksyjnymi. Natomiast aby zwiększyć refleksyjność powłoki dla długofalowego promieniowania cieplnego, wytarza się na pokryciu szklanym od strony absorbera nieregularne załamania powierzchni, często o zaostrzonych krawędziach kryształków. Stosowane są niekiedy dwie lub trzy pokrywy umieszczone nad sobą w celu zmiejszenia strat cieplnych i umożliwienia uzyskania wyższych temperatur cieczy grzewczej. Zewnętrzna szyba jest zwykle grubsza od wewnętrznej. Takie rozwiązanie powoduje zmniejszenie przepuszczalności energii słonecznej przez wieloelementowe przykrycie. Zastosowanie przykryć szklanych w większości produkowanych modeli kolektorów płaskich powoduje fakt dużej trwałości szkła. Właściwości mechaniczne przykryć szklanych nie zmieniają się pod wpływem wysokich temperatur jak również oddziaływania czynników atmosferycznych. Również właściwości optyczne ulegają bardzo niewielkim zmianom z upływem czasu. Jedynym ograniczeniem rozmiarów stosowania powłok szklanych jest duży ciężar właściwy (ok. 2500 kg/m 3 ) oraz

rozszerzalność cieplna. Pokrywy szklane najbardziej narażone są na zarysowania i zabrudzenia, wynikające z osadzania się zanieczyszczeń powietrza. Podatność na osadzanie się zanieczyszczeń jest większa przy zalecanym kącie nachylenia płaszczyzn kolektorów ok. 30º. Zanieczyszczenia powłoki mogą znacznie obniżać efektywność pracy kolektorów w miesiącach letnich i zaleca się okresowe ich mycie szczególnie tam, gdzie występuje silne zapylenie powietrza. Pokrywy przezroczyste z tworzyw sztucznych choć mają niższy ciężar właściwy od pokryw szklanych, to ich właściwości mechaniczne ulegają szybkiemu pogorszeniu w podwyższonych temperaturach (akryle powyżej 90 ºC, poliwęglany powyżej 130 ºC). Transmisyjność pokryw z tworzyw sztucznych zmniejsza się w wyniku zażółcenia wywoływanego wrażliwością na promieniowanie ultrafioletowe (w największym stopniu podatne są poliwęglany). Duża podatność tworzyw sztucznych na ścieranie i zarysowania przez pyły zawarte w powietrzu powoduje powstawanie mikropęknięć, w których osadzają się trudne do usunięcia zabrudzenia zmniejszające transmisyjność powłoki. Powyższe czynniki zmniejszają transmisyjność powłok z tworzyw sztucznych szacunkowo o 10% w okresie kilkunastu lat eksploatacji. Izolacja cieplna i obudowa kolektora płaskiego W celu zmniejszenia odpływu ciepła do otoczenia przez dolną oraz boczne części kolektora stosuje się specjalne warstwy izolacyjne. Dobre materiały izolacyjne powinny cechować się niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła, odpornością na wilgoć oraz wysokie temperatury. Dobrze zaizolowane kolektory płaskie mogą osiągać temperatury nawet do 250 ºC. Stosowana jest często kombinacja dwóch materiałów np. wełny mineralnej od strony absorbera i sztywnej pianki poliuretanowej PU od strony obudowy. Wełna mineralna jest odporna na działanie wysokich temperatur, natomiast pianka poliuretanowa wykazuje wyższą odporność na pochłanianie wilgoci oraz działanie czynników chemicznych. Polistyren (styropian) nie nadaje się do izolowania płaskich kolektorów słonecznych, ponieważ w temperaturze 75 ºC zaczyna się topić. Dodatkowo okrywa się warstwę wełny mineralnej od strony absorbera folią metalową odbijającą promieniowanie. W tabeli A.7 przedstawiono właściwości przykładowych materiałów izolacyjnych. Obudowa kolektora płaskiego wykonywana jest zazwyczaj z tłoczonych profili aluminiowych lub stali nierdzewnej w kształcie głębokich wanien, często powlekanych czarną lub brązową powłoką. Jest ona jednocześnie konstrukcją nośną dla pozostałych jego elementów. Spotyka się niekiedy obudowy wykonane z tworzyw sztucznych, które są mniej trwałe, a nawet mogą stanowić zagrożenie pożarowe (Purkarthofer i Fechner 1998). Tabela A.7 Właściwości materiałów izolacyjnych Materiał Gęstość [kg/m 3 ] Współczynnik przewodzenia ciepła [W/(m K)] Dopuszczalna temperatura [ºC] włókno szklane 100 150 0,032 0,06 340 wełna mineralna 15 300 0,036 0,055 650 poliuretan 20 80 0,023 0,036 105 polistyren 10 45 0,03 0,05 75 (Chochowski i Czekalski 1999, s. 45) Ważnym elementem decydującym o trwałości kolektora płaskiego jest jakość uszczelnienia obudowy z pokrywą przezroczystą. Stosowane materiały uszczelniające muszą być odporne na zmiany temperatury w zakresie od 40 ºC (ekstremalna temperatura zimowa) do +60 ºC (temperatura pokrywy w stanie stagnacji kolektora przy maksymalnym natężeniu promieniowania słonecznego). Najlepsze właściwości posiadają silikony, natomiast często stosowane połączenia gumowe ulegają szybszej degradacji. Najbardziej rozpowszechnione spośród wszystkich innych typów omawianych tutaj urządzeń są standardowe kolektory płaskie. Schemat przekrój takiego kolektora przedstawia rysunek A.5. Rys. A.5 Przekrój kolektora płaskiego (Körner, Kirchoff i Schabbach 1997) 17

O popularności kolektorów płaskich decyduje ich najniższa cena. W porównaniu z innymi kolektorami wykazują one jednak większe straty ciepła przy wysokich temperaturach absorbera. Posiadają więc podobną efektywność w przypadku ogrzewania obiektów niskotemperaturowych jakimi są baseny. Natomiast przy potrzebie przekazywania wyższych temperatur konieczne staje się dobranie większej powierzchni standardowych kolektorów płaskich w stosunku do innych typów. W celu zmniejszenia strat cieplnych kolektora, związanych z konwekcyjnym transportem ciepła, zastosowano podciśnienie w przestrzeni wewnętrznej kolektorów, jak również zamianę pozostałej części gazu z powietrza na krypton, posiadający niższy współczynnik przewodności cieplnej. Izolowane w ten sposób kolektory zostały nazwane próżniowymi. A.2.3. Budowa płaskiego próżniowego kolektora cieczowego Rys. A.6 Przekrój płaskiego kolektora próżniowego (Kopryna 2003) W skład płaskiego kolektora próżniowego wchodzą podobne elementy jak w przypadku wykonania standardowego: selektywny absorber połączony z układem rur i przezroczysta pokrywa szczelnie połączona z obudową w kształcie wanny. Przekrój tego urządzenia przedstawia rysunek A.6. Najważniejszą różnicą jest hermetyczne uszczelnienie konstrukcji zewnętrznej kolektora oraz wykonanie wsporników wewnętrznych, przechodzących przez otwory płyty absorbera, umożliwiających usztywnienie konstrukcji i jej ochronę przed zgnieceniem podczas wytworzenia podciśnienia. Aby zmniejszyć straty ciepła, kolektor wypełniany jest gazem szlachetnym (najczęściej kryptonem), a następnie jego część odsysana jest z wewnętrznej części kolektora. Norma dopuszcza ciśnienie absolutne we wnętrzu kolektora nie mniejsze niż 300 hpa. Dodatkową zaletą płaskich kolektorów próżniowych jest doskonałe zabezpieczenie elementów absorbera przed degradującym wpływem wilgoci oraz tlenu. Jednak szczelność konstrukcji kolektora wymaga częstych kontroli, polegających na wykonaniu pomiarów ciśnienia wewnątrz kolektora. W przypadku stwierdzenia nadmiernego dopływu powietrza, należy je odessać. Zwiększenie strat ciepła w płaskich kolektorach próżniowych może powodować przewodność cieplną wsporników. Koszt tych kolektorów przewyższa cenę standardowych kolektorów płaskich, natomiast jest nieco niższy od ceny próżniowych kolektorów rurowych. Zaletą tych ostatnich jest trwałe uszczelnienie rur, zapewniające długotrwałe utrzymywanie się podciśnienia. Podsumowując informacje na temat płaskich kolektorów cieczowych, warto podkreślić, różnorodność rozwiązań technicznych w ich konstrukcji. Przyczyną czego jest poszukiwanie urządzeń o najwyższej sprawności i trwałości, a jednocześnie przystępnej cenie. O sprawności płaskich kolektorów cieczowych decydują następujące parametry: selektywność powłoki absorbera, współczynnik przewodzenia ciepła materiału absorbera, transmisyjność pokrywy przezroczystej i skuteczność izolacji termicznej. Parametry techniczne badanego kolektora zawarto w dalszym rozdziale. Wcześniej zostaną przedstawione różne sposoby wykorzystywania kolektorów słonecznych do przygotowywania ciepłej wody użytkowej.