Иновативен фасаден соларен колектор

Автори: проф. д-р Илија Насов, вон. проф. д-р Анка Трајковска, Јасмина Пислевиќ

Користењето на обновливите извори на енергија во секојдневниот живот станува се поактуелно од ден во ден. Дури и нивната примена во згради за разни намени, нуди многу поволности во однос на намалување на употребата на фосилните горива, како и еколошкото значење на тие производи. Од особено важност е што соларните системи за загревање на вода имаат голем потенцијал за вградување во архитектонските изведби.

Фасадните соларни колектори поокажуваат двојна корист во новите архитектонски решенија: вметнати функционални елементи кои не го нарушуваат архитектонскиот изглед, а каде сончевата енергија има голем удел во вкупната потребна енергија за самата зграда. Ова се само главните карактеристики на фасадните соларни колектори.

Oпишани се новите модели на прозорските фасадни колектори. Имено, вградувањето на фасадните колектори на јужната страна од фасадата, претставува иделно решение, без разлика дали ќе се работи за станбена зграда, канцелариски простории, или пак производен погон. Овој тип на фасадни, вградени, колектори/модули се од голема корист, при што учествуваат во производство на голем дел од потребната енерија за зградата, а во исто време не влијаат на нарушување на архитектонскиот дизајн. Вградувањето и имплементацијата на ваков тип на колектори, претставува одржлив начин на производство на енергија со искористување на обновливите извори на енергија, при што константно се намалува
испуштање на CO2 гасовите.

1. Архитектонско интегрирање на новите фасадни прозорски сончеви колектори во згради.

Концептот за енергетски ефикасни згради не значи само употребна на изолација при градба со што ќе се заштеди енергија и ќе се олесни на градба, туку и искористување на обновливите извори на енергија, кое ќе ја направи објект поволен за екологијата, т.е. објект кој ја заштитува животната средина.

Во моментот, од голема важност е архитектите и дизајнерите да го прифатат новиот начин на размислување при дизајнирање на објект, каде и покрај архитеконскиот изглед, важна, и од големо значење е и енергетската ефикасност на зградата. Во главно архитектите се концентрирани на добриот изглед на зградата, но не доволно и на можностите за бесплатни и обновливи извори на енергија, кои имаат голем удел во енергетската ефикаснсот на зградата која влијае врз заштита на животната средина. Најеколошки и одржлив извор на енергија, во овој случај, е употребата на сончевата енергија. Сончевата енергија може да се користи за греење на вода за санитарни потреби, како и за загревање на просторот, кои претставуват главен дел од потребата за енергија.

Соларните термални колектори, најчесто се поставуват на покривите, но денес филозофијата се менува. Сразмерно, достапниот простор на покривите кој може да се искористи за поставување на колекторите, најчесто не е доволно голем за да се задоволат соодветните потреби, при што се наидува на потешкотии за обезбедување на доволно енергија за целиот објект од колекторите поставени на тој простор. Во тој контекст, доколку на јужната страна од фасадата има доволно простор, тогаш колекторите може да се постават на ѕидот [1-4]. Јужната фасада на зградата може да биде уште посоодветно и подобро место за поставување на „функционални“ елементи за градба, како прозорските сончеви колектори наместо нивно поставување на покривот на објектот.

Други продобивки на соларните фасадни колектори е фактот дека нивниот изглед може да биде многу сличен со прозорската површина. Тоа значи дека фасадните колектори кои личат на прозорци, треба да се без линии од заварување, без брановитост и без превои за да бидат добра замена за стандардните прозорци. Можат да се монтираат на самите рамки за прозорци исто како прозорско стакло. Не постојат дополнителни трошоци бидејќи фасадниот колектор се вградува во постоечките рамки за прозорци.

Една од најважните особености на овие колектори е фактот дека кондензацијата на водената пара е надмината, која инаку може да го наруши изгледот на фасадата и архитектонскиот дизајн, што е сосема
неприфатливо дури и при постоење на мала кондензација во колекторот.

Заради фактот дека фасадните колектори најчесто ќе бидат поставени под агол од 90О на фасадниот ѕид, значи дека ефикасноста на годишно ниво ќе биде намалена (особено повеќе во лето отколку во зима, заради фактот дека сонцето во зима зафаќа понизок агол) – (Слика бр.1). Еден начин да се компензира намалувањето на ефикасноста на колекторите е употреба на колектори со највисока ефикасност.

Сл. 1 – Дијаграм на годишни енергетски
придобивки на фасаден наспроти стандарден
покривен колектор

И покрај тоа што вертикалното поставување на колекторите на објект нема да овозожи достигнување на највисоко произвдоство на енергија преку лето, поедноставно е да се мери системот за специфични просечни барања. Како што се гледа на слика бр. 1 – полето на производство е многу поконстантно во областа на фасадниот колектор. Што значи, прегревањето или прекумерното производство може да се минимизираат. Дополнително, со правилно дизајнирање, недостатоците на фасадниот колектор, заради местото на поставување, во однос на топлинските загуби може да се компензираат. Во овој контекст, употребата на соодветна изолација и дизајни на фасадните колектори може да бидат од голема помош за намалување на топлинските загуби. Вообичаено, можностите за изолација произлегуваат од начинот на поставување: прозорски модул (слика бр. 2) на (постоечка) рамка за прозорец или директно поставување во фасадата (слика бр. 3). Доколку прозорскиот модул е поставен во прозорска рамка (слика бр. 2), тогаш зад модулот се поставува изолација која исто така може да биде подвижен/монтажен ѕид за да се овозможи демонтирање на истиот во зима, со цел фасадниот колектор да не ја загрева само водата во самиот колектор, туку и просторот зад колекторот. Ова е од особена
важност доколку задната плоча на колекторот е изработена од алуминим, која кога ќе се загрее, преку пат на конвекција ја предава топлината кон просторот.

Слика бр. 2 – Прозорски модул поставен на
рамка од прозорец. Изолација зад колекторот

Ако постои можност за поставување на колекторот во просторот помеѓу прозоците, директно на ѕидот од фасадата, тогаш модулите се поставуваат во профили (слика бр. 3)

Слика бр. 3 – Прозорски модул поставен во
ѕидот од фасадата. Декоративна плоча и
изолација одзади

2. Долготрајност на фасадниот прозорски колектор

Долготрајноста/издржливоста на соларниот фасаден колектор е многу важна. Таа се достигнува доколку: коефициентот на ефикасност на колекторот е постојан во долг временски период за да се овозможат
оптимални оптички карактеристики; што подолго да се задржи висока трансмисија на заштитното стакло заради зачувување на изгледот на фасадата и следствено повисоки вредности на коефициентот на ефикасност за подолг временски период, и секако да се надминат проблемите со влажност. За да се надминат овие предизвици, неопходно е:
а.) селективната превлака на апсорберот да биде континуирана без оштети. Начините на заварување кои до сега постојат се:
– ултразвучно заварување – отстранува дел од сeлективната превлака која подоцна станува место за иницирање корозија, истекување на вода, пенетрација на кислород и загадувачи и за цело време на експлоатацијата предизвикува намалување на оптичките карактеристики на превлаката. Вредноста на емисија расте, што последично ја намалува ефикасноста на колекторот.
– ласерско заварување – е друг тип на заварување кое предизвикува точки на оштетување на селективната превлака кои се потенцијлни точки на корозија, места за продирање на вода, кислород, и намалување на важните оптички осбености на апсорберот.

Овие методи на заварување се надминати со новиот CS (Camel Solar) начин на заварување. Имено, новиот, иновативен тип на апсорбер е именуван како СS (слика бр. 4а) и е произведен по најнова технологија на
заварување одзади (слика бр. 4б)
б.) совладување на влажност помеѓу стаклената прекривка: ниту вода ниту пареа не се дозволени во овој дел од колекторот, а тоа се постигнува со вакуум во оваа област или со специјална хигроскопска супстанца која ја апсорбира сета иницирана влага.
в.) сткалото треба да биде отпорно на валкање или да има самочистечка
превлака со што ќе се спречи корозија, како и насобирање на нечистотии на површината на покривната површина (која може да е од стакло или полимер).

Слика бр. 4 – Нов вид на Camel Solar
апсорбери: a.) предна страна, б.) задна
страна

3. Нов тип на прозорски фасаден колектор (модули) – тип Camel Solar апсорбер

Соларните фасадни колектори се елегантни и естетски единици погодни за интегрирање и искористување на соларна енергија во згради. Меѓутоа, за интегрирањето моментално е потребно целосна реконструкција на постоечка зграда, додека кај нови згради уште при проектирањето се зема предвид интегрирањето на колекторите.

При поставување на прозорските модули (слика бр. 5) во постоечки или исти рамки за прозорци на зградата, нема потреба од дигалки, заштитна опрема и т.н. за нивно вметнување. Поставувањето е од внатрешна страна на зградата, исто како и монитирање на прозорци. Доколку постои можност за поставување при самиот процес на градба, се користи истата опрема, исто така.

слика бр. 5 – Прозорски – фасаден модул
израбтен со Camel Solar апсорбер: а.)
единечен модел б.) сет од 4 модули

Главните карактеристики на новиот Camel Solar колектор (модул) се наведени подолу:
– површината на допир помеѓу бакарните цевки на апсорберот и рамната плоча (која е бакарна или алуминиумска) е три пати поголема од онаа кај стандарден колектор, што значи дека има подобар пренос на топлина;
– не постојат бранување на алуминиумскиот или бакарен апсорбер
заради новиот начин на заварување;
– нема уништување на селективната превлака во точки како што се случува при ласерско или ултразвучно заварување и не постојат никакви оштетувања на селективната превлака;
– селективната превлака е целосна – не постои дифузија на кислород или вода или, пак, протекување на други супстанци кои би предизвикале корозија на апсорпционата плоча (апосрберот).
– допирната површина меѓу бакарните цевки и алуминиумската плоча е цврста и не се менува во текот на експлоатација и „животниот век“ на колекторот.
– Модулот е изработен од две стакла помеѓу кои се наоѓа апсорберот. Позади апсорберот се наоѓа соодветен апсорпционен материјал кој ја апсорбира влажноста од внатрешниот простор која се создала за време на составување на апсорберот. (По составување на колекторот не постојат никакви можности за создавање на воздух/влага, при што и никогаш не доаѓаат во прашање проблеми со влегување на воздух или создавање на влага). Фактот дека не постои кондензација внатре во колекторот, значи дека ни дел од енергијата од колекторот нема никакви можности да се искористи за испарување на вода.
– Фасадните модули имаат добар изглед (слика бр. 5) и се вклопуваат и во самата архитектура на зградата, а исто така може и да се изработат во различни бои со цел да се вклопат со бојата на фасадата (слика бр. 6).

Слика бр. 6 – Различни бои на прозорски
фасадни колектори

– Ефикасноста е поголема од другите рамни колектори како што е прикажано на слика бр. 7.

Слика бр. 7 – Споредба на криви на
ефикасност за ласерски заварени
апсорбери и новиот тип Camel Solar
апсорбери.

4. Резултати и дискусија

Апсорберот на колекторите од Camel Solar се состојат од 10 бакарни цевки ултрасонично заварени со алуминиумска апсорберска плоча која е со PVD селективна превлака со висока ефикасност. Новиот вид на заварување на овие апсорбери придонесува со:
– висока ефикасност при пренос на топлина и подобри особини споредено со другите видови на апсорбери
– На слика бр. 7 може да се види споредбата на кривите на ефикасност на апсорбери кои се ласерски заварувани (сина линија) и на новиот вид на CS начин на заварување (црвена линија). (Мерењата се изведени во независна германска (лабораторија). Новиот вид на CS заварување се многу поефикасни од останатите.
– еден од најдобрите изгледи на фасадни колектори бидејќи не се забележуваат линии од завараувње ниту има брановитост; надворешната површина на колекторот е многу слична со површината на прозорското стакло и затоа е добар избор за вментување во фасада или поставување на покрив.
– Дополнително, друга предноста на овие колектори е помала стагнација
во летните периоди заради аголот на поставување На слика бр. 8 е прикажана првата, пилот проект, зграда на која се поставени иновативните Camel Solar фасадни колектори (во средната вертикална колона се новите колектори поставени во веќе постоечки прозорски рамки).

Слика бр. 8 – Фасадни прозорски колектори,
средна колона (лево и десно се обични
прозорци), поставени во зградата на Camel
Solar, јужна фасада, во постоечки прозорски
алуминиумски рамки за обични прозорци.

5. Заклучок

Новиот вид на прозорските фасадни соларни колектори се корисни од повеќе аспекти, како и функционални елементи интегрирани во архитектурата. Новиот прозорски модул е веќе поставен во неколку згради во последните 3 години и првите резултати од испитувањата од директна уптреба се многу задоволителни. Овие испитувања од директна употреба се во тек со што ќе следи продолжување на овој труд. Главните особености на прозорскиот фасаден колектор се сумираат во:
а.) добар архитектонски изглед кој се вклопува во боите на фасадата на зградата (слики бр. 6 и 8)
б.) висока ефикасност на овие колектори (слика бр. 7)
в.) долгорочна издржливост и стабилна ефикасност
г.) без закани од корозија заради отсуство на влажност внатре во колекторот (двегодишно искуство од веќе поставените колектори, а и испитувањата го покажуваат тоа)
д.) без оштетувања на селективната превлака на апсорберот заради новиот начин на заварување на CS апсорберите, следствено оптичките карактеристики се задржуваат константни во долг временски период и не постојат појави на корозија.

Искуството со иновативните прозорски фасадни колектори во прикажаната зграда покажаа добри и прифатливи резултати во тест периодот, особено во зима. Постојат и придобивки и во лето, секако, пониски температури на стагнација се измерени заради вертикалното поставување.

Благодарност

Податоците прикажани во овој труд се собрани и мерени во просториите на Camel Solar (Македонија). Трудот е спонзориран од фабриката за прозорски фасадни солрни колектори – Камел Солар и тимот на соработници на авторите.

6. Литература
[1] KUHN T. E., HERKEL S, HENNING H-M, Active Solar Facades (PV and solar thermal), https://www.cost-effective-renewables.eu/

[2] STADLER I., “Facade Integrated Solar Thermal Collectors” a study by AEE INTEC, Gleisdorf, Austria (www.aee.at)

[3] PROBST M. C. M., Architectural integration and design of solar thermal systems, PhD Theses, LESO-PB, EPFL Station 18, 1015 Lausanne, 2008.

[4] MATUŠKA T., ŠOUREK B., Façade solar collectors, Solar Energy, 2006, vol. 80/11, pp. 1443-1452.

Пишуваат: проф. д-р Илија Насов, вон. проф д-р Анка Трајковска, Јасмина Пислевиќ – дипломиран машински инженер