Zkouška tepelného výkonu za ustálených podmínek

Princip stacionární zkoušky tepelného výkonu, resp. účinnosti, je pro různé normy shodný [1-3]. Všechny metody se shodují na minimálním počtu 4 stanovených bodů pro vyjádření křivky účinnosti, z toho dva určené před slunečním polednem a dva po poledni. Pro jeden z těchto bodů je teplota na vstupu do kolektoru t_k1 vybrána tak, aby střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru t_m byla v blízkosti teploty okolního vzduchu t_e ± 3 K (určení průsečíku křivky s osou účinnosti - stanovení účinnosti při nulových tepelných ztrátách η₀). Zbývající body, dané teplotou na vstupu do kolektoru, se rovnoměrně rozloží mezi teplotu okolí a maximálně dosažitelnou teplotou ve zkušebním zařízení.

Zkušební podmínky norem, tj. požadované hodnoty měřených veličin a dovolené odchylky od středních hodnot během měření, aby byla zajištěna podmínka měření v ustáleném stavu, jsou uvedeny v tab. 1. Je patrné, že podmínky se mezi normami navzájem příliš neliší, s výjimkou benevolentního požadavku ASHRAE na kolísání vstupní teploty.

Tab. 1 - Zkušební podmínky pro zkoušku za ustálených podmínek (požadavky různých norem)

Zkoušení solárních kolektorů je možné provádět ve venkovním nebo vnitřním prostředí. Zkoušky ve vnitřním prostředí jsou prováděny při umělém záření ze simulátoru slunečního záření, tj. zdroje produkujícího zářivou energii. Nejběžnější typ simulátoru využívá elektrický oblouk v uzavřeném parabolickém reflektoru jako světelný zdroj. Simulované záření by mělo mít spektrální rozložení, velikost a homogenitu blízké slunečnímu záření. V průběhu zkoušky se nesmí ozáření v různých místech apertury lišit o více než 15 % od střední hodnoty a homogenita ozáření musí být před zkouškou kontrolována.

Obr. 1 - Zkoušení solárních kolektorů ve venkovním prostředí a v simulátoru slunečního záření,
zdroj ISE/ESTIF

Ve vnitřním prostředí je nutné použití generátoru umělého větru. Pokud při zkoušce ve venkovním prostředí nelze dosáhnout požadované rychlosti proudění vzduchu okolo kolektorů, je nutné použít generátor umělého větru také.

Podrobnosti o principech zkušebního zařízení, podmínkách instalace zkoušeného kolektoru a jeho propojení se zkušebním zařízením, instalaci měřicích čidel a průběhu zkoušky lze nalézt v uvedených normách. Zkušební podmínky či požadavky na přesnost přístrojů jsou pro zkoušku ve venkovním i vnitřním prostředí stejné. Odlišnosti vycházejí pouze z požadavků na provoz simulátoru záření (měření tepelného ozáření kolektoru).

Vlastní stanovení tepelného výkonu a účinnosti zkoušeného kolektoru z naměřených hodnot vyplývá ze základních fyzikálních vztahů. Na základě měření hmotnostního průtoku nebo objemového průtoku teplonosné kapaliny (používá se voda pro reprodukovatelnost a srovnatelnost výsledků), teploty na vstupu do kolektoru t_k1 a na výstupu z kolektoru t_k2 v ustáleném stavu se stanoví tepelný výkon kolektoru podle vztahu

ρ je hustota vody, stanovená pro teplotu vody v průtokoměru, v kg/m³;
c měrná tepelná kapacita vody, stanovená pro střední teplotu t_m, v J/(kg K).

Střední teplota teplonosné kapaliny se stanoví jako

Okamžitá účinnost solárního kolektoru je dána poměrem

G je sluneční ozáření dopadající kolmo na vztažnou rovinu kolektoru, ve W/m²;
A_k je referenční plocha kolektoru, v m².

Jako referenční plochu kolektoru A_k, ke které je možné vztáhnout účinnost, používají některé normy plochu hrubou A_G (ASHRAE, ISO), plochu apertury A_a (EN) nebo plochu absorbéru A_A (EN, ISO).

Okamžitá účinnost se graficky znázorňuje v závislosti na středním redukovaném rozdílu teplot

Z hodnot účinnosti stanovených z měření v závislosti na redukovaném rozdílu teplot se získá regresí metodou nejmenších čtverců křivka okamžité účinnosti ve tvaru polynomu 2. řádu

η₀ je účinnost solárního kolektoru při nulovém teplotním spádu mezi střední teplotou teplonosné kapaliny t_m a okolím t_e (nulové tepelné ztráty);
a₁ lineární součinitel tepelné ztráty kolektoru, ve W/(m² K);
a₂ kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru (vyjadřuje zvýšení tepelných ztrát vlivem sálání, závislé na rozdílu 4. mocnin teplot), ve W/(m² K²).

Poznámka: Norma ASHRAE s ohledem na americkou tradici vyjadřuje účinnost solárního kolektoru v závislosti na (t_k1 - t_e)/G.

Tvar paraboly se nesmí použít v případě, že odvozená hodnota a₂ je záporná. Hodnota G používaná ke znázornění výsledné křivky je 800 W/m². Součinitele křivky (paraboly) se vztahují k příslušné referenční ploše kolektoru. Přepočet mezi součiniteli křivky je možný na základě znalosti referenčních ploch, např.

V otázce "k jaké referenční ploše kolektoru přednostně vztahovat a uvádět účinnost" není u odborné veřejnosti jednoznačná shoda. Zkušebny se více méně shodují na ploše apertury A_a jako referenční ploše kolektoru. Současná verze zkušební normy vzhledem k nutnosti jednoznačně definovat tepelné vlastnosti kolektoru stanovuje grafické vyjádření tepelného výkonu kolektorového modulu jako funkce teplotního rozdílu mezi střední teplotou kapaliny a teplotou okolí ve tvaru

a tím odpadá diskuze o volbě referenční plochy solárního kolektoru. Pro grafické vyjádření se používá hodnota slunečního ozáření G = 1000 W/m². Průsečík křivky tepelného výkonu solárního kolektoru s osou výkonu je definován jako špičkový výkon kolektoru a stanoví se

Na druhé straně na základě závislosti výkonu modulu kolektorů pouze na teplotním rozdílu (t_m - t_e) nelze mezi sebou porovnat různé konstrukce kolektoru. Pro takové účely se proto i nadále v rámci zkoušek stanovují součinitelé křivky účinnosti (zpravidla k ploše apertury A_a).

[1] ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody, která detailně popisuje zkušební metody a podmínky, za kterých jsou solární kolektory zkoušeny. ČNI 2006.
[2] ISO 9806-1 Test methods for solar collectors - Part 1: Thermal performance of glazed liquid heating collectors, including pressure drop. ISO 1994.
[3] ASHRAE 93-1977 (93-2003) Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors, ISSN: 1041-2336. ANSI/ASHRAE 2003.