Eestile sobivad helio-soojaveesüsteemid

Viimastel aastatel on päikeseenergeetika tehnilised lahendused nii elektri kui ka sooja majapidamisvee tootmisel Eestis tõepoolest levima hakanud. Fotoelektrilised ehk PV-moodulid leiavad kasutuskoha elektrivõrguga ühendamata paikades, eeskätt saartel (nt Naissaar). Soojaveesüsteeme on mõistlik arendada seal, kus sooja vett on vaja kogu aeg ja eriti suvel (nt puhkebaasides, haiglates, turismitaludes). Koolidel on suvel vaheaeg, vett ei tarbita ning seetõttu on nende helio-soojaveesüsteemide tasuvus küsitav.

Eestis kasutatakse kaht tüüpi heliokollektoreid − lame- ja vaakumtorukollektoreid (joonised 1 ja 2). Pole selge, kumba tasub eelistada, sest mõlemal on omad head ja vead. Jättes kõrvale hinna, vaadelgem nende kollektorite sobivust Eesti oludesse, tuginedes (ligikaudsele) arvutisimulatsioonile.

Aluseks on võetud kollektori (absorberi) ühe ruutmeetri arvutuslik jõudlus vee soojendamisel temperatuuridelt 7, 30 ja 50 ^oC. Need temperatuurid valiti ideaalselt stratifitseeritud 300-liitrise salvesti mudelist. Veevärgist süsteemi võetavat vett, mille temperatuur on 7 ^oC, hakatakse soojendama hommikul, eeldades, et 100 liitrit kuuma vett on eelmisel õhtul ära tarvitatud; 30 ^oC on eelmisel päeval süsteemi võetud ja päeva jooksul üles soojenenud vee vahekihi temperatuur (kokkuleppeline väärtus, kihi tegelik lõpptemperatuur sõltub aastaajast) ning 50 ^oC on viimase, õhtul ära tarvitatava vee kokkuleppeline temperatuur tööpäeva alguses.

Vee soojenemine heliokollektoris on võrdeline päikesekiirguse intensiivsusega (kiiritustihedusega) ja väheneb kollektori sise- ja välistemperatuuri vahe tõusuga.

Kõik need suurused on perioodilised (aastaaja ööpäevatsükkel) ja juhuslikud (pilvitus, tsüklonite toime) ning seepärast saab võrdlust teha ainult statistilisi keskväärtusi rakendades. Käesolevas võrdluses on kasutatud Tõravere observatooriumis registreeritud kiirgusandmeid [1] ning Tallinna koordinaate ja temperatuuriandmeid [2].

Iga kuud on iseloomustatud selle 15. kuupäevale omistatud keskmiste andmetega. Joonisel 3 on esitatud Tallinna keskmiste õhutemperatuuride kõverate siinuseline aproksimatsioon. Pandagu tähele, et välistemperatuuri T_a maksimum saabub 2–3 tundi pärast keskpäeva.

Tööpäevaks loeti ajavahemikku 6.00–17.00 (päikeseaeg!), mil päikesekiirte nurk kollektori tasapinna ristjoone suhtes on alla 60^o. See lubab välistada kiirguse omastamise sõltuvust sellest nurgast. Üle 60-kraadise nurga korral kahaneb kiirguse omastamine kiiresti. Simulatsiooni tulemusi kajastab joonis 4.

Kollektori muundustegur η on kirjeldatav lihtsustatud valemiga η = η₀ – U_L (T_a – T_i)/G, milles T_a on välistemperatuur (joonis 3) ja T_i uuritava veekihi (muutuv!) temperatuur vaadeldava tunni vältel. Mõlema kollektori arvutusnäitajad on alljärgnevad.

Vaakumtorukollektor on omapärane selle poolest, et põiki torusid, kuid nurga all langevat kiirgust omastatakse paremini kui risti langevat. Seepärast kasutati simulatsioonil kollektori SPA-58-1800 algmuundusteguri η₀ keskmist väärtust (0,777), mitte passis antud algväärtust 0,647. Aasta- ja kellaajast sõltuva kiiritustiheduse G (MJm^-2) väärtused saadi Eesti kiirguskliima teatmikust [1].

Tööpäeva alguses on vee temperatuur Ti olenevalt vaadeldavast veekihist kas 7, 30 või 50 ^oC; tööpäeva lõpul vastavalt joonisel 4 esitatud graafikule. Soojendatava vee ringluskiirus on kokkuleppeliselt 100 liitrit tunnis. Tegelikus süsteemis ei ole joonisel 4 toodud väärtused kehtivad, sest kollektori tegelikku pinda võrdlev analüüs ei arvesta, küll aga lubab võrdlussimulatsioon üht-teist hinnata. Joonisel 4 on näha, et I kihi vee eelsoojendamiseks sobib suve jooksul kõige paremini lame heliokollektor, veebruaris ja märtsis aga mitte. Keskmise ja kõrgema temperatuuriga kihtide II ja III jaoks oleks parem vaakumtorukollektor (jooned lisamärkidega vastavalt + ja #). Mida soojemat vett soovitakse, seda suuremaks selle eelis kasvab.

Kas valida lame- või vaakumkollektor?

Lõpliku otsuse peab andma majandusanalüüs. Seda pole siinkohal tehtud, sest tootjad (ja edasimüüjad) eelistavad tänapäeval turustada toodet komplektina, millesse peale kollektorite kuuluvad salvesti, pump, süsteemi elektronkontroller ja torustik ning milles kollektori enda hind pole näha. Selline müügitaktika takistab ka ratsionaalse helio-soojaveesüsteemi koostamist erisugustest kollektoritest – vee eelsoojendamiseks on süsteemis odavam lame- ning järelsoojendamiseks kallim vaakumtorukollektor [3]. Jadamisi seatud eri kollektorite (osasüsteemide) kasutamine suurendaks Eesti oludes saagist 10−15 %.

Viidatud allikad

1. Russak, V., Kallis, A. Eesti kiirguskliima teatmik. Toim. H. Tooming. EMHI, Tallinn, 2003.
2. Riigi Ilmateenistus
3. Tomson, T. Lõhestatud struktuuriga heliosüsteem. − Keskkonnatehnika, 1/2000, 21.

Artikli autor on TEOLAN TOMSON, TTÜ materjaliteaduse instituudi vanemteadur, tehnikadoktor

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 1/2010 lk 20–21

Esifoto: Wikimedia Commons, CC BY-SA3.0