Солнечные системы горячего водоснабжения и отопления
Опубликовано: 15 февраля 2017 г.
2461
Плата за расход энергоносителей, использованных на обеспечение теплоснабжения, включающего отопление и ГВС, является одной из основных статей расхода потребительского бюджета. Особенно актуально это для владельца частного дома, который решает вопрос устройства водо- и теплоснабжения здания самостоятельно.
Организация энергоэффективной системы теплоснабжения дачи, коттеджа с использованием энергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) не только создает эффект значительной экономии невозобновляемых энергоресурсов и расходов денежных средств потребителя, но и способствует сохранению экологии окружающей среды.
Прообразы современных систем ГВС с использованием солнечной энергии (гелиосистемы) давно знаком дачникам – кто не устанавливал на крыше летнего душа на своем участке бак, исправно снабжавший в солнечные дни «почти горячей» водой? Современные гелиосиcтемы, унаследовав главный принцип конструкции, работают значительно эффективнее. Теоретически такие системы при их правильной установке и разумной эксплуатации в состоянии обеспечить до 90 % потребностей в горячей воде. На практике же это напрямую зависит не только от выбора оборудования и грамотного монтажа, но, в первую очередь, от того, в каком регионе находится дом, оснащенный такой системой.
Первоначальная установка солнечной системы ГВС и тем более отопления – дело весьма затратное, особенно если использовать для этого передовые технические решения. Однако вложения начинают окупаться практически с момента запуска системы в эксплуатацию.
Принципиальная конструкция
Принципиально такая гелиосистема (рис. 1, 2), предназначенная для обеспечения отопления и ГВС, включает в себя следующие основные компоненты:
– солнечные коллекторы;
– насосный модуль с группой безопасности;
– трубопровод;
– контроллер;
– водяной бак-аккумулятор;
– дублирующий источник энергии.
Рис. 1. Принципиальная схема гелиосистемы теплоснабжения
Рис. 2. Система теплоснабжение коттеджа, включающая гелиоколлектор.
Солнечный коллектор (или гелиосборник) – основной рабочий модуль любой гелиосистемы, именно в нем происходит поглощение энергии солнечных лучей и нагрев за счет этого первичного теплоносителя. Солнечные коллекторы могут быть встроены в отдельные элементы конструкции здания – стены, кровлю (рис. 3 а, б), а могут являться и самостоятельным, отдельным устройством, не относящимся к зданию.
Рис. 3. Гелиоколлекторы на крыше дома: a – плоские, б – трубчатые вакуумные.
При установке гелиосистемы необходимо правильно учитывать движение солнца по небосклону и как следствие наклон и ориентацию крыши, стен и установленных на ней гелиосборников по сторонам света.
В гелиосборнике нагревается вода или иной тип теплоносителя. Циркуляцию жидкости в коллекторе обеспечивает насос, в некоторых системах осуществляется естественная циркуляция. Нагретый теплоноситель циркулирует по первичному контуру, отдавая тепловую энергию через теплообменник теплоносителю вторичного контура (вода) в резервуаре-аккумуляторе. Теплообменник может быть встроен в резервуар в виде змеевика или же выполнен как отдельное устройство. Процесс аккумуляции тепла регулируется автоматически благодаря контроллеру, управляющему работой насоса в гелиосистеме. В случае необходимости автоматика запускает дублирующий источник энергии.
Гелиосистемы различаются как по виду используемого в них теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные), так и по продолжительности работы – круглогодичные или сезонные, что особенно актуально в нашей стране.
Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения выполняются обычно одноконтурными. Они активно используются в летние и переходные месяцы, когда температура окружающего воздуха имеет положительные значения.
Если гелиосистема используется для отопления здания, то ее обычно выполняют двухконтурной, а чаше всего – многоконтурной. При этом в разных контурах применяют различные теплоносители, например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточном – вода, а в конечном, «потребительском», – воздух. Чаще всего это относится не к сезонным, а к круглогодичным системам теплоснабжения зданий; в таких системах, как правило, предусмотрен также мощный теплогенератор, работающий, например, на органическом топливе.
Трубчатый коллектор
Как уже отмечалось выше, солнечный коллектор – главный элемент любой гелиосистемы, от его выбора зависит эффективность системы и экономический эффект применения.
Простейший тип солнечного коллектора трубчатый (рис. 4), установленный под углом к горизонту, например, на крыше здания или во дворе, в котором теплоноситель нагревается от энергии солнечного излучения, проходя через батарею тонких трубок. Циркуляция обеспечивается за счет естественной конвекции, что избавляет владельца от затрат на электроэнергию для насоса.
Рис. 4. Трубчатый солнечный коллектор
Схема работы трубчатого коллектора следующая:
– из резервуара теплоноситель под действием силы тяжести попадает в нижнюю часть радиатора;
– нагреваясь, теплоноситель поднимается по трубкам вверх, в то время как в нижнюю часть из резервуара попадает новый остывший теплоноситель;
– пройдя через радиатор, теплоноситель вновь попадает в резервуар, замыкая, таким образом, цикл кругооборота;
– нагретый теплоноситель из резервуара забирается в систему отопления, водоснабжения либо в теплообменник.
Плоские солнечные коллекторы
Плоские гелиоколлекторы – самый распространенный тип гелиосборников в бытовых системах ГВС и отопления (рис. 5). Основной элемент плоского коллектора – поглощающая пластина, которая задерживает солнечный свет, преобразует его в тепло и передает теплоносителю. Поверхность теплоприемника обычно окрашена в черный цвет; для уменьшения потери тепла с поверхности пластины над ней устанавливается прозрачное покрытие, а для уменьшения потерь тепла с тыльной стороны пластина коллектора покрывается тепловой изоляцией.
Рис. 5. Плоский солнечный коллектор
В нормальном рабочем режиме накопленное в коллекторе тепло расходуется на нагрев циркулирующего через него теплоносителя. А потому основной характеристикой солнечного коллектора является объем теплоносителя, нагретого до заданной температуры в течение светового дня квадратным метром коллектора. В средней полосе Европы в летний период производительность таких коллекторов позволяет с 1 м2 получить 50–60 л воды, нагретой до 60–70 °С. КПД такого коллектора составляет около 70 %, что напрямую зависит от погодных условий и региона, где расположено здание. Плоские коллекторы собирают как прямое, так и рассеянное излучение и поэтому могут работать также и в облачную погоду. В связи с этим, а также с учетом относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными при нагревании жидкостей до температур ниже 100 °С.
Вакуумированные коллекторы
Вакуумированные или вакуумные коллекторы способны получать воду более высокой температуры; они заметно эффективнее плоских гелиосборников, но при этом тяжелее, дороже и к тому же требуют грамотной эксплуатации.
Благодаря использованию самого лучшего из возможных теплоизоляторов – вакуума, – общие потери тепла в коллекторе минимальны. КПД вакуумированного коллектора остается стабильно высоким даже при неблагоприятных погодных условиях. При температуре воздуха -45 °С и рассеянном солнечном свете производительность вакуумного коллектора на 40 % выше, чем у других видов такого оборудования.
Основной элемент таких коллекторов – вакуумная трубка, конструкция которой состоит из двух трубок – внешней и внутренней. Между внутренней поверхностью внешней трубки и наружной поверхностью внутренней существует герметичное пространство, из которого откачан воздух для создания вакуума. Как известно, вакуум, в котором нет среды для конвективного переноса энергии, является одним из самых эффективных типов термоизоляции. Внутренняя трубка изготавливается, как правило, из меди и имеет селективное покрытие, абсорбирующее солнечное излучение, а вакуумное пространство предотвращает конвективные потери тепла (рис. 6). Солнечное излучение проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в тепло. Это тепло передается жидкости, протекающей по внутренней трубке.
Рис. 6. Вакуумные трубки солнечного коллектора
Вакуумированные коллекторы, как правило, выполняются модульными – трубки можно добавлять или убирать по мере надобности, в зависимости от потребности в горячей воде.
В регионах, для которых характерны значительные перепады температур, вакуумные коллекторы гораздо эффективнее плоских. Во-первых, они хорошо работают в условиях как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Эта особенность в сочетании со свойством вакуума минимизировать потери тепла наружу делает эти коллекторы незаменимыми в условиях холодной, пасмурной зимы. Во-вторых, благодаря округлой форме вакуумной трубки, солнечный свет падает перпендикулярно поглотителю в течение большей части дня, в то время как в неподвижно закрепленном плоском коллекторе солнечный свет падает перпендикулярно его поверхности лишь в полдень.
Обычные плоские солнечные коллекторы рассчитаны на применение в регионах с теплым солнечным климатом, в неблагоприятные дни – в холодную, облачную и ветреную погоду – их эффективность резко падает. А конденсация и перепады влажности, связанные с погодными условиями, приводят к преждевременному износу и в свою очередь к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостатки несвойственны системам с вакуумными коллекторами.
Основное же преимущество вакуумных коллекторов – эффективность при минусовых температурах.
Установки на основе вакуумных коллекторов подразделяются по способу нагрева воды на прямого нагрева (сезонные) и косвенного (всесезонные).
В вакуумных гелиоколлекторах с прямой теплопередачей солнечной энергии воде стеклянные вакуумные трубки и бак-аккумулятор монтируются на одну раму под углом 40–60°. Трубки входят непосредственно в накопительный бак ГВС через уплотнительное резиновое кольцо (рис 7).. Вода нагревается в вакуумных трубках и вследствие уменьшения плотности более горячие слои жидкости поднимаются в бак за счет естественной циркуляци.
Рис. 7. Вакуумный коллектор прямого нагрева
Такие системы работают без давления, без циркуляционного насоса – гидравлику обеспечивают силы гравитации. Подключение к водопроводу производится через запорный клапан, который поддерживает уровень воды в баке. В качестве теплоносителя используется вода, фазовый переход которой (замерзание) в системе недопустим. Поэтому такие коллекторы, которые в средней полосе России можно использовать в период с апреля по сентябрь, до заморозков, называют сезонными.
Преимущества таких коллекторов – простота конструкции, КПД до 96 %, сравнительно низкая стоимость и энергонезависимость.
Вакуумные гелиоколлекторы с косвенной теплопередачей тепла воде называют сплит-системами (не путать с кондиционерами!), а также всесезонными или раздельными. Принцип действия таких солнечных коллекторов похож одновременно на работу сплит-кондиционеров и установок центрального отопления. Это закрытая система, которая работает под давлением водопровода или за счет циркуляционного насоса
В таких установках применяются вакуумные тепловые трубки, которые могут работать при температурах до –50 °С. Солнечный коллектор и бак-накопитель расположены раздельно и соединены трубопроводом (рис. 8). Солнечный коллектор обычно монтируется на крыше, а бак-накопитель внутри здания. Теплоноситель циркулирует в системе принудительно. Работа системы автоматизирована и регулируется контроллером.
Рис. 8. Вакуумный коллектор непрямого нагрева
Герметизированная внутренняя трубка вакуумного гелиоколлектора содержит небольшой объем имеющей низкую энергию фазового перехода жидкости. Под воздействием солнечного нагрева она испаряется, воспринимая тепло от вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть – наконечник, где конденсируются, сообщая энергию низкозамерзающей жидкости (антифризу) – теплоносителю основного контура. Конденсат стекает вниз тепловой медной трубки, затем цикл повторяется. Такая трубка устойчива к замораживанию и сохраняет работоспособность до –50 °С.
Испарение легкокипящей жидкости начинается при достижении температуры внутри трубки 30 °С. При меньшем ее значении трубка как бы запирается (прекращается конвективный перенос энергии) и дополнительно сохраняет тепло. Такие трубки эффективно функционируют не только в пасмурную погоду, но и при отрицательной температуре, преобразуя как прямые, так и рассеянные солнечные лучи в тепло.
Через верхнюю часть солнечного коллектора и змеевик бака-аккумулятора (накопительного бойлера) протекает незамерзающая жидкость. Эта жидкость забирает тепло из медных наконечников и через змеевик (теплообменник) бака-аккумулятора нагревает воду.
Цикл передачи тепла из коллектора к баку-аккумулятору длится до тех пор, пока продолжается световой день и температура на выходе коллектора выше температуры воды в баке. Приемник солнечного коллектора выполнен из меди с полиуретановой изоляцией, закрыт листом анодированного алюминия. Передача тепла происходит через медную гильзу приемника. Благодаря этому, солнечный контур сепарирован от трубок и при повреждении какой-либо сохраняет работоспособность. Операция замены (демонтажа) очень проста и не требует слива низкозамерзающей жидкости из контура.
Включение и выключение циркуляционного насоса осуществляется контроллером на основании показаний датчиков температуры, смонтированных на выходе коллектора, в баке-накопителе и «обратке» системы теплоснабжения (в том случае, если предусмотрено отопление за счет солнечной энергии). Установленный расширительный бак предохраняет систему от избыточного давления, возникающего при увеличении объема низкозамерзающего теплоносителя вследствие его разогрева.
Сплит–система с принудительной циркуляцией представляет собой автоматизированную систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного за счет инсоляции. Автоматическое регулирование позволяет ей функционировать также в бивалетном и мультивалентном режимах, используя энергию и от других источников энергии (электрических водонагревателей, газовых, жидкотопливных и твердотопливных котлов, тепловых насосов), обеспечивающих работу систему при поступлении недостаточного количества солнечной энергии и в пиковых режимах.
Бак-аккумулятор косвенного нагрева, предназначенный для нагрева и накопления горячей воды, может быть выполнен, например, в виде емкости из нержавеющей стали в пенополиуретановой изоляции, поверх которой расположен эмалированный стальной лист. В баке обычно расположены одна или две внутренние теплообменные спирали – змеевики. Он может быть дополнительно оснащен электронагревателем (ТЭНом) мощностью до 2,5 кВт, теплообменниками, коммутированными с тепловым насосом или пиковым котлом.
Воздушные коллекторы
Такие коллекторы обладают серьезным преимуществом – им не свойственны проблемы замерзания и кипения теплоносителя, от которых порой страдают жидкостные системы. И хотя утечку теплоносителя в воздушном коллекторе труднее заметить и устранить, чем в жидкостной системе, подобная неприятность чревата куда меньшими проблемами, нежели жидкости, а это заметно снижает стоимость эксплуатации системы.
Материалы, используемые в воздушных системах, например, пластиковое остекление, заметно дешевле тех, что применяются в жидкостных, прежде всего, потому, что рабочая температура в воздушных системах ниже.
Воздушные коллекторы представляют собой простые плоские панели и используются в основном для отопления помещений; нередко их применяют для сушки сельскохозяйственной продукции. Элементом, нагревающимся от солнечного излучения в таких коллекторах, служат ребристые (для увеличения теплоотдачи) металлические панели, системы металлических труб, многослойные экраны, в том числе и из неметаллических материалов. Воздух в таких коллекторах нагревается от непосредственного контакта с поверхностью поглощающего солнечное излучение элемента. Вся система должна быть теплоизолирована.
Циркуляция воздуха может быть как естественной, так и принудительной. В последнем случае в солнечных воздухонагревателях устанавливаются вентиляторы.
Главные достоинства воздушных коллекторов – простота и надежность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При хорошем уходе коллектор может прослужить 10–20 лет, а управление им не представляет сложностей. Промежуточный теплоноситель не требуется.
К недостаткам относится невысокий КПД, большая площадь таких коллекторов, необходимость длинного воздуховода; высокая потребность в электроэнергии для прогонки воздуха через коллектор, а также трудности, связанные с аккумулированием тепла, и невозможность использования для подогрева воды.
Статья из журнала "Аква-Терм" №4/ 2016, рубрика "Отопление и ГВС".
