Оборудование для использования солнечного тепла
Опубликовано: 18 июня 2009 г.
545
Основной элемент солнечной водонагревательной установки – коллектор, в котором происходят улавливание солнечного излучения и нагрев теплоносителя.
В настоящее время используются два вида солнечных коллекторов – плоские и вакуумные. Плоские наиболее доступны по цене. Принцип их действия заключается в следующем: солнечный свет, проникая сквозь стекло, попадает на металлический абсорбер (от лат. absorbeo – поглощаю) со специальным покрытием и поглощается им. Абсорбер испускает тепловые инфракрасные лучи, которые не могут проникнуть сквозь стекло обратно в атмосферу. В нижнем направлении (а в некоторых коллекторах и в боковых) путь теплу преграждает слой теплоизоляции. Удержанная энергия передается теплоносителю, протекающему по уложенному в коллекторе теплообменнику из медных трубок.
Возможны две схемы организации движения теплоносителя по коллектору: меандровая (змеевик) и параллельная, при которой нагреваемый теплоноситель движется по тонким трубкам от одного коллектора к другому. Трубки могут быть приварены с тыльной стороны абсорбера или прилегать к нему сверху.
В качестве материала абсорбера обычно используется медь, но применяется и алюминий. Сегодня от традиционного химического чернения абсорбирующей поверхности производители коллекторов переходят к применению специальных полимерных покрытий, которые наносятся напылением (в том числе – в вакууме) или пленочным методом. Такие покрытия позволяют преобразовать в тепло солнечное излучение максимально широкого диапазона. При этом у производителей появляется возможность предлагать для различных архитектурных решений солнечные коллекторы, выполненные в разных цветовых гаммах.
Наряду с полноповерхностными абсорберами, используются и так называемые ленточные, состоящие из металлических полосок, примыкающих к трубкам теплообменника.
Корпус плоского солнечного коллектора чаще всего включает раму из алюминиевого профиля, а тыльная сторона закрывается алюминиевым листом, но применяются и пластиковые конструкции, в том числе – в виде цельной ванны-поддона. Поскольку коллектор устанавливается снаружи здания, материалы его корпуса должны быть устойчивы к коррозии.
Для покрытия солнечных коллекторов используют стекла специальных сортов, удовлетворяющие требованиям прочности и повышенной проницаемости для солнечных лучей (последнее, в частности, обеспечивается пониженным содержанием железа). Толщина такого стекла – 3–4 мм. Второй вид солнечных коллекторов – вакуумные. Они состоят из набора герметичных стеклянных (обычно – из боросиликатного стекла) колб, внутри которых помещены медный плоский абсорбер с покрытием, обеспечивающим высокую степень поглощения солнечных лучей, а также канал для циркуляции теплоносителя. Таким каналом может быть U-образная или коаксиальная медная трубка, концы которой напрямую присоединяются к трубкам-коллекторам, а также так называемая тепловая труба.
Тепловая труба заправлена специальной жидкостью, которая испаряется под действием тепла, получаемого от абсорбера. С помощью гибкого элемента труба подсоединена к цилиндрическому конденсатору, который помещается в теплообменник. По теплообменнику протекает теплоноситель контура гелиоустановки, которому, конденсируясь, отдает тепло рабочее вещество. Затем жидкость вновь стекает по тепловой трубе и испаряется. Такая конструкция обеспечивает сухое присоединение элементов вакуумного коллектора, позволяющее поворачивать колбы в нужном направлении и заменять их при заполненной и находящейся под давлением установке.
В процессе изготовления из колб вакуумных коллекторов всех видов откачивается воздух; а некоторые производители заполняют их инертным газом – аргоном. Это обеспечивает хорошую теплоизоляцию (почти полностью отсутствуют тепловые потери на конвекцию между стеклянной колбой и абсорбером). Вакуумные коллекторы позволяют использовать даже рассеянное солнечное излучение и способны работать без значительного снижения производительности в холодное время года. Разумеется, стоимость такого коллектора выше, чем плоского.
Важно, что число колб вакуумного солнечного коллектора может набираться по значению требуемой мощности.
Существуют также пластиковые солнечные коллекторы, основная область применения которых – нагрев воды для бассейнов в теплое время года. Кроме солнечного коллектора, в зависимости от назначения (ГВС, поддержка работы системы отопления, то и другое) и проектного решения, гелиотермические установки включают в себя разводящую трубопроводную сеть, циркуляционный насос, бак-аккумулятор горячей воды, приборы автоматического управления работой системы и измерения температуры на линиях, расширительный бак. В качестве дополнительного (или основного) источника тепла может использоваться котел или электрический нагреватель.
Солнечные водонагревательные установки круглогодичного действия имеют два независимых рабочих контура. Движение жидкости по первому контуру (контур солнечных коллекторов) осуществляется принудительно – циркуляционным насосом. С целью контроля герметичности контура в нем создается давление несколько выше атмосферного. Второй контур – пользовательская сеть, в которую входят арматура и бак-аккумулятор горячей воды. Рабочий контур коллектора чаще всего выполняют из медных трубок. Баки-аккумуляторы горячей воды (в дальнейшем будем называть их теплоаккумуляторами) – важнейший элемент систем теплоснабжения, использующих возобновляемые источники энергии.
В простейшем случае такой теплоаккумулятор представляет собой цилиндрическую вертикальную емкость с размещенным в нижней ее части змеевиком-теплообменником. Теплообменник включен в контур солнечных коллекторов, циркуляция теплоносителя в котором – принудительная. Снизу в бак подается вода из холодного водопровода, а отбор нагретой воды осуществляется в верхней точке купола теплоаккумулятора. По мере расходования горячей воды происходит естественное пополнение бака холодной. Снаружи бак покрыт слоем теплоизоляции и декоративно-защитной оболочкой из металла или пластика. Чтобы обеспечить безопасную температуру подаваемой в систему ГВС воды, обвязка теплоаккумулятора, как правило, включает узел подмеса с трехходовым термостатическим клапаном.
Для изготовления баков теплоаккумуляторов применяются материалы, отвечающие требованиям, диктуемым нормативами по питьевому водоснабжению. Чаще всего емкости выполняют из углеродистой стали, покрывая изнутри эмалью; змеевики – из меди или легированной стали. Реже для производства баков применяется «нержавейка».
Стандартным объемом для теплоаккумуляторов гелиосистем индивидуальных домов можно считать 300 л. В сочетании с солнечными коллекторами площадью до 6 м2 (что соответствует номинальной тепловой мощности 3–4,5 кВт) такой бак позволяет получить установку для ГВС домашнего хозяйства семьи из четырех человек. Для более многочисленных семей предлагаются теплоаккумуляторы емкостью 400 и 500 л. Следующий вид теплоаккумуляторов – комбинированные. От описанных выше баков для солнечных установок ГВС их отличает наличие второго теплообменника, расположенного в верхней зоне емкости. К нему подключается стационарный аппарат (котел), вырабатывающий тепло для отопления здания. В этом случае солнечная энергия используется не только для получения горячей воды на гигиенические и хозяйственные нужды, но и на поддержку работы отопительной системы. Для применения в домах на одну семью емкость подобных баков составляет, как правило, 700–800 л. Комбинированные теплоаккумуляторы для гелиоустановок поддержки систем отопления изготавливаются преимущественно из стали котельных марок. На европейском рынке предлагаются также баки из синтетических материалов.
В технике аккумулирования тепла широко используется принцип его послойного распределения. Известно: более горячая вода имеет меньшую плотность, и зоны с более высокой температурой будут располагаться в резервуаре выше менее нагретых зон.
Кроме того, вода обладает плохой теплопроводностью, поэтому при отсутствии перемешивания тепло в резервуаре может сохраняться послойно, а каждый потребитель (контуры радиаторного отопления, «теплого пола», ГВС) – получать теплоноситель из соответствующей температурной зоны. В системах со сложными гидравлическими схемами, комбинацией различных источников и потребителей тепла, сильно различающихся объемным расходом теплоносителя или соотношениям давления, слоевая техника берет на себя функции балансировки. Это обеспечивает значительное снижение затрат на регулировочную и распределительную аппаратуру, которое способно оправдать расходы на приобретение самого теплоаккумулятора. Наряду с описанными выше, на рынке предлагаются термосифонные установки для ГВС, где солнечные панели комплектуются теплоизолированным накопительным баком, непосредственно примыкающим к нагревательному коллектору. Преимущество таких установок – отсутствие нужны в циркуляционном насосе и приборах терморегулирования. Система функционирует в режиме естественной циркуляции. Нагретая в коллекторе горячая вода через термосифон подогревает воду второго контура, которая ввиду меньшей плотности поднимается вверх в бак-аккумулятор; остывшая в баке вода, имея большую плотность, опускается вниз к термосифону. Некоторые фирмы оснащают такие системы теплоаккумуляторами конструкции «бак в баке», что позволяет разделить контуры ГВС и солнечных коллекторов и использовать в первом из них незамерзающий теплоноситель. Тенденцией последних лет стало интегрирование оборудования гелиоустановки: насосная группа, необходимая арматура и контрольно-измерительные приборы размещаются в одном модуле, который часто встраивается в корпус теплоаккумулятора. Это позволяет сэкономить место и сократить расходы на монтаж системы.
Более того, элементы гелиоустановки, размещаемые внутри помещения, объединяются с другими источниками тепла – отопительными котлами и тепловыми насосами. При этом общий модуль автоматики осуществляет согласованное управление всеми системами, и, например, котел включается только при отсутствии достаточного поступления тепла от солнечных коллекторов.
Современный рынок отопительной техники предлагает хорошо структурированные и оформленные в конкретные предложения решения, позволяющие в той или иной мере использовать в теплоснабжении солнечную энергию. При этом не прекращаются и работы «на будущее». Одно из новых направлений – комбинирование работы солнечной и теплонасосной установок. Такое решение внедряет, в частности, компания Vaillant. Речь идет о созданном, но пока еще не выведенном на массовый рынок цеолитном тепловом насосе. В качестве источников тепла, необходимого для испарения воды в первичном контуре системы, установка будет комплектоваться солнечными коллекторами .
Другой пример – австрийское предприятие SOLution Solartechnik GmbH, занимающееся внедрением систем теплоснабжения на основе бивалентного теплового насоса HeatSOL, источниками первичного тепла для которого служат воздух и солнечные коллекторы. Мощность теплового насоса – 15 кВт; температура воды на выходе из него – 55 °C. Предлагаемая система, включающая также солнечные коллекторы суммарной площадью 16–32 м2 и комбинированный бак-аккумулятор тепла емкостью 1000 л, полностью покрывает потребность в тепле для отопления и ГВС индивидуального дома. Использование солнечных коллекторов для работы теплового насоса начинается при температуре наружного воздуха 10 °C.
В качестве тепловоспринимающих аппаратов гелиотермических систем, в том числе – для индивидуальных домов, сегодня рассматриваются не только солнечные коллекторы.
Оригинальная установка, обеспечивающая нагрев воды от солнечной энергии до 110 °C, появилась в текущем году в ассортименте итальянской компании Systema (новинка уже доступна и в нашей стране). Концентратор Sycon включает в себя параболический гелиостат, составленный из 132 зеркальных элементов с высокой отражающей способностью, и теплообменник (котел), в котором происходит нагрев воды. Полезная поглощающая поверхность гелиостата составляет 12 м2. Предусмотрена возможность изменения его положения по вертикали и горизонтали (в зените и азимуте). Поворотной платформой управляет высокоточная цифровая автоматика, ориентирующаяся на отклонение солнца. Таким образом, во-первых, достигается наилучшая утилизация солнечного тепла в разное время дня и года, во-вторых, обеспечивается возможность модуляции тепловой мощности установки. При наличии частотного регулирования скорости вращения циркуляционного насоса (опция; в базовом исполнении применен 3-скоростной «циркуляционник») диапазон изменения мощности Sycon – 0–100 %. Максимальная мощность теплообменника – 9,85 кВт. В условиях 37о с.ш. среднесуточное количество энергии, передаваемой от установки на тепловой аккумулятор, составляет летом 100, а в марте – 70 кВт•ч. Специфика конструкции теплообменника обеспечивает повышенную емкость поглощение солнечного тепла и, в сочетании с хорошей теплоизоляцией элементов гидравлического контура, низкие тепловые потери.
Гелиостат защищен от атмосферных осадков и сильных порывов ветра (при срабатывании анемометра он автоматически наклоняется в безопасное положение). Для облегчения транспортировки и монтажа предусмотрена складываемая конструкция гелиостата.
Гидравлический контур установки оснащен встроенными предохранительными устройствами (реле давления, жидкостный расходомер, защитный термостат). В зависимости от модели установки, автоматика реализует управление и контроль температуры горячей воды в первичном и вторичном контурах или управление вторичным контуром по термостату. Управление всем комплексом может осуществляться с пользовательской панели типа Touch Screen с четырехцветным дисплеем или (опционально) специальной компьютерной программой. Для дистанционного управления и обслуживания возможно наличие модема GSM.
Концентратор Sycon совместим с отопительными и кондиционерными системами, может производить горячую воду для санитарных нужд и отопления бассейнов, а также подключаться к установкам ко- и тригенерации.