Гелиосистемы

В настоящее время в нескольких миллионах жилых домов и предприятий пользуются солнечными системами нагрева воды. Это экономичный и надежный вид горячего водоснабжения. Нагрев воды для бытовых целей или отопления с помощью солнечной энергии — естественный и простой метод сбережения энергии и сохранения запасов ископаемого топлива. Хорошо спроектированная и правильно установленная солнечная система может, благодаря своему эстетичному виду, повысить стоимость дома.

Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах с относительно небольшим количеством солнечной радиации, например в Северной Европе, солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде. Тепловые солнечные системы показывают КПД 50-90%.

Стоимость полной системы горячего водоснабжения и отопления зависит,  в частности, и от требований к горячей воде, принятых в данной стране, и от климата. Начальное капиталовложение в такую систему, как правило, выше, чем требуется для установки электро- или газового обогревателя, но с учетом суммы всех расходов общие затраты за весь срок службы солнечных водонагревателей обычно ниже, чем для традиционных систем обогрева. Необходимо отметить, что основной срок окупаемости средств, вложенных в  систему, зависит от цен на ископаемые энергоносители, ею замещаемые. Ожидаемый срок службы солнечных обогревательных систем — 20-30 лет.

Сколько энергии можно получить?

Количество энергии, которое может обеспечить солнечный обогреватель, зависит от величины солнечной радиации и от эффективности системы Эффективность солнечной установки в целом зависит от эффективности коллектора и от потерь в системе циркуляции горячей воды. Поскольку на последние влияют разнообразные специфические параметры, мы уделим основное внимание эффективности солнечных коллекторов.

 Эффективность — это соотношение между количеством произведенной энергии и солнечной энергии, попадающей на коллектор. Этот показатель различен для разных типов коллекторов и зависит от интенсивности солнечной радиации, от тепловых и оптических потерь: чем больше потери, тем ниже эффективность. Тепловые потери минимальны, если температура воды, используемой в установке, равна температуре окружающего воздуха. Таким образом, простой абсорбер без стеклянного покрытия, используемый для нагрева воды в бассейне, достигает наибольшей эффективности — до 90%.

Конфигурации солнечных коллекторов

Размеры системы обычно определяются количеством помещений, людей и объемом необходимой горячей воды. Существует несколько основных конфигураций солнечных водонагревателей. В самом общем плане они делятся на два вида: активные системы, оснащенные насосами и средствами управления, позволяющими направлять солнечное тепло в теплоаккумулирующий бак, и пассивные системы типа термосифона, в которых используется естественная циркуляция горячей воды.

Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света.

Гелиосистемы, которые предназначены для одновременного выполнения нескольких функций (ГВС и отопление, ГВС и нагрев воды в бассейне и т.д.) называются комбинированными (многофункциональными). Такие системы в основном конструируются как двухконтурные с принудительной циркуляцией теплоносителя.

Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют экономить до 75% традиционного топлива, которое необходимо для приготовления горячей воды, и до 50% необходимого для целей отопления.

Емкостной коллектор

Простейший вид солнечного коллектора — это "емкостной" или "термосифонный коллектор", получивший это название потому, что коллектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагревается и хранится "одноразовая" порция воды. Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условиях домашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель. Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такой коллектор — недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами.

Плоские коллекторы

Самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. В плоских коллеторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть поступающего на коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет, так как темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, чем светлые. Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю — воздуху или жидкости, циркулирующей по трубкам. Поглощающие пластины обычно изготовлены из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Пластина-поглотитель должна иметь высокую теплопроводность, чтобы с минимальными теплопотерями передавать воде накопленную энергию.

Простейшие схемы гелиосистем

В самых простых жидкостных системах используется обычная вода, которая нагревается прямо в коллекторе и поступает в ванную, кухню и т.п. Эта модель известна как "разомкнутая" (либо "прямая") система. В регионах с холодным климатом жидкостные коллекторы нуждаются в спуске воды в холодное время года, когда температура опускается до точки замерзания; либо в качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость. В таких системах жидкий теплоноситель поглощает тепло, накопленное коллектором, и проходит через теплообменник. Теплообменником обычно служит установленный в доме водяной бак, в котором тепло передается воде. Эта модель называется "замкнутой системой" ("непрямой").

Солнечное тепло аккумулируется в баке за счет того, что в нем хранится горячая вода. Баки бывают разные по объему. Все они подсоединены к впускной трубе для холодной воды и выпускной — для горячей, а также к циркуляционным трубам. Наиболее эффективен вертикальный бак с градиентом температуры по высоте, при этом холодная вода на входе не смешивается с горячей водой в верхней части бака. При наличии горизонтального бака производительность системы снижается на 10-20%.

Тепло из коллектора передается воде в баке с помощью теплообменника. В качестве теплообменника обычно используется змеевик на дне бака либо оболочка вокруг бака с жидкостью-теплоносителем. В системах с естественной циркуляцией и малыми потоками жидкости обычно используется оболочка. В случае малых потоков жидкость-теплоноситель медленно протекает через оболочку бака-накопителя, что позволяет добиться градиента температуры жидкости в оболочке в соответствии с распределением в баке. Благодаря этому улучшается теплообмен, а значит, возрастает эффективность по сравнению с традиционными системами.

Остекленные жидкостные коллекторы используются для нагрева бытовой воды, а также для отопления помещений. Неостекленные коллекторы обычно нагревают воду для бассейнов. Поскольку таким коллекторам не нужно выдерживать высокую температуру, в них применяются недорогие материалы: пластмасса, резина. Они не нуждаются в защите от замерзания, так как используются в теплое время года.

Технический уход за гелиосистемами

Благодаря простоте солнечных водонагревательных установок, уход за ними требуется минимальный. Зависит он от типа системы. Необходимо один-два раза в год проверять количество жидкости в системе и давление. Раз в год нужно проверить, не окислилась ли жидкость-теплоноситель. Если жидкость в системе закипела, нужно ее поменять, так как она могла потерять свои свойства от кипения.

При проектировании системы нужно обязательно учитывать требования по защите от замерзания.

Наиболее дешевой будет одноконтурная система термосифонного типа. Наиболее дорогой будет двухконтурная система с активной циркуляцией и одним или двумя теплообменниками.

Солнечные коллекторы желательно ориентировать в южном направлении, (допустимо отклонение без существенного снижения эффективности до 60°), но возможен вариант монтажа одной группы коллекторов на Запад, а другой на Восток. Угол наклона коллектора 25-35° позволяет достичь максимальной эффективности в летний период; 40-60° — целесообразен для солнечных коллекторов, которые эксплуатируются круглогодично (снижается эффективность в летний период, а увеличивается в остальной период года); под углом 90° коллекторы устанавливаются в системах рассчитанных на зимний период работы, в частности для систем отопления с целью снижения эффективности работы солнечных коллекторов в летний период.

Только двухконтурные системы с принудительной циркуляцией теплоносителя могут длительно эффективно и надежно работать на территории Украины в течение всего года, при этом позволяют дополнительно получать на 30% больше тепловой энергии по сравнению с термосифонными системами.

Следует учитывать, что каждая система индивидуальна, и процент экономии энергоресурсов при использовании гелиосистемы необходимо рассчитывать. Наибольшая экономия энергетических ресурсов с максимальным экономическим эффектом достигается при использовании комбинированных гелиосистем «ГВС + сезонный нагрев воды в открытом бассейне + отопление». Даже летом, открытый бассейн является значительным потребителем тепловой энергии, поэтому требуется достаточно большая площадь гелиоколлекторов для поддержания необходимой температуры воды. Когда вода с бассейна сливается на зимний период, вся площадь гелиоколлекторов используется для целей горячего водоснабжения и отопления.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.