Солнечные водонагревательные системы:

от горячей воды до отопления дома !

 

Солнечные коллекторы

Под солнечным теплоснабжением, в общем случае, понимается использование солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления в жилищно-коммунальной и производственной сферах.
В сущности, солнечные системы подобны традиционным системам теплоснабжения, но источником тепла в них является солнечное излучение. Для его восприятия и преобразование в тепловую энергию служат т.н. солнечные коллекторы (СК). Практически СК являются теплообменниками, имеющими каналы для теплоносителя, поверхность которых облучается Солнцем и за счет теплопередачи через стенки происходит нагрев жидкости или воздуха в каналах.
СК только преобразует (с определённым КПД) энергию, поступившую от Солнца на ту часть поверхности, которую он сам занимает, и его производительность прямо зависит от полезной площади, с которой СК собирает энергию.
Эффективность работы солнечных водонагревательных установок (СВУ) определяется в зависимости от тепловой эффективности СК и зависит от климатических параметров места ее эксплуатации, к которым в первую очередь относятся потоки солнечного излучения (прямого и рассеянного), температура наружного воздуха и скорость ветра. Эти параметры, определяющие эффективность теплообмена, изменяются как в течение суток, так и в зависимости от сезона.
Следует также напомнить, что все солнечные системы теплоснабжения являются аккумулирующими, т.е. в их составе непременно присутствует бак-аккумулятор, в котором происходит накопление тепла, полученного системой в течение светового дня, и обеспечивающий круглосуточную подачу тепла (горячей воды) потребителю.
Такие установки чаще всего работают по двухконтурной схеме, когда в первом коллекторном контуре теплоносителем является антифриз, а тепло к нагреваемой воде отводится через теплообменник. Сезонные установки могут быть и одноконтурными с заполнением коллекторов нагреваемой водой. Рассмотрим преимущества и недостатки каждой из этих систем.

 

Одноконтурная термосифонная система
В 70-90 гг. большинство солнечных водонагревательных систем, как в нашей стране, так и за рубежом, были одноконтурными, т.е. системами прямого нагрева водопроводной (сетевой) воды. Опыт эксплуатации показал, что при всей простоте и дешевизне эти системы достаточно проблемны в эксплуатации и имеют меньший срок службы по сравнению с двухконтурными системами.
Меньшая стоимость одноконтурных систем объясняется тем, что такие системы делаются безнасосными, или т.н. «термосифонными». Типичная схема такой системы приведена на рис. 1.


  Рис. 1: Принципиальная схема одноконтурной термосифонной системы солнечного горячего водоснабжения

Термосифонная система работает следующим образом. Коллекторы, бак-аккумулятор и соединительные трубопроводы системы заполнены холодной водой. Солнечное излучение, проходя через прозрачное покрытие (остекление) коллектора нагревает его поглощающую панель и воду в её каналах. При нагреве плотность воды уменьшается и нагретая жидкость начинает перемещаться в верхнюю точку коллектора и далее по трубопроводу – в бак-аккумулятор. В баке нагретая вода перемещается в верхнюю точку, а более холодная вода размещается в нижней части бака, т.е. наблюдается расслоение воды в зависимости от температуры (стратификация). Более холодная вода из нижней части бака по трубопроводу поступает в нижнюю часть коллектора. Таким образом, при наличии достаточной солнечной радиации, в коллекторном контуре устанавливается постоянная циркуляция, скорость и интенсивность которой зависят от плотности потока солнечного излучения. Постепенно, в течение светового дня, происходит полный прогрев всего бака, при этом отбор воды для использования должен производиться из наиболее горячих слоев воды, располагающихся в верхней части бака. Обычно это делается подачей холодной воды в бак снизу под давлением, которая вытесняет нагретую воду из бака. На подающем трубопроводе перед входом в бак обязательно располагаются предохранительный и обратный клапаны, мембранный расширительный бак, а также запорный вентиль.
Следствием такой схемы является обязательное расположение бака-аккумулятора выше верхней точки коллекторов, что не всегда удобно с конструктивной или архитектурной точки зрения. Кроме того, расстояние от коллекторов до бака из-за малого напора не должно превышать 1-2 метров, иначе скорость циркуляции снижается или она вообще прекращается.

 

Двухконтурная термосифонная система

С учетом указанных недостатков в применении солнечных систем произошел постепенный переход к двухконтурным системам с принудительной насосной циркуляцией.
Такая схема системы позволяет размещать бак-аккумулятор в любом удобном месте здания. В настоящее время подавляющее число солнечных систем в Европе устроено по этому принципу.

Принципиальная схема двухконтурной системы представлена на рис. 2.

Принципиальная схема такой системы не зависит от ее производительности и места установки. Площадь коллекторов выбирается в зависимости от климатических условий пропорциональной требуемому объёму нагретой воды и заданной длительности сезона работы системы.
Обычно такие системы представляют собой комплект, состоящий из следующих основных элементов:

1. коллекторы;
2. бак-аккумулятор;
3. циркуляционный насос с набором измерительных приборов и клапанов (или насосная станция);
4. мембранный расширительный бак коллекторного контура;
5. блок управления работой насоса с датчиками температуры;
6. трубопроводы с теплоизоляцией;
7. запорная и предохранительная арматура;
8. фитинги.

Размещение всех этих элементов на конкретном объекте требует, для учета особенностей его местоположения и ориентации на местности, выпол­не­ния проектных работ. В процессе проектирования определяется место и способ крепления коллекторов (особенно трудно это сделать, если ориентация здания не позволяет оптимизировать направление и наклон коллекторов), размещение бака-аккуму­ля­тора, насоса, а, главное, разводка трубопроводов и их стыковка с имеющимися магистралями здания. Следовательно, для каждого объекта проекты размещения элементов солнечной системы будут, в большей или меньшей степени, отличаться друг от друга при сохранении общей принципиальной схемы.
Коллекторный контур системы является замкнутым и заполняется каким-либо незамерзающим и нетоксичным теплоносителем. Низкие температуры замерзания теплоносителя позволяют не сливать его из коллекторов в зимнее время, что также удешевляет эксплуатацию и повышает коррозионную устойчивость системы. В настоящее время, в связи с развернувшимся в Украине строительством индиви­дуальных жилых домов, на рынке появилось большое количество систем отопления для них, теплоносители которых практически соответствуют требованиям к теплоносителям солнечных систем. Эти теплоносители, как зарубежные, так и разработанные в Украине, имеют сбалансированный набор ингибиторов коррозии для основных конструкционных металлов. Выбор теплоносителя осуществляется по их теплофизическим свойствам и стоимости. Коллекторы устанавливаются, как правило, на кровле здания, хотя в каждом конкретном случае возможны и другие места установки.
Условия размещения и ориентации коллекторов выбираются в соответствии с нормативными документами. На выходе из коллекторов (а это обычно самая верхняя точка контура) устанавливается автоматический воздушный клапан. Затем нагретый в коллек­торах теплоноситель проходит через опускной трубопровод и поступает в теплообменник бака-аккумулятора, где охлаждается, передавая тепло расходной воде бака. После выхода из бака теплоноситель насосом подается в нижнюю часть кол­лекторов. Отбор расходной горячей воды из бака-аккумулятора выполняется из верхней точки бака подачей в бак снизу холодной воды по водопроводной магистрали (т.е. всегда расходуется самая горячая вода, имеющаяся в баке). Эта вода по магистрали горячей воды подается к точкам отбора. Для обеспечения постоянного наличия в точках отбора горячей воды в систему может быть включена циркуля­ционная магистраль со своим циркуляционным насосом, как это делается в обычных схемах с накопительным бойлером. Фактически бак-аккумулятор всегда находится под давлением (как минимум) водопроводной сети. Включение циркуляционного насоса коллекторного контура производится бло­ком управления, который по своей функции является дифференциальным реле, которое сравнивает показания двух датчиков температуры: датчика ТКОЛ, установленного на выходе теплоносителя из коллекторов и датчика ТБАКА, установленного в баке-акку­­му­ляторе. Место установки датчика в баке может быть различным и это влияет на теплопроизводительность системы и ее безопасность. Обычно это место фиксировано конструкцией бака. За рубежом в систему устанавливается обычно не отдельный циркуляционный насос, а отдельно выполненный узел, т.н. насосная станция. Этот узел, кроме самого насоса (различной производительности), включает расширительный мембранный бак, узел заправки системы, обратные клапаны, предохранительный клапан, манометр и показывающие термометры на подающей и отводной магистралях. Выполнение насосной станции в виде единого теплоизолированного блока обеспечивает компактность и надежность системы, а также упрощает её монтаж. Если температура теплоносителя на выходе из коллекторов выше, чем температура воды в баке, то включается циркуляционный насос, и тепло передается воде в баке. При использовании современных насосов при работе производится регулировка частоты вращения насоса, чтобы за счёт изменения расхода поддерживать, по возможности, постоян­ной заданную разность температур управляющих датчиков. Многие зарубежные специализированные для солнечных систем блоки управ­ления имеют функции защиты установки от перегрева. Так, если температура коллекторов превышает установленный уровень, то блок управления принудительно включает насос, пока температура коллекторов не понизится на 100С, несмотря на то, что сам бак будет разогреваться выше установленной предельной температуры. Но при достижении в баке максимальной температуры 950С насос выключается обязательно. Расположение элементов системы в жилом здании представлено на рис. 3. На месте эксплуатации коллекторы устанавливаются так, чтобы их остекление было направлено на юг с допустимыми отклонениями на восток до 200, а на запад – до 300. Превышение допускаемых отклонений приводит к снижению теплопроиз­во­ди­тельности коллекторов. Угол наклона солнечного коллектора к горизонту является постоянным и выбирается по условиям работы системы. Для системы, работающей круглый год угол наклона коллектора равен географической широте данной местности, для работающей только в летний период – широте местности минус 150, а для работающей только в зимний период – широте местности плюс 150. Затенение коллекторов в течение светового дня окружающими предметами, зданиями или растительностью приводит к снижению теплопроизводительности системы.
При монтаже на горизонтальной плоскости во избежание взаимного затенения расстояние между рядами солнечных коллекторов следует принимать не менее 1,7 высоты ряда при круглогодичной работе системы и не менее 1,2 высоты ряда при летней работе. При работе в составе систем солнечного теплоснабжения коллекторы обычно не требуют постоянного наблюдения и регулярного обслуживания за исключением периодических внешних осмотров для контроля герметичности соединений не менее одного раза в сезон и периодической промывки остекления по мере его загрязнения для сохранения светопропускания стекла.

Рис.3. Размещение элементов солнечной системы горячего водоснабжения

Типичный бак для солнечных систем, работающий в комбинации с отопительным котлом обычно имеет два встроенных теплообменника. Это объясняется тем, что при ярко выраженной стратификации воды в баке (расслоении её в зависимости от температуры) и низкой теплопроводности воды, расположенный внизу бака теплообменник коллекторного контура прогревает весь объем бака, а верхний теплообменник, работающий от котла и только тогда, когда солнечная система не дает необходимого прогрева, обеспечивает заданную температуру только в верхней части бака. Обычно в баки небольших объемов встраивается электронагреватель-дублер вместе с термостатом, ограничивающим температуру нагрева воды от этого источника. В больших баках часто предусматривают установку электронагревателей в качестве дополнительной функции, устанавливая в простейшей комплектации заглушку на соответствующий фланец. Теплоизоляция современных баков – обычно вспененный пенополиуретан.
Специальные насосы для солнечных систем (solar) выпускаются всеми наиболее известными европейскими производителями, как например WILO и Grundfos, но, в принципе, возможно использовать в системах обычные циркуляционные насосы для систем отопления или горячего водоснабжения. Узел насосной станции состоит из двух участков трубопровода с присоединительными накидными гайками. На левом участке установлен только термометр, показывающий температуру теплоносителя, поступающего в теплообменник бака. На правом участке кроме насоса устанавливают термометр, манометр, предохранительный и обратный клапана, а также заправочный вентиль и мембранный расширительный бак. Использование такой насосной станции очень удобно. Основные функции блока управления описаны в выше.
 Обычно блоки оснащаются светодиодным дисплеем, показывающим температуру одного из рабочих датчиков и светодиодами режимов работы. На корпусе блока имеются переключатели, позволяющие установить заданную разность температур датчиков, включить солнцезащитную функцию и установить предельную температуру бака. Кроме того, такие блоки имеют функции записи и хранят в памяти выработку тепла системой за определенный период времени, чтобы можно было конкретно определить величину экономии. Мембранные расширительные баки предназначены для создания замкнутых систем отопления различного объема в коттеджах, жилых домах, имеющих индиви­дуальную систему отопления и других сооружениях. В солнечных системах расширительные баки устанавливают в коллекторном контуре и перед баком со стороны подающего водопровода. Они обеспечивают компенсацию термического расширения воды в баке и теплоносителя, обеспечивая поддержание давления в контуре. Основные части расширительного бака – корпус и мембрана из синтети­чес­кой резины, разделяющая корпус на две половины. В одну полость закачан воздух (или азот) под давлением, а в другую при расширении поступает нагретый теплоноситель и при этом сжимается воздух, находящийся в первой полости. Объем бака для установки в систему определяется расчетом в зависимости от объема теплоносителя в системе и его теплофизических свойств. Для наиболее распространенного диапазона объемов баков максимальное рабочее давление составляет 0,4-0,6 МПа, а начальное давление воздуха 0,05-0,25 МПа. Максимальная рабочая температура теплоносителя у разных фирм-произ­водителей составляет от 70 до 99 град.С, поэтому в солнечных системах эти баки устанавливаются всегда после теплообменника бака-аккумулятора. Эти элементы предназначены для создания коллекторного контура. Номенклатура изделий аналогична применяемым в общегражданском строи­тельстве.
По зарубежному опыту на горячей ветви в коллекторном контуре не рекомендуется использовать пластиковые или металлопластиковые трубы, широко рекомендуемых к применению в системах отопления зданий. Это связано с тем, что солнечная система может работать при длительном перегреве теплоносителя на выходе из коллекторов свыше 110 градусов С и частых знакопеременных температурных нагрузках, что ведет к расслоению металлопластиковых и разрушению пластиковых труб. Все элементы и трубопроводы системы должны быть тщательно теплоизо­лированы для исключения тепловых потерь системы. Материал теплоизоляции – листы и трубные заготовки из пенорезины или эластичных пенопластов. Наружная защита теплоизоляции от механических разрушений (особенно при наружной прокладке) – металлической фольгой с липким слоем или скорлупами. Теплообменники предназначены для эффективной передачи тепла от теплоносителя коллекторного контура к воде в баке-аккумуляторе. Встроенные теплообменники являются элементами конструкции баков до 500 л. (реже – до 1000 л.). При больших объемах баков применяют внешние тепло­обменники с дополнительным циркуляционным насосом.
В качестве внешних теплообменников желательно использовать современные пластинчатые теплообменники, которые в 10 раз меньше традиционных кожухо­трубных с теми же номинальными значениями рабочих параметров и имеют очень высокую эффективность теплопередачи. Выбор теплообменника производится на основе расчета тепловой нагрузки системы. Для систем различной производительности и разных условий эксплуатации могут быть использованы как разборные, так и паяные пластинчатые теплообменники. Выбор теплообменника для конкретной системы производится, как правило, с участием компании-производителя, которая подбирает изделие непосредственно для условий каждого заказчика на основе анкеты-запроса на оборудование. Для эксплуатации в коллекторном контуре системы подходит множество теплоносителей-антифризов, в последние годы появившиеся на рынке для систем отопления индивидуальных жилых домов. Обычный температурный диапазон работы антифризов от –65 до +95 град.С (иногда до 120 град.С). Для солнечных систем всегда лучше выбирать теплоноситель с максимальной рабочей температурой и менее склонный к термическому разложению при высоких температурах, поскольку особенности работы систем, особенно в аварийных режимах, могут приводить к длительным перегревам.