Наша сеть партнеров Banwar
Плата за витрату енергоносіїв, використаних на забезпечення теплопостачання, що включає опалення і ГВП, є однією з основних статей витрат споживчого бюджету. Особливо актуально це для власника приватного будинку, який вирішує питання влаштування водо- і теплопостачання будівлі самостійно.
Про рганізація енергоефективної системи теплопостачання дачі, котеджу з використанням енергії від поновлюваних джерел енергії (ВДЕ) не тільки створює ефект значної економії невідновлюваних енергоресурсів і витрат грошових коштів споживача, але і сприяє збереженню екології навколишнього середовища.
Прообрази сучасних систем ГВП з використанням сонячної енергії (геліосистеми) давно знайомий дачникам - хто не встановлював на даху літнього душа на своїй ділянці бак, справно постачав в сонячні дні «майже гарячої» водою? Сучасні геліосіcтеми, успадкувавши головний принцип конструкції, працюють значно ефективніше. Теоретично такі системи при їх правильному встановленні та розумної експлуатації в змозі забезпечити до 90% потреб у гарячій воді. На практиці ж це безпосередньо залежить не тільки від вибору обладнання і грамотного монтажу, але, в першу чергу, від того, в якому регіоні знаходиться будинок, оснащений такою системою.
Первісна установка сонячної системи ГВП і тим більше опалення - справа вельми витратна, особливо якщо використовувати для цього передові технічні рішення. Однак вкладення починають окупатися практично з моменту запуску системи в експлуатацію.
принципова конструкція
Принципово така гелиосистема (рис. 1, 2), призначена для забезпечення опалення і ГВП, включає в себе наступні основні компоненти:
- сонячні колектори;
- насосний модуль з групою безпеки;
- трубопровід;
- контролер;
- водяний бак-акумулятор;
- дублюючий джерело енергії.
Мал. 1. Принципова схема геліосистеми теплопостачання
Мал. 2. Система теплопостачання котеджу, що включає геліоколектор.
Сонячний колектор (або геліосборнік) - основний робочий модуль будь геліосистеми, саме в ньому відбувається поглинання енергії сонячних променів і нагрівання за рахунок цього первинного теплоносія. Сонячні колектори можуть бути вбудовані в окремі елементи конструкції будівлі - стіни, покрівлю (рис. 3 а, б), а можуть бути і самостійним, окремим пристроєм, що не відносяться до будівлі.
Мал. 3. Геліоколектори на даху будинку: a - плоскі, б - трубчасті вакуумні.
При установці геліосистеми необхідно правильно враховувати рух сонця по небосхилу і як наслідок нахил і орієнтацію даху, стін і встановлених на ній геліосборніков по сторонах світу.
У геліосборніке нагрівається вода або інший тип теплоносія. Циркуляцію рідини в колекторі забезпечує насос, в деяких системах здійснюється природна циркуляція. Нагрітий теплоносій циркулює по первинному контуру, віддаючи теплову енергію через теплообмінник теплоносія вторинного контуру (вода) в резервуарі-акумуляторі. Теплообмінник може бути вбудований в резервуар у вигляді змійовика або ж виконаний як окремий пристрій. Процес акумуляції тепла регулюється автоматично завдяки контролеру, керуючому роботою насоса в геліосистемі. У разі необхідності автоматика запускає дублюючий джерело енергії.
Геліосистеми розрізняються як по виду використовуваного в них теплоносія (рідинні - вода, антифриз і повітряні), так і за тривалістю роботи - цілорічні або сезонні, що особливо актуально в нашій країні.
Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання виконуються зазвичай одноконтурні. Вони активно використовуються в літні і перехідні місяці, коли температура навколишнього повітря має позитивні значення.
Якщо гелиосистема використовується для опалення будівлі, то її зазвичай виконують двухконтурной, а найчастіше за все - багатоконтурною. При цьому в різних контурах застосовують різні теплоносії, наприклад, в геліоконтуре - водні розчини незамерзаючих рідин, в проміжному - вода, а в кінцевому, «споживчому», - повітря. Найчастіше це відноситься не до сезонним, а до цілорічним систем теплопостачання будівель; в таких системах, як правило, передбачений також потужний теплогенератор, який працює, наприклад, на органічному паливі.
трубчастий колектор
Як вже зазначалося вище, сонячний колектор - головний елемент будь-якої геліосистеми, від його вибору залежить ефективність системи і економічний ефект застосування.
Найпростіший тип сонячного колектора трубчастий (рис. 4), встановлений під кутом до горизонту, наприклад, на даху будівлі або у дворі, в якому теплоносій нагрівається від енергії сонячного випромінювання, проходячи через батарею тонких трубок. Циркуляція забезпечується за рахунок природної конвекції, що позбавляє власника від витрат на електроенергію для насоса.
Мал. 4. Трубчастий сонячний колектор
Схема роботи трубчастого колектора наступна:
- з резервуара теплоносій під дією сили тяжіння потрапляє в нижню частину радіатора;
- нагріваючись, теплоносій піднімається по трубках вгору, в той час як в нижню частину з резервуара потрапляє новий остиглий теплоносій;
- пройшовши через радіатор, теплоносій знову потрапляє в резервуар, замикаючи, таким чином, цикл кругообігу;
- нагрітий теплоносій з резервуара забирається в систему опалення, водопостачання або в теплообмінник.
Плоскі сонячні колектори
Плоскі геліоколектори - найпоширеніший тип геліосборніков в побутових системах ГВП та опалення (рис. 5). Основний елемент плоского колектора - поглинає пластина, яка затримує сонячне світло, перетворює його в тепло і передає теплоносія. Поверхня теплоприемника зазвичай забарвлена в чорний колір; для зменшення втрати тепла з поверхні пластини над нею встановлюється прозоре покриття, а для зменшення втрат тепла з тильного боку пластина колектора покривається тепловою ізоляцією.
Мал. 5. Плоский сонячний колектор
У нормальному робочому режимі накопичене в колекторі тепло витрачається на нагрів циркулюючого через нього теплоносія. А тому основною характеристикою сонячного колектора є обсяг теплоносія, нагрітого до заданої температури протягом світлового дня квадратним метром колектора. У середній смузі Європи в літній період продуктивність таких колекторів дозволяє з 1 м2 отримати 50-60 л води, нагрітої до 60-70 ° С. ККД такого колектора становить близько 70%, що прямо залежить від погодних умов і регіону, де розташована будівля. Плоскі колектори збирають як пряме, так і розсіяне випромінювання і тому можуть працювати також і в хмарну погоду. У зв'язку з цим, а також з урахуванням відносно невисокій вартості вони є кращими при нагріванні рідин до температур нижче 100 ° С.
вакуумовані колектори
Вакуумовані або вакуумні колектори здатні отримувати воду більш високої температури; вони помітно ефективніше плоских геліосборніков, але при цьому важче, дорожче і до того ж вимагають грамотної експлуатації.
Завдяки використанню найкращого з можливих теплоизоляторов - вакууму, - загальні втрати тепла в колекторі мінімальні. ККД вакуумованого колектора залишається стабільно високим навіть при несприятливих погодних умовах. При температурі повітря -45 ° С і розсіяному сонячному світлі продуктивність вакуумного колектора на 40% вище, ніж у інших видів такого обладнання.
Основний елемент таких колекторів - вакуумна трубка, конструкція якої складається з двох трубок - зовнішньої і внутрішньої. Між внутрішньою поверхнею зовнішньої трубки і зовнішньою поверхнею внутрішньої існує герметичне простір, з якого відкачано повітря для створення вакууму. Як відомо, вакуум, в якому немає середовища для конвективного перенесення енергії, є одним з найбільш ефективних типів термоізоляції. Внутрішня трубка виготовляється, як правило, з міді і має селективне покриття, що абсорбує сонячне випромінювання, а вакуумний простір запобігає конвективні втрати тепла (рис. 6). Сонячне випромінювання проходить крізь зовнішню скляну трубку, потрапляє на трубку-поглинач і перетворюється в тепло. Це тепло передається рідини, що протікає по внутрішній трубці.
Мал. 6. Вакуумні трубки сонячного колектора
Вакуумовані колектори, як правило, виконуються модульними - трубки можна додавати або прибирати в міру потреби, в залежності від потреби в гарячій воді.
У регіонах, для яких характерні значні перепади температур, вакуумні колектори набагато ефективніше плоских. По-перше, вони добре працюють в умовах як прямий, так і розсіяної сонячної радіації. Ця особливість в поєднанні з властивістю вакууму мінімізувати втрати тепла назовні робить ці колектори незамінними в умовах холодної, похмурої зими. По-друге, завдяки округлій формі вакуумної трубки, сонячне світло падає перпендикулярно поглинача протягом більшої частини дня, в той час як в нерухомо закріпленому плоскому колекторі сонячне світло падає перпендикулярно його поверхні лише опівдні.
Звичайні плоскі сонячні колектори розраховані на застосування в регіонах з теплим сонячним кліматом, в несприятливі дні - в холодну, похмуру і вітряну погоду - їх ефективність різко падає. А конденсація і перепади вологості, пов'язані з погодними умовами, призводять до передчасного зносу і в свою чергу до погіршення експлуатаційних якостей системи і її поломок. Ці недоліки не властиві системам з вакуумними колекторами.
Основна ж перевага вакуумних колекторів - ефективність при мінусових температурах.
Установки на основі вакуумних колекторів поділяються за способом нагріву води на прямого нагріву (сезонні) і непрямого (всесезонні).
У вакуумних геліоколектори з прямою теплопередачей сонячної енергії воді скляні вакуумні трубки і бак-акумулятор монтуються на одну раму під кутом 40-60 °. Трубки входять безпосередньо в накопичувальний бак ГВП через ущільнювальне гумове кільце (рис 7) .. Вода нагрівається в вакуумних трубках і внаслідок зменшення щільності більш гарячі шари рідини піднімаються в бак за рахунок природної циркуляції.
Мал. 7. Вакуумний колектор прямого нагріву
Такі системи працюють без тиску, без циркуляційного насоса - гідравліку забезпечують сили гравітації. Підключення до водопроводу проводиться через запірний клапан, який підтримує рівень води в баку. В якості теплоносія використовується вода, фазовий перехід якої (замерзання) в системі неприпустимий. Тому такі колектори, які в середній смузі Росії можна використовувати в період з квітня по вересень, до заморозків, називають сезонними.
Переваги таких колекторів - простота конструкції, ККД до 96%, порівняно низька вартість і енергонезалежність.
Вакуумні геліоколектори з непрямої теплопередачей тепла воді називають спліт-системами (не плутати з кондиціонерами!), А також всесезоннимі або роздільними. Принцип дії таких сонячних колекторів схожий одночасно на роботу спліт-кондиціонерів і установок центрального опалення. Це закрита система, яка працює під тиском водопроводу або за рахунок циркуляційного насоса
У таких установках застосовуються вакуумні теплові трубки, які можуть працювати при температурах до -50 ° С. Сонячний колектор і бак-накопичувач розташовані окремо і з'єднані системою трубопроводів (рис. 8). Сонячний колектор зазвичай монтується на даху, а бак-накопичувач всередині будівлі. Теплоносій циркулює в системі примусово. Робота системи автоматизована і регулюється контролером.
Мал. 8. Вакуумний колектор непрямого нагріву
Герметизована внутрішня трубка вакуумного геліоколектора містить невеликий обсяг має низьку енергію фазового переходу рідини. Під впливом сонячного нагріву вона випаровується, сприймаючи тепло від вакуумної трубки. Пари піднімаються у верхню частину - наконечник, де конденсуються, повідомляючи енергію низкозамерзающей рідини (антифризу) - теплоносія основного контуру. Конденсат стікає вниз теплової мідної трубки, потім цикл повторюється. Така трубка стійка до заморожування і зберігає працездатність до -50 ° С.
Випаровування легкозакипаючої рідини починається при досягненні температури всередині трубки 30 ° С. При меншому її значенні трубка як би замикається (припиняється конвективний перенос енергії) і додатково зберігає тепло. Такі трубки ефективно функціонують не тільки в похмуру погоду, але і при мінусовій температурі, перетворюючи як прямі, так і розсіяні сонячні промені в тепло.
Через верхню частину сонячного колектора і змійовик бака-акумулятора (накопичувального бойлера) протікає рідина. Ця рідина забирає тепло з мідних наконечників і через змійовик (теплообмінник) бака-акумулятора нагріває воду.
Цикл передачі тепла з колектора до бака-акумулятора триває до тих пір, поки триває світловий день і температура на виході колектора вище температури води в баку. Приймач сонячного колектора виконаний з міді з поліуретанової ізоляцією, закритий листом анодованого алюмінію. Передача тепла відбувається через мідну гільзу приймача. Завдяки цьому, сонячний контур сепарованого від трубок і при пошкодженні будь-якої зберігає працездатність. Операція заміни (демонтажу) дуже проста і не вимагає зливу низкозамерзающей рідини з контуру.
Включення і вимикання циркуляційного насоса здійснюється контролером на підставі показань датчиків температури, змонтованих на виході колектора, в баку-накопичувачі і «обратке» системи теплопостачання (в тому випадку, якщо передбачено опалення за рахунок сонячної енергії). Встановлений розширювальний бак оберігає систему від надмірного тиску, що виникає при збільшенні обсягу низкозамерзающий теплоносія внаслідок його розігріву.
Спліт-система з примусовою циркуляцією є автоматизовану систему перетворення, підтримки і збереження тепла, отриманого за рахунок інсоляції. Автоматичне регулювання дозволяє їй функціонувати також в бівалетном і мультівалентном режимах, використовуючи енергію і від інших джерел енергії (електричних водонагрівачів, газових, рідкопаливних і твердопаливних котлів, теплових насосів), що забезпечують роботу систему при надходженні недостатньої кількості сонячної енергії і в пікових режимах.
Бак-акумулятор непрямого нагріву, призначений для нагріву та накопичення гарячої води, може бути виконаний, наприклад, у вигляді ємності з нержавіючої сталі в пінополіуретанової ізоляції, поверх якої розташований емальований сталевий лист. У баку зазвичай розташовані одна або дві внутрішні теплообмінні спіралі - змійовики. Він може бути додатково оснащений електронагрівачем (Теном) потужністю до 2,5 кВт, теплообмінниками, комутованого з тепловим насосом або піковим котлом.
повітряні колектори
Такі колектори мають серйозну перевагу - їм не властиві проблеми замерзання і кипіння теплоносія, від яких часом страждають рідинні системи. І хоча витік теплоносія в повітряному колекторі важче помітити й усунути, ніж в рідинної системі, подібна неприємність загрожує куди меншими проблемами, ніж рідини, а це помітно знижує вартість експлуатації системи.
Матеріали, використовувані в повітряних системах, наприклад, пластикове скління, помітно дешевше тих, що застосовуються в рідинних, перш за все, тому, що робоча температура в повітряних системах нижче.
Повітряні колектори представляють собою прості плоскі панелі і використовуються в основному для опалення приміщень; нерідко їх застосовують для сушіння сільськогосподарської продукції. Елементом, що нагрівається від сонячного випромінювання в таких колекторах, служать ребристі (для збільшення тепловіддачі) металеві панелі, системи металевих труб, багатошарові екрани, в тому числі і з неметалічних матеріалів. Повітря в таких колекторах нагрівається від безпосереднього контакту з поверхнею поглинає сонячне випромінювання елемента. Вся система повинна бути теплоізольована.
Циркуляція повітря може бути як природною, так і примусовою. В останньому випадку в сонячних воздухонагревателях встановлюються вентилятори.
Головні Преимущества повітряних колекторів - простота и Надійність. Такі колектори ма ють простий Пристрій. При гарному догляді колектор может прослужіті 10-20 років, а управління ним не представляет складнощів. Проміжний теплоносій не потрібно.
До недоліків відноситься невисокий ККД, велика площа таких колекторів, необхідність довгого воздуховода; висока потреба в електроенергії для прогону повітря через колектор, а також труднощі, пов'язані з акумулюванням тепла, і неможливість використання для підігріву води.
Стаття з журналу "Аква-Терм" №4 / 2016 , Рубрика "Опалення та ГВП".
Опубліковано: 15 февраля 2017 р
Повернутися назад