Наша сеть партнеров Banwar
Принцип роботи сонячних колекторів унікальний. Якщо в котлах нагрів рідини відбувається за рахунок енергії, що вивільняється при згорянні палива, а в теплових насосах - тепла грунту, повітря або води, то геліоколектори отримують його безпосередньо від головного джерела тепла в Сонячній системі - Сонця. Джерело цей невичерпний, екологічний, доступний всім на Землі і, що важливо, безкоштовний. Правда, щоб ефективно використовувати його в побутових цілях для нагріву води або теплоносія, знадобиться вкластися не тільки в самі сонячні колектори, але й в різноманітне обладнання, яке обслуговує їх. При цьому необхідно заздалегідь врахувати ряд специфічних нюансів роботи геліоколекторів і передбачити варіанти захисту від деяких з них. 
Плоский сонячний колектор на похилому даху
Характерна риса сонячних колекторів, що відрізняє їх від інших видів теплогенераторів, - їх сезонність. Колектор отримує теплову енергію з сонячного проміння, відповідно, немає сонця - немає тепла. Геліоколлектори вносять свій внесок в систему теплопостачання тільки в світлий час доби, тобто днем, вночі ж вони пасивні. Тривалість світлового дня теж грає роль: чим він коротший, тим менше колектор отримає енергії за добу. Тому один і той же геліоколектор в різні пори року буде отримувати різну кількість тепла. Зміна продуктивності колектора в залежності від сезону - один з найважливіших факторів, який необхідно враховувати при розрахунках.
Пік ефективності сонячних колекторів збігається з піком інсоляції. Найбільше тепла колектори приносять в період з травня по серпень. У міжсезоння продуктивність колекторів падає і досягає мінімуму до декабрюянварю. Однак у приладів різних типів це зниження ефективності неоднаково. Справа в тому, що продуктивність колектора залежить від двох параметрів - скільки енергії він отримає від сонця і скільки тепла при цьому втратить изза недосконалості конструкції. Тому виробники вживають заходів щодо підвищення теплопоглинання - з одного боку, і по зниженню тепловтрат - з іншого.
РІЗНІ КОНСТРУКЦІЇ - РІЗНИЙ ККД
Конструкція вакуумних трубчастих сонячних колекторів Vitosol 200-T тип SPL дозволяє легко і швидко збирати величезні геліополя - як колекторного трубопроводу використовується сталева труба DN 50, на яку «навішуються» прилади
На ринку найбільш поширені геліоколектори двох основних конструкцій - плоскі і вакуумні трубчасті, останні також прийнято поділяти на прямопроточние і з ефектом «теплової трубки». Ці відмінності викликані якраз пошуком рішень проблем отримання і збереження тепла сонячного випромінювання. Проблеми ці криються в самому принципі роботи колекторів.
Як відомо, сонячні промені нагрівають об'єкти неоднаково, і багато в чому це залежить від поверхні. Одні покриття відображають велику частину світлового потоку, інші, навпаки, поглинають. Максимальним коефіцієнтом поглинання світлового випромінювання володіють поверхні з чорним покриттям, що і використовується в геліоколектори. Основний робочий елемент в їх конструкції - абсорбер (поглинач), що представляє собою зазвичай мідну пластину з приварений трубкою. Поверхня абсорбера, звернена до сонця, має спеціальне чорне покриття, щоб промені могли передати їй якомога більше теплової енергії. Пластина, а з нею і трубка швидко нагріваються, а циркулює по трубці рідина забирає це тепло і транспортує далі в систему. Але гаряча пластина абсорбера починає сама випромінювати тепло в навколишнє середовище і нагрівати контактує з нею повітря. Щоб цього не відбувалося, абсорбер ізолюють від відкритої атмосфери.
Заходи, що збільшують кількість одержуваного від сонця тепла, зазвичай стосуються скла і абсорбера. У звичайних стекол є ряд недоліків - вони можуть бликовать (тобто відображати частину сонячного світла замість того, щоб пропускати його всередину), до того ж частина променів не потрапляє всередину за їх недостатню прозорість. Тому в високотехнологічних геліоколектори застосовуються спеціально розроблені скла з пониженим вмістом заліза, що відрізняються більшою прозорістю в порівнянні зі звичайними. Вони пропускають більше світла, а значить, колектор отримає додаткову теплову енергію. Крім цього, скло часто постачають покриттям проти відблисків - воно зменшує частку відбитого поверхнею світла і теж сприяє збільшенню продуктивності колектора. Важлива також і чистота - запиленість або запотівше скло, очевидно, пропускає менше світла. Щоб всередину колектора не забивав пил і не потрапляла волога, його корпус нерідко роблять герметичним і навіть заповнюють інертним газом. Правда, ці заходи потрібні тільки для плоских колекторів - у вакуумних моделей, про які йтиметься нижче, таких проблем немає.
Що стосується абсорбера, то тут все технології спрямовані на підвищення його поглинання. У дешевих геліоколектори пластину абсорбера нерідко просто фарбують чорною фарбою. Ефект від такого рішення, звичайно, є, але незначний, до того ж фарба може бликовать, а якість покриття з часом погіршується. Дорожчі технологічні моделі колекторів обладнані абсорберами з особливим високоселективним покриттям, яке не відблискує, служить довго і дуже добре поглинає сонячне випромінювання.
Схема будови плоского сонячного колектора на прикладі сонячної панелі Meibes
Але основні відмінності в конструкціях сонячних колекторів полягають в способах теплоізоляції. Плоский колектор являє собою прямокутний металевий короб, закритий зверху склом. Стінки і дно короба теплоізольовані - зазвичай мінеральною ватою. Однак така ізоляція недосконала, тому що не виключає перенесення тепла від абсорбера до скла за допомогою що міститься всередині колектора газу, та й мінеральна вата теж не виключає повністю тепловтрати через корпус. Тому в питанні збереження тепла плоским колектором важливе значення має різниця температур всередині колектора і зовні. Влітку, коли повітря на вулиці добре прогрітий, втрати тепла малі, і колектор майже всю енергію, отриману від сонця, направляє в систему. Але варто вуличній температурі знизитися - і колектор, який в міжсезоння і взимку і так отримує менше тепла, починає все більше втрачати зібраної енергії. В результаті плоскі колектори дуже ефективні в кінці весни і влітку, але в холодну погоду збирають вкрай мало тепла.
Вакуумні трубчасті колектори мають більш досконалої теплоізоляцією. У них абсорбери розташовані всередині скляних трубок, між стінками яких - вакуум. Перенесення тепла газовим середовищем в такому колекторі неможливий - через відсутність самого газу як такого. Тому тепловтрати вакуумних колекторів мінімальні навіть при сильних морозах.
ВОДА АБО ОПАЛЕННЯ
В результаті розбіжності у властивостях плоских і вакуумних колекторів визначають їх області використання. Плоскі моделі, дуже продуктивні в літні місяці, але малоефективні в більш холодні, знаходять основне застосування в приготуванні води для ГВП влітку, підігріві закритих і відкритих басейнів і т. Д. Тут у них є важлива перевага - вони істотно дешевше вакуумних геліоколекторів, тому якщо планується задіяти сонячну енергію тільки влітку, то немає сенсу переплачувати за дороге обладнання - плоскі колектори відмінно впораються з покладеним завданням. В опаленні ж такі колектори застосовують рідко, так як потреби в ньому з'являються з настанням холодів - тобто тоді, коли геліоколектори починають отримувати мало тепла.
Добре підійдуть плоскі геліоколектори і для такої специфічної завдання, як підігрів води в басейні. Період відкритих басейнів збігається за часом з піком продуктивності колекторів, тому вигідно використовувати для підтримки комфортної температури води безкоштовне сонячне тепло. У закритих басейнах плоскі колектори теж «знайдуть собі справу» в літній час.
Вакуумні трубчасті колектори за рахунок своєї видатної теплоізоляції більш універсальні, їх сезон не обмежується лише кількома теплими місяцями. Якщо влітку такі моделі по продуктивності мало чим відрізняються від плоских, то в міжсезоння і взимку їх ефективність буває в рази вище - за рахунок того, що вони зберігають навіть те тепло, що вдається отримати від сонця при розсіяному освітленні. А це, в свою чергу, дає можливість використовувати вакуумні геліоколектори не тільки для ГВС або басейнів, але і для підтримки опалення.
МІСЦЕ ПІД СОНЦЕМ
Пряма залежність від сонця диктує свої особливі правила експлуатації геліоколекторів. Навіть монтаж - і той підпорядкований вимогу: сонячний колектор повинен отримувати якомога більше світла.
Виходячи з цієї вимоги колектори повинні перебувати на відкритому просторі - щоб їх не закривала тінь від дерев, сусідніх будівель і інших об'єктів. У північній півкулі сама «сонячна» сторона - південна, тому колектор по можливості повинен бути орієнтований на південь. Правда, не завжди умови дозволяють дотримати це правило: іноді в єдино доступному для монтажу місці просто не можна повернути колектор строго на південь. У таких випадках допускається монтаж колектора з орієнтацією на південний захід або південний схід, ефективність залишиться досить високою, хоча і не максимальної. Ці рекомендації стосуються будь-яких колекторів, які встановлюються в Росії. А ось кут нахилу корпусу геліоколектора - вже величина змінна і залежить від регіону, де буде працювати обладнання, а точніше - від широти.
Перетворення сонячного випромінювання в колекторі. Фото: Viessmann
АРИФМЕТИКА СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА
Коли планується використання сонячних колекторів в системі теплопостачання будинку, розрахунок виконують з урахуванням ряду параметрів. Серед них - призначення геліоколекторів (чи будуть вони працювати для забезпечення ГВП, опалення, басейну або в комбінації цих завдань), потреба об'єкта в теплі, а також - обов'язково - умови установки геліоколектора (його розташування в просторі і кліматичні умови регіону, де знаходиться будівля ). Вирахувати необхідну кількість колекторів для забезпечення системи теплом нескладно - адже продуктивність кожної моделі відома. Компанії, що випускають геліоколектори, а також їхні партнери мають інформацію про теплової потужності цього обладнання в залежності від географічного розташування, орієнтації по азимуту, кута нахилу, і навіть про те, як змінюється ця характеристика від місяця до місяця. Так що, знаючи, як і де буде встановлений колектор, можна обчислити, скільки теплової енергії він в змозі там отримати.
Однак при веденні розрахунків важливо брати до уваги деякі нюанси. Один з них вже був згаданий вище - колектор отримує тепло тільки при світлі сонця. Відповідно, в системах, які в сезон використання колекторів будуть працювати без підтримки котла та інших теплогенераторів, запас гарячої води на ніч потрібно створювати днем. Це веде до того, що обсяг бака для нагріву і зберігання води повинен бути великим і вміщати стільки рідини, скільки (з урахуванням подальшого розведення холодною водою) потрібно споживачам на добу, та ще й з невеликим резервом на екстрені потреби.
Другий нюанс стосується балансу між нестачею і надлишком тепла. При розрахунку кількості колекторів в системі за номінальну теплову потужність моделі приймають максимально можливе її значення - тобто показник за найпродуктивніший місяць. Це, здавалося б, веде до того, що в менш сонячні місяці тепла від колекторів може не вистачати і виникне бажання взяти їх з запасом (наприклад, порахувати їх по потужності більш холодного місяця). Але тоді на піку продуктивності в ясну сонячну погоду Гелиополе зробить більше тепла, ніж його реально спожити в системі. А це загрожує вже перегрівом контуру і стагнацією з усіма витікаючими наслідками.
Якщо все ж геліоколектори доводиться свідомо підбирати з великим запасом по потужності (наприклад, для підтримки опалення - в цьому випадку потужність колекторів розраховують за показниками на самий сонячний місяць опалювального сезону), то необхідно передбачити шляхи скидання надлишків тепла в літній період.
І нарешті, не варто забувати про те, що навіть в сприятливий для геліоколекторів літній сезон буває достатньо похмурих, дощових днів, коли максимальної продуктивності вони не досягнуть. У таких випадках знадобляться резервні джерела тепла, які догреют воду до комфортної температури.
Як обійти проблему стагнації і закипання теплоносія? Вікторія Бариева, інженер Служби підтримки продажів ТОВ «Бош Термотехніка» (бренди Bosch, Buderus): "... Проблема стагнації виникає лише в тих системах, де обладнання підібрано некоректно - наприклад, неправильно пораховані навантаження або використовується велика кількість колекторів, або у випадках, коли система протягом довгого часу не. Є кілька простих варіантів вирішення такої проблеми. Перший - використання високопродуктивних колекторів з температурою стагнації 210 оС. Другий варіант - збільшення тиску в геліосистемі, так як при тиску 5 бар температура кипіння складе вже 150 оС. Нарешті, третій варіант - «скидати» надлишки тепла, наприклад в басейн і т. П ... ".
ОБЕРЕЖНО! Стагнація!
Одна з властивих геліоколекторами проблем - стагнація системи. Це явище виникає тоді, коли система теплопостачання забирає недостатньо тепла з контуру геліоколекторів. Надлишок тепла призводить до перегріву теплоносія і - в певний момент - до його закипання. Це паралізує контур геліколлектора - циркуляція припиняється до того часу, коли теплоносій, охолонувши, повернеться в рідкий стан. Правда, не всі види теплоносія переносять таку трансформацію без наслідків. Результатом перегріву рідини може стати її перехід в желеобразное стан, через що експлуатація контуру стане неможливою - потрібно очищення системи.
Якщо у газового або дизельного котла можна зупинити подачу палива, а у електричного - вимкнути живлення, то сонце просто «вимкнути» не можна. Щоб негативного ефекту стагнації в системі з геліоколекторами не виникало, потрібен стабільний відведення виробленого ними тепла. Якщо система теплопостачання правильно розрахована і відбір тепла в ній відбувається в нормальному порядку, то ризик стагнації мінімальний. Однак навіть в таких системах можливі форс-мажору, коли споживання тепла падає (наприклад, користувачі будинку поїхали у відпустку і перестали витрачати воду з бойлера) або припиняється циркуляція теплоносія (при поломці насоса). Для таких випадків варто передбачити захист від перегріву, тим більше, що варіантів такого захисту придумано вже чимало.
Один з поширених і «перевірених часом» способів - резервна ємність для накопичення тепла. Якщо температура води в баку ГВС досягла встановленого максимуму, а колектори продовжують постачати тепло в систему, автоматика перемикає подачу теплоносія на завантаження другого бака. Тепло накопичується в цій ємності і може бути пізніше використано для побутових цілей (наприклад, для забезпечення ГВП в похмуру погоду).
Розроблено технології захисту від стагнації і на основі однієї ємності. В цьому випадку, якщо температура теплоносія в контурі геліоколекторів небезпечно зростає, автоматика системи буде направляти тепло в бойлер навіть тоді, коли задана температура води в ньому перевищена. Це дозволить дещо остудити теплоносій і не дати йому закипіти. Після заходу сонця, коли колектори перестають нагріватися, циркуляція в контурі продовжиться - щоб видалити надлишки тепла через випромінювання і корпус сонячних колекторів (так зване «вихолоджування»). Подібний метод реалізований, зокрема, в пакетах геліосистем Meibes.
Сонячні колектори Buderus на похилому даху приватного будинку
У приватних будинках, обладнаних басейнами, з'являється хороша можливість відводити надлишки тепла з користю - підігріваючи за їх рахунок воду. Оскільки обсяг басейну більше, ніж у будь-яких побутових накопичувачів, вода в ньому не зможе нагрітися настільки сильно, щоб перестати поглинати теплову енергію, до того ж частина тепла буде йти в навколишнє середовище - адже басейн не теплоізольовані.
Якщо немає можливості використовувати зайве тепло з користю або його занадто багато, є різні варіанти скидання тепла без його накопичення. Перший спосіб досить простий - частина нагрітої води із системи можна потроху зливати в каналізацію. При збитку води в бойлері в нього надходить холодна вода, яка знижує температуру в ємності і, таким чином, дозволяє прийняти більше енергії від контуру геліоколекторів. Однак цей варіант підходить для систем з невеликою кількістю геліоколекторів.
Коли надлишок тепла великий (це буває, наприклад, в системах з великим геліополя, розрахованих на високу продуктивність або на підтримку опалення в міжсезоння), для їх утилізації використовують теплообмінник з вентилятором, змонтований на вулиці (це може бути зовнішній блок вентиляційної установки, фанкойла і т. п.). У систему інтегрується додатковий контур, заповнений холодоагентом і зв'язаний з системою теплопостачання за допомогою теплообмінника. При ризику перегріву зайве тепло надходить в цей контур і викидається в повітря через зовнішній теплообмінник, оснащений вентилятором.
Якщо в будинку, крім сонячних колекторів, застосовується інше обладнання на основі відновлюваних джерел енергії, наприклад геотермальні теплові насоси, надлишки тепла можна направляти в занурені в свердловини зонди. Цей спосіб утилізації тепла дозволяє вирішити відразу дві проблеми - по-перше, він захищає контур геліоколекторів від перегріву, а по-друге, відновлює запас тепла в грунті, виснажений за довгий період роботи теплових насосів в міжсезоння і взимку.
Коли ніяких інших варіантів скидання надлишків тепла, що виділяється геліоколекторами, немає, проблему стагнації вирішують з іншого боку - закривають колектори від сонця. Звичайно, забиратися на дах і завішувати їх вручну незручно, та й ризиковано. Куди безпечніше і раціональніше встановити над колекторами заслін (жалюзі, ролети чи щось таке пристосування) - їм можна не тільки управляти віддалено, не піднімаючись на покрівлю, а й підключити його до контролера, щоб колектори закривалися автоматично при небезпечному підвищенні температури в контурі.
Ще одне кардинальне рішення проблеми - злив теплоносія. В цьому випадку в контур геліосистеми інтегрують спеціальну ємність і обслуговуючий її насос. Якщо виникає ризик перегріву (изза надлишку тепла або раптового відключення основного насоса контуру), система спорожняється - теплоносій тимчасово зливається в ємність. Коли умови знову стануть сприятливими (наприклад, відновиться робота насоса або знизиться температура в накопичувачі), насос резервної ємності поверне теплоносій назад в контур і робота геліколлекторов відновиться. Така схема хороша тим, що дозволяє уникнути перегріву і при поломці насоса, до того ж не вимагає установки додаткових великих накопичувачів або теплообмінників для скидання тепла. Але в той же час для неї знадобиться ускладнити сам контур геліоколекторів - розділити його на дві частини, сполучені через теплообмінник. В одній його половині буде циркулювати теплоносій, безпосередньо забирає тепло у колекторів, в другій - теплоносій, який переносить тепло в бойлер або накопичувач. В результаті такого поділу обсяг рідини, що контактує з абсорберами і ризикує закипіти, буде невеликий, а тому і ємність для збору цього теплоносія знадобиться невелика.
Інноваційний варіант захисту від перегріву пропонує Viessmann - в асортименті цього виробника є вакуумні трубчасті геліоколектори з особливим покриттям абсорбера. Коли температура поверхні досягає 160 оС, властивості покриття змінюються і абсорбер перестає поглинати тепло в колишніх кількостях. В результаті надходження енергії в контур падає, і температура теплоносія просто не досягає тієї позначки, коли в ній починаються незворотні негативні процеси.
Влітку плоскі і вакуумні колектори майже однаково ефективні, але в міру зниження вуличної температури їх продуктивність падає нерівномірно. Цю різницю добре видно на прикладі сезонних змін продуктивності колекторів Meibes двох типів - плоского MFK001 і вакуумного MVK001 - для одного регіону (Москва)
СИСТЕМНИЙ ПІДХІД
Завдання геліоколектора - зібрати тепло, що випромінюється сонцем, і передати його циркулюючому по ньому теплоносія. Але для подальшого транспортування цього тепла до споживачів, його накопичення, контролю і т. Д. Потрібно створити цілу систему, що включає різноманітні за призначенням компоненти. Циркуляція в контурі сонячних колекторів - примусова, її повинен забезпечувати насос. Він може бути встановлений окремо або в складі насосної групи. Виробники насосних груп часто пропонують для цих цілей спеціальні адаптовані для геліосистем гідромодулі.
В якості теплоносія в контурі геліоколектора можна використовувати воду або незамерзаючі рідини. Однак вода має ряд недоліків. По-перше, вона замерзає при 0 ° С, а колектори змонтовані на вулиці і взимку можуть охолоджуватися до набагато більш низьких температур. Тому воду на зиму доведеться зливати - інакше замерзлий теплоносій розірве трубки в контурі. По-друге, температура кипіння води теж не надто висока, а значить, в разі перегріву системи стагнація настане швидше. З іншого боку, вода проходить трансформацію з рідкого стану в пароподібний і назад без яких-небудь негативних наслідків. Теплоносій на основі незамерзаючої рідини - більш зручний варіант. Низька температура замерзання дозволяє взимку не спорожняти систему геліоколекторів. Температура кипіння застосовуваних в геліосистемах незамерзающих теплоносіїв вище, ніж у води. Однак при перегріванні вони можуть втратити свої властивості і розкластися, тому їх варто оберігати від надмірного нагрівання при стагнації системи.
Щоб не допустити потрапляння незамерзающих теплоносіїв в санітарну воду, з якої будуть контактувати люди, контур геліоколекторів ізольований від системи водопостачання. Нагрівання води відбувається через теплообмінник. Як правило, для цих цілей застосовують бак великого обсягу з уже вбудованим в нього теплообмінником (бойлер або допоміжну буферну ємність). Щоб накопичене тепло не втрачалося даремно, бак теплоізольований. Теплообмінник в такий ємності може бути один (моновалентний бак), але для систем з геліоколекторами раціонально використовувати баки з двома і більше теплообмінниками (бі- і мультівалентние ємності). Додатковий теплообмінник зможе постачати ємність теплом від інших джерел (котел, тепловий насос і т. Д.) В ті періоди, коли колектори будуть не в змозі повністю покрити потреби в енергії для нагріву води (наприклад, у похмуру погоду або після закінчення сезону).
Важливе значення має автоматика, яка буде керувати контуром геліоколектора. Контролер аналізує температуру в контурі, в баку, управляє насосом або навіть клапанами, перенаправляє протягом теплоносія в резервні контури. Якщо температура в бойлері перевищить температуру теплоносія в колекторах (а це трапляється часто - коли з закінченням світлового дня або изза похмурої погоди абсорбер перестає отримувати тепло і контур остигає), контролер зупинить циркуляцію в контурі, щоб не викидати накопичене тепло через самі колектори. І навпаки, якщо температура в бойлері досягла гранично допустимого значення, а тепло продовжує надходити, автоматика може дати команду на скидання тепла в додаткову буферну ємність, контур басейну, вуличний повітряний теплообмінник і т. Д. Сучасні технології дозволяють не просто автоматизувати роботу геліоколекторів, але і управляти системою віддалено.
Оскільки робота геліоколекторів так чи інакше пов'язана з високими температурами теплоносія, всі компоненти контура, що контактують з рідиною, повинні бути термостійкими. Так, неприпустимі в контурі полімерні труби (вони не розраховані на такі екстремальні умови, тому почнуть плавитися і руйнуватися). Якщо в з'єднаннях труб і арматури використовується ущільнення, то виконане воно має бути зі спеціального термостійкого матеріалу. Система також може зажадати розширювальний бак в особливому виконанні.
На ринку легко знайти будь-який з перерахованих компонентів в різних варіантах, тому реально зібрати систему будь-якої конфігурації з куплених окремо частин. Однак виробники пропонують і більш прості зручні рішення - готові пакети, що включають геліоколектори, накопичувальні ємності, насосне обладнання, автоматику і т. Д. - аж до теплоносія. Такий комплект не тільки заощадить час (бо не доведеться підбирати всі деталі поштучно), але і дасть певну гарантію, що компоненти підібрані фахівцями і їх характеристики відповідають тим завданням, які буде виконувати саме дана система.
Компанії формують пакети по тепловій потужності і призначенням систем з геліоколекторами. Щоб вибрати відповідний пакет, досить розуміти, для чого передбачається використовувати колектори, яка продуктивність і який обсяг бойлера або буферної ємності потрібен для конкретного об'єкта.
Стаття опублікована в об'єднаному випуску « літо 2015 »
журналів «GardenTools» + »Інструменти» + »Все для будівництва та ремонту» серії «Споживач»