Солнечное горячее водоснабжение
Солнечное горячее водоснабжение
На приготовление горячей воды для бытовых нужд (мытья, стирки и т.п.) расходуется значительная часть потребляемой энергии. Изменения в обеспечении топливом, постоянный рост цен на него и осознание того факта, что «бочка небездонна», заставляют нас изучать возможности использования солнечной энергии, в том числе и для обеспечения горячего водоснабжения. Солнечные водонагреватели (СВН) весьма популярны в Израиле, Японии, Австралии и других странах.
Конструкции солнечных водонагревателей
Выбор солнечного водонагревателя
Организация солнечного горячего водоснабжения
Водоснабжение с принудительной циркуляцией воды
Дополнительные бойлеры
Конструкции солнечных водонагревателей
Технология использования солнечной энергии для нагрева воды во многих отношениях аналогична системам солнечного отопления зданий. Однако есть ряд характерных особенностей, которые создают потенциально лучшие условия для инвестиций в эту технологию.
Прежде всего, нагрузка на горячее водоснабжение в течение года сравнительно постоянна. Таким образом, коллектор и другие части солнечного водонагревателя будут работать при полной нагрузке максимально возможное время, экономя при этом топливо, что, в конечном счете, должно довольно быстро окупать высокую начальную стоимость системы.
Необходимо точно установить параметры СВН. За исключением случаев нестандартных применений расчетная нагрузка СВН должна приближаться к нормальной ежедневной нагрузке. Для СВН не характерны проблемы колебания спроса, они могут быть значительно дешевле и проще солнечных отопителей.
Общей для систем солнечного теплоснабжения всех типов является проблема переменного поступления солнечной энергии. Однако и в этом отношении СВН часто имеют ряд преимуществ перед солнечными отопительными системами, т.к. к режиму приготовления горячей воды предъявляются требования менее жесткие, чем к системе отопления потому, что есть значительная разница в продолжительный бессолнечный период между отложенной стиркой или принятием душа и разрывом труб отопления, а если еще и согласиться с некоторыми неудобствами и неустойчивостью работы, то систему СВН конструктивно можно еще значительно упростить.
Для обеспечения постоянной нагрузки на горячее водоснабжение в системе необходимо предусмотреть установку вспомогательного нагревателя. Самым простым является обычный водонагреватель с автоматикой, который надежен и прост в обращении. Его задача — устранение разницы между температурой воды, поступающей из солнечного нагревателя и постоянной температурой воды, задаваемой потребителем. Если солнечный водонагреватель полностью обеспечивает требуемую температуру, то вспомогательный подогреватель не включается. Поэтому управление такой системой проще, чем большинством отопительных систем.
Многие системы СВН не требуют дополнительных регуляторов, кроме термостата, поставляемого с обычным водонагревателем. Конечно, существуют системы СВН с особыми требованиями, но и с ними возникает меньше проблем, чем с системами солнечного отопления. Габариты СВН и капитальные затраты невелики, изделие сразу годно к эксплуатации. Все это делает их весьма привлекательными для установки.
Для того, чтобы наилучшим образом обеспечить нагрузки, необходимо в каждом конкретном случае применять наивыгоднейшую схему СВН, а это может потребовать ряда компромиссов. Например, одним из самых простых видов СВН является черный резиновый шланг, обогреваемый солнечными лучами. Регулируя скорость потока воды через него, можно получить струю горячей воды с постоянной температурой. Если эту воду использовать немедленно, то она будет практически бесплатна. Если же ее необходимо использовать вечером, то понадобится бак. При необходимости использования воды следующим утром к баку нужно будет добавить теплоизоляцию, чтобы вода не остыла за ночь. Если вода необходима в облачные дни, то понадобится увеличить размеры бака и толщину теплоизоляции. Для обеспечения бесперебойного снабжения горячей водой потребуется также и вспомогательный подогреватель.
Отсюда следует, что чем выше требования к СВН, тем более сложной и дорогостоящей становится система.
Другой аспект — особенность эксплуатации простых СВН — заключается в участии пользователя. Например, простой и вполне надежный в работе солнечный водонагреватель состоит из мелкого корыта, наполненного водой и закрытого прозрачной крышкой.
Рис. 1. Открытый корытообразный солнечный водонагреватель:
1 - труба для подвода холодной воды; 2 - переливная труба; 3 - вентиль;4 - выпуск горячей воды.
Однако этот нагреватель должен каждое утро наполняться и опорожняться днем или ранним вечером. Кто-то должен наполнить корыто, накрыть его крышкой, если солнце скрыто облаками, оценить степень нагрева воды и слить горячую воду для дальнейшего использования. Этот простой нагреватель будет неприемлем для большинства людей в качестве альтернативы их обычным водонагревателям, так как большинство привыкло получать горячую воду не задумываясь и не тратя усилий больше, чем это нужно для поворота крана.
Можно создать СВН, которые будут так же надежны, как и традиционные устройства. Однако по конструкции они будут значительно отличаться от нагревателя в виде простого корыта. Между этими двумя крайними случаями существует много нагревателей самых разнообразных типов, с разной стоимостью, с разной степенью участия пользователя, что является определяющими факторами при окончательном выборе системы.
Крупным недостатком нагревателя с плоским бассейном является необходимость использования его только в горизонтальном положении. В тропиках этот недостаток не имеет существенного значения, но в высоких широтах, где солнце не поднимается высоко над горизонтом, горизонтальный коллектор значительно снижает свою эффективность из-за отражения большей части энергии им самим. Зимой, когда солнце еще ниже над горизонтом, КПД коллектора уменьшается еще больше. Поэтому в более высоких широтах используются, как правило, наклонные коллекторы.
Рис. 2. Солнечный водонагреватель, объединенный с аккумулятором:
1 - стекло;2 - выпуск горячей воды;3 - впуск холодной воды; 4 - рабочая поверхность коллектора; 5 - разделитель потока воды.
Коллектор, изображенный на рис., размещен в плоском металлическом контейнере, окрашенном в черный цвет и имеющем покрытие из листового стекла. С одной стороны контейнер имеет выступающий резервуар для воды. Дефлектор внутри контейнера обеспечивает термосифонную циркуляцию, в результате которой нагретая вода из коллекторного отсека поступает в аккумуляторный отсек, а холодная вода со дна этого отсека поступает в коллектор. Аккумуляторный отсек нагревается в течение дня, а ночью теплоизолируется для уменьшения потерь тепла. Единственным крупным недостатком нагревателей объединенного типа (коллектор-аккумулятор) является их неспособность воспрепятствовать потерям тепла в облачную погоду или ночью. По этой причине почти все выпускаемые системы СВН имеют отдельный коллектор и отдельный бак-аккумулятор.
Одна из конструкций, применяемых в Израиле, Австралии, Японии, США (рис. 3) состоит из наклонного остекленного коллектора, отдельного, хорошо изолированного водяного бака-аккумулятора и теплоизолированных труб, соединяющих эти элементы.
Рис. 3. Типичная конструкция промышленного солнечного водонагревателя (герметичный вариант):
1 - горячая вода; 2 - вентиль сброса давления; 3 - слив горячей воды; 4 - запорный вентиль; 5 - вентиль подпитки; 6 - холодная вода; 7 - подача холодной воды; 8 - сливной вентиль.
Днище бака-аккумулятора располагается, по крайней мере на 300 мм выше верхней части коллектора. Такая компоновка исключает затраты дополнительной энергии для циркуляции воды в системе. Циркуляция происходит только вследствие естественной конвекции. При нагреве вода в коллекторе расширяется, становится менее плотной, поднимается вверх по коллектору и через трубу поступает в верхнюю часть бака-аккумулятора. В результате более прохладная вода у днища бака вытесняется и перетекает по другой трубе в нижнюю часть коллектора. Эта вода в свою очередь нагревается и поднимается в бак. Пока светит солнце, вода будет постоянно циркулировать по этому контуру, все более нагреваясь. Вследствие того, что бак приподнят над коллектором, эффект опрокидывания циркуляции в результате ночного охлаждения теплоносителя в коллекторе сводится на нет, так как холодная вода просто скапливается в нижней точке системы (на дне коллектора), в то время как теплая вода остается в баке.
На практике нашли применение несколько конструктивных вариантов коллектора. Все они в своей основе представляют собой теплоизолированный ящик с одним или более прозрачным покрытием, в котором находится зачерненная металлическая теплоприемная панель с каналами для циркуляции воды через систему. В одном из вариантов СВН используется длинная, изогнутая по синусоиде трубка, по которой вода течет снизу вверх. Трубка коллектора припаяна к поверхности плоской металлической пластины, которая имеет большую площадь для поглощения солнечного тепла. В другом варианте коллектор имеет ряд параллельных труб, соединенных горизонтальными трубами в нижней и верхней частях коллектора. Кроме того, существует метод изготовления теплоприемной плиты коллектора путем соединения двух металлических пластин с рельефно отформованной сетью каналов между ними для прохода воды, получивший название метода «холодной прокатки». Этим методом можно получить сеть каналов любого вида. Вариантом этой технологии является поглотитель типа трубы в листе, в котором параллельные каналы в виде труб составляют единое целое с металлической пластиной и соединены между собой горизонтальными каналами вверху и внизу.
Вне зависимости от конструктивных деталей основными задачами при создании коллектора являются следующие:
обеспечение максимальной эффективности теплопоглощающей поверхности;
использование наилучших средств для быстрого и равномерного переноса тепла к потоку воды;
устойчивое и равномерное распределение воды в коллекторе;
невысокая стоимость и надежность установки.
Теплоприемные пластины коллектора изготовляются из: меди, алюминия, оцинкованной стали.
Теплоприемник коллектора имеет покрытие, повышающее его поглощательную способность. Самым простым и дешевым покрытием является слой черной краски. Однако приближающимся к идеальному будет одно из селективных покрытий, обладающих высокой поглощательной и очень низкой излучательной способностью, что сводит к минимуму вторичное излучение энергии.
Изоляция корпуса, в котором находится теплоприемная панель, не должна допускать больших потерь энергии, поступающей в установку.
Трубы, ведущие из коллектора в бак-аккумулятор, должны иметь хорошую изоляцию и создавать минимальные помехи циркуляции. В большинстве установок бак размещен рядом с коллектором для того, чтобы свести к минимуму длину труб и соединений. Изоляция труб помогает сохранить поглощенное коллектором тепло и поддерживать температурный напор между поступающей и отводимой водой с тем, чтобы не нарушить термосифонный эффект.
Бак-аккумулятор должен быть достаточно велик, чтобы вмещать двухдневный запас горячей воды.
Существенно и местоположение ввода в бак труб. Труба, подводящая холодную воду к нижней части коллектора, должна забирать ее из самой холодной, нижней части бака. Нагретая вода из коллектора должна поступать в верхнюю (самую теплую) часть бака. Выше впускного отверстия для отбора горячей воды должен быть оставлен объем для накопления полусуточного запаса самой горячей воды, так как вода, поступающая в данный момент из коллектора, не всегда будет достаточно горячей (облачный день, раннее утро) и не должна в этом случае охлаждать имеющийся в баке запас более горячей воды. Если вспомогательным источником тепла является погружаемый в воду электрический водонагреватель (общепринято для промышленных установок), то он должен устанавливаться ниже суточного объема воды в аккумуляторе. Это дает возможность подогревать только то количество воды, которое необходимо. Преимущество установки бака внутри помещения, помимо снижения требований к изоляции, заключается в том, что какое бы количество тепла не терялось, все оно поступит в жилое помещение, а не во внешнюю среду.
Местоположение, наклон коллектора и его взаимосвязь с баком являются важными факторами, которые в большой степени зависят от архитектурно-планировочного решения здания. Коллектор должен быть ориентирован строго на юг и наклонен к горизонтали под углом, равным широте места. Такая ориентация теоретически оптимальна для круглогодичной работы. В реальных условиях ориентация коллектора зависит от многих факторов. Например, если здание имеет крышу, на которой можно поместить коллектор, то, вероятно, это будет намного дешевле, чем возведение отдельной конструкции. Если при этом азимут и угол наклона коллектора отклоняются от оптимальных на 10...15°, то уменьшение КПД не будет превышать 10% и его уменьшение легко можно будет компенсировать увеличением площади коллектора.
При установке коллектора термосифонной системы на крыше бак-аккумулятор часто помещают на уровне конька крыши, а иногда даже в ложной дымовой трубе. Конструкция крыши в этом случае должна быть способной выдержать такую нагрузку. Другие способы организации циркуляции воды применяются там, где указанные требования к установке невыполнимы.
В холодном климате СВН должен иметь надежные предохранительные приспособления против замерзания, а это усложняет его конструкцию по сравнению с обычной термосифонной системой, предназначенной для теплой погоды. Существуют три основных способа защиты коллектора:
Наиболее распространенным средством защиты против замерзания является применение раствора антифриза в воде. При этом теплообмен между нагретым солнцем раствором и водой в баке-аккумуляторе осуществляется обычно с помощью трубчатого змеевика, погруженного в бак. Змеевик своими концами соединен с питающей и отводной трубками коллектора, при этом термосифонная циркуляция теплоносителя происходит по обычной схеме.
Рис. 4. Солнечный водонагреватель с теплообменником внутри бака:
1 - горячая вода; 2 - выпуск горячей воды; 3 - вентиль; 4 - подача холодной воды; 5 - холодная вода; 6 - обратный клапан; 7 - коллектор; 8 - теплообменник.
Ограничение, накладываемое термосифонным устройством на архитектурный проект, можно снять применением насосов, но при этом свобода размещения системы достигается дополнительными издержками.
Еще одним вариантом системы, в которой устранены проблемы замерзания, является коллектор Томасона, соединенный с небольшим насосом. Вместо прохождения по замкнутым каналам вода в этом коллекторе свободно стекает вниз по поверхности волнистого металлического листа. Внизу она собирается в желоб и самотеком поступает в бак-аккумулятор. Поскольку система не является герметичной, вода к потребителю также поступает самотеком, если не накачивается в водонапорный бак. Преимущество коллектора с открытым стеканием воды заключается в том, что вода сливается в бак-аккумулятор просто в результате отключения насоса. Вариантом использования этого принципа является коллектор Каваи, разработанный в Японии и состоящий из слоя ткани или волокнистого материала, который помещен между двумя металлическими пластинами. Вода медленно просачивается через коллектор, сливаясь снизу.
Выбор солнечного водонагревателя
Самым дешевым солнечным водонагревателем является водонагреватель с системой накачивания воды, в котором совмещены аккумулирующий и коллекторные элементы системы.
В солнечном водонагревателе с естественной циркуляцией воды коллекторная и аккумулирующая части системы разделены. Его действие основано на термосифонном эффекте с использованием разности температур.
Солнечные воднагреватели изготавливают со светоотражающей панелью и без нее; чтобы коллектор улавливал большее количество тепла, выполненные из алюминия или нержавеющей стали отражающие панели, применение которых особенно эффективно в зимний период, устанавливают на боковой стене накопительного бака.
В солнечном водонагревателе в виде стационарной установки с системой накачивания воды после захода солнца температура воды резко падает. Он удобен в тех случаях, когда горячей водой пользуются в сравнительно раннее время или при наличии эффективной теплоизоляции. В последнее время солнечные водонагреватели этого типа вытесняются высококачественными солнечными водонагревателями с естественной циркуляцией воды. Тем не менее, благодаря низкой стоимости солнечные водонагреватели с системой накачивания воды оказываются экономически выгодными при использовании их только для снабжения горячей водой ванны.
В системе с естественной циркуляцией воды нагретая вода находится в теплоизолированном баке, поэтому ее температура понижается постепенно, воду можно использовать на следующий день, причем ее температура сохраняется относительно высокой.
Внешний вид солнечных водонагревателей с естественной циркуляцией воды, а также отдельные элементы этих систем (накопительные баки, светопрозрачные покрытия, корпуса в форме плоских ящиков) не имеют существенных различий.
Как правило, солнечные водонагреватели отличаются по конструкции коллекторных панелей, являющихся их основным элементом:
1. Коллекторная сварная панель изготавливается из специальной нержавеющей стали толщиной 0,3 мм. Поверхность ее окрашивают в черный цвет, либо покрывают селективным покрытием. Подобный солнечный водонагреватель заполняют антифризным раствором.
2. Коллекторная панель имеет форму надувной емкости из высокомолекулярного полиэтилена, окрашенного в черный цвет.
3. Коллекторная панель типа тепловой трубы (черная краска, селективное покрытие, селективно-поглощающая пленка) обладает морозоустойчивыми свойствами.
4. Коллекторная панель для плоских солнечных коллекторов выполняется из оребренных медных труб.
Среди перечисленных видов солнечных водонагревателей конструкция с коллекторной панелью типа 1 наиболее простая, поэтому большинство изготовителей выпускают изделия подобного типа. В свойствах разработанных в последнее время коллекторных панелей не наблюдается существенных различий. В зависимости от особенностей конструкции и способов их сварки несколько варьируются сроки службы солнечных водонагревателей, а также обнаруживается их различная морозоустойчивость.
В районах, где в воде содержится много солей, целесообразно устанавливать водонагреватель с коллекторными панелями из полиэтилена. По сравнению с металлическими коллекторными панелями у полиэтиленовых изделий с той же тепловоспринимающей площадью КПД преобразования солнечного излучения в тепло несколько хуже, тем не менее они выигрывают за счет низкой стоимости и антикоррозийных качеств. Недавно появились модификации таких солнечных коллекторов, которые имеют форму трапеции в поперечном сечении и отличаются термостойкостью, что важно для сохранности панели при отсутствии отбора тепла. Они также морозостойки. Солнечные коллекторные панели в виде тепловых труб наиболее безопасны с точки зрения воздействия резких перепадов температуры, и поскольку вода не циркулирует по коллекторной части солнечной установки, они почти не загрязняются. Такие солнечные водонагреватели легко контролировать и чистить. Однако по сравнению с высококачественными водонагревателями других типов они гораздо дороже и используемые в них тепловые трубы не всегда сохраняют с течением времени свои характеристики на исходном уровне.
В водонагревателях с панелями, предназначенными для работы без антифризных растворов, приходится принимать меры для сохранения их работоспособности при низких температурах. Для этого необходимо оборудовать их двойными или тройными низкотемпературными клапанами. При открытии такого клапана возможны потери воды из системы; кроме того, клапаны часто выходят из строя, в связи с чем такая система особенно не рекомендуется к применению.
В обычном жилом доме наиболее экономично устроить солнечный водонагреватель с коллекторной поверхностью 2...3 м2 и вместимостью бака-аккумулятора 200...250 л. Многие разработчики считают целесообразным использовать крупные баки. Обычно площадь солнечных коллекторов и объем накопительных баков выбирают так, чтобы их отношение составляло 70...100 л/м2. Если принять отношение меньшим, то это повлечет повышение температуры теплоносителя, но выработка тепла уменьшится. Для большой семьи можно установить 2 солнечных водонагревателя. Следует иметь в виду, что в районах с очень снежными зимами, необходимо специальное устройство, предохраняющее солнечный водонагреватель от повреждений.
Организация солнечного горячего водоснабжения
С давних пор солнечные водонагреватели конструируют с таким расчетом, чтобы вода непосредственно подавалась потребителю в ванную и кухню, но при этом совершенно не учитывается возможность их переоборудования для центральной системы солнечного горячего водоснабжения. Изготовители водонагревателей также зачастую не предусматривают такой возможности. Следовательно, вопрос о централизации солнечного горячего водоснабжения должен решаться уже на уровне проектирования системы.
При желании применить солнечный водонагреватель в системе центрального горячего водоснабжения (в масштабах дома) необходимо составить проект такой системы с учетом различных способов монтажа трубопроводов. Главное внимание следует уделить мерам по увеличению морозостойкости системы, а также борьбе с потерями тепла, в частности из-за смешивания воды в бойлере и недостаточно точного регулирования температуры воды, подаваемой в ванную и на кухню.
Рис. 1. Пример централизованной в масштабе дома системы солнечного горяего водоснабжения (Автор проекта Танака):
1 - бак-аккумулятор с горячей водой; 2 - водонагреватель с естественной циркуляцией воды; 3 - трубопровод подачи горячей воды; 4 - трубопровод, снабжающий потребителей горячей водой; 5 - часть системы, которую нельзя подключать к трубопроводу непосредственно; 6 - устройство для подачи горячей воды наверх (в случае недостаточно высокого давления); 7 - трубопровод, снабжающий потребителя водой в обход дополнительного нагревателя; 8 - городской водопровод; 9 - непосредственное подключение; 10 - подключение в случае аварии; 11 - дополнительный нагреватель накопительного типа; 12 - регулятор температур; 13 - газ; 14 - кухня; 15 - душ; 16 - ванная; 17 - туалет.
При проектировании централизованной в масштабе дома системы горячего водоснабжения с солнечным водонагревателем нужно иметь в виду следующее:
Если в системе трубопроводов, идущих от водонагревателя, установить трубу, снабжающую потребителей водой в обход дополнительного бойлера, или кран-переключатель, можно увеличить коэффициент использования солнечной энергии в течение года. Однако, такая система неприемлема для северных регионов.
Водоснабжение с принудительной циркуляцией воды
Система солнечного горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией воды характеризуется тем, что в ее схеме солнечный коллектор и аккумуляторный бак разъединены, и для нагревания воды в баке требуется принудительная прокачка теплоносителя при помощи циркуляционного насоса. Аккумуляторный бак и насосы в такой системе можно расположить внизу, что облегчает контроль за оборудованием, к тому же отпадает необходимость в установке на крыше дома тяжелого резервуара.
Недостатки системы:
- необходимость монтажа коллекторного насоса и датчиков разности температур;
- обеспечение теплоизоляции трубопроводов.
В результате стоимость такой системы выше, чем обычной системы с естественной циркуляцией воды.
Если учитывать технические качества обеих систем, то при одинаковых площадях солнечных коллекторов и объеме бака обычно выбирают солнечный водонагреватель с естественной циркуляцией воды. Система солнечного горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией воды связана с необходимостью обеспечения работы насосов замены многих деталей в механизмах регулирования и контроля, и хотя она считается более совершенной, в обычных домах ей пользуются очень редко.
Таким образом, систему солнечного горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией воды можно рекомендовать для следующих случаев:
В комплекты оборудования систем солнечного горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией воды, имеющиеся в продаже, обычно входят коллекторы (2...3 шт.) и накопительный бак горячей воды вместимостью 250...300 л. Для экономии энергии очень надежны и выгодны крупные водонагреватели, а также водонагреватели на 2-х опорах, устанавливаемые либо параллельно, рядом друг с другом, либо соединяющиеся последовательно.
Систему солнечного горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией воды по конструкции теплоаккумуляторных баков и способам нагрева разделяют на 3 вида:
Непосредственный нагрев с использованием накопительного бака с открытым отбором воды
Нагрев по этому принципу осуществляется по следующей схеме: вода, подаваемая в открытый аккумуляторный бак, непосредственно нагнетается вверх, где проходит через солнечный коллектор и нагревается солнечным излучением.
Рис. 1. Схема системы горячего водоснабжения с непосредственным нагревом и аккумуляторным баком с открытым отбором воды:
1 - солнечный коллектор; 2 - вакуумный затвор; 3 - аккумуляторный бак с открытым отбором воды; 4 - подача питательной воды; 5 - коллекторный насос; 6 - дополнительный насос для горячей воды; 7 - электрический водонагреватель; 8 - кухня; 9 - туалет; 10 - ванная.
Такая система отличается высокой эффективностью, однако в ней обязательно нужные мощные коллекторные насосы и насос высокого давления для подачи горячей воды. Предотвращение замерзания системы при низких температурах обеспечивается за счет слива воды, поэтому в трубопроводе не должно быть обратных уклонов.
В связи с необходимостью слива воды в самой верхней точке нужно установить воздушный клапан, чтобы воздух проникал в коллекторную часть, поэтому место установки теплоаккумуляторного бака строго ограничивается.
В качестве теплоаккумуляторов с открытым отбором воды для систем горячего водоснабжения используют баки из пластмасс, армированные стекловолокном, полиэтиленовые баки. Для этих баков необходимы насосы высокого давления для подачи горячей воды. Выпуск воды осуществляется автоматически. При пользовании насосами с автоматическим включением возникает опасность нарушения равномерности тока горячей воды (гидроудар), поэтому нужно выбирать систему с регулятором давления. Бойлеры также желательно выбирать либо типа накопительных резервуаров, либо снабженные системой регулируемого отбора и поступления воды.
Непосредственный нагрев с использованием теплоаккумуляторного бака с закрытым отбором воды
Рис. 2. Способ непосредственного нагрева с использованием аккумуляторного бака с закрытым отбором воды (совмещен с дополнительным энергоисточником):
1 - солнечный коллектор; 2 - вакуумный затвор; 3 - электрический водонагреватель, совмещенный с баком-аккумулятором; 4 - коллекторный насос; 5 - подача питательной воды; 6 - кухня; 7 - туалет; 8 - ванная.
Эта схема характеризуется высокой эффективностью солнечных коллекторов и необходимостью в коллекторных насосах сравнительно малой мощности. Однако, в ней несколько осложнено использование антифриза, поэтому при возникновении опасности замерзания воды рекомендуется с помощью электромагнитного клапана перекрыть воду в трубопроводах, идущих от теплоаккумуляторного бака, а также, через электромагнитный и низкотемпературный клапаны полностью спустить воду из коллекторной части системы. Для обеспечения большей безопасности оба клапана целесообразно совместить и осуществлять повседневный контроль за их состоянием. Перед включением насоса очень важно повернуть электромагнитный клапан для дренажа воды в положение Открыто.
Опосредствованный нагрев с использованием аккумуляторного бака с закрытым отбором воды
Эта система работает по следующей схеме: в нижней части накопительного бака устанавливают теплообменнник и теплоноситель, циркулирующий в его трубах, нагревает воду в баке.
Рис. 3. Способ опосредствованного нагрева с использованием аккумуляторного бака с закрытым отбором воды (дополнительный энергоисточник отделен):
1 - солнечный коллектор; 2 - расширительный бак для антифриза; 3 - аккумуляторный бак с закрытым отбором воды; 4 - подача воды наверх; 5 - электрический водонагреватель; 6 - кухня; 7 - туалет; 8 - ваннная.
При пользовании этой системой снижается эффективность преобразования солнечного излучения в тепло за счет повышения теплопотерь в теплообменнике. Благодаря использованию в качестве теплоносителя раствора антифриза обеспечивается предотвращение замерзания; мощность насоса здесь невелика.
Таким образом,существует много различных схем систем солнечного горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией воды. У каждой из них есть свои достоинства и недостатки. При выборе системы следует прежде всего руководствоваться данными об экономии энергии. надежности конструктивных узлов, эффективности осуществляемых мер против замерзания и долговечности коллекторных труб. Вопросы условий эксплуатации систем и выбора места их установки следует решать в зависимости от особенносей климата и рельефа местности.
При одинаковых площадях солнечных коллекторов и емкости теплоаккумуляторов в системе непосредственного нагрева выработка тепла будет на 10...20% больше, чем при опосредственном нагреве. Кроме того, в системе опосредствованного нагрева затраты энергии на работу насосов и других дополнительных механизмов составляют 50...100 кВт*ч/год.
Дополнительные бойлеры
В системе солнечного горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией воды обычно в качестве дублирующего теплоисточника используют бойлер для подогрева воды. Он необходим в тех случаях, когда солнечного тепла недостаточно или оно вообще отсутствует. Следует иметь в виду, что при неудачном выборе объема бака-теплоаккумулятора и неправильном использовании дополнительного бойлера коэффициент использования солнечного излучения понижается.
На рис. 1, 2 и 3 показаны схемы включения бака-теплоаккумулятора в системы солнечного теплоснабжения с дополнительными бойлерами.
Рис. 1. Система, в которой дублирующий источник тепла не присоединен:
1 - бак-теплоаккумулятор; 2 - солнечное тепло; 3 - подача питательной воды; 4 - ванна; 5 - топка ванны; 6 - кухня; 7 - подогреватель малой мощности; 8 - подача воды; 9 - дополнительное топливо.
В схеме, представленной на рис. 1, дублирующий источник отделен от системы солнечного теплоснабжения, ванная имеет обычную топку, а небольшой подогреватель не соединен с системой. Тем не менее, эффективность этой системы с точки зрения экономии энергии достаточно высока и коэффициент использования солнечного излучения также находится на оптимальном уровне. Не следует соединять трубопровод гелиосистемы непосредственно с топкой, к которой подсоединена душевая установка, поскольку при этом часто выплескивается горячая вода, что может явиться причиной травмы.
Рис. 2. Система с отдельным дополнительным бойлером горячей воды:
1 - накопительный бак; 2 - солнечное тепло; 3 - подача воды; 4 - бойлер с горячей водой; 5 - дублирующее топливо; 6 - ванна; 7 - кухня и другие помещения.
В схеме стандартной системы (рис. 2) для нагрева воды в бойлере применяют разные виды топлива. В целях экономии энергии следует выбирать бойлер объемом немного больше теплоаккумулятора. При использовании подогревателя с быстрым непосредственным нагревом воды регулирование с помощью датчиков режима своевременной подачи топлива должно осуществляться в широком диапазоне температур. Бойлеры, применяемые в этой гелиосистеме, различаются также в зависимости от способов регулирования температуры теплоносителя в них. Бойлеры не всех типов одинаково удобны в эксплуатации, поэтому полезно предварительно проконсультироваться с изготовителями.
При использовании электрического водонагревателя применяют термодатчики и регуляторы температуры с 2-мя фиксированными значениями температуры теплоносителя (85 и 60°C) или используют дифференциальные термодатчики. При этом очень важно ограничить тепловые потери. Бойлер оборудуют вентилями ручного или автоматического переключения и смесителями. Рекомендуется также включать в систему устройство, по возможности ограничивающее использование дублирующего источника, с целью повышения коэффициента использования солнечного тепла.
Рис. 3. Система, в которой накопительный бак совмещен с дополнительным источником топлива:
1 - накопительный бак; 2 - солнечное тепло; 3 - дополнительный источник топлива; 4 - подача воды; 5 - ванна; 6 - кухня и другие помещения.
В системе солнечного горячего водоснабжения (рис. 3) теплоаккумуляторный бак совмещен с дополнительным бойлером, В качестве вспомогательного топлива используется электричество ночного тарифа, газ или нефть. Дополнительное оборудование (коллекторные насосы и датчики разности температур) лучше приобретать в комплекте с теплоаккумуляторным баком, что дешевле и удобнее для монтажа системы. При этом только при применении дифференциального регулятора температуры и дополнительном бойлере достигается высокий коэффициент использования солнечного тепла.
Если трубопровод присоединен не к середине аккумуляторного бака, то заметно падает коэффициент использования солнечного тепла. Такой способ совмещения дополнительного бойлера и основного бака-теплоаккумулятора позволяет экономить пространство, однако при повреждении бойлера может выйти из строя и теплоаккумуляторный бак.
Выбирая дополнительный бойлер, необходимо предусмотреть возможность замены отдельных деталей. Наличие дополнительного бойлера в гелиосистеме предполагает недостаток солнечного тепла, а бойлер с большими теплопотерями крайне нежелателен. Следует иметь в виду, что прерывисто работающие горелки быстрого воспламенения предпочтительнее источников непрерывного горения.
Теплопотери дополнительного бойлера, составляющие 850 кДж/ч, считаются небольшими. Годовые теплопотери составляют при этом 7,3 ГДж, т.е. равны выработке тепла солнечным коллектором площадью 3...4 м2. Следовательно, в целях экономии энергии выгоднее обеспечить стабильную температуру теплоносителя в бойлере. В настоящее время появилось большое число бойлеров, различающихся по способам зажигания, теплоизоляции и особенностям конструкции. При выборе вспомогательного бойлера прежде всего следует руководствоваться тем, чтобы он характеризовался минимальными потерями тепла.
Автор: mensh /Олег Б. Меньшенин/
Интересно почитать