Расчет солнечного водонагревателя

Расчет солнечного водонагревателя

Существенной характеристикой солнечной радиации является ее периодичность и непостоянство. Суточная потребность в энергии при этом должна восполняться за 6...8 ч; таким образом, требуется обеспечить аккумулирование энергии в той или иной форме. Если же предполагается иметь запас горячей воды в расчете на пасмурные дни, то необходимо аккумулирование энергии с запасом на несколько суток.

В солнечных водонагревателях наиболее удобным аккумулятором является сама горячая вода. При этом для хранения воды обычно используют бак, рассчитанный на двухдневный запас. Сравнительная емкость обычных и солнечных баков горячей воды в расчете на среднюю семью выглядит следующим образом.

Таблица 1. Емкость бака и площадь коллектора солнечного водонагревателя

Численность семьи, чел.	Емкость обычного бака при температуре воды 65°C, л	Емкость солнечного бака при температуре воды, 50°C, л	Средняя площадь поверхности коллектора, м2
3	90	210	3
4	120	285	4
5	150	360	5

Это средние значения, которые (в частности, площадь поверхности коллектора) могут значительно отличаться от указанных в ту или другую сторону в зависимости от радиационного климата.

Быструю оценку требуемой площади поверхности солнечного коллектора системы горячего водоснабжения можно произвести следующим образом:

1. Примем, что суточная потребность (обычная) в горячей воде составляет, например, 90 л (для семьи из 3-х человек). Если ее нужно подогревать от 10 до 65°С, т.е. на 55°С, то годовая потребность в энергии составит:

90 л/сут * 365 сут * 55°С * 1,16 Вт*ч(л*°C) / 1000 = 2095,8 кВт*ч.

2. На основании климатических данных примем, что годовое суммарное количество солнечной радиации равно 1100 кВт*ч/м², что типично, например, для юга Англии. Можно ожидать, что эффективно использоваться будет 40% этой величины.

Уровень радиации, падающей на наклонный коллектор, будет в 1,33 раза превышать уровень радиации, падающей на горизонтальную плоскость. При этом 30%-ная эффективная отдача такого коллектора будет соответствовать 40%-ной отдаче горизонтального коллектора. В условиях такого климата можно ожидать, что эффективная солнечная радиация будет составлять не более 66%.

Система подогрева воды может быть рассчитана исключительно на использование солнечной радиации, однако такая система может быть и неэкономичной. В солнечный день требуемый подогрев может быть обеспечен небольшим коллектором, например, площадью 2 м². В дни с небольшой облачностью аналогичный результат можно получить с помощью коллектора площадью 3 м2. В самые худшие дни со сплошной облачностью для получения такого же теплового действия потребуется коллектор площадью 10 м2. Если установить коллектор площадью 10 м², то лишняя площадь будет бесполезной большую часть времени. При хорошей солнечной погоде дополнительная площадь не даст никаких преимуществ: при достаточно высокой температуре (например, выше 65a°С) КПД коллектора резко падает. Таким образом, большую часть времени коллектор будет попросту простаивать, начиная работать лишь при самой плохой погоде.

3. Определим требуемую площадь поверхности коллектора:

Sк = потребность в энергии / подвод энергии на единицу площади = 2095,8*8*0,66/1100*0,4 = 3,1 м²

Поскольку приток тепла от солнечной радиации почти всегда меньше 100% потребного притока тепла, необходим в той или иной форме вспомогательный подвод тепла. Наиболее удобным является погружной электроподогреватель, рассчитанный на подогрев верхней трети содержащейся в баке воды. Могут быть использованы газовые водоподогреватели циркуляционного типа.