Солнечные коллекторы
Солнечные коллекторы уже становятся обычными в Приморье и все больше людей используют их для получения горячей воды и в отопительных системах. В соседнем Китае по состоянию на 2012 г. общая площадь солнечных коллекторов превысила 145 миллионов квадратных метров. Их общая мощность тепловой энергии превышает 100 гигаватт. Для сравнения — это в 4 раза больше чем мощность всех атомных станций России вместе взятых. Между тем еще 15 лет назад в Китае солнечных коллекторов почти не было. Ивестиции в эту сферу позволили развить производство, а государственные субсидии сделали приобретение коллекторов более доступным для населения. Ну а самым важным фактором стало то, что использование солнечных коллекторов экономически очень выгодно. За свой срок службы солнечный коллектор вырабатывает такое количество энергии, что его стоимость многократно перекрывает расходы на установку.
Солнечные коллекторы — самые эффективные на сегодня устройства по использованию энергии солнца. Если фотоэлектрические панели используют лишь 14-18% от поступающей к ним энергии солнца, то эффективность солнечных коллекторов 70-85%. Основной принцип работы заключается в том, что солнечные коллекторы захватывают тепловую энергию, концентрируют и направляют для использования человеком.
История солнечных коллекторов
Сама технология солнечных коллекторов не является чем-то особенно новым. Первая модель солнечного коллектора из стекла, деревянной коробки и внутреннего нагревающегося слоя была содана швейцарским ученым Горацием Соссюром еще в конце 18го века. Ученый тогда отметил, что конструкция «маленькая, дешевая и простая». На практике впервые такое устройство начали использовать для нагрева воды в конце 19 века в Южной Калифорнии. Различные фирмы производили простейшие солнечные коллекторы в виде черных баков для воды, установленных в деревянном ящике, одна из сторон которого была закрыта стеклом и обращена к солнцу. В этом случае за ночь вода остывала и приходилось ждать, пока она нагреется за день. В 1909 году в Калифорнии Вильям Бейли создал прототип современного плоского коллектора, который устанавливался отдельно от бака для воды и передавал тепло через теплообменный контур. Индустрия солнечных коллекторов процветала в южных штатах США — Калифорнии и Флориде до конца 1940х годов, когда цены на нагрев воды с использованием электричества и газа сильно снизились и производство солнечных коллекторов прекратилось. Второе рождение солнечных коллекторов пришлось на 1970е годы во времена нефтяного кризиса, когда цены на энергоносители сильно выросли. В результате во многих странах началось производство и массовое распространение солнечных коллекторов, в том числе в США, Японии, Австралии и средиземноморском регионе.
В Израиле в 1950х годах ощущалась сильная нехватка энергоносителей. Дефицит энергии был таков, что законодательно был введен запрет на нагрев воды в вечернее и ночное время. В то же время в стране стало развиваться производство солнечных систем нагрева воды. К 1967 году 20% жителей страны использовали солнечные коллекторы. Во время энергетического кризиса 1970х парламент издал закон, обязывающий все новые строящиеся дома иметь систему солнечного нагрева воды. В результате к настоящему времени 85% домашних хозяйств в Израиле используют солнечные коллекторы. Произведенная ими энергия составляет 3% энергопотребления страны и экономит 2 миллиона баррелей нефти в год.
С ростом цен на энергоносители в 2000х годах начался новый этап в производстве и использовании солнечных коллекторов. На начало 2010 года всего на планете было установлено свыше 150 гигаватт мощности солнечных коллекторов (без учета систем солнечного нагрева бассейнов и воздушных коллекторов). Ежегодно устанавливается свыше 30 гигаватт. Сейчас общая мощность солнечных коллекторов мира превышает 200 гигаватт тепловой энергии и продолжает расти.
Как работают солнечные коллекторы
Солнечная водонагревательная установка состоит из собственно солнечного коллектора, теплообменного контура и аккумулятора тепла (бака с водой). Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (жидкость). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бак-аккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический нагреватель-дублер. В случае понижения температуры воды в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.
Типы солнечных коллекторов
Есть два основных типа солнечных коллекторов, используемых в мире для нагрева воды — плоские и вакуумные. Плоские коллекторы являются традиционными, похожими на изначальную модель. Это плоская коробка, закрытая стеклом под которым находится абсорбирующий тепло слой с трубками, по которым проходит теплоноситель (обычно пропилен-гликоль).
Вакуумные коллекторы были изобретены в конце 1970х — начале 1980х годов. К моменту, когда можно было начать их массовое производство, энергетический кризис миновал и спрос на солнечные коллекторы был низким. Основные инвестиции в эту отрасль начали производиться в Китае со второй половины 1990х годов и с тех пор наблюдается непрерывный и возрастающий рост производства ваккуумных солнечных коллекторов. Сейчас примерно две трети используемых солнечных коллекторов в мире — это вакуумные и одна треть — плоские.
В вакуумном коллекторе вместо одной покрытой стеклом коробки используется ряд больших полых стеклянных трубок. Внутри каждой из них находится еще одна (или более) в которой содержится абсорбер тепла, нагревающий теплоноситель. Между внешней и внутренней трубкой находится вакуум, который служит теплоизолятором.
Какой тип коллекторов лучше? Однозначного ответа нет. У каждого вида солнечных коллекторов есть свои недостатки и преимущества.
- плоские считаются более прочными и надежными, поскольку имеют более простую конструкцию. вакуумные потенциально более хрупкие.
- в случае повреждения плоского коллектора, требуется замена целиком, при повреждении вакуумного, следует заменить лишь те трубки, которые были повреждены и модуль в это время может работать
- вакуумные коллекторы более эффективны, когда необходимо нагреть воду до высокой температуры
- вакуумные коллекторы более эффективны в зимнее время, поскольку у них ниже теплопотери от контакта с окружающей средой, а также дают больше энергии в пасмурную погоду
- нормальный срок службы солнечных коллекторов 15-30 лет, вакуумные коллекторы рассчитаны на такой же срок службы, но большинство существующих коллекторов пока еще не работали столь долго
Подробнее о правде и мифах о сравнении вакуумных и плоских солнечных коллекторов можно прочитать здесь.
В любом случае работа солнечного коллектора зависит от производителя, качества и технологичности сборки. Чем лучше производитель — тем эффективнее и надежнее солнечный коллектор.
Помимо деления на вакуумные (трубчатые) и плоские есть еще градация коллекторов внутри этих категорий. Плоские коллекторы обычно различаются по размеру, особенностям сборки, качеству стекла и специальных покрытий.
Вакуумные коллекторы отличаются прежде всего длиной и диаметром стеклянных трубок. Чем меньше и тоньше трубка — тем меньше энергии может давать такой коллектор. Длина варьирует от 1.2 до 2.1 м. Наиболее распространенный диаметр — 58 мм. Если диаметр меньше, то эффективность будет значительно ниже. Также ваккумуные коллекторы делятся по типам внутренних, передающих тепло медных трубок. Коллекторы бывают с нагревательными трубками, которые передают тепло или с U-трубками, которые образуют внутри каждой стеклянной трубки миниконтур передачи тепла. Подробнее о принципах работы вакуумных коллекторов.
Виды солнечных систем нагрева воды
Есть два основых вида солнечных систем нагрева воды: активные и пассивные. На схеме выше представлена активная система. Она является более сложной, дорогой, но значительно более эффективной, поскольку позволяет полный контроль над системой и использование солнечных коллекторов зимой. Отличительные признаки активной системы — бак с водой находится внутри помещения, а солнечные коллекторы на крыше. Теплоноситель прокачивается через систему насосом.
В наиболее распространенных пасивных системах солнечный коллектор и бак с водой объединены в единую систему «солнечного водонагревателя». Бак с водой находится выше коллектора и соединен с ним. Теплоноситель нагревает воду за счет естественной конвекции. Холодная вода подается в бак снизу под напором. Такая система проста по своей конструкции, легко устанавливается и дешевле. Основной недостаток такой системы — низкая эффективность или невозможность использования в холодном климате зимой. В России такую систему можно использовать летом на даче, в летнем доме или турбазе. На зиму воду с такой системы нужно сливать во избежание перемерзания и повреждения.
Для нагрева воды в летнее время лучше подходят пассивные системы. Для нагрева воды круглогодично и солнечного отопления необходимо использовать активные системы.
Экономическая выгода использования солнечных коллекторов
Основное применение солнечных коллекторов в мире — для нагрева воды в системах горячего водоснабжения. Выгоды в этом случае следующие:
svetdv.ru
Солнечные коллекторы для частного дома. Перспективная технология для организации горячего водоснабжения и отопления
Солнце – источник неисчерпаемой бесплатной энергии, ресурсами которой может воспользоваться любой желающий.
Комплект с плоскими солнечными коллекторами auroSTEP plus – оптимальное решение для загородного дома.
Трубчатый солнечный коллектор auroTHERM exclusiv обеспечивает максимальную эффективность поддержки системы отопления.
Плоские солнечные коллекторы auroTHERM и auroTHERM plus – отличное соотношение цены и эффективности.
Покупка гелиосистем у официального дилера имеет ряд преимуществ:
+ 7 (495) 369-37-99 (круглосуточно)
Постоянный рост цен на отопление и горячее водоснабжение заставляет многих из нас задуматься о способах экономии. Но можно ли не просто сократить расходы на электроэнергию, а свести их к нулю? Можно, если использовать энергию солнца. Солнечные коллекторы – это источник бесплатной и экологически чистой энергии.
Такие коллекторы, или, как их еще называют, гелиосистемы, предназначены для аккумулирования солнечной энергии для нагрева воды. Использование данной установки дает возможность дополнительного отопления в весенний и летний период. Иными словами, обладатели солнечных коллекторов получают горячую воду и тепло совершенно бесплатно.
Устройство и принцип работы
Простейший солнечный коллектор – это металлические пластины черного цвета, заключенные в корпус из стекла или пластика, которые обычно монтируются на крыше дома. В сущности, солнечный коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, которая накапливает солнечную энергию. Эта энергия согревает воду, циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной. Чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше его эффективность. Но, хотя принцип работы для всех коллекторов один и тот же, их конструкция несколько различается в зависимости от типа коллектора и сферы его применения.
Неиспользованная остывшая вода из резервуара постепенно опускается вниз, освобождая место нагретой воде из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и вновь поступает в резервуар. На практике это означает, что вода в накопительной емкости всегда остается горячей – в ясные солнечные дни ее температура может доходить до 70 o С.
Типы и характеристики бытовых коллекторов для нагрева воды и отопления
Описанная схема работы коллектора очень упрощена, на деле же гелиосистемы несколько сложнее. Существует несколько типов солнечных коллекторов со своими конструктивными особенностями.
Плоские высокоселективные
Плоский коллектор – один из самых распространенных типов. Их преимущество состоит в невысокой цене, однако в сравнении с другими моделями они теряют больше тепла. Плоские солнечные коллекторы состоят из плоскостного поглотителя, прозрачного стеклянного покрытия, теплоизоляции с оборотной стороны и рамы, которая в основном делается из алюминия или стали.
Плоскостной поглотитель – это выкрашенный в темной цвет металлический лист, соединенный с теплопроводящими трубами. Слой поглотителя аккумулирует солнечные лучи и трансформирует солнечную энергию в тепловую, которая затем передается жидкости-теплоносителю (смеси воды и гликоля). Эта жидкость «направляет» тепло в солнечный аккумулятор. Стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от воздействия окружающей среды и снижает потери тепла, создавая парниковый эффект. Эту же функцию выполняет и теплоизоляция из минерального волокна.
Вакуумные трубчатые
Солнечные коллекторы этого типа состоят из стеклянных трубок, внутри каждой из которых располагается устройство, поглощающее солнечный свет. Вакуум – идеальный теплоизолятор, и потому теплопотери таких коллекторов значительно меньше. Существует два вида вакуумных коллекторов, различающихся по способу нагрева – с косвенной теплопередачей и прямоточные. Первый вид устройств предназначен для всесезонного использования, а второй – для теплого времени года, с апреля до сентября.
Концентрационные
Весной, летом и осенью дневной угловой ход солнечных лучей больше 120 градусов – угла, в котором эффективно работают неподвижные солнечные коллекторы. Повышение эксплуатационных температур до 120-250 o C возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Они концентрируют солнечные лучи, и в результате их на панель попадает больше. Для получения более высоких температур требуются устройства слежения за солнцем. Это достаточно дорогостоящее решение и применяется оно в основном в промышленных целях.
Солнечные воздушные коллекторы используются для нагрева воздуха. Это простые плоские коллекторы, применимые для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Недостаток последнего варианта в том, что часть энергии тратится на работу вентиляторов.
Расчет мощности солнечного коллектора
Солнечные коллекторы для дома могут обладать весьма высокой производительностью. Чтобы точно рассчитать мощность коллектора, нужно знать его площадь поглощения, величину инсоляции для вашего региона и КПД коллектора.
Допустим, используется коллектор площадью примерно 1 кв. м, состоящий из 7 трубок, каждая из которых имеет площадь поглощения 0,15 кв. м. Получаемая мощность в расчете на один день вычисляется следующим образом: 0,15 (площадь поглощения 1 трубки) × 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) × 0,67 (КПД солнечного коллектора) =117,95 кВт•час/кв. м. В среднем за сутки одна вакуумная трубка теплового коллектора вырабатывает 0,325 кВт•час. В наиболее солнечные летние месяцы она будет производить 0,545 кВт•час.
Использование солнечных коллекторов в России и мире
Солнечные коллекторы широко распространены во всем мире, хотя для нашей страны они все еще остаются новинкой. Настоящий бум солнечных коллекторов пришелся на 1970-е, во времена нефтяного кризиса. Тогда их начали применять во многих странах, от США до Японии. В Израиле в наши дни более 85% населения используют солнечные коллекторы. Сейчас общая мощность солнечных коллекторов мира превышает 200 гигаватт тепловой энергии и продолжает неуклонно расти. Использование данной технологии в Германии, например, оценивается в 140 кв. м/1000 чел., в Австрии – 450 кв. м/1000 чел., на Кипре – около 800 кв. м/1000 чел. В России этот показатель пока очень мал – лишь 0,2 кв. м/1000 чел.
Многие могут усомниться – разумно ли использование таких устройств в России, где климат далеко не такой теплый и солнечных дней значительно меньше, чем в южных широтах? Расчеты, проведенные в РАН, доказывают, что даже наша суровая погода – не препятствие для эффективной эксплуатации коллекторов. В средней полосе России мощность солнечного потока составляет от 100 до 250 Вт на 1 кв. м площади. Максимальное значение равняется 1000 Вт (при ясном небе в полдень). Следовательно, при установке солнечного коллектора площадью 2 кв. м вода в баке емкостью 100 л будет ежедневно прогреваться до температуры от 37 o С и более (этот показатель может доходить до 55 o С). А в теплые месяцы коллектор будет еще эффективнее.
Солнечные коллекторы применяются для отопления, нагрева воды, подогрева бассейнов, обеспечения энергией теплиц. Они легко интегрируются в любую сеть водо- и теплоснабжения и просто монтируются. С помощью солнечных коллекторов можно сократить расходы на оплату энергоносителей, а в летние месяцы получать и вовсе бесплатную горячую воду. К известным и надежным производителям солнечных коллекторов относятся такие компании, как FUTUS-NUKLEON (Австрия-Чехия), TiSUN (Австрия), Ferroli (Италия), но особым доверием специалистов пользуются коллекторы от немецких компаний – Wolf и Vaillant. Эти бренды не просто предлагают надежную продукцию – они постоянно совершенствуют свои системы и внедряют новые технологии.
Стоимость гелиоустановки для дома
Цена солнечного коллектора для отопления дома зависит от его типа, сложности системы и мощности, а также, не в последнюю очередь, от производителя. Относительно небольшие установки для частных домов, коттеджей и дач с номинальной мощностью около 2 кВт•ч стоят от 160 000 рублей в базовой комплектации, более мощные системы с несколькими коллекторами общей мощностью около 6 кВт•ч, предназначенные не только для нагрева воды, но и для отопления в весенне-зимний период, обойдутся в 270 000 рублей. К этому нужно прибавить стоимость монтажа и наладки.
За какой срок окупится коллектор? На это влияет режим эксплуатации. Солнечные коллекторы в отопительный период поддерживают отопление приблизительно на 25%, а горячее водоснабжение в летние месяцы на 80-90%, так что окупаемость будет напрямую зависеть от ваших обычных расходов на тепло и горячую воду. В среднем срок окупаемости коллекторов составляет от 2 до 8 лет. Все это указывает на экономическую целесообразность и перспективность использования технологии в России.
Где заказать коллектор солнечной энергии?
Солнечный коллектор очень выгоден, но лишь при условии, что вы приобрели и установили надежную модель, которая не только не сломается через десяток лет, но и на протяжении всего срока службы будет выдавать стабильную производительность. Если вы хотите купить солнечный коллектор безупречного качества, обратите внимание на производителей из Германии. Именно немецкое оборудование показывает наилучшие результаты.
Компания Vaillant Group – это интернациональное предприятие со 140-летней историей, один из европейских лидеров в производстве систем, использующих возобновляемые источники энергии. Vaillant Group располагает одним из самых больших в отопительной отрасли исследовательским отделом — в сфере исследований и новых разработок на предприятии занято 507 высококвалифицированных специалистов. Компания представлена в 60 странах мира. Она известна как надежной техникой и инновационными решениями, так и высоким уровнем сервиса.
Гелиосистемы Vaillant производятся в Германии, на заводе в г. Гельзенкирхен, на современном роботизированном оборудовании. В среднем, плоский коллектор от Vaillant аккумулирует 1.350 кВт•ч энергии в год и сокращает тем самым вредные выбросы CO2 в атмосферу на 450 кг. В линейку входит несколько моделей солнечных коллекторов для любых нужд – от обеспечения горячей водой небольшого частного дома до мощных систем, которые можно использовать в промышленных целях. Официальным представителем бренда Vaillant в России является интернет-магазин «Тепломатика.ру».
www.kp.ru
Срок службы солнечных коллекторов
Высокое качество! Высокая эффективность! Высокая надежность!
Срок эксплуатации гелиоколлекторов SintSolar CS — 50 лет
> 6000 кв.м. гелиоколлекторов SintSolar уже работают в Украине
Гелиосистемы любой сложности и мощности ‘под ключ’
16 лет в сфере солнечного теплоснабжения
г. Киев, с. Княжичи
г. Одесса, с. Затока
Нижний Кастрополь, с. Береговое
г. Бердянск, Средняя коса
г. Киев, с. Софиевская Борщаговка
г. Новая каховка
1. Что необходимо предусмотреть при проектировании дома для установки гелиосистемы?
При проектировании и строительстве дома необходимо правильно спланировать ориентацию здания относительно сторон света. Это поможет выбрать оптимальное место для установки солнечных коллекторов, которое позволит вырабатывать системой максимальное количество энергии. Немаловажными факторами являются (в случае установки солнечных коллекторов на крыше): угол наклона ската (оптимальный примерно 45-55 о к горизонтальной плоскости), отсутствие на скате дымоходов, окон, и др. что бы могло затенять или препятствовать установке гелиоколлекторов, материал кровельного покрытия. Так же необходимо предусмотреть достаточное место для размещения бака аккумулятора (желательно техпомещение на первом этаже или в подвале с подходящей высотой потолка) и обеспечить возможность его доставки до выбранного места (достаточная ширина дверных проемов и лестничных маршей). Еще важным моментом является возможность прокладки металлических труб (медных, нержавеющих или стальных) от солнечных коллекторов до бака-аккумулятора, поэтому необходимо предусмотреть канал с доступом на каждом этаже.
2. Могут ли солнечные коллекторы заменить традиционный источник энергии?
При использовании гелиоколлекторов в системе теплоснабжения обязательно должен быть предусмотрен традиционный источник энергии, рассчитанный на 100% мощность (по нормам). Это позволит поддерживать комфортные условия при обеспечении потребителя необходимым теплом в периоды, когда гелиосистема не может обеспечить 100% тепловой энергии. Стандартные системы солнечного теплоснабжения призваны снижать энергозатраты, но они не могут дать полной автономности. В системах для ГВС и нагрева воды в бассейне годовая экономия может доходить до 75%, а в системах отопления – до 50%.
Но гелиосистемы с почти 100% покрытием от солнца существуют! При этом принцип их конструирования заключается в сезонном аккумулировании избыточной тепловой энергии от солнечных коллекторов в летний период. Эта энергия запасается в большом хорошо-теплоизолированном баке-аккумуляторе, температура которого осенью может доходить до 95 о С, а зимой из этого бака постепенно черпается энергия на отопление и ГВС. Объем таких баком достаточно значительный, поэтому их установка требует особых архитектурных решений и дополнительных затрат на строительство.
В любом случае, в первую очередь необходимо максимально снизить потребление тепловой энергии, тогда и с меньшей гелиосистемой можно получить значительную экономию!
3. Какой реальный расход горячей воды в сутки на человека?
Реальный расход горячей воды у всех разный. По советским нормам — 100 л/сут. (55 о С) на одного человека. По европейским — 30-60 л/сут (45 о С). Зачастую, реальный средний расход у нас в стране, получается в таком же диапазоне, но только с температурой 55 о С.
4. Какой объем бака и площадь теплообменника требуется для гелиосистемы?
Для горячего водоснабжения объем бака должен быть не меньше суточного расхода горячей воды, а лучше должен превышать его в 1,5-2 раза. В любом случае, объем бака не должен быть меньше из расчета 40 л на 1м 2 активной (апертурной) площади солнечных коллекторов. Оптимальное соотношение лежит в пределах не менее 50-100 л/м 2 . Это позволит аккумулировать максимальное количество тепловой энергии в баке и запасти ее на более пасмурный день, а также повысить стабильность работы гелиосистемы.
В системах с отоплением действуют другие (более сложные) правила по побору бака. При этом учитывается сразу несколько требований: тепловая нагрузка по горячей воде, тепловая нагрузка по отоплению, температурный режим, площадь солнечных коллекторов, количество и тип других источников тепловой энергии, подключенных на данный бак и т.д. Так, очень часто, для твердотопливного котла необходим больший объем бака, нежели для гелиосистемы, поэтому сразу, предусматривается возможность подключения к нему гелиоконтура (отдельный бак для гелиосистемы может не устанавливаться). В любом случае мы рекомендуем, чтобы объем бака-аккуулятора не был меньше из расчета 50 л/м 2 апертурной площади солнечных коллекторов.
Например, обычно, на 10 шт. (18.8 м 2 апертурная площадь) солнечных коллекторов SintSolar CS мы устанавливаем бак, объемом не менее 1000 л.
Обычно, в солнечных коллекторах циркулирует специальный теплоноситель (антифриз) и, чтобы передать тепловую энергию воде, в нижней части бака производители специально устанавливают теплообменник в виде змеевика. Для эффективного теплообмена рекомендуется, чтобы внешняя поверхность трубы этого змеевика имела площадь 0.3 м 2 на каждый 1 м 2 апертурной площади солнечного коллектора. В системах, рассчитанных на отопление, допускается снижение его площади, но не ниже 0.15 м 2 /м 2 . Т.е. общий диапазон соотношения площадей получается — от отимальных 1:3 до минимальных 1:6. Но, в любом случае, во всех системах больший теплообменник позволяет солнечным коллекторам работать с большим КПД, при этом уменьшается риск их перегрева и входа в стагнацию (кипение).
Например, в системах с отоплением мы используем Комбибаки 1000 л с площадью теплообменника 4.4 м 2 — для возможности подключения до 10 шт. (18.8 м 2 апертурная площадь) солнечных коллекторов SintSolar CS.
Признаком недостаточного теплообмена является повышение температур в гелиоконтуре при относительно невысокой температуре воды в баке (см. рисунке ниже). Дополнительно снижается выработка тепловой энергии, увеличиваются тепловые потери и в целом может увеличиться износ теплоносителя и оборудования.
5. Нужно ли сбрасывать избыток тепловой энергии и что происходит с гелиосистемой, если в солнечный день нет расхода тепловой энергии?
Если в данный момент ярко светит солнце, но некуда сбрасывать полезную тепловую энергию от солнечных коллекторов, автоматика может выключить циркуляционный насос и система войдет в «стагнацию» (по другому «режим простоя»). Также это может произойти, если автоматика гелиосистемы будет обесточена. При достижении температуры 130-140°С теплоноситель в коллекторах начинает превращаться в пар (в системе избыточное давление, поэтому температура кипения выше). Но контур коллекторов герметичен и замкнут, поэтому весь теплоноситель остается внутри системы. В этом режиме может резко возрастать давление. Чтобы обезопасить систему от воздействия высокого давления, устанавливают расширительный бак, который компенсирует увеличение объема и ограничивает рост давления. Нормальным считается кратковременное повышение давления в системе вплоть до 4-5 атм., но оно не должно превышать давление срабатывания предохранительного клапана (обычно 6 атм.). Так как, обычно, коллекторы находятся в самой верхней точке системы, то весь пар собирается именно в них, поэтому все остальное оборудование остается в целости и сохранности. Постепенно весь теплоноситель, находящийся в солнечных коллекторах и прилегающих трубопроводах (в SintSolar CS — 1 л), превратится в пар. Если далее будет ясно и солнечное излучение продолжит попадать на солнечные коллекторы, температура пара может продолжить возрастать (в плоских коллекторах до 150-220 о С, в вакуумных коллекторах до 170-300 о С). Режим стагнации – это стандартный плановый режим для гелиосистемы, и все ее комплектующие должны длительно выдерживать данные повышенные нагрузки. Поэтому нет необходимости специально сбрасывать тепловую энергию (будь то слив горячей воды из бака или расход тепла на нагрев бассейна), если в этом нет потребности. Когда уменьшается мощность солнечного излучения (вечер, облако), пар теплоносителя превращается в жидкость и гелиосистема сама выходит из этого режима, при этом она сразу же готова к полноценной работе. В любом случае, чем меньше таких режимов, тем лучше, т.к. длительное воздействие высокой температуры постепенно разрушает теплоноситель, а также увеличенный объем и давление воздействуют на резиновую мембрану расширительного бака, снижая ее срок эксплуатации.
. пример дня с явной работой режима защиты от перегрева коллекторов
. бак прогрет до заданной температуры, но солнце еще светит. Обратите внимание, чтобы нагреть низ бака до заданных +60 о С из солнечных коллекторов теплоноситель поступал с температурой 80 о С.
АЛГОРИТМ режима защиты от перегрева гелиоколлекторов (Режим 1): при достижении заданной температуры в баке контроллер останавливает насос и позволяет солнечным коллекторам нагреться до высокой температуры (больше +100 о С). Это приводит к увеличению тепловых потерь и на открытом воздухе сразу рассеивается часть лишней тепловой энергии. Контроллер постоянно следит и не позволяет солнечным коллекторам нагреться до температуры парообразования (стагнации) периодически запуская насос, при этом температура в верхней части бака может несколько расти.
Когда начинается водоразбор и температура низа бака падает ниже установленной, система легко переходит в нормальный режим.
Мы вложили в автоматику два режима:
Режим 1 — описывался ранее (поддерживается высокая температура в коллекторах);
Режим 2 — даже после достижения заданной температры в баке, насос гелиоконтура не выключается, а продолжает работать.
В обоих режимах действует защитное отключение нагрева при достижении критической температуры низа бака (+95 о С).
Если вечером нет водразбора то перегретый бак можно охладить с помощью специального алгоритма.
АЛГОРИТМ режима охлаждения бака (обратное охлаждение): если в нижней части бака температура выше заданной, то, как только температура солнечных коллекторов опустится ниже температуры бака на заданную дельту (очень пасмурно, поздний вечер или ночь), контроллер включит насос. Тем самым начнется перенос тепловой энергии из бака во внешний трубопровод и солнечные коллекторы. С помощью увеличившихся тепловых потерь постепенно рассеется избыток тепловой энергии и на утро бак будет снова готов к нагреву.
Для того, чтобы явно проверить режим охлаждения бака, мы выставили низкую желаемую температуру как от коллекторов так и от ТЭНа (30-35оС).
Режим охлаждения бака позволяет в моменты, когда температура коллекторов ниже чем вода в баке, при этом температура воды выше заданной (например из-за работы режима охлаждения коллекторов или твердотопливного котла), рассеить лишнюю энергию посредством коллекторов и трубопровода.
(к сожалению, несколько раз сбойнула SD-карточка, часть данных потеряли, сейчас разбираемся в причине)
. хорошо заметно, что в Режиме 2, бак перегревается значительно быстрее и сильнее. Этот режим может быть полезен, когда, в принципе, ожидается значительное потребление горячей воды вечером, при этом лишняя тепловая энергия может быть полезной.
В ситуациях, когда не планируется эксплуатировать гелиосистему длительный период (например отпуск), рекомендуется включать Режим 1, тогда на бак будет действовать меньшая температурная нагрузка.
*Т.к. мы уменьшили температуру воды в баке, водомер не всегда показывает правильный расход в пересчете на 55оС (при условии, если в верхней части бака температура меньше)!
А теперь более подробнее один день и ночь когда работали режимы:
Не смотря на низкую выставленную температуру бака и солнечную погоду, система спокойно отработала, при этом превышение температуры было незначительное.
Режим охлаждения бака предполагается использовать совместно с режимом защиты от перегрева коллекторов, а также для дополнительного охлаждения открытых бассейнов (ночью) в жаркие моменты лета. При условии использования твердотопливного котла, с помощью этого режима также можно уменьшить количество циклов срабатывания предохранительных устройств при перегреве данного оборудования.
Одновременное использование данных алгоритма позволяет летом полностью исключить режимы стагнации солнечных коллекторов даже в системах, рассчитанных на отопление или в системах горячего водоснабжения во время отпусков.
6. Что происходит с теплоносителем (антифризом) при перегреве/кипении и как часто нужно его менять?
Наиболее часто в гелиосистемах используются теплоносители (антифризы) на основе пропиленгликоля – водные растворы 50:50 (начала кристаллизации примерно -30 о С) с антивспенивающими и антикоррозионными присадками.
Гликоль – органическое вещество. Во время стагнации гелиосистемы (описан в предыдущем пункте), теплоноситель разогревается до высоких температур, а при температурах около 170 о С молекулы гликоля разрушаются и могут образовываться новые соединения — кислоты. Некоторое увеличение кислот частично компенсируется присадками, которые добавляют в теплоноситель, но постепенно, антифриз все же переходит в кислотную фазу (pH о С, а к температуре 160 о С в коллекторах находился только перегретый пар, который содержит малое количество гликоля, тем самым значительно снижается количество разрушенных молекул. Также в системах с плоскими коллекторами, с помощью алгоритмов в автоматике, можно практически полностью исключить режимы стагнации.
В гелиосистемах SintSolar мы рекомендуем проверять теплоноситель раз в 5 лет.
В любом случае, нельзя сказать, что кипение антифриза на основе пропиленгликоля является ключевой проблемой. При правильном проектировании, монтаже и эксплуатации гелиосистемы, даже с многократными режимами стагнации в летний период (особенно в гелиосистемах рассчитанных на отопление), средний срок эксплуатации качественного теплоносителя может составлять примерно 10 лет.
Пример теплоносителя после 8 лет эксплуатации в системе SintSolar ГВС+ОТОПЛЕНИЕ (плоские коллекторы), в Севастополе.
pH=8 (должен быть не ниже 7), точка начала кристаллизации -27 о С. Т.е. теплоноситель полностью в норме!
В системах на вакуумных коллекторах рекомендуется использовать теплоносители на другой – более температуро-стойкой основе, т.к. более частые и более высокие температуры стагнации вызывают ускоренное старение теплоносителей на основе пропиленгликоля (по сравнению с системами на плоских коллекторах). Либо необходимо принимать дополнительные меры по снижению температурной нагрузки (дополнительный отвод тепла, дополнительное затенение в летнее время и др.)
7. Можно ли увеличить процент покрытия потребности по ГВС до 100% в летний месяца от солнечной энергии?
Можно. Но нужно понимать, что и летом бывают пасмурные дни. При этом в такой день солнечной энергии примерно в 10 раз меньше чем в солнечный.
(для наглядности Вы можете посмотреть на нашем сайте снимки неба в то время когда мы измеряли мощность инсоляции — http://sintsolar.com.ua/info/practic-ru/practic-solar-ru.html )
Ориентировочно, чтобы нагреть 100 л воды с 20 до 65 о С необходимо 5.2 кВтч тепловой энергии, если даже, гипотетически, предположить что солнечный коллектор имеет 100% КПД и у него абсолютно нет тепловых потерь, то в пасмурный день у нас будет в распоряжении 0.5 кВтч энергии, естественно, вода вместо 65 о С прогреется только до 24.5 о С.
Стандартно, гелиосистемы на горячую воду рассчитываются как системы с суточным аккумулированием. Т.е. за световой день солнечные коллекторы прогревают бак, а вечером и утром Вы эту воду полностью расходуете, затем идет снова прогрев.Таким образом, если, например, сегодня солнечно — бак прогреется до заданной температуры (или несколько выше), а если завтра будет пасмурно, то ни один солнечный коллектор не справится. Именно поэтому в баках устанавливается по крайней мере электроТЭН (или подключаются к котлу), чтобы покрыть недостающее количество энергии. Таким образом Вы не чувствуете нехватку горячей воды.
Также чтобы снизить дисбаланс в потреблении горячей воды и колебания суточного количества солнечной энергии, рекомендуют выбирать объем бака в 1.5-2 раза больше среднесуточного потребления горячей воды 55 о С.
Мы делаем расчеты по усредненным за 10 лет погодным данным. Иногда программа выдает, что в гелиосистеме для ГВС от солнца получаем 100% энергии летом, но такое практически невозможно, т.к. обязательно хотябы два дня в месяце будут пасмурными, а это уже 94%.
Из практики, если в расчетах указывается экономия от солнца в месяц примерно 75-80%, это значит, что в солнечные дни будет 100%, а в пасмурные может быть 10-30%.
Для того, чтобы покрывать 100% за месяц, необходимо установить бОльшую площадь солнечных коллекторов и, соотвественно, больший объем бака. Но в этом случае в солнечный период будет переизбыток тепловой энергии. Естественно такая система будет дороже. Если же рассчитывать увеличивать площадь коллекторов, но не увеличивать объем бака, предполагая его прогрев до высоких температур (80-95 о С), то это чревато проблемами в эксплуатации (интенсивное образование накипи, увеличение коррозионных процессов, более быстрое старение теплоносителя, риск частой стагнации) и увеличения тепловых потерь (как в баке, так и в трубопроводе и коллекторах), т.е. эфект от этого будет негативный.
По опыту, только в гелиосистемах рассчитанных для ГВС+ОТОПЛЕНИЕ возможно 100% покрытие нагрузки по горячей воды в межотопительный период. В этом случае уже установлено, по крайней мере, в два раза больше гелиоколлекторов, и пропорциоанльно больший бак (обычно теплоизоляция в два раза толще), таким образом в запасе будет достаточно тепловой энергии чтобы хватило пережить пасмурные дни.
Есть еще способ — часто наши клиенты, в системах ГВС в летний период выключат дублирующий источник нагрева и полностью довольствуются тем количеством горячей воды, которое смогла произвела гелиосистема, в этом случае тоже получается 100%, но при этом запросы по объему горячей воды должны быть пропорциональны выработке.
Не редко, фактический расход горячей воды бывает в два раза меньший расчетного, но бывает и больше, поэтому в каждой нашей системе мы, банально, устанавливаем водомер на горячую воду, чтобы была хоть какая-то статистика, тогда можно принять адекватное решение о работоспособности системы.
8. Какие коллекторы более эффективны: плоские или вакуумные? (какие коллекторы лучше использовать?)
Т.к. при установке гелиосистемы большое внимание уделяется экономической целесообразности ее внедрения, то сразу оценивают не только эффективность (производительность) техники, но и необходимые первоначальные затраты, а также затраты на последующую эксплуатацию.
Так были сделаны соответствующие выводы:
- Для бытовых систем горячего водоснабжения и отопления – целесообразнее использовать плоские солнечные коллекторы.
- В технологических нуждах, где круглогодично необходимы температуры воды выше 80 о С, а также в системах абсорбционного кондиционирования – целесообразнее использовать вакуумные коллекторы.
В любом случае необходимо сравнивать конкретную технику, т.к. разброс производительности как по плоским так и по вакуумным коллектором очень большой (по плоским коллекторам — в 2-3 раза, по вакуумным коллекторам – в 2 раза). Также значительно могут отличаться и цены.
При сравнении эффективности солнечных коллекторов пользуются удельными показателями (приведенными на единицу площади).
По отношению к гелиоколлектору оперируют тремя площадями: площадь абсорбера, площадь апертуры и общая площадь.
В зависимости от конструктивных особенностей конкретного солнечного коллектора соотношение этих площадей может быть различно.
Наиболее часто сравнивают солнечные коллекторы по показателям, приведенным к апертурной площади. Если сравнить эффективный и качественный плоский коллектор с таким же вакуумным коллектором, то по году выработка вакуумного коллектора будет больше:
— в системе ГВС примерно на 10-15% (т.е. экономия не 60%, а 66%),
— в системе ГВС+отопление на 20-30% больше (т.е. экономия не 20%, а 25%).
Если учитывать влияние снега и изморози (см. Гелиосистемы зимой), то производительность вакуумного коллектора может снизиться значительнее, чем плоского коллектора.
Если же привести показатели к общей (габаритной) площади коллекторов, то плоский коллектор будет больше вырабатывать в обоих случаях.
Также существуют вакуумные коллекторы, которые в принципе не могут выработать энергии больше чем плоские, даже при анализе апертурных площадей.
Если сравнивать две «средние» системы с отплением (на вакуумных и на плоских коллекторах) по одной цене, которые могут работать без сильного переизбытка энергии в летний период, то производительность по году может быть примерно одинаковой. Но в будущих периодах в системе с вакуумными коллекторами, для поддержания их нормальной производительности потребуется замена отдельных вакуумных или тепловых трубок.
9. Возможно ли в результате использования вакуумного коллектора вместо плоского увеличение процента покрытия потребности по ГВС?
Конечно зависит от конкретного вакуумного коллектора, но, в принципе, это возможно. Но следует учитывать, что такая система будет непрапорционально дороже.
Также в стандартной гелиосистеме для ГВС — 100% от солнца достичь не получится по описанным выше причинам.
У нас на форуме можно посмотреть результаты математического моделирования (обратите внимание на соотношение активной и общей площади коллекторов, а также на графики температур)
http://sintsolar.com.ua/forum/topic.php?forum=1&topic=9&start=10#1270835194
10. Будут ли работать плоские солнечные коллекторы в пасмурную погоду?
Поглощающее покрытие, применяемое для абсорберов, в солнечных коллектора SintSolar CS позволяет эффективно преобразовывать солнечную энергию и в облачную погоду. Даже в пасмурную погоду на поверхность Земли попадает определенное количество солнечной энергии (см. солнечная энергия на поверхности Земли ), естественно эта энергия будет меньше той, которая будет в солнечный день, но ее может быть достаточно для нагрева воды. Естественно, возможная температура воды в такой день, будет ниже, чем в ясный.
Производительность солнечных коллекторов (как плоских так и вакуумных) напрямую связано с мощностью солнечного излучения, поэтому, даже летом в очень пасмурную жаркую погоду (мощность солнечного излучения в 20 раз меньше чем в ясную) выработка гелиосистемой может быть незначительная. См. фотографии неба с замерами мощности — http://sintsolar.com.ua/info/practic-ru/practic-solar-ru.html
Также смотрите у нас на форуме графики работы системы за два года — Реальная работа гелиосистемы (системы солнечного нагрева воды); реальная работа солнечных коллекторов
11. Может ли гелиосистема работать в зимний период?
Может. Но следует учитывать, что в зимний период солнечной энергии примерно в 5-6 раз меньше чем летом (короче день, больше пасмурных дней). В большей степени эффективность гелиосистемы зависит от интенсивности солнечного излучения. При использовании качественных и эффективных коллекторов (как плоских, так и вакуумных) низкая температура окружающего воздуха в этот период менее значительно влияет на производительность, т.к. это приводит лишь к некоторому увеличению тепловых потерь. Даже в ясный морозный зимний день мощность солнечного излучения может быть 1000 Вт/м 2 и гелиосистема будет иметь хорошую производительность. Но в пасмурный день мощность излучения падает до 20-100Вт/м 2 (т.е. в 10-50 раз меньше чем в ясный), поэтому примерно пропорционально снизится и производительность гелиосистемы, в некоторых ситуациях автоматика даже не включает насос гелиоконтура, т.к. при такой мощности это нецелесообразно. Также производительность гелиосистемы зависит от конкретной конфигурации оборудования, монтажа, температурного режима и погодных условий, связанных с налипанием на коллекторы снега и изморози (Доклад на Конференции: Сравнительная работа Вакуумного трубчатого и Плоского солнечного коллектора , Гелиосистемы зимой).
12. Нужно ли сливать теплоноситель из гелиосистемы в зимний период?
Все наши системы — двухконтурные, т.е. в контуре солнечных коллекторов находится незамерзающий нетоксичный антифриз на основе пропиленгликоля (водный раствор), с концентрацией 50:50. Эта рабочая жидкость начинает процесс кристаллизации при температуре -30 о С . Но даже при меньших температурах, данный антифриз не превращается в монолитный лед, он больше напоминает мокрый снег, поэтому компоненты системы не повреждаются.
13. Какой срок службы солнечных коллекторов?
Срок службы солнечных коллекторов SintSolar CS не менее 25 лет, и есть все предпосылки полагать, что и через 50 (пятидесяти) лет данная техника будет в хорошем работоспособном состоянии.
14. Как влияет запыленность прозрачной изоляции (стекла) на работу солнечного коллектора и как с ней бороться?
По данным немецких исследований из-за запыленности потеря эффективности солнечного коллектора в среднем:
1) если дом за городом — 3% (именно этот процент мы учитываем при стандартных расчетах),
2) в пределах города, вблизи ЖД вокзала (или подобного источника копоти и газов) — 7% (за 15 лет эксплуатации).
За городом пыль (песок, земля) со стекла коллектора, обычно, легко смывается дождем и снегом, поэтому коллектор приходит в «среднегрязное» состояние и чистить стекло не обязательно.
В пределах города могут быть проблемы из-за химически сложного состава пыли и грязи в воздухе. Поэтому мы рекомендуем 1-2 раза в год протирать стекло, чтобы грязь не въелась.
15. Сколько стоит гелиосистема?
Стоимость гелиосистемы определяться исходя из необходимости в потреблении горячей воды и (или) отопление и (или) параметров бассейна. Стоимость каждой системы так же зависит от конструктивных особенностей объекта и планируемой экономии (замещении) традиционных энергоресурсов. Поэтому все расчеты производятся индивидуально. Предварительную стоимость системы можно рассчитать благодаря нашему онлайн-сервису ( Расчёт гелиосистемы ).
16. Сколько солнечных коллекторов мне нужно?
Количество солнечных коллекторов в гелиосистеме зависит от того сколько горячей виды необходимо нагреть за день, и рассчитывается исходя из планируемого расхода ГВС и (или) тепловой нагрузки по отоплению и (или) площади бассейна. Оптимальное количество коллекторов может зависеть от их места установки и ориентации по сторонам света, а так же от многих других конструктивных факторов. Для каждой гелиосистемы подбор количества солнечных коллекторов происходит индивидуально. Для одного и того же объекта может быть предложено разное количество солнечных коллекторов, при этом будет меняться процент экономии и стоимость.
17. Может ли гелиосистема работать с уже существующей системой нагрева воды и отопления?
Каждая гелиосистема может быть интегрирована в уже работающую систему ГВС, отопления и нагрева воды в бассейне. При этом, если существующее оборудование имело возможность подключения гелиоконтура, то доработки будут минимальными. В противном случае, необходимо будет предусмотреть доработку существующей системы с установкой дополнительного(ых) бака-аккумулятора или теплообменника. Сразу необходимо обратить внимание на возможность размещения необходимого количества солнечных коллекторов и возможность прокладки трубопровода до техпомещения, где располагается бак-аккумулятор или теплообменник.
18. Можно ли предусмотреть расширение гелиосистемы в будущем?
Мы так и делаем в 30% случаев, из которых 50% впоследствии вообще не увеличивают систему, потому что по факту оказалось, что такого количества коллекторов было достаточно. Для расширения в будущем, уже смонтированной системы, необходимо предусмотреть оборудование, которое будет необходимо для правильного функционирования расширенной системы (больший диаметр трубопровода, больший бак-аккумулятор и т.д.). Это позволит избежать дополнительных будущих затрат на замену оборудования и нежелательные работы в здании. Количество солнечных коллекторов достаточно просто наращивается, при этом практически все работы проводятся на улице и только некоторые могут производиться в техпомещении.
19. Какое требуется обслуживание?
Это вопрос можно разделить на две части:
1. Какое обслуживание требуется солнечным коллекторам?
В основном, солнечные коллекторы не требуют никакого обслуживания. Единственное: запыление и загрязнение стекла может снизить эффективность (описывалось выше). Мы рекомендуем мыть стекло только в районах с повышенным химическим загрязнением.
Трубчатые вакуумные коллекторы также еще могут потребовать периодической замены отдельных вакуумных или тепловых трубок.
2. Какое обслуживание требуется гелиосистеме?
Особого обслуживания не требуется. Но желательно периодически контролировать состояние и правильность работы системы. В процессе эксплуатации может потребоваться поднять давление газа в расширительном баке. При правильно рассчитанной и смонтированной системе, а также при ее правильной эксплуатации, лишь через 10 лет может потребоваться замена: теплоносителя (антифриза), циркуляционного насоса, расширительного бака и предохранительного клапана. Но по данным немецкой литературы это оборудование может продолжать нормально работать вплоть до 20 лет. Если в летний период из-за переизбытка тепловой энергии система часто находится под большой температурной нагрузкой (режим стагнации), то замена вышеперечисленных элементов может потребоваться раньше чем через 10 лет. Именно поэтому в системах на основе плоских коллекторов используются специальные алгоритмы для предотвращения перегревов ( http://sintsolar.com.ua/forum/topic.php?forum=1&topic=50&start=5 ). Данные алгоритмы мало эффективны в системах с вакуумными коллекторами, поэтому, если в таких системах нет возможности сбросить избыток тепловой энергии в бассейн или грунт для теплового насоса, рекомендуется использовать дополнительные охлаждающие воздушные теплообменники.
Если гелиосистема работает на контур горячего водоснабжения, то в зависимости от химического состава воды может потребоваться периодическая чистка теплообменника от накипи. Но это является общей необходимой процедурой, не зависимо от источника тепловой энергии, будь то традиционный котел или гелиосистема.
20. Где можно найти достоверную информацию по эффективности солнечных коллекторов?
Для контроля качества и характеристик солнечных коллекторов, поступающих на рынок Европейского Союза было создано ряд специализированных лабораторий, которые выдают соответствующие документы (в т.ч. сертификаты) после тестирования данной техники. Одна из таких лабораторий “Швейцарского института солнечных технологий SPF” создала удобный on-line каталог со свободным доступом к результатам тестирования различных видов и конструкций солнечных коллекторов — http://www.spf.ch/Collectors.111.0.html?&L=6
В данном каталоге указывается конструктив солнечных коллекторов, их размеры, теплотехнические параметры и приводятся данные математического моделирования для трех различных систем (Горячая вода, Преднагрев, Горячая вода+Отопление), с указанием удельной производительности конкретного коллектора с учетом всех его особенностей.
В данном каталоге представлены не все мировые торговые марки, но, так или иначе, охватывается очень большой спектр данной продукции всевозможных реализаций и почти всегда можно найти аналог изделия, которого нет в каталоге.
Также в данном каталоге под разными торговыми марками можно встретить один и то же солнечный коллектор (будут абсолютно одинаковые размеры и параметры, т.к. производитель один).
www.sintsolar.com.ua