Солнечный коллектор для отопления дома: виды, состав гелиосистем, расчет и особенности монтажа

Расчет реальной мощности солнечного коллектора

Производители указывают максимальную мощность гелиоколлектора при полном освещении при направлении на юг и ориентации перпендикулярно солнцу в полдень. Но не всегда можно так направить панели, особенно если их устанавливать крыше дома.

Ниже приводим формулы, которые универсальны и могут использоваться как для подсчета количества коллекторов, так для подсчета общей площади в квадратных метрах.

Подсчет эффективности гелиоколлектора по направлению

Рассчитать базовую тепловую производительность солнечного плоского или вакуумного коллектора можно по следующей формуле:

Pv = sin A x Pmax x S

Значения:

• Pv – мощность солнечного коллектора;
• A – угол отклонения плоскости гелиоколлектора от направления на юг;
• Pmax – средний уровень инсоляции в вашем регионе в холодное время года.

Даже если солнце не скрыто облаками, в течении дня уровень инсоляции меняется, от чего зависит производительность коллектора. Усредненные данные видно на этом графике:

Данные на иллюстрации по дневному уровню инсоляции усредненные, но позволяют понять разницу между количеством тепловой энергии, которую можно получить в разное время года.

Максимальный уровень инсоляции зимой в среднем в 3-4 раза меньше, чем летом. Количество солнечной энергии, которую может получить гелиоколлектор за сутки зимой в 5-7 раз ниже (в зависимости от широты) чем летом.

Расчет производительности гелиоколлектора по углу установки

Оптимальный угол установки солнечного коллектора для отопления дома зимой – так, чтобы он был перпендикулярен солнечным лучам в 10 часов утра. Так он может собрать максимум тепловой энергии на протяжении светового дня.

Иногда не получается этого сделать (при установке на крыше, монтаже на стандартных опорах). Из-за отклонения от оптимального угла энергоэффективность коллектора может измениться. Рассчитать ее можно по такой формуле:

Pm = sin(180 — A — B) x Pv

Значения:

• Pm – производительность гелиоколлектора;
• A – угол между коллектором и плоскостью земли;
• B – высота солнца над горизонтом в 10 часов утра;
• Pv – найденная ранее мощность.

Если у вас есть возможность ориентировать солнечный коллектор так, чтобы он был перпендикулярен солнцу, тогда:

Pm = Pv

На фотографии обозначен угол наклона солнечного коллектора, который нужно использовать при вычислениях.

Особенности плоских панелей

Плоский гелиоколлектор имеет небольшие теплопотери через заднюю стенку, которые составляют в среднем 5 Вт на квадратный метр. Поэтому от полученного ранее значения реальной мощности P надо отнять 5 Вт на каждый квадратный метр площади.

Уровень поглощения солнечного излучения плоского гелиоколлектора ниже 100%. Это нужно учесть при подсчете его тепловой мощности. Если панель поглощает только 95%, то ее реальная мощность:

P = Pm x 0.95 х S

Значения:

• Pm – мощность коллектора из формулы выше;
• P – реальная производительность коллектора;
• S – площадь коллектора.

Производительность вакуумного коллектора

Производители вакуумных коллекторов могут указывать мощность коллектора без учета расстояния между трубками. Чтобы определить, какова реальна площадь поверхности трубок и производительность вакуумного коллектора, воспользуемся формулой:

P = Pm x D / L

Обозначения:

• P – реальная производительность солнечного коллектора;
• Pm – мощность коллектора, рассчитанная ранее;
• D – диаметр вакуумных трубок;
• L – расстояние между трубками.

Термодинамические солнечные панели

С таким типом коллекторов все гораздо сложнее. Сейчас они не слишком распространены, производители экспериментируют с материалами и селективным покрытием. Разные модели отличаются уровнем поглощения и теплопотерями.

В целом, термодинамические солнечные панели имеют право на жизнь. Но мы бы не рекомендовали обустраивать отопление с их помощью. На рынке мало эффективных моделей, а те, которые есть, продают по завышенным ценам.

Какие типы солнечных коллекторов существуют

Такие системы бывают двух видов: плоские и вакуумные. Но, по своей сути, их принцип работы схож. Они используют солнечное тепло для нагрева воды. Отличаются только устройством. Давайте рассмотрим принципы работы этих видов гелиосистем подробнее.

Плоские

Это самый простой и самый дешевый вид коллектора. Работает он следующим образом: В металлическом корпусе, который изнутри обработан высокоэффективным перьевым абсорбером для поглощения тепла, расположены медные трубки. По ним циркулирует теплоноситель (вода или антифриз), который поглощает тепло. Далее, этот теплоноситель проходит через теплообменник в накопительном баке, где передаю тепло уже непосредственно той воде, которую мы можем использовать, например для отопления дома.

Верхняя часть системы закрыты высокопрочным стеклом. Все остальные стороны корпуса утеплены изоляцией для уменьшения теплопотерь.

Из за своей простоты в изготовлении такими системы часто делают даже своими руками. Приобрести необходимые материалы можно строительных магазинах.

Вакуумные

Эти системы работают немного по другому, это обусловлено их конструкцией. Панель состоит из двойных трубок. Наружная трубка играет защитную роль. Они изготовлена из высокопрочного стекла. Внутренняя труба имеет меньший диаметр и покрыта абсорбером, который аккумулирует солнечное тепло.

Далее это тепло передается тепло съемниками или стержням, изготовленным из меди (они бывают нескольких видов и имеют разный КПД, рассмотрим их чуть позже). Тепло съемники передают тепло с помощью теплоносителя, в аккумулирующий бак.

Между трубками вакуум, что сводит к нулю тепло потери и повышает эффективность системы.

Виды тепло съемных элементов (абсорберов), из всего 5

• Перьевой абсорбер с прямоточным тепловым каналом.
• Перьевой абсорбер с тепловой трубкой “heat pipe”.
• U-образный прямоточный вакуумный коллектор с коаксиальной колбой и отражателем.
• Система с коаксиальной колбой и тепловой трубкой “heat pipe”.
• Пятая система это плоские коллекторы.

Давайте рассмотрим эффективность работы разных абсорберов, а также сравним их с плоскими коллекторами. Расчеты даны на 1 м2 панели.

В этой формуле используются следующие значения:

• η- коэффициент полезного действия коллектора, который мы рассчитываем;
• η₀- оптический коэффициент полезного действия;
• k₁ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К);
• k₂ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К²);
• ∆Т- разница температур между коллектором и воздухом К;
• Е – суммарная интенсивность солнечного излучения.

По этой формуле, используя данные, приведенные выше, вы можете сами провести расчеты.

Если не вникать в переменные, говоря проще, КПД зависит от количества тепла, которое поглощают медные теплосъемники и количества потерь системой.

Системы с проточными нагревателями или термосифонные

По своему строению они могут быть как плоские так и вакуумные. Используют такие же принципы работы. Однако они имеют одно значительное отличие в техническом устройстве.

Эта система может работать без дополнительного резервного аккумулирующего бака и насосной группы.

Принцип работы следующий. Нагретый теплоноситель аккумулируется в базовом баке, который расположен в верхней части системы, как правило на 300 литров. Через него проходит змеевик, по которому циркулирует вода от давления самой водопроводной системы дома. Она прогревается и поступает потребителю.

Сколько нужно солнечных коллекторов для отопления дома?

Независимо от того, какая система отопления установлена в доме, теплопотери у него будут одинаковыми. Для точного просчета лучше обратиться к специалистам, но для получения примерных данных можно использовать онлайн-сервисы https://teplo-info.com/otoplenie/raschet_teplopoter_online.

Разделив полученные данные на значение P, вычисленное по последней формуле, вы узнаете, сколько гелиоколлекторов или квадратных метров коллекторов вам необходимо чтобы обеспечить отопление дома зимой.

Отдельно стоит напомнить, что в холодное время года есть нюансы с эксплуатацией гелиоколлекторов. Узнать об этом больше можно в статье «Как работает солнечный коллектор зимой – эффективность, проблемы и их решение».

Основная проблема змой — чистить коллекторы от холода.

Расчёт солнечных коллекторов для Иркутска. Подробно и с выводами

Постановка задачи

Проектируется детский сад. В течение отопительного периода нагрев ГВС осуществляется от тепловых сетей через пластинчатые теплообменники. Вне отопительного периода единственный источник энергии — электричество, которого тоже «негусто», поскольку мощность электрического ввода ограничена. Необходимо обеспечить нагрев воды для ГВС от солнечных коллекторов — с электрическим догревом при необходимости. Ну, а раз мы тратим деньги на коллекторы, то будем использовать тепло от них и в течение отопительного периода, если это возможно.

Чуть-чуть теории

Для понимания дальнейших рассуждений давайте вспомним основные термины и определения. Очень кратко, в конспективной форме. Если вы «в теме» — смело пропускайте этот параграф.

Поток солнечного излучения на поверхность а) в среднем составляет 1366 Вт/м2. Подчеркну — именно на поверхность атмосферы, а не самой планеты Земля. До поверхности земли «долетает» максимум 1000 Вт/м2, это уже на поверхности земли. Остальное рассеивается в атмосфере и отражается в космос. Чем больше «толщина» атмосферы — тем больше рассеяние. Меньше всего атмосферы у нас на экваторе в то время, когда солнце в зените. Чем ближе солнце к горизонту, тем более длинный путь приходится преодолевать солнечным лучам, «толще» атмосфера и больше рассеяние. Чем больше облачность, тем больше рассеяние. Чем грязнее воздух, тем больше рассеяние. Реальная интенсивность солнечного излучения может упасть до 50 Вт/м2 (небо, затянутое облаками).

Посчитать интенсивность потока солнечного излучения в произвольном месте на поверхности Земли невозможно, но есть данные наблюдений гидрометеослужб во множестве городов нашей планеты, на основании которых мы можем делать расчёты.

Рассеянное излучение, то есть отражённое от поверхности земли, воды и облаков, не теряется. И наше тело, и солнечные коллекторы его так же хорошо воспринимают. Доля рассеянного излучения в суммарном может превышать 50 %. Поэтому даже в пасмурный день, когда солнца не видно, коллектор всё равно работоспособен.

Максимальную производительность от солнечного коллектора мы получим, расположив его плоскость перпендикулярно солнечным лучам. Но в течение дня солнце движется по небосклону, и эффективность коллектора изменяется. Меняется положение солнца и в течение года. Сложные системы позиционирования коллекторов (как у подсолнухов) никто не делает — очень дорого.

Задача расчёта как раз и состоит в том, чтобы определить оптимальные направление и угол наклона коллектора, чтобы получить от него максимальную эффективность в среднем за период использования. С оптимальным направлением всё просто — это юг. А вот с углом наклона уже сложнее.

Возьмём, например, Иркутск — 52°16″ северной широты. Максимальная высота стояния солнца в день летнего солнцестояния (21-го июня) — 61°. В день зимнего солнцестояния (21-го декабря) — 14°. Казалось бы, если мы расположим коллектор под углом в (61°+ 14°)/2 = 37,5°, то получим максимальную производительность при круглогодичной эксплуатации. Но всё не совсем так, ещё учитывается «толщина» атмосферы и доля рассеянного излучения. Есть простая рекомендация — для круглогодичных систем угол наклона должен равняться широте местности, а для систем, эксплуатирующихся только летом — на 15° меньше широты местности. Но лучше всё-таки это рассчитать.

Коллектор — штука несовершенная, как и вся техника в нашем мире. И утилизировать всё падающее на него излучение он не может, может использовать только его часть. Соответственно, у коллектора есть КПД. Если мы не будем учитывать теплопотери коллектора, то получим «оптический КПД» или «максимально возможный».

У лучших коллекторов оптический КПД составляет величину порядка 80 %. Как мы помним — до земли «долетает» 1000 Вт/м2. Соответственно, такой коллектор переведёт в тепло 800 Вт/м2 (здесь и далее под «квадратным метром» подразумевается площадь «поглотителя» или «абсорбера» коллектора).

Именно из этой цифры исходят, когда рассчитывают устройства безопасности. Температура коллектора выше температуры окружающего воздуха. Соответственно, у коллектора есть теплопотери, которые снижают его КПД. Эти теплопотери также нужно считать. При определённой температуре наружного воздуха теплопотери сравняются с выработкой тепла, и коллектор станет бесполезен (вот тут мы его и «выключим»).

Есть два типа солнечных коллекторов — плоские и вакуумные. В вакуумных абсорбер находится внутри стеклянной колбы, в которой создан технический вакуум (или близкие к нему условия), что существенно уменьшает теплопотери, но увеличивает стоимость. Для эффективного применения зимой на большей части России годятся только вакуумные коллекторы. Отличный коллектор, находящийся не на экваторе, а на территории Германии, способен вырабатывать 600 Вт/м2. Эта цифра вполне годится для грубых расчётов и для подбора труб и циркуляционных насосов.

Но это всё были максимальные, пиковые значения. Нас же больше интересует — сколько коллектор отдаст нам тепла в день / месяц / год. Тут получаются такие цифры, опять же для Германии:

• в летний солнечный день мы можем получить от коллектора до 8 кВт·ч/м2;
• в зимний, не менее солнечный день — до 3 кВт·ч/м2;
• суммарное среднегодовое излучение составляет от 950 до 1200 кВт·ч/м2 (в мире от 800 в Скандинавии до 2200 кВт·ч/м2 в пустыне Сахара).

Как видите, есть за что побороться.

Отдельно про стагнацию

У солнечных коллекторов есть техническая проблема с названием «стагнация». Наверное, это самая существенная техническая проблема. Солнце мы выключить не можем, тепло потребляем неравномерно. Рано или поздно возникнет ситуация, когда коллектор станет производить тепла больше, чем мы его потребляем. При этом температура теплоносителя будет неконтролируемо расти, и он закипит, после чего пар выдавит теплоноситель из коллектора, и циркуляция теплоносителя прекратится — вот она, стагнация. Циркуляция возобновится только после остывания коллектора и конденсации всего пара, то есть где-то ночью. Даже если нам срочно понадобится тепло, то получить его от коллектора мы не сможем, поскольку циркуляции через него нет. И это не главный минус, главный минус стагнации — деградация теплоносителя.

Теплоноситель (как правило, антифриз) имеет сложный химический состав и боится высоких температур. А температура теплоносителя летом может превышать 200 °С в плоском коллекторе и 300 °С — в вакуумном. При этих температурах в антифризе могут (и обязательно начнутся) химические реакции между его компонентами, с образованием новых химических соединений. Может выпасть нерастворимый осадок, может измениться вязкость, присадки могут разрушиться, и антифриз станет агрессивным. Я слышал от монтажников несколько историй, как они вычищали трубки коллекторов от чего-то, напоминающего «сопли» и парафин одновременно. Что с этим делать? Обсудим ниже.

Иркутск

Иркутск расположен в Восточной Сибири — 52°16″ северной широты. Соответственно, солнце поднимается над горизонтом на угловую величину от 14° до 61°.

Климатические данные я брал из справочника [1]. Смущало то, что данные в справочнике рассчитаны за периоды до 1980-го года. А как же глобальное потепление? Я нашёл более свежие, хоть и менее полные климатические данные в программе RET Screen (разработано правительством Канады и распространяется бесплатно на www.retscreen.net). Ссылка на эту программу содержалась в учебном пособии географического факультета МГУ [2], что вызвало моё полное к ней доверие. Данные в обоих источниках различались незначительно, и я решил пользоваться справочником, поскольку впереди нас ждала государственная экспертиза, а эксперты к справочникам советской эпохи относятся лучше, чем к компьютерным программам канадского производства.

Коллектор — это штука несовершенная, как и вся техника в нашем мире. И утилизировать всё падающее на него излучение он не может, может использовать только его часть. Соответственно, у коллектора есть КПД

Климатические данные Иркутска приведены в табл. 1. Что же мы в ней видим? Видим мы, что суммарное поступление солнечной энергии на горизонтальной поверхности в средний день месяца меняется от 2,4 до 20,98 МДж/м2. И это при средних условиях облачности. По моему — неплохо. Среднемесячная температура наружного воздуха лежит в пределах -20,6…+17,6 °C. Низкие температуры, что тут говорить. И коли мы планируем использовать коллекторы зимой, то придётся применять вакуумные. Световой день в Иркутске длится от 8 до 18 часов. Данные по рассеянной солнечной радиации у нас тоже есть. А больше о климате Иркутска нам ничего и знать не надо, можно переходить к расчётам.

Количество солнечной энергии и наклон коллекторов

Располагаемое количество солнечной энергии будем определять по методике, приведённой в «Справочнике проектировщика» [3]. Методика достаточно очевидна, но давайте пройдёмся по шагам с минимальными комментариями.

Наша задача — выбрать количество коллекторов, их ориентацию и угол наклона так, чтобы и лишних денег не платить, и максимум тепла у солнца забрать.

Расчёты будем вести для среднего дня каждого месяца (если мы проведём расчёты для каждого дня месяца и усредним результаты, то получим близкое к нашему значение). Все известные мне расчётные методики базируются на этом принципе. В качестве среднего дня я принял 21-го числа каждого месяца (все углы в формулах, кроме часовых, указываются в градусах). Сначала определим угол склонения солнца в расчётные дни:

где n — номер дня в году. Далее находим часовые углы захода (восхода) солнца для горизонтальной w3 и наклонной w3′ поверхностей:

где ? — широта местности; ? — угол наклона коллектора к горизонту (для начала примите его равным широте местности, потом пересчитаем).

Теперь вычислим коэффициент пересчёта прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхности Rп:

Осталось немного. Найдём отношение R количеств солнечной энергии, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности:

где Е и Ед — суммарное солнечное излучение, прямое и рассеянное, соответственно, МДж/(м2·год); ? — коэффициент отражения для подстилающей поверхности земли (при наличии снежного покрова принимается равным 0,7, а при его отсутствии — 0,2). Данная формула справедлива при ориентации коллекторов строго на юг. В нашем случае всё так и есть. Если у вас не так — введите поправочный коэффициент на азимут, подробности в справочнике [3].

Теперь у нас есть всё для того, чтобы определить среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность нашего солнечного коллектора:

Ек = RE, [МДж/(м2·день)].

Согласитесь, пока всё просто. Небольшая сложность в том, что расчёт итерационный. На первой итерации мы определили поступление солнечной энергии при угле наклона коллекторов, оптимальном для круглогодичной эксплуатации. А нам с вами нужно, чтобы коллекторы перекрывали суточную потребность в горячей воде только в летние месяцы,

а в остальные месяцы — как смогут. Поэтому нужно все расчёты провести для разных углов, и выбрать из них такой, при котором поступление солнечной энергии в летние месяцы максимально. Я это проделал, и оптимальный угол составил 35°. Результат расчёта приведён в табл. 2. Количество солнечной энергии, поступающей на наши коллектора, меняется от 143 в декабре до 435 МДж/ (м2·мес.) в июне. Согласитесь, это немало. Здесь и далее, когда мы говорим о показателях в месяц, речь идёт только о рабочих днях, поскольку садик по выходным не работает. То есть, дневные показатели мы умножаем на количество рабочих, а не календарных дней в месяце.

КПД коллекторов и их количество

Идём дальше. Определим реальный КПД солнечного коллектора в условиях Иркутска. Здесь уже воспользуемся методикой от производителя коллекторов [4], причём в нашем случае выбор делал заказчик — использовались коллектора Vitosol 300-T SP3A от Viessmann со следующими характеристиками: площадь абсорбера — 3,02 м2; оптический КПД — 80,4 %; коэффициент теплопотерь к составляет 1,33 Вт/(м2·К2); коэффициент теплопотерь к2 составляет 0,0067 Вт/(м2·К2);

Это всё данные из технического паспорта коллектора. Формула расчёта действительного КПД проста:

где ?T — температурный напор между температурой теплоносителя в коллекторе и температурой наружного воздуха, °C; Ед — интенсивность (плотность потока) суммарного солнечного излучения на поверхность коллектора.

Здесь необходимо сделать пару комментариев. Первый — интенсивность излучения принимают равной 800 Вт/м2. Почему — ответа я не нашёл. Если знаете ответ — поделитесь информацией*. Мне кажется, надо использовать среднее значение для среднего дня конкретного месяца. Но «методика есть методика», будем использовать 800 Вт/м2. Второй комментарий — чтобы определить КПД, надо задать ?T, которая зависит от КПД. Круг замкнулся. Где же выход?

Я предлагаю следующий ход рассуждений. Горячую воду мы, как известно, летом греем с 10 до 60 °C (зимой c 5 °C). Нагревать сразу на 50 °C смысла нет — слишком большое коллекторное поле получится, это очень дорого. Обязательно будем использовать буферные ёмкости, чтобы в течение светового дня нагреть требуемый суточный объём воды. На вход коллектора теплоноситель в течение дня будет поступать с различной температурой, например, в часы максимального водопотребления — с температурой в 15 °C (10 °C температура водопроводной воды плюс 5 °C на теплообменник). Это минимальная температура.

В остальное время температура будет повышаться (вместе с прогревом буферных ёмкостей), пока не станет такой, которая позволит нагреть воду для ГВС до 60 °C. Расход теплоносителя через теплообменник фиксирован, у Viessmann это 25 л/ч на 1 м2 поглотителя коллектора. При интенсивности солнечного излучения в 800 Вт/м2 теплоноситель в коллекторе нагреется на 23 °C. Соответственно, максимальная температура на входе в коллектор будет 42 °C (60 °C «уставка» ГВС плюс 5 °C на теплообменник минус 23 °C). При дальнейшем повышении температуры автоматика отключит нагрев, так как горячей воды больше не нужно. В режиме защиты от стагнации нагрев вновь будет включён, но КПД коллекторов в этом режиме нам не интересен.

Итого, если мы возьмём среднюю температуру на входе в коллектор величиной (15 + 42)/2 = 28,5 °C, то мы будем близки к истине. Это летом. Зимой чуть ниже: (10 + 42)/2 = 26 °C. Соответственно, температурный напор мы будем вычислять для каждого месяца, исходя из средней температуры теплоносителя в коллекторе в (28,5 + 23)/2 = 40 °C летом и (26 + 23)/2 = 37,5 °C — зимой. Дальнейшие расчёты тривиальны. Зная действительный КПД коллектора, мы можем вычислить среднемесячное дневное количество утилизируемой солнечной энергии на квадратный метр площади коллектора и определить необходимое количество коллекторов.

На вход коллектора теплоноситель в течение дня будет поступать с различной температурой, например, в часы максимального водопотребления — с температурой в 15 °С (10 °С температура водопроводной воды плюс 5 °С на теплообменник)

Результаты расчёта вы можете видеть в табл. 3. Требуемое количество тепла на нужды ГВС взято из данных раздела ВК. Как мы видим, действительный КПД коллекторов меняется от 68 % в декабреянваре до 76 % в июле (на то они и вакуумные). А для того, чтобы в летнее время полностью обеспечить нагрев воды от солнца, нужно 43 коллектора. К установке было принято 40 коллекторов. И это коллекторное поле коллекторов способно покрыть 64 % годовой потребности в горячей воде.

Схема нагрева воды

Результаты расчётов красивы и внушают оптимизм. Но ведь это количество тепла необходимо ещё умудриться взять. Кратко расскажу о принципиальной схеме приготовления ГВС. Саму схему вы можете видеть на рис. 1.

Чем хороша эта схема — высокой степенью утилизации тепла. При активном потреблении воды в первой ёмкости у нас самая холодная вода. Если датчик Д4 фиксирует температуру в коллекторе выше, чем температура в ёмкости №1 (датчик Д1) — включаются насосы Н1 и Н2, вентиль М1 направляет поток воды в боковой выход, начинается нагрев ёмкости №1. Как только температура Д4 станет выше температуры Д2, вентили М1 и М2 переключатся (М1 — прямой выход, М2 — боковой), и циркуляция будет происходить через ёмкости №1 и №2 последовательно. И так далее.

В итоге теплосъём начинается при температуре теплоносителя на выходе из коллектора всего в 25 °C при активном водоразборе. При перегреве коллекторов ёмкости нагреваются до 95 °C для защиты коллекторов от стагнации, одновременно решая вопрос термической дезинфекции. Термостатический вентиль на выходе системы понижает температуру до допустимых 60 °C. Если тепла от коллекторов для нагрева ёмкостей до требуемой температуры недостаточно, то в ночное время включается электронагрев, который к началу дня обеспечит требуемый запас 60-градусной воды. Так всё и работает.

Надо отметить, что в декабре и январе эффективно утилизировать тепло от коллекторов проблематично, и заявленную в табл. 3 для этих месяцев тепловую энергию мы в большей части потеряем. Поэтому в дальнейших расчётах будем считать, что два самых холодных месяца в году коллекторы не работают.

Солнечные коллекторы и Ростехнадзор

Я встречал проекты очень уважаемых проектных организаций, в которых трубопроводы обвязки солнечных коллекторов авторы относили к поднадзорным трубопроводам горячей воды со всеми вытекающими последствиями. Вроде логично — температура в коллекторе при стагнации может достигать 300 °C. Но я с авторами не согласен — к поднадзорным трубопроводам относятся те, которые транспортируют (!) воду с температурой выше 115 °C. В случае с солнечными коллекторами, при перегреве коллектора (выше 105 °C) автоматика выключает циркуляционный насос Н2, и транспортировка теплоносителя прекращается. Если желаете перестраховаться, то добавьте термостат, снимающий питание с циркуляционного насоса Н2 при нагреве выше 105 °C, с блокировкой, снимающейся только вручную (как термостат STB у водогрейных котлов).

Если тепла от коллекторов для нагрева ёмкостей до требуемой температуры недостаточно, то в ночное время включается электронагрев, который к началу дня обеспечит требуемый запас 60-градусной воды. Надо отметить, что в декабре и январе эффективно утилизировать тепло от коллекторов проблематично, и тепловую энергию для этих месяцев мы в большей части потеряем

Также я видел проект, в котором авторы отнесли эти трубопроводы к технологическим — группы В категории 5. Здесь надо вспомнить, что технологические трубопроводы эксплуатируются на опасных производственных объектах (ОПО). Так можно совсем далеко зайти, если каждый дом с солнечным коллектором на крыше относить к ОПО. Тут и настанет конец малой солнечной энергетике. Давайте в этом вопросе «без фанатизма». Если мы говорим об объектах малой энергетики, а не о промышленных солнечных установках, то Ростехнадзор к нам никакого отношения не имеет. Государственная экспертиза проектной документации со мной согласилась — по крайней мере, замечаний не было.

Ещё раз про стагнацию

Мы уже обсудили, что стагнация — зло. И в данном проекте мы с ней боремся, как можем. Правда, инструмент для борьбы у нас всего один — буферные ёмкости. Наша задача — не допустить стагнации и не потерять тепловую энергию. Эта задача сродни задаче про бассейн — в одну трубу втекает тепло от солнца, из другой трубы вытекает тепло в систему ГВС, а расходы разные и меняются во времени. Нам и переполнить бассейн нельзя (стагнация), и опустеть он не должен (холодная ГВС). Я нашёл график часового распределения суточной потребности в горячей воде для детского сада. Сам график прост — есть три максимума (с 8:00 до 9:00, с 12:00 до 13:00, с 17:00 до 18:00), во время которых потребление составит 15, 21 и 16 % от суточного расхода, соответственно. В остальное время потребление достаточно равномерно — от 2 до 5 %. График распределения интенсивности солнечной инсоляции в пределах светового дня известен — это рис. 2.

Наложением этих двух графиков мы и определили объём бассейна, то есть, простите, буферных ёмкостей. Три ёмкости по 3 м3 каждая в самый жаркий летний день будут нагреты до 72 °C к 16:00 и до 79°С к 19:00. Это при условии, что расход горячей воды будет расчётным. То есть, в рабочие дни мы от стагнации, будем считать, защищены. А вот в выходные деваться от неё некуда. Я далёк от мысли, что специально обученный человек будет закрывать коллекторы от солнечного света в пятницу вечером и открывать их в понедельник утром. Думал я и над вариантом сброса теплоносителя с коллекторов на выходные, с последующим заполнением его в начале недели. Для промышленного предприятия это было бы нормальным вариантом. Но в садике нет персонала, способного регулярно решать подобные задачи. А без персонала я не рискнул — боюсь завоздушивания системы. Хотя это технически реализуемо и достаточно просто. У Vaillant даже есть готовое решение — самоопорожняющиеся коллекторы auroSTEP. Но это решение для небольшого частного дома, никак не для садика. Итак, в выходные мы беззащитны перед стагнацией. Единственное, что мы можем сделать, это предусмотреть расширительный бак, который примет теплоноситель, вытесняемый паром из коллекторов. И поддерживать давление теплоносителя в коллекторах на минимально возможном уровне — чтобы теплоноситель закипал при меньшей температуре и медленнее деградировал.

Экономика

Вот мы и добрались до самого интересного вопроса — денежного («Неважно, о чем говорят — речь всегда идёт о деньгах» — второй политический принцип Тодда). Дальнейшие расчёты, конечно, предельно упрощены, но выводы сделать нам позволят.

Давайте ещё раз заглянем в табл. 3. В среднем по году за счёт солнца можно покрыть 64 % от требуемой тепловой энергии. Выше мы договорились, что декабрь и январь наше коллекторное поле почти не работает, и тепло от него в эти месяцы мы не учитываем. Тогда годовая доля покрытия упадёт до 60 %. Обратимся к местным тарифам, по которым детский сад будет рассчитываться за энергоносители (цифры актуальны на момент проектирования): теплоснабжение — 929,47 руб/Гкал; электрическая энергия — 0,72 руб/кВт·ч (ночного тарифа нет).

Продолжительность отопительного сезона в Иркутске восемь месяцев, то есть восемь месяцев в году мы при отсутствии солнца будем греть воду от тепловых сетей, а четыре месяца — электричеством. Соответственно, каждая гигакалория, вырабатываемая коллекторами зимой, экономит нам 929,47 руб., а летом — 837,36 руб. Согласно той же табл. 3, в зимние месяцы коллекторы выработают нам 37,78 Гкал, а в летние мы получаем с них 37,31 Гкал.

Годовая экономия составит:

37,78 х 929,47 + 37,31 х 837,36 = 66 357 руб.

На момент проектирования стоимость одного коллектора составляла порядка 150 тыс. руб. А коллекторное поле, напомню, включает в себя 40 коллекторов. Можно сразу делать вывод — об экономической целесообразности говорить совсем не приходится. И, если бы не уникальное стечение обстоятельств (тепловая сеть в летние месяцы не работает, мощность электрического ввода недостаточна, размещение котельной на территории детсада нежелательно, у заказчика есть интерес к нетрадиционным источникам энергии), этот проект никогда бы не состоялся.

А что, если…

А что будет, если: заменить коллекторы на дешёвые китайские; заменить коллекторы на «невакуумные»; заменить коллекторы на дешёвые китайские «невакуумные»; уменьшить количество коллекторов; использовать тепло ещё куда-нибудь; получить государственную денежную награду за внедрение энергоэффективных технологий и за счёт этого окупить проект; коллекторы через пару лет подешевеют, и всё будет здорово?

Разница в стоимости оборудования и сэкономленных деньгах настолько велика, что это всё пустые разговоры. А мы ведь не обсуждали ещё стоимость остального оборудования и строительномонтажных работ. И фонд оплаты труда специально обученного человека, периодически очищающего коллекторы от снега и грязи. И стоимость сервисного обслуживания. И стоимость замены антифриза, которую надо проводить раз в несколько лет. И дешевеющую нефть. И дорожающую валюту. Вроде большая статья — а столько всего не обсудили…

Выводы

1. Главный вывод — экономический.

Я вижу перспективы только у обыкновенных, не вакуумных коллекторов, и только в солнечном и теплом климате, и только на небольших объектах, типа индивидуальных домов. У вакуумных коллекторов перспектив на территории России я не вижу. Обсуждение перспектив промышленных солнечных установок — тема отдельной статьи, да и я в этой теме, увы, некомпетентен.

Разница в стоимости оборудования и сэкономленных деньгах настолько велика, что это всё пустые разговоры. А ведь мы ещё не обсуждали стоимость остального оборудования и строительно-монтажных работ, и стоимость сервисного обслуживания, и…

2. Расчёт солнечных коллекторов — это очень просто. Для инженера, конечно.

3. Ни сами коллекторы, ни трубопроводы к ним не поднадзорны Ростехнадзору.

4. Стагнация — зло. Но с ней можно и нужно бороться. Или хотя бы к ней приспосабливаться.

Как всегда, я призываю вас оспорить всё вышесказанное, но только в рамках уважительного спора, с цифрами и аргументами. Высказывайтесь! Буду рад изменить свою точку зрения, особенно по первому выводу.

Уж очень эти штуки «клёвые»!

Подключим горячее водоснабжение?

В дополнение к отоплению, к коллекторной солнечной системе можно подключить горячее водоснабжение. Для этого подсчитаем, сколько тепловой энергии вам необходимо тратить каждый день. Формула расчета солнечного коллектора для ГВС проста:

Pw = 1,163 x V x (T – t) / 24

Обозначения:

• Pw – количество тепла, необходимое для подогрева воды;
• V – средний объем горячей воды, расходуемый за сутки;
• T – температура, до которой нужно подогреть воду;
• t – температура, с которой вода поступает в систему.

Чтобы рассчитать необходимое количество дополнительных коллекторов для ГВС – разделите это значение на производительность солнечного коллектора P, полученное по последней формуле.

Тепловые пояса

В зависимости от количества солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, на земном шаре выделяют 7 тепловых поясов: жаркий, два умеренных, два холодных и два пояса вечного мороза. Границами тепловых поясов являются изотермы. Жаркий пояс с севера и юга ограничен средними годовыми изотермами +20 °С (рис. 9). Два умеренных пояса к северу и югу от жаркого пояса ограничены со стороны экватора средней годовой изотермой +20 °С, а со стороны высоких широт — изотермой +10 °С (средней температурой воздуха самых теплых месяцев — июля в Северном и января в Южном полушариях). Северная граница совпадает примерно с границей распространения лесов. Два холодных пояса к северу и югу от умеренного пояса в Северном и Южном полушариях лежат между изотермами +10 °С и 0 °С самого теплого месяца. Два пояса вечного мороза ограничены изотермой 0 °С самого теплого месяца от холодных поясов. Царство вечных снегов и льдов простирается к Северному и Южному полюсам.

Советы по отоплению дома гелиоколлекторами

• Плоские солнечные коллекторы эффективнее в теплое время года, а вакуумные трубки – зимой. В зависимости от модели и производителя разница может достигать 50%. Подробнее об этом вы можете прочитать в статье «Солнечный коллектор – плоский или вакуумный?».
• На случай непредвиденной ситуации стоит иметь альтернативные источники тепловой энергии – конвекторы, газовый или твердотопливный котел, тепловой насос.
• Обычно коллекторы поставляются вместе с отдельными баками-накопителями. Выгоднее будет приобрести отдельно плоские или вакуумные панели и один или два больших резервуара с хорошей теплоизоляцией. Чем меньше объем бака, тем быстрее он остывает.
• Для организации эффективного отопления стоит иметь большой бак накопитель, в котором в светлое время суток коллекторы будут нагревать воду, а ночью она будет расходоваться на обогрев здания.
• Наличие качественного контроллера в системе отопления позволит поддерживать заданную температуру, регулировать циркуляцию, устанавливать температурные режимы, задавать таймер включения.
• Для автономного отопления дома солнечными коллекторами необходимо купить большое количество оборудования, оплатить его монтаж и подключение. Если вам это не по карману – можно использовать гелиоколлекторы как вспомогательную систему отопления.
• Хорошей экономии можно достичь если использовать солнечные коллекторы в паре с тепловым насосом. Они будут нагревать воду, а тепловой насос – подогревать ее до необходимой температуры.
• Если здание плохо утеплено, то использовать солнечные коллекторы эффективнее с водяным теплым полом. Он отдает максимум тепла в помещение, а не стенам, как радиаторы отопления.

Как видим, расчет солнечных коллекторов для отопления дома довольно прост. Конечно, специалист должен будет посчитать множество других нюансов, но они не смогут существенно повлиять на конечный результат. В некоторых случаях обогрев здания коллекторами нецелесообразен, но в качестве дополнительного источника бесплатного тепла, гелиоколлекторы незаменимы.

Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Loading…

Виды коллекторов

Расчёт солнечных коллекторов для отопления происходит исходя из конкретного их вида, поэтому очень важно правильно выбрать тип используемого устройства. Существует три основных типа коллекторов: плоские, вакуумные и воздушные. Подробно рассмотрев каждый из них, вы наверняка сможете произвести точный расчёт солнечного коллектора для отопления. Также это поможет подобрать солнечный нагреватель воды подходящего типа.
Именно принцип работы плоского коллектора больше всего похож на описанный нами выше. Этот коллектор состоит из плоской коробки, покрытой защитным стеклом, и внутри которой в медных трубках циркулирует пропилен-гликоль, передающий тепло в бак.

Вакуумный солнечный коллектор для отопления вместо плоского листа составлен из больших трубок с полостью и несколькими меньшими трубками внутри. В этих небольших трубках находится вещество, аккумулирующее тепловую энергию. Затем этот своеобразный аккумулятор передают энергию теплоносителю, после чего всё идёт по стандартному принципу работы. В качестве теплоизолятора внутри больших трубок выступает вакуум, откуда и пошло название этого типа.

Воздушный солнечный коллектор для отопления используется реже остальных, так как его КПД значительно ниже. Причина этого кроется в том, что в роли теплоносителя выступает воздух, а он хуже переносит тепло, чем жидкости. С другой стороны, на его перенос тратится гораздо меньше энергии. В некоторых случаях этот процесс протекает естественным образом, что не только экономит электричество, но и уменьшает количество производимого шума.

Как сделать солнечный коллектор своими руками, смотрите на видео: