Выбор элементов солнечной установки для ГВС

Поделиться ссылкой на статью

Обновлено 7 января, 2023

О выборе элементов гелиоустановки для горячего водоснабжения

Классический вариант использования солнечной энергии в хозяйстве – приготовление бытовой горячей воды, поэтому логично рассмотреть обвязку гелиоколлекторов в применении именно к системам ГВС. Хотя западноевропейские специалисты считают, что в нашем климате возможна эксплуатация гелиосистем с принудительной циркуляцией, обратим внимание также и на системы термосифонного, или гравитационного типа. Они выглядят проще, но при их проектировании и монтаже необходимо учитывать ряд нюансов.

Рис. 1. Гидравлическая схема гелиосистемы термосифонного (гравитационного) типа
Рис. 1. Гидравлическая схема гелиосистемы термосифонного (гравитационного) типа

Рассмотрим простейшую гелиосистему термосифонного типа с непосредственным нагревом, состоящую из собственно коллектора и бака-накопителя, которые образуют коллекторный контур (рис. 1). По контуру должна циркулировать вода, нагреваемая от температуры обратной линии коллектора θко до температуры его линии подачи θкп.

            Расход нагретой воды из бака-накопителя компенсируется холодной водой, поступающей из водопровода через линию подпитки, состоящую из запорного вентиля и обратного клапана. Избыточное давление, возникающее в системе из-за нагрева воды в замкнутом объеме, сбрасывается с помощью пружинного предохранительного клапана. Поскольку в РФ нет регионов, где бы никогда не случалось мороза, в гелиосистеме гравитационного типа должна быть предусмотрена также возможность ее полного опорожнения.

            Если температура воды в коллекторе достигает точки кипения, образующийся пар уходит через воздуховыпускной клапан. Отметим однако, что такая ситуация нежелательна и возникает тогда, когда емкости бака-накопителя недостаточно для аккумулирования всего поступающего за день тепла. Достаточной же можно считать емкость:

                                                            Emax · · η
                                               Vmin =  ─−──−──     , л,                              [1]                                                            · (90 – θхол.)

где Emax – максимально возможное дневное поступление солнечной энергии в кДж/м2А – площадь апертуры коллектора (или коллекторов), м2η – коэффициент поглощения коллектора, θхол – температура холодной воды, оС, С – теплоемкость воды, равная 4,18 кДж/кг·К.

            Хотя сведения о ежедневном поступлении солнечной энергии доступны далеко не всегда, для оценки Emax в данном регионе можно обойтись среднемесячными показателями – надо только среднее дневное поступление в самом солнечном месяце умножить на 1,5. Например, минимальная емкость бака-накопителя установки с одним коллектором (площадь апертуры 2 м2η = 0,75) в Сочи (среднее дневное поступление в июле – 23,6 МДж/м2) составит 112 л.

            Как можно заключить из соотношения [1], для минимизации размеров бака-накопителя приходится допускать нагрев воды в установке до температуры 90 оС, однако это создает опасность ошпаривания пользователя водой из крана. Во избежание этого на выходе из бака-накопителя необходим термостатический смеситель (на рис. 1 –  ТС), ограничивающий температуру воды в системе ГВС до безопасного уровня, например, 60 оС.

Еще одна проблема гелиоустановки термосифонного типа связана с осаждением накипи в каналах солнечного коллектора с последующим постепенным ухудшением его характеристик, а в более или менее отдаленной перспективе – и полным выходом из строя. Проблема эта устраняется достаточно просто – установкой в линию подпитки дозатора ингибиторов накипи и регулярной заменой его картриджа.

            Главный вопрос термосифонной гелиотехники: на какой высоте H должен располагаться бак-накопитель для максимальной эффективности работы гелиосистемы? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим механизм циркуляции воды в коллекторном контуре. Для простоты модели сделаем два предположения: а) скорость циркуляции воды в коллекторном контуре невелика, и режим течения воды можно считать ламинарным; б) зависимость плотности воды от температуры в интервале между θко и θкп линейна. Тогда «собираемое» коллектором в единицу времени тепло Q можно выразить как:

Q = W · A · η = ω · C · (θкп– θко), кВт,                                                         [2]

где W   – плотность потока падающей на коллектор энергии в кВт/м2ω – объемный поток воды, л/с.

            Вследствие нагрева воды и уменьшения ее плотности в контуре коллектора возникает напор:

h = [ρ(θко) – ρ(θкп)] · (H – Hк/2), см вод. ст.,                                                                                   [3]

где ρ – удельный вес воды, г/см3.

            В стационарном состоянии этот напор уравновешивается потерей напора, вызванной гидравлическим сопротивлением коллектора и трубопровода:

    Δp = K · ω, см вод. ст.,                                                                                                                     [4]

где K – собственно гидравлическое сопротивление контура, см вод ст∙с/л, складывающееся из сопротивлений коллектора и подводящих трубопроводов. Заметим, что сопротивление трубопровода прямо пропорционально его длине, а значит – и значению H. Принимая во внимание соотношение [2], можно переписать [4] как:

                        K·W·A·η 
         Δp =   —————    ,                                                                                                         [5]                           
                         C · (θкп – θко)

            Определение рабочей точки гелиосистемы термосифонного типа продемонстрировано на рис. 2, где кривые напора отражают соотношение [3] для различных значений θко, а кривые потери давления – соотношение [5] для различных значений плотности потока солнечной энергии на поверхность коллектора. Пересечение кривой напора с кривой потери давления и представляет собой рабочую точку. Расчеты сделаны для установки с одним коллектором длиной 2 м, расположенным под углом 45о к горизонтали (соответственно, Нк = 140 см), и с баком-накопителем, расположенным на высоте 140 см. Температура сырой воды принята равной 15 оС.

Рис. 2. Определение рабочей точки гелиосистемы термосифонного типа
Рис. 2. Определение рабочей точки гелиосистемы термосифонного типа

            При плотности потока солнечной энергии 1000 Вт/м2 (солнечный полдень, оптимальное расположение коллектора) объемный поток воды в контуре достигает 0,6 л/мин, и за один «оборот» вода нагревается на 45 К – до 60 оС. Поток световой энергии 100 Вт/м2 (плотная облачность) вызывает существенно более медленную циркуляцию – всего 0,15 л/мин, и прогревает воду лишь на 15 К – до 30 оС. Легко сосчитать, что за десятичасовой световой день такими темпами можно подогреть 90 л воды, что не так уж и мало.  

            Что случится, если бак-накопитель поднять еще на полметра? С одной стороны, согласно формуле [3] напор возрастет, однако пропорционально увеличится и сопротивление трубопровода, если только мы не расширим его проходное сечение. В итоге при плотности потока солнечной энергии 1000 Вт/м2 объемный поток воды в коллекторном контуре уменьшится до 0,5 л/мин, при этом вода нагреется лишь на 40 К. Получается, что подъем бака приводит к уменьшению количества собираемого системой тепла на 25 %, что вполне объяснимо: просто большее количество энергии идет на преодоление сопротивления трубопровода.

            В гелиосистеме с принудительной циркуляцией на это тратится не солнечная, а электрическая энергия, приводящая в действие насос, и этим часто пренебрегают при технико-экономическом обосновании применения гелиосистемы.

Проектирование гелиосистемы с принудительной циркуляцией для ГВС начинается с определения суточной потребности в горячей воде, исходя из которой выбирается бак-водонагреватель нужной величины и производительности. Так же, как и в случае с термосифонной системой, для минимизации размеров бака-водонагревателя допускается нагрев воды в нем до температуры 90 оС, и его минимально необходимый объем равняется примерно трети расчетной суточной потребности в горячей воде с температурой 40 оС.

            При определении необходимого для гелиосистемы количества коллекторов имеют место две крайности – полное покрытие потребности в тепле для ГВС или гарантированное полное потребление собранного тепла. Обе они одинаково неприемлемы, с точки зрения окупаемости установки, оптимальное же покрытие потребности в тепле солнечной энергией составляет для ГВС 50–60 %. Исходя из этого, а также на основе справочной информации о поступлении солнечной энергии в данном регионе и определяется требуемое количество коллекторов.

            Однако что означает частичное покрытие гелиосистемой потребность в тепле? Поскольку поступление солнечной энергии не только подвержено сезонным колебаниям, но и сильно меняется день ото дня, в какие-то дни собранного тепла не хватит для приготовления нужного количества горячей воды, а в другие – часть поступающей солнечной энергии окажется лишней.

На случай нехватки тепла, помимо гелиоконтура, система ГВС должна иметь резервный источник – электронагревательные элементы или котел, который автоматически включается, если поступления тепла от солнца нет (или его слишком мало), и система не готова ответить на запрос горячей воды – температура в накопителе ниже положенных 40 оС. Если резервный источник тепла – котел, то бак-водонагреватель должен быть бивалентным, т.е. иметь два теплообменника, один из которых включен в гелио-, а другой – в котловой контур.

Рис. 3. Гидравлическая схема гелиосистемы с принудительной циркуляцией
Рис. 3. Гидравлическая схема гелиосистемы с принудительной циркуляцией

Если дневное поступление солнечной энергии превышает суточную потребность в тепле для ГВС, то может наступить момент, когда вода в баке-водонагревателе нагрелась до предельных 90 оС, насос гелиоконтура останавливается и солнечные коллекторы переходят в состояние стагнации. При продолжающемся поступлении солнечной энергии, но в отсутствие теплосъема температура теплоносителя в коллекторе достигает точки кипения. Образующийся пар стремится вытеснить оставшийся в жидкой фазе теплоноситель из коллектора, давление в гелиоконтуре растет, и в конце концов это может привести к срабатыванию предохранительного клапана.

В отличие от термосифонной гелиосистемы, где сброс давления – рядовое событие, которое не требует вмешательства человека, гелиосистема с принудительной циркуляцией является замкнутой, и срабатывание предохранительного клапана означает потерю части теплоносителя, т.е. необходимость в процедуре заполнения системы. Воздуховыпускной клапан в гелиосистеме снабжается запорным вентилем (рис. 3), который открывается только при заполнении гелиоконтура. Без этого в моменты стагнации пары теплоносителя будут «улетать» из системы.

            Наиболее распространенный способ преодоления проблем, связанных с состоянием стагнации, – с помощью расширительного бака, который воспринимает увеличение объема теплоносителя вследствие его испарения в коллекторах. Минимально необходимый для этого объем расширительного бака можно рассчитать по формуле:

                                                                          (pmax + 1)
                        VРБ,min = (VЗ · n + VK · nK)  ―――――― , л                                 [6]    
                                                                          (pmax – p0)

 где     VЗ – объем заполнения гелиоконтура, л, VK – емкость коллектора, л, n – коэффициент расширения (для воды при нагреве от 20 до 100 оС n = 0,042), nK – число коллекторов, p0 – давление заполнения системы, бар,  pmax – давление в системе при стагнации, бар.

            Давление заполнения гелиосистемы p0 согласно рекомендациям производителей оборудования должно составлять:

                                                           p0 = 0,1· hстат + 0,7, бар,                                           [7] где hстат – статическая высота в метрах между серединой расширительного бака и наивысшей точкой гелиосистемы.

            Давление в состоянии стагнации pmax выбирается из условия:

                                   pmax ≤ pПК – 0,2, бар              для pПК ≤ 3 бар
                                   pmax ≤ 0,9 · pПК, бар                 для pПК > 3 бар,

где pПК – давление срабатывания предохранительного клапана.            

Поскольку гелиосистемы с принудительной циркуляцией рассчитаны на круглогодичную работу, их обычно заполняют специальным незамерзающим теплоносителем, основное отличие которого от аналога для систем отопления – это способность выдерживать более высокие температуры, а также кипение и конденсацию. К сожалению, многократные переходы гелиосистемы в состояние стагнации и обратно не лучшим образом сказываются на характеристиках даже специального теплоносителя. Со временем он деградирует, и его необходимо заменять. Есть ли этому какая-то альтернатива?

at 56 3 4 горячая вода,солнечные коллекторы
Рис. 4. Принцип работы гелиосистемы ГВС auroSTEP фирмы Vaillant

Изящное решение для гелиосистем ГВС небольшой производительности предложили инженеры немецкой фирмы Vaillant. Разработанная ими технология auroSTEP предусматривает неполное заполнение установки теплоносителем – в коллекторах остается воздух. При работе циркуляционного насоса гелиосистемы он вытесняется потоком теплоносителя из коллекторов (рис. 4). При остановке насоса воздух возвращается на прежнее место, т.е. коллекторы автоматически опорожняются. Таким образом, в состоянии стагнации не происходит вскипания теплоносителя в коллекторах. Следует, однако, помнить, что на ярком солнце пустой коллектор может нагреваться до температуры, существенно превышающей точку кипения теплоносителя, что делает невозможным повторный запуск гелиосистемы, пока коллектор не остынет.

Пример гелиосистемы auroSTEP убеждает нас в том, что на Западе гелиотехника продолжает развиваться: появляются новые материалы, конструкции и технические решения, и от нас с вами зависит, останемся ли мы только наблюдателями, или станем полноправными участниками этого процесса.

Автор: C. Зотов, к. т. н. 

Источник

Эта статья прочитана 3363 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 10000
    Китайские солнечные модули - как выбрать?Китайские солнечные модули - как не ошибиться при покупке? В последнее время на рынке появилось много предложений по китайским солнечным модулям. Действительно, в Китае сейчас производится бОльшая часть всех производимых в мире солнечных модулей. Есть среди них и качественные, отвечающие…
  • 10000
    Контроллер Steca Solarix PRSСолнечный контроллер Steca Solarix PRS Простота и высокая производительность нового контроллера заряда Steca Solarix PRS делают его особенно привлекательным. В то же время предлагается современный дизайн и удобный показ, все по чрезвычайно привлекательной цене. Несколько светодиодов в различных цветах подражают…
  • 10000
    Steca Solar солнечные контроллерыКонтроллеры заряда для солнечных батарей Steca Solar Немецкая компания Steca Solar является одним из старейших мировых производителей электроники для фотоэлектрических систем энергоснабжения. Steca Solar предлагает следующее оборудование: контроллеры заряда для фотоэлектрических батарей инверторы для автономных солнечных систем электроснабжения инверторы для…
  • 10000
    Контроллеры заряда с ШИМКонтроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрической батареи с широтно-импульсной модуляцией тока заряда Простейший контроллер заряда просто отключает источник энергии (солнечную батарею) при достижении напряжения на аккумуляторной батарее примерно 14,4 В (для АБ номинальным напряжением 12В). При снижении напряжения на АБ до…
  • 10000
    FAQ по ШИМ контроллерамЧасто задаваемые вопросы по контроллерам заряда с ШИМ Источники: Morningstar Corporation StecaSolar Технология контроллеров заряда для солнечных батарей интенсивно развивается в последние годы. Наиболее важным шагом было внедрение широтно-импульсной модуляции (ШИМ) тока заряда, которое стало очень популярным. Ниже приводятся наиболее…
  • 10000
    Солнечные контроллеры - типы и назначениеСолнечные контроллеры - какие они бывают и для чего нужны? Зачем нужны солнечные контроллеры Любая автономная система электроснабжения, содержащая в своем составе аккумуляторные батареи, должна содержать в себе средства контроля заряда и разряда аккумуляторов. Контроллеры заряда используются в автономных фотоэлектрических…
Реклама

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *