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.

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 θ_ко до температуры его линии подачи θ_кп.

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

где Emax – максимально возможное дневное поступление солнечной энергии в кДж/м², А – площадь апертуры коллектора (или коллекторов), м², η – 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 м², η = 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 θ_ко и θ_кп линейна. Тогда «собираемое» коллектором в единицу времени тепло Q можно выразить как:

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

где W   – плотность потока падающей на коллектор энергии в кВт/м², ω – объемный поток воды, л/с.

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

h = [ρ(θ_ко) – ρ(θ_кп)] · (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 · (θ_кп – θ_ко)

            Определение рабочей точки гелиосистемы термосифонного типа продемонстрировано на рис. 2, где кривые напора отражают соотношение [3] для различных значений θ_ко, 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 45^о к горизонтали (соответственно, Нк = 140 см), и с баком-накопителем, расположенным на высоте 140 см. Температура сырой воды принята равной 15 ^оС.

            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.

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

где p_ПК – 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?

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. 

Эта статья прочитана 4069 раз(а)!

Продолжить чтение