В связи с интенсивным развитием технологий солнечной энергетики, в Мире появилось множество конструктивных решений и вариантов гелиосистем, которые классифицируются по различным критериям. В рамках данного сайта мы остановимся на классификации по принципу конструирования и подробно рассмотрим жидкостные системы солнечного теплоснабжения с аккумулированием тепловой энергии.
Классификация по принципам конструирования
| СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАЖЕНИЯ |
|
|
|
|
|
|
|
| С отдельными функциональными элементами |
|
"Солнечный бак" |
|
| |
|
|
|
|
|
| открытый |
|
теплоизоли-
рованный |
|
| |
|
|
Принудительная циркуляция
теплоносителя |
|
Естественная циркуляция
теплоносителя |
|
|
|
| Двухконтурные |
|
Одноконтурные |
|
Двухконтурные |
|
Одноконтурные |
|
| |
| |
| "Drain-Down" |
| "Drain-Back" |
| "Recirculation" |
| "Closed loop" |
|
| |
Варианты
защиты от
замерзания |
|
|
|
В данной классификации приведен только укрупненный список часто используемых вариантов гелиосистем, применимых в климатических условиях Украины.
Мы не будем рассматривать воздушные системы, т.к. это совершенно отдельная и очень широкая тема. Сразу отбросим системы, где разогрев воды в баке осуществляется солнечной энергией непосредственно через его стенки («солнечный бак»), т.к. в упрощенном виде эти системы не эффективны и даже опасны, тем, что при температурах, до которых может разогреться вода (порядка 36-40
оС) очень интенсивно размножаются бактерии, которые могут вызвать разнообразные болезни, например, ангину. А более эффективные и технологичные их собратья (теплоизолированные и застекленные) не получили широкого распространения из-за ряда причин.
Любую систему солнечного теплоснабжения желательно конструировать с аккумулятором тепловой энергии, но существуют системы, в которых он отсутствует. В связи с тем, что поступающая солнечная энергия нестабильна во времени, такие системы не рекомендуется рассчитывать на степень покрытия от солнца более 10%. Эти системы мы также не будем рассматривать из-за очень узкой специфики их применения.
Из-за своей универсальности, эффективности, гибкости и удобства, наибольшее распространение получили
жидкостные системы (далее «гелиосистемы») с аккумулятором тепловой энергии (бак с водой или специальной жидкостью, бассейн, грунт), в которых есть отдельные элементы с четко обозначенными функциями:
- солнечный коллектор – преобразование и поглощение энергии;
- аккумулятор тепловой энергии – поглощение и сохранение энергии;
- соединительный трубопровод – доставка с минимальными потерями тепловой энергии в аккумулятор.
Гелиосистемы могут быть одноконтурные или двухконтурные (может быть и больше контуров), с естественной или с принудительной циркуляцией теплоносителя (вода или специальная незамерзающая жидкость).
Одноконтурные и двухконтурные системы
В одноконтурных системах в солнечные коллекторы поступает и нагревается именно та вода, которая расходуется из бака-аккумулятора.
Преимущества: - простота;
- возможность получить самый высокий КПД системы в целом.
Недостатки:
- высокие требования к качеству воды (желательно низкая жесткость и высокая степень очистки). На стенках каналов солнечного коллектора интенсивно оседают соли, каналы могут засориться намываемой грязью, это приводит к значительному ухудшению эффективности или даже к полному выходу из строя (если вовремя не прочистить каналы, что бывает очень затруднительно);
- повышенная коррозия, из-за воздуха, который растворен в воде;
- практически полная невозможность нормальной работы при минусовых температурах (опасность разрыва труб);
- низкий эффективный срок эксплуатации (из практики – не более 3-5 лет).
В двухконтурных системах в контуре солнечных коллекторов находится специальный теплоноситель (обычно незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками или подготовленная вода), при этом тепловая энергия от теплоносителя передается воде с помощью теплообменника (спиральная труба в баке – «змеевик», внешний теплообменный аппарат или «бак в баке»).
Преимущества: - значительное увеличение надежности работы системы (солнечные коллекторы всегда в хорошем состоянии, т.к. нет выпадения солей и намывания грязи);
- возможность безопасной работы системы при минусовых температурах;
- солнечные коллекторы не требуют дополнительного обслуживания;
- более длительный гарантированный эффективный срок эксплуатации (10-50 лет).
Недостатки:
- незначительное снижение эффективности работы системы из-за наличия дополнительных тепловых потерь в коллекторах и трубопроводе, а также из-за необходимости применения теплообменника (порядка 2-5%);
- если применяется незамерзающий теплоноситель, то также незначительно ухудшается эффективность системы из-за более низкой его теплопроводности (по сравнению с водой);
- необходимость периодической замены теплоносителя (проверка состояния каждые 6-7 лет с возможной заменой).
Наш выбор: именно двухконтурные системы могут длительно эффективно и надежно работать на всей территории Украины, т.к. в большинстве своем вода имеет высокую жесткость, а также даже на южном берегу Крыма (ЮБК) возможны морозы до -10оС. Если система была разморожена или каналы коллекторов практически полностью забились солями, то в большинстве случаев, это приводит к необходимости полной замены гелиоколлекторов, т.к. на месте устранить такого рода неисправности практически невозможно. Снижение эффективности двухконтурных систем происходит незначительное, чтобы, предпочитая одноконтурную систему, жертвовать надежностью.
Системы с естественной (термосифонная) и принудительной циркуляцией теплоносителя.
Принцип работы систем с естественной циркуляцией теплоносителя (термосифонные системы): разогретый теплоноситель (обладая более низкой плотностью) устремляется в верхнюю часть коллектора, в результате чего возникает разность гидростатических давлений; если коллектор подключить к баку, который находится выше него, то возникнет самопроизвольная циркуляция теплоносителя, скорость которой зависит от конструкции коллектора, интенсивности солнечного излучения и скорости охлаждения в теплообменнике.
Термосифонные системы не желательно использовать, если общая площадь коллекторов больше 10 м
2 (согласно ВСН 52-86.Установки солнечного горячего водоснабжения).
Преимущества:
- простота конструкции системы;
- автономность процесса нагрева от солнца.
Недостатки:
- низкая эффективность работы системы (особенно в облачные дни, вплоть до полного отсутствия полезной работы), т.к. для того чтобы началось полезное движение теплоносителя, должна быть достаточно большая разница температур;
- высокие тепловые потери из-за низкой скорости движения теплоносителя (воды);
- нестабильная работа коллекторов (существует риск, что при определенных условиях прекратится движение теплоносителя, либо несколько коллекторов не будут участвовать в полезной работе);
- возможность частого возникновения опасного перегрева бака, вследствие того, что данная система не управляется;
- необходимость размещения массивного бака-аккумулятора выше верхней точки гелиоколлекторов (например, на крыше);
- при установке бака-аккумулятора на открытом воздухе, возникают большие потери тепла, бак подвергается усиленной коррозии, а так же существует риск замерзания бака и патрубков в зимний период;
- опасность выхода из строя двухконтурной системы, при условии ее отключения на зимний период со сливом воды из бака.
Всех вышеперечисленных недостатков лишена система с принудительной циркуляцией теплоносителя.
В системах с
принудительной циркуляцией в контур коллекторного круга включается маломощный циркуляционный насос, который заставляет циркулировать теплоноситель. Его работой управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса, несравнимо мала с тепловой энергией, которая вырабатывается системой.
- – Коллектор;
- – Бак-аккумулятор (бак-бойлер);
- – Циркуляционный насос;
- – Контроллер (блок управления);
- – Датчики температуры.
Преимущества:
- в результате принудительной циркуляции теплоносителя, система работает на 30 % эффективнее системы с естественной циркуляцией;
- бак-аккумулятор можно устанавливать в любом удобном месте;
- возможность эффективной работы круглогодично;
- система быстро настраивается на оптимальный режим работы;
- легко и удобно контролируется работа системы;
- система является более безопасной, так как контроллер отображает и блокирует опасные режимы работы.
Недостатки:
- необходимость установки дополнительного оборудования (насосного модуля и контроллера);
- дополнительное, но незначительное потребление электроэнергии циркуляционным насосом.
Наш выбор: гелиосистемы как с естественной, так и с принудительной циркуляцией теплоносителя получили широкое распространение, но ключевыми факторами при выборе системы являются: возможная температура воздуха в самый холодный период года и количество ясных солнечных дней. Термосифонные системы получили распространение в странах с теплым климатом и большим количеством ясных дней (Турция, Греция, Египет, Израиль и т.д.), и используются, в основном, как индивидуальные. На всей территории Украины (в т.ч. и на ЮБК) рекомендуется использовать гелиосистемы с принудительной циркуляцией теплоносителя, т.к. достаточно большое количество облачных дней приводит к значительному снижению эффективности термосифонных систем (на 30%), а низкие температуры в зимний период года, вынуждают принимать меры по защите от замерзания, что бывает невозможно с точки зрения надежности. Те незначительные дополнительные затраты в системах с принудительной циркуляцией быстро окупаются своей эффективностью и безопасностью.
Вывод: если оценивать все преимущества и недостатки описанных систем можно сделать вывод, что на территории Украины желательно использовать только двухконтурные системы с принудительной циркуляцией теплоносителя. Также это утверждение верно с точки зрения экономической целесообразности использования гелиосистем. Т.к. стоимость гелиосистем превышает стоимость традиционных систем теплоснабжения и при действующих ценах на энергоносители имеет срок окупаемости - от 3 до 8 лет, выход из строя системы ранее 10 лет эксплуатации не даст экономического эффекта и достаточной энергетической прибыли потребителю. Следовательно, основные критерии при выборе гелиосистем – это высокая, долговременная эффективность и надежность.
Гелиосистемы можно использовать практически для любых целей, где необходима низкопотенциальная тепловая энергия. Варианты гелиосистем, которые получили наибольшее распространение, представлены на рисунке ниже.
Классификация по назначению
| ЖИДКОСТНЫЕ ГЕЛИОСИСТЕМЫ С АККУМУЛИРОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ |
|
|
|
| Принудительная циркуляция теплоносителя |
|
Естественная циркуляция
теплоносителя |
|
|
|
| двухконтурные |
|
одноконтурные |
|
двухконтурные |
|
одноконтурные |
|
|
|
| Круглогодичное или сезонное ГВС, нагрев воды в бассейне, отопление |
|
Только сезонное ГВС, нагрев воды в бассейне |
|
Сезонное ГВС (возможно круглогодичное, если бак установлен в отапливаемом помещении) |
|
Только сезонное
ГВС |
|
Также возможно использование гелиосистем для опреснения, технологических нужд (винного, кондитерского и других производств), повышения эффективности водоочистки, прогрева грунта и т.д.
Гелиосистемы, которые предназначены для одновременного выполнения нескольких функций (ГВС и отопление, ГВС и нагрев воды в бассейне и т.д.) называются комбинированными (многофункциональными). Такие системы в основном конструируются как двухконтурные с принудительной циркуляцией теплоносителя.
Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют экономить до 75% традиционного топлива, которое необходимо для приготовления горячей воды, и до 50% необходимого для целей отопления.