Нагрев воды с помощью солнечных батарей, гелиосистем

Современный человек зависим от благ цивилизации, например от горячей воды. Трудно себе представить жизнь без горячей ванны или ежедневного душа. А как приятно поиграть с детьми на теплом полу с водяным подогревом.

Да и теплый бассейн наверняка приятнее, чем ледяной каток.

Объемы используемой человечеством горячей воды колоссальны. Трудно представить себе затраты энергии, которая тратится на нагрев воды… Газ, уголь и мазут, из которых человечество черпает энергию, безвозвратно теряются. И самое обидное, что с каждым годом горячая вода становится для обычных Потребителей все более дорогой и недоступной, даже несмотря на ее ежемесячную оплату. Возрастает зависимость от коммунальных служб, постоянного роста цен на энергоносители, волюнтаризма нескольких человек, устаревших коммуникаций и работы аварийных служб.

[]

Чтобы положить этому конец, многие граждане перебираются жить в частные дома, где с помощью газовых или твердотопливных котлов пытаются избавиться от услуг коммунальных служб. Некоторые люди умудряются приладить газовые котлы даже в городских квартирах, создав подобие автономной системы отопления. Но это и незаконно, и с пожарной точки зрения небезопасно, и за потребляемое топливо приходится платить…

В настоящее время самой реальной альтернативой всем известным способам нагрева проточной воды, используемым в быту, являются солнечные коллекторы. Сегодня наличие солнечных батарей на кровле частного дома уже не считается признаком богатых людей.

Любая хорошая идея, воплощенная впервые, будет достаточно дорогой. Но при массовом производстве цены значительно снижаются и новая техника становится доступной широкому кругу потребителей. Это один из основных законов экономики. Далее спрос рождает предложение от производителей и их конкуренции) между собой. А конкуренция – это всегда улучшение потребительских свойств товара, повышение его технических характеристик и доступный сервис. В результате широкие массы потребителей оказываются даже в более выгодном положении, чем богатые первопроходцы. Особенно это касается товаров, срок службы которых исчисляется десятилетиями.

Таким долговременным продуктом являются современные солярные системы, преобразующие энергию солнца в удобный для человека вид энергии (тепловую или электрическую); срок их эксплуатации не менее 40 лет. Гарантийный срок современных солнечных коллекторов может составлять до двух десятков лет.

Назначение солнечных коллекторов – гелиосистем.

Для чего же нужны нам солярные системы? Использование водяных солярных систем и электрических солнечных панелей может преследовать много целей, например:

• создание экологически чистой автономной системы горячего водоснабжения;
• подогрев воды в бассейнах:
• частичное или полное использование нагретой воды в системе отопления;
• использование горячей воды в технологических целях:
• сокращение энергозависимости здания и уменьшение вредных выбросов в атмосферу;
• обеспечение электрической энергией бытовых приборов и коммуникаций дома;
• экономия наших средств.

Солнечная энергетика уже сегодня считается серьезной альтернативой традиционным методам. Мы рассмотрим солнечные установки, используемые для нагрева бытовой воды. Той воды, которая течет из кранов, плещется в бассейнах, греет батареи.

Гелиосистемы, применяемые для производства горячей воды, бывают разными, но все они поглощают энергию нашего светила и преобразуют ее в тепловую энергию, которую в конечном итоге поглощает вода, бегущая из крана. Остановимся на основных элементах гелиосистем и их назначении.

Солнечные коллекторы предназначены для поглощения солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию, передаваемую тепло-несущей жидкости. От эффективности солнечного коллектора в значительной степени зависит эффективность работы всей системы. Чем больше солнечной энергии поглотит гелиоколлектор и чем меньше он се потеряет, тем эффективнее будет работать система.

Именно в поглощающем абсорбере панели коллектора под воздействием инфракрасной составляющей солнечного излучения происходит преобразование солнечной энергии в тепловую. Панель разогревается, а прокачиваемый через ее каналы жидкий теплоноситель отбирает полученное тепло.

Солнечные коллекторы бывают разных видов. Наиболее популярными и доступными (с учетом высокого КПД и приемлемой цены) являются плоские и вакуумные солнечные коллекторы. Более подробно их конструкция будет рассмотрена в последующих статьях. Основные принципы конструирования любых солнечных коллекторов сводятся к обеспечении» максимальной» поглощения солнечной энергии и минимальным тепловым потерям.

Определив потребность в горячей воде, подсчитывается необходимое количество солнечных коллекторов, они объединяются в группы и работают как одна система. Чаще всего в коттеджном строительстве коллекторы монтируются на наклонных скатах кровель как поверх кровельных покрытий, так и вместо них. Но расположить коллекторы можно практически везде: на стене здания, на плоском участке кровли или на специально подготовленной площадке в саду. Для правильной ориентации коллекторов в пространстве используются специальные опорные рамы. В некоторых случаях помимо основного своего назначения коллекторы могут нести и декоративные функции. К примеру, они устанавливаются на карнизе или объединяются с каким-либо внешним элементом здания.

Емкость накопителя с теплообменником предназначена для отбора тепла от тепло-несущей жидкости и его передачи проточной хозяйственной воде. Теплообменником выступает змеевик – медная спиральная труба, обеспечивающая взаимодействие между горячей жидкостью, идущей от коллекторов, и холодной водой, требующей нагрева. В то время когда отбор бытовой воды не производится, бак теплообменника служит теплоаккумулятором. Чтобы при этом вода не теряла набранной температуры, он хорошо теплоизолирован.

В системах, которые подготавливают воду и для систем отопления, дополнительно внутри бака предусматривается электрический нагреватель – тэн. Он при необходимости догревает воду до нужной температуры. Его включение производится по команде электронного контроллера.

Тэн начинает работать только при плохой погоде – при облачности, в сумерках, в холодное время года, – то есть тогда, когда солнечный коллектор не может в полной мере прогреть жидкость. Современные вакуумные коллекторы могут достаточно эффективно работать даже при сложных погодных условиях. Поэтому, нагревая жидкость до80% необходимой температуры, не стоит бояться больших затрат на электропотребление. Тэн работает периодически и непродолжительно.

Если же электрический тэн не предусмотрен или заказчик намеренно от него отказался, воду в контуре системы отопления может догревать газовый или твердотопливный котел.

Коммуникации, трубопроводы и арматура предназначены для надежного и герметичного соединения всех элементов системы и направления тока жидкостей. Все известные на сегодня пластиковые трубы, которые, к примеру, применяются в системах отопления, никак не могут быть применимы в солнечном контуре солярной системы. Тут царство высоких температур, безоговорочной надежности и экстремальных погодных условий. Максимальная температура пара в контуре коллекторов (даже малоэффективных) может достигать 150°С, а рабочая температура теплоносной жидкости – подниматься до 110°С. Поэтому к этим линиям предъявляются высокие требования по надежности. Большинство элементов фурнитуры выполняется из нержавеющей стали, а трубопровод – из медных трубок. Только в такой комбинации не возникнет риска разрушении коммуникаций и нет вероятности появления электролитических связей между металлами, которые являются причиной образования коррозии на медных элементах системы.

Теплоизоляционные материалы в гелиостанциях снижают теплопотери системы и применяются практически в каждом узле: и в плоских коллекторах, и в качестве покровного материала трубопроводов, и между стенками теплоаккумулирующего бака.

Насосные станции предназначены для создания давления, требуемого в системе, подачи бытовой воды в бак теплообменника, обеспечения циркуляции теплонесущей жидкости. Насосы подачи и циркуляционные насосы подбираются желаемой производительности системы.

Автоматика контроля обеспечивает правильную и бесперебойную работу системы. Она контролирует температуру теплонесущей жидкости и воды, работу циркуляционных насосов, клапанов и т.д.

Солнечные системы горячего водоснабжения (ГВС) принято классифицировать следующим образом.

По количеству контуров теплоносителя:

1. одноконтурные – самые простые. В таких системах в солнечные коллекторы поступает и нагревается в них именно та вода, которая расходуется из бака-аккумулятора,
2. двухконтурные системы конструктивно сложнее. Они состоят из контура солнечных коллекторов и контура отбора бытовой воды. В контуре солнечных коллекторов находится специальный теплоноситель – незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками. Для экономии средств можно использовать и специально подготовленную воду, но ведущие производители не рекомендуют злоупотреблять такими экспериментами, поскольку обычно вода имеет высокую жесткость и может содержать примеси. Каналы коллекторов в этом случае быстро забьются отложениями и солями, что выведет систему из строя.

1. Одноконтурная гелиосистема ГВС с естественной циркуляцией теплоносителя

2.  Двухконтурная система ГВС с принудительной циркуляцией теплоносителя: 1. Солнечный коллектор 2. Бак теплоаккумулятора (бойлер) 3. Циркуляционный насос контура коллекторов 4. Электронный блок управления 5. Датчики температуры

По способу циркуляции теплоносителя:

• с естественной циркуляцией теплонесущей жидкости. Иногда их еще называют термосифонными. Принцип работы термосифонной 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.
• с принудительной теплонесущей жидкости. В таких системах в контур коллекторного крута включается маломощный циркуляционный насос, который заставляет циркулировать теплоноситель. Его работой управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса ничтожно мала по сравнению с получаемой тепловой энергией.

Нужно учесть, что при кажущейся простоте солнечной станции с естественной циркуляцией теплоносителя есть ряд моментов, о которых стоит задуматься еще при проектировании и монтаже системы. Особенно если это одноконтурная система.

Вода имеет свойство замерзать и превращаться в лед. Поэтому самым главным условием нормального и долговременного функционирования является возможность сливать жидкость из системы в холодное время года, а бойлер необходимо устанавливать под коньком чердачной кровли или в отдельном теплом помещении, которые защищены от атмосферных осадков и резких перепадов температуры. То есть там, где будет гарантирована плюсовая температура. Иначе появляется риск заморозки бойлера и трубопроводов. На морозе обычная вода просто порвет все коммуникации, и их ремонт выльется в круглую сумму. Нужно также предусмотреть удобный доступ к кранам слива системы. Они должны быть расположены в самой нижней точке системы, чтобы гарантировать полный сброс воды. Место, где производится эта операция, должно быть соответствующим образом подготовлено и отделано (например, кафельной плиткой), чтобы затопление не привело к повреждению внутреннего убранства дома.

Второе условие правильной работы системы – это расположение бака теплообменника. Он должен находиться выше солнечных коллекторов. Хорошо, если расстояние между коллекторами и баком по вертикали превышает полметра.

Тогда теплонесущая жидкость, нагреваясь в медных трубках коллекторов, самопроизвольно устремится в бак теплообменника, где отдаст свое тепло бытовой воде. Если же бак находится ниже коллекторов, то вся горячая жидкость будет собираться в коллекторах, а холодная – в баке теплообменника, и из-под крана по-прежнему будет бежать холодная вода. Располагая коллекторы и бак на наклонной кровле, стоит учесть длины скатов и необходимость подготовки конструкции стропильной системы кровли к установке бака. Для него следует предусмотреть посадочное место и надежное Крепление. Бочку теплоаккмулятора надо скрыть, чтобы она не давила своим присутствием, но так, чтобы одновременное этим обеспечить легкий и удобный доступ к ней для ремонта и планового обслуживания.

Поэтому целесообразнее использовать системы с принудительной циркуляцией жидкости коллекторного круга. Тогда бак теплообменника можно расположил, в любом удобном месте дома – в подвале, гараже или специально подготовленной комнате. При таком варианте мы не зависим от размера, веса и формы бака, но появляется новая проблема. Длина трубопроводов, соединяющих гелиоколлектор и бак теплообменника, не может быть слишком большой. Иначе можно потерять тепло жидкости еще по дороге к теплообменнику.

Теплоизоляционные материалы трубопроводов тоже нужно подбирать соответствующие. Они должны выдерживать достаточно высокую температуру и быть устойчивыми к вредным воздействиям окружающей среды и ультрафиолетовому излучению солнца. Если трубопроводы проходят по наружной части здания, то они должны еще и привлекательно выглядеть и не выделяться на фоне крыши или фасада здания.

Не рекомендуются также и теплоизоляционные материалы с фольгированным покрытием. Они отбрасывают солнечные зайчики в разные стороны и могут слепить водителей проезжающих мимо транспортных средств.

Солнечные отблески могут привлекать птиц, например ворон. Они просто расклюют и разорвут защитную фольгированную пленку и повредят изоляцию. Если фольга сделана на бумажной, пусть даже и армированной, основе, то она тоже долго не протянет под открытым небом. Наиболее оптимальным вариантом являются теплоизоляционные цилиндры с последующим их покрытием пластиковым кожухом. Внешне он напоминает водосточные трубы и может гармонично скрыть трубопровод гелиосистемы.

Тем не менее идеальным будет вариант, когда трубопровод гелиоконтура, выходя из коллектора, тут же прячется ПОД кровельное покрытие (если коллектор расположен на кровле здания) и уходит в теплую зону. Тогда и трубопровод не будет портить экстерьер здания и теплопотериможно будет свести к минимуму:

Применение гелиосистем, солнечных коллекторов для нагрева воды в доме

Количество и температура нагретой воды за один день будет зависеть от многих факторов, и рассчитать с высокой точностью эти показатели достаточно сложно. Ведь все расчеты будут основываться или решенных данных, полученных за определенный промежуток времени. Среди них: высота солнца над горизонтом, степень облачности, температура воздуха, температура подаваемой холодной воды, количество расходуемой горячей воды, конфигурация системы, качество ее комплектующих, профессиональность сборки и многое другое.

Как известно, солнечная энергия неравномерно распределяется по поверхности Земли. Значительное влияние оказывают и микроклиматические погодные условия (туманы, снег). Поэтому все системы, которые используют солнечную энергию, не обладают постоянном мощностью ни в течение светового дня, ни в течение года. Не стоит удивляться, если количество и температура нагретой воды в каждый конкретный день будут различны.

Таким образом, если солнечная система используется периодически и только в теплое время года, то вполне достаточным может оказаться использование одноконтурной системы с естественной или принудительной циркуляцией жидкости. Такой системой, к примеру, можно оснастить душ на летней даче или редко используемый дом.

Если же гелиосистема покупается, чтобы постоянно использоваться круглый год для нагрева проточной бытовой воды, нагрева бассейна в доме или для снижения энергозависмости системы отоплении, причем заказчик желает как можно меньше заниматься ее обслуживанием, то лучше всего подойдет двухконтурная система с принудительной циркуляцией теплонесущей жидкости. Ее нужно оснастить высокопроизводительными солнечными коллекторами.

Также выбор двухконтурных гелиосистем оправдан и с точки зрения экономической целесообразности солнечных систем ГВС. Опять мы вернулись к законам экономики. Стоимость гелиосистем достаточно велика и может составлять 5-15% цены дома, это значительно превышает первоначальную стоимость традиционных источников теплоснабжения. Поэтому не каждый человек сразу решится на ее приобретение. Однако, учитывая постоянный рост цен на энергоносители, становится очевидным, что качественно смонтированная гелиосистема при круглогодичной работе начнет окупать себя только через 5-8 лет, то есть к тому моменту; когда срок гарантийных обязательств продавца и монтажных организаций будет заканчиваться. Если гелиосистема выйдет из строя ранее десятилетнего срока эксплуатации, она не даст своему владельцу достаточной энергетической выгоды.

Следовательно, основные критерии при выборе гелиосистем сводятся к следующему:

• высокий уровень знаний и практики поставщиков и монтажных бригад;
• качественные комплектующие (каждая недоплаченная копейка может обернуться несколькими рублями, затраченными на ремонт);
• качественный проект и комплексный подход.

Все подконструкции (включая монтажные рейки, метизы и рамки) должны быть исключительно надежными и Коррозионностойкими. Они должны соответствовать предполагаемым нагрузкам.

Будет обидно потерять дорогостоящие вакуумные коллекторы, если они рухнут от простого порыва ветра. Так что, взвешивая все за и против, нужно отдавать предпочтение долговременной эффективности и надежности.

         Источник:  http://kak-svoimi-rukami.com