Солнечные коллекторы температура

Солнечный коллектор для отопления: бесплатное тепло или бесполезные расходы

Приветствую, камрады! Как вы думаете, насколько выгоден солнечный коллектор для отопления? Я познакомлю вас с устройством и разновидностями коллекторов, а затем выполню несложный расчет эффективности солнечного отопления, который позволит дать ему однозначную оценку. Итак, в путь.

Вакуумные коллекторы отопления и солнечные батареи на крыше частного дома.

Солнечный коллектор — это несложное устройство, использующее видимый свет и инфракрасное излучение Солнца для нагрева рабочей среды. Принцип его работы основан на поглощении тепла поверхностью с низкой отражающей способностью.

От ближайшего собрата — фотоэлектрической солнечной батареи, коллектор отличает куда более высокая эффективность: если фотоэлектрические элементы преобразуют в электроэнергию не более 15% солнечной энергии, то коллекторы позволяют утилизировать до 80%.

Основная проблема, мешающая использовать солнечные коллекторы для отопления дома в качестве основного источника тепла — непостоянная тепловая мощность. Она связана:

  • С суточными циклами освещенности. Ночью по понятным причинам выработка тепла падает до нуля. Больше того: поддержание положительной температуры циркулирующей через коллектор воды требует дополнительных энергозатрат;
  • С погодой. При плотной облачности освещенность (и, соответственно, тепловая мощность прибора) снижается.

Солнечные коллекторы востребованы в областях страны с максимальной инсоляцией. На снимке — крыша коттеджа в Ялте.

Зимой , когда работает отопление, преобладает пасмурная погода. Кроме того, зимой выработка тепла коллектором падает примерно на четверить даже в ясные дни. Это происходит из-за изменения угла падения солнечных лучей, вызывающего зимнее похолодание.

В продаже можно встретить две разновидности приборов для утилизации солнечной энергии:

Плоские коллекторы конструктивно проще вакуумных, но несколько менее эффективны. Теплоноситель нагревается, проходя через трубки, закрепленные на теплопроводной металлической подложке — медном или алюминиевом листе.

Снизу подложка теплоизолирована, сверху — защищена прозрачным для солнечной радиации материалом (закаленным стеклом с низким содержанием металлов или поликарбонатом).

Устройство плоского солнечного коллектора.

Наиболее эффективен плоский коллектор с медными трубками, припаянными к формованной медной подложке. Коллектор с трубками из сшитого полиэтилена поглощает меньше тепла за счет их более низкой теплопроводности.

Ключевые характеристики плоских коллекторов выглядят так:

  • Максимальная температура нагрева теплоносителя — 200-210 °С;
  • Поглощение солнечного тепла — до 70%;
  • Падение эффективности в снежную погоду — минимально. Прозрачный лист, защищающий абсорбер (подложку с трубками), нагревается при работе, и снег быстро тает;

Плоский коллектор самоочищается при нагреве: снег быстро тает на поверхности защитного стекла.

  • Теплопотери — до 30% за счет непосредственного контакта нагретого в коллекторе воздуха с защитным стеклом;

Потери тепла плоским коллектором увеличиваются по мере падения уличной температуры. При -20 °С и ниже прибор полностью прекращает вырабатывать тепло.

  • Парусность — высокая, что может привести к проблемам с установкой в регионах с ветреными зимами;
  • Установка — под произвольным углом к горизонту. Положение прибора должно лишь обеспечить его максимальную освещенность в течение светового дня.

Коллектор можно установить на плоской или скатной кровле, а также смонтировать на раме во дворе дома.

Вакуумный коллектор объединяет несколько трубок — термосов. Внутренняя колба каждой трубки покрыта высокоселективным (поглощающим максимальное количество тепла) покрытием, внешняя колба прозрачна. Благодаря вакууму между ними теплопотери за счет непосредственного контакта с воздухом минимальны — не более 5%.

Быстрый нагрев теплоносителя обеспечивается переносом тепла по принципу тепловой трубки. Теплоноситель испаряется в нижней части колбы и в виде пара поднимается вверх в конденсатор, где при возвращении в жидкое состояние отдает накопленное тепло, а потом самотеком опускается вниз.

Каждая колба вакуумного коллектора представляет собой тепловую трубку и обеспечивает быструю передачу тепла теплоносителю.

Чем вакуумный коллектор отличается от плоского в практическом плане?

  • Максимальная температура теплоносителя: до 300 °С;
  • Поглощение солнечного тепла: до 80%. Высокая эффективность обеспечивается максимальным поглощением тепла адсорбирующим слоем на внутренних стенках колб и вакуумом между стенками, исключающим перенос энергии за счет конвекции;
  • Падение эффективности в снег — есть, поскольку благодаря минимальным теплопотерям поверхность колб почти не нагревается;
  • Парусность: минимальна, поэтому приборы подходят для регионов с сильными ветрами;
  • Установка: под углом не меньше 15-20 градусов к горизонту. При меньших углах наклона колбы перестанут выполнять роль тепловых трубок: конденсирующийся теплоноситель перестанет самотеком возвращаться в их нижнюю часть.

Исследование образцов

Давайте ближе познакомимся с несколькими образцами коллекторов обоих типов.

Плоский коллектор российского производства ЯSolar.

Солнечные коллекторы для частного дома. Перспективная технология для организации горячего водоснабжения и отопления

Солнце – источник неисчерпаемой бесплатной энергии, ресурсами которой может воспользоваться любой желающий.

Комплект с плоскими солнечными коллекторами auroSTEP plus – оптимальное решение для загородного дома.

Трубчатый солнечный коллектор auroTHERM exclusiv обеспечивает максимальную эффективность поддержки системы отопления.

Плоские солнечные коллекторы auroTHERM и auroTHERM plus – отличное соотношение цены и эффективности.

Покупка гелиосистем у официального дилера имеет ряд преимуществ:

+ 7 (495) 369-37-99 (круглосуточно)

Постоянный рост цен на отопление и горячее водоснабжение заставляет многих из нас задуматься о способах экономии. Но можно ли не просто сократить расходы на электроэнергию, а свести их к нулю? Можно, если использовать энергию солнца. Солнечные коллекторы – это источник бесплатной и экологически чистой энергии.

Такие коллекторы, или, как их еще называют, гелиосистемы, предназначены для аккумулирования солнечной энергии для нагрева воды. Использование данной установки дает возможность дополнительного отопления в весенний и летний период. Иными словами, обладатели солнечных коллекторов получают горячую воду и тепло совершенно бесплатно.

Устройство и принцип работы

Простейший солнечный коллектор – это металлические пластины черного цвета, заключенные в корпус из стекла или пластика, которые обычно монтируются на крыше дома. В сущности, солнечный коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, которая накапливает солнечную энергию. Эта энергия согревает воду, циркулирующую по трубам, скрытым под пластиной. Чем больше энергии передается теплоносителю, тем выше его эффективность. Но, хотя принцип работы для всех коллекторов один и тот же, их конструкция несколько различается в зависимости от типа коллектора и сферы его применения.

Неиспользованная остывшая вода из резервуара постепенно опускается вниз, освобождая место нагретой воде из коллектора. Холодная вода попадает в теплообменник, где нагревается и вновь поступает в резервуар. На практике это означает, что вода в накопительной емкости всегда остается горячей – в ясные солнечные дни ее температура может доходить до 70 o С.

Типы и характеристики бытовых коллекторов для нагрева воды и отопления

Описанная схема работы коллектора очень упрощена, на деле же гелиосистемы несколько сложнее. Существует несколько типов солнечных коллекторов со своими конструктивными особенностями.

Плоские высокоселективные

Плоский коллектор – один из самых распространенных типов. Их преимущество состоит в невысокой цене, однако в сравнении с другими моделями они теряют больше тепла. Плоские солнечные коллекторы состоят из плоскостного поглотителя, прозрачного стеклянного покрытия, теплоизоляции с оборотной стороны и рамы, которая в основном делается из алюминия или стали.

Плоскостной поглотитель – это выкрашенный в темной цвет металлический лист, соединенный с теплопроводящими трубами. Слой поглотителя аккумулирует солнечные лучи и трансформирует солнечную энергию в тепловую, которая затем передается жидкости-теплоносителю (смеси воды и гликоля). Эта жидкость «направляет» тепло в солнечный аккумулятор. Стеклянное покрытие коллектора защищает поглотитель от воздействия окружающей среды и снижает потери тепла, создавая парниковый эффект. Эту же функцию выполняет и теплоизоляция из минерального волокна.

Вакуумные трубчатые

Солнечные коллекторы этого типа состоят из стеклянных трубок, внутри каждой из которых располагается устройство, поглощающее солнечный свет. Вакуум – идеальный теплоизолятор, и потому теплопотери таких коллекторов значительно меньше. Существует два вида вакуумных коллекторов, различающихся по способу нагрева – с косвенной теплопередачей и прямоточные. Первый вид устройств предназначен для всесезонного использования, а второй – для теплого времени года, с апреля до сентября.

Концентрационные

Весной, летом и осенью дневной угловой ход солнечных лучей больше 120 градусов – угла, в котором эффективно работают неподвижные солнечные коллекторы. Повышение эксплуатационных температур до 120-250 o C возможно путем введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Они концентрируют солнечные лучи, и в результате их на панель попадает больше. Для получения более высоких температур требуются устройства слежения за солнцем. Это достаточно дорогостоящее решение и применяется оно в основном в промышленных целях.

Солнечные воздушные коллекторы используются для нагрева воздуха. Это простые плоские коллекторы, применимые для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Недостаток последнего варианта в том, что часть энергии тратится на работу вентиляторов.

Расчет мощности солнечного коллектора

Солнечные коллекторы для дома могут обладать весьма высокой производительностью. Чтобы точно рассчитать мощность коллектора, нужно знать его площадь поглощения, величину инсоляции для вашего региона и КПД коллектора.

Допустим, используется коллектор площадью примерно 1 кв. м, состоящий из 7 трубок, каждая из которых имеет площадь поглощения 0,15 кв. м. Получаемая мощность в расчете на один день вычисляется следующим образом: 0,15 (площадь поглощения 1 трубки) × 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) × 0,67 (КПД солнечного коллектора) =117,95 кВт•час/кв. м. В среднем за сутки одна вакуумная трубка теплового коллектора вырабатывает 0,325 кВт•час. В наиболее солнечные летние месяцы она будет производить 0,545 кВт•час.

Использование солнечных коллекторов в России и мире

Солнечные коллекторы широко распространены во всем мире, хотя для нашей страны они все еще остаются новинкой. Настоящий бум солнечных коллекторов пришелся на 1970-е, во времена нефтяного кризиса. Тогда их начали применять во многих странах, от США до Японии. В Израиле в наши дни более 85% населения используют солнечные коллекторы. Сейчас общая мощность солнечных коллекторов мира превышает 200 гигаватт тепловой энергии и продолжает неуклонно расти. Использование данной технологии в Германии, например, оценивается в 140 кв. м/1000 чел., в Австрии – 450 кв. м/1000 чел., на Кипре – около 800 кв. м/1000 чел. В России этот показатель пока очень мал – лишь 0,2 кв. м/1000 чел.

Читайте так же:  Образец заявления загранпаспорта для женщин

Многие могут усомниться – разумно ли использование таких устройств в России, где климат далеко не такой теплый и солнечных дней значительно меньше, чем в южных широтах? Расчеты, проведенные в РАН, доказывают, что даже наша суровая погода – не препятствие для эффективной эксплуатации коллекторов. В средней полосе России мощность солнечного потока составляет от 100 до 250 Вт на 1 кв. м площади. Максимальное значение равняется 1000 Вт (при ясном небе в полдень). Следовательно, при установке солнечного коллектора площадью 2 кв. м вода в баке емкостью 100 л будет ежедневно прогреваться до температуры от 37 o С и более (этот показатель может доходить до 55 o С). А в теплые месяцы коллектор будет еще эффективнее.

Солнечные коллекторы применяются для отопления, нагрева воды, подогрева бассейнов, обеспечения энергией теплиц. Они легко интегрируются в любую сеть водо- и теплоснабжения и просто монтируются. С помощью солнечных коллекторов можно сократить расходы на оплату энергоносителей, а в летние месяцы получать и вовсе бесплатную горячую воду. К известным и надежным производителям солнечных коллекторов относятся такие компании, как FUTUS-NUKLEON (Австрия-Чехия), TiSUN (Австрия), Ferroli (Италия), но особым доверием специалистов пользуются коллекторы от немецких компаний – Wolf и Vaillant. Эти бренды не просто предлагают надежную продукцию – они постоянно совершенствуют свои системы и внедряют новые технологии.

Стоимость гелиоустановки для дома

Цена солнечного коллектора для отопления дома зависит от его типа, сложности системы и мощности, а также, не в последнюю очередь, от производителя. Относительно небольшие установки для частных домов, коттеджей и дач с номинальной мощностью около 2 кВт•ч стоят от 160 000 рублей в базовой комплектации, более мощные системы с несколькими коллекторами общей мощностью около 6 кВт•ч, предназначенные не только для нагрева воды, но и для отопления в весенне-зимний период, обойдутся в 270 000 рублей. К этому нужно прибавить стоимость монтажа и наладки.

За какой срок окупится коллектор? На это влияет режим эксплуатации. Солнечные коллекторы в отопительный период поддерживают отопление приблизительно на 25%, а горячее водоснабжение в летние месяцы на 80-90%, так что окупаемость будет напрямую зависеть от ваших обычных расходов на тепло и горячую воду. В среднем срок окупаемости коллекторов составляет от 2 до 8 лет. Все это указывает на экономическую целесообразность и перспективность использования технологии в России.

Где заказать коллектор солнечной энергии?

Солнечный коллектор очень выгоден, но лишь при условии, что вы приобрели и установили надежную модель, которая не только не сломается через десяток лет, но и на протяжении всего срока службы будет выдавать стабильную производительность. Если вы хотите купить солнечный коллектор безупречного качества, обратите внимание на производителей из Германии. Именно немецкое оборудование показывает наилучшие результаты.

Компания Vaillant Group – это интернациональное предприятие со 140-летней историей, один из европейских лидеров в производстве систем, использующих возобновляемые источники энергии. Vaillant Group располагает одним из самых больших в отопительной отрасли исследовательским отделом — в сфере исследований и новых разработок на предприятии занято 507 высококвалифицированных специалистов. Компания представлена в 60 странах мира. Она известна как надежной техникой и инновационными решениями, так и высоким уровнем сервиса.

Гелиосистемы Vaillant производятся в Германии, на заводе в г. Гельзенкирхен, на современном роботизированном оборудовании. В среднем, плоский коллектор от Vaillant аккумулирует 1.350 кВт•ч энергии в год и сокращает тем самым вредные выбросы CO2 в атмосферу на 450 кг. В линейку входит несколько моделей солнечных коллекторов для любых нужд – от обеспечения горячей водой небольшого частного дома до мощных систем, которые можно использовать в промышленных целях. Официальным представителем бренда Vaillant в России является интернет-магазин «Тепломатика.ру».

Расчёт солнечных коллекторов для Иркутска. Подробно и с выводами

Иркутск — не самый солнечный город. Когда мы начали проектировать систему нагрева ГВС для детского сада, мне было очень интересно, что же из этого получится. Проект сделали, экспертизу прошли, можно поговорить о выводах. Пока — теоретических. Опубликовано в журнале СОК №1 | 2015 Автор:Усталов Д.С., Руководитель интернет портала «Справочник проектировщика онлайн» sponline.ru

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 атмосферы Земли («солнечная постоянная») в среднем составляет 1366 Вт/м 2 . Подчеркну — именно на поверхность атмосферы, а не самой планеты Земля. До поверхности земли «долетает» максимум 1000 Вт/м 2 , 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/м 2 (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/м 2 . Соответственно, такой коллектор переведёт в тепло 800 Вт/м 2 (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/м 2 . 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/м 2 ;
  • в зимний, не менее солнечный день — до 3 кВт·ч/м 2 ;
  • суммарное среднегодовое излучение составляет от 950 до 1200 кВт·ч/м 2 (в мире от 800 в Скандинавии до 2200 кВт·ч/м 2 в пустыне Сахара).
Читайте так же:  Материнский капитал сайт правительства

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/м 2 . 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 φ — широта местности; β — 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/(м 2 ·год); ρ — 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:

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/ (м 2 ·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 м 2 ; оптический КПД — 80,4 %; коэффициент теплопотерь к составляет 1,33 Вт/(м 2 ·К 2 ); коэффициент теплопотерь к2 составляет 0,0067 Вт/(м 2 ·К 2 );

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

где ΔT — 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/м 2 . 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/м 2 . Второй комментарий — чтобы определить КПД, надо задать ΔT, 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 м 2 поглотителя коллектора. При интенсивности солнечного излучения в 800 Вт/м 2 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.

Читайте так же:  Ипотечный договор сбербанк россии

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 м 3 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.

Вот мы и добрались до самого интересного вопроса — денежного («Неважно, о чем говорятречь 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.