Солнечная энергия для горячего водоснабжения

Исторически Советские, а позже и Российские граждане были вынуждены закаляться "как сталь" отчасти в связи с хроническим отсутствием горячей воды, даже в больших городах. Тем не менее, на дворе 21 век и обеспечить себя горячим водоснабжением довольно просто, не прибегая к помощи водоканала и энергетических компаний. Солнечная энергия, которой вполне достаточно на поверхности земли, может эффективно использоваться для нагрева воды, необходимой для бытовых нужд.

Солнечные панели (батареи) или солнечные водонагреватели.

Существует два основных мнения о том, каким образом получать горячую воду в автономном здании. Первое мнение гласит о том, что для нагрева воды можно использовать солнечные батареи. Разумное зерно в таком подходе, безусловно, есть, ведь любой автономный дом уже оборудован солнечной электростанцией и ничего не мешает заложить мощность солнечного массива с учетом электрического бойлера, к тому же цена на солнечные фотоэлектрические модули снижается в последние годы. Данный метод годится, если только потребность в горячей воде не велика (50-100 литров/сутки), так как КПД солнечных батарей не велик (13-20%), к тому же существуют потери энергии при преобразовании энергии в самой солнечной электростанции. В результате, экономически получается очень не выгодно заниматься нагревом воды, используя электричество полученное от солнечных батарей.

Солнечные водонагреватели прямого нагрева.

Для нагрева большого количества воды (150 литров/сутки и более) целесообразно использовать устройства для прямого нагрева воды от солнечного излучения - солнечные водонагреватели, КПД превышает 90%. Существуют два основных типа солнечных водонагревателей для прямого нагрева воды с одноконтурной схемой:


Рис.1 Схема с естественной циркуляцией.

В плоских водонагревателях теплоизоляция жидкости от окружающей среды осуществляется за счет селективных покрытий фронтального стекла и теплоизоляционных материалов расположенных в нижней части водонагревателя. Нагрев происходит в медных трубках по которым течет вода.

В вакуумных солнечных водонагревателях нагрев происходит за счет высокоселективного покрытия на поверхности внутренней колбы, как правило, вода нагревается внутри вакуумной трубки, а технический вакуум в межстеночном пространстве служит идеальным теплоизолятором.

Устройства для прямого нагрева воды (и плоские и вакуумные) используются как правило только сезонно (с мая по сентябрь) в безнапорных водонагревателях. Вода в них выступает и теплоносителем и потребляемым продуктом. Циркуляция осуществляется естественным образом. Соответственно, ограничение по времени использования (сезонность) сокращает места применения для таких водонагревателей (дачи, сезонные гостиницы и туристические базы отдыха, придорожные кафе, АЗС, опорные пункты ГАИ, пасеки, полевые сельскохозяйственные станы, удаленные от коммуникаций строительные площадки).

Как правило, безнапорные солнечные водонагреватели обоих типов изготавливаются уже в сборе с баками-аккумуляторами, в которых нагревается вода. Кроме этого утепление бака-аккумулятора позволяет сохранять теплую воду ночью и в прохладную погоду.


Рис.2 Фото безнапорного солнечного вакуумного водонагревателя.


Рис.3 Фото безнапорного плоского солнечного водонагревателя.

Солнечные водонагреватели косвенного нагрева.

Для горячего водоснабжения в круглогодичном режиме, в погодных условиях России, необходимо использовать солнечные водонагреватели косвенного нагрева с антифризом в качестве теплоносителя. Бак-аккумулятор в таких системах располагается отдельно от водонагревательной части системы и размещается в доме. По сложившейся традиции отдельный от бака солнечный водонагревательный элемент называется солнечным коллектором (плоским или вакуумным).


Рис.4 Фото плоского солнечного коллектора.


Рис.5 Фото вакуумного солнечного коллектора.

В схеме косвенного нагрева теплоноситель-антифриз циркулирует под давлением, создаваемым циркуляционным насосом в замкнутой трубопроводной системе (принудительная циркуляция). Нагревается в коллекторе от солнечного света, затем попадает в теплообменник (спираль из медной трубки), который расположен в баке-аккумуляторе. Там, контактируя с водой через стенки трубки, отдает тепло и возвращается в коллектор. Вода в баке аккумуляторе нагревается и из бака поступает в систему ГВС. Данная схема одинаково работает и для плоских коллекторов и для вакуумных.


Рис.6 Схема с принудительной циркуляцией.

Как наиболее эффективная чаще всего применяется схема с принудительной циркуляцией. Такая схема не накладывает ограничений на размещение оборудования и позволяет снизить диаметр трубопроводов. Однако для нормальной работы системы требуется блок автоматики с двумя термодатчиками (температура в бойлере и температура в солнечном коллекторе) и расширительным бачком. Задача автоматики - управлять насосом с целью предотвращения перегрева бойлера и сброса тепла в окружающую среду.

Эффективность плоских и вакуумных коллекторов.

Плоский солнечный коллектор имеет наиболее простую конструкцию и отлично подходит для использования в жарком климате с большим количеством солнечных дней и высоким уровнем инсоляции. Он состоит из слоя абсорбера, покрытого стеклом, который преобразовывает и передает уже тепловую энергию теплоносителю (последний циркулирует в трубках - тепловом контуре).

В регионах с более холодным климатом более эффективно использование вакуумного коллектора, особенностью конструкции которого является использование для нагрева вакуумных трубок с медной тепловой трубкой «Heat Pipe» внутри. Стеклянные трубки, благодаря своей цилиндрической форме, способны улавливать солнечные лучи более длительный промежуток времени (лучше использовать солнечный день), а используемое в их конструкции селективное покрытие улавливает даже рассеянное солнечное излучение. Благодаря этому они имеют большую эффективность в работе при установке в большинстве регионов нашей огромной страны.


Рис.7 График годовой производительности плоских коллекторов (зелёный график) и вакуумных коллекторов (синий график) в течение года.

В летнее время года, когда значения солнечной инсоляции и температуры окружающей среды достигают своего пика, работа плоского солнечного коллектора дает более ощутимый результат, а если в летнее время случаются похолодания или пасмурная погода, что для средней полосы России не редкость, то тогда эффективность солнечного вакуумного коллектора существенно выше. В осеннее-зимне-весенний период, когда утечка тепла с поверхности плоского коллектора в атмосферу увеличивается, преимущество в эффективности солнечного вакуумного коллектора увеличивается. Хотя КПД вакуумных трубок с медной тепловой трубкой «Heat Pipe» внутри не превышает 76%.

Емкость бака-аккумулятора рассчитывается исходя из нормативов потребления горячей воды на душу населения. Но при расчете надо понимать, что нормативы приняты усредненные и потребление горячей воды семьи из 4-х человек, где три мужчины и женщина, будет существенно отличаться от потребления горячей воды, где три женщины и мужчина или от семьи с маленькими детьми.

Площадь солнечных коллекторов рассчитывается исходя из среднегодовой инсоляции в месте установки с учетом поправочного коэффициента зависящего от количества солнечных дней.

Отдельно необходимо отметить ориентацию солнечных коллекторов по сторонам света и по углу наклона к горизонту. Плоскость солнечного коллектора, не зависимо плоского или вакуумного, должна быть ориентирована строго на юг. Следите при установке за тем, чтобы при прохождении солнца по небосклону и летом и зимой плоскость коллектора не затенялась посторонними предметами. Угол наклона лучше устанавливать в наших широтах около 45 градусов.

Главное при подборе солнечного коллектора для дома это:

- Регион нахождения объекта. Определяет солнечное излучение, приходящееся на квадратный метр поверхности по месяцам в течение года. Соответственно располагая данными по затратам на ГВС, можно понять - сколько квадратных метров коллекторов для дома нам необходимо иметь;

- Количество постоянно проживающих. Определяет объем бака-накопителя исходя из норм потребления горячей воды на одного человека. Реально один человек в день расходует 50-100 литров горячей воды. Соответственно для семьи из трех человек можно рекомендовать бак-аккумулятор на 200-300 литров. Лучше брать с превышением требований для того, чтобы иметь резерв мощности. Обычно между объемом бака-накопителя и прилагающимися к нему в комплекте солнечными коллекторами для дома существует определенное среднее по эффективности соотношение для целей ГВС.

Подбирать оборудование исходя из потребностей "плохих" месяцев - НЕЛЬЗЯ. В противном случае Вы столкнетесь с проблемой утилизации излишней энергии в более солнечный дни.

Помним, что солнечные коллектора ни в коем случае не альтернатива сетевому газу или сетевому электричеству, а только возможность сильно сэкономить на горячем водоснабжении с их помощью.


ООО "Энерготрейд МСК" © 2018 г.