У зв'язку з інтенсивним розвитком технологій сонячної енергетики, у Світі з'явилося безліч конструктивних рішень і варіантів геліосистем, що класифікуються за різними критеріями. На нашому сайті ми зупинимося на класифікації за принципом конструювання і докладно розглянемо рідинні системи сонячного теплопостачання з акумулюванням теплової енергії.
Класифікація по принципах конструювання
| СИСТЕМИ СОНЯЧНОГО ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ |
|
|
|
|
|
|
|
| З окремими функціональними елементами |
|
"Сонячний бак" |
|
| |
|
|
|
|
|
| відкритий |
|
теплоізольо-
ваний |
|
| |
|
|
Примусова циркуляція
теплоносія |
|
Природна циркуляція
теплоносія |
|
|
|
| Двоконтурні |
|
Одноконтурні |
|
Двоконтурні |
|
Одноконтурні |
|
| |
| |
| "Drain-Down" |
| "Drain-Back" |
| "Recirculation" |
| "Closed loop" |
|
| |
Варіанти
захисту від
замерзання |
|
|
|
У даній класифікації наданий тільки укрупнений список часто використовуваних варіантів геліосистем, які можна застосувати в кліматичних умовах України.
Ми не будемо розглядати повітряні системи, тому що це зовсім інша і дуже широка тема. Відразу відкинемо системи, де розігрів води в баці здійснюється сонячною енергією безпосередньо через його стінки («сонячний бак»), тому що в спрощеному виді ці системи не ефективні і навіть небезпечні, тим, що при температурах, до яких може розігрітися вода (до 36-40
оС), дуже інтенсивно розмножуються бактерії, що можуть викликати різноманітні хвороби, наприклад, ангіну. А більш ефективні і технологічні їх побратими (теплоізольовані і засклені) не одержали широкого поширення через ряд причин.
Будь-яку систему сонячного теплопостачання бажано конструювати з акумулятором теплової енергії, але існують системи, у яких він відсутній. В зв'язку з тим, що надходження сонячної енергії не стабільне в часі, такі системи не рекомендується розраховувати на степінь покриття від сонця більш 10%. Ці системи ми також не будемо розглядати через дуже вузьку специфіку їх застосування.
Через свою універсальність, ефективність, гнучкість і зручність, найбільше поширення отримали
рідинні системи (далі «геліосистеми») з акумулятором теплової енергії (бак з водою чи спеціальною рідиною, басейн, ґрунт), у яких є окремі елементи з чітко визначеними функціями:
- сонячний колектор – перетворення і поглинання енергії;
- акумулятор теплової енергії – поглинання і збереження енергії;
- з'єднувальний трубопровід – доставка з мінімальними втратами теплової енергії в акумулятор.
Геліосистеми можуть бути одноконтурні чи двоконтурні (може бути і більше контурів), з природної чи з примусової циркуляцією теплоносія (вода чи спеціальна незамерзаюча рідина).
Одноконтурні і двоконтурні системи
У одноконтурних системах, у сонячні колектори, надходить і нагрівається саме та вода, що витрачається з бака-акумулятора.
Переваги: - простота;
- можливість одержати найвищий ККД системи вцілому.
Недоліки:
- високі вимоги до якості води (бажано низька жорсткість і висока якість). На стінках каналів сонячного колектора інтенсивно осідають солі, канали можуть бути засмітнені брудом, що намивається, це призводить до значного погіршення ефективності чи навіть до повного виходу з ладу (якщо вчасно не прочистити канали, що буває дуже важко);
- підвищена корозія, через повітря, що розчинене у воді;
- майже повна неспроможність нормальної роботи при мінусових температурах (небезпека розриву труб);
- низький ефективний термін експлуатації (із практики – не більш 3-5 років).
В двоконтурних системах у контурі сонячних колекторів знаходиться спеціальний теплоносій (звичайно незамерзаюча нетоксична рідина з антикорозійними та антиспінюючими присадками, чи підготовлена вода), при цьому теплова енергія від теплоносія передається воді за допомогою телообмінника (спіральна труба в баці – «змійовик», зовнішній теплообмінник чи апарат «бак у баці»).
Переваги: - значне збільшення надійності роботи системи (сонячні колектори завжди в гарному стані, тому що немає випадання солей і намивання бруду);
- можливість безпечної роботи системи при мінусових температурах;
- сонячні колектори не вимагають додаткового обслуговування;
- більш тривалий гарантований ефективний термін експлуатації (10-50 років).
Недоліки:
- незначне зниження ефективності роботи системи через наявність додаткових теплових втрат у колекторах і трубопроводі, а також через необхідність застосування теплообмінника (близько 2-5%);
- якщо застосовується незамерзаючий теплоносій, то це також незначно погіршує ефективність системи через більш низьку його теплопровідність (у порівнянні з водою);
- необхідність періодичної заміни теплоносія (перевірка стану кожні 6-7 років з можливістю заміни).
Наш вибір: саме двоконтурні системи можуть довгостроково ефективно і надійно працювати на всій території України, тому що здебільшого, вода має високу жорсткість, а також, навіть на південному березі Криму (ПБК), можливі морози до -10оС. Якщо система була разморожена чи канали колекторів практично цілком забилися солями, то в більшості випадків, це приводить до необхідності повної заміни геліоколекторів, тому що на місці усунути такі несправності практично неможливо. Зниження ефективності в двоконтурних системах незначне, щоб, вибираючи одноконтурну систему, жертвувати надійністю.
Системи з природною (термосифонна) і примусовою циркуляцією теплоносія.
Принцип роботи систем з природною циркуляцією теплоносія (термосифонні системи): розігрітий теплоносій (має більш низькоу щільність) спрямовується у верхню частину колектора, в результаті чого виникає різниця гідростатичних тисків; якщо колектор підключити до бака, що знаходиться вище нього, то виникне мимовільна циркуляція теплоносія, швидкість якої залежить від конструкції колектора, інтенсивності сонячного випромінювання і швидкості охолодження в теплообміннику.
Термосифонні системи не бажано використовувати, якщо загальна площа колекторів більше 10 м
2 (згідно ВСН 52-86.Установки сонячного гарячого водопостачання).
Переваги:
- простота конструкції системи;
- автономність процесу нагрівання від сонця.
Недоліки:
- низька ефективність роботи системи (особливо в хмарні дні, аж до повної відсутності корисної роботи), тому що для того щоб почався корисний рух теплоносія, повинна бути досить велика різниця температур;
- високі теплові втрати через низьку швидкість руху теплоносія (води);
- нестабільна робота колекторів (існує ризик, що за певних умов припиниться рух теплоносія, або кілька колекторів не будуть брати участь у корисній роботі);
- можливість частого виникнення небезпечного перегріву бака, унаслідок того, що дана система не керується;
- необхідність встановлення масивного бака-акумулятора вище верхньої точки геліоколекторів (наприклад, на даху);
- при розташуванні бака-акумулятора на відкритому повітрі, виникають великі втрати тепла, бак піддається посиленої корозії, а також існує ризик замерзання бака і патрубків у зимовий період;
- небезпека виходу з ладу двоконтурної системи, за умови її відключення на зимовий період зі зливом води з бака.
Всіх наведених вище недоліків позбавлена система з примусовою циркуляцією теплоносія.
У системах з
примусовою циркуляцією у контурі колекторного кола встановлюється малопотужний циркуляційний насос, що змушує циркулювати теплоносій. Його роботою керує спеціальний контролер. Споживана потужність насоса, незрівнянно мала в порівнянні з тепловою енергією, що виробляється системою.
- – Колектор;
- – Бак-акумулятор (бак-бойлер);
- – Циркуляційний насос;
- – Контролер (блок керування);
- – Датчики температури.
Переваги:
- у результаті примусової циркуляції теплоносія, система працює на 30% ефективніше системи з природною циркуляцією;
- бак-акумулятор можна встановлювати в будь-якому зручному місці;
- можливість ефективної роботи цілий рік;
- система швидко настроюється на оптимальний режим роботи;
- легко і зручно контролюється робота системи;
- система є більш безпечною, тому що контролер відображає і блокує небезпечні режими роботи.
Недоліки:
- необхідність встановлення додаткового устаткування (насосного модуля і контролера);
- додаткове, але незначне споживання електроенергії циркуляційним насосом.
Наш вибір: геліосистеми як із природною, так і з примусовою циркуляцією теплоносія одержали широке поширення, але ключовими факторами при виборі системи є: можлива температура повітря у найхолодніший період року і кількість ясних сонячних днів. Термосифонні системи одержали поширення в країнах з теплим кліматом і великою кількістю ясних днів (Туреччина, Греція, Єгипет, Ізраїль і т.і.), і використовуються, в основному, як індивідуальні. На всій території України (у т.ч. і на ПБК) рекомендується використовувати геліосистеми з примусовою циркуляцією теплоносія, тому що досить велика кількість хмарних днів приводить до значного зниження ефективності термосифонних систем (на 30%), а низькі температури в зимовий період року, змушують впроваджувати заходи по захисту від замерзання, що буває неможливо з погляду надійності. Ті незначні додаткові витрати в системах з примусовою циркуляцією швидко окупаються своєю ефективністю і безпекою.
Висновок: якщо оцінювати всі переваги і недоліки описаних систем можна зробити висновок, що на території України бажано використовувати тільки двоконтурні системи з примусовою циркуляцією теплоносія. Також це твердження вірне з погляду економічної доцільності використання геліосистем. Так як вартість геліосистем перевищує вартість традиційних систем теплопостачання і при діючих цінах на енергоносії має термін окупності - від 3 до 8 років, вихід з ладу системи раніше 10 років експлуатації не дасть економічного ефекту і достатнього енергетичного прибутку споживачу. Отже, основні критерії при виборі геліосистем – це висока, довгострокова ефективність і надійність.
Геліосистеми можна використовувати практично для будь-яких цілей, де необхідна низькопотенційна теплова енергія. Варіанти геліосистем, що одержали найбільше поширення, представлені на малюнку нижче.
Класифікація по призначенню
| РІДИННІ ГЕЛІОСИСТЕМЫ З АКУМУЛЮВАННЯМ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ |
|
|
|
| Примусова циркуляція теплоносія |
|
Природна циркуляція
теплоносія |
|
|
|
| двоконтурні |
|
одноконтурні |
|
двоконтурні |
|
одноконтурні |
|
|
|
| Цілий рік або сезонна робота ГВП, нагрівання води в басейні, опалення |
|
Тільки сезонне ГВП, нагрівання води в басейні |
|
Сезонне ГВП (можлива робота цілий рік, якщо бак встановлений в опалювальному приміщенні) |
|
Тільки сезонне
ГВП |
|
Також можливе використання геліосистем для опріснення, технологічних потреб (винного, кондитерського й іншого виробництв), підвищення ефективності водоочищення, прогріву ґрунту і т.і.
Геліосистеми, що призначені для одночасного виконання декількох функцій (ГВП і опалення, ГВП і нагрівання води в басейні і т.д.), називаються комбінованими (багатофункціональними). Такі системи найчастіше конструюються як двоконтурні з примусовою циркуляцією теплоносія.
Використовуючи енергію сонця, геліосистеми дозволяють заощаджувати до 75% традиційного палива, яке необхідно для готування гарячої води, і до 50% необхідного для цілей опалення.