Солнечные коллекторы для нагрева воды
Гелиосистемы | Солнечная энергия
Солнечные коллекторы для нагрева воды – это наиболее распространенный и рентабельный способ использования солнечной энергии. Всё благодаря тому, что прямое преобразование солнечной энергии в тепловую имеет наибольшую эффективность, при этом потребление горячей воды стабильно на протяжении всего календарного года.
Как определить суточное потребление горячей воды
Суточную потребность в горячей воде можно приблизительно оценить на основании данных расходов воды основными санитарными приборами за одно применение (см. рисунок ниже).
Типичные значения расхода ГВС бытовыми приборами за одно применение
Зная привычки членов семьи, легко рассчитать суточное потребление для каждого
пользователя и для всей семьи. Обычно расход горячей воды для одного человека в Европе
равен 50–70 литров горячей воды за день, при условии, что средняя температура горячей
воды составляет 45 °С.
Учитывая, что не многие потребители в Украине экономят горячую воду, то расход воды может быть выше.
Подогрев такого количества санитарной горячей воды требует существенных затрат
тепловой энергии, с учетом теплопотерь в трубах на рециркуляции, составляет не менее
3,65 кВтч/сут на одного пользователя. В месяц понадобится более 109 кВтч энергии. А для семьи из 4-х человек – 435 кВтч в месяц.
Как подбирается количество солнечных коллекторов для нагрева воды
Эффективность системы определяется двумя параметрами: процентом покрытия (замещения) необходимого тепла от солнечных коллекторов и эффективностью гелиосистемы. Для обеспечения этого баланса необходимо вести расчет по наиболее солнечному летнему месяцу года.
Среднегодовое солнечное излучение в кВтч/м² горизонтальной поверхности в год и поступление солнечной энергии на 1 м² площади коллектора, установленного под углом 45° и ориентированного в южном направлении для каждой условной зоны.
Для упрощенного расчета необходимой площади солнечных коллекторов для нагрева воды следует воспользоваться следующей формулой:
S = Q/n*ƞ, где
- Q — необходимое количество тепла в месяц, кВтч/мес.
; - N — среднее количество тепла, поступающего на 1 м2 площади солнечного коллектора в самый солнечный месяц, кВтч/мес.;
- ƞ — средний КПД гелиосистемы (как правило, в пределах 0,5–0,6).
При условии среднего расхода горячей воды 70 л в сутки, в зависимости от региона установки гелиосистемы, необходимо от 1 до 1,5 м2 полезной площади солнечных коллекторов для нагрева воды на одного человека.
Возможность использования солнечной энергии не совпадает по времени с потреблением горячей воды. Как правило, утром и вечером потребление находится на максимальном уровне, а солнечной энергии в это время недостаточно. Поэтому водонагреватель гелиоустановки выполняет функцию аккумулирования тепловой энергии, чтобы предоставлять теплую воду в то время суток, когда солнечной энергии недостаточно.
Пример расчета солнечных коллекторов для нагрева воды
Для примера рассчитаем среднегодовую производительность солнечных коллекторов для ГВС частного дома. Данные для расчета: Потребление ГВС для семьи из 3 человек — 210 л с температурой 45 °С. Линия рециркуляции 20 м, работает 8 ч/сут. Место установки — г. Киев. Коллекторы расположены под углом 45° и ориентированы строго в южном направлении. Для примера в среде моделирования принимаем солнечные коллекторы ТМ Vaillant VFK 145 имеющий 2,35 м² полезной площади. Объем бака аккумулятора 250 литров.
Пример расчета производительности солнечных коллекторов для нагрева воды
Для заданных параметров способна обеспечить в среднем 60% потребностей в горячей воде за год. В летнее время система способна обеспечить 100% горячей воды.
Для сравнения рассчитаем гелиосистему такими же параметрами, но добавив еще один солнечный коллектор.
Пример расчета с большим количеством солнечных коллекторов
При данном расчете прогнозируемый процент покрытия от гелиосистемы в среднем составит 71%. Однако ожидается высокий уровень переизбытка энергии летом, что может привести к частым стагнациям. При дальнейшем увеличении количества коллекторов процент покрытия увеличивается незначительно, а эффективность гелиосистемы падает. Это происходит из-за того, что водонагреватель и теплоноситель в солнечных коллекторах работают на более высоких температурах, следовательно, увеличиваются тепловые потери.
Зависимость процента покрытия от количества солнечных коллекторов
Таким образом, оптимальный процент покрытия для солнечных установок горячего водоснабжения рекомендуется выбирать в пределах 60–70%.
Объекты с большим потреблением ГВС
Для потребителей с большим объемом потребления горячей воды, таких как гостиницы, рестораны, школы и т.д. нормы потребления ГВС могут отличаться. В таблице ниже приведены типичные значения среднего расхода и температуры горячей воды для различных групп потребителей.
В условиях украинского климата и солнечного излучения 1 м2 солнечного коллектора может производить в среднем до 3,6 кВтч/сут в летнее время. Исходя из этого для оптимального соотношения эффективности и процента замещения следует подбирать солнечные коллекторы для нагрева воды согласно отношению 1 м² коллектора на каждые 60-80 литров воды.
Рассмотрим пример использования солнечных коллекторов для нагрева воды. Потребление ГВС для гостиницы с 10 двухместными номерами. В каждом номере находится душ.
Среднее потребление горячей воды — 100 л / (гость х день). Линия рециркуляции 60 м, работает 8 ч/сут. Место установки — г. Одесса. Коллекторы расположены под углом 45° и ориентированы строго на юг. Общий расход воды составляет в среднем 2000 л в день с температурой 45 °С .
Пример использования гелисистемы для обеспечения ГВС гостиницы
Согласно рекомендации, подбираем 12 солнечных коллекторов Vaillant VFK. Бак аккумулятор объемом 2000 л, исходя из требования не менее 50 л объема водонагревателя на каждый м² полезной площади солнечного коллектора и суточного расхода горячей воды. Такая компоновка системы способна экономить до 65% традиционных энергоресурсов в год благодаря солнечной энергии.
Пример использования гелиосистемы для обеспечения сезонного ГВС гостиницы
Если такая же по размеру гостиница будет работать только в курортный сезон, то процент покрытия может составить до 97 %. А тепло, которое вырабатывается в оставшееся время года возможно направить на частичное поддержание дежурного отопления гостиницы.
ГВСГелиосистемасолнечный коллектор
Для нагрева воды — Sauleskolektors.lv
Самый распространенный вид нагрева воды — это наиболее популярное применение солнечных коллекторов. Фактически, именно для этой цели когда-то были созданы солнечные системы. А именно для аккумулирования солнечной энергии и преобразования ее в тепловую энергию, которая используется для нагрева большего или меньшего количества воды.
Поскольку горячая вода необходима круглый год не только в домах, но и в учреждениях и на предприятиях, вполне логично и понятно желание сэкономить, используя для этой цели бесплатное, неоплачиваемое солнечное излучение.
Воду можно нагреть с помощью солнечной установки практически в любом освещенном солнцем объекте — разместив коллекторы либо на крыше и стенах здания, либо на территории, прилегающей к нему. Используя солнечные системы, можно ежегодно получать до 60-70% энергии, необходимой для нагрева воды.
Современное солнечное коллекторное оборудование позволяет использовать не только прямое солнечное излучение, но и рассеянное. Это в несколько раз увеличивает эффективность солнечных систем. Даже когда солнечные лучи не так ярко выражены — например, в пасмурные дни.
Конечно, действительно эффективны эти устройства в период с лета по осень. Традиционно для Балтийского региона — с апреля по октябрь. Однако эффективно работать системы могут даже зимой — чаще всего в феврале, когда на улице сильный мороз и из-за этого светит яркое солнце.
Однако в период с ноября по февраль, когда тепла, производимого солнцем, недостаточно даже в самых благоприятных погодных условиях, его необходимо дополнительно забирать из существующей системы теплоснабжения. Профессионально спроектированная система солнечных коллекторов автоматически переключается на другой источник энергии. Это значит, что горячая вода будет всегда. Даже когда на улице не светит солнце.
В правильно спроектированной и установленной системе коллекторы управляются цифровыми контроллерами, которые точно регулируют тепло, выделяемое солнцем, путем непрерывного измерения температуры в его различных узлах и изменения мощности накачки в зависимости от интенсивности солнечного излучения. Даже в зимние месяцы система обеспечивает достаточно энергии для нагрева воды в бойлере, который нагревается до необходимой температуры дровяным, газовым или пеллетным котлом, электронагревателем, тепловым насосом или любым другим нагревательным устройством.
Самая простая система солнечных коллекторов состоит из пяти блоков: солнечных коллекторов, солнечного котла, расширительного бака, блока управления и гидроагрегата циркуляционного насоса. Эти элементы соединены между собой изолированными трубами из нержавеющей стали или меди, по которым протекает незамерзающий теплоноситель, который по соображениям безопасности не должен быть антифризом или другой токсичной жидкостью. Поэтому для этой цели в разработанных sauleskolektors.lv системах используется полностью безопасный и здоровый теплоноситель, который также обладает антикоррозийными свойствами.
Преимущества систем водяного отопления sauleskolektors.lv:
- до 70% энергии поступает от солнечной радиации;
- ожидаемый срок службы оборудования 35 и более лет;
- по мере роста цен на топливо и электроэнергию солнечная система приведет к все большей экономии;
- комфорт и чувство безопасности, так как солнечная энергия не подвержена влиянию кризиса и колебаний цен на энергоносители.
Дополнительная информация:
Солнечные коллекторы для частных домов
Солнечные коллекторы для частных домов
Солнечные коллекторы для компаний и учреждений
Солнечные коллекторы для компаний и учреждений
Для установщиков систем солнечных коллекторов
Для установщиков систем солнечных коллекторов
Для проектировщиков систем солнечных коллекторов
Для проектировщиков систем солнечных коллекторов
- Назад
- Вперед
7 Конструкции систем солнечного водонагрева
Майкл Хэклеман | |
| Выпуск № 65 • Сентябрь/октябрь 2000 г. |
(Роб Харлан — генеральный подрядчик по солнечной энергетике с 25-летним опытом работы с солнечными водонагревательными системами в округе Мендосино, Калифорния. Сегодня Роб в основном занимается проектированием и установкой фотоэлектрических систем.)
MH: Роб, будет Вы вкратце расскажете о последних 30-летнем опыте разработки и внедрения систем солнечного водяного отопления?
Роб: Солнечные водонагревательные системы получили настоящий импульс в 1970-х, когда государственные и федеральные программы предложили налоговые льготы, чтобы помочь людям делать инвестиции. Эти системы предназначались в первую очередь для горячего водоснабжения, то есть для душа, мытья посуды, приготовления пищи и стирки белья. Они также были популярны для нагрева воды в бассейнах и джакузи. Это движение замедлилось до черепашьей скорости, когда закончились налоговые льготы.
MH: Насколько я помню, многие производители также исчезли, когда исчезли налоговые льготы. Конечно, некоторые из этих систем были плохо сконструированы, в них использовались дешевые компоненты или отсутствовала адекватная защита от замерзания, перегрева или коррозии. Я знаю, что на протяжении многих лет вы модернизировали солнечные водонагревательные системы или старые системы в домах и на предприятиях в пользу более новых конструкций. Каков ваш опыт дизайна и оборудования 30-летней давности?
Роб: Некоторые проекты действительно имели недостатки — плохо реализованы, слишком сложны или включали непроверенные идеи. Тем не менее, даже хороший дизайн требует некоторого обслуживания. Нехватка знающего обслуживающего персонала и запчастей вывела из строя некоторые системы. Солнечные коллекторы из этих систем на самом деле довольно прочные и часто возвращаются в новые установки, продаваемые «как есть» или бывшие в употреблении. Сегодняшние производители солнечных систем нагрева воды и компонентов извлекли выгоду из уроков, извлеченных давным-давно. Все возвращается к устойчивому темпу, с различными типами производимых систем. Большинство из них обеспечивают хорошую надежность, имеют гарантию и, как правило, имеют проверенную временем конструкцию.
MH: Существует несколько основных частей большинства систем солнечного нагрева воды (рис. 2): коллектор(ы), накопительный бак, теплоноситель и соединительная труба. Коллектор улавливает солнечные лучи и преобразует их в тепло, которое передается в накопительный бак с помощью жидкости, такой как вода или антифриз. Расширительный бак используется в закрытых системах для компенсации небольших изменений объема, возникающих при нагревании и расширении воды или антифриза. Если используется гликоль (нетоксичная антифризная жидкость), необходим теплообменник для передачи тепла от коллектора воде, которая будет выходить из крана. Предохранительный клапан T&P (температура и давление) — обычное предохранительное устройство, устанавливаемое в верхней части водонагревателей. Если вода становится горячее, чем должна, или в системе создается слишком большое давление, этот клапан открывается, выпуская воду до тех пор, пока температура или давление не упадут до безопасного уровня.
Робот: И в активных системах контроллер включает и выключает насос при наличии солнечного тепла. Давайте определим несколько терминов, используемых для описания этих систем: активные и пассивные, открытые и закрытые. Активная система — это система, в которой для перемещения тепла используются насосы. Пассивная система — это система, которая не содержит насосов, вместо этого полагаясь на естественную конвекцию, теплопроводность или излучение для перемещения тепла. Открытая система означает, что через коллектор циркулирует та же вода, что и в душе (рис. 3). В закрытой системе отдельная нагретая жидкость циркулирует из коллектора по небольшому контуру, включающему теплообменник, обычно расположенный в накопительном баке (рис. 4).
MH: Я понимаю, почему некоторые люди предпочитают пассивные конструкции активным. Насосы, элементы управления, реле и клапаны с электроприводом требуют электричества. Электричество — очень специализированная и сложная форма энергии. Люди, которые живут в стране за пределами сети, знают, что такое роскошная электроэнергия. Мы знаем, что это роскошь, потому что это дорого. И очень дорого, чтобы сделать его много. Это шок для людей, которые прожили большую часть своей жизни с электроэнергией, чтобы выйти за пределы сети. Пассивное солнечное отопление для приготовления горячей воды или обогрева дома требует мало электричества или вообще не требует электричества. Меньше деталей, меньше поломок, меньше укусов из кошелька. С пассивным все дело в дизайне. Считался экспериментальным в 19В 70-х годах пассивное солнечное отопление зарекомендовало себя во всем мире в широком диапазоне климатических условий. Говоря о климате, почему кто-то предпочитает закрытую систему открытой?
Роб: Защита от замерзания. Если вода в коллекторе замерзнет, то лопнет трубка или коллектор. Он грязный, он сливает горячую воду, и его нужно починить. Вам не обязательно жить в месте с сильными морозами. Вода в коллекторе, открытом ясному небу, может фактически замерзнуть, когда температура окружающего воздуха достигает 40 градусов по Фаренгейту. Это состояние называется излучением ночного неба.
MH: Между прочим, есть две причины, по которым замерзшая вода разрывает свой пластиковый, металлический, стеклянный или каменный контейнер. На самом деле, это просто свойства воды. Во-первых, вода практически несжимаема. Во-вторых, вода слегка расширяется при переходе из жидкого состояния в твердое. Вода, неподвижная внутри небольшой трубки или трубки и подвергшаяся замерзанию, начнет расширяться, превращаясь в лед. Не в силах сжать себя, он увеличивает объем, ломая все, что его содержит.
Роб: Верно. На самом деле именно различные стратегии, используемые для борьбы с потенциальным зависанием, определяют основные типы систем и их относительную сложность. Я разделил существующие системы на семь типов: встроенный коллектор/накопитель, термосифон, трехсезонный, обратный слив, слив вниз, рециркуляция и активный замкнутый контур.
MH: Опишите их сначала в общих чертах, а затем оцените их достоинства и недостатки на основании собственного опыта?
Роб: Буду рад. Прежде всего, я должен сказать, что мой опыт работы с горячей водой, полученной с помощью солнечной энергии, ограничен моей зоной обслуживания (прибрежная северная Калифорния), климат которой довольно благоприятен, и иногда случаются небольшие заморозки. Я прошу ваших читателей помнить об этом, когда я говорю о различных системах.
1. Встроенный коллектор/аккумулятор является самым простым и исторически старейшим типом солнечной системы нагрева воды. Покрасьте аквариум в черный цвет, поместите его в большой ящик, изолируйте со всех сторон, кроме той, что закрыта стеклом или пластиком, и направьте на солнце. Вода в баке нагревается непосредственно солнцем и хранится в том же блоке. В торговле это также известно как система типа хлебницы. Примером промышленного устройства такого типа является Servamatic™. Произведено в 1970-х годов, многие из них работают и по сей день. Тот же принцип можно увидеть в сегодняшнем устройстве ProgressiveTube™ (рис. 5). Это также встроенные блоки, расположенные между колодцем и душем. Вы получаете столько горячей воды, сколько они собирают и хранят.
MH: Это популярная конструкция и в самодельных устройствах. Простой, дешевый и часто сделанный из переработанных материалов. Однажды я принял душ на ранчо, которое посещал, из воды, нагретой в длинном тонком 20-галлонном резервуаре внутри старого большого холодильника с прозрачной крышкой, направленной на юг. Я долго принимал горячий душ на холодном ночном воздухе. Хороший опыт.
Роб: Мне очень редко приходилось обслуживать интегральные коллекторно-накопительные системы, что является свидетельством их долговечности.
2. Термосифонная система – еще один метод нагрева воды с использованием солнечной энергии (рис. 6). Солнечный свет попадает на трубки и ребра внутри коллекторной коробки, по которым циркулирует вода или гликоль. Вход и выход коллектора соединены соответственно с входом и выходом накопительного бака. Если бы мы говорили об электричестве и полярности, мы бы сказали, что коллектор параллельно накопительному баку. Тем не менее, он образует петлю. Нагретая жидкость перемещается из коллектора в резервуар для хранения и обратно в коллектор посредством процесса, называемого термосифоном. Это естественная конвекция. Если вы подключите это как открытую систему, резервуар для хранения может быть вашим собственным водонагревателем.
MH: Я хотел бы уточнить некоторые вещи, которые вы сказали. Термосифон возникает, когда вода, нагретая в коллекторе, расширяется и поднимается, толкая более холодную воду в остальной части контура в течение. Более холодная вода выталкивается из нижней части бака в нижнюю часть коллектора. Как только начинается циркуляция, процесс продолжается весь день.
Так же, как солнце нагревает воду в коллекторе, ночное небо может охлаждать коллектор, вызывая обратный поток. Подумай об этом. Вода в коллекторе охлаждается ночным застоем. Холодная вода тяжелее и опускается, толкая весь контур в обратный поток, перемещая более теплую воду из резервуара в коллектор, который, в свою очередь, охлаждается. Это быстро отдаст часть этой с трудом заработанной горячей воды.
Самый простой способ избежать этого — расположить нижнюю часть резервуара над верхней частью коллектора (рис. 6). Это физический трюк, который предотвратит обратный поток. Иногда невозможно поднять резервуар над коллектором. Термосифон будет работать, даже если бак расположен на уровне или даже несколько ниже коллектора. В этом случае добавление обратного клапана предотвратит обратный поток (рис. 7). Избегайте стандартного обратного клапана напорного типа. Он слишком устойчив к термосифонному потоку. Вместо этого используйте обратный клапан гравитационного типа. Наклоните его под углом к трубопроводу для минимального давления, чтобы открыть, минимальный обратный поток, чтобы закрыть.
Сам по себе солнечный коллектор для многих остается загадкой, и я получаю много вопросов о нем. В обычной конфигурации используется короб, сетка из водопроводных труб, изоляция и стекло или пластиковое остекление (рис. 8). Коробка представляет собой большой неглубокий поддон, размеры которого различаются по ширине и длине меньше и больше, чем у стандартного листа фанеры размером 4 × 8 футов и глубиной 4–6 дюймов. В промышленных конструкциях для коробок используется нержавеющая сталь или алюминий, но в большинстве самодельных устройств используется фанера. Если они правильно склеены, привинчены и защищены от непогоды, они прочные.
Самодельные конструкции начинаются с листа фанеры размером 4×8 футов толщиной ½ или ¾ дюйма. Из него (или другого листа фанеры) вырежьте по две полоски по 4-6 дюймов с каждого размера, обеспечив материал для четырех сторон коробки. Медные коллекторные трубы большого диаметра (от 1½ до 2 дюймов) в верхней и нижней части коллектора ориентированы горизонтально и соединены вертикально вместе с меньшими вертикальными трубками (например, ½-дюймовыми трубками), расположенными на расстоянии 3-6 дюймов друг от друга. Оловянные или медные ребра или листы механически и термически соединяются с трубами различными способами. Трубки и ребра чернеют краской или с помощью электрохимических процессов. Добавляются фитинги для подключения к внешней сантехнике или другим коллекторам. Изоляция из листовой пены добавляется сзади и со всех сторон этой сборки, когда она монтируется в коробку.
Стекло, тепличное стекловолокно или другое полупрозрачное пластиковое остекление дополняет устройство. Стекло доступно в различных размерах, особенно если оно переработано. Стекловолокно, устойчивое к ультрафиолетовому излучению (ультрафиолету), доступно в местных хозяйственных магазинах в нескольких вариантах ширины. Не обременяйте себя пластиком, который кристаллизуется за один-два сезона под воздействием ультрафиолетовых лучей солнца. Сначала выберите остекление. Наилучшая экономия достигается, когда размер коробки соответствует стеклу, которое у вас уже есть или которое вы можете получить.
Роб: Я не хочу одобрять сборку собственных коллекторов, учитывая наличие бывших в употреблении коллекторов. Если вы строите свой собственный, не используйте алюминиевые поглощающие пластины. Они отрицательно реагируют с медными трубками. Кроме того, все соединения внутри коллектора лучше всего припаять серебром. Коллектор претерпевает большие перепады температуры. Это сложно для стандартных паяных соединений.
MH: Действительно, опыт сборки собственного коллектора обычно позволяет оценить, насколько недорогими на самом деле являются бывшие в употреблении коллекторы. Итак, моя рекомендация для энтузиастов, занимающихся своими руками: не беритесь за создание целой группы коллекторов, не соорудив сначала один.
Роб: Еще несколько комментариев по термосифонированию. Если вы термосифоните с водой и живете в климате с отрицательными температурами, ваш коллектор замерзнет и лопнет. Иногда в таких системах устанавливаются клапаны пассивной защиты от замерзания. Часто называемые клапанами Dole, они предназначены для открытия при заданной температуре 34°F или 45°F. Капают воду, чтобы создать поток через коллектор и, таким образом, предотвратить замерзание. По моему опыту, эти клапаны ненадежны, поэтому я не могу их рекомендовать.
MH: Я лично не пользовался клапанами Dole, но знаю, что некоторые люди в этом районе, включая Стивена Хекерота, доверяют им и используют их. Однако я также понимаю, что клапаны Dole необходимо периодически проверять и очищать. Если вы относитесь к тому типу людей, которые плохо разбираются в регулярном обслуживании, вам лучше выбрать другую систему.
Роб: Если вы живете в климатической зоне без отрицательных температур, хорошо подойдет открытая термосифонная система. Если нет, то я все же рекомендую использовать гликоль и теплообменник для термосифонного контура.
3. Трехсезонная система – еще одна тактика борьбы с заморозками. Идея состоит в том, чтобы использовать солнечную систему нагрева воды в течение трех сезонов и сливать ее в течение четвертого. Это может быть термосифонная или насосная система, и предполагается, что владелец будет использовать другой источник энергии для нагрева воды.
4. Дренаж-обратка – еще один тип солнечной системы нагрева воды (рис. 1). Это сливает воду из панелей в резервуар, когда нет солнечного тепла. Таким образом, в панелях нет воды, и они не могут замерзнуть. Для сбора этой воды используется бак без давления, а насос пополняет панели, когда обнаруживается тепло солнца.
5. Дренажная система представляет собой разновидность системы солнечного водонагрева с дренажной системой. Здесь вода сливается на землю. Это довольно распространенная конструкция, особенно в старых системах. Он использует клапан Sunspool™ для заполнения панелей перед работой. Тот же клапан, когда он достигает более низкой температуры, открывается, чтобы сбросить воду, которая находится в панелях, на землю.
6. Другой тип системы солнечного нагрева воды – рециркуляционная. Этот метод защиты от замерзания активирует насос для циркуляции небольшого количества горячей воды из бака-накопителя обратно в панели при низких температурах окружающей среды.
7. Активный замкнутый контур — последний тип солнечной системы нагрева воды в моем списке (рис. 9). В этой конструкции используется любая жидкость в контуре коллектор-накопитель, которая не замерзнет при низких температурах, которые могут возникнуть в системе. Собранное в коллекторе тепло передается воде в накопительном баке через теплообменник. Какие жидкости не замерзают? Я видел системы, использующие гликоль, силиконовое масло и метанол. Автомобильный антифриз может показаться хорошим кандидатом, но он ядовит. Наиболее популярным теплоносителем является полипропиленгликоль, пищевой разбавитель теста, используемый в хлебопекарной промышленности. Он стоит около 20 долларов за галлон и смешивается с водой. 10% смесь защитит коллекторы до 20-25°F. Отношение гликоля к воде увеличивается для более низких температур. Я использую смесь 50/50 в своей зоне обслуживания.
Многое можно сказать об использовании чистой воды в системе солнечного водонагрева. Вода нетоксична, широкодоступна и дешева. Кроме того, это наиболее эффективный теплоноситель, который не разлагается при использовании. Гликоль также не токсичен, но со временем разрушается. Под воздействием высоких температур он становится кислым и со временем начнет разъедать вашу сантехнику. Таким образом, гликоль необходимо периодически проверять. Я использую лакмусовую бумагу, чтобы проверить его рН. Освежить систему новой смесью гликоль-вода довольно просто.
Между прочим, есть некоторые типы систем, которые не вписываются ни в одну из этих семи категорий.
Одним из примеров является популярный Copper-Cricket™. В этой системе использовалась 20-процентная смесь метанола под вакуумом, чтобы фактически «перекачивать» нагретую жидкость в резервуар для хранения без насоса. Он работает по тому же принципу, что и в кофеварке для передачи тепла. Другим примером является семейство солнечных тепловых коллекторов Sun™. В них используются колонны вакуумных трубок для сбора и передачи тепла.
Есть и более простые вещи. Некоторые люди просто накручивают пластиковую трубу на землю, чтобы предварительно нагреть воду, которая поступает в их стандартный водонагреватель. Это работает, но если внезапный заморозок не разрушит его, то долгосрочное воздействие на пластиковую трубу солнечного света сработает.
MH: Более мягкая и гибкая черная пластиковая трубка, о которой вы говорите, обозначается как PE или полиэтиленовая трубка. Ультрафиолетовое солнечное излучение разрушает любой пластик, разрушая связи полимеров и делая пластик хрупким. Черная трубка, продаваемая в рулонах, не предназначена для работы под прямыми солнечными лучами и не выдерживает повышенных температур. Горячая вода, особенно мягкая, также вымывает стабилизаторы и цемент для швов из НКТ. Это отлично подходит для душа, но вы не хотите пить эту воду или готовить с ней.
Роб: Если я и заметил одну вещь, так это то, что большинство людей, создающих свою собственную систему, пытаются заново изобрести колесо, и их проекты иногда отражают непонимание основных принципов. Имея хорошие планы, большинство людей могли бы построить хорошую систему. Тем не менее, многие люди не хотят делать это сами.
MH: Я предпочитаю делать свою собственную систему, но я должен признать, что часто переоценивал свою способность быть там, когда система действительно нуждалась во мне. Роб, не могли бы вы вернуться к списку систем и рассказать нам о преимуществах и недостатках каждого типа?
Роб: Встроенная система сбора/накопления имеет преимущества низкой стоимости, простоты и отсутствия насосов или элементов управления. Даже самодельные варианты долговечны. Резервуар имеет достаточную тепловую массу, чтобы избежать замерзания, за исключением областей с сильным замерзанием. Недостатки? Эта конструкция относительно неэффективна, и вода часто не достигает очень высокой температуры, потому что отношение стекла к массе невелико в системе типа хлебницы. Потери тепла из коллектора в ночное время велики, поэтому определенно есть время оптимального использования произведенной горячей воды, обычно после обеда и вечером. Комбинация коллектор/бак тоже тяжелая. Заполненный, он может достигать 650 фунтов и облагаться налогом на неармированную крышу.
Более новые коллекторы ProgressiveTube™ этого типа (рис. 5) просты и используют 4-дюймовые медные трубки и ребра со специальными «избирательными» поверхностями. Они извлекают больше солнечной энергии, чем почерневшие поверхности, и сопротивляются повторному излучению этой энергии ночью. Я рекомендую системы ProgressiveTube™ для моей климатической зоны.
Преимущества термосифонной системы заключаются в простоте и высокой эффективности. Он не требует электричества и поэтому не зависит от отключения электроэнергии. Одним из недостатков термосифонного потока является то, что сантехника должна соответствовать строгим правилам: трубы большего диаметра, пологие повороты, отсутствие впадин и ограничительных клапанов, чтобы обеспечить плавный и неограниченный поток. Воздушный карман в высоком месте или большой пузырь где-то в системе остановит поток термосифона.
MH: Хочу добавить к вашим комментариям о термосифоне. Я обнаружил, что это аккуратный, естественный способ перемещения тепла от коллектора к хранению или использованию. Перекачка воды в сельской местности может съесть большую часть чьего-либо энергетического пирога. Любой процесс, который будет перекачивать воду и содержащееся в ней тепло по трубе без внешней энергии, является благословением. Но термосифон не потерпит плохого планирования или небрежного монтажа. Он хочет свободного, неограниченного движения. Даже обратный клапан должен быть гравитационного, а не напорного типа, чтобы не стать ограничительным.
Испытания показали, что термосифон не запускается до тех пор, пока коллектор не достигнет критической температуры (рис.10). Поток начинается быстро, замедляясь до более постоянной скорости. Пузырь, достаточно большой, чтобы заблокировать трубку, немедленно остановит поток. Коллекторы могут нагреться до такой степени, что взорвется клапан T&P, но потока все равно не будет. Смотреть, как вода и пар поднимаются в воздух, интересно, но, увы, не очень продуктивно. Трубы с крутым уклоном обеспечат хороший поток.
Я знаю, что поточные насосы центробежного типа используются в системах теплого пола для периодической очистки термосифонных петель от пузырьков воздуха. Теоретически термосифон может проталкивать воду через насос, когда он выключен. У помпы есть другое применение. Это позволяет владельцу накачивать больше тепла в пол из хранилища ночью.
В 1970-х годах я добавил небольшой продувочный насос к одной термосифонной системе. Я хотел использовать в первую очередь термосифон, но система включала существующую сантехнику, «естественно недоступную», и поток термосифона постоянно блокировался пузырьками. Параллельно с обратным клапаном я добавил небольшой 12-вольтовый насос (рис. 11), чтобы время от времени очищать систему с более высокой скоростью потока. Я использовал объемный тип, чтобы избежать потока жидкости через насос, когда он был выключен.
Роб: Я продолжаю. Преимущество трехсезонной системы заключается в использовании существующего водонагревателя в качестве резервного, она недорогая и требует только небольшого насоса. Недостатки заключаются в том, что он подвержен замерзанию и зависит от присутствия владельца, чтобы слить его в холодную погоду. Существует общий предел размера этой системы, когда она подключена к водонагревателю определенной мощности.
Система обратного слива (рис. 1) относительно проста, универсальна и устойчива к замерзанию. Бак, используемый в этом типе системы, долговечен и требует минимального обслуживания. При отключении электроэнергии (или другом отключении электричества в системе) панели пусты и не перегреваются. Можно даже настроить систему так, чтобы термосифон отдавал тепло на ваш водонагреватель. Недостатки наиболее очевидны в автономных системах, где энергия, используемая для перекачки, относительно высока. Это связано с тем, что насос должен быть рассчитан на ежедневное заполнение коллекторов, а не просто циркуляцию воды через них. Кроме того, бак должен располагаться под панелями, чтобы воде, которая сливается обратно, было куда уходить. Это мой любимый выбор системы для холодного климата.
Дренажная система обладает высокой эффективностью и защищена от замерзания. Он использует небольшой насос с небольшим энергопотреблением. Недостатки? Много дорогих деталей, в том числе сложный контроллер, и необходимость периодического осмотра и обслуживания. Однако в любом приложении с ограниченным запасом воды ежедневный сброс воды из коллекторов на землю будет проблемой.
Преимущество системы рециркуляции заключается в использовании стандартного водонагревателя в качестве накопительного бака. И она защищена от замерзания, если система небольшая. У него есть недостаток в том, что он тратит много энергии. Если действительно холодно, резервная система отопления, скажем, электрический элемент, должна нагревать воду, которая просто излучается из коллектора со значительной скоростью.
Активная замкнутая система (рис. 9) устойчива к замерзанию и содержит качественные компоненты. Одним из недостатков является то, что он сложный, то есть имеет насосы, клапаны и различные элементы управления. Бак с теплообменником стоит дорого, но добавляет в систему много полезной, хорошо изолированной тепловой массы. При питании от сети насос не будет работать во время отключения электроэнергии.
MH: Есть смысл в идее, что если система зависит от электричества, электричество должно также генерироваться солнцем. Если есть солнце для коллекторов, то есть солнечный свет для выработки электроэнергии для питания насоса и перемещения тепла.
Во всех этих системах при перегреве коллекторов предохранительный клапан T&P обеспечивает защиту. Есть и обратная сторона с продувкой клапана T&P. Во-первых, он отдает много горячей воды, так как клапан не закроется, пока не упадут и температура, и давление. И, во-вторых, слив теплоносителя может быть дорогим, если это смесь гликоль/вода.
Я хочу поблагодарить вас, Роб, за то, что вы рассказали мне о том, что производится предохранительный клапан P-типа (только давление). Я хочу использовать один из них в своей следующей установке. Я подозреваю, что это удержит систему от сброса всей горячей воды, поскольку она должна закрываться сразу же после сброса давления. Трубы в коллекторе могут выдерживать тепло, но хуже выдерживают давление.
Роб: Думаю, моя критика преимуществ и недостатков этих систем свидетельствует о моей предвзятости. В общем, я нашел с солнечной горячей водой, чем проще, тем лучше. Простые системы, как правило, служат дольше.
MH: Смещение? Я ценю ваш отзыв и совет. Я многому научился. Будете ли вы описывать, как вы подбираете систему для приложения и сопоставляете компоненты друг с другом?
Роб: Почти каждая система горячего водоснабжения имеет резервную копию. Я проектирую для 70% использования солнечной энергии. Семья из четырех человек – это хороший стандарт. Два коллектора размером 4×8 футов обеспечат потребности в горячей воде четырех человек. Резервуар должен соответствовать размеру массива. В моем климате я обнаружил, что 1,8 галлона жидкости на квадратный фут коллектора — это хорошее соотношение. Так, для двух коллекторов по 32 квадратных фута каждый потребуется накопительный бак емкостью 115 галлонов. Я обнаружил, что для теплых полов площадь коллектора должна составлять около 10% площади пола. Таким образом, те же два коллектора размером 4 × 8 футов будут обрабатывать около 650 квадратных футов излучающего пола.
MH: Какова средняя стоимость нагрева воды с помощью электричества, пропана и природного газа для семьи из 4 человек?
Роб: Да. При использовании электричества по цене 12 центов за кВтч стоимость нагрева воды составляет около 46 долларов в месяц или 551 доллар в год. Пропан по цене 1,41 доллара за галлон стоит около 26 долларов в месяц или 307 долларов в год. Природного газа и мазута меньше, как и электричества в других частях страны. Конечно, когда солнечная система нагрева воды установлена и окупила инвестиции, энергия от нее после этого бесплатна.
MH: Не могли бы вы дать мне представление о том, сколько времени потребуется, чтобы окупить стоимость нескольких из этих систем, исходя из этих ставок?
Роб: У меня тоже есть эта информация. Во-первых, позвольте мне сказать, что эти цифры не включают стоимость обслуживания, рост стоимости коммунального электричества, потерянные проценты на инвестиции и отсутствие налога на сбережения. По моему опыту, они уравновешивают друг друга.
Новая встроенная система коллектора/накопителя, использующая конструкцию ProgressiveTube™, будет стоить около 2500 долларов за детали и рабочую силу для установки. Через 7,3 года стоимость системы будет равна стоимости электроэнергии для нагрева той же воды в течение этого времени. С пропаном это около 13 лет. Если владелец устанавливает систему, стоимость составляет около 1600 долларов. Окупаемость составляет 4,8 года при предотвращении расходов на электроэнергию и 8,7 года при использовании пропана.
Новая дренажная система стоит 3500 долларов за детали и работу. Это соответствует 8,5 годам электроэнергии и 15,2 годам использования пропана для ГВС. Система, которая будет нагревать джакузи, будет стоить около 4800 долларов. При электрическом нагреве срок окупаемости составляет 7,5 лет.
MH: По моему опыту, люди, устанавливающие свои собственные солнечные водонагревательные системы, обычно начинают с подключения одного коллектора к существующему водонагревателю. Если вы принимаете душ по утрам, каков обычный способ предотвратить использование водонагревателем электричества или пропана для повторного нагрева этой воды до того, как солнце получит шанс выполнить эту задачу?
Роб: В электрическом обогревателе это просто. Можно установить 24-часовой таймер для блокировки резервного отопления в светлое время суток. Владелец может вручную отключить таймер нажатием переключателя в плохую погоду или при необычно высоком спросе. Для нагревателя на пропане или природном газе поверните газовый клапан в пилотное положение.
MH: Существует также правильный способ подключения солнечного коллектора к стандартному водонагревателю. В современных водонагревателях вход для холодной воды и выход для горячей воды расположены в верхней части бака. Холодная вода, поступающая в бак, фактически падает через трубку внутри водонагревателя, которая заканчивается прямо над дном бака. Для термосифонного потока это не очень хорошая схема; Вы хотите, чтобы холодная вода, возвращающаяся в коллектор, выходила прямо из нижней части бака (рис. 12). К счастью, водонагреватели имеют сливной клапан. Есть способ перестроить эту сантехнику (рис. 13) так, чтобы коллектор использовал это отверстие для своей термосифонной петли, в то время как вы сохранили возможность опорожнять резервуар.
Если кто-то хочет собрать свою собственную солнечную систему нагрева воды, какой хороший источник информации и деталей, помимо библиотеки и Интернета?
Роб: Удивительно подробный обзор солнечных систем горячего водоснабжения со схемами и технической информацией можно найти в Руководстве по проектированию и установке солнечной воды и отопления бассейнов Центра солнечной энергии Флориды по телефону (407) 783-6300. Triple A Solar в Альбукерке, штат Нью-Мексико (800-245-0311), продает бывшие в употреблении солнечно-тепловые коллекторы по хорошим ценам. Проверьте местные источники бывших в употреблении панелей, чтобы избежать затрат на доставку. Six Rivers Solar (816 Broadway, Eureka, CA 95501) по телефону (707) 443-5652 продается высококачественный прямоугольный бак-аккумулятор тепла, объединяющий входы и выходы коллекторов, вспомогательных источников отопления, ГВС, теплых полов и джакузи (рис. 1).
Роб Харлан, Mendocino Solar Services, 42451 Road 409, Mendocino, CA 95460
Michael Hackleman, PO Box 327, Willits, CA 95490. E-mail: [email protected]
Солнечное водонагревание | Союз обеспокоенных ученых
Сегодня большинство американских домов и предприятий используют природный газ, электричество или нефть для обеспечения себя горячей водой. Количество энергии, необходимое для удовлетворения наших потребностей в горячей воде, не является незначительным. По данным Министерства энергетики США (DOE), на нагрев воды сегодня приходится до 14 процентов энергопотребления среднего домохозяйства и почти четыре процента от общего потребления энергии в США. Поскольку цены на электроэнергию и природный газ продолжают расти, затраты на постоянную подачу горячей воды могут возрасти.
Технологии солнечного нагрева воды (SWH) представляют собой простой, надежный и экономичный метод использования солнечной энергии для удовлетворения энергетических потребностей домов и предприятий. Проще говоря, системы SWH собирают энергию солнца для нагрева воздуха или жидкости. Затем воздух или жидкость прямо или косвенно передают солнечное тепло вашему водоснабжению.
Несмотря на то, что эти системы использовались веками, современные технологии позволяют эффективно и недорого эксплуатировать технологии SWH в любом климате. Системы специально разработаны для различных климатических и географических зон страны. В регионах с температурами ниже точки замерзания требуется использование непрямой системы или системы с обратным сливом, в то время как в более теплом и солнечном климате может использоваться прямая система, которая напрямую нагревает воду для использования.
Системы SWH также предоставляют важную возможность снизить растущий спрос нашей страны на энергию из ископаемого топлива. Установив систему SWH, типичное домашнее хозяйство может удовлетворить от 50 до 80 процентов своих потребностей в горячей воде. В теплом и солнечном климате, таком как Гавайи, блок SWH может обеспечить 100 процентов потребностей домохозяйства в горячей воде. Сокращение спроса на ископаемое топливо улучшит состояние окружающей среды за счет уменьшения загрязнения воздуха и воды, а также выбросов удерживающих тепло газов, вызывающих глобальное потепление. И хотя их установка стоит немного дороже, система SWH сэкономит деньги потребителей в долгосрочной перспективе, поскольку источник топлива (солнечная энергия) всегда будет бесплатным.
В настоящее время в Соединенных Штатах установлено более 300 000 единиц SWH (исключая бассейны). В то время как количество установок продолжает расти на тысячи каждый год, все еще существует огромный неиспользованный рынок с большим потенциалом для сокращения значительной части энергопотребления нашей страны.
Основы солнечного нагрева воды
Термосифонный солнечный водонагреватель не требует ни насоса, ни контроллера. Холодная вода из городского водопровода поступает прямо в бак на крыше. Вода, нагретая солнечными батареями, течет из резервуара на крыше во вспомогательный резервуар, установленный на уровне земли, всякий раз, когда вода используется в доме.
Центр солнечной энергии Флориды
Основы солнечного нагрева воды
Наиболее популярным типом солнечного коллектора для нагрева воды является плоская конструкция (другие типы включают вакуумно-трубный, концентрирующий и встроенный коллектор-аккумулятор). Плоский коллектор представляет собой изолированный защищенный от атмосферных воздействий корпус с поглотительной пластиной, расходомерными трубками и прозрачной крышкой. Прозрачная крышка пропускает солнечную энергию и поглощает ее поглотителем и расходомерными трубками. Выработанное тепло затем передается жидкости, циркулирующей по расходомерным трубкам.
После того, как солнечная энергия собрана, она обычно используется в системе непрямого SWH с насосом. Лучше всего подходящая для более холодного климата система косвенного нагрева перекачивает теплоносители (обычно это нетоксичная смесь пропиленгликоля и антифриза с водой) через коллекторы, а затем переносит нагретую жидкость из коллекторов в резервуар для хранения. Теплообменники передают тепло от жидкости бытовой воде, хранящейся в резервуарах. Вода, хранящаяся в резервуаре, затем нагревается, когда жидкость проходит через теплообменник, расположенный внутри резервуара для хранения. Незамерзающая жидкость используется для предотвращения замерзания трубопроводов коллектора и обеспечения максимальной передачи тепла от солнечного коллектора к баку-аккумулятору. Многие конструкции непрямых систем также включают внешний теплообменник.
Система обратного слива — еще одна распространенная система холодного климата. В этой системе вода из коллекторов и открытых трубопроводов сливается в изолированный обратный резервуар каждый раз, когда отключается насос. Удаление всей воды из коллекторов и трубопроводов, когда система не собирает тепло, обеспечивает безотказный метод, гарантирующий, что коллекторы и трубопровод контура коллектора никогда не замерзнут.
В более теплом климате чаще используются прямые системы. Прямая система обеспечивает циркуляцию питьевой воды непосредственно через солнечный коллектор в накопительный бак. Другими словами, вода, которая используется в доме, — это та же самая вода, которая циркулирует через солнечный коллектор. Эти системы включают в себя различные стратегии управления работой циркуляционного насоса, которые могут включать фотоэлектрические или дифференциальные контроллеры.
Пассивные прямые системы также используются в более теплом климате. Уникальной характеристикой этих систем является то, что в них не используются насосы или другие электрические компоненты, что обеспечивает простую и надежную систему. Наиболее распространенными пассивными системами являются термосифонные (см. схему ниже) и интегральные коллекторные системы хранения. Непрямые термосифонные системы также могут использоваться в более холодном климате.
Солнечные водонагревательные системы обычно стоят от 2000 до 5000 долларов США, в зависимости от типа и размера системы. Правительства некоторых штатов и местные коммунальные службы могут предлагать скидки или другие финансовые стимулы для снижения затрат (см. ниже). При регулярном осмотре система будет работать от 20 до 30 лет с минимальным обслуживанием и затратами.
Солнечное нагревание воды для бассейнов
Солнечное нагревание воды для бассейнов
Чтобы поддерживать температуру плавательных бассейнов в разное время года, домовладельцы и предприятия могут захотеть инвестировать в солнечные системы нагрева воды. Для обогрева бассейнов доступны обычные газовые и электрические нагреватели, но они могут быть дорогостоящими и неэффективными. Для сравнения, системы SWH для плавательных бассейнов конкурентоспособны по стоимости, прежде всего потому, что источник топлива бесплатный, а эксплуатационные расходы низкие. Типичная солнечная система обогрева бассейна может стоить от 2000 до 4000 долларов, в зависимости от переменных факторов, таких как простота установки, государственные нормы и требования безопасности, а также доступ к финансированию. Инвестиции, однако, стоят затраченных усилий, поскольку система SWH для бассейна может окупиться всего за 2–4 года, если учесть экономию на счетах за электроэнергию. Солнечные системы обогрева бассейнов также очень надежны и, как правило, не требуют обслуживания.
Солнечные нагревательные системы доступны как для подземных, так и для надземных бассейнов. Они эффективны, потому что для плавательных бассейнов требуется низкотемпературный источник тепла, который может легко обеспечить относительно небольшой солнечный коллектор. Большинство систем SWH для бассейнов включают в себя солнечный коллектор, фильтр, насос и регулирующий клапан. Вода в бассейне сначала прокачивается через фильтр. Затем она проходит через солнечный коллектор, где нагревается перед возвращением в бассейн. Некоторые системы предлагают ручные автоматические сенсорные клапаны, которые могут направлять воду через коллектор, когда температура коллектора выше температуры бассейна, или обходить коллектор, когда его температура аналогична температуре воды в бассейне. В особенно жарком климате прохождение воды из бассейна через солнечные коллекторы в вечерние часы может служить механизмом охлаждения.
Коммунальная и политическая поддержка систем солнечного водонагрева
Коммунальная и политическая поддержка систем солнечного водонагрева
Некоторые электроэнергетические компании признали компенсационную способность SWH и разработали программы для увеличения спроса на их установку. Например, с 1996 по 2004 год компания Hawaiian Electric Company (HECO) установила более 25 000 систем SWH среди своих клиентов. Эти системы снизили потребность коммунального предприятия в общей сложности на 12,7 мегаватт — достаточно электроэнергии для питания примерно 18 000 типичных домов в США.
Однако потенциал использования SWH не ограничивается умеренным климатом, таким как Гавайи. В штате Орегон системы SWH имеют право на получение налоговых льгот, а местные коммунальные службы предоставляют беспроцентные ссуды на установку. Чтобы узнать, какие программы и стимулы доступны в вашем регионе, проверьте базу данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии Центра солнечной энергии Северной Каролины.
SWH также играет роль в программах «зеленой» энергетики. Например, у Lakeland Electric, муниципальной коммунальной службы во Флориде, есть уникальная договоренность со своими клиентами. Утилита устанавливает и владеет около 60 бытовыми системами SWH в сообществе. Коммунальное предприятие измеряет мощность SWH и выставляет клиентам счета за нагретую солнцем воду. Коммунальное предприятие сохраняет за собой право собственности на «зеленые» атрибуты (называемые сертификатами возобновляемой энергии или REC), связанные с солнечным оборудованием. В октябре 2004 г.