Современные солнечные водонагреватели

 

На данный момент только в одной Германии расположено и эксплуатируется около двух миллионов солнечных водогрейных систем, возраст которых превышает 25 лет.

 

Домашние солнечные системы горячего водоснабжения и резервного центрального отопления (рис. 10) позволяют в год экономить более 35% коммунальных расходов. Будет интересным узнать, что каждый год, количество энергии, приносимой на поверхность земли в Центральной Европе с солнечной радиацией, достигает 1000 кВт*ч на каждый квадратный метр. Это соответствует 100 литрам жидких нефтяных топлив. Таким образом, использование современных солнечных коллекторов позволяет использовать эту энергию для производства тепла с очень высоким коэффициентом преобразования. Солнечные теплогенерирующие системы являются идеальным дополнением для любой системы отопления и позволяют существенно снизить энергозатраты. Тепло может использоваться как для нужд горячего водоснабжения (характерно для холодного климата), так и для частичного ассистирования традиционной системе отопления (характерно для климата большинства стран Западной Европы).

 

Солнечные теплогенерирующие системы используемые для нужд горячего водоснабжения


Рис. 10 Солнечные теплогенерирующие системы используемые для нужд горячего водоснабжения (вверху), а также отопления (внизу).

 

В Западной Европе существует тезис, что при проектировании новых систем отопления необходимо в них закладывать систему солнечной теплогенерации. Это позволяет самостоятельно покрывать незкие энергозатраты (в демисезонный период), а также значительно снизить плату за ежемесячное энергопотребление. Более того, установка солнечных тепловых коллектроров на крыше здания свидетельствует о том, что его владелец заботится о защите от климатических изменений, вызванных глобальным потеплением вследствие увеличения содержания парниковых газов (в том числе углекислого газа) в атмосфере за счет сжигания ископаемых топлив. Для удовлетворения потребности следовать экологической тенденции у растущего количества жителей планеты, которых беспокоит будущее жизни на Земле, множество мировых high-tech разработчиков и производителей по всему миру разрабатывает и внедряет современные материалы и технологии в области солнечного теплогенерирования.

 

Инженерами ведущих фирм разработаны интеллектуальные системы энергетического менеджмента, позволяющие эффективно вписывать солнечные теплогенерирующие системы в существующие или проектируемые системы отопления с различными резервными источниками тепла (рис. 11). Более того, использование специальных высокоселективных покрытий, позволяющих улавливать и преобразовывать в тепло энергию солнечного света, за последнее время эффективность солнечных водогрейных систем значительно увеличена. Разработано множество принципиальных схем и устройств менеджмента, позволяющих использовать такие системы максимально эффективно и решать практически любые технические задачи во многих условиях, которые может поставить заказчик.

 

Разработаны сложные системы накопления энергии — баки аккумуляторы, с продвинутыми системами автоматической запорной арматуры, позволяющие использовать накопленное тепло максимально эффективно, а также объединять источники периодического действия (солнечные панели, твердотопливные котлы) в непрерывно функционирующую систему (рис. 11).

 

Современная система отопления объединяющая солнечную  и дровяную теплогенерирующую системы

 

бак теплоаккумулятор

рис. 11 Современная система отопления объединяющая солнечную и дровяную теплогенерирующую системы (а) и бак теплоаккумулятор (б).

 

А применение современных информационных технологий и систем коммуникации позволяют пользователю «держать руку на пульсе» своей энергетической системы (рис. 12).

система коммуникации и менеджмента солнечной генерации

рис. 12. Использование современных систем коммуникации и менеджмента позволяют эффективно управлять как домашней, так и коммерческой системой солнечной теплогенерации.

 

Типы современных солнечных систем

 

Различные компоновки и технологические приемы позволяют приспособить современные солнечные водяные коллекторы к различным условиям климата и эксплуатации. Впрочем, существует две основных классификации данных систем, различные сочетания между которыми позволяют решать различные задачи:

 

1.1. Пассивные и активные системы:

  • Пассивная система солнечного водонагревателя основана на эффекте естественной циркуляции теплоносителя. При этом перемещения воды из бака-накопителя в коллектор, для нагрева и нагретой воды обратно — в вышерасположенный бак-накопитель, происходит благодаря тому, что горячая вода легче холодной. За счет разницы плотностей и происходит транспорт жидкости в системе — естественная циркуляция теплоносителя. Такие системы не требуют установки насосов или других механических устройств. Их простота обеспечивает высокую надежность, низкую материалоемкость и низкую себестоимость. Однако такие водонагреватели имеют несколько меньшую эффективность.
  • Активная система — напротив подразумевает использование насоса (насосов) и, соответственно, системы управления (и мониторинга) для циркуляции жидкости в системе. Благодаря чему несколько увеличивается эффективность, однако система усложняется, снижается ее надежность и повышается стоимость и материалоемкость.

 

1.2. Системы с открытым и закрытым контуром:

  • В системах с открытым контуром (рис. 13а) через коллектор пропускается непосредственно нагреваемая бытовая вода. Такие системы ограничены в использовании в холодном климате, поскольку существует опасность замерзания воды в коллекторе. Впрочем, во избежание замерзания воды применяют технологию слива воды (drainback), которая подразумевает слив воды из коллектора в бак накопитель при снижении температуры (заход солнца), что происходит автоматически с отключением наноса. Также в таких системах желательно использовать исключительно мягкую воду, поскольку жесткая вода вызовет отложение нерастворимых солей в трубопроводе коллектора и системы.
  • В системах с закрытым контуром (рис. 13б) через коллектор циркулирует специальный антифриз, находящийся в закрытом контуре под давлением, который передает тепло нагреваемой воде через теплообменник, находящийся в баке-аккумуляторе. В таких системах главное — не допускать смешения антифриза (часто токсичного, содержащего ингибиторы коррозии и другие добавки) с домашней, питьевой водой. Такие системы дают большие возможности для разнообразия монтажа, однако являются более сложными, дорогими и менее эффективными (присутствует лишний этап теплопередачи в теплообменнике, что приводит к дополнительным потерям) решением нежели система с открытым контуром. Существует пять самых распространенных комбинаций этих четырех типов систем: интегрированный с коллектором бак-накопитель, термосифон, система с открытым контуром, система с закрытым контуром, система со сливом воды (drainback).

Солнечные водонагреватели с открытым контуром

(а)

Солнечные водонагреватели с закрытым контуром

(б)

рис. 13. Водяные солнечные водонагреватели с открытым (а) и закрытым (б) контуром.

 

В последнее время, определённое распространение получили так называемые вакуумные солнечные коллекторы. В таких коллекторах плоская металлическая пластина, с высокоселективным покрытием, припаянная к индивидуальной тепловой трубке с теплоносителем, размещается в герметичной вакуумированной стеклянной колбе. Как известно, вакуум — худший проводник тепла, благодаря чему достигается максимальное снижение тепловых потерь коллектором в окружающую среду. Индивидуальные вакуумные трубки подсоединяются к баку аккумулятору образуя коллектор (рис. 14). Следует отметить, что данные трубки имеют меньшую эффективность (КПД, что связано с наличием дополнительного акта теплопереноса <тепловая трубка/основной теплоноситель>) нежели обычные, плоские, солнечные коллекторы (60-65% против 72-75, в стандартных «лабораторных» условиях). Другим существенным недостатком таких коллекторов является отсутствие эффекта самооттаивания на солнце, что приводит к необходимости производить их отчистку от снега вручную.

 

Преимущество данных коллекторов проявляется при недостаточном или рассеянном солнечном освещении (при отклонении условий солнечной инсоляции от стандартных) и низкой температуре окружающей среды — в пасмурные зимние дни, когда за счет повышенной теплоизолированности коллектор имеет возможность усвоить скудную солнечную энергию без потерь (при этом обычный коллектор, даже если он нагревается, сразу теряет полученное тепло в окружающую среду).

Устройство тепловой трубки солнечного водяного коллектора с вакуумными трубками.

рис. 14. Устройство тепловой трубки солнечного водяного коллектора с вакуумными трубками.

 

Необходимо отметить, что современные солнечные теплогенерирующие системы имеют настолько совершенный дизайн, что позволяют архитекторам не только успешно вписывать их в существующие архитектурные ансамбли, но и создавать на их основе настоящие арт — объекты (см. рис. 15)

 

Современная солнечная инсталляция

рис. 15. Современная солнечная инсталляция