Главная / Энергосбережение / Солнечные коллекторы для нагрева воды: что это, как работает

Водонагревающие солнечные коллекторы: конструкция, принцип действия, установка

777
23 апреля 2017 г.

Солнечные коллекторы для нагрева воды – это преобразователи одного вида энергии (электромагнитного излучения солнца) в другой (тепловую энергию молекул воды) с возможностью ее сохранения и использования в течение длительного времени. Они характеризуются:

  • экологичностью;
  • высоким коэффициентом преобразования;
  • простотой конструктивных решений;
  • невысокой стоимость интеграции в существующие объекты и коммуникации.

Купив и установив солнечный коллектор (СК) для нагрева воды, можно сократить ежегодные расходы на отопление и горячее водоснабжение на 50% и больше.

Целесообразнее всего устанавливать солнечный коллектор при:

  1. отсутствии подвода к объекту магистрали с природным газом (СК является эффективным дополнением к электрическому котлу и тепловому насосу);
  2. желании сэкономить на расходе газа;
  3. необходимости круглогодичного обогрева бассейна.

При этом надо оценивать степень окупаемости солнечного коллектора. Например, при снабжении объекта природным газом она, как правило, очень низкая. В таком случае оптимально использовать СК для предварительного подогрева воды, в дальнейшем подающейся в котел.

Типы солнечных коллекторов

Солнечные коллекторы для нагрева воды

Классифицировать солнечные коллекторы для нагрева воды можно по их конструктивным и функциональным особенностям на:

  1. вакуумные с непосредственной теплопередачей (термосифонные);
  2. вакуумные с непосредственной теплопередачей и теплообменником;
  3. вакуумные с термотрубками;
  4. плоские.

В вакуумных солнечных коллекторах с непосредственной теплопередачей к накопительному баку присоединяются вакуумные трубки, в которые вода поступает из контура теплообменника. В трубках происходит ее нагрев, после чего она вновь поступает в теплообменник. Высокий КПД таких СК, называемых термосифонными, обеспечивается минимумом элементов, участвующих в теплообмене. Еще одна их особенность – низкое гидравлическое сопротивление.

Оснащение бака вакуумных солнечных коллекторов теплообменником позволяет:

  • подключать их к напорным системам водоснабжения;
  • заполнять водонагревательный контур жидкостями с низкой температурой замерзания для возможности эксплуатации при небольших отрицательных температурах;
  • избежать скопления в коллекторе солей и загрязнений.

При использовании специальных термотрубок, их размещают внутри вакуумных трубок. Для жесткой фиксации термотрубки используются алюминиевые ребра. Их форма обеспечивает максимальную площадь контактной зоны между термотрубкой и внутренней поверхностью вакуумной трубки, чем достигается увеличение теплопередачи теплоносителю через медную стенку проточного теплообменника.

Плоский солнечный аккумулятор имеет форму прямоугольной панели со стеклянной с лицевой и теплоизолированными с остальных сторон стенками. Внутри нее располагается пластинчатый поглотитель тепловой энергии из медного или алюминиевого сплава, который и выполняет функции переноса тепла. Поверхность этого поглотителя покрывается слоем материала, увеличивающего ее поглощающую способность в видимом спектре и уменьшающего мощность излучения в инфракрасном диапазоне.

Плоский солнечный аккумулятор

По принципу действия все эти солнечные коллекторы для нагрева воды можно разделить на два основных типа – одноконтурные и двухконтурные.

  • Одноконтурные СК предназначены для сезонной эксплуатации в регионах, где бывают отрицательные температуры. Круглый год ими можно пользоваться в климатических зонах без зимнего сезона. В одноконтурных коллекторах накопителем тепловой энергии и теплоносителем является одна и та же вода. К ней предъявляются предельные требования по давлению, чистоте и жесткости.
  • Двухконтурные солнечные коллекторы могут эксплуатироваться в постоянном режиме в регионах с отрицательной температурой до нескольких десятков градусов. Вода для них может быть жесткой и неочищенной.

По типу циркуляции теплоносителя солнечные коллекторы классифицируются на естественные и принудительные.

  • В системах с принудительной циркуляцией в контур с теплоносителем включается насосная установка (при этом необходимо, чтобы направления принудительной и расчетной естественной циркуляции совпадали). Это позволяет размещать теплоаккумулирующий бак в любой части здания. Преимущество систем с принудительной циркуляцией – возможность автоматизации работы с помощью контроллеров, реле, датчиков и других электротехнических средств.
  • Солнечные коллекторы, в которых теплоноситель циркулирует естественным образом, отличаются простотой, надежностью и дешевизной. В них перемещение нагретого теплоносителя вверх происходит за счет его меньшей плотности, в сравнении с холодным теплоносителем. Поэтому теплоаккумулирующий бак необходимо размещать над солнечным коллектором с естественной циркуляцией.

Принцип действия

Любой солнечный конвектор функционирует на следующих физических эффектах:

  • нагрева материи при поглощении ею электромагнитного излучения;
  • отдачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому;
  • естественной конвекции или принудительно создаваемого напора.

Принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды

В различных моделях СК эти эффекты используются по разному:

  1. поглощающим солнечный свет и нагревающимся материалом может быть непосредственно теплоноситель или другой промежуточный материал;
  2. при использовании промежуточного теплопроводящего материала обеспечивается его контакт с остывшим теплоносителем;
  3. нагретый теплоноситель по трубам замещается остывшим и перемещается в зону, где необходимо отдать теплоту, с помощью циркуляционных насосов или особого расположения теплоаккумулирующего бака относительно коллектора.

Принцип функционирования вакуумных СК с непосредственной теплопередачей заключается в естественной конвекции, обеспечивающей перемещение воды наверх. Поэтому такой СК должен размещаться ниже бака – при нагреве в трубках у воды уменьшается вес, и она перемещается в верхнюю зону бака, замещая более тяжелую остывшую воду.

В солнечном коллекторе с термотрубкой ее верхняя нагревающаяся часть передает тепло медному приемнику с теплоизоляцией. Он располагается в нижней части СК и является промежуточным элементом в цепи теплопередачи от термотрубки к отопительному контуру, что позволяет выполнить разделение этих элементов. Такое решение обеспечивает функционирование СК даже при нескольких неисправных термотрубках. К тому же, процесс их замены очень прост и не требует освобождения теплообменного контура от теплоносителя.

Термотрубка изготавливается из медной цилиндрической заготовки (отрезка трубы), которая герметично запаивается с торцов. Предварительно внутрь нее помещается небольшое количество жидкости с низкой температурой кипения. Постепенный нагрев термотрубки приводит к закипанию жидкости внутри нее, ее испарению из нижней части и конденсация в верхней части. В результате зона конденсации может нагреваться до высокой температуры и служить источником тепловой энергии. Сконденсированная жидкость стекает вниз и цикл повторяется.

При запайке торцов тепловой трубки в ее объеме создается вакуум, что обеспечивает процесс парообразования даже при температуре +30°C. Меньшая внешняя температура приводит к переключению тепловой трубки в режим сохранения накопленной тепловой энергии.

В плоском вакуумном аккумуляторе трубки, по которым протекает теплоноситель, располагаются под поглотительной пластиной и припаяны к ней. Стенки панели, в которую помещен поглотитель, обладают теплоизоляционными свойствами, чем обеспечивается высокий КПД преобразования. Плоские солнечные аккумуляторы могут функционировать в системах нагрева воды как с естественной, так и с принудительной циркуляцией.

В процессе эксплуатации солнечных коллекторов необходимо проводить их регулярное профилактическое обслуживание. Это продлевает срок их службы и исключает внезапный выход из строя. Например, у вакуумных моделей с непосредственной теплопередачей требуется периодически очищать внутреннюю поверхность трубок от минеральных и грязевых отложений, особенно при использовании жесткой воды и неочищенной воды.

Монтаж

Важно установить солнечный коллектор таким образом, чтобы прямое попадание солнечных лучей на активную поверхность обеспечивалось в период их максимальной интенсивности (в среднем с 9.00 до 15.00). Таким условиям удовлетворяет ориентация активной поверхности на юг. Угол наклона выбирается исходя из широты месторасположения СК.

Надежность монтажа должна быть рассчитана на максимально возможные в регионе ветровые нагрузки.

При монтаже солнечных коллекторов для нагрева воды необходимо учитывать их технические характеристики. Например, бак вакуумных СК с непосредственной теплопередачей не способен выдерживать давление более 0,2 атм., поэтому подключать его к магистральному водоснабжению необходимо через специальные устройства – понижающий редуктор, емкость с поплавковым затвором и др.

Вакуумные солнечные коллекторы требуют использования дополнительного оборудования и при необходимости создания на их выходе напора с силой, достаточной для работы сантехнических приборов. Таким дополнительным оборудованием может быть гидроаккумулятор, способный работать с горячей водой.

При этом необходимо обеспечить минимальное расстояние между СК и баком – его длина пропорциональна тепловым потерям и стоимости установки.

Ваша оценка данной статье:
Также советуем прочитать
Комментарии
нет комментариев
Оставить комментарий
Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Отправить комментарий

Уведомлять меня о новых комментариях к этой статье