Солнечные водонагревательные установки

Солнечные водонагревательные установки.

Княжев В.В.

Лаборатория нетрадиционной энергетики

 Институт проблем морских  технологий ДВО РАН

 

 

Солнечная энергия может использоваться для горячего водоснабжения и отопления в установках различных типов и схем.  Основной  элемент солнечной водонагревательной установки – солнечный коллектор, в котором происходит нагрев воды или теплоносителя. Пример самой примитивной конструкции – это зачерненный бак для душа на дачах, в нем совмещены функции коллектора и бака-аккумулятора. Недостатки такой конструкции в том, что из-за относительно большого объема воды в  баке она медленно нагревается. А так как поверхность бака не теплоизолирована, то  много тепла теряется. Еще в древнем Китае для уменьшения таких потерь сосуды для солнечного нагрева воды накрывали колпаками из промасленной бумаги. Современный плоский солнечный коллектор представляет собой зачерненную нагреваемую солнцем поверхность, для эффективной теплопередачи она выполняется из тонкого медного или алюминиевого листа, но иногда используется более дешевый лист из стали или пластмассы. Теплоноситель для отбора тепла циркулирует по трубкам, плотно прикрепленным к листу или в узком пространстве образованном двумя соединенными и герметизированными по краям листами. Так как на единицу поверхности теплообменника приходится небольшой объем теплоносителя, то этим обеспечивается быстрый его нагрев. Коллектор помещен в теплоизолированный корпус, закрытый с лицевой стороны одним или более слоев остекления. При обеспечении хорошей теплоизоляции тыльной стороны коллектора основные потери тепла происходят через стекло. Это потери из-за теплового излучения коллектора и из-за конвекции и теплопередачи. Потери на излучение уменьшаются при использовании селективных покрытий поверхности коллектора. Такие покрытия ведут себя как черное тело в основной области солнечного спектра, т.е. практически полностью его поглощают, но очень слабо переизлучают в диапазоне инфракрасного теплового излучения. А также используются селективное покрытие остекление, такое покрытие беспрепятственно пропускает солнечный свет, но задерживает тепловое излучение. Для устранения конвективных теплопотерь в коллекторе корпус его герметизируется и из него откачивается воздух, обычно такие вакуумные коллектора выполняются в виде длинных колб – трубок загерметизированных на концах, одинарных или двойных концентрических. Такие трубки могут выдерживать давление атмосферы.

В самом простом варианте вода, нагретая в коллекторе, прямо подается потребителю. Расход воды при этом мал, но постоянный. Так как при его отключении в солнечный день вода быстро перегреется и закипит. Для аккумулирования тела и сглаживания неравномерности поступления солнечной энергии применяют теплоизолированные баки-теплоаккумуляторы. В одноконтурной схеме (рис.1) солнечной водонагревательной установки (СВНУ) нагретая вода прямо от коллектора подается в бак-аккумулятор, и из него же отбирается потребителем. При всей простоте этой схемы основной недостаток ее в том, что в зимний период возможно замерзание воды в коллекторах по ночам и в пасмурные дни, в этом случае их необходимо отключать и осушать. Или чтобы избежать этого создают отдельный контур для циркуляции теплоносителя-антифриза (рис.2). Вода в баке нагревается через теплообменник от теплоносителя. В качестве теплоносителя может использоваться Тосол, но так как этиленгликоль, из которого он изготовлен, ядовит, то для бытовых солнечных водонагревательных систем рекомендуют и широко используют теплоносители на основе пропиленгликоля. Чтобы гарантировать качество горячей воды для потребителя она нагревается в теплообменнике от горячей воды из бака-аккумулятора (рис.3.). При этом

Рисунок 1. Термосифонная одноконтурная  СВНУ.

На рисунке: 1 –солнечный коллектор, 2 – бак аккумулятор, 3 – возврат  нагретой воды в бак, 4 – подача воды на коллектор, 5 – подача горячей воды потребителям, 6 – подпитка бака-аккумулятора.

Рисунок 2. Двухконтурная  СВНУ.

На рисунке: 1 –солнечный коллектор, 2 – бак аккумулятор, 3 – возврат  нагретого теплоносителя в бак, 4 – подача теплоносителя на коллектор, 5 – подача горячей воды потребителям, 6 – подпитка бака-аккумулятора, 7 – теплообменник для теплоносителя,     8 – насос.

 

 

также можно использовать более  дешевые материалы и покрытия для бака-аккумулятора, чем в одноконтурных  и двухконтурных схемах. Циркуляция воды или теплоносителя между коллекторами и баком аккумулятором может осуществляться по термосифонному принципу. При этом необходимо, чтобы коллектора находились ниже бака-аккумулятора, тогда нагретый в коллекторе теплоноситель будет сам подниматься вверх, а его будет замещать более холодный теплоноситель из бака. Такая схема проста и надежна, не требует электроэнергии для насосов, но часто сложно разместить коллектора ниже бака-аккумулятора. А также из-за большого веса баков аккумуляторов с водой их сложно и дорого размещать на верху.  Поэтому в больших системах для циркуляции теплоносителя обычно используют насосы. Кроме того, это позволяет увеличить эффективность коллекторов благодаря увеличению отбора тепла при больших скоростях циркуляции теплоносителя.

 

Рисунок 3. Трехконтурная СВНУ.

На рисунке: 1 –солнечный коллектор, 2 – бак аккумулятор, 3 – возврат  нагретого теплоносителя в бак, 4 – подача теплоносителя на коллектор, 5 – подача горячей воды потребителям, 6 – подпитка бака-аккумулятора, 7 – теплообменник для теплоносителя, 8 – насос, 9 – теплообменник для нагрева воды.

 

 

В декабре 2006 г., в  г. Владивостоке, пущена в эксплуатацию крупнейшая (на тот момент) в Приморском крае солнечная водонагревательная установка, предназначенная для горячего водоснабжения здания ИПМТ ДВО РАН. Суммарная площадь солнечных коллекторов 105 м², емкость бака горячей воды – 6 м³ (рис. 4). В состав установки входят 35 размещенных на крыше здания вакуумных трубчатых коллекторов производства КНР. Коллектора установлены под углом 45^о к горизонту и ориентированы на юг (рис.5). Установка надежно работает с момента запуска. Кроме получения горячей воды установка позволяет практически исследовать процессы преобразования и аккумулирования солнечной энергии. Выявлены отдельные недостатки конструкции и некоторых узлов, это позволяет совершенствовать новые разработки лаборатории нетрадиционной энергетики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4. Солнечная водонагревательная установка СВНУ-105.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Вакуумные солнечные коллекторы

 

На крыше здания института установлена также солнечная фотоэлектрическая батарея в составе 4 панелей,  от которой заряжается аккумуляторная батарея. Через преобразователь от этой батареи может осуществляться электропитание насосов и системы управления установкой.

Схема СВНУ-105 представлена на рис. 6. Теплоноситель Tyfocore LS подается насосами по трубопроводу из подвального помещения на коллектора на крыше. Горячий теплоноситель возвращается вниз, где в пластинчатом теплообменнике передает тепло воде из бака.  Накопленное в баке-аккумуляторе тепло расходуется для нагрева воды в системе горячего водоснабжения (рис.7). Избыток тепла поступает в систему отопления.

 

 

 

Рисунок 6. Схема СВНУ-105 для горячего водоснабжения и отопления здания ИПМТ ДВО РАН.

На рисунке: 1 – солнечные вакуумные  коллекторы, 2 – бак аккумулятор, 3 – трубопровод подачи горячего теплоносителя от коллекторов, 4 - трубопровод подачи охлажденного теплоносителя к коллекторам,  5 – возврат нагретой воды в бак-аккумулятор, 6 – подача воды из бака аккумулятора на теплообменник,  7 – подача горячей воды из бака-аккумулятора на теплообменник горячего водоснабжения, 8 – возврат охлажденной воды в бак-аккумулятор, 9 – подача горячей воды из бака-аккумулятора на теплообменник системы отопления, 10 - – возврат охлажденной воды в бак-аккумулятор, 11 - подача нагретой воды в систему горячего водоснабжения, 12 – подача холодной воды из водопровода, 13 - возврат нагретой воды в систему отопления, 14 - подача воды из системы отопления, 15- расширительный бак,16- пластинчатые теплообменники, 17 – насосы,18 – вентиль шаровый, 19- расходомер,20- система учета тепловой энергии , 23 – фильтр, 21 – счетчик горячей воды , 22 – блок управления, 24 – датчик температуры, 25 – мембранный бак.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7. Бак-аккумулятор,  система подачи воды  и теплообменники нагрева воды для горячего водоснабжения и отопления в здании ИПМТ ДВО РАН (перед установкой теплоизоляции труб).

 

Солнечные водонагревательные целесообразно, прежде всего, использовать для горячего водоснабжения школ Приморского края не имеющих подключения к сети горячего водоснабжения. Климат Приморского края отличается тем что именно во время учебного года он числу часов солнечного сияния значительно превосходит другие регионы России. Это позволяет достаточно надежно обеспечивать школьные объекты горячей водой. Экономия средств на электроэнергию или топливо может быть значительным подспорьем бюджетов школ. Кроме того практическое участие школьников в эксплуатации и  обслуживании современных солнечных установок позволяет глубже усваивать им знания по физике, экологии и другим предметам. Лаборатория нетрадиционной энергетики имеет опыт монтажа и эксплуатации СВНУ для горячего водоснабжения Центра социальной реабилитации несовершеннолетних в г. Владивосток, которая  нами разработана, изготовлена и пущена в эксплуатацию в декабре 2003 г (рис. 8). Площадь плоских коллекторов, разработанных в лаборатории – 40 м², объем баков горячей воды  2,8 м³. Работа выполнена в рамках проекта «Повышение энергоэффективности элементов социальной инфраструктуры Владивостока» грантовой программы "США-Дальний Восток России: активное партнерство", поддерживаемой Фондом Российско-Американского Делового Сотрудничества (FRAEC). Основные технические характеристики этой установки и практические результаты приведены в таблицах 1 и 2. Эксплуатация установки позволила обеспечить горячей водой душевые и столовую центра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8. СВНУ для горячего водоснабжения Центра социальной реабилитации несовершеннолетних

 

Таблица 1

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ

Площадь тепловоспринимающей поверхности, м2          40

Количество баков горячей воды, шт.                                   2

Суммарная емкость баков горячей  воды, м3                      2,7

Емкость расширительного бака первого  контура, л          50

Максимальная тепловая мощность, кВт:

                                                          - зимой                   14

                                                          - летом                   22

Температура нагрева воды в баке горячей воды, °С до   75

Суточный расход горячей воды, м3, до                                2

Срок службы СВНУ (кроме электрокотла) лет, более      10

 

 

 

Таблица 2.

Параметры	Вне отопительный сезон
Суточный расход горячей воды,л/сут	1800
Стоимость СВНУ, руб	762000
Общие затраты с СВНУ, руб/сезон	18890
Общие затраты без СВНУ, руб/сезон	141240
Экономия, руб/сезон	122350
Окупаемость (без учета инфляции), лет	менее 6