1. Загальна частина
1.1 Огляд існуючих схем гарячого водопостачання
Розглянемо принципові конструкції поглинаючої панелі геліоколектора.
Каналами для теплоносія можуть бути найрізноманітніших конструкцій (рис.1.1).[1]:
Рисунок 1 – Конструкції поглинаючих панелей колекторів:
а) стандартний панельний опалювальний радіатор;
б) панель з двох стальних листів - гофрованого і плоского;
в) прокатно-сварна алюмінієва панель;
г) регістр з труб із прикріпленим до них листом;
д) способи з'єднання металевого листа і труби;
е) регістр з труб з металевими пластинами, що розпирають;
ж) регістр з труб із поперечними ребрами;
з) регістр з труб із подовжніми ребрами
Самі геліоколектори виконують різних геометричних форм і принципових конструкцій. Основні напрямки вдосконалення геліоколекторів:
використання більш простих конструкцій, пластмас, прокатних теплоприймальних панелей, заміна міді більш дешевим матеріалом;
вдосконалення теплоізоляційних якостей геліоколекторів, встановлення поглинаючих пластин із селективними поверхнями, використання скла з більшими світлопропускними властивостями.
Геліосистеми проектують активного та пасивного типу.
Геліосистеми активного типу як правило містять у собі:
колектор сонячної енергії;
акумулятор теплоти;
додаткове джерело енергії;
теплообмінники;
насоси чи вентилятори з електроприводом;
трубопроводи з арматурою;
пристрої автоматичного керування роботою системи.
У залежності від виду теплоносія, що циркулює в контурі колектора сонячної енергії, розрізняють рідинні і повітряні геліосистеми теплопостачання.
У рідинних геліосистемах теплоносіями найчастіше є незамерзаючі рідини (антифризи), недоліком яких у ряді випадків можна вважати підвищену корозійну активність стосовно конструкційних матеріалів і токсичність. Використання повітря як теплоносія виключає проблеми корозії, замерзання і токсичності, однак значно знижує теплову ефективність систем через низькі значення коефіцієнтів теплопровідності і теплопередачі повітря в порівнянні з водою.
Перевагою активних геліосистем є легкість інтегрування систем з будинком і традиційними системами теплопостачання, а також можливість автоматичного керування роботою системи. Недоліком цих систем є велика вартість і не завжди висока надійність устаткування.
Активні геліосистеми по своєму технічному рівні й економічних показниках можуть значно розрізнятися, наприклад та сама геліосистема у залежності від якості її окремих вузлів і проектного виконання може відрізнятися від вихідної за економічними показниками в 1...3 рази.
Найбільш широке поширення одержали активні геліосистеми для гарячого водопостачання. Принципові схеми таких геліосистем показані на рис. 1.2. [2]
Активні системи гарячого водопостачання з примусовою циркуляцією теплоносія відрізняються від пасивних геліосистем наявністю циркуляційного насоса і використанням автоматичних датчиків температури й інших контрольно-вимірювальних приладів. Бак-акумулятор, як і насоси, може бути розташований по висоті на будь-якому рівні щодо колектора сонячної енергії, що полегшує контроль за роботою устаткування, і, крім того, відпадає необхідність установки важких водяних баків-акумуляторів вище рівня сонячних колекторів на даху будинку. Двоконтурна схема нагрівання води (рис. 1.2, б) дозволяє використовувати антифриз у першому контурі й експлуатувати геліосистему гарячого водопостачання в холодні періоди.
Рисунок 1.2 – Принципові схеми активних систем сонячного гарячого водопостачання:
а – геліосистема проточного типу: 1 – колектор сонячної енергії; 2 – вентиль регулювання температури води; 3 – бак-акумулятор; 4 – додатковий електричний нагрівач; 5 – вихід гарячої води; 6 – душ;
б – геліосистема із примусовою циркуляцією води (двоконтурна); 1 – колектор сонячної енергії; 2 – датчик різниці температур; 3 – розширювальний бак; 4 – вихід гарячої води; 5 – акумуляторний бак; 6 – колекторний насос; 7 – подача води;
Для одноповерхових будинків, водопостачання яких забезпечується міською водогінною мережею, доцільно використовувати безнасосну систему гарячого водопостачання за схемою, широко застосовуваної у Японії (рис. 1.3). [2]
Перевагою цієї схеми є відсутність циркуляційних насосів, для привода яких необхідна електроенергія. Недолік системи – це скрутне розміщення вище рівня колектора сонячної енергії бака-акумулятора, маса якого звичайно дорівнює від 200 до 500 кг.
Рисунок 1.3 – Схема системи гарячого водопостачання одноповерхового житлового будинку
1 – бак-акумулятор; 2 – колектор сонячної енергії з природною циркуляцією води; 3 – трубопровід подачі води з водопроводу; 4 – трубопровід подачі нагрітої води з бака-акумулятора; 5 – газовий водопідігрівач; 6 – датчик-регулятор температури; 7 – подача води від сонячного колектора, минаючи газовий водопідігрівач; 8 – кухня; 9 – ванна.
Геліосистеми гарячого водопостачання з примусовою циркуляцією води найчастіше бувають трьох видів:
система з безпосереднім нагріванням і використанням бака-акумулятора з відкритим відбором води;
аналогічна система з закритим відбором води;
система з опосередкованим (двоконтурним) нагріванням і використанням бака-акумулятора з закритим відбором води.
Перша з цих систем (рис. 1.4) обладнана баком-акумулятором, що сполучений з навколишнім середовищем і розташований нижче рівня сонячного колектора. Вода з акумуляторного бака подається колекторним насосом 5 нагору, проходить через колектор, нагрівається сонячним випромінюванням і повертається в бак-акумулятор. Ця система відрізняється високою ефективністю, однак має і недоліки: для неї потрібні потужні насоси – колекторний і гарячої води. Крім того, для запобігання замерзання води при низьких температурах необхідно забезпечувати злив води із системи. Для зливу води у верхній точці колектора встановлюється повітряний клапан. Тому місце установки акумуляторного бака обмежується цим.
Рисунок 1.4 – Схема геліосистеми гарячого водопостачання з безпосереднім нагріванням і використанням бака-акумулятора з відкритим відбором води
1 – колектор сонячної енергії; 2 – повітряний клапан; 3 – акумуляторний бак з відкритим відбором води; 4 – подача питної води; 5 – колекторний насос; 6 – насос гарячої води; 7 – електричний підігрівник; 8 – кухня; 9 – ванна.
Рисунок 1.5 – Схема геліосистеми безпосереднього нагрівання з використанням акумуляторного бака з закритим відбором води
1 – колектор; 2 – повітряний клапан; 3 – бак-акумулятор (сполучений з підігрівником); 4 – колекторний насос; 5 – електричний нагрівач; 6 – подача питної води; 7 – кухня; 8 – ванна; 9 – злив води.
У системі безпосереднього нагрівання з використанням акумуляторного бака з закритим відбором води (рис. 1.5) бак не сполучений з атмосферою. Особливістю цієї системи є сполучення бака-акумулятора з електричним водопідігрівачем в одному агрегаті і порівняно невисока необхідна потужність колекторного насоса при відсутності спеціального насоса гарячої води. Недоліком системи є небезпека замерзання води, як і в попередній схемі на рис. 1.4. При зниженні температури зовнішнього повітря автоматично перекривається електромагнітний клапан, що йде від акумуляторного бака, і відкривається електромагнітний клапан, що зливає воду з колекторної частини.
Двоконтурна система нагрівання з закритим відбором води представлена на рис. 1.6. У даній схемі внаслідок двухконтурності передачі теплоти і зв'язаних з цим збільшенням тепловтрат ефективність перетворення сонячного випромінювання в теплоту виявляється нижче, ніж у попередніх одноконтурних системах. Основною перевагою системи є можливість роботи при низьких температурах зовнішнього повітря. У показаній на рис. 1.6 схемі додатковим джерелом теплоти для підігріву повітря є окремий електричний водопідігрівач, однак немає ніяких причин, що перешкоджають установці електричних нагрівальних елементів у баці-акумуляторі, як це показано на рис. 1.5. Звичайно прийнято вважати, що розчин антифризу в геліосистемах зберігає свою працездатність протягом 3...5 років.
Рисунок 1.6 – Схема системи опосередкованого нагрівання (двохконтурна) з використанням бака-акумулятора з закритим відбором води
1 – колектор; 2 – розширювальний бак для антифризу; 3 – акумуляторний бак із закритим відбором води; 4 – колекторний насос; 5 – подача води; 6 – електричний водонагрівач; 7 – кухня; 8 – ванна.
В даний час пропонується багато різних геліосистем гарячого водопостачання активного типу. У кожної з них є свої переваги і недоліки. Тому при виборі системи варто виходити з потреб конкретного домогосподарства з урахуванням вартості основного устаткування і надійності його роботи.