2.2 Основные компоненты гелиоустановок

Почти все системы солнечного теплоснабжения используют: солнечные коллекторы; аккумулятор тепла, емкость которого достаточна для обогрева здания в течение одного зимнего дня; дублирующий источник энергии, например, котел, работающий на обычном топливе.

Солнечный коллектор - прибор предназначенный для преобразования солнечной энергии в тепловую, с целью приготовления тёплой воды для бытовых нужд и усиления отопления. Именно в поглощающей панели гелиоколлектора под воздействием солнечного излучения (инфракрасной составляющей) происходит преобразование солнечной энергии в тепловую, в результате, панель разогревается, а прокачиваемый через ее каналы жидкий тепло- носитель отбирает полученное тепло. Схема плоского солнечного коллектора приведена на рисунке 2.12.

Рисунок 2.15 - Схема плоского солнечного коллектора

Благодаря высокому коэффициенту абсорбции (95%) солнечный коллектор может быть эффективным на широтах до 55-60⁰ до практически 9 месяцев в году.

Отбор тепла производится с помощью прокачки через его каналы жидкого теплоносителя. Коллекторы необходимо ориентировать в южном направлении. Однако возможен вариант монтажа двух групп коллекторов: одна группа на запад, другая на восток. Для достижения максимальной эффективности в летний период, угол наклона должен составлять 25-35°. Для солнечных кол лекторов которые эксплуатируются круглогодично (эффективность в летний период снижается, а в остальные увеличивается) угол наклона должен состав лять около 40-60°. Под углом 90° устанавливаются коллектора, работа которых рассчитывается в зимний период, в частности для систем отопления. Бак-теплообменник-аккумулятор. Аккумулятор – важный компонент системы солнечного теплоснабжения. Особенностью работы систем солнечного отопления является необходимость аккумулирования солнечной тепловой энергии с целью её использования в различное время суток. Это возможно сделать с помощью использования в системе бака-аккумулятора. Данная необходимость обусловлена нестабильность солнечного излучения в течении суток, в то время как горячая вода и отопление необходимы постоянно, даже в то время, когда оно вообще отсутствует. Эффективность установки значительно зависит от правильности выбора объёма бака-аккумулятора.

Аккумуляторы, как правило, работают за счет теплоемкости рабочего вещества (воды или воздуха). Они просты, надежны и относительно дешевы. Водяной аккумулятор представляет собой стальной цилиндрический резервуар со слоем теплоизоляции. В воздушных аккумуляторах применяют для засыпки резервуара гальку или другой наполнитель.

Все баки должны устанавливаться в помещениях защищенных от атмосферных воздействий.

С точки зрения использования водонагревателей в гелиосистемах можно выделить несколько типов:

-вертикальные баки косвенного нагрева, могут использоваться в системах как с естественной циркуляцией, так и с принудительной циркуляцией теплоносителя: а) с одним теплообменником, применяется в гелиосистемах, когда площадь одного теплообменника достаточна для отбора тепловой энергии устанавливаемой площади солнечных коллекторов и нет необходимости догрева от одноконтурных котлов (в качестве дублирующего источника устанавливается электрический ТЭН или догрев осуществляется с помощью двухконтурных котлов);

б) с двумя теплообменниками, применяется в гелиосистемах, для дублирования от одноконтурных котлов, а также, если есть необходимость отбора тепловой солнечной энергии на отопление, если вы монтируете котельную и планируете в будущем установить гелиоустановку, целесообразно использовать одноконтурный котёл и бак с двумя теплообменниками (на верхний подключить котёл). - горизонтальные баки косвенного нагрева, объём бака 125-200 литров, устанавливается в гелиосистемах с естественной циркуляцией теплоносителя, если нет возможности расположить бак вертикального исполнения, в других случаях рекомендуется использовать баки вертикального исполнения.

Рисунок 2.16 - Вертикальный бак-аккумулятор косвенного

нагрева с одним теплообменником

Рисунок 2.17 - Вертикальный бак-аккумулятор косвенного

нагрева с двумя теплообменником

Рисунок 2.18 - Горизонтальный бак-аккумулятор косвенного

нагрева

Трубопроводы и теплообменники для солнечных установок. Трубопроводы необходимо использовать металлические т.к. все известные нам пластиковые трубы не выдерживают возможные рабочие температуры (максимальная температура пара в контуре, даже неэффективных солнечных коллекторов может достигать 150°С, а рабочая температура теплоносителя 110°С). По этой же причине повышенные требования к трубной изоляции, которая должна выдерживать высокие температуры, а также не впитывать влагу и не давать усадку. Удовлетворяет всем требованиям теплоизоляция из вспененного каучука. Для обеспечения достаточного снижения тепловых потерь в трубопроводе, а также в целях безопасности необходимо применять теплоизоляцию толщиной не менее 19 мм. Запрещено использовать теплоизоляцию из вспененного полеэтилена, надетую непосредственно на трубу без температуроподавительного слоя. Диаметры труб подбираются индивидуально, исходя из необходимого гидравлического сопротивления системы и расхода теплоносителя. Выбираемые параметры системы и диаметры труб должны быть согласованы с параметрами насосных станций. Трубопроводы следует прокладывать по кратчайшему пути между КСЭ, аккумулятором теплоты и потребителем в сухих местах с обязательным применением теплоизоляции и обеспечением возможности удлинения.

При разности температур 100°С удлинение составляет для стекла 0,45 м/м, плексигласа 3,5, поливинилхлорида 3,8, полиэтилена 10, стали 1,2, меди 1,7, алюминия 2,4 мм/м.

Для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор используется теплообменник - это может быть змеевик внутри бака-аккумулятора, или рубашка вокруг егонаружной поверхности, или отдельный противоточный теплообменник. Коэффициент теплопередачи К составляет 300 - 400 Вт/(м²∙°С) для рубашки, 500 - 900 для гладкотрубного змеевика в неподвижной жидкости, 1000 - 2000 Вт/(м²∙°С) для противоточного теплообменника, а для воздушного теплообменника К = 12÷20 Вт/(м²∙°С). При средней разности температур теплоносителей 8°С плотность передаваемого теплового потока составляет для указанных теплообменников 2,4 - 3,2; 4 - 7,2; 8 - 16 и 0,096 - 016 кВт/м². Для не теплоизолированного трубопровода коэффициент теплопотерь составляет 10 Вт/ /(м²∙°С).

Теплообменник для передачи теплоты из аккумулятора к потребителю обычно имеет большие размеры по сравнению с теплообменником в контуре солнечного коллектора, и поэтому в большинстве случаев (кроме небольших установок) используются отдельные теплообменные аппараты противоточного типа.

При использовании воздушных коллекторов для нагрева воды требуется пластинчатый теплообменник типа воздух - вода, в этом случае обязательно применение ребер со стороны воздуха, так как теплообмен там происходит весьма неинтенсивно и коэффициент теплопередачи от воды к воздуху составляет 10 - 15 Вт/(м²∙°С).

Рисунок 2.19 - Схема гелиоустановки отопления и горячего

водоснабжения с арматурой и приборами

На рисунке 2.16 показана схема солнечной установки отопления и горячего водоснабжения с необходимой арматурой и измерительными приборами.

Для удаления воздуха в верхней точке установлен воздушник В, из нижних точек предусмотрен слив жидкости через дренажные вентили Д, на линии горячей воды установлен предохранительный клапан П, на линии возврата теплоносителя в КСЭ имеются запорные краны З (до и после насоса Н), расширительный бак (РБ) и обратный клапан (ОК), на линии подачи водопроводной воды устанавливаются регулятор давления (РД), запорный кран З, обратный (ОК) и предохранительный (П) клапаны. Включение и выключение насоса происходит автоматически по разности температур в КСЭ и аккумуляторе. На схеме также показаны система автоматического управления (САУ), отопительные приборы (ОП), измерительные приборы - манометр (М) и термометры (Т), линии холодной (ХВ) и горячей (ГВ) воды.

Контроллер является обязательным элементом гелиосистем с принудительной циркуляцией теплоносителя. Он осуществляет контроль состояния и управление процессом нагрева от солнца гелиосистемы, а также может управлять другими теплотехническими процессами в общей системе. Контроллер получает от датчиков температуры информацию и выбирает необходимый режим работы. Эффективность и безопасность гелиосистемы в значительной мере зависят от контроллера, заложенных в него алгоритмов работы, надёжности элементов. Возможности системы контроля и управления для гелиоустановок можно рассмотреть на примере контроллера USDT-3200. Данный контроллер представляет собой микропроцессорный, многофункциональный комплекс по управлению солнечной системой отопления, а также систем вентиляции и кондиционирования. Работа основана на контроле разности температур между солнечным коллектором и накопительным баком. Информация о режиме работы и контролируемые параметры в удобном виде отображается на экране дисплея.

Рисунок 2.20 - Внешний вид контроллера USDT-3200

Заводские настройки установлены для управления стандартной гелиосистемой нагрева воды и вспомогательным реле, предназначенным для поддержания температуры в накопительном баке, защиты от перегрева или подключения дополнительного источника тепла накопительному баку. Контроллер имеет четыре входа для подключения температурных датчиков PT-1000. Четвёртый датчик может использоваться как для дополнительного контроля температуры или как расходомер. Трёхклавишная панель под большим ЖК служит в качестве пользовательского интерфейса. Простые иконки предоставляют информацию о функциях режимах работы контролера и системы. Рассмотрим порядок работы контроллера. Коллекторный датчик (S1), установленный в верхней точке коллектора, следит за температурой на выходе из солнечного коллектора. Датчик в накопительном баке (S2) контролирует температуру в нижней его части. Разность температур между этими датчиками называется ∆Т. Когда ∆Т превысит температуру заданную в настройках контролера, в действие вводится насос коллекторного контура.

Рисунок 2.21 – Схема включения и работы контроллера

USDT-3200

Третий датчик используется для подключения дополнительного источника энергии (газового или электрического котла). В нормальном режиме работы вспомогательное реле А2 может пере направить избыточное тепло (при перегреве системы) в другую цистерну. Эта функция является полностью автономной и независит от работы солнечной установки, имеет собственный отдельный датчик (S3).

Циркуляционный насос солнечного контура. Он используется в системах с принудительной циркуляцией (такая система на 30% эффективнее системы с естественной циркуляцией) и предназначена для обеспечения циркуляции теплоносителя в коллекторном круге. Гидравлическое сопротивление коллекторного круга достаточно мало, что даёт возможность использовать маломощные насосы, потребляемая мощность которых ничтожно мала по сравнению с полученной тепловой энергией от солнечных коллекторов.

Мощность необходимого насоса зависит от нескольких факторов:

• количество коллекторов;

• используемый теплоноситель;

• длина и диаметр трубопровода от солнечных коллекторов до бака.

Для примера рассмотрим компактный насос Control Unit с блоком управления содержит все необходимые комплектующие для быстрой и облегченной установки.

Рисунок 2.22 - Схема подключения циркуляционного насоса

В данный комплект входят: контроллер; три датчика; трёхскоростной насос; расходомер; обратный клапан; предохранительный клапан; манометр; сливной клапан. Все это приведено на рисунке 2.19.

Применение такого насоса в комплекте с 3/4" фитингами и гибкими шлангами делает подключение достаточно лёгким и быстрым.

Итальянский клапан. Итальянский клапан преобразует любую стандартную ёмкость электрического водонагревателя в накопительную ёмкость солнечного водонагревателя, заменяя его сливной клапан.

Рисунок 2.23 - Внешний вид циркуляционного насоса

Control Unit с блоком управления

Клапан состоит из двух коаксиальных труб и балансировочного клапана. По внутренней трубе протекает тёплая вода в резервуар, в то же время по внешней трубе протекает холодная вода в солнечный контур. Холодная вода подаётся в нижнюю часть цистерны, откуда она с помощью насоса прокачивается через солнечный коллектор обратно в цистерну. Подобная схема представлена на рисунке 2.19.

а)

б)

Рисунок 2.24 - Внешний вид (а) и разрез (б) итальянского клапана

Рисунок 2.25 - Схема включения и работы итальянского клапана

Расширительный бак. В следствие того, что контур солнечных коллекторов замкнутый, для компенсации изменения объёма жидкости при изменении её температуры необходимо использовать расширительные баки с рабочим давлением 6 атм. (максимальным 10 атм.) с азотной подушкой для увеличения срока службы мембраны. С ростом давления увеличивается вероятность её повреждения и выхода из строя. Включив в систему расширительный бак, рост объёма воды компенсируется дополнительным пространством расширительного бака.

Ёмкость состоит из двух частей. Одна часть подключается непосредственно к системе. Обе части разделены между собой специальной мембраной. Во второй части бака находится воздух или азот под некоторым начальным давлением. С ростом температуры вода расширяется и мембрана перемещается. Когда вода остывает, мембрана перемещается обратно.

Рисунок 2.26 - Схема работы расширительного бака

Опорные металлоконструкции изготавливаются из коррозионно-устой чивых материалов (нержавеющая сталь или анодированный алюминий) и рассчитаны на скорость ветра 30 м/с.

Перспективным направлением считается включение солнечных коллекторов в систему теплоснабжения с традиционными источниками тепловой энергии. В этом случае появляется возможность экономии традиционного топлива, особенно, в летнее время.

Ниже (см. рис. 2.23) предлагается один из способов интеграции гелиоустановки в систему отопления, который состоит из:

- гелиоустановки;

-отопительного котла; -комбинированного накопителя, работающего от двух источников тепла( газовый котёл и гелиоустановка). Контроллер производит замер разности температур теплоносителя в коллекторе и воды в накопителе. Если эта разность температур превысит разность, заданную при настройке системы включается циркуляционный насос гелиоустановки и емкостной водонагреватель нагревается от гелиоустановки. Теплообменник гелиоустановки располагается в нижней части накопителя, что позволяет использовать даже небольшое количество тепла при низких солнечных показателях. Если температура в верхней части накопителя опускается ниже заданного порога, производится включение газового котла. Горячая вода для бытовых нужд первоначально накапливается (подготавливается) в гофрированной трубе, расположенной внутри накопителя. Поступающая холодная вода нагревается в гофрированной трубе в проточном режиме. При большом расходе воды, вода в накопителе значительно охлаждается и по сигналу от датчика подключается газовый котёл, чтобы обеспечить комфортную температуру подачи воды потребителю в любое время.

Рисунок 2. 27 - Интеграция гелиоустановки в систему отопления.

Комбинированный накопитель представляет из себя теплообменный аппарат, рассчитанный на одновременное подключение нескольких источников тепла.

Рисунок 2.28 - Разрез комбинированного накопителя