Использование солнечной энергии для обогрева и горячей воды

В последнее время каждый из нас почувствовал рост цен на энергоносители. Это обстоятельство заставляет задуматься об увеличении эффективности работы системы энергоснабжения и расширении использования возобновляемых источников энергии. Существенной экономии энергии можно добиться за счет использования такого инновационного отопительного оборудования, как солнечные коллекторы или гелиосистемы.

Солнечные коллекторы являются идеальным дополнением к любому генератору теплоты для нагрева воды в системах горячего водоснабжения и отопления. С помощью солнечной системы можно покрыть до 60 процентов годового потребления энергии на горячее водоснабжение и сэкономить до 35 процентов годовых расходов.

Согласно многолетним наблюдениям, среднегодовое солнечное излучение в Украине  от 1000кВт*ч/(м2 площади) в северной и центральной частях страны до 1350кВт*ч/(м2 площади) в южной части. Это обстоятельство также влияет на выбор солнечной системы электроснабжения.

В связи с тем, что актинометрические наблюдения ведутся не во всех областях Украины, ее территорию условно разбили на 4 зоны по значению суммарного солнечного излучения на горизонтальную поверхность.

зоны Украины по солнечному излучению

Основные компоненты солнечной (гелиосистемы) системы — солнечные коллекторы (от лат. collegere = собирать).

Источником энергии, используемой для получения теплоты, является солнечное излучение, а не традиционное топливо. Это их главное отличие требует особого подхода к проектированию, ведь солнце невозможно «включить» дополнительно, когда солнечной энергии недостаточно или «выключить», когда ее слишком много.

Исключение — солнечные системы, дополненные вторым генератором теплоты . Эти установки проектируются и эксплуатируются, как бивалентные системы.

солнечный коллектор Viessmann для отопления

На приведенном слева рисунке изображена простая бивалентная установка: отопительный котел обеспечивает необходимое количество горячей воды в любое время. Встроенная в систему солнечная установка предназначена для поступления максимально возможного количества солнечного излучения, при этом отопительный котел расходует минимум топлива.

Экономически обоснованная как для Германии, так и для Украины доля тепловой нагрузки, покрываемая за счет солнечной энергии, составляет для одно- и двух-квартирных домов 50 – 60 процентов (на горячее водоснабжение), а для многоэтажных домов – 30 – 40 процентов.

Конечно, можно сделать солнечный коллектор своими руками, но обеспечить максимальный КПД, надежную долговременную работу и простоту монтажа могут только немецкие солнечные коллекторы.

Солнечные коллекторы viessmann

Солнечные системы Viessmann – это напорные системы с незамерзающими теплоносителями. Такие системы

  • гарантируют наиболее надежную защиту от замерзания зимой;
  • не расходуют традиционные виды энергии на обогрев коллектора для защиты от замерзания;
  • обеспечивают простое присоединение трубопроводов гелиоконтура;
  • обеспечивают наиболее эффективную антикоррозионную защиту всех компонентов установки.

Основные отличительные признаки коллекторов заключены в конструкции абсорбера и изоляции коллектора от окружающей среды. Физика процесса преобразования солнечного излучения в тепловую энергию одинакова для всех коллекторов: солнечная энергия в абсорбере преобразуется в тепловую энергию.

Плоские и вакуумные трубчатые коллекторы фирмы Viessmann применяются для приготовления горячей воды, нагрева воды в плавательных бассейнах, а также для поддержки отопления помещений и производства технологического тепла. Преобразование света в тепло в поглотителе происходит у обоих типов коллекторов идентично.

Плоские солнечные коллекторы

В настоящее время в Германии на долю плоских коллекторов приходится более 90 процентов рынка. В плоских коллекторах абсорбер, как правило, защищен корпусом из высококачественной листовой стали или алюминия, а с фронтальной поверхности закрыт гелиостеклом с низким содержанием железа, которое обеспечивает долговременную защиту от неблагоприятных погодных условий. Антиотражающее покрытие стекла дополнительно уменьшает отражение. Тепловая изоляция корпуса снижает тепловые потери.

Корпус плоских коллекторов Viessmann выполнен из алюминиевой рамы без косых разрезов и острых кромок. Благодаря бесшовному, устойчивому к воздействию погодных условий и ультрафиолетового излучения уплотнению стекла и прочной задней стенке корпуса обеспечивается долгий срок эксплуатации и высокая эффективность коллектора.

Плоские коллекторы просто и надежно монтируются на плоской или скатной крыше, а также могут встраиваться в кровлю. Помимо того, коллекторы могут монтироваться на фасады зданий или устанавливаться в произвольном месте. Плоские коллекторы дешевле, чем трубчатые вакуумированные, и используются для установок горячего водоснабжения,подогрева воды в плавательных бассейнах и для покрытия части нагрузки на отопление помещений.

Плоские коллекторы имеют площадь брутто (внешние размеры) около 2 – 2,5 м2.

Посмотрите видео ролик, демонстрирующий солнечные коллекторы Viessmann:

Вакуумированные трубчатые солнечные коллекторы

Преобразование солнечного излучения в тепловую энергию в абсорбере, как в плоских, так и в трубчатых коллекторах, происходит, в принципе, идентично. Значительные отличия состоят в тепловой изоляции: в трубчатом коллекторе абсорбер, как в термосе, встроен в вакуумированную стеклянную трубку. Поэтому потери тепла в данном случае ниже, чем у плоских коллекторов, в особенности при высокой внутренней или низкой наружной температуре, то есть в условиях эксплуатации, которые ожидаются при замещении тепловой нагрузки на отопление или кондиционирование воздуха.

Условием надежности и длительной эксплуатации вакуумированных трубчатых коллекторов является долгосрочное сохранение вакуума благодаря надежной герметизации. В коллекторах Viessmann она обеспечена. Минимальные количества газа (главным образом, водорода), которые попадают внутрь вакуумированной полости, связываются тонкой пленкой бария (газопоглотителем), напыленной на внутренней стороне трубки коллектора.

Прямоточные вакуумированные солнечные коллекторы Существует два типа конструкции вакуумированных трубчатых коллекторов: прямоточные и с тепловой трубой (Heatpipe).

В прямоточных вакуумированных трубчатых коллекторах теплоноситель циркулирует непосредственно

Вакуумированные солнечные коллекторы с тепловой трубой (Heatpipe) в трубках абсорбера. Поэтому они могут монтироваться в любом положении. В трубчатых коллекторах Viessmann каждая вакуумная трубка установлена с возможностью поворота. Это позволяет оптимально направить поглотитель относительно солнца даже приневыгодном положении монтажа. Вакуумные трубчатые коллекторы Vitosol 200-T, тип SP2A и тип SPE, работающие по принципутепловых трубок, также могут монтироваться в горизонтальном положении на плоских крышах. Хотя в этом случае энергоотдача на 1 м2 площади коллектора будет немного меньше, это может быть компенсировано соответствующим увеличением площади коллекторов.

Плоские коллекторы нельзя монтировать в горизонтальном положении, поскольку в этом случае самоочистка стеклянной крышки во время дождя будет невозможна, а также затруднена подача/удаление воздуха из коллектора. Vitosol-F, тип SH и Vitosol 200-T,тип SP2A также могут крепиться на фасадах.производительность коллектора от угла наклона  При монтаже параллельно фасаду (южная ориентация) на коллектор падает в среднем за год примерно на 30 % меньше излучения, чем коллекторы на стойках с углом наклона 45°. Если эксплуатация осуществляется в основном в межсезонье или зимой (поддержка отопления помещений), то при определенных обстоятельствах коллекторы могут обеспечить более высокую энергоотдачу.

КПД коллекторовОднако при выборе коллектора важно также знать соотношение цена/производительность. Если производить выбор по графику КПД коллектора, то решение всегда будет в пользу вакуумированного трубчатого коллектора. Однако плоские коллекторы привлекательнее вакуумированных трубчатых по цене и дают хорошее соотношение цена/производительность, особенно для покрытия нагрузки на горячее водоснабжение.

Трубчатые вакуумированные коллекторы Viessmann не только эстетично выглядят на здании, они могут использоваться как конструктивные элементы здания. В то время как плоские коллекторы плохо вписываются в дизайн зданий с прозрачной или зеркальной крышей, так как имеют снизу не эстетичный вид.

Перегрев коллекторов и режим стагнации

Солнечный коллектор генерирует теплоту тогда, когда излучение попадает на абсорбер – независимо от фактической тепловой нагрузки. Если отбор теплоты в системе невозможен или нецелесообразен, система отключается и переходит в состояние стагнации. При наличии инсоляции это ведет к росту температуры в коллекторе до максимального значения, когда теплопоступления равны теплопотерям. При этом в коллекторах достигаются температуры, которые, как правило, превышают точку кипения теплоносителя в гелиоконтуре.

К стагнации может также привести отключение электроэнергии, когда отбор теплоты от коллектора не осуществляется. Такая ситуация должна обязательно учитываться при проектировании солнечных систем, другими словами, уже на этапе проектирования нужно обеспечить безопасность системы.

распространение пара в солнечной системеБезопасность солнечной системы означает следующее:

  • установка не должна быть повреждена в результате стагнации;
  • установка не должна создавать какую либо опасность во время стагнации;
  • по окончании стагнации установка должна автоматически вернуться в рабочее состояние;
  • коллекторы и соединительные трубопроводы должны быть рассчитаны на температуры, ожидаемые в период стагнации.

Комбинирование солнечной системы с традиционной

В наших климатических условиях (как Германии, так и в Украине) солнечная система без дополнительного источника теплоты не может обеспечить надежное теплоснабжение. Часть системы теплоснабжения, подключенная к традиционному источнику энергии, рассчитывается независимо от солнечной системы.

Тем не менее, взаимодействие между различными источниками теплоты имеет важнейшее значение для достижения максимальной эффективности системы в целом и, следовательно, для эффективного энергосбережения.

Солнечные системы могут оснащаться бивалентным емкостным водонагревателем (рекомендуется при новом строительстве или полной реконструкции). В Центральной Европе в безоблачный солнечный день инсоляция составляет около 5 кВт·ч на м2 поверхности коллектора. Чтобы аккумулировать это количество энергии, нужно предусмотреть для плоских коллекторов водонагреватель объемом не менее 50 л на м2 площади коллектора, а для вакуумированных трубчатых коллекторов не менее 70 л, если солнечная система используется исключительно для горячего водоснабжения.

Эти данные касаются водонагревателей, работающих на солнечной энергии, или части бивалентного водонагревателя, для которой не используется догрев с помощью дополнительного источника теплоты.

Та часть бивалентного емкостного водонагревателя, которая подключена к дополнительному источнику (котлу), используется для аккумулирования солнечного тепла только тогда, когда температура в водонагревателе превышает требуемую температуру для включения котла.

Мифы о солнечных коллекторах

Частым заблуждением является предположение, что использование солнечной энергии для поддержки системы отопления возможно только для систем напольного отопления (теплых полов).

Такое предположение ошибочно. Производительность солнечной системы при радиаторном отоплении в среднем за год всего лишь немного меньше. Причина этого – более высокая температура на входе в солнечную систему, которая всегда определяется температурой в обратном трубопроводе отопительного контура.

При сравнении различных отопительных приборов необходимо иметь в виду, что в переходный период тепловую нагрузку системы отопления должна покрывать в основном солнечная система. Однако в это время отопительные приборы работают не в диапазоне расчетных температур, а обратный трубопровод может иметь более низкую температуру.

Очень важно обеспечить правильное гидравлическое уравнивание отопительных контуров радиаторов!

Другим распространенным заблуждением является утверждение, что солнечные системы не комбинируются с конденсационными котлами. Это также неверно. Правильно то, что солнечная система всегда как первая ступень нагревает холодную воду (для горячего водоснабжения или отопительного контура). Если «догрев» воды должна осуществлять котельная установка, котел в действительности – при повышении температуры горячей воды, например, с 50 °С (предварительный нагрев солнечной энергией) до 60 °С (температура на входе в котел) – уже не работает в режиме конденсации. Хотя без солнечной системы конденсационный котел смог бы работать в конденсационном режиме. При поддержке системы отопления солнечной системой совместная работа с конденсационным котлом принципиально не влияет на эффективность и эксплуатационную надежность котла. Верно то, что годовой коэффициент полезного действия котла немного падает, зато КПД всей системы – значительно возрастает. Решающим фактором является абсолютная экономия энергии.

Поэтому, если Вы хотите экономит энергоносители или Вам нужно вложиться в лимит по потреблению газа, обращайтесь в компанию «Аркодан». Наши специалисты подберут Вам солнечную установку для конкретных нужд, подсчитают ее эффективность и разработают проект системы ГВС и/или отопления, а также выполнят поставку оборудования и его монтаж.

  • Елена

    Я как-то задумалась о применении солнечного коллектора в доме. Конечно, солнечная установка, это дополнительная экономия электроэнергии. Но ведь солнечные коллекторы, это удовольствие не из дешевых. Интересно за какое времени окупится данная система?