Высокоэффективные гелиоколлекторы в частных домах

• Share

Полезная энергия, которую можно получить с помощью коллектора, зависит от многих факторов. Например, очень важна правильная оценка потребности в тепле, которую необходимо покрыть, и согласованные с ней компоненты гелиоустановки.
Общее поступление солнечной энергии также имеет значение: ежегодная инсоляция в зависимости от конкретного региона Украины колеблется в диапазоне от 900 до 1300 кВт?ч/(м2?год) (рис. 1). В среднем в Украине на 1 м² площади за год попадает приблизительно 1000 кВт?ч, что соответствует энергоемкости примерно 100 литров дизельного топлива или 100 м³ природного газа.
Кроме этого, важны тип, угол наклона и ориентация коллектора. Для обеспечения экономичного режима эксплуатации гелиоустановки требуется также точное определение компонентов установки.
Правильно сконструированные коллекторные гелиоустановки с согласованными между собой системными компонентами могут обеспечивать примерно от 50 до 60% ежегодной потребности частного дома в энергии для приготовления горячей воды. Использование гелиоустановки также и для поддержки системы отопления здания позволяет дополнительно сэкономить средства. В домах с низким расходом энергии можно экономить до 35% общей потребности в энергии для приготовления горячей воды и отопления. Летом иногда можно полностью отказаться от дополнительного тепла. В остальные месяцы года и для отопления помещений зимой гелиоустановка дополняется вторым независимым источником тепла - обычно низкотемпературным отопительным котлом, работающим на жидком топливе/газе, или, что еще лучше, конденсационным котлом.

• Share

Альтернатива отопительному котлу
Примерно 1/3 общего потребления энергии в Украине приходится на отопление зданий. Энергосберегающие строительные технологии, а также экономичные системы отопления могут значительно снизить энергопотребление, таким образом способствуя экономии природных ресурсов и защите атмосферы Земли. Значительный потенциал экономии заключен в системе приготовления горячей воды. Так, солнечные коллекторы в сочетании с накопительным водонагревателем в наших широтах именно в летние месяцы представляют собой наиболее интересную альтернативу использованию отопительного котла. Даже в переходный период благодаря поддержке системы отопления помещений за счет гелиосистемы часто можно отключать отопительный котел.

Мощность инсоляции
Инсоляция представляет собой поток энергии, равномерно излучаемый Солнцем во всех направлениях. На внешнюю поверхность атмосферы Земли постоянно воздействует часть этого потока лучистой энергии мощностью 1,36 кВт/м2. Эту величину называют солнечной постоянной. При прохождении через атмосферу Земли солнечное излучение ослабляется вследствие эффектов отражения, рассеивания и абсорбции частичками пыли и молекулами газов (рис. 2). Часть излучения, которая беспрепятственно проходит сквозь атмосферу, попадает непосредственно на поверхность Земли, называется прямым излучением, а часть, которая отражается или поглощается частичками пыли и молекулами газа и попадает на поверхность Земли ненаправленно, называется рассеянным излучением. Сумму прямого и рассеянного солнечного излучения (рис. 3) называют суммарным излучением Eg. В оптимальных условиях (безоблачное, чистое небо, середина дня) оно достигает максимум 1000 Вт/м2. С помощью гелиоколлекторов можно, в зависимости от их типа и габаритов установки, использовать около 75 % суммарного солнечного излучения.

• Share

• Share

Влияние ориентации, угла наклона и затенения на принимаемое количество солнечной энергии
Угол наклона образуется между горизонтальной плоскостью и гелиоколлектором (рис. 4). При монтаже на наклонной крыше угол наклона коллектора определяется крутизной ската крыши. Абсорбер коллектора может воспринимать максимальное количество энергии, если плоскость коллектора перпендикулярна направлению падения солнечных лучей.
Азимут (рис. 5) характеризует отклонение плоскости коллектора от южного направления; при ориентации плоскости коллектора точно на юг азимут равен 0. Поскольку инсоляция в середине дня является наиболее интенсивной, плоскость коллектора следует по возможности ориентировать на юг. Однако хорошие результаты достигаются также при отклонении от южного направления до 45° на юго-запад или юго-восток. Более значительные отклонения можно компенсировать за счет небольшого увеличения площади поверхности коллектора.
Ориентированная на юг и установленная под углом примерно от 30° до 45° относительно горизонтали гелиоустановка в Украине позволяет принимать за год в среднем максимальное количество лучистой энергии. Но даже при заметных отклонениях от вышеуказанных условий (ориентация от юго-запада до юго-востока, угол наклона от 25 до 70 градусов) солнечная система будет работать с максимальной эффективностью (рис. 6).
Установка под меньшим углом является оптимальной в том случае, если поверхность коллектора нельзя ориентировать на юг. В этом случае гелиоустановка, расположенная под углом 30 градусов, даже при ориентации на юго-запад, с азимутом 45° еще будет обеспечивать до 95% оптимального получения солнечной энергии. И даже при ориентации на восток или запад еще можно обеспечить получение до 85% энергии, если угол наклона крыши составляет от 25° до 40°.
Если угол наклона плоскости коллектора больше, количество поступающей энергии в течение года будет более равномерным. Поэтому коллекторы, используемые для поддержания системы отопления, устанавливают под большим углом. Благодаря этому уменьшается количество избыточной теплоты летом, в то время как эффективность работы коллекторов в зимнее время при падении солнечных лучей под меньшим углом оптимизируется.
Следует также учесть, что плоские коллекторы не следует устанавливать под углом менее 20°, поскольку в этом случае будет отсутствовать эффект самоочищения.
Высококачественный гелиоколлектор сам по себе еще не гарантирует оптимального режима эксплуатации гелиоустановки. Более того, все зависит от комплексного системного решения.

• Share

• Share

• Share

Учет температурных показателей при выборе типа гелиоустановки
Помимо имеющегося свободного места для установки коллекторов, условий размещения и других типовых условий (например, длительного времени простоя), при выборе типа коллектора определяющей является ожидаемая для конкретного расчетного случая разность между средней температурой коллектора и температурой наружного воздуха. Она определяет коэффициент полезного действия коллектора.
Чем выше рабочая температура коллектора, тем больше мощность и, соответственно, степень покрытия потребности в энергии вакуумным коллектором по сравнению с плоским.
Доля покрытия потребности в энергии за счет гелиоустановки указывает, какой процент необходимой энергии в среднем за год можно обеспечить за счет гелиоустановки.
Чем больше эта величина, тем выше экономия энергии, получаемой традиционными способами. Но это связано с излишками тепла летом и в среднем обычно меньшим коэффициентом использования коллекторов летом.
Установка для приготовления горячей воды - емкостный водонагреватель и гелиоколлектор
Основой для расчета параметров гелиоустановки для приготовления горячей воды является потребность в теплой/горячей воде. Если эту потребность установить не удается, ее следует определить по таблице 1 (VDI 2067).
Другим важным параметром является доля покрытия потребности в энергии за счет гелиоустановки (рис. 7). Для небольших установок для приготовления горячей воды она должна составлять от 50 до 60%.
Для достижения доли покрытия потребности в энергии 60% объем бивалентного бойлера (емкостного водонагревателя, работающего от двух источников энергии) должен быть примерно в 1,5-2 раза больше, чем суточная потребность в теплой/горячей воде.
При переменном расходе теплой/горячей воды следует выбирать коэффициент 2, при относительно постоянном расходе - коэффициент 1,5.

• Share

• Share

Установка для поддержки системы отопления помещений
Периоды максимального поступления солнечной энергии не соответствуют по времени периодам, в которые потребность в энергии для отопления является наивысшей.
Если расход тепла для приготовления горячей воды в течение всего года остается относительно постоянным, то в периоды наибольшей потребности в тепле для отопления помещений поступает лишь весьма небольшое количество солнечной энергии (рис. 8).
Для обеспечения поддержки системы отопления помещений площадь поверхности коллекторов должна быть относительно большой. Вследствие этого гелиоустановка будет "простаивать" в летнее время. С точки зрения гидравлики можно достаточно просто использовать гелиоустановку для поддержки системы отопления. При высоких требованиях к подогреву питьевой воды нужно использовать гелиоколлекторы в сочетании с бивалетным емкостным водонагревателем.
Можно оптимизировать процесс прогрева накопителя гелиоколлектора посредством системы послойного нагрева. Благодаря этому процесс приготовления горячей воды ускоряется. Основанием для расчета параметров гелиоустановки для поддержки системы отопления помещений является потребность в теплоте летом, а именно потребность в тепле для приготовления горячей воды. При наличии потребности в отоплении летом, например, подвальных помещений, подогрева пола в ванных комнатах, потребность в тепле возрастает. Для обеспечения экономичного режима эксплуатации гелиоустановки для поддержки системы отопления площадь поверхности коллекторов должна быть максимум в 2-2,5 раза больше, чем это необходимо для обеспечения потребности в тепле летом. Ориентация исключительно на нагрузку отопления зимой может привести к завышению размеров гелиоустановки, что в свою очередь приводит к проблемам во время эксплуатации системы.
В домах с низким потреблением энергии (потребность в тепле меньше 50 кВт?ч/(м2 год)) следует обеспечивать долю покрытия потребности в энергии за счет гелиоустановки до 35 % от общей потребности в энергии, включая подогрев питьевой воды. В домах с более высоким потреблением энергии доля покрытия потребности в энергии за счет гелиоустановки будет меньше.