Солнечные водонагревательные системы: подробное руководство по типам и эксплуатации

Введение в технологию солнечного водонагрева

Система проточного солнечного нагрева воды с циркуляцией без электропитания

Компоненты системы: вакуумный трубчатый коллектор, подключаемый резервуар для воды, регулируемый кронштейн и теплообменник.

Принцип работы автономной циркуляционной системы проточного солнечного водонагрева: вода в вакуумной трубке нагревается под воздействием солнечного света. По мере нагревания её плотность уменьшается, и она естественным образом поступает в бак, постепенно нагревая его. Нагретая вода затем хранится в баке, изолированном пенополиуретаном. Холодная вода из помещения протекает через неподвижный сильфонный канал внутри бака, поднимая температуру водопроводной воды под давлением практически до температуры воды в баке (разница температур менее 2 градусов Цельсия). Это обеспечивает стабильную подачу чистой горячей воды под давлением.

Солнечная система нагрева воды с естественной циркуляцией

Система солнечного водонагрева с естественной циркуляцией использует разницу температур между коллектором и баком для воды для создания термосифонной головки, которая обеспечивает циркуляцию воды в системе. Одновременно с этим полезная энергия, получаемая от коллектора, непрерывно накапливается в баке, нагревая воду.

Во время работы системы вода в коллекторе нагревается солнечным излучением, повышая свою температуру и уменьшая плотность. Нагретая вода постепенно поднимается внутри коллектора, поступая по верхнему циркуляционному патрубку коллектора в верхнюю часть водонагревательного бака. Одновременно холодная вода из нижней части водонагревательного бака по нижнему циркуляционному патрубку поступает в нижнюю часть водонагревательного бака. Со временем в водонагревательном баке образуется чёткая температурная стратификация: сначала вода в верхнем слое достигает рабочей температуры, и это продолжается до тех пор, пока весь бак не станет полностью пригодным к использованию.

Существует два способа получения горячей воды. Один из них — использование подпиточного бака, который пополняет запас холодной воды на дне бака-накопителя, выталкивая горячую воду из верхнего слоя для дальнейшего использования. Уровень воды контролируется поплавковым клапаном внутри бака-накопителя. Этот метод иногда называют методом подпитки. Другой метод, без подпиточного бака, позволяет горячей воде самотеком поступать со дна бака-накопителя. Этот метод иногда называют методом слива.

Солнечная система нагрева воды с принудительной циркуляцией

Система солнечного водонагрева с принудительной циркуляцией использует водяной насос, установленный в трубопроводе между коллектором и резервуаром для хранения воды, для обеспечения циркуляции воды в системе. Одновременно полезная энергия, получаемая от коллектора, аккумулируется в резервуаре для хранения воды, нагревая её.

Во время работы системы необходимо контролировать включение и выключение циркуляционного насоса, иначе электроэнергия и тепло расходуются впустую. Наиболее распространённым методом, как правило, является управление по разнице температур, а иногда одновременно используются и управление по разнице температур, и управление фотоэлектрическими системами.

Регулирование перепада температур использует разницу температур между температурой воды на выходе коллектора и температурой воды на дне резервуара для хранения воды для управления работой циркуляционного насоса.

После восхода солнца вода в коллекторе нагревается солнечным излучением, постепенно повышая свою температуру. Как только разница температур на выходе из коллектора и на дне накопителя достигает заданного значения (обычно 8–10 °C), регулятор температуры подаёт сигнал на включение циркуляционного насоса, и система начинает работу. В периоды облачности или в предзакатное время интенсивность солнечного излучения снижается, что приводит к постепенному снижению температуры коллектора. Как только разница температур на выходе из коллектора и на дне накопителя достигает заданного значения (обычно 3–4 °C), регулятор температуры подаёт сигнал на выключение циркуляционного насоса, и система прекращает работу.

Солнечные системы нагрева воды

Существует также два способа получения горячей воды: верхний и капельный.

Метод верхнего потока предполагает добавление холодной воды (водопроводной) на дно резервуара, выталкивая горячую воду из верхнего слоя для использования. Метод капельного потока основан на том, что горячая вода сама падает со дна резервуара под действием силы тяжести. Благодаря принудительной циркуляции вода в резервуаре тщательно перемешивается, предотвращая значительное температурное расслоение. Таким образом, как метод верхнего потока, так и метод капельного потока обеспечивают горячую воду с самого начала. По сравнению с методом верхнего потока, преимущество метода верхнего потока заключается в том, что распыление горячей воды под давлением повышает комфорт пользователя, и нет необходимости беспокоиться о пополнении резервуара водой. Однако недостатком является то, что холодная вода, поступающая снизу резервуара, может смешиваться с горячей водой в резервуаре. Хотя метод верхнего потока имеет преимущество предотвращения смешивания горячей и холодной воды, он также имеет недостаток в том, что горячая вода падает под действием силы тяжести, что влияет на комфорт пользователя, и необходимость ежедневного пополнения резервуара водой является обязательной.

В двухконтурной системе с принудительной циркуляцией теплообменник может быть погружным, расположенным внутри бака с водой, или пластинчатым, расположенным снаружи бака с водой. Пластинчатые теплообменники обладают рядом преимуществ по сравнению с погружными: во-первых, пластинчатые теплообменники имеют большую площадь теплопередачи, меньшие градиенты температуры теплопередачи и меньшее влияние на эффективность системы. Во-вторых, пластинчатые теплообменники размещаются внутри трубопроводов системы, что обеспечивает большую гибкость и упрощает проектирование и компоновку системы. В-третьих, пластинчатые теплообменники доступны в продаже и стандартизированы, что упрощает контроль качества и надёжности.

Системы с принудительной циркуляцией подходят для больших, средних и малых систем солнечного водонагрева.

Проточные солнечные водонагревательные системы нагревают воду до нужной температуры за один проход через коллектор, после чего нагретая вода непрерывным потоком поступает в резервуар для хранения.

В процессе эксплуатации системы обычно используется метод подачи горячей воды с постоянной температурой, обеспечивающий соответствие требованиям потребителя. Входной патрубок коллектора подключается к водопроводной трубе. Вода в коллекторе нагревается солнечным излучением, постепенно повышая свою температуру. На выходе коллектора установлен датчик температуры. Регулятор температуры управляет открытием электрического клапана, установленного на входе коллектора. Этот регулятор температуры регулирует расход воды на входе коллектора в зависимости от температуры воды на выходе, поддерживая постоянную температуру воды на выходе. Надежность этой системы зависит от производительности электрического клапана и регулятора расхода.

Чтобы избежать жестких требований к электроклапану и контроллеру, в некоторых системах электроклапан устанавливают на выходе коллектора, при этом клапан имеет только два состояния: открытое и закрытое. Когда температура на выходе коллектора достигает заданного значения, терморегулятор открывает электрический клапан, позволяя горячей воде течь из выхода коллектора в резервуар для хранения воды. Одновременно в коллектор добавляется холодная вода (водопроводная вода) до тех пор, пока температура на выходе из коллектора не упадет ниже заданного значения. Электрический клапан закрывается, и процесс повторяется. Хотя этот метод слива воды с постоянной температурой относительно прост, из-за гистерезиса при закрытии электрического клапана результирующая температура горячей воды может быть ниже заданного значения.

Система прямого нагрева имеет множество преимуществ: во-первых, по сравнению с системами с принудительной циркуляцией, она не требует водяного насоса; во-вторых, по сравнению с системами с естественной циркуляцией, резервуар для хранения воды можно разместить в помещении; в-третьих, по сравнению с системами с рециркуляцией, горячая вода доступна раньше, и определённый её объём можно получить, пока стоит ясная погода; в-четвёртых, легко реализовать проект ночного слива воды из системы для предотвращения её замерзания зимой. Недостатком системы прямого нагрева является необходимость использования надёжных электроклапанов и регуляторов расхода, что усложняет систему и увеличивает инвестиции.

Прямоточная система подходит в первую очередь для крупных солнечных водонагревательных систем.