Гелиоустановки

Показатели термической гелиоустановки, солнечный коллектор, гелиоколлекторы, солнечная энергия. 

В данной статье описываются правила установки и расчета гелиоустановки. Гелиоустановки используются для - водоподогревания-поддержания уровня отопления (отопление от солнечной энергии). Установка (место расположения) солнечных коллекторов: - крыша-фасад-независимое расположение. Угол наклона и направление гелиоустановки: Отклонение от южного направления, минимальный угол наклона, затенение – насколько всё это допустимо? 

Соединительные линии между гелиоколлектором и гелионакопителем:

Максимальное расстояние между местом расположения коллектора и накопителем  должно составлять не более 50-ти метров. Не забудьте проложить двухполюсный кабель для температурного датчика между коллектором и электронным пультом управления! 

Водоподогревание:

Установите накопитель как можно ближе к источнику хозяйственно-питьевой воды, чтобы тёплая вода была легко доступна. 

Смеситель для хозяйственно-питьевой воды:

Установки смесителя часто требует пояснений. Обратите внимание на подключение посудомоечной и стиральной машины! В этих приборах самый большой расход энергии приходится на подогрев воды. Большинство посудомоечных машин можно подключить напрямую к горячему водоснабжению (это не имеет смысла лишь в тех исключительных случаях, когда в машину встроена система рекуперации тепла). В случае со стиральной машиной подключение к системе горячего водоснабжения необходимо. Не всякую стиральную машину можно подключить (не по техническим причинам, а из-за того, что качество стирки может ухудшиться). Устранить затруднения может балластный дроссель, установленный на стиральную машину. Если вы всё-таки не хотите монтировать гелиоустановку: то  обеспечьте хотя бы монтаж  системы трубопроводов при строительстве нового сооружения, это поможет избежать многих расходов, если гелиоустановка всё же будет монтироваться на крыше. Наш совет: сразу же проложите кабель для управления коллектором и  в последствии вы сэкономите массу усилий.

Гелиоустановки для водоподогревания.

Определение размеров солнечных коллекторов: При более или менее выгодном южном направлении, при расчёте на одного человека, площадь коллектора составляет  -2 м² для плоских коллекторов-1,5 м² для вакуумных коллекторов. Отклонение 45 градусов  от южного направления допустимо без каких-либо оговорок, при этом площадь коллектора должна увеличиться на 10-20%. Возникшее снижение эффективности можно вычислить с помощью диаграммы. При эксплуатации в летнее время оптимальный угол наклона составляет 30 градусов. Лишь у больших установок в наших широтах угол наклона может составить около 45 градусов, что способствует наиболее оптимальному использованию установки в течение всего года.

Параметры гелионакопителя:

Может случиться так, что летом будет недостаточно солнечного света. На этот случай необходимо обеспечить накопление энергии в 2-2,5 раза превышающее дневную норму. Отправным значением считается объём накопителя около 75-100 л на человека.

Гелионакопитель: важна надёжная изоляция. Слой изоляционного материала должен составлять минимум 12 см ППУ,  а лучше ещё больше. Также стыки (фланец и т.д.) должны быть надёжно изолированы.

Ориентировочные расчёты потребности в горячей воде:

Ванна: до 150 л при 40 градусах. Душ: до 50 л при 40 градусов. Умывальник: около 5 л при 35 градусах. Мытьё посуды: до 30 л при 50 градусах. Вы можете смело расходовать от 30 до 50 л на человека в день. Единичная степень покрытия при таких параметрах составляет около 70%. Это означает, что 70 %  воды нагревается с помощью солнца.

Дополнительные преимущества:

Благодаря меньшему времени нагревания отопительного котла, ему  требуется меньше ухода (меньший износ) и, кроме того, увеличивается его срок службы. Если Вы используете для водонагрева  тепловой насос, то гелиоустановка опять же может быть очень полезна. Летом будет достаточно времени для регенерации почвы, а также уменьшится износ теплового насоса (меньшее количество включений и выключений щадит компрессор). Использование гелиоустановки для поддержания уровня тепла.(отопление от солнечной энергии, частичное отопление помещений от солнечной энергии)Обычно нагретая солнцем вода (через теплообменник) используется непосредственно для отопления пола (например, в ванной комнате) или поступает в буфер, откуда берётся при необходимости. Часто используются большие гелионакопители со встроенным бойлером. Получение тёплой воды через теплообменник из буфера не рекомендуется из-за  неудобства (колебания температуры). Рекомендуется к использованию многослойная накопительная система.

Определение размеров гелиоустановки (ориентировочные значения):

При низкотемпературной системе отопления (при подогреве полов) 1 м² коллектора будет достаточно для нагрева 5 м² жилого помещения.

При использовании батарей (не рекомендуется) 1 м² коллектора на 3 м² жилого помещения. Оптимальная площадь коллектора составляет 20 и 50 м². Угол наклона коллектора должен составлять 50-70 градусов. Размер накопителя  необходимо определять с помощью электронной обработки данных, на сегодняшний день легко найти специальные компьютерные программы для вычисления размеров накопителя. Ориентировочным значением является цифра в 50-100 л объёма накопителя  на 1 м²  площади коллектора. Внешний теплообменник легче контролировать, например, легче очистить от накипи. Используйте только надёжно изолированный накопитель! Плохая изоляция – причина больших убытков. Система функционирует посредством того, что вы некоторое время можете экономить полученную солнечную энергию. Рекомендуемая толщина изоляционного материала – минимум 16-20 см. На практике сезонное хранение при использовании частными лицами зачастую экономически невыгодно. Перед установкой отопительного оборудования с использованием солнечной энергии необходимо оптимизировать термические параметры здания! Капремонт термосистемы выгоднее, нежели монтаж дополнительного отопления от гелиоустановки, в особенности, если в Вашем доме плохая  изоляция (энергетические показатели менее 70 киловатт-часов м² ) . При  работах по изоляции здания рентабельность намного выше (по сравнению с теми деньгами, которые вы сэкономите на энергозатратах).

Установите счетчик потребления тепла.

Для контроля ваших персональных расходов на отопление достаточно счетчика, не производящего никаких измерений. Стоит такой счетчик намного дешевле, чем гелиоустановка. В нем есть все необходимые данные о работе и производительности установки. Но счетчик должен  измерять реальное количество тепла, производимого установкой,  а не просто выдавать фиктивные математические данные о производительности установки.  Счетчики потребления тепла отвечают всем современным  требованиям, они часто используются и не оказывают негативного влияния на производительность гелиоустановки. Если вы монтируете домашнюю шинную систему: Таким системам  под силу то, на что не приходится рассчитывать при использовании стандартного гелиорегулятора. Они подают сигнал тревоги (сообщение появляется на дисплее, технически возможна даже отправки смс-сообщения), если гелиоустановка выйдет из строя. 

Покупка гелиоустановки:

Целесообразно покупать  гелиоустановку  во время отопительного сезона.  В виду того, что установку и оптимизацию подобных установок проводят специально подготовленный персонал,  надлежащую работу всех функций  необходимо проверять исключительно во время отопительного сезона.

Накопитель

Накопитель – это буфер, в котором  содержится не  проточная, а «стоячая» вода (без давления), запас для отопления  или гелиоустановки.  Тёплая вода из отопительного котла или из гелиоустановки подаётся через теплообменник в накопитель и может извлекаться оттуда через другой теплообменник (для водоподогревания или для отопления здания).Накопитель должен быть узким и длинным,  чтобы обеспечивалось хорошее наслоение воды (сверху тёплая, снизу холодная). Также накопитель должен быть хорошо изолирован, чтобы не допустить потерь солнечного тепла.

В каком случае рекомендуется использование накопителя?

Когда исходное количество воды  временно расходится количеством потребляемой воды: К примеру,  для  отопления котла требуется, в зависимости от  температуры окружающей среды, различное количество деревянных брусков. Котёл сжигает древесину в оптимальном режиме (работает на полную мощность). Однако тепло из накопителя  поступает равномерно в течение всего дня. Когда необходимо разное количество тепла: Типичный случай для гелиоустановки – в этом случае колебания должны выравниваться накопителем. Если мощность отопительного котла слишком велика: Классический случай, например,  для котлов, работающих на отопительных таблетках, у которых КПД при режиме частичных нагрузок падает. Если котел работает на накопитель, то горение происходит в оптимальной рабочей точке (работа при полной нагрузке). Поступательного режима работы можно избежать, это экономит энергию и щадит нагревательный котел. У котлов, работающих на древесине, паропроизводительность котла устанавливается при объеме накопителя 50 литров на кВт. Однако следует все же рассчитать точную потребность в тепле.

Если гидравлические предположения неверны:

При отоплении тепловым насосом  часто соблюдается минимальная величина расхода (протекания).  Если в доме (особенно в переходный период) нет потребности в тепле, вода системы отопления все равно должна прокачиваться по нагревательному контуру, чтобы обеспечить минимальную величину расхода. В этом случае можно выйти из затруднительного положения так: тепловой насос будет работать на накопитель и использовать его нагревательный контур. Разумеется, для отопления тепловым насосом существуют и другие решения, накопитель, в действительности, очень редко нужен и редко используется рационально. Ориентировочные значения тепловых потерь накопителя (в кВт/день): При 15 см минеральной ваты или 10 см полиуретановой изоляции.

Многослойная накопители.

Хранение тепла в накопителях – это достойная рекомендации возможность временно разделить выработку электроэнергии и ее потребление. В хорошо работающей системе расслоение температур происходит в накопителе, это означает, что в накопителе горячая вода находится наверху, а холодная – внизу.В многослойном накопителе нагретая гелиосистемой вода находится наверху накопителя, и это не мешает температурному расслоению. Таким образом, слои с более высокой температурой не нарушаются при заполнении накопителя более холодной водой. Разгрузка накопителя (например, расход энергии на отопление) происходит опять же из того слоя, где подходящий температурный уровень. Таким образом, при низкой отопительной потребности сохраняются высокие температуры верхних слоев. Эти системы чаще всего дороже традиционных и используются только тогда, когда размер коллектора превышает 25 метров квадратных. 

Гелиосистема: установка на крышу.

Крыша дома в большинстве случаев является самым рациональным местом размещения коллектора, потому что, как правило, она достаточно высока, что позволяет избежать тени от деревьев и соседних здании. Различаются два вида установки: монтирование в крышу и на крышу.

Монтаж в крышу.

Предпосылкой для этого является наклон крыши на 30-50 градусов и ориентация на юго-запад юго-восток (диаграмма понижения эффективности при отклонении) Монтаж в крышу – самый дешевый и самый привлекательный с эстетической точки зрения вариант. Площадь коллектора заменяет в конкретной части крыши кровлю, а кровля получает защиту от атмосферных воздействий. Как правило, коллекторы легче традиционной кровли (например, черепицы), это означает, что нет никаких дополнительных статистических нагрузок на несущую конструкцию крыши. Так как охлаждающаяся поверхность коллектора сокращается, а соединительные линии не находятся на открытом воздухе, потеря тепла минимальна.

Установка на крышу.

Для этого требуются постройка, которая будет защищать коллектор от атмосферных воздействий и нержавеющая несущая конструкция. Этот вид установки применяется при очень небольшом наклоне крыши (например, волнообразный асбестовый шифер) и если крыша плоская. Он дороже, закрепление несущей конструкции, а также   подающая линия и обратная линия солнечной циркуляции должны долгое время идти по крыше, при этом не должна нарушаться их герметичность. Кроме того, существуют дополнительные статистические нагрузки на несущую конструкцию крыши (ветровая нагрузка). Находящиеся на открытом воздухе соединительные линии означают высокие тепловые потери.

Солнечный фасад.

Если крыша Вашего дома не подходит для установки солнечного коллектора (например, она ориентирована на север-юг), существуют еще стены, ориентированные на юго-запад и юго-восток. Для этого требуются постройка, которая будет защищать коллектор от атмосферных воздействий и нержавеющая несущая конструкция. В этом случае коллектор может служить еще и козырьком над Вашей входной дверью или террасой, либо балконом.

Встроенные в фасад гелиоустановки.

Особым случаем является интегрирование коллектора в фасад (солнечный фасад). Вертикальное расположение коллектора (угол наклона 60-90 градусов, если мерить от горизонтальной линии) означает высокий КПД коллектора в зимнее время или плохой КПД в летнее время. Этот вариант установки подходит для частичного солнечного отопления здания  при помощи больших площадей коллекторов. Вертикальный угол установки эффективен летом, если Вы собираетесь использовать коллектор только для водонагрева.

Гелиоустановка: независимое расположение.

Независимое  расположение  позволяет оптимально расположить коллектор. Для него требуются постройка, которая будет защищать коллектор от атмосферных воздействий и нержавеющая несущая конструкция, к тому же он дороже, чем установка на крышу.Преимуществом этого вида расположения является то, что коллектор легко доступен для установки и ремонта.Находящиеся на открытом воздухе соединительные линии означают, однако,  высокие тепловые потери. 

Гелиоустановка: оптимальное расположение.

Расположение солнечного коллектора.

Отклонение выравнивания от юга не более чем на 45 градусов на восток или запад возможно. Это незначительно сокращает поступление солнечной энергии. Если Вы можете выбирать между юго-западным и юго-восточным расположением, Вам следует выбрать юго-запад, так как (теоретически кажется, что инсоляция одинаковая) при высокой температуре и рассеивании возможного утром тумана все же во второй половине дня следует ожидать более интенсивного солнечного излучения (диаграмма «Высота Солнца»). Отклонения от идеального положения коллектора можно в какой-то мере компенсировать, увеличив площадь коллектора.

Затемнение солнечного коллектора:

Существует основное правило, что коллекторы, чтобы они работали эффективно,  не должны быть затемнены около 6 часов днем - например, с 9 до 15 или с 10 до 16 часов. Тень зимой от соседних зданий, деревьев и так далее не является серьезной проблемой (если исключить гелиоустановки, отапливающие помещения), потому что в это время года по причине низких температур окружающей среды и короткой продолжительности светового дня и так не следует рассчитывать на значительную эффективность. Угол наклона солнечных коллекторов: Вы добьетесь наибольшей эффективности в работе коллектора, если солнечные лучи будут падать на коллектор под правильным углом. Идеальный угол наклона зависит от времени года, так как летом солнце стоит выше, чем зимой. Подгонка положения солнечного коллектора по солнцу, однако, технически трудна и может повлечь повреждения, почему коллекторы в зависимости от назначения и крепятся под определенным углом относительно линии горизонта.

Только нагрев бассейна:0 – 30 градусов водонагрев:25 – 55 градусов отопление помещений солнечной энергией:50 – 70 градусов (также до  90 граусов = для коллекторов, встроенных в фасад)

Угол наклона коллектора должен составлять 30-50 градусов для того, чтобы эффективность гелиоустановки была высокой весь год.

Диаграмма «Высота Солнца».

 Эта диаграмма показывает положение солнца в любое время года. Например, 21-ого января солнце встает под углом 60 градусов к южному ориентиру и в полдень достигает максимальной величины примерно в 23 градуса.

Диаграмма: понижение эффективности при отклонении от южного направления.

На этой диаграмме видно, как меняется эффективность при отклонении от оптимального положения. Хорошо заметно, как незначительно сокращается эффективность работы гелиосистемы (линия 10 %) в дальних зонах.

Соединительная линия (крепление гелиоустановки трубами).

Материал, из которого изготовлены трубы:

В гелиоустановках, работающих на горячей воде, для циркуляции теплоносителя (смесь воды и незамерзающей жидкости) используются медные трубы. Использование оцинкованных стальных труб может привести к коррозии. Исключением является  нагрев воды в бассейне, где насыщенная химикалиями вода при помощи полимерных труб проходит через синтетический «солнечный» абсорбер.

Ориентировочные значения для выбора размеров медных труб: площадь коллектора до 10 м²: труба 18 мм, площадь коллектора от 11 – 20 м²: труба 22мм.

Следующие эмпирические формулы:

Медной трубы 18X1 мм (внутренний диаметр 16 мм) достаточно для длины до 30 м для коллектора площадью около 10 м² для длины до  50м для коллектора площадью около 8 м².Скорость потока в трубопроводе не должна в любом случае превышать 1 м/с.

Циркуляция должна быть непрерывной!

На практике оболочка труб из минерального волокна защищена алюминиевой фольгой, которая накладывается поверх труб, а затем склеивается алюминиевой клейкой лентой. Изоляция должна составлять до 18 мм для диаметра 20 мм. Если труба большего диаметра, например, соединения находящиеся на открытом воздухе, то, по меньшей мере, 30 мм. Обратите особое внимание на термостойкость, если Вы используете запененную оболочку, так как при солнечном круговороте краткосрочно температура может достичь 160 градусов (работа внутри коллектора).

 Руководство по защите от неблагоприятных атмосферных условий и повреждений:

Свободно проведенный трубопровод, например, по земле, должен быть дополнительно защищен от влажности и механических повреждений. Для этого можно поместить медные трубы в полимерные трубы, как в установке для отвода сточных вод или перфорированной трубе дренажа. Также можно использовать трубы для подачи тепла по сетям централизованного теплоснабжения (от одной до двух труб, возможно с элементом для управления). Расположенный на открытом пространстве трубопровод можно также защитить от воздействия окружающей среды, обшив его алюминием.

Установка накопителя (солнечный накопитель)

Оптимальное место расположения солнечного накопителя:

Он не должен обязательно находиться в подвале рядом с отопительным котлом! Важно, чтобы накопитель находился там, где чаще всего требуется горячая вода, прежде всего,  рядом с кухней, например, в кладовке.

Использовать чердак?

Можно посоветовать использовать чердак только в том случае, если он хорошо изолирован, иначе тепловые потери накопителя будут велики. Особо следует обратить внимание на подключение к холодной воде, так как тут существует опасность замерзания!

Установка солнечного накопителя в помещениях внутри термической оболочки.

При этом тепловые потери накопителя компенсируются теплом помещения, однако, при этом (так же как и в случае с кровлей) следует обеспечить отток воды через сифон в землю или в емкость на случай,  если накопитель недостаточно плотный. Обратите внимание на статику! Обычные накопители гелиоустановок для водонагрева вмещают 300-500 литров. Лишь водяной объем весит 300-500 кг. Дополнительный нагрев зимой. Дополнительный нагрев накопителя зимой в случае, если не хватает солнечной энергии, лучше осуществлять через отопительный котел. Если отопительный котел и накопитель находятся на большом расстоянии, это может осуществляться только раз в день. Для этого можно использовать простой выключатель с часовым механизмом. Смеситель для хозяйственно-питьевой воды. Из гигиенических соображений вода накопителя должна быть температурой 60-80 градусов (в зависимости от жесткости воды). Но при этой температуре можно обжечься!

Решение: смеситель

По этой причине рекомендуется встраивать смеситель для хозяйственно-питьевой воды в систему водонагрева сразу за накопителем и настроить его примерно на 50 градусов. Он гарантирует, что при добавлении холодной воды к горячей воде накопителя температурный предел не будет превышен. Другие плюсы: Помимо защиты от ожогов смеситель обладает еще одним преимуществом, он сокращает тепловые потери и сокращает выпадение накипи в сеть трубопроводов горячей воды. Кроме того, это решает проблему прямого подключения посудомоечной машины и стиральной машины через балластный дроссель к горячей воде. Гелиоустановка: выбор солнечного коллектора. Оптический КПД: чем больше, тем лучше. Указывает, какая часть излучения принимается поглотителем, и составляет 70-85%. Потери происходят из-за отражения от стеклянного покрытия поглотителя. Коэффициент теплопередачи: чем меньше, тем лучше. Это мера того, на сколько велики тепловые потери поглотителя, соотношение теплопроводности поглотителя к атмосферному воздуху. Обычно составляет 2-5 вт/кв.м к (коэффициент теплопередачи).

Другие решающие критерии при выборе солнечного коллектора:

Качество покрытия поглотителя  (долговечность), цена, возможность ремонта. Плоские коллекторы зачастую лучший выбор!Не очень высокий КПД коллектора может быть улучшен увеличением площади коллектора – все зависит от соотношения цены и мощности. Плоские коллекторы дешевле вакуумных. Если крыша не слишком маленькая, то можно компенсировать повышенную выработку вакуумного коллектора увеличением его площади. Вакуумные коллекторы труднее чистить, они больше подвержены механическим повреждениям и медленнее оттаивают зимой из-за низкого теплового излучения. В гелиоустановках для отопления здания следует обратить внимание на то, что не только разница температур между поглотителем и атмосферным воздухом должна быть большой (в зимнее время), но и КПД должен быть высоким. В этом случае, все же вакуумный коллектор лучше. В подобных случаях специалист должен произвести точные расчеты.

Солнечный коллектор: типы коллекторов.

Плоский коллектор:

Он состоит из рамочной конструкции, которая хорошо изолирована снизу. Внутри него находятся трубки с теплоносителем, трубки покрыты поглотителем (покрашенная в черный цвет металлическая пластина). Над ним находится корпус, покрытый прозрачным слоем (например, стеклом). Падающие солнечные лучи превращаются в поглотителе в тепло, которое выводится теплоносителем. Он используется для подогрева воды и поддержания системы отопления в переходное время.

Вакуумный коллектор:

Конструктивно обусловлено, что этот коллектор состоим по большей части из труб. Потери снижаются благодаря эвакуации между стеклянным покрытием и поглотителем. Достигаемый благодаря этому температурный уровень выше, чем у плоского коллектора. Применяется для отопления помещений.

Поглотитель для бассейнов:

Простой черный синтетический трубопровод или холст, который по причине термической производительности можно применять, прежде всего, для подогрева воды в бассейне, так как для его работы необходимы очень невысокие температурные показатели (чуть выше температуры окружающей среды).