Насоси «Грундфос»

Геліоколектори та геліополе – що важливо знати?

І. Шита

Продуктивна і ефективна робота сонячної установки залежить не тільки від технічної досконалості колекторів, а й від раціонального використання всіх компонентів геліоустановки. Що важливо знати про особливості колекторів і їх роботу в складі всієї системи?

Сонячні колектори (далі колектори, геліоколектори) – це пристрої, які виробляють теплову енергію від сонячного випромінювання, що падає на них. Колектори поглинають енергію сонячного світла і перетворюють її в теплову енергію теплоносія. Так за рахунок своєї циркуляції тепло може передаватись для нагріву, наприклад, води, яку можна використовувати в системі ГВП і / або системі опалення, а також накопичувати тепло в баках-акумуляторах.

Критерії оцінки геліоколекторів

Для того, щоб оцінити ефективність колекторів є ряд загальновживаних параметрів, які залежать не тільки від їх конструктивних особливостей, але й від особливостей всієї геліоустановки.

Перш за все, розглянемо коефіцієнт корисної дії (ККД) сонячного колектора, який показує частку сонячного випромінювання, що потрапляє на площу апертури колектора, яка потім перетворюється в корисну теплову енергію (рис.1).

Зображення перетворення сонячної енергії в теплову у геліколекторі Рис. 1. Перетворення сонячної енергії в колекторі

Площею апертури називається поверхня колектора, на яку ефективно діє сонячне випромінювання. ККД також залежить і від робочого стану колектора, наприклад, забруднення геліоскла. Частина сонячного випромінювання, що потрапляє на сонячний колектор, розсіюється і втрачається внаслідок відображення і поглинання на прозорому покритті, через відбиття світла від абсорбера, за рахунок конвекції і тепловтрат. По відношенню інтенсивності сонячного випромінювання, що потрапляє на колектор, та потужності випромінювання, що перетворюється на абсорбері в теплоту, можна розрахувати оптичний коефіцієнт корисної дії (η0).

Тепловтрати розраховуються з урахуванням коефіцієнтів теплових втрат к1 та к2 і різниці температур ΔТ між абсорбером та навколишнім середовищем. Дані технічні характеристики вказуються в техпаспорті колектора. Отже, ККД колектора розраховується за формулою:

η = η0 – (k1 · ΔT)/Еg – (k2 · ΔT2 )/Еg.

Графік ККД колектора (рис. 2) має похилий спадаючий нелінійний характер. Максимальне значення ККД досягається при відсутності перепаду температур ΔT з навколишнім середовищем і теплових втрат різного виду.

Зображення графік ккд сонячні колектори Рис. 2. Графіки ККД геліоколекторів

Якщо з якої-небудь причини відбір теплоти від колектора припинився (наприклад, не працює циркуляційний насос, перекритий циркуляційний клапан та т. п.), тоді колектор може перегрітися аж до т. зв. температури стагнації, при якій теплові втрати дорівнюють випромінюванню, що поглинається, і ефективність колектора відповідає нулю. При досягненні такої температури, як правило, теплоносій геліосистеми розкладається і втрачає свої властивості, отже, вимагає заміни, а самі геліоколектори – спеціального внутрішнього очищення і промивання для відновлення своєї працездатності. Пласкі колектори витримують температуру стагнації близько 200°С, а вакуумні трубчасті – близько 300°С.

Максимальна потужність колектора – важливий розрахунковий параметр, який визначається як добуток оптичного ККД η0 і максимального значення падаючого випромінювання. У нашій кліматичній зоні його величина прийнята 1000 Вт/м2 .

Розрахункова потужність використовується для проектування геліосистеми. Цей параметр важливий для підбору обладнання, особливо для вибору теплообмінника як нижньої межі з рекомендованим значенням 600 Вт/м2 – при низьких температурах, тобто в режимі експлуатації з очікувано високим ККД. Наприклад, компанія Viessmann використовує саме такий показник потужності колектора при розрахунку компонентів і самої геліосистеми в цілому.

Зустрічається також показник встановленої потужності. Ця умовна величина не застосовується для проектувальних розрахунків і становить 700 Вт/м2 площі абсорбера (усереднена потужність при максимальному випромінюванні).

Продуктивність сонячного колектора визначається як добуток середньої очікуваної потужності (кВт) на одиницю часу (годину). Питома продуктивність колектора сприймається як відношення продуктивності до одиниці площі колектора або площі апертури (кВт·год/м2 ) і використовується на різних етапах проектування та розрахунку геліосистеми. Питома продуктивність в рік, зокрема, визначає режими і експлуатаційні характеристики – чим вищий цей показник, тим більше теплоти може бути використано для системи опалення та ГВП. Багато в чому цей параметр залежить від затіненості колекторів зовнішніми предметами (дерева, стовпи і т. д.), а також від оптимальної орієнтації колекторів за сторонами світу і кута їх нахилу.

Робочий кут нахилу (рис. 3) не рекомендовано вибирати з урахуванням опромінення на річному максимумі. Навпаки, щоб уникнути стагнації і збільшити період ефективної експлуатації геліосистеми за рік, доцільно вибирати кут нахилу, який забезпечував би найкращі характеристики відбору тепла в міжсезоння і взимку. Влітку ж, якщо система використовується тільки для ГВП, збільшення кута допоможе захиститися від надлишку енергії, проте протягом року теплота буде вироблятися більш рівномірно (рис. 3), ніж при орієнтуванні колекторів на максимальну освітленість протягом року.

Зображення продуктивність соняного колектора Рис. 3. Продуктивність сонячного колектора і кут його нахилу до горизонту

Поряд з продуктивністю, для проектування колекторної установки дуже важливим параметром є заміщення теплового навантаження геліосистемою – чим це значення більше, тим більша економія енергії від інших джерел. Однак проектування комбінованої системи – це завжди пошук компромісу для досягнення оптимальних параметрів для кожного конкретного випадку.

Розумний компроміс зазвичай досягається між інвестиційними витратами і економією придбаної енергії. Зазвичай економічно обгрунтований показник частки заміщення теплового навантаження у нас (втім, як і в Німеччині) складає приблизно 50-60% для ГВП (невеликі сонячні системи), а для багатоповерхівок – 30-40% на ГВП (більш потужні сонячні установки), див. рис. 4. Якщо при заміщенні розглядається опалення, то вказується середнє (стандартне) значення, оскільки тут частка заміщення в більшій мірі залежить від теплотехнічних характеристик приміщення. Слід пам’ятати, що чим більше частка заміщення, тим менше в розрахунках слід орієнтуватись на питому продуктивність на квадратний метр площі колектора – через неможливість уникнути невикористаного «перевиробництва тепла» влітку і зниження фактичного ККД колектора.

Зображення заміщення теплового навантаження Рис. 4. Частка заміщення теплового навантаження та ГВП за рахунок геліосистеми

Фактичний ККД геліосистеми зменшується зі зростанням перепаду температур між температурою теплоносія і навколишнім середовищем. Також при підвищенні температури можна увійти в режим стагнації. Запатентована компанією Viessmann система захисту ThermProtect. У плоских колекторах це спеціальне поглинаюче покриття, яке змінює свої властивості залежно від температури. Якщо температура колектора піднімається вище заданого значення, відбувається зміна кристалічної структури, яка забезпечує більшу тепловіддачу. Температура колектора падає і сонячні колектори не перегріваються. У вакуумних трубчастих колекторах Viessmann Vitosol 300 захист від закипання працює за рахунок т. з. саморегулюючої «теплової трубки» (HeatPipe). Вона запобігає конденсації теплоносія в трубках, коли їх температура підвищується.

Відео. Як працює система захисту сонячних колекторівThermProtect

Особливості проектування геліополя

Фактично, за допомогою геліосистеми з одиниці площі можна зібрати досить обмежену кількість відновлюваної енергії. Питома продуктивність сонячних систем порівняно мала, тому збільшення попиту енергії завжди означає відповідне збільшення площі колекторів, з'єднаних т. з. геліополем, див. рис. 5. Це вимагає ретельного проектування і розрахунку розподілу теплоносія. Геліополя бувають одноконтурні та багатоконтурні (в яких разом з'єднуються кілька одноконтурних геліополей).

Зображення складові геліополя із соняних колекторів Рис. 5. Складові геліополя

В одноконтурному геліополі колекторна панель безпосередньо з'єднана з подаючим і зворотним трубопроводами. Є безліч варіантів з’єднання колекторів в панелі, що формують геліополе.

Пласкі колектори можна об'єднати в одну колекторну панель (зазвичай – до 12 колекторів). Вони можуть підключатися як з однієї, так і з двох сторін, рис. 6.

Зображення схема підключення пласких сонячних колекторів Рис. 6. Варіанти підключення колекторів в одноконтурне геліополе (плаский колектор)

Вакуумні трубчасті колектори (див. рис. 7) можна об'єднувати в колекторні панелі (зазвичай – площею до 15 м2 ). Їх також можна підключати з одного боку (верхній патрубок в колекторі закритий заглушкою і не з'єднується з трубопроводами), або з двох сторін, але деякі моделі використовуються тільки для одностороннього підключення. Для всіх типів колекторів повинна забезпечуватися необхідна об'ємна витрата теплоносія [л / (год·м2 )] з урахуванням втрати тиску, які залежать від типу колекторів і схеми їх підключення. Наприклад, в разі «попутної схеми» підключення (або «схеми Тіхельманна»), при якій для кожного колектора сума довжин подачі і відбору теплоносія однакова, можна відмовитися від балансувального клапану.

Зображення підключення вакуумних колекторів Рис. 7. Варіанти підключення вакуумних трубчастих колекторів в одноконтурне геліополе

Схеми підключення багатоконтурних геліополей

Колекторні панелі можуть об'єднуватися в багатоконтурні геліополя. При цьому важливо враховувати їх розташування і втрати тиску в кожній з панелей, та при необхідності балансувати потік через них. У разі, коли всі колекторні панелі мають однаковий розмір, однакове підключення та однакові втрати тиску, то немає необхідності застосовувати балансувальний клапан. (Колекторні панелі підключаються паралельно, з'єднувальний трубопровід прокладається по схемі Тіхельманна.) При проектуванні геліополя необхідно завжди враховувати максимально допустиму кількість колекторів. Наприклад, якщо при визначенні розмірів геліополя вийшло 17 колекторів, то їх кількість скорочують до 16, щоб отримати дві колекторних панелі однакового розміру (по 8 колекторів), або збільшити їх до 18 (по 9 колекторів в зв'язці). При цьому перевіряють, чи не перевищена рекомендована виробником площа панелі.

Якщо через обмежену площу для розміщення колекторних панелей геліополя необхідно розділити, то використовують два геліополя з паралельно включеними колекторними панелями. При цьому втрати тиску не повинні перевищувати 100 мбар. Якщо колекторні панелі однакового розміру мають втрати тиску такого порядку, то при з’єднанні за схемою Тіхельманна застосування балансувальних клапанів не вимагається (див. рис. 8, коли опір і потік у відповідних гілках «А» і «В» рівні між собою). Це забезпечить рівномірність експозиції.

Зораження багатоконтурне поле з сонячних колекторів Рис. 8. Схеми багатоконтурних геліополів (з однаковими і різними колекторними панелями)

Багатоконтурні геліополя з різними колекторними панелями (тобто поля різного розміру, різного підключення і з різною втратою тиску) необхідно гідравлічно ув'язувати між собою (балансувати). Клапани, по можливості, встановлюються поруч один з одним, безпосередньо після розгалуження – це полегшує ув'язку балансувальними клапанами.

Якщо в багатоконтурному геліополі є різні контури, наприклад, верхня колекторна панель має такий же розмір, що і сума двох нижніх, тоді втрати тиску будуть різними (а це означає, що різними будуть і потоки через них), тому й працювати ці контури будуть по-різному. В результаті цього їх необхідно гідравлічно узгодити (див. внизу рис. 8 і рис. 9).

Зображення схем підключення багатоконтурного поля сонячних колекторів Рис. 9. Багатоконтурне геліополе (з неоднаковими колекторними панелями)

Необхідно перевірити всі варіанти підключення колекторних панелей. Серед них слід вибрати той, який дозволить відмовитися від ув'язування контурів геліополя. Це додатково забезпечить надійність системи. Для багатоконтурного геліополя з різними колекторними панелями (як на рис. 9) існує альтернативний варіант, який забезпечить підключення без застосування балансувального клапану: обидві нижні колекторні панелі послідовно з'єднуються між собою і паралельно підключаються до верхньої колекторної панелі (див. рис. 10).

Зораження послідовно паралельне підключення сонячних колекторів Рис. 10. Багатоконтурне геліополе (варіант) з послідовно-паралельним підключенням фрагментів

Монтаж геліополя

Поряд з проектуванням, вирішальне значення має професійний монтаж геліосистеми. Гідравлічні режими роботи великих геліополів дуже складні.

Невірне застосування трійників, відводів або поворотів трубопроводів може порушити рівноважний гідравлічний режим роботи контурів, підключених за схемою Тіхельманна. Навіть невеликі відмінності у втратах тиску можуть призвести до нерівномірного розподілу теплоносія в колекторних панелях або контурах геліополя, див. рис. 11. При неоднаковому підключенні колекторних панелей доведеться гідравлічно пов'язувати потоки в кожному контурі геліополя.

Зображення опір в системі з соняними колекторами Рис. 11. Вплив місцевих опорів

Трубопроводи і арматура для підключення колекторних панелей

Для забезпечення необхідної швидкості теплоносія розрахунок діаметра з'єднувальних трубопроводів виконується за значенням розрахункової витрати теплоносія в кожному контурі геліополя. Діаметри трубопроводів для підключення колекторних панелей розраховуються на швидкість потоку від 0,4 до 0,7 м/с, див. рис. 12.

Зображення діаметри труб при підключенні геліоколекторів Рис. 12. Монтаж підключень з урахуванням швидкості теплоносія в контурах геліополя

У багатоконтурних геліополях важливо передбачити надійне видалення повітря, проте на рекомендованих швидкостях потоку для цього не потрібен автоматичний (швидкодіючий) повітрявивідник, досить ручного. Тип повітрявивідника необхідно вибирати з урахуванням високих температур в первинному контурі геліосистеми.

Для введення в експлуатацію та проведення технічного обслуговування різні контури геліополя повинні мати можливість окремого відключення. Якщо колекторна панель або її частина повністю відключається за допомогою запірної арматури, то в результаті вона відділяється від запобіжних пристроїв (запобіжного клапана і мембранного розширювального бака). Тому необхідно забезпечити захист від випадкового відключення (застосовувати запірну арматуру зі з'ємними важелями або маховиками, чи з опломбуванням). Для відключення окремих контурів необхідно передбачити можливість зливу з них теплоносія.

Процес введення в експлуатацію і технічне обслуговування колекторних панелей буде полегшено, якщо у вхідний трубопровід кожного контуру буде встановлено датчик температури. Іноді такий датчик входить до складу приладь для монтажу колекторів.

За допомогою знімного датчика температури можна також виміряти температуру теплоносія в подаючому трубопроводі кожного контуру під час роботи геліосистеми. Оскільки температура в зворотному трубопроводі кожного контуру однакова для всіх контурів, то по відхиленню температури в прямому трубопроводі можна зробити висновок про витрату теплоносія в кожному контурі геліополя. Для постійного контролю є можливість обладнати окремі контури геліополя стаціонарно встановленими датчиками температури.

Деякі додаткові уточнення

На відміну від звичайних систем опалення та ГВП, де неважко досягти потрібних показників потужності, геліосистеми, які встановлюються на дахах будівель (пласких або похилих) мають ряд фізичних обмежень. Це можуть бути слухові і мансардні вікна на похилих дахах, або дефіцит вільної незатіненої площі на пласких дахах (особливо, якщо там встановлено інше інженерне обладнання – кондиціонери, димоходи, супутникові антени та т. д.). Таким чином, будівля може «диктувати», де і з якою орієнтацією встановлювати різні колекторні панелі. При розташуванні колекторних панелей на різних схилах даху необхідно вирішити, чи буде геліополе працювати як єдине ціле або колекторні панелі будуть використовуватися окремо. Для оцінки впливу орієнтації необхідно розрахувати на інсоляцію на поверхні колектора з різною орієнтацією.

На рис. 13 показана погодинна інсоляція протягом доби на площу з нахилом 45°. Можна помітити, що криві розташовані дуже близько одна до одної. Чим менше кут нахилу, тим ближче одна до одної розташовуються криві.

Зображення сонячний колектор ціна Рис. 13. Вплив підключення колекторних панелей з різною орієнтацією по сторонах світу на продуктивність геліосистеми в залежності від інсоляції протягом дня

Для підвищення експлуатаційної надійності невеликих сонячних систем і зниження витрат на їх монтаж, рекомендується не розділяти геліополя, якщо вони не зміщені відносно один одного більше, ніж на 90°. Вплив різної орієнтації колекторних панелей настільки малий, що в невеликих сонячних системах ним можна знехтувати. Невелику втрату потужності, що виникає внаслідок циркуляції теплоносія в колекторній панелі, яка не освітлюється сонцем, в порівнянні з іншими перевагами можна вважати прийнятною. При використанні вакуумних трубчастих колекторів втрати потужності ще більш незначні, тому такі колекторні панелі допускається розміщувати з відхиленням до 180°С. В цьому випадку датчик енергії випромінювання слід розміщувати посередині між колекторними панелями.

Те ж саме стосується і колекторних панелей з різними кутами нахилу. Якщо, наприклад, одна колекторна панель встановлена на фасаді, а інша на даху, їх також можна використовувати спільно. Для колекторних панелей з різною орієнтацією і різними кутами нахилу крива продуктивності обох контурів розраховується за допомогою спеціальної програми. Виключно на підставі розрахунку можна визначити продуктивність і інші показники роботи сонячної системи.

Важливо пам'ятати, що тільки кваліфіковані проектувальники і монтажники, авторизовані виробником геліосистем, володіють необхідними практичними навичками та знаннями ноу-хау, а тому нададуть споживачам всебічну підтримку при розрахунку, проектуванні і погодженні геліостанції з іншими системами опалення та ГВП, забезпечать безпроблемне введення в експлуатацію і якісний гарантійний та післягарантійний технічний сервіс системи.

Читайте статьи и новости в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь на YouTube-канал.

Просмотрено: 1 715


Оставьте комментарий

Telegram