Как избежать стагнации в современных гелиосистемах

Е. Черняк

Электроэнергия и газ – традиционные источники энергии, обеспечивающие комфортную жизнь современного человека, – становятся все дороже. Люди все чаще обращают внимание на энергию, предоставляемую самой природой. Появляются новые технологии с использованием возобновляемых источников энергии, позволяющие существенно снизить затраты ископаемых энергоносителей. Одна из таких технологий – использование фототермальной энергии для систем отопления и ГВС. При всех своих плюсах гелиосистемы имеют очень серьезный минус: когда отбор тепла невелик, а солнце дает большое количество энергии, возникает ситуация, при которой теплоноситель может закипеть. Этот процесс называется стагнацией гелиосистемы. Предлагаем несколько решений, позволяющих не допустить стагнации

Причина закипания теплоносителя, или стагнация системы, – переизбыток тепла, выработанного солнечными коллекторами. Если теплоноситель не отдает полученное тепло и его температура не снижается, может возникнуть паровая пробка, которая закупоривает гидросистему и прекращает циркуляцию жидкости до того момента, пока пар не конденсируется. Такая гелиосистема работает неравномерно и создает неудобства потребителю – необходимо дополнительно нагревать воду для ГВС от традиционных источников тепла и ожидать, что гелиосистема восстановит свою работоспособность на следующий день после ночного охлаждения.

Теплоноситель непрерывно нагревается в коллекторе в солнечное время, и если тепло из ГВС не отбирается (например, когда никого нет дома), то закипание жидкости – естественный процесс, который нарушает работоспособность системы и даже может стать причиной аварии. Перегрев системы из-за недостаточного отбора тепла, прежде всего, обусловлен неправильным подбором солнечной установки в конкретных климатических условиях и ошибочным учетом реальных нужд потребителя в тепле.

Сегодня для гелиосистем используют различные варианты внешней защиты от закипания теплоносителя: теплоотражающие экраны, сдвижные роллеты, приводимые в действие вручную или с помощью электропривода, управляемого от сигналов датчика температуры. Встречается также способ сброса избыточного тепла путем перенаправления теплоносителя в дополнительные теплообменники на открытом воздухе – радиаторы или бассейны-охладители. Но рассеивать добытое тепло неэффективно, а бассейн имеется не у всех. Принудительное затенение коллекторов иногда может не сработать – к примеру, из-за попадания листвы на направляющие подвижной защитной системы.

Для предотвращения процесса закипания теплоносителя применяются разные способы предупреждения образования паровой пробки и перегрева ее компонентов. Чтобы повысить безопасность системы при эксплуатации, применяют регулирующие клапаны, расширительные мембранные баки и ряд других предохранительных устройств. Представляем схемы защиты гелиосистемы от перегрева теплоносителя для трех типов гелиосистем – гравитационной, принудительно-циркуляционной и незакипающей.

Термосифонные гелиосистемы

Это системы простейшего типа, где, благодаря естественной конвекции, передача тепла осуществляется без насоса и сопряженных с ним устройств. Жидкость в таких гелиосистемах циркулирует естественным образом из-за разности ее плотности в холодном и горячем состоянии, поэтому такие системы еще называют гравитационными.

Вода, нагреваемая от температуры θко обратной линии гелиоколлектора до температуры линии подачи θкл, циркулирует по контуру, образованному гелиоколлектором и баком-аккумулятором. Накопительная емкость оснащена линией подпитки от системы холодного водоснабжения для компенсации расхода теплой воды, которая включает в себя запорную арматуру и обратный клапан. Предохранительный клапан позволяет сбросить опасное давление в закрытой системе при перегреве воды.

Гелиосистема гравитационного типа (рис. 1) должна иметь линию слива воды при низких температурах, угрозе ночных заморозков и при морозе, что характерно в любом регионе Украины. Защита от стагнации здесь выполнена автоматическим клапаном, который выпускает образовавшийся пар в момент закипания воды. Это происходит, если поступающего от коллектора тепла слишком
много и бак-аккумулятор не способен его поглотить полностью.

Изображение солнечного водонагревателяРис. 1. Термосифонная гелиосистема

Gel_For_1

где Emax – поступление солнечной энергии в своем максимуме для данных климатических условий, выраженное в кДж/м2; А – эффективная площадь гелиоколлектора (или поля гелиоколлекторов), м2; η – коэффициент поглощения коллектора; С – теплоемкость воды (равна 4,18 кДж/кг·К); θхол. – температура холодной воды,°С.

Применив коэффициент 1,5 к среднемесячному показателю самого солнечного месяца в определенной местности, приближенно определяют максимальное поступление солнечной энергии для этого региона.

При расчетах объема бака-аккумулятора нагрев воды допускается до 90°С, однако такая температура создает опасность получения ожогов потребителем. Для предотвращения такой ситуации вода в систему ГВС подается через термостатический смесительный клапан, который подмешивает холодную воду и может снизить температуру на выходе до комфортных значений 37–50°С.

Гелиосистемы с принудительной циркуляцией теплоносителя

Эти системы считаются достаточно эффективными, но в них все же могут образовываться «паровые пробки» не только если выработка тепла превышает его потребление, но и в случаях сбоев по электропитанию.

Особенности систем с принудительной циркуляцией (рис. 2) продиктованы их всесезонной работой, поэтому в них применяют в качестве теплоносителя незамерзающую жидкость из воды и гликоля. Такой раствор несколько отличается от использующегося в системах отопления. Он обладает способностью выдерживать высокие температуры и достаточно дорогостоящий. Однако при частом возникновении стагнации даже такой специальный теплоноситель начинает расслаиваться, «легкие» органические молекулы в нем разрушаются, и появляется склонность к комкованию. Такие комки могут полностью засорить живое сечение гидросистемы, а откладываясь на стенках каналов коллектора, локально нарушают теплопередачу, вызывая еще больший перегрев незасоренных участков теплопоглощающей части. В результате такой «перегретый» всего несколько раз теплоноситель нужно менять, поскольку очистка системы от выпавших из неговысокомолекулярных соединений – достаточно непростая процедура.

Изображение солнечной системы для отопления и ГВС с принудительной циркуляциейРис. 2. Гелиосистема с принудительной циркуляцией

В принудительной системе при внезапной остановке циркуляционного насоса в момент активного теплопоглощения гелиоколлекторами тоже может произойти закипание теплоносителя, часть которого при этом безвозвратно сбрасывается через предохранительный клапан. Каждый такой сброс дорогого гликолевого раствора из замкнутой системы требует его восполнения, что влечет за собой дополнительные затраты. Это еще одно отличие принудительной циркуляционной системы от термосифонной гравитационной, в которой сброс воды – рядовое событие. Во избежание сбросов теплоносителя перед клапаном сброса воздуха устанавливается запорный вентиль, который открывают только для заполнения системы при обслуживании.

Предотвращение стагнации в циркуляционных системах начинается с тщательных расчетов при проектировании. Прежде всего нужно выяснить объем горячей воды, реально потребляемой в течение суток. Именно эта величина станет основной при выборе бака-аккумулятора. При расчетах объема бака-аккумулятора в гелиосистемах с принудительной циркуляцией допускается нагрев воды в нем до 90°С. Его минимальный объем можно определить исходя из суточного потребления горячей воды, увеличенной в 1,5–2 раза. Это требуется для того, чтобы температура в бойлере ГВС не опускалась ниже +45°С (обычно при этой температуре включается дополнительный котел) и не нужно было бы подключать другие источники тепла, например газовую колонку. Специалисты рекомендуют для баков-аккумуляторов тепла со спиральным трубчатым теплообменником солнечного контура считать приемлемым объем от 50 до 70 л на один квадратный метр теплопоглощающей площади солнечного коллектора.

Следующий шаг по предотвращению стагнации в системах с принудительной циркуляцией опирается на использование расширительных мембранных баков, с помощью которых компенсируется температурное расширение теплоносителя. От правильного выбора мембранного расширительного бака во многом зависит надежность и безопасность работы всей системы. Он должен быть способен компенсировать тепловое расширение жидкости при работе гелиосистемы в очень широких температурных пределах.

Потребитель может самостоятельно рассчитать примерные параметры требуемого расширительного бака, используя таблицы производителя оборудования или методику, которую можно найти в рекомендациях по проектированию гелиосистем.

Приведем формулу, по которой можно рассчитать минимальный объем мембранного расширительного бака:

Gel_For_2

где VЗ – объем заполнения гелиоконтура, л; VК – емкость гелиоколлектора, л; n – коэффициент расширения (для воды при нагреве от 20 до 100°С n = 0,042); nК – число гелиоколлекторов; p0 – давление заполнения системы, бар; pmax – давление в системе при стагнации, бар.

Величину p0 обычно считают равной
p0 = 0,1·hстат. + 0,7,
где hсртат. – высота в метрах между серединой расширительного бака и наивысшей точкой гелиосистемы.

Давление в состоянии стагнации, обозначаемое как pmax, бар, выбирается из условия
pmax ≤ pПК – 0,2 для pПК ≤ 3 бар;
pmax ≤ 0,9 · pПК для pПК > 3 бар,
где pПК – давление срабатывания предохранительного клапана.

Для устранения причин стагнации также используют контроллеры, которые ненадолго включают циркуляционный насос системы ГВС или отопления при достижении температуры теплоносителя в коллекторе, близкой к закипанию, чем активизируют теплообмен в контуре отбора бака-аккумулятора и повторяют этот процесс до нормализации режима.

Незакипающие гелиосистемы

Гелиосистемы, в которых закипание предотвращается конструктивно, выполнены по «самосливной» схеме. Одна из них – технология Drainback, предложенная инженерами известной немецкой компании Vaillant для систем ГВС (рис. 3). В этой схеме циркуляционный насос, прокачивающий жидкость через солнечную панель, отключается при критическом повышении температуры и угрозевозникновения стагнации, весь теплоноситель сливается в специальную емкость. Пустой коллектор уже не закипит.

Изображение незакипающей солнечной системы с плоскими солнечными коллекторамиРис. 3. Гелиосистема с незакипающим теплоносителем

Специалисты Vaillant в качестве примера еще одной незакипающей системы, приводят auroSTEP. Суть этой технологии состоит в неполном заполнении установки теплоносителем. Циркуляционный насос при пуске сжимает собравшийся сверху в коллекторах воздух и вытесняет его оттуда в специальную полость. В момент возникновения опасности стагнации (или при сбое электропитания) циркуляционный насос останавливается, и сжатый им воздух вновь заполняет коллекторы, вытесняя из них теплоноситель, чем предотвращает его перегрев.

Особенность функционирования по технологии auroSTEP – это способность работы гелиосистемы в широком диапазоне солнечной активности. Пуск системы может осуществляться, даже когда каналы гелиоколлектора горячие. И хотя в момент заполнения раскаленного коллектора происходит активное испарение теплоносителя и его пары прибавляются к объему сжимаемого воздуха, гидросистема заполняется рабочей жидкостью достаточно быстро. Образовавшийся пар вытесняется в змеевик бойлера, где и конденсируется, обеспечивая безопасную эксплуатацию гелиосистемы при угрозе перегрева.

Системы, работающие по технологии auroSTEP, обычно комплектуются водонагревателями емкостью 150–350 л, рассчитанными на работу – по желанию потребителя – с одним–тремя солнечными коллекторами, и оснащены встроенным регулятором для управления солнечной установкой (рис. 4). Базовая комплектация предусмотрена на максимальный перепад высоты между бойлером и солнечными коллекторами до 8,5 метров. Используя дополнительный насос, можно увеличить этот перепад до 12 метров.

Изображение системы солнечных коллекторов для нагрева воды

Рис. 4. Варианты комплектации системы по технологии auroSTEP

В качестве вспомогательного источника тепла специалистами компании-разработчика предлагается использовать конденсационный котел или тепловой насос, а при возникновении потребности в больших объемах тепла (поддержка теплом системы отопления, подогрев бассейна, технологические нужды и прочее) можно установить более производительную гелиосистему auroFLOW, которая тоже работает по принципу технологии Drain-back.

Согласование системы

Помимо конструктивных мер, главный способ предотвращения стагнации – обеспечить эффективный теплоотбор от гелиоконтура даже на пике его нагрева. Очень важно правильно оценить действительные потребности в тепле и графики суточного теплопотребления, покрываемые солнечной энергией, и согласовать компоненты гелиоустановки со всей остальной тепловой системой здания. Нужно тщательнее учитывать общее поступление солнечной энергии в данной местности: среднегодовое значение поступаемого теплового солнечного излучения в зависимости от региона Украины колеблется в диапазоне от 900 до 1300 кВт·ч/(м2·год). В среднем по Украине за год на 1 м2 площади падает приблизительно 1000 кВт·ч энергии Солнца, что примерно соответствует теплотворной способности 100 л дизельного топлива или 100 м3 природного газа.

Даже в летнее время есть существенная разница между дневными максимальными, средними действующими и минимальными температурами нагрева воды в коллекторах. В зависимости от сезона и времени суток поток солнечного излучения, поступающего на земную поверхность, в среднем составляет от 100 до 250 Вт/м2, достигая пиковых значений при ясном небе в полдень до 1000 Вт/м2. А ночью – наоборот, происходит охлаждение. Такой разброс параметров (на порядок или даже более) вынуждает при проектировании более внимательно оценить необходимую общую установленную мощность гелиосистемы и эффективное аккумулирование тепла от нее. Это позволит устранить причину перегрева теплоносителя в гелиоконтуре и одновременно наиболее полно собрать поток тепловой солнечной энергии, преобразовать его и накопить в нужном виде при наименьших затратах на всю установку.

Гелиоколлекторы, согласованные с остальной системой теплоотбора, позволяют полностью обеспечить потребность в горячей воде на протяжении 7–8 месяцев в году (в домах средней площади), а в остальное время подогревают воду до 30–45°С. Это существенно снижает расход газа или электроэнергии и может покрыть примерно до 35% всей ежегодной энергопотребности для ГВС и отопления.

Чтобы избежать стагнации гелиосистемы и термических перегрузок в ее контуре, не следуетустанавливать избыточное количество гелиопанелей «про запас». Здесь действует принцип «лучше меньше да лучше». При росте фактического теплопотребления гелиополе можно нарастить потом. Лучше вложить сэкономленные средства в систему аккумулирования низкопотенциального тепла для всего дома, тепловой емкости которой будет хватать на то, чтобы поглотить энергию, неравномерно вырабатываемую гелиосистемой в течение нескольких суток. Помимо того, что это радикально решает вопрос со стагнацией, это же позволит обеспечить комфортное состояние для потребителей, когда тепло и горячая вода есть всегда.

Больше важных статей и новостей в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь!



Оставьте комментарий

Telegram