Особенности подключения гелиосистем на воде

C. Билявец

Гелиосистемы, в качестве теплоносителя использующие воду, – уже не новый для отечественного рынка продукт. В регионах Украины уже реализован ряд проектов с их применением. Рассмотрим особенности монтажа таких систем и принцип работы

Схемы устройства гелиосистем, работающих на воде, отличаются от традиционных, использующих в качестве теплоносителя водно-гликолевые смеси. И дело даже не столько в различных свойствах данных материалов.

Применение антифризов дает преимущество в том, что система не замерзнет даже в сильные морозы. Однако в таком случае из-за токсичных свойств водно-гликолевых смесей нельзя допускать смешение контуров гелиоколлекторов, систем ГВС и отопления. Поэтому необходимо использовать бивалентные бойлеры косвенного нагрева. Кроме того, антифризы довольно дороги, их необходимо менять в случае неоднократного закипания.

Вода же дешевле и доступней. ее можно напрямую подавать в системы теплоснабжения (рис. 1). При этом гелиоколлектор фактически выполняет функцию газовой колонки или котла.
Несколько упрощается и общая схема системы за счет применения более простого и менее объемного бака-аккумулятора.

Рис. 1. Принципиальное отличие гелиосистем на воде от гликолевых аналогов – отсутствие необходимости в теплообменнике для «солнечного» контура

Обеспечение ГВС

Одна из возможных схем подключения показана на рис. 2. Здесь солнечные коллектора работают исключительно на нагрев воды для санитарных нужд.

Подающая линия от гелиоколлектора врезается в линию подачи воды от котла системы горячего водоснабжения. Нагретая вода поступает в теплообменник бойлера и нагревает ГВС. Вода проходит через теплообменник бойлера косвенного нагрева, охлаждается и с помощью насоса солнечной установки подается обратно в коллектор, таким образом замыкая рабочий цыкл.
Очень важный нюанс при подключении труб к подающей линии – обязательное так называемое сифонное подключение, под прямым углом. Врезка трубы осуществляется снизу. Делается это для того, чтобы пузырьки воздуха, из системы отопления, не попадали в гелиосистему и тем самым не снижали ее производительность.

Для отвода воздуха, как правило, предусматриваются воздухоотводчики в контуре котла, а также краны на радиаторах.

Развоздушивание необходимо осуществлять не реже одного раза в год.

Рис. 2. Схема подключения гелиосистемы для нужд ГВС:
TSA – температура на выходе солнечного коллектора; TSE – температура на входе солнечного коллектора; TW – температура горячей воды; TWU – нижняя температура горячей воды; PSO – насос солнечного контура; АВ М – трехходовой клапан, WW – подача горячей воды в систему ГВС, KW – подпитка холодной водой

Для подключения гелиоколлекторов к общей системе используется гофрированная труба. При этом за счет того, что вязкость воды намного ниже, чем у гликолевых смесей поток воды в данной трубе будет турбулентным. Поэтому воздух, который может собираться в складках гофры, за счет турбулентности будет скорее выноситься.

Управление нагревом системы ГВС осуществляется с помощью автоматики. Датчики, установленные в коллекторе, верхней и средней части накопительного бака считывают данные о температуре воды в подающей линии. В соответствие с этим выбирается алгоритм работы насоса контура гелиоколлектора и нагревающего теплогенератора.

Температура в самом коллекторе контролируется датчиками на подающем (TSE) и на обратном трубопроводе (TSA). Кроме того, устанавливается расходомер, учитывающий количество поступающей в коллектор воды. На основании данных этих приборов формируются сведенья о продуктивности системы по итогам работы за день.

Общий солнечный регулятор следит за работой всей системы, учитывая объемные потоки. если датчик TSA показывает, что вода в коллекторе нагрелась до заданной температуры (диапазон настройки от 60 до 90 ºС), включается насос и отбирает воду в бойлер.

Таким образом, коллектор реализует принцип «полного ведра» и, по сути, представляет собой дополнительный котел, в котором нагревается вода.

ГВС и отопление

Одна из возможных схем подключения солнечной системы для работы на ГВС и отопление показана на рис. 3.
Для обеспечения стабильного снабжения горячей водой применяется схема, включающая специальную комбинированную буферную емкость, которая оснащена
наружным теплообменником для подогрева воды, подаваемой в контур ГВС. Вода, подмешиваемая в отопительный контур, поставляется из буферной емкости. Оттуда же, только из нижней части, подается остывшая вода на гелиоколлектор.

Рис. 3. Схема подключения гелиосистемы с частичным покрытием нужд отопления

Защита от замерзания

Поскольку в солнечном контуре используется вода, то в приведенных схемах реализована система защиты от замерзания. Основана она том, что датчик, установленный в гелиоколлекторе постоянно контролирует температуру поступающей воды. И если она опускается до 2 ºС, автоматически включается насос. Он подает воду из нижней части буферной емкости, до тех пор, пока не будет достигнут безопасный уровень. Учитывая, что объем коллекторов довольно небольшой – всего несколько литров, – подобная работа практически не отражается на деятельности всей системы ГВС и отопления. На защиту от замерзания расходуется всего порядка 2–4% от производимой гелиоколлектором тепловой энергии за год.

На случай, если система все-таки даст сбой, в самом гелиоколлекторе и на выходе из него для компенсации линейного расширения льда предусматривают гофрированные вставки в самом коллекторе.

Стоит отметить, что морозоустойчивость системы, а также и ее эффективность, зависят от длины наружного трубопровода. Чем это значение меньше, тем лучше. В любом случае длина трассы должна быть с максимальной точностью внесена в программу работы солнечного регулятора.

В настоящее время на украинском рынке представлены солнечные системы, которые стабильно работают при длине наружной трассы до 15 м и температуре воздуха до –34 ºС. (исходя из опыта прошлой зимы)

С целью исключения сбоев в работе гелиосистемы в последствии отключения електричества, обязательно должен быть установлен источник бесперебойного электропитания гелионасоса.

Упрощенный расчет производительности

Расчет производительности гелиосистемы в каждом случае необходимо производить индивидуально. В общем случае можно предложить следующую упрощенную схему расчета площади коллекторов и объема накопительного бака.

если предполагается использовать солнечную установку только для приготовления горячей воды, площадь коллекторов принимается из расчета:

Ар = n + 1,

где n – количество жильцов в доме.

Объем накопительного бака при этом равен:

Vр = 40 × Ар.

Таким образом, площадь гелиоколлекторов принимается исходя из примерно 1 м² на 40 л накопительной емкости.

если солнечная система используется и на отопление, то размер бака и площадь коллекторов должны быть больше:

Аор = 2 × n + 1.

При этом объем накопительного бака:

Vор = 80 × Аор.

Таким образом, объем буферной емкости пропорционален площади коллекторов. если взять больше необходимого, то не вся энергия будет использоваться и бойлер будет находиться постоянно в горячем состоянии. Таким образом, система быстрей войдет в состояние стагнации. если меньше, то не будет хватать тепловой энергии пользователю.

От требуемой производительности системы зависит площадь гелиополя, что влияет на величину объемного потока. На основании этих данных рассчитывается диаметр солнечного трубопровода.

При монтаже гелиоколлекторов, которые могут устанавливаться как последовательно, так и в каскад, стоит обратить внимание на то, чтобы угол наклона был равен или приближен к 45º. Это препятствует накоплению снега на их поверхности, что, свою очередь, снижает производительность. Стоит также отметить, что, поскольку нельзя полностью полагаться на солнечную энергию, в системах на воде, также как и в традиционных гликолевых необходимо использовать теплогенераторы. Это может быть газовый, твердотопливный, электрический или любой другой котел в зависимости от конкретной ситуации и желания потребителя. Полная независимость от традиционных теплогенераторов достигается с помощью комбинирования солнечной установки с тепловым насосом. При этом принципиальная схема подключения солнечных коллекторов не меняется. То же самое относится и к варианту подключения гелиосистемы на воде в уже существующую систему отопления и ГВС (рис. 4). При этом гелиоколлекторы можно использовать в качестве генератора тепла для поддержания какрадиаторной системы отопления, так и «теплого пола», а также подогрева воды в бассейне. Подсчитано, что за день 1 м² гелиоколлектора нагревает до 80 л воды.