Солнечные водонагреватели в Америке. Типы и применение

В последние несколько лет в США спрос на солнечные водонагревающие установки (СВНУ) растет впечатляющими темпами. Такой рост стимулировали федеральные, региональные и коммунальные льготы, и это приводит к поступлению большого количества импорта из Европы и Китая. В то время как основные принципы систем СВНУ не изменились, импортные и отечественные инновации изменили традиционные системы, и даже упростили инсталляцию в некоторых случаях.

Федеральные налоговые органы, и большинство региональных и коммунальных программ стимулирования требуют, чтобы водонагревательное оборудование было сертифицировано Сертификационной Корпорацией Солнечного Рейтинга (SRCC), частной некоммерческой организацией, которая сертифицирует солнечные коллекторы и солнечные системы. Выдаются два типа сертификатов: действующая рекомендация OG -100 для коллекторов и OG-300 для систем. Даже если коллектор или система очень простые, они должны быть сертифицированы SRCC, чтобы иметь право на налоговые стимулы.

SRCC

Solar Rating and Certification Corporation

Руководящие принципы ОG-300 указывают, что производитель предоставит заказчику руководства по эксплуатации и инструкции, и требуют, чтобы все компоненты системы быть промаркированы. Спецификация системы также должна указывать рекомендуемый уровень морозоустойчивости системы. В системе OG-300 данные о реальной производительности были сопоставлены с климатическими данными сотен метеорологических станций, а результаты оценки эффективности системы доступны для большинства районов. Многие штаты и муниципальные районы используют оценку SRCC для расчета окупаемости систем солнечных водонагревателей.

Сертификация SRCC также вводит относительно новые и несколько более длинные имена для всех систем. Например, солнечный накопительный водонагреватель сейчас называют  солнечным коллектором со встроенной системой хранения (ICS). И эти названия становятся стандартом.

SRCC определяет четыре основных типа с открытым и закрытым контуром:

Коллекторы со встроенным теплоаккумулятором (ICS), или «накопительные» водонагреватели, объединяющие коллектор и бак для хранения в одну конструкцию. Когда светит солнце, коллектор подает горячую воду непосредственно в теплоаккумулятор. Системы ICS используют один большой резервуар или ряд небольших баков, известных как прогрессивно-трубные ICS.

Термосифонные системы имеют отдельный резервуар, расположенный выше, чем солнечные коллекторы. Вода нагревается в коллекторе и естественно поднимается в резервуар, где она хранится до использования. Бак должен быть выше коллектора для правильной работы термосифона. Большинство систем термосифонных систем имеют открытый контур, но у некоторых есть бак с встроенным теплообменником и они являются косвенными системами нагрева с закрытым контуром .

Принудительная циркуляция или «активная система » являются системой,в которой используется насос для циркуляции воды или другой жидкости из коллектора, где она нагревается на солнце, в резервуар теплоаккумулятор, где она хранится, пока не будет востребована. Системы с принудительной циркуляцией могут быть «открытыми» (разомкнутыми ) и «косвенного» нагрева с закрытым контуров ( drainback или гликолевые системы).

Категория «самоциркулирующие системы» не имеет сертификации SRCC.

Типы систем

В солнечный день, при правильном проектировании, все типы коллекторов и систем должны легко нагревать бак-теплоаккумулятор. На Гавайях, где вода никогда не замерзает, системы с открытым контуром, прямые, с принудительной циркуляцией являются самыми популярными. ICS и термосифонные системы популярны в мягком климате в самых южных частях Соединенных Штатов. Большая часть остальной территории США использует системы  drainback и гликолевые системы в зависимости от региона и отдельных предпочтений установщиков систем.

Быстрым методом оценки, хорошо работающим для большинства жилых систем является соотношение на 5 квадратных метр площади поверхности коллектора 100 литров воды в накопительном баке. В юго-западной части, в связи с увеличением показателей солнечной энергии, площадь коллектора снижается до 1м2 площади коллектора к каждые 100 литров хранения воды.

Накопительные водонагреватели (ICS)

Накопительные нагреватели применяются для нагрева воды в бедных государствах уже более века. Возьмите цилиндрический резервуар, покрасьте его черной краской, уложите в теплоизолированный ящик со стеклом на крыше и у вас есть солнечный накопительный водонагреватель.Чтобы обеспечить лучшую теплоизоляцию со стороны стекла коллектора, большинство производителей водонагревателей использует стеклопакеты. Принцип прост — солнечный свет проходит через стекло, попадает на черный бак, и нагревает его и воду в нем находящуюся.
Системы ICS считаются «пассивными», так как они не требуют для работы никаких электромеханических устройств, например таких как насосы. Накопительные водонагреватели имеют высокие ночную потерю тепла зимой, потому что только стекло защищает его от холодных ночных температур, хотя некоторые практичные владельцы ночью укрывают стекло дополнительной теплоизоляцией. ICS системы, как правило, устанавливается для круглогодичного использования только в теплых краях, как Гавайи, или заявляют, что граница использования Мексика или Мексиканский залив.
Термосифонные системы

Термосифонные системы также считаются пассивными, так как они не требуют насоса или контроллера. Эти системы могут иметь либо объединенные или раздельные коллекторы и баки-накопители, которые могут быть более эффективными в сохранении тепла в холодные ночи, так как бак может быть хорошо теплоизолирован. Тем не менее термосифонные системы, как правило, более чувствительны к замораживанию, чем накопительные водонагреватели из-за присутствия в конструкции небольших вертикальных трубок в коллекторе.

Солнечый коллектор с естественной циркуляцией

Прямая принудительная циркуляция (DFC)

Системы прямой принудительной циркуляции (DFC) (системы с открытым контуром) очень популярны в местах, где вода никогда не замерзает, таких как Гавайи. Циркуляция нагреваемой санитарной воды осуществляется непосредственно через коллектор(ы). Основными компонентами системы DFC являются: сам коллектор, бак-теплоаккумулятор, насос и контроллер для включения насоса, когда есть достаточное количество солнца, чтобы добавлять тепло в бак.

Marken141OpenLoopSkiz

 

Косвенная принудительная циркуляция (IFC)

Системы косвенной принудительной циркуляцией (IFC) используют отдельный контур с теплоносителем, который циркулирует и нагревается в коллекторе. Теплообменник передает тепло от теплоносителя к питьевой воде в бак-теплоаккумулятор.  Все IFC системы все имеют один или два насоса, в зависимости от типа теплообменника. Системе со встроенным теплообменником в накопительном баке нужен только один циркуляционный насос; система с внешним теплообменником нуждается в двух насосах.  IFC системы типа drainback или использующие антифриз — являются по-настоящему морозостойкими системами. Обе системы с закрытым контуром.

Drainback система (дренажная система) включает такие элементы как: дренажный бак с теплообменником или без, один или два насоса, контроллер. Защита от замораживания в drainback системах происходит путем сброса воды из контура коллектора обратно в drainback резервуар, в результате чего коллектор и трубы, заполненные воздухом. Коллекторы и все трубопроводы должны иметь уклон, чтобы теплоноситель стекал самостоятельно, когда насос будет обесточен.

 

Marken141DrainbackSkiz

 

Гликолевая система является самой сложной, но наиболее часто применяемой системой из всех солнечных водонагревающих систем. Эта система требует расширительный бак, теплообменник, бак-теплоаккумулятор, насос(ы), контролер, температурную защиту, клапаны безопасности.

Для их защиты системы от замерзания,гликолевые  системы используют  тот же принцип, который используют в автомобилях: теплоноситель с соотношением 50/50  антифриза и воды. Солнечные водонагреватели используют нетоксичный пропиленгликоль вместо высокотоксичного этиленгликоля используемого в большинстве автомобилей.

Marken141AntifreezeSkiz

 

 

Выбор типа системы в зависимости от наружных температур

Тип системы Мин. наружная t °C
Накопительная (ICS) от -12 до -7
Прямая принудительная циркуляция (DFC) от -7 до +4
Drainback до -46
Гликолевые до -51

 

Компоненты коллекторов

Функция солнечного термального коллектора проста — собрать весь солнечный свет, передать тепло теплоносителю, и делать это надежно в течении десятилетий. При этом коллекторы должны поглощать много тепла и минимизировать  солнечные потери на отражение и потери тепла в окружающую среду. Сейчас на рынке доступны два основных типа — плоские солнечные коллекторы и коллекторы с вакуумированными трубками (вакуумные коллекторы) (ET).

Плоские коллекторы проверены временем, надежные, недорогие, и в настоящее время доминируют на рынке теплых стран. У них есть поглощающая пластина — лист меди или алюминия, окрашенный или с черным покрытием, который связан с теплосъемными трубами (стояками) с теплоносителем. Трубки и поглотитель заключены в теплоизолированном металлическом каркасе, и укрытым стеклом для создания парникового эффекта из-за воздушного зазора. Наиболее часто используются: высокотемпературная теплоизоляция, закаленное стекло с низким содержанием железа, алюминиевые рамы, а также доступны различные типы покрытий поглощающей пластины-абсорбера, начиная от черной краской до фирменных селективных покрытий, которые максимизируют поглощение и удержание тепла.

Marken141FlatPlatePhoto

Плоские коллекторы обычно устанавливаются в системах получения горячей воды

Плоские коллекторы обычно имеют площадь от 2 м2 (1м х 2 м) до 4.2 м2 ( 1.2м х 3.5м) или более, вес может быть более 60 кг. Они вмещают небольшое количество теплоносителя 1-3 литра.

Коллекторы с вакуумными трубками являются более современной технологий, появившейся в конце 1970-х годов. Существует несколько видов коллекторов, общим элементом которых, является стеклянная трубка, окружающая пластину абсорбера. Так как пространство внутри трубки вакуум, который является намного лучшим изолятором, чем воздух, эти коллекторы имеют гораздо лучшее сохраняют тепло, чем остекление и воздушная прослойка в конструкции плоских коллекторов.

Marken141EvacTubePhoto

вакуумный коллектор имеет лучшую производительность в холодном климате, но и имеет высокую стоимость

 

В большинстве коллекторов используется боросиликатное стекло для максимальной прозрачности и прохождения солнечного излучения к поглощающей пластине, и применяют схожие покрытия поглотителя как и у плоских коллекторов. Сбор тепла может параллельно производится с нескольких трубок, количество трубок бывает от 4 до 30 и более. Как и у плоских коллекторов, несколько коллекторов могут быть подключены к контуру параллельно, чтобы увеличить пропускную способность системы . Хотя в целом вес и размеры схожи между двумя типами, вакуумные коллекторы  обычно имеют преимущество в том, что отдельные элементы коллекторов можно собирать на месте, а не поднимая весь коллектор.

Рама коллектора. Почти все производители коллекторов делают раму (монтажную систему) для их коллекторов. Монтажные системы прикрепляются к алюминиевому профилю коллектора, и поэтому для каждой модели разные. Монтажные системы обычно изготавливаются из алюминия или нержавеющей стали . Многие производители могут предоставлять инженерные данные по прочности рамы для ветровой нагрузки.

Баки

Баки-теплоаккумуляторы для хранения горячей воды обычно применяются в диапазоне от 150 до 500 литров для жилых систем. Электрические водонагреватели могут быть легко адаптированы в качестве солнечных баков. Специализированные баки-теплоаккумуляторы производят с или без интегрированных теплообменников. Большинство баков имеют внутренне покрытие стеклом (стеклофарфор), но может быть из нержавеющей стали или покрыты полимерной пленкой из высокотемпературного полибутилена.

Marken141SolarTankPhoto

 

Drainback (DB) резервуары для жилых систем, как правило, имеют объем от 30 до 80 литров. Большие резервуары DB служат как резервуар drainback и как бак-теплоаккумулятор. Резервуар DB собирает теплоноситель из контура коллектора при дренаже из коллектора и трубопроводов. DB баки может быть просто небольшим баком или может содержать внутренний теплообменник. Бак БД должен иметь, по крайней мере, в два раза больший объем, чем объем системы (трубопроводов, коллекторов и теплообменника).

Marken141DrainbackTankPhoto

 

Расширительные баки. Все жидкости при нагревании имеют физическое свойство расшириряться, и в замкнутых системы нужно каким-то образом поглощать это расширение. В drainback системах, для этой цели служит DB резервуар. В гликолевых системах, используются расширительные баки. Они обычно очень малы — от 8 до 16 литров и имеют размеры в зависимости от объема системы и максимальной температуры системы.

Резервный водонагреватель. Многие баки солнечных систем имеют электрический нагреватель в верхней части резервуара, который служит в качестве резервного источника для нагрева воды, когда солнечная система не производит достаточного количества горячей воды. Системы с одним баком имеют меньше потери тепла и занимают меньше места, чем системы с двумя баками-теплоаккумуляторами.

Системы с двумя баками используют один бак для накопления солнечного тепла и резервный бак нагреваемый от  газового или электрического водонагревателя , который содержит горячую воду в любых погодный условиях. Резервный нагреватель может быть также внешним (безрезервуарным) или проточным. Системы со вторым баком-теплоаккумулятором увеличивают общую емкость хранения тепловой энергии системы. Однако, так как второй бак обычно не имеет  нагревательных элементов, то резервный источник энергии не может быть использован в режиме предподогрева воды, как это может в системе с одним баком.

Насосы

Насосы используются в замкнутых системах для перемещения теплоносителя в коллекторном контуре через коллектор и баком или теплообменник. Когда внешний теплообменник используется в системе непрямого нагрева, насос также требуется на контуре питьевой воды или отопления. Когда насос используется для циркуляции питьевой воды (открытый контур или ГВС контур), он должен быть изготовлен из бронзы или нержавеющей стали из-за коррозионного воздействия растворенного кислорода в питьевой воде.

Marken141PumpPhoto

 

Drainback системы нуждаются в достаточно высокой величине напора насоса, чтобы вытолкнуть весь воздух из системы при запуске системы и преодолеть высоту столба жидкости до коллектора. Гликолевые системы могут использовать насосы с меньшим напором, так жидкость находится в кольце и нет необходимости преодолевать «воздушный карман». Потому системы с антифризом (гликолевые) более охотно используют в автономных системах с питанием насосов постоянным током от солнечных батарей (PV) . Промышленность  выпускает очень ограниченный выбор насосов постоянного тока (DC) с высоким напором, которые подходят для drainback систем.

Marken141CollectorPVPhoto

В закрытом контуре насос может питаться постоянным напряжением от солнечных батарей

Контроллеры

Системы с принудительной циркуляцией должны иметь контроллер, чтобы управлять насосом. Так как температура воды в баке будет увеличиваться на 15° С или более в солнечный день, контроллер следящий за разностью температур (дифференциальный контроллер) будет максимизировать эффективность системы. Контроллер имеет датчик для контроля температуры коллектора, а другой для контроля температуры бака. Контроллер включает насос, когда коллектор на несколько градусов теплее, чем бак и выключает насос, когда температура коллектора упадет ниже температуры, при которой коллектор уже не в состоянии добавить тепла в теплоаккумулятор. Многие современные контроллеры имеют цифровые дисплеи, несколько различных входов-выходов, несколько режимов защиты от высокой температуры, и режима «отпуск», чтобы помогать избегать перегрева системы, когда дом пустует.

Marken141ControllerPhoto

 

Теплообменники

Теплообменники являются частью всех систем косвенного нагрева, так как антифриз из коллекторного контура нельзя смешивать с питьевой воды, используемой в кране. Теплообменники часто располагаются в баках-теплоаккумуляторах, упрощая систему, используя только один насос и меньше трубопроводов. Баки со встроенными теплообменниками стоят гораздо дороже, чем теплоаккумуляторы без теплообменников (буферные емкости), которые могут быть столь же простым, как электрический водонагреватель с неиспользуемым электрическим элементом.

Тем не менее, буферные емкости требуют внешнего теплообменника и дополнительный насос ГВС для циркуляции питьевой воды из резервуара в теплообменник. Drainback системы, которые имеют DB резервуар со встроенным теплообменником также требуют два насоса, так как теплообменник не является частью бака-теплоаккумулятора.

Клапана и датчики

Для предотвращения обратной, паразитной циркуляции (термосифоном) в ночное время необходимы обратные клапаны. Это может привести к потере тепла и перемерзанию теплообменников в гликолевых система. Drainback системы не могут иметь обратный клапан, т.к. он препятствует дренажу теплоносителя.

Клапаны безопасности (предохранительные) на температуру и давление необходимы для типов всех водонагревателей и баков. Эти предохранительные клапаны, как правило, установлен на «сброс» или активизируются при превышения 98 °С или 9кг/см2.

Marken141ReliefValvePhoto

Клапан безопасности, температурный и по давлению.

Предохранительный клапан используемый на коллекторном контуре гликолевых систем активируется только давлением в 3-6кг/см2. Самой частой причиной сброса давления являются перебои в подаче электроэнергии и поломка насоса.

Marken141MixingValvePhoto

Противоожеговый вентиль необходим, когда бак разогревается до высоких температур

 

Клапаны байпаса позволяют изолировать солнечную частью системы от обычной водопроводной системы при техническом обслуживании.

Смешивающие и термостатические клапаны. Системы солнечных водонагревателей не имеют термостатов, как обычные водонагреватели и бак-теплоаккумулятор может достигать очень высоких температур. Смешивающие, термостатические и противоожеговые клапаны ограничивают темперауру путем подмешивая небольшого количества холодной воды, если температура вода слишком высока. Противоожеговые клапаны имеют меньщие допуски, чем смешивающие и термостатические, и обычно стоят примерно вдвое больше . Но если в системе запроектирован противоожеговый клапан, то смесительный клапан не может быть равноценной заменой.

Манометр. Внешний подкачивающий насос используется в гликолевых системах для поднятия давление до 1-2кг/см2  при заполнении. Давление в системе позволяет поднять температуру киперия антифриза до 120° С и более, чтобы предотвратить сброс теплоносителя через предохранительный клапан. Манометр в системе — первый прибор, который позволяет выявить проблемы с антифризом.

Marken141TempGaugePhoto

 

Насосные станции

Насосные станции являются составными узлом для гликолиевых систем, содержащим циркуляционный насос, клапаны сброса, заполнения, приборов контроля температуры и давления, и обратного клапана. Часто они могут содержать расширительный бак и теплообменник. В насосных станциях также может быть встроен контроллер.

Расходомер устанавливается для контроля скорости жидкости, по которой можно оценить объем в ед. времени. При установке расходомера в вернюю часть бака, можно использовать его как показатель уровня.

Marken141PumpStationPhoto

Солнечная станция может быть укомплектована всем необходимым, для построения солнечного водонагревателя.

Хотя системы солнечногых водонагревателей могут быть сложными системами, с большим количеством компонентов, но конечно по сложности это далеко не «ракета» и даже не автомобиль.

Добавить комментарий


Почитать ещё по теме:


Солнечные водонагреватели: повреждения и ремонт. Часть2
Новый тип солнечных коллекторов
Селективный поглотитель солнечной энергии из наноматериалов
коллектор 200 градусов
Высокотемпературные солнечные коллекторы
Солнечные водонагреватели: повреждения и ремонт. Часть1

Template design by Joule Watt © 2014 Домашняя энергетика