Выбор и установка гелиосистем для отопления

Отопление с помощью Солнца, как давно человечество мечтало об этом, периодически страдая то от избытка солнечной энергии, то от ее нехватки. Гелиосистемы являются попыткой реализовать это желание в бытовых условиях.

Что такое гелиосистема

Гелиосистема — устройство, позволяющее преобразовывать солнечную энергию в тепловую или электрическую. По этому признаку, системы делятся на два вида.

• Система теплоснабжения – установка, реализующая технологию солнечного коллектора. Конструкция преобразует световую энергию в тепловую, а тепловая энергия, в свою очередь, используется для обогрева и организации снабжения горячей водой.
• Система энергоснабжения – типичный представитель – солнечная батарея, являющая собой совокупность полупроводников, преобразующих солнечную энергию в электрическую.

Второй вид является более универсальным, но, как указывается в отзывах, альтернативные источники энергии предпочтительнее использовать для отопления, так как последние требуют меньшей мощности.

Гелиосистема для теплоснабжения состоит из солнечного коллектора, резервуара-аккумулятора, теплоприемника и, собственно, системы отопления. Теплопередачу обеспечивает движение незамерзающего теплоносителя.

Коллекторы бывают двух типов:

• Плоские – панели, содержащие абсорбирующее вещество, защищенное закалённым призматическим стеклом и располагающееся на слое термоизоляции. Незамерзающая жидкость циркулирует по полиэтиленовым или медным трубкам коллектора, и, нагреваясь до нужной температуры, передается в бак. На этой фотографии показан пример расположения коллектора на крыше
• Трубчатые или вакуумные коллекторы представляют собой панель, состоящую из трубок. Трубка имеет двойную структуру: внешняя часть трубки прозрачная, внутренняя покрыта абсорбером, между ними находится вакуум. Такая конструкция позволяет сохранить больше энергии (до 95%) .

Особенности работы гелиосистемы

Схема устройства показывает, что энергетическим источником в системе является солнце. Отсюда следует логичный вывод, что наиболее эффективна гелиосистема летом, когда продолжительность дня и интенсивность солнечного излучения достигают максимальной отметки. В зимнее время эффект оборудования имеет минимальное значение.

Именно поэтому солнечный коллектор не рекомендуется к использованию в качестве основного источника тепла в зимний период. Тем не менее, при небольшой площади здания и высокой степени утепления, гелиосистема может производить до 30% тепла, тем самым способствуя экономии других отопительных ресурсов.

Увеличить полезность устройства можно, используя его для горячего водоснабжения.

Рабочая площадь

Производительность коллектора имеет прямую зависимость от площади его рабочего поля и степени освещения, Поэтому площадь следует рассчитывать на основе летней нагрузки: затраты на горячее водоснабжение, поддержку системы, предотвращающую конденсацию, и так далее. Всё это можно рассчитать собственноручно: для этого проще всего воспользоваться онлайн-услугой, указав количество обитателей, уровень потребления горячей воды и угол наклона, под которым возможно установить солнечный коллектор.

Для отопления в зимний период рабочая площадь аппарата, должна быть в 2– 2,5 раза больше. Более точное устанавливается специалистом, который учитывает степень утепления, особенности здания и тому подобное.

Угол наклона

Ещё один основополагающий фактор для производительности системы – размещение относительно движения солнца.

• Сторона света – юг, так как при любых погодных условиях большую часть дня солнце расположено на южной стороне небосвода.
• Оптимальный угол наклона, с учётом возможности выбирать расположение, 60 градусов. Это положение обеспечивает максимальное попадание солнечных лучей на поверхность в зимнее время. Если выбора нет, то при наклоне менее 30 градусов рекомендуется установить вакуумный коллектор.

Принцип действия гелиосистемы

Типовая комплектация содержит 5 обязательных компонентов:

• коллектор – плоский или трубочный;
• насос для подачи воды;
• бак-аккумулятор – в нем собирается нагретая вода;
• контроллер;
• доводчик – как правило, электрический тэн.

Предлагается два способа установки системы.

• Аккумуляция. В данном случае происходит подача нагретой жидкости в бак-аккумулятор, нагревает воду, поступающую в подающий трубопровод при достижении соответствующей температуры. В зимнее время нагрев воды недостаточен, поэтому бак также обеспечивается дополнительным нагревом с помощью котла или тэнов.
• Подача в систему отопления. Коллектор соединяется водонагревателем, откуда нагретая до нужной температуры вода попадает в бак, а затем в трубопровод. Такой способ соединения, когда в системе действует котел отопления, считается более выгодным, так как в этом случае вода в бак поступает уже в подогретом состоянии, следовательно, отопительный котел тратит меньше тепла.

Гелиосистема поддерживает как радиаторную систему обогрева, так и напольную.

Установка гелиосистемы

Собственноручно производить монтаж гелиосистемы следует только при наличии нужного опыта. Как правило, самостоятельно выполняются работы по размещению системы на баню или душевые. Солнечные коллекторы наиболее удобно располагать на крыше – лучше инсоляция и меньше опасности оказаться в тени объектов, что само по себе представляет и сложность, и опасность для жизни.

• Аппараты размещаются на крыше здания: плоские укладываются на ее поверхности, трубчатые рекомендованы установить на опоры. Дело в том, что снег на плоских аппаратах не задерживается, в то время как с вакуумных его нужно будет очищать.
• Бак-аккумулятор, насос и теплообменник рекомендуется установить как можно ниже, соблюдая те же условия для естественной циркуляции, что и в обычной водяной системе отопления. Если предполагается установить насос, то расположение коллектора не имеет особого значения.
• В качестве теплоносителя рекомендуется использовать антифриз, так как зимой угроза замерзания воды сведет на нет все преимущества солнечного обогрева.

Гелиоустановка для ГВС. Опыт Пермского университета

К.г.н Д.Н. Андреев, заведующий лабораторией экологии и охраны природы; В.И. Сыстеров, главный энергетик, ФГБОУ ВПО ПГНИУ, г. Пермь

В Пермском университете приобретено оборудование для получения горячей воды от энергии солнца. Нагретая вода используется для нужд столовой в корпусе, в котором отсутствует горячее водоснабжение. Оборудование установлено, прежде всего, для проведения научных исследований, оценки эффективности работы подобных систем в климатических условиях г. Перми.

Сегодня в мире функционирует множество систем, использующих нетрадиционные источники энергии. Примеры гелиоустановок, их особенности широко освещаются в различных научных и научно-популярных журналах соответствующей тематики, а также в сети Интернет. Возведение крупных гелиоустановок, в том числе и в России, уже показало свою эффективность и рентабельность.

Наименее изучен вопрос оценки эффективности использования малой альтернативной энергетики в природных условиях Пермского края. Интересует, прежде всего, практический опыт проектирования, разработки и внедрения энергетических установок. Научное сообщество должно изучить энергетический потенциал местных экосистем Прикамья, разработать рекомендации об использовании того или иного вида ресурса в качестве источника, о мощности установок в зависимости от внешних условий, о методах прогнозирования положительного эффекта и т.д.

Энергоэффективные технологии, применяемые в Пермском университете, будут использоваться в других российских вузах.

Решение о целесообразности внедрения опыта ПГНИУ по использованию альтернативных источников энергии приняло Министерство образования и науки РФ.

Презентация пермских технологий энергосбережения прошла 14 ноября 2014 г. на VI Энергетическом форуме в Якутии. Заведующий лабораторией экологии и охраны природы ПГНИУ Дмитрий Андреев представил специалистам первые результаты работы ветросолнечной электростанции и вакуумной гелиоустановки горячего водоснабжения.

По итогам обсуждения на форуме результатов использования альтернативных источников энергии в ПГНИУ и двух других вузах было принято решение о целесообразности внедрения подобных систем в образовательных учреждениях России. Также в ближайшее время планируется выпуск специального издания с подробной информацией о необходимых действиях и возникающих проблемах при использовании альтернативных источников энергии.

Исследование энергетического потенциала местных экосистем проводится на кафедре биогеоценологии и охраны природы Пермского государственного национального исследовательского университета (далее — Университет). Университет — первый среди всех вузов Российской Федерации, который принял собственную экологическую политику. Согласно документу (утвержденному на заседании Ученого совета 27 апреля 2011 г.) Университет разрабатывает и внедряет действия по экологическому развитию, которые направлены на улучшение ресурсоэффективности, охрану природы и экологического управления.

В рамках направления Ресурсоэффективность выполняются действия, способствующие снижению потребления ресурсов (от энергетических до бумажных). Особенно важным является использование альтернативных источников энергии для собственных нужд.

Экологическая политика реализуется в рамках программы развития Университета под общим направлением «Рациональное природопользование». Для этого создан Научно-инновационный комплекс для содействия внедрению технологий прогнозирования и управления природными и социально-экономическими системами.

Один из первых реализованных проектов — установка на крыше 8-го корпуса Университета гибридной ветросолнечной электростанции, которая работает с начала 2013 г. (рис.1).

Рис. 1. Гибридная ветросолнечная электростанция в Пермском университете.

Получаемая электроэнергия используется для наружного освещения и в качестве резервного источника для уникального лабораторного комплекса. Также в рамках реализации экологической политики Университета выполняются следующие мероприятия: установлены контейнеры для сбора пластика, ежемесячно проводятся акции по сбору макулатуры, разработан проект организации природного парка «Предуралье», проведена инвентаризация зеленых насаждений университетского городка, разработана специализированная информационно-аналитическая система и другое.

В январе 2014 г. в университетском городке поставлена вакуумная гелиоустановка (рис. 2) для получения горячей воды. Система установлена рядом с 5-м корпусом, в котором отсутствует горячее водоснабжение. Нагретая вода используется для нужд столовой, в которой ранее получение теплой воды происходило за счет работы электрических котлов.

Рис.2. Вакуумная гелиоустановка в Пермском университете.

Система состоит из следующих элементов:

1. Пять солнечных 30-ти трубных вакуумных коллекторов общей тепловой мощностью 25 кВт.
2. Бак-накопитель 300 л с рециркуляцией и учетом потребления ГВС.
3. Насосная станция с тепловым контроллером и расширительным баком.
4. Насос для вторичного контура (горячей воды) с расширительным баком.
5. Свайная опора для коллекторов, глубина бурения 3 м.
6. В качестве резерва применен встроенный в бак-накопитель нагревательный элемент (ТЭН) мощностью 1,5 кВт.

Принцип работы коллектора заключается в следующем: вакуумная трубка вместе с медным нагревательным элементом подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике абсорбера коллектора. Под воздействием тепла жидкость в тепловой трубе закипает и испаряется в верхнюю часть, где отдает тепловую энергию теплоносителю. Конденсат жидкости в тепловой трубе после передачи тепла отпускается вниз и снова испаряется. Этот процесс носит циклический характер. Передача тепла происходит через медную «гильзу» приемника, благодаря чему отопительный контур отделен от трубок. При повреждении одной или даже нескольких трубок коллектор продолжает работать.

Таким образом, по солнечному коллектору происходит циркуляция теплоносителя (жидкости), который нагревается от солнечной энергии. Затем добытая энергия передается посредством теплообменника, вмонтированного в бак-накопитель, где происходит нагрев холодной воды (рис. 3). Насосная станция используется в солнечной водонагревательной системе с принудительной циркуляцией и предназначена для регулирования циркуляции теплоносителя в коллекторном контуре (бак-коллекторы-бак).

Рис. 3. Схема работы вакуумной гелиоустановки.

Вместе с контроллером насосная станция образуют блок автоматики (солнечную станцию), регулирующий работу насосов в системе. Гидравлическое сопротивление коллекторного контура достаточно мало, это дает возможность использовать маломощные насосы, потребляемая мощность которых ничтожно мала по сравнению с полученной тепловой энергией от солнечных коллекторов.

Насосная станция — двухтрубная, т.е. она подсоединена как к прямой, так и к обратной магистрали коллекторного контура, что повышает безопасность системы. Двухтрубная конструкция также существенно облегчает процесс заполнения системы теплоносителем, так как содержит группу вентилей для заполнения системы.

Регулирует работу насоса встроенный солнечный коллектор. На дисплее коллектора в реальном времени отображается информация с температурных датчиков системы:

1. коллектора (Т1);
2. нижней части накопителя (Т2);
3. верхней части накопителя (Т3);
4. падающей линии солнечного контура (Т6);
5. обратной линии солнечного контура (Т7).

Циркуляционный насос солнечного контура включается, когда разница между температурой теплоносителя на выходе из коллектора и температура воды нижней части бака достигает заданного значения разницы температур. Период времени включения или выключения резервного нагревателя (вмонтированного в бак-накопитель) зависит от показаний температурного датчика, установленного в верхней части накопителя. В настоящее время система настроена на подогрев воды до 74°С. При неблагоприятных погодных условиях, если в верхней части бака температура ниже 74°С, включается резервный нагревательный элемент (ТЭН). Если же температура превышает заданное значение, то автоматически включается циркуляционный насос. При перегреве теплоносителя в системе может возникнуть избыточное давление, для этого предусмотрен расширительный бак.

Бак-накопитель представляет собой напольный водонагреватель с теплообменником для косвенного нагрева. Теплообменник позволяет баку использовать один внешний источник возобновляемой энергии. В баке нагретая вода хранится вплоть до ее использования. Бак для воды с внутренней стороны покрыт титановой эмалью, поэтому нагревание происходит плавное и однородное без покрова накипи. Таким образом, горячая вода остается чистой, и бак для воды защищен от коррозии. Бак-накопитель также оснащен жестким полиуретаном толщиной 50 мм.

Как было сказано выше, система была установлена в январе 2014 года. Полноценно введена в эксплуатацию в феврале. Для предварительного анализа работы гелиоустановки использованы данные, снятые в середине июля.

По датчику на выходе из бака-накопителя за пять месяцев работы гелиоустановки израсходовано 184,6 м 3 горячей воды (в среднем 36,9 м 3 в месяц). Таким образом, полный объем воды бака-накопителя использован более 615 раз.

Работа столовой (даже небольшой, как в нашем случае) характеризуется неравномерным и одновременно большим объемом использованной воды. Расход горячей воды регистрировался в пределах от 8 до 12 литров в минуту. При этом температура практически не меняется.

В зимний период при пасмурной погоде температура воды не снижается ниже 62 градусов, что соответствует нормативам (Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок, утв. приказом Минэнерго РФ от 24 марта 2003 г. № 115). Для оптимальной работы столовой вода подогревается при помощи ТЭНа. Время его работы в среднем 1-2 часа в сутки, в ясную погоду он не подключается.

В летнее время температура теплоносителя достигает 108°С (рис. 4), а температура воды в бойлере — 85°С. Для предотвращения перегрева системы работают циркуляционные насосы.

Рис. 4. Показатели работы системы в летнее время.

К следующему году планируется расширить круг потребителей горячей воды, поскольку потребление в столовой летом минимально.

Стоит отметить существенную экономию от работы вакуумной гелиоустановки. Поскольку в корпусе № 5 нет горячего водоснабжения, для нужд столовой было установлено 3 электрических котла по 100 литров мощностью каждого 2,2 кВт в час. Годовой расход электроэнергии составлял более 10 тыс. кВт. В текущем году планируется, что потребление электроэнергии всей системой составит не более 1 тыс. кВт. Вакуумная гелиоустановка показала большую эффективность работы, чем солнечная электростанция, установленная в Университете, за счет более высокого коэффициента полезного действия использования поглощенной солнечной энергии. Поэтому окупаемость солнечных коллекторов в несколько раз выше.

К сожалению, остается главный минус использования альтернативных источников энергии в России — высокая стоимость оборудования. На сегодняшний день, например, установка даже маломощных гелиоустановок (со всем вспомогательным оборудованием) требует существенных финансовых затрат, превышающих сотню тысяч рублей. Создание рынков сбыта, расширение производственных мощностей в России, внедрение льготных условий, совершенствование нормативно-правовой базы — все это важные государственные задачи, которые приведут к снижению стоимости оборудования, что позволит альтернативным источникам конкурировать с традиционными.

Список литературы

1. Дрексель Р., Гамисония Р. Сооружение солнечных коллекторов для горячей воды. Практическое руководство. WECF, 2012. URL: http://www.wecf.eu/download/2012/WECF_Con.solar_collector_russ.14.06view72dpi.pdf
2. Матвеев А. В., Щекпеин С. Е., Пахалуев В. М. Оценка энергетической производительности солнечного коллектора с естественной циркуляцией теплоносителя // Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ». Москва: МФТИ, 2007. С. 1224-1231.URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2007/117.pdf
3. Плотницкий И.О. Перспективы использования солнечных коллекторов в России II Журнал «Индустрия», № 3, 2011. С. 62. URL: http://files.industri.rU/ipisite/pdf/2011/3/62.pdf
4. Солнечное отопление. URL: http://www.dvfond.ru/sun/collectors.pdf

Посмотреть данную технологию более подробно,
Вы можете в Каталоге энергосберегающих технологий