Упрощённый тепловой расчет солнечного коллектора

Начальная температура воды, поступающая в дом из водопровода, составляет 10°С, а использование этой воды для нужд (умывание, душ, отопление, уборка и пр.) требует ее подогрева. Конечно, для ее разогрева хотя бы до 40 градусов потребуется затратить энергию – газ, дрова, электроэнергия, одним словом, заплатить за ее нагрев. Зимой солнечный коллектор сможет подогреть воду от 40 до 70°С, а летом – до 100 °С.

Попробуем разобраться, насколько эффективным будет использование солнечного отопления.

В солнечный день на каждый квадратный метр поверхности, которая установлена перпендикулярно солнечным лучам, на протяжении одного часа попадает от 700 до 1350 Ватт солнечной тепловой энергии. В зависимости от атмосферного состояния. Для примера возьмем среднее значение, т.е. 1000 Вт/м 2 .

Чтобы нагреть 1 кг (л) воды на 1 градус потребуется приблизительно 1,16 Вт. Теперь представим солнечный коллектор, площадь которого составляет 1 м 2 . Поглощение тепла стороны, которая обращена к солнцу, составляет практически 100%. Из этого следует, что наш коллектор, площадью 1м 2 сможет нагреть воду на один градус:

1000 Вт / 1,16 Вт = 862,07 кг воды.

Чтобы было удобнее, считаем, что К=862 кг х ОС х м2 х час. Это соотношение показывает какое количество воды на сколько градусов можно нагреть за 1 час в солнечном коллекторе, площадь которого составляет 1 м 2 .

Для примера, солнечный коллектор в комплекте, который состоит из 15 вакуумных трубок, площадью 3м 2 . Самый оптимальный объем термоса для жидкости этого коллектора – 150 литров. Продолжительность нагрева такого количества воды до 45°С в холодное время года составляет:

(150 л х (45°С — 10°С)) / (3 м2 х 862 кг*оС*м2*час) = 5250 /2586=2,03 час.

Чтобы обеспечить нагрев 150 литров воды до температуры до 45°С солнечная установка сможет за 2 часа. Если учитывать теплопотери коллектора и тот факт, что атмосфера не всегда чистая и прозрачная, а солнечный коллектор не идеально чистым, то время нагрева зимой увеличивается до 4 часов.

Проведем расчёт для нагрева заданного объема воды элекроэнергией.

t = (m ∙ c ∙ Δϑ) / (P ∙ η)
где, t — время нагрева в часах=1ч. c = 1,163 (Ватт/час) / (кг ∙ К), m — количество воды 150 кг, P — мощность в Вт, η — КПД = 0,98, Δϑ — разность температур в К (ϑ2 — ϑ1)=35°C ϑ1 — температура холодной воды в10 °C ϑ2 — температура горячей воды в 45°C

P = (m ∙ c ∙ Δϑ) / (t ∙ η)=(150∙ 1,163 ∙ 35) / (1 ∙ 0,98)=6230Вт.=6,23 кВт/ч.

Следовательно, чтобы разогреть 150 литров воды с помощью электроэнергии, с учетом теплопотерь, то Вы заплатите от 7 до 8 кВт.ч. х 2,3 рубля=от 16 до 20 рублей, а за 300 литров – от 32 до 40 рублей. Подведем итог: зимой один солнечный коллектор, площадь которого составляет 3 м 2 , сэкономит ваш расходы от 20 до 40 рублей в день.

Произведем расчет расхода горячей воды для семьи, состоящей из трех человек. Если день начинается с 10-минутного душа для каждого из членов семьи, то использование теплой воды составляет 8 литров в минуту. Следовательно, на прием душа уходит: 3 чел. х 10 мин. х 8 л/мин = 240 литров теплой воды. Дальше завтрак, после которого на мытье посуды нужно примерно 15 минут с расходом теплой воды 3 л/минуту. Так, для того чтобы вымыть посуду понадобиться: 15 мин. х 3 л/мин = 45 литров теплой воды. Если предположить, что вечером расход воды будет приблизительно таким же, а также добавить уборку, стирку и прочие потребности, то добавим еще 100 литров. В результате расход теплой воды утром или вечером составит: 240+45+100=385 литров. При подсчетах видно, что в среднем на одного члена семьи приходится 100-150 литров горячей воды в день. Тогда, для того, чтобы обеспечить семью горячей водой в холодное время года, Вам потребуется два коллектора и бак на 300 литров. Если Вы планируете использовать солнечное тепло в максимальном объеме и использовать его для разогрева отопления, тогда Вам рекомендуется купить шесть коллекторов и накопительный бак на 500 литров воды. Солнечная установка очень эффективная, также Вы сможете сэкономить значительную сумму денег. Вышеприведенный расчет – это упрощенный расчет, который основан на зимнем периоде, а с приходом весны и лета солнечная активность значительно возрастет, следовательно, возрастет эффективность такого оборудования. В летний период человек более активный и используется большее количество горячей воды: принимает душ, бассейн, моем посуду, стираем и пр. Летом температура воды вырастает от 60 до 95°С, и тогда возникает новый вопрос – куда девать лишнюю воду, но следует помнить, что Вы не будете платить денег за ее нагрев. Итог: в теплый солнечный период эффективность использования солнечного оборудования вырастает в два раза, а шестиколлекторная солнечная установка, площадь которой 18 кв.м., сэкономит в холодное время года от 90 до 200 рублей в день, а летом – от 180 до 400 рублей в день. Если количество холодных и теплых дней в году приблизительно одинаковое, тогда можно провести такой расчет, при котором экономия будет составлять от (90 +200) : 2 = 145, до (840 +1920) : 2 = 290, теперь умножим на 365 дней и получим сумму от 52925 до 105000 рублей в год.

Полную окупаемость всех затрат на покупку солнечного оборудования можно ожидать от одного до двух лет. При покупке коллекторной солнечной установки Вы заплатите только один раз. Срок ее эксплуатации от 15 до 25 лет, притом, что работает она постоянно.

Вакуумные коллектор для отопления расчет

Установка вакуумного солнечного коллектора – выгодная инвестиция в будущее своей семьи. Круглогодичный доступ к горячей воде, бесплатная энергия для отопления дома, независимость от работы коммунальных служб и отсутствие перебоев в горячем водоснабжении – преимущества, которые особенно ощутимы в холодное время года.

Факторы влияния на работу вакуумного коллектора

Для того чтобы вакуумные коллектора эффективно функционировали и приносили пользу по назначению, необходимо точно рассчитать и подобрать всю комплектацию оборудования для решения той или иной задачи. Недостаточная производительность коллекторов приведет к нехватке тепловой энергии для отопления дома, бани, теплицы и других сооружений, подогрева воды для ежедневного использования или для наполнения бассейна. Установка коллекторов избыточной мощности не только не рациональна с точки зрения лишних финансовых затрат , но и может вызвать дополнительную нагрузку на систему в летний период, когда потребности в энергии снижаются, а активность солнца возрастает. Необходим некий оптимальный вариант и, поэтому, расчет и подбор комплекта оборудования на основе солнечных коллекторов следует доверить специалистам, так как на дальнейшую эффективность работы такой системы влияет немало факторов.

При подборе гелиоустановки важно учитывать следующие данные:

1) Уровень инсоляции (солнечного излучения) в той географической точке и те месяцы, в которые рассчитывается эксплуатация оборудования;
2) КПД коллектора (зависит от типа установки; для вакуумных солнечных коллекторов коэффициент, в среднем, колеблется в пределах 67-80%. Для большей достоверности рекомендуется ориентироваться на минимальный результат);
3) Угол наклона коллектора (от данного показателя зависит количество солнечной энергии, которую поверхность коллектора будет поглощать в течение светового дня. Необходимый угол наклона, под которым будет установлен коллектор, индивидуален и зависит от региона, географических и климатических особенностей местности);
4) Эффективная площадь поглощения коллектора.
Кроме того, важно учитывать и площадь отапливаемого помещения, хорошо ли оно утеплено или нет, потребляемый объем горячей воды, тип отопительной системы (радиаторы или теплые полы), тип самого коллектора, характер теплоносителя в системе и дополнительные условия, которые влияют на эффективную работу вакуумной гелиоустановки.

Характеристики вакуумных трубок – исходная точка расчета ее мощности

При расчете эффективности применения солнечных коллекторов для целей отопления и ГВС необходимо учитывать характеристики вакуумных трубок. Стандартная вакуумная трубка имеет 1800 мм в длину, внешний диаметр – 58 мм, внутренний – 47 мм. Конструкция двух стеночная. Цилиндры имеют различную толщину: внешний более прочный – 1,8±0,15мм, внутренний – 1,6±0,15мм. Пространство между стенками заполнено вакуумом (менее 5х10-3 Па) и создает преграду для потерь тепла (принцип работы колбы термоса).
В качестве материала для изготовления применяют боросиликатное стекло. Селективное покрытие на наружной поверхности внутреннего цилиндра – напыление композита из нержавеющей стали, алюминия и меди – способствует улучшенному поглощению солнечного излучения.
Цилиндрическая форма стеклянной трубки при соблюдении основных требований установки обеспечивает более 91% поглощения всей поступившей на поверхность энергии. Теплопотери при этом не превышают 8% (при температуре носителя около 80°C). Коэффициент таких потерь для вакуумной солнечной установки не более 0,6Вт/м 2 .

Определяем площадь эффективного поглощения

Расчет площади эффективного поглощения солнечного коллектора сделаем на примере популярной модели солнечного коллектора модели SCH-30, имеющей в своем составе 30 вакуумных трубок стандартного типоразмера. Определив эффективную площадь поглощения одной трубки и умножив ее на 30 получим общую эффективную площадь поглощения коллектора. Площадь поглощения одной трубки – фактически площадь «тени» , создаваемой трубкой при ее освещении солнцем. Это проекция трубки на плоскость , проходящую через ее диаметр. Поскольку диаметр трубки 58 мм или 0,058 м, а длина трубки участвующая в приеме солнца порядка 1600 мм или 1,6 м (общая длина трубки 1800 мм, но верхняя и нижняя ее часть закрыты элементами конструкции и в работе участия не принимают), тогда площадь «тени» составит 0,058 м * 1,6 м = 0,092 м 2 . А общая эффективная площадь поглощения коллектора 0,092 м 2 * 30 шт. = 2,77 м 2 . Аналогичным образом можно получить, что у коллектора модели SCH-18 (18 вакуумных трубок) эффективная площадь поглощения составит 1,66 м 2 , у модели SCH-20 (20 вакуумных трубок) – 1,86 м 2 , а у модели SCH-24 (24 вакуумных трубки) – 2,21 м 2 .

Расчет вырабатываемой энергии солнечным коллектором

Годовая вырабатываемая солнечным коллектором энергия определяется географической точкой установки коллектора и статистическими данными по годовой солнечной инсоляции в этом регионе. Так, для Москвы и Московской области показатель солнечной инсоляции за год составляет 1173,7кВт*час/м 2 . Используя полученное значение эффективной площади поглощения коллектора мы можем рассчитать вырабатываемую им за год энергию. Так коллектор модели SCH-30 выработает 2,77 м 2 * 1173,7 кВт*ч/м 2 = 3251,15 кВт*ч, но с учетом кпд=80 % только примерно 2600,0 кВт*ч.

По такому же методу легко произвести расчет производимой вакуумным солнечным коллектором энергии с любым другим количеством трубок. Например, вакуумный коллектор модели SCH-20 (20 вакуумных трубок) выработает за год 1173,7 кВт*ч/м 2 * 1,86 м 2 * 0,8 =1746,0 кВт*ч.

Беря статистические данные по солнечной инсоляции за месяц можно подсчитать количество вырабатываемой энергии за месяц.

Тем ни менее хочется сказать, что подбор оборудования – процесс сугубо индивидуальный для каждого клиента. Самостоятельный просчет мощности дает лишь весьма приблизительные значения, а риск не учесть один, казалось бы, незначительный фактор, может заметно снизить КПД системы. Доверяя расчет солнечного коллектора профессионалам, легко стать обладателем максимально эффективного оборудования. Но в любом случае все расчеты носят условный характер. Погодный условия на планете меняются, солнечная активность тоже. Данные по солнечной инсоляции носят очень усредненный показатель и год от года могут сильно меняться.

Для заказа обратного звонка или связи со специалистом воспользуйтесь формой ниже или звоните по телефону

+7 (495) 640-70-49, +7 (985) 923-35-37

Бесплатно произведем расчеты и ответим на все Ваши вопросы.

Вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома и ГВС

Альтернативные источники энергии пользуются огромной популярностью. Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома и горячего водоснабжения позволяют снизить затраты на оплату коммунальных услуг, обеспечивают достаточным количеством дополнительного дешёвого тепла.

Чтобы определить теплоэффективность гелиосистем, следует разобраться как работают солнечные водонагреватели, а также правильно рассчитать их мощность.

Как работает вакуумный коллектор

Классические гелиосистемы используют принцип преобразования тепла в электричество (солнечные батареи). Вакуумные солнечные коллекторы работают как обычные водонагреватели.

При поглощении ультрафиолетового излучения продуцируется достаточное количество тепла, чтобы обеспечить потребности ГВС. Можно подогреть воду для бассейна, душа. В зимнее время года коллекторы обеспечат некоторым количеством тепловой энергии для обогрева дома.

Существует два типа вакуумных трубок. Устройства отличаются принципом нагрева и хранения воды:

«Мокрая трубка» — особенность внутреннего устройства в том, что накопительный бак установлен непосредственно на краях блока. Вода нагреваясь поступает в бак, холодная стекает в трубки. Второе название — солнечный коллектор на вакуумных трубках прямого нагрева.

Конструкция U-образного типа, heat-pipe — в этом случае накопительная емкость не соединена непосредственно с ёмкостью. Бак может устанавливаться в любом месте дома, подключаясь к системам водоснабжения и отопления.
В последнее время получили распространение перьевые солнечные водонагревательные коллекторы с вакуумными трубками, своеобразный гибрид системы heat-pipe и плоского абсорбера. Все перечисленные типы водонагревателей используют режим косвенного нагрева.

Независимо от принципа теплопередачи устройство вакуумных трубок остается практически без изменений. Используется идентичный способ абсорбции.

Устройство вакуумных трубок

Внутренняя конструкция схожа для всех типов гелиоколлекторов. Трубка вакуумного солнечного водонагревателя устроена следующим образом:

прозрачная стеклянная колба, из которой полностью выкачан воздух;

медная трубка, расположенная внутри коллектора, с газообразным или жидким теплоносителем;

один или два сборных распределителя;

отражатели, фокусирующие излучение на колбы.

Вакуумные трубки солнечного коллектора изготавливают из прочного боросиликата. Дополнительно внутренняя поверхность обработана специальным поглощающим слоем. Покрытие трубок выполнено с использованием бариевого газопоглотителя. В исправном состоянии цвет колбы серый, при разгерметизации становится белым. Трехслойное покрытие обеспечивает максимальную абсорбцию и моментальную теплопередачу. Эффективность поглощения тепла не менее 70%.

Солнечный коллектор на вакуумных трубках работает следующим образом:

при попадании прямых солнечных лучей происходит абсорбция тепла и передача его медной сердцевине;

теплоноситель в трубке закипает и испаряясь поднимается вверх к конденсатору;

пар отдает энергию возвращаясь в первоначальное состояние;

жидкость стекает обратно в медную трубку, играющую роль теплообменника.

В устройстве вакуумных коллекторов обязательно присутствует накопительная емкость. В режиме косвенной теплопередачи конденсатор соединен с магистралью, отводящей энергию в буферный бак, установленный внутри дома. В режиме прямой теплоотдачи вакуумные трубки соединены с накопительным баком, подключаемым непосредственно к точке водоразбора.

Система водоснабжения работает:

Под давлением — при открытии крана ГВС горячую воду из емкости вытесняет холодная. В систему обязательно устанавливают циркуляционный насос. Рабочее давление 0,6 Мпа. Решение применяется в коммерческих целях. Оптимальный вариант для нагрева воды в кемпингах, гостиницах и пансионатах.

Без давления — вода к точкам разбора сбегает самотеком. Второе название гелиосистемы: термосифонная или работающая с использованием естественной конвекции.

Технические характеристики коллекторов во многом зависят от принципа передачи тепловой энергии конечному потребителю.

Работа в режиме прямой теплоотдачи

В системах прямой передачей тепла бак соединен с абсорбирующими колбами. Принцип работы вакуумной трубки солнечного коллектора прямого нагрева следующий:

бак объемом до 200 л, подсоединен к колбам коллектора;

нагретый до состояния пара теплоноситель подается в медный змеевик, выполняющий функции теплообменника и расположенный внутри накопительной емкости;

разогретый теплообменник отдает тепло воде, окружающей его;

после охлаждения теплоноситель возвращается обратно внутрь колбы.

Циркуляция осуществляется при помощи естественной конвекции. Баки с прямой теплопередачей способны разогреть до 300 л. воды в сутки, с номинальной температурой до 60°C. Система предназначена исключительно для сезонного использования, с апреля до сентября (период зависит от территориального расположения вакуумного коллектора).

Режим косвенной теплопередачи

Косвенный принцип работы вакуумного солнечного коллектора отличается тем, что полученное тепло направляется в буферную емкость, расположенную в доме. Максимальный объем бойлера косвенного нагрева указывается в технической документации.

Преимущество систем с БКН в том, что их можно использовать вне зависимости от времени года. Зимой солнечный водонагреватель продолжает работать, абсорбируя дополнительную тепловую энергию, направляемую в систему отопления дома. Максимальная температура нагрева теплоносителя в вакуумных трубках достигает 250-300°, чего более чем достаточно для подогрева воды.

Медный теплообменник расположенный в вакуумных колбах заполняют антифризом, что дает возможность коллектору работать даже при температуре до –50°C.

Работа системы в зимний период

Для зимы используется всесезонная гелиосистема с косвенной теплопередачей. Интенсивность солнечного излучения снижается в течении зимы. Для отопления дома зимой одних только коллекторов будет недостаточно. Гелиосистемы используют исключительно в качестве дополнительного источника тепла, подключая их через буферную емкость к системе отопления. При условии правильных расчетов вакуумные гелиоколлекторы способны компенсировать до 53% всех теплозатрат здания.

Для зимы, как видно из графиков, способны удовлетворить около 15-20% тепловых затрат:

Плюсы и минусы коллекторов с вакуумными трубками

Опыт использования гелиоустановок на территории РФ достаточно продолжительный, что позволяет увидеть реальную картину теплоэффективности систем. При описании достоинств и недостатков учитывают возможности работы в режиме отопления и горячего водоснабжения, технические характеристики и реальные отзывы о вакуумных коллекторах.

Для определения рентабельности важно принимать в расчет сроки окупаемости гелиоустановок, с учетом существующих законов, действующих на территории Российской Федерации.

Об эффективности в режиме отопления

Важно помнить, что коллекторы не используются в качестве основного источника тепла в доме. Цель подключения компенсировать определенные энергозатраты. Причем изначально в отапливаемом здании должен быть установлен котел, способный полностью обогреть здание.

Эффективность гелиоустановки определяется тем, на сколько процентов система с солнечными вакуумными коллекторами способна компенсировать затраты на отопление дома. Максимальные показатели достигают 40-50%.

За время эксплуатации в регионах с холодным и средним климатом были выявлены следующие преимущества вакуумного коллектора, по сравнению с плоскими гелиоколлекторами:

оптимальное соотношение стоимости и теплоотдачи;

теплопотери минимальны, 75% абсорбируемой энергии передается в буферную емкость;

трубчатая гелиосистема способна работать при отрицательных температурах и при низком ультрафиолетовом излучении, что делает возможным всесезонное солнечное отопление с использованием вакуумных коллекторов;

простая установка и демонтаж.

Практика показывает, что в зимнее время года аккумулируемого тепла достаточно для полноценного отопления системой теплых полов. Даже при низкой солнечной активности теплоноситель будет прогреваться до температуры 30-40°C. Водяные полы соответственно будут нагреваться до комфортных 26-35°C.

Отопление частного дома солнечными вакуумными коллекторами имеет несколько недостатков:

высокая стоимость — необходимость первоначальных вложений;

жесткие требования к монтажу, при неправильном угле наклона, относительно земли теплоэффективность резко снижается;

обслуживание — еще один недостаток вакуумных коллекторов: в зимнее время года трубки, нередко заметает снегом, их приходится чистить.

В зимнее время года работают исключительно коллекторы с выносным баком. Буферная емкость к которой подключаются вакуумные трубки, используется для обеспечения многовалентных систем отопления.

Использование для горячей воды

Солнечные коллекторы применяются в качестве основного водонагревателя летом и дополнительного в зимнее время года. Система ГВС на вакуумных коллекторах, с апреля по сентябрь, стабильно обеспечивает высокую температуру подогрева жидкости. Установка с прямой теплоотдачей на 30 трубок, способна подогреть около 300 л. воды в течение одного дня, чего более чем достаточно для принятия душа 4-5 человек.

Зимой для нагрева воды мощности может быть недостаточно. В внешних накопительных баках дополнительно устанавливают электроТЭН, предназначенный компенсировать недостаток нагрева. Существуют решения, в которых для подогрева воды гелиосистемы работают одновременно с бойлером.

Горячее водоснабжение от солнечных вакуумных коллекторов, также, как и аналогичная система отопления, требует значительных первоначальных вложений, что и остается главным недостатком. Рентабельность применения достигается при коммерческом использовании гелиоводонагревателей. В гостиницах, кемпингах, отелях окупаемость систем достигается через 3-4 года.

Как выбрать коллектор вакуумного типа

Для начала следует определиться для какой цели выбирается гелиосистема. Для удовлетворения потребностей в ГВС в течение дачного сезона, подойдет моноблочный водонагреватель. Объем накопительного бака до 200 л.

Чтобы отапливать помещение используются исключительно вакуумные коллекторы с внешним баком косвенного нагрева. Следует ознакомиться со следующими техническими характеристиками:

коэффициент тепловых потерь;

параметры оптического КПД;

По указанным параметрам можно определить производительность вакуумного коллектора и в конечном счете высчитать окупаемость системы.

Как рассчитать мощность гелиоколлектора

Подбор гелиосистемы по производительности осуществляется в индивидуальном порядке. Во время расчетов вакуумных солнечных коллекторов учитывают: территориальное размещение, количество необходимой нагретой воды и т.д. Точные вычисления требуют наличия инженерных навыков.

Для приблизительных расчетов потребуется:

определить коэффициент инсоляции (для Московской обл. равен 1137,7);

узнать активную площадь абсорбции вакуумной трубки (в среднем 0,15 м²);

с помощью технической документации узнать КПД коллектора (0,67).

Имея перечисленные данные можно высчитать мощность одной вакуумной трубки. Для этого умножаем все числители между собой. В итоге получаем, что в течение года одна колба способна произвести 117,95 кВт/час, что равняется 0,325 кВт/час в течение одного дня. Дальнейшие расчеты не представляют сложности. Умножаем полученную производительность на количество вакуумных колб:

15 трубок = 4,8 кВт/час;

20 трубок = 6,5 кВт/час;

Оптимальный расход теплоносителя высчитывается в согласии с средней нормой тепловой энергии для обеспечения потребностей ГВС в день. Для удовлетворения нужд в горячем водоснабжении, на одного человека требуется от 2 до 4 кВт.

Годовая инсоляция одного квадратного метра горизонтальной площадки в разных городах России в мегаваттах