Принцип работы солнечного водонагревателя

Солнечный водонагреватель (или солнечный бойлер) - это система, которая использует энергию солнечного излучения для нагрева воды. Такие установки становятся все более популярными в Украине и мире благодаря своим преимуществам:

Экономия энергии и затрат на нагрев воды. Солнечный бойлер может покрыть до 60-70% годовой потребности в горячей воде для семьи из 4-х человек, снижая расходы на газ или электричество.
Сокращение выбросов парниковых газов. Каждый квадратный метр солнечных коллекторов предотвращает выброс 200 кг CO2 в год по сравнению с газовой колонкой или электробойлером.
Автономность и энергонезависимость. Солнечный водонагреватель продолжает работать даже при отключении электроэнергии или перебоях с газом.
Простота и надежность конструкции. В отличие от традиционных систем нагрева, солнечный бойлер не имеет движущихся частей (кроме насоса в некоторых моделях), что повышает его долговечность до 20-25 лет.

Основные типы и принцип работы солнечных бойлеров будут подробно рассмотрены в следующих разделах. Но общий принцип следующий: солнечные коллекторы поглощают солнечное излучение и передают тепло теплоносителю (вода или антифриз), который циркулирует через бак-аккумулятор, нагревая находящуюся в нем воду. Далее эта вода подается в точки потребления (кухня, душ, радиаторы отопления).

Типы солнечных водонагревателей по наличию насоса

В зависимости от способа циркуляции теплоносителя, солнечные водонагревательные системы делятся на два основных типа - активные и пассивные.

Активные системы имеют в своем составе циркуляционный насос и контроллер, которые обеспечивают принудительное движение теплоносителя между коллектором и баком. Насос включается, когда температура в коллекторе становится выше, чем в баке, и выключается при достижении заданной температуры воды. Активные системы бывают двух видов:

С открытым контуром - теплоносителем является сама вода из водопровода, которая циркулирует через коллектор и бак. Такие системы проще и дешевле, но требуют периодической очистки от накипи и замерзают при отрицательных температурах. Подходят для сезонного использования или в южных регионах.
С закрытым контуром - теплоносителем служит незамерзающая жидкость (антифриз), которая циркулирует по замкнутому контуру через коллектор и теплообменник внутри бака. Вода в баке нагревается от теплообменника и не контактирует с антифризом. Такие системы дороже, но могут работать круглый год даже при морозах до -30°C.

Пассивные (термосифонные) системы не имеют насоса и полагаются на естественную циркуляцию теплоносителя за счет разности плотностей нагретой и остывшей воды. Для этого бак должен располагаться выше коллектора, чтобы нагретая вода поднималась в него, а остывшая опускалась вниз.

Пассивные системы обычно имеют открытый контур и применяются в регионах с теплым климатом. Их главное преимущество - полная автономность и независимость от электричества. Недостатки - меньшая производительность и КПД, ограничения по размещению бака, риск размножения бактерий.

Для сравнения, активная система с закрытым контуром и плоскими коллекторами общей площадью 4 м² может производить 200-300 л горячей воды в день при хорошей солнечной погоде. Пассивная система такой же площади - в 1,5-2 раза меньше.

Типы солнечных коллекторов

Солнечный коллектор - главный элемент водонагревательной системы, который непосредственно улавливает солнечное излучение и преобразует его в тепло. От типа и качества коллектора во многом зависит эффективность всей системы. Существуют два основных типа солнечных коллекторов - плоские и вакуумные.

Плоские коллекторы состоят из плоского теплопоглощающего элемента (абсорбера), помещенного в корпус с прозрачным покрытием и теплоизоляцией. Абсорбер обычно представляет собой металлический лист (медь, алюминий) с черным селективным покрытием и каналами для теплоносителя. Прозрачное покрытие пропускает солнечные лучи и создает парниковый эффект, уменьшая потери тепла.

Плоские коллекторы проще и дешевле в производстве, чем вакуумные. Их КПД достигает 70-80% при температуре теплоносителя до 70°C. При более высоких температурах их эффективность падает из-за роста теплопотерь. Поэтому плоские коллекторы лучше подходят для систем горячего водоснабжения и низкотемпературного отопления ("теплый пол").

Вакуумные трубчатые коллекторы состоят из набора стеклянных трубок, внутри которых находится абсорбер и теплоноситель. Между двойными стенками трубок создан вакуум, который практически полностью исключает потери тепла в окружающую среду. Благодаря этому вакуумные коллекторы могут работать при температурах до 120-150°C и сохраняют высокий КПД (до 60-65%) даже в холодную и облачную погоду.

Каждая трубка имеет собственную тепловую трубку (heat pipe), по которой пары теплоносителя поднимаются в конденсатор в верхней части коллектора, передают тепло в общий коллектор и конденсируются обратно. Это позволяет повысить скорость циркуляции и саморегулирование системы.

Недостатки вакуумных коллекторов - более высокая стоимость (в 2-2,5 раза дороже плоских), хрупкость трубок и риск перегрева системы летом. Зато они идеально подходят для круглогодичного использования, особенно в северных регионах с холодными зимами и коротким световым днем.

Для сравнения, в ясный летний день плоский коллектор площадью 1 м² может производить 4-5 кВтч тепла, а вакуумный - 5-6 кВтч. В пасмурную погоду их производительность падает до 1-1,5 кВтч и 3-3,5 кВтч соответственно. А зимой плоский коллектор может вообще не работать, в то время как вакуумный будет давать 1,5-2 кВт*ч/м² в ясный день.

Принцип работы активной системы с открытым контуром

Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы активной солнечной водонагревательной системы с открытым контуром, так как она является наиболее распространенной и доступной для бытового использования.

Основные компоненты такой системы:

Солнечные коллекторы, установленные на крыше или стене дома под оптимальным углом к солнцу (около 45° для круглогодичного использования). Количество и площадь коллекторов рассчитывается исходя из потребности в горячей воде и географических условий. В среднем, на одного человека требуется 1-1,5 м² коллекторов.
Бак-аккумулятор для хранения нагретой воды. Его объем также подбирается по числу пользователей из расчета 50-75 л на человека. Бак имеет один или два теплообменника (змеевика) - для солнечного контура и дополнительного (электрического или газового) нагревателя.
Циркуляционный насос с расширительным баком и предохранительным клапаном. Насос создает постоянную циркуляцию теплоносителя (воды) между коллектором и баком. Расширительный бак компенсирует температурное расширение воды и поддерживает давление в системе. А клапан сбрасывает избыточное давление при закипании.
Контроллер с датчиками температуры коллектора и бака. Он управляет работой насоса по разнице температур: включает его, когда коллектор на 5-10°C теплее бака, и выключает, когда разница становится меньше 2°C или вода в баке достигает заданной температуры (обычно 60°C).
Вспомогательный электронагреватель (ТЭН) в баке для догрева воды в пасмурную погоду или при повышенном расходе.

Принцип работы системы следующий:

Холодная вода из водопровода поступает в нижнюю часть бака, вытесняя нагретую воду в верхнюю часть.
Когда датчик фиксирует достаточную разницу температур между коллектором и баком, контроллер включает циркуляционный насос.
Насос прокачивает воду через коллектор, где она нагревается солнечным излучением и поступает обратно в бак через теплообменник, постепенно повышая среднюю температуру воды.
При снижении температуры или расхода горячей воды насос выключается, а при необходимости включается ТЭН для поддержания заданной температуры.
Горячая вода из верхней части бака подается потребителям, а ее место занимает холодная вода снизу, и цикл повторяется.

Преимущества открытых систем - простота конструкции, высокая эффективность теплопередачи (нет промежуточного теплоносителя), легкость монтажа и обслуживания, низкая стоимость. Недостатки - риск замерзания и закипания воды, образование накипи в жесткой воде, необходимость сезонного слива системы.

Например, открытая система с 3 м² плоских коллекторов и баком на 200 л может покрыть 50-70% годовой потребности в горячей воде для семьи из 4 человек в Киеве (50-60° с.ш.). При этом за сезон (апрель-октябрь) она вырабатывает около 1500 кВтч тепла и экономит 150-200 м³ газа или 1800-2400 кВтч электроэнергии.

Принцип работы активной системы с закрытым контуром

Активные солнечные водонагревательные системы с закрытым контуром имеют ряд отличий от открытых систем, которые делают их более универсальными и пригодными для круглогодичной эксплуатации в любых климатических условиях.

Основные компоненты закрытой системы:

Солнечные коллекторы - плоские или вакуумные, в зависимости от требуемой температуры и сезонности использования. Вакуумные трубчатые коллекторы предпочтительнее для круглогодичного применения и высокотемпературных систем (горячее водоснабжение + отопление).
Двухконтурный бак-аккумулятор с внешним теплообменником. Первый контур - незамерзающий теплоноситель (антифриз на основе пропиленгликоля), второй - санитарная вода. Теплообменник передает тепло от антифриза к воде, исключая их смешивание. Это позволяет использовать антифриз с температурой до -30..-50°C и предотвращает загрязнение воды.
Циркуляционный насос с расширительным баком, но без предохранительного клапана, так как система герметична и защищена от закипания. Для снижения энергопотребления насоса и увеличения срока его службы применяются энергоэффективные модели с регулируемой скоростью (класс A).
Контроллер с датчиками температуры и расходомерами для управления режимами работы системы (нагрев воды, отопление, охлаждение, рециркуляция) и защиты от перегрева и замерзания. Современные контроллеры имеют функции самодиагностики, удаленного мониторинга и интеграции с системами "умного дома".
Вспомогательный электрический или газовый котел для догрева воды и отопления в пиковые периоды потребления или при длительной пасмурной погоде.

Принцип работы закрытой системы:

Антифриз циркулирует по замкнутому контуру "коллектор-теплообменник" под действием насоса, нагреваясь в коллекторе и отдавая тепло воде через теплообменник.
Нагретая вода аккумулируется в баке и расходуется на горячее водоснабжение и/или отопление через второй контур с радиаторами или теплым полом.
При снижении температуры воды в баке ниже заданной или при недостаточной солнечной радиации включается резервный нагреватель (ТЭН, котел).
В летний период избыток тепла может сбрасываться через воздушный теплообменник (драйкулер) или использоваться для нагрева бассейна, подогрева воды на входе.

Преимущества закрытых систем: всесезонность, защита от замерзания и кипения, высокая температура нагрева (до 90-95°C), возможность работы при низких уличных температурах, длительный срок службы (более 25 лет). Недостатки: более высокая стоимость оборудования и монтажа (в 1,5-2 раза выше открытых систем), сложность конструкции, необходимость профессионального расчета и подбора компонентов.

Принцип работы пассивной (термосифонной) системы

Термосифонные солнечные водонагреватели - это наиболее простые и надежные системы, которые не требуют электричества и насосов для циркуляции теплоносителя. Они работают по естественным законам термодинамики - за счет разности плотностей нагретой и остывшей воды.

Основные элементы пассивной системы:

Солнечный коллектор - обычно плоский, с медным или алюминиевым абсорбером. Устанавливается ниже бака, на расстоянии не более 1-1,5 м и с углом наклона не менее 20° для обеспечения термосифонного эффекта.
Бак-аккумулятор - располагается выше коллектора, часто на крыше или чердаке. Должен иметь хорошую теплоизоляцию (слой минваты или пенополиуретана не менее 5 см) для снижения теплопотерь. Объем бака - 100-300 л, в зависимости от количества потребителей.
Трубопроводы - соединяют коллектор с баком и точками водоразбора. Выполняются из нержавеющей стали или меди, с минимальным количеством изгибов и уклоном в сторону бака для беспрепятственного движения воды.
Предохранительный клапан - устанавливается на выходе из бака для сброса избыточного давления при закипании воды.
Термостатический смеситель - поддерживает безопасную температуру горячей воды (не выше 60°C) при подаче потребителям.

Принцип действия термосифонной системы основан на естественной конвекции:

Вода в коллекторе нагревается солнечным излучением и становится легче, чем холодная вода в баке.
Нагретая вода поднимается по трубам в верхнюю часть бака, а холодная вода опускается из нижней части бака в коллектор.
Циркуляция продолжается до тех пор, пока вода в баке не достигнет равновесной температуры (обычно 60-75°C) или солнце не зайдет.
При открытии крана горячей воды нагретая вода вытесняется из бака в точки потребления, а ее место занимает холодная вода из водопровода, что снова запускает процесс нагрева.

Термосифонные системы наиболее эффективны в южных регионах с жарким климатом и устойчивой солнечной радиацией. Их главные преимущества - полная автономность, независимость от источников энергии, низкая стоимость и простота обслуживания (нет движущихся частей и электроники).

Недостатки термосифонных систем:

Ограниченная производительность и температура нагрева (не выше 75°C из-за риска закипания и остановки циркуляции)
Необходимость размещения бака выше коллектора, что не всегда возможно и эстетично
Неравномерность температуры воды (перегрев днем, остывание ночью)
Риск размножения бактерий (легионелл) при длительном застое воды в баке
Неприменимость в холодных регионах из-за замерзания воды зимой

Рекомендуемые товары

Код: 126729