Принцип роботи сонячного водонагрівача

Сонячний водонагрівач (або сонячний бойлер) – це система, яка використовує енергію сонячного випромінювання для нагрівання води. Такі установки стають все більш популярними в Україні та світі завдяки своїм перевагам:

Економія енергії та витрат на нагрівання води. Сонячний бойлер може покрити до 60-70% річної потреби у гарячій воді для сім'ї з 4-х осіб, знижуючи витрати на газ чи електрику.
Скорочення викидів парникових газів. Кожен квадратний метр сонячних колекторів запобігає викиду 200 кг CO2 на рік у порівнянні з газовою колонкою або електробойлером.
Автономність та енергонезалежність. Сонячний водонагрівач продовжує працювати навіть при відключенні електроенергії або перебоях із газом.
Простота та надійність конструкції. На відміну від традиційних систем нагріву, сонячний бойлер не має частин, що рухаються (крім насоса в деяких моделях), що підвищує його довговічність до 20-25 років.

Основні типи та принцип роботи сонячних бойлерів будуть детально розглянуті у наступних розділах. Але загальний принцип наступний: сонячні колектори поглинають сонячне випромінювання і передають тепло теплоносія (вода або антифриз), який циркулює через бак-акумулятор, нагріваючи воду, що знаходиться в ньому. Далі ця вода подається у точки споживання (кухня, душ, радіатори опалення).

Типи сонячних водонагрівачів за насосом

Залежно від способу циркуляції теплоносія, сонячні водонагрівальні системи поділяються на два основні типи – активні та пасивні.
Активні системи мають у своєму складі циркуляційний насос та контролер, які забезпечують примусовий рух теплоносія між колектором та баком. Насос вмикається, коли температура в колекторі стає вищою, ніж у баку, і вимикається при досягненні заданої температури води.

Активні системи бувають двох видів:

З відкритим контуром - теплоносієм є вода з водопроводу, яка циркулює через колектор і бак. Такі системи простіші і дешевші, але вимагають періодичного очищення від накипу і замерзають при негативних температурах. Підходять для сезонного використання або у південних регіонах.
З закритим контуром - теплоносієм служить незамерзаюча рідина (антифриз), яка циркулює замкнутим контуром через колектор і теплообмінник всередині бака. Вода в баку нагрівається від теплообмінника та не контактує з антифризом. Такі системи дорожчі, але можуть працювати цілий рік навіть при морозах до -30°C.

Пасивні (термосифонні) системи не мають насоса і покладаються на природну циркуляцію теплоносія за рахунок різниці густин нагрітої та охолодженої води. Для цього бак повинен розташовуватися вище за колектор, щоб нагріта вода піднімалася в нього, а остигла опускалася вниз.

Пасивні системи мають відкритий контур і застосовуються в регіонах з теплим кліматом. Їхня головна перевага - повна автономність і незалежність від електрики. Недоліки - менша продуктивність і ККД, обмеження розміщення бака, ризик розмноження бактерій.

Для порівняння, активна система із закритим контуром та плоскими колекторами загальною площею 4 м² може виробляти 200-300 л гарячої води на день за хорошої сонячної погоди. Пасивна система такої ж площі – у 1,5-2 рази менше.

Типи сонячних колекторів

Сонячний колектор - головний елемент водонагрівальної системи, який безпосередньо вловлює сонячне випромінювання та перетворює його на тепло. Від типу та якості колектора багато в чому залежить ефективність усієї системи. Існують два основні типи сонячних колекторів - плоскі та вакуумні.

Плоскі колектори складаються з плоского теплопоглинаючого елемента (абсорбера), поміщеного в корпус із прозорим покриттям та теплоізоляцією. Абсорбер зазвичай є металевим листом (мідь, алюміній) з чорним селективним покриттям і каналами для теплоносія. Прозоре покриття пропускає сонячні промені та створює парниковий ефект, зменшуючи втрати тепла.

Плоскі колектори простіше і дешевше у виробництві, ніж вакуумні. Їх ККД досягає 70-80% за температури теплоносія до 70°C. За більш високих температур їх ефективність падає через зростання тепловтрат. Тому плоскі колектори краще підходять для систем гарячого водопостачання та низькотемпературного опалення ("тепла підлога").

Вакуумні трубчасті колектори складаються з набору скляних трубок, усередині яких знаходиться абсорбер та теплоносій. Між подвійними стінками трубок створений вакуум, який практично повністю унеможливлює втрати тепла в навколишнє середовище. Завдяки цьому вакуумні колектори можуть працювати при температурах до 120-150 ° C і зберігають високий ККД (до 60-65%) навіть у холодну та хмарну погоду.

Кожна трубка має власну теплову трубку (heat pipe), через яку пари теплоносія піднімаються в конденсатор у верхній частині колектора, передають тепло в загальний колектор і конденсуються назад. Це дозволяє підвищити швидкість циркуляції та саморегулювання системи.
Недоліки вакуумних колекторів - більш висока вартість (у 2-2,5 рази дорожча за плоскі), крихкість трубок і ризик перегріву системи влітку. Натомість вони ідеально підходять для цілорічного використання, особливо у північних регіонах із холодними зимами та коротким світловим днем.

Для порівняння, у ясний літній день плоский колектор площею 1 м² може виробляти 4-5 кВтг тепла, а вакуумний – 5-6 кВтг. У похмуру погоду їхня продуктивність падає до 1-1,5 кВтг і 3-3,5 кВтг відповідно. А взимку плоский колектор може взагалі не працювати, тоді як вакуумний даватиме 1,5-2 кВт*год/м² у ясний день.

Принцип роботи активної системи із відкритим контуром

Розглянемо докладніше пристрій та принцип роботи активної сонячної водонагрівальної системи з відкритим контуром, оскільки вона є найбільш поширеною та доступною для побутового використання.

Основні компоненти такої системи:

Сонячні колектори, встановлені на даху або стіні будинку під оптимальним кутом до сонця (близько 45° для використання на цілий рік). Кількість та площа колекторів розраховується виходячи з потреби у гарячій воді та географічних умов. У середньому, на одну особу потрібно 1-1,5 м² колекторів.
Бак-акумулятор для зберігання нагрітої води. Його обсяг також підбирається за кількістю користувачів із розрахунку 50-75 л на особу. Бак має один або два теплообмінники (змійовики) - для сонячного контуру та додаткового (електричного або газового) нагрівача.
Циркуляційний насос із розширювальним баком та запобіжним клапаном. Насос створює постійну циркуляцію теплоносія (води) між колектором та баком. Розширювальний бак компенсує температурне розширення води та підтримує тиск у системі. А клапан скидає надлишковий тиск під час закипання.
Контролер із датчиками температури колектора та бака. Він керує роботою насоса за різницею температур: включає його, коли колектор на 5-10 ° C тепліше бака, і вимикає, коли різниця стає менше 2 ° C або вода в баку досягає заданої температури (зазвичай 60 ° C).
Допоміжний електронагрівач (ТЕН) у баку для догріву води в похмуру погоду або при підвищеній витраті.

Принцип роботи системи наступний:

Холодна вода з водопроводу надходить у нижню частину бака, витісняючи нагріту воду у верхню частину.
Коли датчик фіксує достатню різницю температур між колектором та баком, контролер включає циркуляційний насос.
Насос прокачує воду через колектор, де нагрівається сонячним випромінюванням і надходить назад у бак через теплообмінник, поступово підвищуючи середню температуру води.
При зниженні температури або витрати гарячої води насос вимикається, а при необхідності включається ТЕН для підтримки заданої температури.
Гаряча вода з верхньої частини бака подається споживачам, а місце займає холодна вода знизу, і цикл повторюється.

Переваги відкритих систем – простота конструкції, висока ефективність теплопередачі (немає проміжного теплоносія), легкість монтажу та обслуговування, низька вартість. Недоліки - ризик замерзання та закипання води, утворення накипу у твердій воді, необхідність сезонного зливу системи.

Наприклад, відкрита система з 3 м² плоских колекторів і баком на 200 л може покрити 50-70% річної потреби в гарячій воді для сім'ї з 4 осіб (50-60° пн.ш.). При цьому за сезон (квітень-жовтень) вона виробляє близько 1500 кВтг тепла та заощаджує 150-200 м³ газу або 1800-2400 кВтг електроенергії.

Принцип роботи активної системи із закритим контуром

Активні сонячні водонагрівальні системи із закритим контуром мають низку відмінностей від відкритих систем, які роблять їх більш універсальними та придатними для цілорічної експлуатації в будь-яких кліматичних умовах.

Основні компоненти закритої системи:

Сонячні колектори - плоскі або вакуумні, залежно від необхідної температури та сезонності використання. Вакуумні трубчасті колектори краще для цілорічного застосування та високотемпературних систем (гаряче водопостачання + опалення).
Двоконтурний бак-акумулятор із зовнішнім теплообмінником. Перший контур – незамерзаючий теплоносій (антифриз на основі пропіленгліколю), другий – санітарна вода. Теплообмінник передає тепло від антифризу до води, виключаючи їхнє змішування. Це дозволяє використовувати антифриз з температурою до -30...50°C і запобігає забрудненню води.
Циркуляційний насос із розширювальним баком, але без запобіжного клапана, оскільки система герметична та захищена від закипання. Для зниження енергоспоживання насоса та збільшення терміну його служби застосовуються енергоефективні моделі з регульованою швидкістю (клас A).
Контролер з датчиками температури та витратомірами для керування режимами роботи системи (нагрівання води, опалення, охолодження, рециркуляція) та захисту від перегріву та замерзання. Сучасні контролери мають функції самодіагностики, віддаленого моніторингу та інтеграції із системами "розумного будинку".
Допоміжний електричний або газовий котел для догріву води та опалення в пікові періоди споживання або за тривалої похмурої погоди.

Принцип роботи закритої системи:

Антифриз циркулює по замкнутому контуру "колектор-теплообмінник" під дією насоса, нагріваючись у колекторі та віддаючи тепло воді через теплообмінник.
Нагріта вода акумулюється в баку і витрачається на гаряче водопостачання та/або опалення через другий контур із радіаторами або теплою підлогою.
При зниженні температури води в баку нижче заданої або недостатньої сонячної радіації включається резервний нагрівач (ТЕН, котел).
У літній період надлишок тепла може скидатися через повітряний теплообмінник (драйкулер) або використовуватись для нагрівання басейну, підігріву води на вході.

Переваги закритих систем: всесезонність, захист від замерзання та кипіння, висока температура нагріву (до 90-95 ° C), можливість роботи при низьких вуличних температурах, тривалий термін служби (понад 25 років). Недоліки: більш висока вартість обладнання та монтажу (в 1,5-2 рази вище від відкритих систем), складність конструкції, необхідність професійного розрахунку та підбору компонентів.

Принцип роботи пасивної (термосифонної) системи

Термосифонні сонячні водонагрівачі – це найбільш прості та надійні системи, які не потребують електрики та насосів для циркуляції теплоносія. Вони працюють за природними законами термодинаміки - за рахунок різниці щільностей нагрітої та охолола води.

Основні елементи пасивної системи:

Сонячний колектор зазвичай плоский, з мідним або алюмінієвим абсорбером. Встановлюється нижче бака на відстані не більше 1-1,5 м і з кутом нахилу не менше 20° для забезпечення термосифонного ефекту.
Бак-акумулятор - розташовується вище за колектор, часто на даху або горищі. Повинен мати хорошу теплоізоляцію (шар мінвати або пінополіуретану не менше 5 см) для зниження тепловтрат. Об'єм бака – 100-300 л, залежно від кількості споживачів.
Трубопроводи – з'єднують колектор з баком та точками водорозбору. Виконуються з нержавіючої сталі або міді, з мінімальною кількістю вигинів та ухилом у бік бака для безперешкодного руху води.
Запобіжний клапан – встановлюється на виході з бака для скидання надлишкового тиску під час закипання води.
Термостатичний змішувач – підтримує безпечну температуру гарячої води (не вище 60 ° C) при подачі споживачам.

Принцип дії термосифонної системи ґрунтується на природній конвекції:

Вода в колекторі нагрівається сонячним випромінюванням і легшає, ніж холодна вода в баку.
Нагріта вода піднімається трубами у верхню частину бака, а холодна вода опускається з нижньої частини бака в колектор.
Циркуляція продовжується до тих пір, поки вода в баку не досягне рівноважної температури (зазвичай 60-75 ° C) або сонце не зайде.
При відкритті крана гарячої води нагріта вода витісняється з бака в точки споживання, а місце займає холодна вода з водопроводу, що знову запускає процес нагрівання.

Термосифонні системи найефективніші у південних регіонах зі спекотним кліматом та стійкою сонячною радіацією. Їхні головні переваги - повна автономність, незалежність від джерел енергії, низька вартість і простота обслуговування (немає частин і електроніки, що рухаються).

Недоліки термосифонних систем:

Обмежена продуктивність та температура нагріву (не вище 75°C через ризик закипання та зупинення циркуляції)
Необхідність розміщення бака вище за колектор, що не завжди можливо і естетично
Нерівномірність температури води (перегрів вдень, остигання вночі)
Ризик розмноження бактерій (легіонел) при тривалому застої води в баку
Незастосовність у холодних регіонах через замерзання води взимку

Рекомендовані товари

Код: 126729