Слънчеви колекторни системи за топла вода

Сред най-широко използваните технически решения в съвременните енергийно независими сгради

Натрупали значителна експлоатационна история, слънчевите системи не изискват значителна първоначална инвестиция, а и съвременните модели са високо ефективни и могат да се използват целогодишно. Подходящи са за производство на топла вода, както за битово горещо водоснабдяване, така и за отопление в нискотемпературни инсталации като подово отопление, например. Приложими са както за малки еднофамилни жилища, така и за хотели, басейни и обществени сгради.

Слънчевите системи позволяват различни варианти на изпълнение и окомплектоване на инсталацията. Обикновено начинът на окомплектоване на системата зависи преди всичко от климатичните особености на района, в който тя ще бъде инсталирана. Задължителни елементи за всяка слънчева система са слънчев колектор и акумулатор. Освен тях, имайки предвид климатичните условия в нашата страна, към системата могат да се включат допълнителен източник на енергия, топлообменник и помпа.

В слънчевите инсталации, предназначени за бита, предимно се използват три вида колектори - плоски панели, колектори с вакуумни тръби и вакуумни колектори с термотръби. Какъв вид колектор ще се използва в дадена инсталация се определя от годишната използваемост на системата.

В приложения, при които системата е предвидена за сезонна работа, се препоръчва използването на плоски слънчеви колектори. Една от причините е относително ниската себестойност на самите колектори, а от там и на слънчевите инсталации, изградени на базата им. За слънчеви инсталации, предназначени за целогодишна работа, специалистите препоръчват използването на колектори с вакуумни тръби или вакуумни колектори с термотръби. Тези колектори са със сравнително по-сложна конструкция в сравнение с плоските колектори, както и с по-висока ефективност, благодарение на вакуума, който се поддържа в тръбите, но съответно са и с по-висока себестойност. Производителите заявяват, че вакуумните колектори с термотръби могат да работят и при минусови температури, ако има слънчево греене.

системи

Съществуват различни критерии за класификация на слънчевите системи за производство на топла вода. В зависимост от начина на циркулация на водата през колектора, се определят като системи с естествена циркулация, известни още като термосифонни или пасивни системи, и на системи с принудителна циркулация, наричани активни системи.

Съответно, всяка от описаните системи би могла да бъде директна или индиректна в зависимост от броя на циркулационните кръгове. Директни са системите, в които в колекторите и мрежата на консуматора се използва един и същ флуид. Предназначени са предимно за малки инсталации в еднофамилни къщи, вили или семейни плувни басейни със сезонна експлоатация. При индиректните системи двата кръга на топлоносителя - в колектора и този в консуматора, са разграничени. За осъществяване на топлообмена между двата потока в системата допълнително се вгражда топлообменен апарат.

В системите с естествена циркулация се разчита на гравитационните сили. Циркулацията в кръга се осъществява, благодарение на разликата в обемните маси на водата, имаща различна температура. В този случай акумулаторният съд задължително се поставя над колекторите. При загряването на водата в слънчевия колектор, нейната плътност намалява и стартира процес на циркулация. Директните системи с естествена циркулация са подходящи за загряване на вода за битови нужди предимно през летните месеци и то в ограничени количества, поради което използването им се препоръчва предимно във вили и малки еднофамилни къщи.

При системите с принудителна циркулация движението на топлоносителя в циркулационните кръгове е следствие от работата на включена в системата помпа. Обикновено, включването на помпата е чрез термостат, контролиращ температурата на изхода от колекторите и на дъното на акумулатора. За предотвратяване на обратната циркулация при охлаждане на водата, причинено от наблагоприятни атмосферни условия, в системата се предвижда поставяне на възвратна клапа. При тези системи като допълнителен източник на енергия може да се използват котел на газ, течно или твърдо гориво, електрически нагреватели или термопомпи и др. Топлообменникът между двата кръга може да бъде вграден в акумулатора или да се монтира извън него. Подаването на топлина от допълнителния източник на енергия се осъществява чрез вграден в акумулатора топлообменник, поставен в долната или горната част на акумулатора. Могат също така да се използват скоростен или обемен топлообменник, монтирани на пътя на топлоносителя към консуматора.

Слънчевите системи с естествена циркулация, наричани термосифонни, са сред най-разпространения вид слънчеви инсталации. Причините могат да се търсят в ниската им себестойност, съчетана с опростена конструкция и лесен и бърз монтаж. Поради спецификата в работата им, приложимостта на системите с естествена циркулация се обуславя и от издръжливостта на покрива, върху който се монтира системата. Тъй като при тях топлоносителят циркулира между отделните елементи на системата, благодарение на гравитационните сили, за да се осигури безпроблемното й функциониране, е необходимо най-ниската точка на акумулаторния съд да бъде над най-високата точка на слънчевия колектор и на отстояние, не по-голямо от 3-4 м.

Според периода от годината, през който могат да се използват, и спецификата на водата в съответния регион, термосифонните слънчеви системи могат да бъдат изградени като директни или индиректни.

Директните слънчеви инсталации с естествена циркулация са предназначени предимно за производство на битова гореща вода, загрявана директно от колектора. Основните им елементи са слънчев колектор, акумулаторен съд и тръбопроводна система. Необходимо условие за правилната им експлоатация е използването на по-мека и по възможност чиста вода, тъй като могат да се натрупват отлагания и замърсявания в колектора, акумулатора или тръбите, които да намалят ефективността на системата. При този вид системи загрятата вода се издига към горната част на колектора и постъпва в акумулатора. В него се наблюдава разслоение на водата, по-топлата се издига в горната му част, а по-студената остава в долната. При наличие на достатъчно слънчево греене, в колекторния контур се осъществява постоянна циркулация, скоростта и интензивността на която зависят именно от силата на слънчевата радиация. Водата за консумация се подава от най-високите точки на акумулатора. Тя се съхранява в него до момента на използването й. С цел ограничаване на топлинните загуби е необходимо резервоарът да бъде с добра топлоизолация.

Директните слънчеви инсталации с естествена циркулация се препоръчват за сезонно използване или в региони, където няма минусови температури през цялата година, а водата е мека.

Работата на индиректните системи е аналогична с тази на директните, с тази разлика, че при тях има отделен затворен колекторен контур, състоящ се от слънчев колектор, тръбопровод и топлообменник в акумулаторния съд. В колекторния контур циркулира незамръзваща течност, а не директно използваната вода, което прави системата подходяща за използване през цялата година.

След загряване на течността в колектора, тя преминава през монтирания в акумулаторния съд топлообменник. Отдава топлината си на съдържащата се вътре вода, след което изтича обратно в колектора. Този тип системи се препоръчват за използване в райони с твърда вода или вода с механични примеси, за да се избегне опасността от отлагания и корозия в системата.

Допълнителен елемент при двуконтурните системи е мембранен разширителен съд, свързан чрез отделен тръбопровод към колекторния контур. Задачата му е да поеме разширяващия се обем на топлоносителя при повишаване на температурата и съответно на налягането в инсталацията. Разширителният съд обикновено представлява херметически затворен метален съд, в който е вградена еластична мембрана. Мембраната разделя вътрешното му пространството. В едната част е газовата възглавница (азот, въздух), а в другата - топлоносителят. При разширение газовата възглавница се свива, което е съпроводено с изменение на формата и положението на мембраната, и компенсиране на налягането в системата. Всеки такъв съд се комплектова и с предпазен вентил, настроен на максимално допустимото налягане.