Слънчеви колекторни системи

Част II. Помпени колекторни системи, монтажни специфики
с оглед постигане на максимална ефективност

В предишния брой на списание Технологичен дом бяха представени директните и индиректните слънчеви системи с естествена циркулация на топлоносителя. Макар и различаващи се по броя на циркулационните кръгове, тези системи се характеризират с редица общи характеристики. На първо място, това е общият им принцип на работа, базиран на естествената циркулация. Друга обща характеристика между директните и индиректните слънчеви системи с естествена циркулация е използването на допълнителен източник на енергия. Във вид на електрически или друг нагревател, той се монтира в акумулаторния съд. Когато интензивността на слънчевото греене е недостатъчна, за да загрее водата в резервоара до желаните стойности, например, при продължително заоблачаване или през зимните месеци, нагревателят се включва автоматично и дозагрява водата до необходимата температура.

Слънчевите системи с естествена циркулация представляват сравнително ефективно и евтино техническо решение, но безпроблемното им и ефективно функциониране е свързано със спазването на няколко важни условия. За да се осигури добра циркулация на флуида, е необходимо бойлерът да се монтира над колектора и то възможно най-близо до него. Също така, при тези системи съществува опасност от замръзване на водата в колектора и водосъдържателя. Проблемът е напълно решим - в колекторния контур циркулира течност, която е с ниска температура на замръзване. Индиректните слънчеви системи с естествена циркулация на топлоносителя решават някои от недостатъците на директните, но напълно логично са и по-скъпи. Като цяло процесът на топлообмен в системите с естествена циркулация протича с невисока скорост, което е от определящо значение за ограничаването на ефективността им.

В настоящата статия продължаваме актуалната тема за производството на гореща вода от слънцето с колекторните системи с принудителна циркулация на топлоносителя.

Системите

с принудителна

циркулация по-ефективни

Основен елемент в системите с принудителна, наричана още и принудена циркулация на топлоносителя, е помпата. Препоръчително е използването на допълнителна автоматика за следене температурата на водата в акумулатора, което се налага поради факта, че системата работи непрекъснато, дори и при отсъствието на слънце, например през нощта или при облачно време. Следователно, вместо да се загрява, водата в акумулатора ще се охлажда. Именно за да не се допуска това, елемент от системата са датчици за следене на температурата на водата в акумулатора. В зависимост от генерирания от тях сигнал, помпата ще се включва само когато температурата на водата в акумулатора е по-ниска от тази в колектора или в зависимост от желаната температура. Помпата и допълнителната автоматика, естествено, оскъпяват системата. По-големият брой елементи на системите с принудителна циркулация определя и по-сложния й монтаж, настройка и ремонт. Но тези системи се отличават с по-висока ефективност, което позволява да се намали колекторната площ, тъй като добивът на топлина от единица площ е по-голям.

За разлика от системите с естествена циркулация, при помпените колекторни системи не съществува изискването за монтаж на акумулаторния съд по-високо от колектора. Монтажът на колектора би могъл да се осъществи на покрива. А

акумулаторът да се монтира

навсякъде в сградата

Някои специалисти препоръчват акумулаторът да е с вместимост, подходяща да събере необходимото количество топла вода за няколко дни. Възможно е да се използва и допълнителен източник на енергия, който да компенсира невъзможността на колектора да произведе гореща вода с необходимата температура при по-дълги периоди на неблагоприятни метеорологични условия. В процеса на проектиране на слънчеви системи за целогодишно използване, задължително се залага на акумулатор с допълнителен нагревател, най-често електрически. Ако акумулаторът е с две серпентини, е възможно да се включи към котел. Логично, акумулаторът и тръбите следва да бъдат добре изолирани, за да се предотвратят загубите на топлина.

Слънчевите системи с принудителна циркулация също се проектират като

директни или индиректни

системи

Принципът им на действие е подобен на описания в миналия брой на сп. Технологичен дом принцип, характерен за системите с естествена циркулация. Директните слънчевите инсталации с принудителна циркулация са ефективни, но не са подходящи за географски райони с твърда вода, както и за приложения, в които водата е с по-висока киселинност. Изграждането им е целесъобразно в райони с по-мек климат, в които температурите рядко падат под нула градуса. Препоръчително е осигуряването на защита срещу замръзване на водата. Индиректни слънчеви инсталации с принудителна циркулация са подходящи за региони с продължителни периоди на отрицателни температури.

Независимо от избрания вид на слънчевата система - с естествена или с принудителна циркулация, топлоносителят в колекторния контур е добре да бъде химически очистена вода, както и по възможност да се използва антифриз на основата на етиленгликол или пропиленгликол. Препоръчително е слънчевите системи да се изграждат като индиректни инсталации, т.е. с отделен колекторен кортур, тъй като по този начин се осигурява по-дълъг експлоатационен живот на колектора.

За сравнение, при директните системи опасността от корозирането му е значително по-голяма. При проектирането на слънчевите системи с оглед постигане на висока ефективност, т.е. максимално оползотворяване на достигналата върху колекторите слънчева енергия, следва да се отчете комплекс от фактори. Сред тях, наред с вида на слънчевата инсталация и типа на колекторите, са и начинът им на монтаж, включително местоположението, ориентацията и ъгълът на монтаж на колекторите.

Колекторите са част

от архитектурата на

сградата

Определящо значение за постиганата от слънчевата инсталация ефективност има монтажното място на колекторите. Обикновено, при по-малките инсталации слънчевите колектори се разполагат върху покрива на сградата и по-рядко върху специална метална конструкция. При всички случаи условието е колекторите да се монтират на открито и незасенчено място. В повечето приложения покривите напълно удовлетворяват това условие, но все пак следва да се вземе предвид размера на колектора и съществува ли засенчване от останалите части на сградата или от съседни постройки. Когато инсталацията е с по-голяма мощност, размерите на колектора са значителни и това би могло да окаже влияние върху архитектурата на сградата или на околното пространство. Друго добро решение за монтаж на слънчевите колектори е използването им като ограждащ елемент, което ги прави част от архитектурата на сградата.

При избора на място за монтаж на колектора е добре да се има предвид, че той поглъща най-голямо количество от слънчевата енергия, когато равнината му е перпендикулярна на направлението на слънчевите лъчи. През различните сезони, обаче, ъгълът, под който слънчевите лъчи достигат Земята в определена точка от нея, е различен. С цел постигане на максимално висока ефективност са разработени монтажни системи, които следват слънчевия диск, както по дневния му път, така и в зависимост от годишния сезон. При стандартните колекторни системи, които са масово използвани у нас, се следва принципът на постоянно ориентиране на равнината на колектора в съответствие с дневното и годишното положението на Слънцето, с цел оползотворяване на най-голямо количество слънчева енергия. Задължително е

ориентацията

на колектора

да е на юг

В краен случай, при невъзможност да се спази това условие, се допуска колекторът да е ориентиран на югоизток или югозапад. Препоръчителният наклон на колектора следва да е в диапазона от 30 до 60 градуса, като за оптимален се счита наклонът от 40 - 45 градуса. Производителите твърдят, че при тази ориентация и наклон сумарната денонощна трансформация на енергия има максимум.

Логично, когато слънчевият колектор се монтира върху наклонен покрив, наклонът на колектора съвпада с този на покрива. Следва да се има предвид, обаче, че ефективната работа на колектора е пряко свързана с осигуряване на подходящ наклон на колектора. Препоръчително е избягването на монтажни ъгли, по-малки от 20 градуса, тъй като степента на замърсяване на горната работна повърхност на колектора се увеличава, вследствие на което ефективността на системата рязко се понижава.

Технически проблем при този вид монтаж е постигането на добро укрепване на колектора върху покрива. В случаи, при които

колекторите се монтират

върху плосък покрив

те се поставят върху специална носеща метална конструкция, обикновено изработена от стоманени профили. Върху носещата конструкция се монтира не само колекторът, но и тръбните връзки. Предимства на този вид монтаж са възможността за избор на небесната ориентация на колектора и наклона. Като недостатък се приема не особено естетичния вид на колекторното поле и необходимостта от допълнителни инвестиции за топлинна изолация и предпазване на тръбната мрежа от атмосферни влияния.

При големи инсталации, при които с цел задоволяване нуждите от гореща вода на много хора системата обхваща голям брой колектори, се използват специално обособени площадки върху земята. Носещата конструкция се оразмерява за натоварване от сняг и ветрови напор. При многоредово подреждане на колекторите е необходимо да се определи подходящото разстояние между тях, така че да се предотврати или ограничи засенчването на всеки следващ ред. Най-благоприятни условия за засенчване се получават при изгрев и залез, когато височинният ъгъл на слънцето и интензитетът са с най-ниски стойности. При отсъствие на достатъчно място за монтаж се допуска засенчване при изгрев и залез, но загубите от засенчване не трябва да надвишават 10% от попадналата върху колекторите слънчева радиация при липса на засенчване. Дължината на редовете не оказва съществено влияние върху засенчването.

Свързване на колекторите

Свързването на колекторите към тръбната мрежа се осъществява по схема “долу-горе”, т.е топлоносителят постъпва в колектора в ниската му част и го напуска в по-високата. При свързване на няколко колектора, за изравняване на условията им на работа се практикува паралелното им включване. Когато броят на колекторите е голям, събирателната и разпределителната мрежи се изпълняват по т.нар. попътна схема Тихелман. Това осигурява еднаквото обтичане на колекторите с флуида. За ефективна работа на отделните колектори е желателно температурата на преминаващата през тях течност да съответства на интензитета на слънцегреенето, което би могло да се постигне чрез превключването им към акумулатори с различни температурни нива.