Сезонное потребление горячей воды

Количество энергии, которое способна собрать система улавливания солнечного излучения, существенно варьируется в течение года и в зависимости от местонахождения энергетической установки. Наибольший объем собирается летом, затем в межсезонье он постепенно уменьшается и сводится к минимуму в зимний период. По чисто географическим причинам (координата широты) интенсивность солнечного излучения на земной поверхности в разной местности разная. Кроме того, излучение носит переменный характер из-за смены времени суток, разнится по дням сообразно перемене погоды (ясно или облачно), а также по временам года (количество солнечных дней в разные месяцы также разное).

В Италии в течение года энергия солнечного излучения, поступающая на 1 м² площади, варьируется в диапазоне от 1,100 до 1,700 кВт•ч (увеличиваясь по мере перехода от северных регионов к южным). На рис. 1 представлены значения среднегодовой облученности поверхности в наиболее крупных итальянских городах (Мкал/м² в год = 1,1628 кВт•ч/м² в год) на южно-ориентированной стороне под углом 45°. Пьян Роза (Валь д'Аоста) – 1834, Альгеро – 1343, Трапани – 1300, Рим – 1297, Кротоне – 1260, Джела – 1241, Удине – 1144, Пиза – 1142, Болонья – 1136, Бриндизи – 1133, Пескара – 1131, Турин – 1078, Больцано – 1047, Неаполь – 1046, Милан – 951. Аномально высокий уровень городка Пьян Роза (высокогорье) и аномально низкий  уровень Милана (паданская долина) объясняются прозрачностью и туманностью атмосферы на протяжении длительного периода в течение года. На рис. 2 представлены в динамике колебания солнечной облученности поверхности по месяцам года. В качестве контрольной точки взят населенный пункт со среднегодовой величиной облученности поверхности 1020 кВт•ч/м². График показывает средний ежедневный объем солнечной энергии в кВт•ч/м², ежемесячно поступающий на 1 м² площади. Следует подчеркнуть, что использование тепла, полученного из солнечного излучения, имеет практически нулевую себестоимость. При расчете технико-экономического обоснования применения солнечного отопления нужно таким образом учитывать исключительно амортизационные расходы. Хотя нельзя забывать, что речь все-таки идет о специфическом источнике энергии с такими переменными факторами, как смена дня и ночи и смена времен года, который не позволяет прогнозировать производительные параметры системы с достаточной точностью (поскольку целиком определяется метеорологическими условиями).

Рисунок 1. Значения среднегодовой солнечной облученности поверхности в некоторых итальянских городах на южно-ориентированной стороне под углом 45°. Анализ значений в тексте

Cистема горячего водоснабжения

Ежедневная потребность в горячей воде на одного человека определяется двумя параметрами: количеством (литры на человека в день) и температурой (°С). Обычно в качестве нормального уровня потребления берется средний показатель 40 л/чел в день на 60 °С. Однако фактическое потребление горячей воды у разных людей отличается, зачастую весьма существенно, в зависимости от уровня жизни. Естественно, температура горячей воды зависит от назначения (личная гигиена, кухонное потребление, стирка белья и пр.) и обеспечивается подмешиванием холодной воды. Горячая вода может готовиться различными способами. Наиболее распространенный – производство требуемого тепла непосредственно на пользовательском участке путем переработки электрической энергии или сжигания топлива (газ метан, пропан-бутан, дизельное топливо, дрова). Небезынтересны также процессы, использующие тепло, производимое вдали от потребителя и доставляемое по распределительной сети (сети централизованного теплоснабжения), а также солнечную энергию (солнечное тепло), либо отбирающие тепло из воздуха посредством систем на основе тепловых насосов. Соответственно сетевое и оконечное оборудование может быть индивидуального либо коллективного пользования. Иногда приготовление горячей воды осуществляется оборудованием, которое одновременно обеспечивает производство тепла для отопления помещений. Системы приготовления горячей воды могут быть проточного либо накопительного типа (накопительные баки, где поддерживается определенная температура). Чрезвычайно перспективным считается использование солнечного излучения для организации сезонного ГВС, главным образом в летний период (пляжные и курортные душевые кабины, подогрев воды в открытых бассейнах и т. п.).

Рисунок 2. Изменение солнечной облученности поверхности по месяцам года, на 1 м2 поверхности в контрольном населенном пункте со среднегодовым значением облученности 1020 кВт•ч/м2. Годовая сумма 1020 кВт•ч

Приготовление горячей воды

Использование солнечной энергии для приготовления горячей воды чрезвычайно удобно. Среди основных преимуществ – сравнительно невысокая температура нагрева, требующаяся для бытового применения (50–60 °С). Кроме того, в отличие от потребления тепла для отопления помещений, разбор которого приходится главным образом на зимний период и существенно варьируется от месяца к месяцу, – потребление горячей воды для бытовых нужд более или менее постоянно в течение всего года, а потребление тепла для производства ее незначительно колеблется в зависимости от фактической температуры водопроводной воды и снижения водоразбора в летний период (обусловленного массовым отъездом в отпуск из мест постоянного проживания). В табл. 1 представлены значения потребности в энергии для ГВС домашнего пользования, при этом за точку отсчета взята единица, представляющая объем обычного среднемесячного потребления.

Если для производства ГВС используется солнечная система, понятно, что объем получаемой энергии летом намного больше, чем зимой. Отсюда естественная целесообразность использовать солнечную энергию именно в летний период.

В силу того, что ночью солнечное излучение отсутствует вообще, а днем варьируется сообразно погодным условиями, приготовление проточной санитарной воды таким способом исключается. Чтобы обеспечить постоянное наличие солнечной энергии, система помимо традиционных солнечных панелей (энергоприемника) должна иметь в составе накопитель тепла. При этом, чтобы в периоды временного дефицита солнечной энергии поддерживать энергоснабжение системы на должном уровне, необходимо иметь возможность подключения к другим, дополнительным источникам нагрева воды (электрическим или топливным).

На рис. 3 показан диапазон общей производительности солнечной системы по месяцам. В целом в годовом исчислении система энергоснабжения на основе солнечных панелей – полезная площадь которых приемлема с точки зрения общей занимаемой площади и затрат на организацию сети – составляет немалую долю (50-70 %) потребности в ГВС. Для одной семьи приемлемой полезной площадью считаются 2–4 м².

Рисунок 3. Степень покрытия, обеспечиваемая системой на основе солнечных батарей определенной мощности (в нашем примере 150 л/день при 45 °С). Процент покрытия солнечной системы (150 л/день, 45 °С)

Конфигурация сети

Основными элементами сети являются приемник солнечного излучения (коллектор) и накопительный бак для производимой горячей воды. Эти два элемента могут быть раздельными, т. е. устанавливаться на определенном расстоянии друг от друга, либо выполняться в виде моноблока.

Обычный коллектор состоит из прямоугольных коробов, закрытых сверху стеклом, создающим парниковый эффект, и защищенных снизу теплоизолирующим материалом, минимизирующим тепловое рассеяние. В коробах устанавливаются черные металлические пластины, к поверхности которых привариваются каналы циркуляции рабочей жидкости, поглощающей солнечное тепло. Тепло, отданное коллектору солнечным излучением, может отбираться непосредственно приготовляемой горячей водой. И в этом случае вода – без промежуточных ступеней – свободно циркулирует по коллектору. Либо в качестве рабочей жидкости используется жидкость-теплоноситель, и тогда она циркулирует по замкнутому контуру от коллектора к теплообменнику, который отдает тепло воде. Теплообменник выполняется в виде змеевика, установленного в накопительном баке (внутри или снаружи), либо в виде рубашки, окутывающей накопительный бак. И в том, и в другом случае циркуляция обеспечивается насосным агрегатом либо – если уровень расположения накопительного бака выше уровня коллектора – прямотоком.

Следует помнить, что поглощение водой тепла непосредственно из коллектора с одной стороны значительно упрощает конфигурацию сети и, следовательно, снижает затратную часть, с другой стороны имеет один недостаток – вода, циркулирующая в контуре солнечной панели при определенных параметрах жесткости может при нагревании давать известковый осадок, со временем засоряющий каналы коллектора. В этом случае рекомендуется организовать умягчение воды, нагреваемой таким способом.

Рисунок 4 (подробнее)   Принципиальная схема солнечного контура приготовления горячей воды

Емкость накопительного бака должна соответствовать фактическим объемам потребления горячей воды с учетом переменного характера процесса накопления тепла, свойственного системам данного типа. Компоненты системы соединяются трубопроводом, оборудованным соответствующей теплоизоляцией. На рис. 4 показана принципиальная схема солнечного контура приготовления горячей воды. Рабочие параметры оптимизируются и регулируются специальной автоматической системой управления, которая в зависимости от объема поступающей солнечной энергии либо фактической температуры воды в накопителе включает и выключает циркуляционный насос либо регулирует пропускной объем жидкости-теплоносителя. Наличие воды определенной температуры, в том числе, когда система не дает нужного количества тепла, может обеспечиваться подключением к внешнему источнику тепла. С этой целью в накопителе можно установить электронагоревательный элемент, которое специальным термостатическим регулятором будет включаться только, когда требуется подогреть воду до необходимого уровня. В качестве альтернативы в накопителе устанавливают второй теплообменник (рис. 5), в котором время от времени (с той же целью) включается циркуляция жидкости-теплоносителя, нагретой имеющимся тепловым генератором (например, использующимся для отопления помещений объекта).

В зависимости от климатической зоны и времени года в случае использования промежуточной жидкости-теплоносителя могут потребоваться определенные меры для защиты от замерзания.

Рисунок 5. Схема солнечной системы ГВС с возможностью использования дополнительного тепла отопительного контура

Водонагреватели сезонного применения

Солнечные системы ГВС, использование которых ограничивается только летним периодом (с мая по сентябрь) отлично подходят для объектов, где требуется нагрев не выше 35–45 °С. Это, например, пляжные курортные душевые кабины, душевые летних лагерей и баз отдыха, открытые бассейны (пользование которыми ограничено сугубо летним периодом) и т. п. Такие системы в силу того, что температура окружающего воздуха лишь незначительно отличается от температуры, до которой нужно нагреть санитарную воду, существенно проще и, как следствие, намного дешевле по сравнению с системами подогрева воды на объектах круглогодичного использования. Все оборудование сводится к функциональной паре «коллектор/накопитель». Никакого теплообменника не требуется.

Коллектор может состоять из простых пластмассовых пластин (обычно полипропиленовых) без теплоизоляции, в которых методом экструзии проделаны каналы для циркуляции жидкости-теплоносителя. Такие коллекторы скатываются в трубку, чрезвычайно легкие и дешевые. На рис. 6 показан пример использования такой системы для подогрева воды в бассейне.

Горячая вода для пляжных душевых кабин либо душевых установок при открытых бассейнах может готовиться очень простым и экономичным способом – с использованием пластмассовых солнечных панелей без накопителя, куда поступает вода из водопровода. Вода из солнечных панелей направляется непосредственно в душевую лейку, а ее температура регулируется термостатическим регулятором. Отсутствие в контуре накопительного бака обусловлено тем, что система используется только в летние солнечные дни, когда имеется в достатке солнечное излучение, т. е. режим использования объектов такого рода жестко диктуется наличием или отсутствием солнца, ночными перерывами, сезонными и метеорологическими колебаниями температуры.

При установке коллектор следует ориентировать на юг, поскольку, повторяем, использование объекта приходится на летний период. С учетом сезонных астрономических особенностей высоты над линией горизонта угол наклона коллектора составляет 30°.

Подогрев воды в бассейне

В открытых бассейнах летнего пользования применение солнечных панелей позволяет подогревать воду в ванне до уровня 28–30 °С. Солнечная система нагрева воды отлично справляется с эффектом ночного охлаждения ванны, а также позволяет значительно расширить сезонные границы использования объекта, т. е. открывать сезон раньше срока (апрель-май) и закрывать позже (сентябрь-октябрь). Накопительный бак горячей воды в данном случае – это сам бассейн. Предварительно отфильтрованная вода бассейновой ванны под действием насоса циркулирует непосредственно в панелях. Полипропилен, обычно используемый для изготовления коллекторов, не подвержен воздействию химических реагентов, которые добавляются в воду в целях очистки и дезинфекции. При необходимости в период повышенной потребности в тепле для подогрева бассейна может включаться дополнительный теплообменник, где частично подогретая вода из солнечных панелей нагревается до установленного уровня за счет тепла, отдаваемого жидкостью-теплоносителем, нагреваемой отопительным котлом первичного контура. Такое решение в принципе можно использовать и для крытых бассейнов круглогодичного использования, поскольку оно позволяет существенно экономить на топливе.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI № 11/2005

Перевод с итальянского С. Н. Булекова

Техническое редактирование В. С. Ионова