EN
Принцип работы и конструкция систем с давлением
Системы солнечного отопления с повышенным давлением используют замкнутые контуры. Теплоноситель (им может быть вода или смесь воды и пропиленгликоля) подаётся под давлением 50–100 фунтов на квадратный дюйм (psi) через солнечные коллекторы на крыше и теплоизолированный бак для горячей воды. Основное преимущество таких систем — возможность их подключения к стандартным бытовым водопроводным системам. Это означает, что все краны и душевые устройства обеспечивают стабильное давление и температуру воды даже при одновременном использовании горячей и холодной воды несколькими пользователями в зданиях с несколькими этажами. Для компенсации расширения теплоносителя при нагреве в системах предусмотрены специальные расширительные баки. В большинстве монтажных решений предпочтительными материалами для труб являются нержавеющая сталь или медь, поскольку эти материалы обладают высокой устойчивостью к коррозии. Благодаря этому они подходят для обеспечения долгосрочной надёжной работы как в жилых, так и в коммерческих водопроводных системах.
Термосифонные системы, работающие под давлением, функционируют за счёт процесса, называемого естественной конвекцией. В ходе этого процесса солнечные коллекторы на крыше нагревают воду. Нагретая вода естественным образом поднимается в накопительные баки, расположенные выше коллекторов. Это означает, что насосы не требуются, а также отсутствует необходимость в дорогостоящих компонентах, рассчитанных на рабочее давление. Большая часть конструкции выполняется из недорогих материалов (например, EPDM-резины и полипропилена). Такой подход допустим, поскольку системы работают при нормальном (атмосферном) давлении. Эти системы оснащены специальными функциями для эксплуатации при температурах ниже точки замерзания (в холодные зимы): они автоматически опорожняют и промывают воду из труб коллекторов, предотвращая повреждение от замерзания и разрыва труб.
Ключевые различия в материалах и теплообмене
Различия в материалах и конструкции обусловлены различными фундаментальными принципами работы. В связи с наличием постоянного давления для трубопроводов и теплообменников систем, работающих под давлением, требуются металлы высокой прочности (устойчивые к коррозии), например нержавеющая сталь. Системы, не работающие под давлением, не обязаны соответствовать этим требованиям, что позволяет значительно расширить применение полимерных материалов. Это существенно снижает стоимость строительства, а также упрощает монтаж.
Различные системы используют разные способы передачи тепла. Установки, работающие под давлением, как правило, оснащены внутренними змеевиками или рубашечными теплообменниками, расположенными в хорошо изолированных резервуарах. Такие конструкции обеспечивают разделение питьевой воды и контура гликоля. Хотя такая схема снижает вероятность замерзания, она усложняет техническое обслуживание. Системы без давления устроены иначе. В некоторых системах нагрев воды осуществляется непосредственно в коллекторе — такие системы называются прямыми термосифонными. Другие оснащаются простыми внешними теплообменниками. Системы без давления, как правило, работают лучше при умеренных температурах и обладают более высокой эффективностью. Однако резкие перепады температур приводят к резкому снижению их производительности и устойчивости к погодным условиям.
Подбор оптимального солнечного водонагревателя с учётом условий конкретного объекта
Давление воды и тип водопроводной системы и здания
Понимание текущей водопроводной системы имеет решающее значение при определении пригодности той или иной системы. В большинстве современных зданий используется система под давлением, при которой вода поступает в помещения по основным магистральным трубопроводам. Поэтому водонагреватели под давлением идеально подходят для квартир, кондоминиумов и многоэтажных жилых зданий, где требуется постоянное давление воды на каждом этаже. Такие системы также оптимальны при реконструкции старых зданий, поскольку позволяют избежать масштабных изменений в существующих конструкциях, которые могут потребоваться при установке традиционных водонагревателей, например, отказа от использования чердачных помещений или пространства под кровлей.
Системы с гравитационной подачей воды отлично работают в ненапорных системах, например, в сельской местности, в старых домах с баками для холодной воды на крышах или в полностью автономных (вне централизованных сетей) системах. Проблемы возникают, когда вертикальное расстояние между точкой сбора и входом в эту точку недостаточно велико. Обычно требуется минимальная разница по высоте не менее полуметра. Это может быть проблемой для зданий с малым уклоном кровли или плоскими крышами. Ненапорная водяная система может работать неэффективно при низком давлении воды (около 20 фунтов на квадратный дюйм), поскольку в таких системах вода движется медленно и едва струится. В то же время напорная система лучше справляется с такой ситуацией. Перед установкой всегда необходимо тщательно изучить существующую систему водоснабжения, чтобы минимизировать необходимость в использовании насосов и клапанов. Это особенно важно в старых зданиях, где следует по возможности избегать вмешательства в существующие трубопроводы. Оценка допустимой нагрузки на кровлю, климатических условий и риска замерзания
Мы выяснили, что прочность конструкции и устойчивость к погодным воздействиям являются ключевыми факторами при выборе здания для установки солнечных систем. Система плоской кровли обычно добавляет нагрузку от 30 до 50 килограммов на квадратный метр. Системы без избыточного давления, как правило, легче, поскольку в их конструкцию встроены более мелкие резервуары, что облегчает их монтаж на уже существующих зданиях. Большинство солнечных установок успешно размещаются на скатных крышах. Однако существует один важный аспект: монтажникам следует учитывать, что в прибрежных районах действуют более сильные ветровые нагрузки, что увеличивает требования к креплению примерно на 15–20 %. Это означает, что в таких районах обязательно использование сертифицированных кронштейнов, устанавливаемых специализированными сертифицированными монтажниками, чтобы обеспечить устойчивость системы к штормовым условиям.
Риск замерзания является важным фактором при выборе систем отопления. В регионах, где температура опускается до нуля градусов в течение более чем двух последовательных дней в год, предпочтение отдаётся герметичным (под давлением) системам в сочетании с растворами антифриза на основе этиленгликоля. Такая смесь предотвращает замерзание труб. Негерметичные (без давления) системы, напротив, зависят от эффективных систем самосливного дренажа. К ним относятся трубы, уложенные с правильным уклоном для стока воды, предохранительные клапаны, резервные устройства обеспечения работоспособности в случае неисправности и вспомогательная система электропитания для управляющей системы. Требования к системам дренажа и управления вызывают повышенные заботы по техническому обслуживанию в подобном климате. Напротив, за исключением нескольких регионов с экстремально низкими температурами, в тропическом климате и в регионах, где температура никогда не опускается ниже точки замерзания, допускается применение простых негерметичных термосифонных систем, которые эффективно функционируют в течение длительного времени без необходимости в сложных механизмах. Для регионов, где количество солнечных дней в году составляет менее 200, предпочтительнее использовать герметичные системы, поскольку они более эффективны по сравнению с негерметичными системами в пасмурную погоду. Это объясняется тем, что герметичные системы обеспечивают непрерывную циркуляцию теплоносителя даже при продолжительном недостатке солнечного света, что в конечном итоге снижает вероятность отказа системы в периоды неблагоприятной погоды.
Практическое применение и эффективность различных типов солнечных водонагревателей
Существует два основных типа солнечных водонагревателей: работающие под давлением и не работающие под давлением. Эти два типа солнечных водонагревателей могут изготавливаться и конфигурироваться множеством различных способов; при этом их конструкция, погодные условия эксплуатации, а также квалификация монтажника в значительной степени влияют на их производительность. При качественной установке от 50 до 75 % потребностей в горячей воде обычно покрывается за счёт солнечной энергии. Модели, работающие под давлением, как правило, обеспечивают более высокие показатели, поскольку конструкция их теплообменников более совершенна, что позволяет поддерживать более эффективный поток теплоносителя по трубам. Это также повышает их эффективность при пониженных температурах или при наличии колебаний температуры.
Системы с давлением и без давления по-разному работают в плане теплопередачи. В несжатых системах, основанных на термосифонном принципе, эффективность выше примерно на 10–15 % при тёплой погоде, поскольку отсутствует негативное влияние насосов или снижение эффективности теплообмена из-за компонентов. С другой стороны, системы под давлением обеспечивают стабильную производительность в течение всего года — в среднем по каждому сезону, а также зимой и при температурах замерзания — их общая эффективность примерно на 30 % выше. Однако в тропических и жарких регионах преимущество переходит к несжатым системам, в которых упрощённый прямой метод нагрева оказывается более эффективным.
При установке систем их эффективность зависит в большей степени от внимания, уделенного монтажу, чем от типа самой системы. Правильный угол наклона системы имеет очень важное значение и может даже повысить её выходную мощность на 25%. Однако такие проблемы, как затенение со стороны других зданий, несоответствие диаметра труб и плохая теплоизоляция, снижают доход от систем значительно сильнее, чем любые другие конструктивные особенности, заложенные в саму систему. Техническое обслуживание имеет исключительно важное значение. Накипь образуется на внутренних поверхностях герметичных теплообменников, и если теплообменники не очищать, то их КПД снижается на 12% ежегодно. В негерметичных системах проблема накипи менее выражена, однако они более склонны к образованию воздушных пробок и осаждению твёрдых частиц в открытых резервуарах. Последние достижения в области вакуумных трубчатых коллекторов обеспечивают примерно на 15% более высокую эффективность по сравнению с плоскими коллекторами, поэтому они являются самыми современными и наиболее оптимальными. Последние достижения в области коллекторных систем применимы как к вакуумным трубчатым, так и к плоским коллекторам — при условии их правильной установки.
Общая стоимость владения: первоначальные инвестиции, техническое обслуживание и возврат на инвестиции для систем солнечного нагрева воды
При расчете долгосрочных затрат люди зачастую упускают из виду расходы, превышающие цену, указанную на ценнике. Фактическая стоимость включает монтаж, регулярное техническое обслуживание и экономию, которую система обеспечивает в течение многих лет. Большинство домовладельцев, устанавливающих солнечные системы горячего водоснабжения, тратят от 3000 до 8000 долларов США, что включает стоимость самой системы. Напорные установки, как правило, находятся ближе к верхней границе этого диапазона. Это связано с необходимостью использования дополнительных специализированных компонентов, таких как теплообменники и расширительные баки, а также клапана для гликоля, рассчитанного на высокие температуры, и с повышенными трудозатратами при монтаже. Напротив, ненапорные модели, например базовые термосифонные установки, изначально кажутся более дешевыми. Однако при несоблюдении определенных условий на месте эксплуатации могут возникнуть дополнительные расходы. Недостаточная высота над кровлей и низкие температуры, приводящие к замерзанию, могут вызвать задержки и увеличить затраты на систему аварийного слива (drain-back) и дополнительные решения для обогрева.
«Правильное техническое обслуживание обходится примерно в 0,5 % от общей стоимости установки системы. Это составляет около 15–40 долларов США ежегодно на проверку состояния системы, долив гликоля в герметичные контуры и проверку клапанов, которые проводятся раз в три–пять лет. Как правило, герметичные системы требуют меньше выездов специалистов по обслуживанию, особенно если они установлены в холодных климатах, по сравнению с негерметичными системами, для которых требуется механическая система сброса теплоносителя. Две главные эксплуатационные проблемы, влияющие на негерметичные системы, — это образование накипи и осаждение твёрдых частиц. Именно поэтому важно проводить анализ качества воды, особенно если жёсткость местной воды превышает семь зёрен на галлон. Обработка воды для минимизации образования минеральных отложений имеет важное значение для предотвращения эксплуатационных проблем в будущем»
Согласно данным Министерства энергетики США, экономия от использования солнечных водонагревателей является весьма значительной. Расчёты показывают, что применение солнечных водонагревателей позволяет сократить расходы на нагрев воды на 50–80 %. Если домохозяйство заменит традиционный электрический водонагреватель с единым коэффициентом энергоэффективности (UEF) 1,0 на солнечную установку и воспользуется средними по стране тарифами на электроэнергию, то ежегодная экономия составит 274 долл. США; в некоторых домохозяйствах эта сумма может быть ещё выше. Даже при такой экономии при оценке окупаемости инвестиций необходимо учитывать и другие факторы. Прогнозируется ежегодный рост цен на энергию на 2–5 %, что дополнительно увеличивает экономию. В то же время эффективность системы со временем снижается: в среднем она теряет от 0,5 % до 1 % своей эффективности ежегодно. Также следует учитывать различные стимулы, например федеральный налоговый вычет в размере 30 % от стоимости оборудования и местные субсидии. Все эти факторы свидетельствуют о том, что качественные солнечные водонагреватели окупаются в течение 6–12 лет. В холодных регионах, а особенно в многоэтажных зданиях, недавно приобретённые модели с рабочим давлением могут стоить несколько дороже, однако они отличаются большей эффективностью и более длительным сроком службы.
Эти системы сохраняют одинаковую надёжность в течение периодов замерзания, обеспечивают одинаковое давление по всему зданию и позволяют избежать простоев, связанных с ремонтом и техническим обслуживанием, которые возникают при использовании других систем.
Часто задаваемые вопросы
Чем отличаются системы солнечного нагрева воды под давлением от систем без давления?
Отличие двух типов систем заключается в принципе их работы. В системах под давлением вода циркулирует в замкнутом контуре под определённым давлением, тогда как в системах без давления движение воды осуществляется за счёт естественной циркуляции, поэтому насос не требуется, а давление поддерживается на уровне атмосферного.
Какой материал используется в системах под давлением для предотвращения коррозии?
Для обеспечения коррозионной стойкости в системах под давлением применяются высококачественные металлы — медь и нержавеющая сталь, которые безопасно выдерживают давление в трубопроводах, теплообменниках и резервуарах.
Подходят ли системы без давления для холодного климата?
Системы без давления зачастую менее пригодны для холодного климата, поскольку подвержены замерзанию. Для предотвращения повреждения труб из-за замёрзшей воды им необходима эффективная функция сброса воды.
Как тип крыши влияет на установку солнечных водонагревателей?
Угол наклона крыши может повлиять на установку солнечного водонагревателя. Плоские крыши создают определённую нагрузку, тогда как скатные крыши, как правило, более удобны для монтажа. Однако в прибрежных районах требуется специальное крепление из-за повышенных ветровых нагрузок.
Какое стандартное техническое обслуживание требуется для солнечных водонагревателей?
Техническое обслуживание обычно включает проверку оборудования, долив жидкости в системах с давлением, а также контроль образования накипи и осадка. Регулярный анализ качества воды обязателен для предотвращения отложений.