EN
Принцип роботи та конструкція систем під тиском
Системи сонячного опалення під тиском використовують замкнені контури. Теплоносій (яким може бути вода або суміш води й пропіленгліколю) циркулює під тиском 50–100 psi через колекторну панель на даху та ізольовану ємність гарячої води. Основна перевага таких систем — можливість їхнього підключення до стандартних побутових водопровідних систем. Це означає, що всі крани та душі забезпечують стабільний тиск і температуру води навіть у разі одночасного користування гарячою й холодною водою кількома користувачами в будинках з кількома поверхами. Для компенсації розширення, спричиненого нагріванням, у системах передбачені спеціальні розширювальні баки. У більшості монтажів переважно використовують труби з нержавіючої сталі або міді, оскільки ці матеріали мають високу стійкість до корозії. Тому вони є відповідним вибором для забезпечення тривалої експлуатаційної надійності як у житлових, так і в комерційних водопровідних системах.
Системи термосифону, що працюють під тиском, функціонують за рахунок процесу, який називається природною конвекцією. У цьому процесі сонячні колектори на дахах нагрівають воду. Нагріта вода природним чином піднімається до баків для зберігання, розташованих вище за колектори. Це означає, що насоси не потрібні, а також не потрібні дорогі компоненти, розраховані на роботу під тиском. Більшу частину конструкції виготовляють із недорогих матеріалів (наприклад, ЕПДМ-гуми та поліпропілену). Такий підхід до конструкції є цілком прийнятним, оскільки системи працюють при звичайному тиску (атмосферному тиску). Ці системи мають спеціальні функції для випадків, коли температура опускається нижче точки замерзання (холодні зими). Вони автоматично спорожнюють і промивають воду з труб колекторів, щоб запобігти пошкодженню внаслідок замерзання й розриву труб.
Ключові відмінності у матеріалах та теплообміні
Різниця в матеріалах та конструкції є наслідком різних фундаментальних принципів роботи. Через наявність постійного тиску для трубопроводів і теплообмінників систем, що працюють під тиском, необхідно використовувати метали високої міцності (стійкі до корозії), наприклад нержавіючу сталь. Системи, що не працюють під тиском, не мають задовольняти цим вимогам, що дозволяє значно ширше застосовувати полімерні матеріали. Це суттєво знижує вартість будівництва, а також спрощує монтаж.
Різні системи мають різні способи передачі тепла. Установки, що працюють під тиском, зазвичай мають внутрішні спіралі або теплообмінники з рубашкою у добре ізольованих резервуарах. Такі конструкції забезпечують розділення питної води та контуру з гліколем. Хоча такий підхід зменшує ймовірність замерзання, він ускладнює технічне обслуговування. Непідтискові системи працюють інакше. У деяких системах нагрів води відбувається безпосередньо в колекторі — це так званий прямий термосифон. Інші оснащені простими зовнішніми теплообмінниками. Непідтискові системи, як правило, ефективніше працюють за помірних температур і мають вищу ККД. Однак раптові зміни температури призводять до різкого падіння їх продуктивності та стабільності роботи в різних погодних умовах.
Підбір найкращого сонячного водонагрівача з урахуванням умов ділянки
Тиск води та тип водопровідної системи й будівлі
Розуміння поточної системи водопостачання є обов’язковим при визначенні придатності системи. У більшості сучасних будівель використовується система під тиском, у якій вода подається до окремих одиниць за допомогою головних магістральних трубопроводів. Тому водонагрівачі під тиском ідеально підходять для квартир, кондомініумів та багатоповерхових житлових будинків, де на кожному поверсі необхідний тиск води. Ці системи також ідеально підходять під час ремонту старих будівель, оскільки вони усувають необхідність більш масштабних змін у наявних конструкціях, які можуть знадобитися при традиційних установках, щоб уникнути використання даху або горищного приміщення.
Системи гравітаційного водопостачання чудово працюють у незамкнених (ненапірних) системах, наприклад, у сільській місцевості, у старих будинках із резервуарами для холодної води на дахах або в повністю автономних (поза мережею) системах. Проблеми виникають, коли вертикальна відстань між точкою збору й вхідним отвором точки збору недостатня. Зазвичай бажана мінімальна вертикальна різниця становить щонайменше півметра. Це може стати проблемою для будівель із пологким або плоским дахом. Ненапірна водопровідна система може працювати неефективно при низькому тиску води (приблизно 20 фунтів на квадратний дюйм), оскільки вода в таких системах рухається повільно й лише крапає. Натомість напірна система краще справляється з такою ситуацією. Завжди досліджуйте існуючу сантехнічну систему перед монтажем, щоб мінімізувати потребу в насосах і клапанах. Це особливо важливо в старих будинках, де потрібно якомога менше втручатися в існуючу сантехніку. Оцінка вантажопідйомності даху, кліматичних умов та ризику замерзання
Ми встановили, що міцність конструкції та стійкість до атмосферних впливів є критичними факторами, які слід враховувати перед вибором будівлі для встановлення сонячних систем. Система плоского даху зазвичай додає вагу в межах від 30 до 50 кілограмів на квадратний метр. Системи без підвищеного тиску, як правило, легші, оскільки вони мають менші резервуари, інтегровані в конструкцію системи, що спрощує їхнє встановлення на вже існуючих будівлях. Більшість сонячних установок добре працюють на дахах з ухилом. Однак існує один важливий аспект: монтажникам слід усвідомлювати, що в прибережних районах діють сильніші вітрові навантаження, що збільшує вимоги до кріплення приблизно на 15–20 %. Це означає, що в цих районах обов’язковим є використання сертифікованих кріпильних систем, встановлених спеціалізованими сертифікованими монтажниками, щоб забезпечити стійкість системи до штормів.
Ризик замерзання є важливим чинником при виборі систем опалення. У регіонах, де температура опускається до нуля градусів протягом більше ніж двох послідовних днів щороку, зазвичай вибирають напірні системи у поєднанні з розчинами антифризу на основі гліколю. Така суміш запобігає замерзанню труб. Ненапірні системи, навпаки, залежать від ефективних систем самопливного спорожнення (drain-back). Це передбачає належне похиле прокладання труб для відводу води, клапани безпеки, резервні робочі системи на випадок несправності та допоміжну електроживлення для системи керування. Вимоги до систем спорожнення та керування в таких кліматичних умовах викликають більше проблем із технічним обслуговуванням. Натомість, за винятком кількох надзвичайно морозних кліматичних зон, тропічні регіони та регіони з постійно незамерзаючим кліматом дозволяють використовувати прості ненапірні термосифонні системи, які ефективно функціонують протягом тривалого часу без потреби в складних механізмах. Для регіонів, де щороку буває менше 200 сонячних днів, напірні системи є кращим варіантом, оскільки вони ефективніші за ненапірні системи в похмуру погоду. Це пов’язано з тим, що напірні системи забезпечують безперервну циркуляцію навіть у періоди тривалої недостатньої освітленості, що в кінцевому підсумку зменшує ймовірність виходу системи з ладу під час поганих погодних умов.
Практичне використання та ефективність різних типів сонячних водонагрівачів
Існує два основних типи сонячних водонагрівачів: під тиском і без тиску. Ці два типи сонячних водонагрівачів можна виготовляти й налаштовувати багатьма різними способами, а їх конструкція, погодні умови, у яких вони експлуатуються, а також кваліфікація монтажника суттєво впливають на їхню продуктивність. Якісно встановлені системи зазвичай задовольняють від 50 до 75 % потреб у гарячій воді за рахунок сонячної енергії. Моделі під тиском, як правило, досягають вищих показників, оскільки їхні теплообмінники мають кращу конструкцію, що забезпечує ефективніше підтримання потоку через труби. Це також робить їх ефективнішими в умовах холодної погоди або при коливаннях температури.
З точки зору тепла працюють по-різному системи під тиском і без тиску. Системи термосифонного типу без тиску працюють приблизно на 10–15 % ефективніше в теплу погоду, оскільки відсутні негативні впливи насосів або передачі тепла від компонентів, які стають менш ефективними. З іншого боку, системи під тиском забезпечують стабільну продуктивність протягом усього року — у середньому в кожному сезоні, зокрема взимку, а також при температурах замерзання — загалом на 30 % кращу продуктивність. Однак у тропічних регіонах, тобто в теплих кліматичних зонах, простіші безтискові системи з безпосереднім нагріванням є ефективнішими.
Коли системи встановлюють, їхня ефективність залежить більше від уваги, приділеної монтажу, ніж від типу самої системи. Правильне встановлення кута нахилу системи має дуже велике значення й навіть може збільшити її виробничу потужність до 25 %. Однак такі проблеми, як затінення іншими будівлями, неправильний підбір діаметра труб або погана теплоізоляція, можуть значно сильніше знизити дохід від систем, ніж інші параметри, закладені в саму систему. Технічне обслуговування є надзвичайно важливим. На внутрішніх поверхнях змішувальних теплообмінників під тиском утворюється накип, і якщо такі теплообмінники не очищати, ефективність втрачається зі швидкістю 12 % на рік. У незамкнених (непідтискових) системах проблема накипу менш поширена, однак у них частіше утворюються повітряні пробки та відкладається осад у відкритих резервуарах. Найновіші розробки вакуумних трубчастих колекторів є приблизно на 15 % ефективнішими за плоскі колектори, тому вони є найсучаснішими й найоптимальнішими. Найновіші досягнення в галузі колекторних систем застосовні до обох типів колекторів за умови їхнього правильного монтажу.
Загальна вартість володіння: початкові інвестиції, технічне обслуговування та рентабельність інвестицій для систем сонячного опалення води
Під час розрахунку довгострокових витрат люди часто не враховують витрати, що перевищують ціну, вказану на табличці. Справжня вартість включає встановлення, регулярне технічне обслуговування та економію, яку система забезпечує протягом років. Більшість домовласників, які встановлюють сонячні системи нагріву води, витрачають від 3000 до 8000 доларів США, що включає вартість самої системи. Під тиском працюючі моделі, як правило, розташовуються ближче до верхнього кінця цього діапазону. Це пов’язано з додатковими спеціалізованими компонентами, такими як теплообмінники й розширювальні баки, а також клапаном для гліколю, який розрахований на високі температури, і з більшою трудомісткістю робіт для монтажників. Навпаки, моделі без під тиском, наприклад базові термосифонні моделі, спочатку здаються дешевшими. Однак, якщо певні умови на місці встановлення не виконуються, можуть виникнути додаткові витрати. Недостатній простір над дахом та низькі температури, що призводять до замерзання, можуть спричинити затримки й збільшення витрат на системи контролю зливу назад та додаткові рішення для обігріву, які потрібно встановлювати.
«Правильне технічне обслуговування коштує приблизно півпроцента від загальної вартості монтажу системи. Це становить близько 15–40 доларів США щорічно на перевірку стану системи, дозаправку замкнених контурів з гліколем під тиском та перевірку клапанів, які проводяться раз на три–п’ять років. Зазвичай, системи під тиском потребують меншої кількості виїздів техніків, якщо вони встановлені в холодних кліматичних умовах, порівняно з незамкненими системами, які вимагають механічних систем скидання рідини. Дві найбільші експлуатаційні проблеми, що впливають на незамкнені системи, — це утворення накипу та осаду. Саме тому важливо проводити аналіз якості води, особливо якщо твердість місцевої води перевищує сім зерен на галон. Обробка води з метою мінімізації накопичення мінеральних відкладень є важливим заходом для запобігання експлуатаційним проблемам у майбутньому»
Згідно з даними Міністерства енергетики США, економія від використання сонячних водонагрівачів є досить значною. Їхні дослідження показують, що сонячні водонагрівачі дозволяють знизити витрати на нагрівання води на 50–80 %. Якщо домогосподарство замінює традиційний електричний водонагрівач із уніфікованим енергетичним коефіцієнтом (UEF) 1,0 на сонячну установку й використовує середньонаціональну вартість електроенергії, то річна економія становить 274 долари США; у деяких домогосподарств ця сума може бути ще вищою. Навіть за таких умов економії слід враховувати й інші фактори при аналізі терміну окупності інвестицій. Ціни на енергоносії, як очікується, щороку зростатимуть на 2–5 %, що збільшуватиме економію. Крім того, ефективність системи з часом знижуватиметься: у середньому втрати ефективності становлять від 0,5 % до 1 % щороку. Також слід враховувати стимули, наприклад, федеральний податковий кредит у розмірі 30 % від вартості системи та місцеві субсидії. Усі ці чинники свідчать про те, що якісні сонячні водонагрівачі окупляться протягом 6–12 років. У холодному кліматі, а особливо в багатоповерхових будівлях, нові пресовані моделі можуть коштувати трохи дорожче, але вони є ефективнішими й довговічнішими.
Ці системи зберігають однакову надійність протягом періодів замерзання, забезпечують однаковий тиск у всьому будинку та економлять витрати на ремонт і перерви в обслуговуванні, які інші системи створюють.
ЧаП
Що відрізняє сонячні системи нагріву води під тиском від систем без тиску?
Основна відмінність між цими двома типами полягає у принципі їх роботи. У системах під тиском вода утримується під певним тиском у замкнутому контурі, тоді як у системах без тиску вода циркулює за рахунок природної конвекції, тому насос не потрібен, а тиск підтримується на рівні атмосферного.
Який матеріал використовується в системах під тиском для запобігання корозії?
Для забезпечення стійкості до корозії в системах під тиском використовуються високоякісні метали — мідь та нержавіюча сталь, що безпечно витримують тиск у трубах, теплообмінниках та резервуарах.
Чи придатні системи без тиску для холодного клімату?
Системи без під тиску часто менш придатні для холодного клімату, оскільки можуть страждати від замерзання. Щоб запобігти пошкодженню труб через замерзлу воду, вони потребують ефективної функції самопротоку (drain back).
Як тип даху впливає на монтаж сонячних водонагрівачів?
Кут нахилу даху може впливати на монтаж сонячного водонагрівача. Плоскі дахи створюють певне навантаження, тоді як скатні дахи, як правило, зручніші для монтажу. Однак у прибережних районах потрібні спеціальні кріплення через більші вітрові навантаження.
Яке стандартне технічне обслуговування необхідне для сонячних водонагрівачів?
Технічне обслуговування зазвичай передбачає перевірку обладнання, долив рідини в системи під тиском та перевірку наявності накипу й осаду. Для запобігання утворенню відкладень необхідно регулярно перевіряти якість води.