Как выбрать тип коллектора для системы солнечного теплоснабжения?

Определяя состав оборудования для будущей системы солнечного теплоснабжения ее потенциальный владелец или проектировщик задается вопросом: «какой тип коллектора выбрать?». Плоский или вакуумный, с концентратором или без, металлический или пластиковый, как выбрать наиболее подходящую конструкцию коллектора, применительно к конкретной задаче? Аргументированный ответ на этот вопрос требует инженерного анализа и один из вариантов такого анализа представлен в этой статье.

Опыт производства солнечных систем теплоснабжения за последние тридцать лет, заметно вырос, и это проявилось, прежде всего, в расширении ассортимента и улучшении качества оборудования, предлагаемого для тепловых солнечных установок. При этом, разработчики современного оборудования, в порядке технической поддержки, поставляют и компьютерные программы, обеспечивающие эффективное и целенаправленное применение гелиотехники.

Мы полагаем, что понятие «солнечный коллектор» уже знакомо тому, кто принимает решение использовать данную технику, однако, при необходимости, рекомендуем вспомнить ключевые аспекты этой темы, обратившись к известной литературе [2] или к доступной инженерно-методической документации [1].

Системы солнечного теплоснабжения с дублирующим источником тепла (дублером) и принудительной циркуляцией теплоносителя для обеспечения ГВС занимают значительный сегмент современного рынка гелиотехники, и мы обсудим здесь задачу применительно к этому виду систем. Прелагаемый анализ рассматривает расчетное сравнение характеристик наиболее распространенных типов солнечных коллекторов, поскольку они являются основными элементами водонагревательных гелиоустановок. Сравнение будет произведено различными способами.

Охарактеризуем актуальное состояние рынка солнечных коллекторов. Наиболее отработанные и наиболее часто предлагаемые сегодня конструкции коллекторов показаны на Рис.1. Здесь А и Г плоские коллекторы, а Б и В вакуумные трубчатые, причем в варианте В трубки снабжены рефлекторами. Коллекторы типа Г выполнены из пластика, не имеют остекления и применяются исключительно для нагрева воды в бассейне. Коллекторы А, Б, и В применяются, практически, во всех случаях, предусмотренных для нагрева воды, в том числе и для отопления.

На практике наиболее распространены плоские коллекторы, имеющие однослойное остекление (тип А), так как стоимость изготовления и тепловая производительность таких коллекторов имеют наиболее приемлемое соотношение. В зимнее время (или в северных широтах) становится заметным преимущество вакуумных коллекторов, и это будет проиллюстрировано ниже. Отметим, что здесь выбраны коллекторы разных, достаточно авторитетных производителей и, следовательно, будут сравниваться характеристики лучшего оборудования, представляющего группы А, Б, В, и Г. К.п.д. современных коллекторов выражают характеристикой:

,

где Eg -плотность суммарного падающего на коллектор солнечного излучения (Вт/м2), а ΔТ-разность между средней температурой теплоносителя в коллекторе и температурой окружающей среды. Величина η0 представляет собой к.п.д. коллектора при ΔТ=0 и, в большинстве случаев, равна произведению пропускной способности стекла ϕ и поглощательной способности абсорбера As. В физическом смысле, к.п.д выражает отношение (полезной) тепловой энергии, отведенной от абсорбера с помощью циркулирующего через коллектор теплоносителя, к падающей на абсорбер суммарной лучистой энергии.

к1=3.56, к2=0.0146 η0= 0.779 к1=1.33, к2=0.0071 η0= 0.7

к1=0.82, к2=0.0064 η0= 0.661 к1=27.35, к2=0.1 η0= 0.78

Рис.1. Наиболее часто применяемые типы коллекторов

Современные производители коллекторов измеряют к.п.д. в эксперименте для каждой конкретной конструкции коллектора. По результатам испытаний с помощью приведенного выше уравнения (1) делается корреляция, учитывающая нелинейность к.п.д.. В расчетах необходимо учитывать, что к.п.д. изменяет свое значение в течение дня и в течение года, в зависимости от температуры коллектора и температуры окружающей среды, а также от величины падающего излучения. Рассмотрим, упрощенно, как соотносятся к.п.д коллекторов А, Б, В и Г.

Рис.2 показывает кривые эффективности коллекоров для летнего и зимнего периода года в районе г.Краснодара. Для региона г.Краснодара будет выполнен и весь дальнейший анализ. С целью упрощения построения кривых в качестве Eg выбраны среднедневные солнечные потоки Вт/м.кв для января (190 Вт/м2) и июля (705Вт/м2).

среднедневные солнечные потоки Вт/м.кв для января (190 Вт/м2) и июля (705Вт/м2). Необходимая для расчета дневная суммарная падающая радиация (по месяцам) может быть найдена из различных справочников, но многие авторитетные источники позволяют рассчитать необходимые данные в режиме on-line в Интернет. Так, например, для расчета суммарной солнечной радиации в регионе г.Краснодара мы воспользовались интерактивной системой от PVGIS [4]

Из построенных с помощью зависимости (1) графиков мы видим, что в зимнее время (Рис.2, а).) рабочая область температур коллектора (см. Пунктирные линии) смещается вправо, а значение к.п.д. с ростом температуры коллектора снижается более интенсивно. Данный пример подразумевает, температуру бака на уровне не менее +50С, а рабочую температуру коллектора на 10 град. выше температуры бака. Заметим, что характеристика пластикового коллектора вообще не попадает в условно отмеченную рабочую область.

Сравнение коллекторов можно продолжить, используя простую методику расчета для “солнечных установок с дублером”, предлагаемую строительными нормами ВСН-52- 86 [3]. Согласно этой методике для заданного количества горячей воды мы можем вычислить потребную площадь коллекторов как

.

Верхняя часть данного соотношения выражает количество тепла (кВт*ч), необходимое для подогрева Gкг воды от температуры tw1 до температуры tw2, а нижняя часть – произведение к.п.д на упавшую в течение дня на 1м.кв. поверхности коллектора суммарную солнечную радиацию, (Вт*ч/м2 в день).

Рис.2. Сравнение к.п.д. коллекторов при различной инсоляции

К.п.д. коллектора согласно ВСН рекомендуется вычислять по формуле:

,

где U- к-т потерь, паспортная характеристика коллектора, Вт/м2К; (t1+t2)/2 – средняя температура теплоносителя; te- температура окружающей среды; Σgi /9 – среднедневной падающий поток Вт/м2; θ то же что и η0 в выражении (1). В отечественной литературе нелинейностью характеристики коллектора, как правило, предлагают пренебречь. Температурный напор между выходной и входной температурой нагреваемой воды и соответствующими температурами теплоносителя ВСН устанавливают равным 5 градусам (t1 - tw1= t2 - tw2= 5).

Результаты расчета по выражениям (2) и (3) для каждого месяца показаны на Рис.3. Здесь кривые 1 и 2 показывают, соответственно, площадь коллекторов типа А и типа Б необходимую для производства 250л горячей воды с температурой 45°C в разные месяцы. С апреля по сентябрь результаты для плоского и вакуумного коллектора очень близки, но в «холодные» месяцы наблюдается заметное различие. Если мы зафиксируем значение площади коллекторов равным 3.5м.кв., и определим с помощью тех же соотношений соответствующую производительность по горячей воде (Х-л/сут), то получим кривые 4 и 5.

Разумеется, с апреля по сентябрь мы получим перепроизводство горячей воды или её перегрев. Интегрирование кривых 4 и 5 показывает, что доля производства тепла, необходимого для круглогодичного обеспечения ГВС в объеме 250л в день с помощью коллекторов типа А составит -78%, а с помощью коллекторов типа Б - 88% (это получено с учетом равенства площадей абсорберов, и с зачетом перепроизведенного тепла).

На практике перепроизводство тепла в солнечных установках стараются не допускать (если в системе нет сезонных аккумуляторов тепла), поэтому вклад солнечной энергии в производство ГВС для обычных солнечных систем планируют на уровне не выше 40-70% годовой потребности.

Для более развернутого представления принципа работы солнечных установок построим простую нестационарную модель. Такая модель будет учитывать влияние теплоемкости бака аккумулятора и коллекторов, почасовую циклограмму потребления горячей воды и почасовую циклограмму падающего солнечного излучения, а также симулировать включение и выключение циркуляционного насоса («солнечного контура») и электронагревателя в зависимости от температуры воды в баке.

Рис.3. Расчет площади коллекторов и производительности гелиоустановки по ВСН

Имея данные о величине солнечной энергии попавшей на поверхность абсорбера за день, можно вычислить почасовую инсоляцию коллектора по формуле [5]:

Здесь h- угловое время, ϕ-широта, δ-склонение, а «a» & «b» зависят от hs

С учетом (4), нестационарная модель гелиоустановки может быть описана следующим образом:

Здесь уравнение (7) учитывает тепловую инерцию коллектора, изменение температуры которого зависит от соотношения падающего и отводимого потока, а уравнение (8) учитывает тепловую инерцию бака. Тепловой баланс бака определяется четыремя составляющими: теплом поступающим от электронагревателя и от гелиоконтура - с плюсом, а потерями через теплоизоляцию и отбором воды для нужд ГВС - с минусом. Расход на нужды ГВС из бака будет меньше, если температура в баке выше, чем требуется в точке разбора воды (Тmix), и это учитывается соотношением

Чтобы лучше понять, как устроена и как работает модель а, также, представить как работает в нестационарном режиме гелиоустановка можно самостоятельно «поэкспериментировать» с программой, решающей систему уравнений (7), (8) в EXCEL и размещенной по ссылке: "http://easycalc.chat.ru"

В данный момент нас интересует, прежде всего, в чем проявляется отличие коллекторов типа А и типа Б при симуляции нестационарной работы гелиоустановки. Моделирование установившегося суточного цикла в феврале представлено на Рис. 4. При установившемся цикле температура воды в баке на старте и в конце цикла должна иметь одно и то же значение, что обеспечивается повторными расчетами для одних и тех же суток. На рисунке мы видим, суточный сценарий водоразбора (ГВС-циклограмма), включение и выключение нагревателя, профиль средней температуры бака и температуры коллектора с учетом включения и выключения циркуляции в гелиоконтуре. Серые линии иллюстрируют расчет для плоского коллектора, цветные – для вакуумного, шаг интегрирования 3сек.

Рис.4. Сравнение нестационарной работы вакуумного и плоского коллекторов, в феврале, при равенстве площадей абсорберов

На рисунке:

260.5 - Электр. (средняя мощность, Вт)

245.5 - Израсходовано из бака литров

234.9 - Солн. (средняя мощность, Вт) 10.792 Потребность ГВС Квт*час сутки

449.65 - Среднеинтегральная мощность для ГВС, Вт

45.7 - Теплопотери аккумулятора среднеинт., Вт

Сравнение вакуумного и плоского коллектора с равной площадью абсорберов в данном расчете справедливо для рассматриваемого месяца, и дает соответственно 31% и 47% производительности в понимании, что 100% - это вся тепловая энергия необходимая для суточного обеспечения ГВС в объеме 250л.

Надо отметить, что результаты нестационарного расчета соотносятся с расчетами проведенными по методике ВСН, но каждый из двух представленных методов страдает определенными недостатками и не может быть использован для получения убедительных количественных оценок. Метод ВСН не учитывает тепловой инерции, характера работы ГВС, температуры регулирования и объема бака, расход теплоносителя в гелиоконтуре, а также переменную длительность светового дня и др. Простая нестационарная модель не дает всей картины работы установки за год, а, кроме того: не учитывает градиент температуры в баке, внешний теплообмен транспортных и циркуляционных трубопроводов, термическое сопротивление промежуточного теплообменника и.т.п.. Многие из недостатков второго метода могут быть отнесены, как дополнительные, к первому.

Лишены большинства перечисленных «минусов» современные профессиональные программы, разработанные для расчета инженерных характеристик гелиосистем. Мы воспользуемся одной из таких программ, разработанной в Германии. Программа называется «Т-сол» и позволяет выполнять следующее.

· моделировать работу (почасовую) гелиоустановки за любой период времени в пределах года

· учитывать неодинаковый профиль потребления ГВС по часам по дням недели и по месяцам

· моделировать затенение коллекторов различными объектами: зданиями, деревьями элементами ландшафта, в том числе учитывать затенения сезонного характера (например, листву деревьев)

· учитывать в широком диапазоне фактическую ориентацию и угол наклона коллекторов

· рассматривать различные схемные решения гелиосистем с разным числом аккумуляторов, с разным типом дублирующих источников энергии, с наличием в системе панельного и радиаторного отопления, учитывать подключение бассейна и т.п.

· проводить экономические оценки для разного типа замещаемого топлива, а также рассчитывать снижение вредных выбросов.

· осуществлять оптимизацию и сравнение различных вариантов решения одной и той же задачи.

· выводить графическую и отчетную документацию содержащую множество локальных и интегральных параметров (температурных, энергетических, тепловых и.др.) характеризующих работу гелиоустановки и др.

Вакуумные коллекторы

С помощью указанной профессиональной программы мы сравним две гелиоустановки, оборудованные, соответственно, вакуумными и обычными плоскими остекленными коллекторами.

Условия сравнения выберем следующие.

· идентичные климатические и эксплуатационные характеристики, в частности, одинаковая для обеих установок ориентация коллекторов.

· близкое к максимальному годовое солнечное покрытие энергией на нужды ГВС. Обеспечим следующий сценарий расчетов

· варьируя площадью плоских коллекторов получим высокое расчетное (на уровне порядка 60%) годовое покрытие солнечной энергией без перепроизводства ГВС в летние месяы. (Т.е. если взять в качестве примера рисунок 2, то пик кривой-5 должен, лишь касаться снизу линии-250л).

· расчет для установки с вакуумными коллекторами будем производить до тех пор пока не получится аналогичное варианту (1) «годовое солнечное покрытие». Это обеспечивается также варьированием площади абсорбера.

Далее можно сравнивать площади (и цены) абсорберов для варианта (1) и варианта (2).

Результаты расчетов отражены на графиках Рис.5. Покрытие тепла на нужды ГВС солнечной энергией составляет в каждом случае 59.2%

Рис.5. Сравнительный расчет коллекторов типа А(3.5м.кв.) и типа Б(2.82м.кв.)с помощью программы T-Sol

Сравнение вариантов 1 и 2 дает отношение площади поверхности абсорберов 3.5 к 2.82=1.24/1 при соотношении удельных цен абсорберов (за 1м.кв.) 1/3.46. Таким образом, энергия полученная с помощью вакуумных коллекторов в рассматриваемых условиях – заметно дороже а, кроме того, для круглогодичной работы установки не выявлено каких- либо других очевидных преимуществ вакууммированных коллекторов.

С другой стороны, на практике, не получится обеспечить площадь абсорберов с точностью до десятых долей м.кв., т.к. прийдется подбирать целое число коллекторов, а еще, возможно, придется сравнивать разные ценовые категории. Сравнение этих же типов коллекторов применительно к отоплению является вообще иной задачей.

Пластиковые коллекторы.

Следующая задача призвана помочь ответить на вопрос «с помощью чего лучше греть воду в бассейне: эффективными остекленными коллекторами или более примитивными (менее производительными) – пластиковыми». Как и в предыдущем сравнении данный вопрос возник в процессе практического внедрения гелиотехники.

Формализуем задачу. Имеется открытый бассейн с «зеркалом» 10х5м, и средней глубиной равной 1.8м. Дублирующий нагреватель не используется, нагрев воды производится только солнечной энергией, в частности бассейн нагревается солнцем «напрямую». Сезонное использование бассейна осуществляется с середины мая до середины сентября, бассейн заполняется перед началом сезона и его поверхность открыта круглые сутки.

Варьируя площадью абсорберов определяем с помощью Т-сол эффект работы коллекторов расчитывая среднюю температуру воды в бассейне в самом холодном и самом теплом месяце. Обратим внимание, что тепловые схемы для пластиковых и остеклённых плоских коллекторов отличаются и это отражено на Рисунке 6 и в расчетах. Полученные результаты в виде графиков представлены на Рисунке 7.

Рис.6. Стандартные схемы гелиоустановок предлагаемые в Т-сол

Рис.7. Сравнение пластиковых и плоских остекленных коллекторов

Графики, которые показаны в виде толстых линий, отражают среднемесячную температуру воды в бассейне в мае и в июле в зависимости от площади задействованных пластиковых коллекторов (тип Г). Тонкими линиями такие же зависимости даны для плоских остекленных коллекторов (тип А). В соответствии с полученными результатами температура в бассейне может прогреться в июле самостоятельно до высокой температуры без применения коллекторов (в данном случае высокое значение получено, поскольку скорость ветра была задана=0).

Поддержание максимальной температуры в июле, очевидно будет связано с периодическим отключением системы нагрева, обеспечиваемым автоматикой, поэтому, в любом случае, сравнение систем актуально произвести по минимальной температуре в мае. Пусть эта температура равна 22 градуса. Проведем условную изотерму Х1 и получим соотношение площадей 1.458/1, соответственно, для пластиковых и остекленных коллекторов. Цена за 1 кв.м. у коллекторов типа А и Г соотносится примерно как 3.14/1 и, следовательно, применение пластиковых коллекторов вполне обосновано.

Примечание.: Для сравнения выбрана площадь 35м.кв. (см. Рис.7), так как покрытие 70% зеркала бассейна это одна из упрощенных рекомендаций при подборе площади пластиковых коллекторов.

К вышесказанному следует добавить, что для пластиковых коллекторов не требуется устанавливать промежуточные теплообменники и использовать дополнительный циркуляционный насос. Для циркуляции через пластиковые коллекторы используется непосредственно вода из бассейна, причем, в некоторых случаях можно задействовать имеющийся в системе водоподготовки бассейна насос и, таким образом сэкономить на основном циркуляционном насосе. Температура стагнации пластиковых коллекторов не столь высока, поэтому отключение нагрева бассейна не скажется драматично на ресурсе коллекторов. Перечисленные факторы сделали пластиковые коллекторы вполне, конкурентоспособными по отношению к остекленным коллекторам применительно к задаче подогрева воды в бассейнах.

На двух примерах мы рассмотрели сравнение различных типов коллекторов, наиболее часто используемых в современной практике солнечного теплоснабжения. Плоские и вакуумные коллекторы сравнивались для круглогодичного обеспечении ГВС. Плоские и пластиковые - для подогрева воды открытом сезонном бассейне.

Данные примеры касаются частной ситуации и применимы к определенному региону (г.Краснодар), однако, позволяют углубить понимание предмета вобщем. По аналогии, можно анализировать и другие задачи, возникающие в повседневной практике применения гелиосистем.

Заметим, что обобщение связанных с применением гелиотехники задач обеспечивается благодаря разработке инженерных методик и создании программного обеспечения. Лишь затем полученный инструмент применяется для целенаправленного инженерного анализа и оптимизации частных залдач. Это своего рода предостережение от обобщений поверхностного характера.