Возможности использования в теплоснабжении сельских домов и зданий солнечных водонагревателей

Растущие с каждым годом потребности мировой экономики в энергии. Кроме того, озабоченность международного сообщества вызывается, наряду с возрастающими трудностями в освоении новых источников традиционного углеводородного сырья-нефти и газа, также быстрым истощением их запасов. Но самый важный фактор, с которым мы не имеем права не считаться, — достигшие колоссальных размеров использование и сжигание ископаемого топлива наносят ощутимый вред окружающей среде, отражаются на здоровье и качестве жизни населения и ставят под угрозу устойчивость будущего развития на глобальном уровне. Выход из складывающейся ситуации, прежде всего, видится в дальнейшем обеспечении роста инвестиций в проекты по развитию солнечной энергетики как наиболее эффективного и перспективного источника возобновляемых видов энергии.

Таким образом, солнечная энергетика может и должна стать одним из локомотивов выхода из кризиса. (И. А. Каримов. 6-го заседание азиатского форума солнечной энергии. Ташкент. 2013 год 22 ноября). [1].

По количеству солнечных дней в году, а это более 320 дней, наша страна превосходит многие регионы мира. В связи с этим, за последние годы во многих странах мира, в том числе у нас в Узбекистане ведутся интенсивные исследовательские работы по практическому применению гелиотехнических установок. Одной из проблем использование солнечной энергии заключается в том, что наибольшее количество поступает летом, а наибольшее количество потребления энергии происходит зимой.

Горячее водоснабжение сельскохозяйственных домов можно обеспечить с помощью солнечных водонагревателей [2, 3, 4, 5].

Солнечный коллектор представляет собой плоский застекленный ящик, внутри которого на слой теплоизоляции положен металлический лист, окрашенный в черный цвет, с закрепленным к нему коллектором из водопроводных труб. Коллектор подсоединяют к баку-аккумулятору, через который циркулирует нагретая в коллекторе вода. Циркуляция воды происходит за счет разницы удельных весов холодной и горячей воды, т. е. основана на принципе системы с естественной циркуляцией.

Простейший солнечный водонагреватель в летнем душе или на кухне можно сделать из резинового шланга и бака емкостью 5–100 л. Резиновый шланг диаметром 25–35 мм сворачивают в однорядную бухту и укладывают ее в плоский деревянный ящик из металлический лист, покрашенный черной матовой краской. Между дном ящика и листом желательно проложить минераловатную или любую другую термостойкую теплоизоляцию. Сверху ящик покрывают стеклом толщиной 3 мм или полиэтиленовой пленкой.

Рис. 1. Солнечные водонагреватели: а- схема душевой установки с солнечным водонагревателем; б- солнечный коллектор из резинового шланга; в- схема механизма слежении на солнцем; г- виды поглощающих поверхностей и способы крепления труб; д- устройство коллектора (разрез); е- трубчатый коллектор (план); 1-солнечный водонагреватель (коллектор); 2-бак-аккумулятор; 3-вентиль; 4-душевая сетка; 5-душевая кабина; 6-корпус коллектора; 7-шланг; 8-выход горячей воды; 9-кроведьная сталь толщиной 0,6 1,2 мм; 10-стекло; 11- двухслойная стенка; 12-дно; 13-минераловатный утеплитель 14-входот от бака-аккумулятора; 15-подшипник; 16-ведрое с краном; 17-блок; 18-пружина; 19-вращающаяся подставка; 20- гофрированная кровельная сталь пли дюраль; 21-хомут; 22-проволочная стяжка; 23-пайка; 24-вертикальеная труба коллектора; 25-фальц крепления отражающей пластины; 26-панельный радиатор; 27-замаска; 28- коллекторная труба; 29-дюритовое соединение на хомутах.

Центральный конец шланга соединяют с нижним штуцером бака, а другой с верхним, который должен находиться на расстоянии - высоты бака (рис. 1, а). Коллектор устанавливают так, чтобы его верхний край был расположен ниже дна бака на расстоянии не менее 40–60 см. такой перепад высот обеспечивает нормальную циркуляцию и исключает появление противотока в ночное время. Коллектор устанавливают в летние месяцы под углом 30–35° к горизонту в южном направлении. Такой коллектор в солнечный день способен нагреть воду в баке до 40–50°. При желании бак-аккумулятор можно теплоизолировать, а коллектор оборудовать простейшей системой слежения за солнцем. Она представляет собой вращающуюся подставку, на которой установлен солнечный коллектор. Вращение подставки обеспечивается пружиной с противовесом в виде ведра с водой, снабженного водосливным устройством (краном). Регулируя темп опорожнения ведра, можно добиться необходимой скорости вращения коллектора, и он всегда будет следовать за солнцем.

Основным элементом солнечного водонагревателя является коллектор. Его можно изготовить из подручных материалов, например использовать стальной штампованный плоский радиатор отопления типа МЗ-500-Ч, конвектор типа «Аккорд», радиатор охлаждения от пришедшего в негодность холодильника, тонкостенные газовопроводные трубы  мм. Общую площадь коллектора, которая не должна превышать 6 м², выбирают из расчета 45 л объема воды, замкнутого в контуре, на 1 м² поверхности коллектора. Корпус коллектора проще всего сделать деревянным с боковинами из трехслойного набора досок и дном из фанеры или оргалита (см. рис.1. д). На дно кладут минераловатную теплоизоляцию слоем 40 мм для уменьшения потерь тепла с теневой стороны листа. При подборе материала для теплоизоляции следует учитывать его термостойкость, так как в солнечные дни при неработающем коллекторе температура на теплопоглощающей поверхности листа может достигать 100°С.

Коллектор сваривают из оцинкованных газоводопроводных труб диаметром 25–28 мм (горизонтальные участки) и вертикальные — диаметром 18–20 мм с расстоянием между ними примерно 150 мм. Трубы коллектора закрепляют на металлическом листе, обеспечивая надежный контакт между ними для улучшения теплопередачи. Этого достигают с помощью хомутов, проволочных стяжек или пайкой (см. рис.1.г). Вместо гладкого листа желательно использовать гофрированные кровельные листы из стали или дюралюминия. Сторону листа, обращенную к солнцу, красят черной матовой краской. Матовый оттенок масляной или эмалевой краске можно придать, если добавить в нее соответственно керосин или бензин. Коллектор с закрепленным к нему листом укладывают в корпус и надежно крепят к нему. Сверху корпус закрывают стеклом толщиной 3 мм или полиэтиленовой пленкой. Между стенкой корпуса и стеклом по всему периметру оставляют зазор в 3 мм для компенсации теплового расширения стекла. Этот зазор заделывают несохнущей (кремниевой) замазкой. В нижней части корпуса необходимо предусмотреть устройство дренажных отверстий для обеспечения стока атмосферных осадков, попавших в коллектор.

В качестве пластины солнечного коллектора можно использовать стандартные стальные панельные радиаторы: штампованные колончатые (МЗ), штампованные змеевиковые (ЗС) и листотрубные (КЛТ). Поглощающую поверхность радиатора покрывают черной матовой краской, а теневую оставляют белой (см. рис. 1, д).

Радиатор устанавливают в корпусе и подключают по такой же схеме, что и в системе отопления.

Бак-аккумулятор обычно делают из 200-литровой металлической бочки, приварив к ней четыре патрубка — два снизу для подвода холодной воды и отвода на коллектор, сбоку- на уровне между  и  общей емкости бака для подвода горячей воды из коллектора и сверху диаметром 15 мм (дюйма) для расширительной трубы. При баке емкостью 200 л плюс емкость трубопроводов площадь солнечных коллекторов должна составить не менее 5 м². в качестве бака- аккумулятора очень удобно использовать теплообменники стандартных емкостных водонагревателей (АГВ, колонок на твердом топливе и т. п.).

Включение солнечного водонагревателя в систему горячего водоснабжения. Солнечный водонагреватель включают в систему горячего водоснабжения по схемам, показанным на рис. 2, а, б. Первая из них — простейшая схема, так называемая одноконтурная термосифонная система, работающая на принципе естественной циркуляции. В этой системе вода, нагретая в солнечных коллекторах, постоянно циркулирует (в течение дня). Горячая вода поступает в бак –аккумулятор и забирает из него более холодную воду. Бак –аккумулятор по мере расходования горячей воды подпутывается холодной водой от водонапорного бака. Водоразбор горячей воды осуществляется через бойлер или колонку существующей (стационарной) системы горячего водоснабжения.

Рис. 2. Схемы подключения солнечного водонагревателя к системе горячего водоснабжения: а- одноконтурная термосифонная система; б –двухконтурная термосифонная система, в- воздухоотводчик (разрез); 1-плоские солнечные коллекторы; 2-слизной кран; 3-дренажный (воздушный) кран; 4- бак-аккумулятор; 5-расширительная трубка; 6-водонапорный бак (существующий); 7-подводка водопровода с поплавковым клапаном; 8-линия горячей воды; 9-бойлер или колонка горячего водоснабжения (существующие). 10-линия холодной воды; 11-воздухоотводчик; 12 –змеевик; 13-корпус; 14-крышка; 15-клапан; 16-шток; 17-поплавок.

Бак-аккумулятор имеет расширительную трубу для удаления воздуха и выброса излишков воды.

Двухконтурная термосифонная система работает на таком же принципе, с той лишь разницей, что имеет замкнутый объем первичного теплоносителя (первый контур). Теплопередача осуществляется через змеевик, установленный в баке-аккумуляторе. В верхней точке первого контура установлен герметичный расширительный бак. К достоинствам двухконтурной системы надо отнести большую долговечность за счет замкнутого объема первичного теплоносителя, поэтому трубы солнечных коллекторов меньше зарастают накипью, имеется также возможность использовать антифриз, который не замерзает при отрицательных температурах воздуха.

Солнечные коллекторы устанавливают на южном скате крыши под углом 30–35° к горизонту. Угол установки можно менять в течение лета в зависимости от положении солнца в этот период. В общем коэффициент полезного действия плоских солнечных коллекторов мало зависит от ориентации его на солнце, и поэтому они вполне удовлетворительно работают в рекомендуемом стационарном положении. Основное условие нормального функционирования солнечного водонагревателя — обеспечить установку коллекторов и бака- аккумулятора так, чтобы между верхним уровнем коллектора и дном бака-аккумулятора было расстояние не менее 600 мм. Это расстояние обеспечивает нормальную циркуляцию воды в системе и исключает появление противотока в ночное время. Бак-аккумулятор и подводку горячей воды теплоизолируют. Все трубопроводы и коллекторы устанавливают так, чтобы они имели некоторый подъем в сторону бака-аккумулятора для обеспечения удаления воздуха, аналогично уклонам, рекомендуемым для системы водяного отопления.

Для удаления воздуха (во время заправки) предусмотрен вентиль в верхней точке крайнего солнечного коллектора, а в нижней сливной кран для опорожнения системы.

Система эта малонапорная, поэтому нагревательный элемент-змеевик бака-аккумулятора двухконтурной системы лучше сделать из оребренной медной трубки диаметром 25–28 мм и длиной около 1 м или использовать одну секцию конвектора «Аккорд» с замкнутым контуром.

Герметичный расширительный сосуд представляет собой воздухоотводчик с поплавком, который при отсутствии воды под собственным весом опущен вниз, и клапан, через который выходит воздух, открыт. По мере наполнения системы водой воздух удаляется через клапан, а затем, когда сосуд заполнится водой, поплавок всплывет и перекроет выход воздуха (см. рис. 2, в). в самодельном расширительном сосуде можно использовать поплавковый запорный клапан от смывного бачка.

Правила эксплуатации солнечного водонагревателя в основном те же, что и для водяного отопления. Остекленные поверхности солнечных коллекторов следует в течение сезона регулярно очищать от пыли. На зиму систему сливают и при необходимости солнечные коллекторы демонтируют. С этой целью разъемные соединения желательно делать на дюритах (резиновых муфтах) со стальными легкосъемными хомутами. В двухконтурных системах с антифризом первичный контур можно не сливать, но вторичный (водяной) опорожнять на зиму обязательно.

В нашем случае, в условиях г.Карши система теплоснабжения состоящая из солнечных коллектор площадью S=20 м² для одноквартирного сельского дома, рассчитанного на проживание семьи из 5 человек площадью 100 м², считая, что отапливаемый объем составляет  м³ полностью обеспечивает в течение апрель-ноябрь месяцы года горячее водоснабжение и отопление.

Суточное потребление воды с температурой 60°С на бытовые нужды составляет 600 л, а температура воздуха в помещениях не ниже 22°С.

Таким образом, при нормативной величине отопительной характеристики для одноэтажных зданий в сельской местности который составляет  Вт/(м³·град), указанная система теплоснабжения в условиях юга республики Узбекистан может сэкономить около 53–65 М Вт.ч тепловой энергии в год.

Литература:

1.                  И. А. Каримов. «Тенденции и перспективы технологий солнечной энергетики». Материалы 6-го заседание азиатского форума солнечной энергии. г.Ташкент. 2013 год 20–23 ноября.

2.                  Теплоснабжение. под. ред. проф. Ионина А. А. –М.; «Стройиздат», -1994 г. –с. -336.

3.                  Теплотехника. под. Рез. Луканина В. Н. — М.; «Высшая школа», -2003 г. -с. -671.

4.                  Соатов Ф. Исследование и разработка приемников солнечных водонагревательных установок. Автореферат дис. на соиск. к.т.н. ФТИ АН Туркменистана, г.Ашхабад-1978 г. -22 стр.

5.                  Вардияшвили А. Б., Абдурахмонов А. А., Вардияшвили А. А. Ноанъанавий ва қайта тикланадиган энергия манбаларидан фойдаланишда энергия тежамкорлик. Ўқув қўлланма. 9,6 б.т. (184 бет), Қарши “Насаф” нашриёти-2012 й.