Помпени колекторни системи, монтажни специфики с оглед постигане на максимална ефективност

Написано от Александър Шенков

Макар и различаващи се по броя на циркулационните кръгове, тези системи се характеризират с редица общи характеристики. На първо място, това е общият им принцип на работа, базиран на естествената циркулация. Друга обща характеристика между директните и индиректните слънчеви системи с естествена циркулация е използването на допълнителен източник на енергия. Във вид на електрически или друг нагревател, той се монтира в акумулаторния съд. Когато интензивността на слънчевото греене е недостатъчна, за да загрее водата в резервоара до желаните стойности, например, при продължително заоблачаване или през зимните месеци, нагревателят се включва автоматично и дозагрява водата до необходимата температура.

Слънчевите системи с естествена циркулация представляват сравнително ефективно и евтино техническо решение, но безпроблемното им и ефективно функциониране е свързано със спазването на няколко важни условия. За да се осигури добра циркулация на флуида, е необходимо бойлерът да се монтира над колектора и то възможно най-близо до него. Също така, при тези системи съществува опасност от замръзване на водата в колектора и водосъдържателя. Проблемът е напълно решим – в колекторния контур циркулира течност, която е с ниска температура на замръзване. Индиректните слънчеви системи с естествена циркулация на топлоносителя решават някои от недостатъците на директните, но напълно логично са и по-скъпи. Като цяло процесът на топлообмен в системите с естествена циркулация протича с невисока скорост, което е от определящо значение за ограничаването на ефективността им.

Системите с принудителна циркулация са по-ефективни

Основен елемент в системите с принудителна, наричана още и принудена циркулация на топлоносителя, е помпата. Препоръчително е използването на допълнителна автоматика за следене температурата на водата в акумулатора, което се налага поради факта, че системата работи непрекъснато, дори и при отсъствието на слънце, например през нощта или при облачно време. Следователно, вместо да се загрява, водата в акумулатора ще се охлажда. Именно за да не се допуска това, елемент от системата са датчици за следене на температурата на водата в акумулатора. В зависимост от генерирания от тях сигнал, помпата ще се включва само когато температурата на водата в акумулатора е по-ниска от тази в колектора или в зависимост от желаната температура. Помпата и допълнителната автоматика, естествено, оскъпяват системата. По-големият брой елементи на системите с принудителна циркулация определя и по-сложния й монтаж, настройка и ремонт. Но тези системи се отличават с по-висока ефективност, което позволява да се намали колекторната площ, тъй като добивът на топлина от единица площ е по-голям.

За разлика от системите с естествена циркулация, при помпените колекторни системи не съществува изискването за монтаж на акумулаторния съд по-високо от колектора. Монтажът на колектора би могъл да се осъществи на покрива. А акумулаторът да се монтира навсякъде в сградата.

Някои специалисти препоръчват акумулаторът да е с вместимост, подходяща да събере необходимото количество топла вода за няколко дни. Възможно е да се използва и допълнителен източник на енергия, който да компенсира невъзможността на колектора да произведе гореща вода с необходимата температура при по-дълги периоди на неблагоприятни метеорологични условия. В процеса на проектиране на слънчеви системи за целогодишно използване, задължително се залага на акумулатор с допълнителен нагревател, най-често електрически. Ако акумулаторът е с две серпентини, е възможно да се включи към котел. Логично, акумулаторът и тръбите следва да бъдат добре изолирани, за да се предотвратят загубите на топлина.

Слънчевите системи с принудителна циркулация също се проектират като директни или индиректни системи.

Директните слънчевите инсталации с принудителна циркулация са ефективни, но не са подходящи за географски райони с твърда вода, както и за приложения, в които водата е с по-висока киселинност. Изграждането им е целесъобразно в райони с по-мек климат, в които температурите рядко падат под нула градуса. Препоръчително е осигуряването на защита срещу замръзване на водата. Индиректни слънчеви инсталации с принудителна циркулация са подходящи за региони с продължителни периоди на отрицателни температури.

Независимо от избрания вид на слънчевата система - с естествена или с принудителна циркулация, топлоносителят в колекторния контур е добре да бъде химически очистена вода, както и по възможност да се използва антифриз на основата на етиленгликол или пропиленгликол. Препоръчително е слънчевите системи да се изграждат като индиректни инсталации, т.е. с отделен колекторен кортур, тъй като по този начин се осигурява по-дълъг експлоатационен живот на колектора.

За сравнение, при директните системи опасността от корозирането му е значително по-голяма. При проектирането на слънчевите системи с оглед постигане на висока ефективност, т.е. максимално оползотворяване на достигналата върху колекторите слънчева енергия, следва да се отчете комплекс от фактори. Сред тях, наред с вида на слънчевата инсталация и типа на колекторите, са и начинът им на монтаж, включително местоположението, ориентацията и ъгълът на монтаж на колекторите.

Колекторите са част от архитектурата на сградата.

Определящо значение за постиганата от слънчевата инсталация ефективност има монтажното място на колекторите. Обикновено, при по-малките инсталации слънчевите колектори се разполагат върху покрива на сградата и по-рядко върху специална метална конструкция. При всички случаи условието е колекторите да се монтират на открито и незасенчено място. В повечето приложения покривите напълно удовлетворяват това условие, но все пак следва да се вземе предвид размера на колектора и съществува ли засенчване от останалите части на сградата или от съседни постройки. Когато инсталацията е с по-голяма мощност, размерите на колектора са значителни и това би могло да окаже влияние върху архитектурата на сградата или на околното пространство. Друго добро решение за монтаж на слънчевите колектори е използването им като ограждащ елемент, което ги прави част от архитектурата на сградата.

При избора на място за монтаж на колектора е добре да се има предвид, че той поглъща най-голямо количество от слънчевата енергия, когато равнината му е перпендикулярна на направлението на слънчевите лъчи. През различните сезони, обаче, ъгълът, под който слънчевите лъчи достигат Земята в определена точка от нея, е различен. С цел постигане на максимално висока ефективност са разработени монтажни системи, които следват слънчевия диск, както по дневния му път, така и в зависимост от годишния сезон. При стандартните колекторни системи, които са масово използвани у нас, се следва принципът на постоянно ориентиране на равнината на колектора в съответствие с дневното и годишното положението на Слънцето, с цел оползотворяване на най-голямо количество слънчева енергия. Задължително е ориентацията на колектора да е на юг.

В краен случай, при невъзможност да се спази това условие, се допуска колекторът да е ориентиран на югоизток или югозапад. Препоръчителният наклон на колектора следва да е в диапазона от 30 до 60 градуса, като за оптимален се счита наклонът от 40 - 45 градуса. Производителите твърдят, че при тази ориентация и наклон сумарната денонощна трансформация на енергия има максимум.

Логично, когато слънчевият колектор се монтира върху наклонен покрив, наклонът на колектора съвпада с този на покрива. Следва да се има предвид, обаче, че ефективната работа на колектора е пряко свързана с осигуряване на подходящ наклон на колектора. Препоръчително е избягването на монтажни ъгли, по-малки от 20 градуса, тъй като степента на замърсяване на горната работна повърхност на колектора се увеличава, вследствие на което ефективността на системата рязко се понижава.

Технически проблем при този вид монтаж е постигането на добро укрепване на колектора върху покрива. В случаи, при които колекторите се монтират върху плосък покрив.

те се поставят върху специална носеща метална конструкция, обикновено изработена от стоманени профили. Върху носещата конструкция се монтира не само колекторът, но и тръбните връзки. Предимства на този вид монтаж са възможността за избор на небесната ориентация на колектора и наклона. Като недостатък се приема не особено естетичния вид на колекторното поле и необходимостта от допълнителни инвестиции за топлинна изолация и предпазване на тръбната мрежа от атмосферни влияния.

При големи инсталации, при които с цел задоволяване нуждите от гореща вода на много хора системата обхваща голям брой колектори, се използват специално обособени площадки върху земята. Носещата конструкция се оразмерява за натоварване от сняг и ветрови напор. При многоредово подреждане на колекторите е необходимо да се определи подходящото разстояние между тях, така че да се предотврати или ограничи засенчването на всеки следващ ред. Най-благоприятни условия за засенчване се получават при изгрев и залез, когато височинният ъгъл на слънцето и интензитетът са с най-ниски стойности. При отсъствие на достатъчно място за монтаж се допуска засенчване при изгрев и залез, но загубите от засенчване не трябва да надвишават 10% от попадналата върху колекторите слънчева радиация при липса на засенчване. Дължината на редовете не оказва съществено влияние върху засенчването.

Свързване на колекторите

Свързването на колекторите към тръбната мрежа се осъществява по следния начин - топлоносителят постъпва в колектора в ниската му част и го напуска в по-високата. При свързване на няколко колектора, за изравняване на условията им на работа се практикува паралелното им включване. Когато броят на колекторите е голям, събирателната и разпределителната мрежи се изпълняват по т.нар. попътна схема Тихелман. Това осигурява еднаквото обтичане на колекторите с флуида. За ефективна работа на отделните колектори е желателно температурата на преминаващата през тях течност да съответства на интензитета на слънцегреенето, което би могло да се постигне чрез превключването им към акумулатори с различни температурни нива.

Конструктивни специфики и приложна област на слънчеви колектори.

Слънчевите колекторни инсталации ефективно използват част от достигащата земната повърхност слънчева енергия за производство на топла вода за отопление и битово горещо водоснабдяване. Основен елемент на всяка слънчева инсталация за топла вода, от чиито качества в голяма степен се определят възможностите за усвояване на слънчевата енергия, е колекторът. Принципно, слънчевите колектори улавят и трансформират в топлина пряката и дифузната слънчева радиация. За да бъде максимално ефективен, колекторът трябва да приема слънчевата енергия и да не я отдава обратно, което е особено важно през по-студените месеци от годината.

Вид и температура на топлоносителя

Съществуват различни признаци за класификация на слънчевите колектори. Сред тях е видът на топлоносителя. Във функцията на топлоносител в слънчевите колектори се използва течност или въздух. В областта на битовите инсталации топлоносителят обикновено е течност, най-често вода или воден разтвор на химически вещества. От своя страна, въздухът се използва предимно в сушилни инсталации от някои отрасли на промишлеността.

Друг признак за класифициране на слънчените колектори е температурата на топлоносителя. В зависимост от работната температура на топлоносителя, слънчевите колектори се определят като нискотемпературни - с работна температура под 80 оС, среднотемпературни - с работна температура в границите между 80 и 150 оС, и високотемпературни - с работна температура над 150 оС.

Концентриращи и обикновени колектори

Слънчевите колектори са различни видове и в зависимост от изменението на интензитета на слънчевата радиация. Според въздействието, което елементите на колекторите оказват върху интензитета на слънчевата радиация, те се класифицират в две основни групи – обикновени и концентриращи. Както личи и от наименованието, при концентриращите слънчеви колектори се използват концентратори, чрез които се повишава температурата на топлоносителя. Обикновените слънчеви колектори нямат способността да влияят върху интензитета на слънчевата радиация. Те са най-разпространените в бита слънчеви колектори. Основно се делят на плоски и вакуумно-тръбни колектори. Добре е да се има предвид, че плоските колектори са нискотемпературни, а вакуумнотръбните - среднотемпературни.

Слънчевите колектори могат да се класифицират и в зависимост от предназначението им, както и в зависимост от материалите, от които се произвежда абсорберът.

Плоски слънчеви колектори

Без съмнение, този тип колектори са най-често използваните за момента у нас. Сред причините за широкото им приложение е относително ниската себестойност на самите колектори, а следователно и на слънчевите инсталации, изградени на тяхната база. Във вида на топлоносител е възможно използването на вода или въздух. Независимо от конкретния вид на топлоносителя, с който работят, конструктивно плоските слънчеви колектори не се различават съществено.

В корпус, оформен като кутия и изработен от метални профили, обикновено алуминиеви, стоманени или от поцинкована ламарина, се полагат абсорберът, изолацията, покритието и тръбните връзки. Необходимо е корпусът да осигурява необходимата якост за безпроблемно транспортиране и монтаж на колектора, лесна поддръжка и сервиз, както и достатъчна плътност, за да се предотврати достъпът на вода и прах.

Абсорберът се изработва от топлопроводими, корозионно устойчиви материали, като мед, стомана и др. Препоръчително е абсорберът да е със селективно покритие, поради осигуряваната по-добра поглъщателна способност. През последните години все по-широко се използва и покритие на абсорбера с кристали от титаниева сол, които увеличават топлообменната повърхност и съответно топлопоглъщането.

В най-горната част на плоския слънчев колектор се поставя прозрачно покритие, предназначението на което е да допринесе за намаляване на топлинните загуби от абсорбера. Покритието обикновено е стъклено, което все повече отстъпва място на поликарбонатна пластина, поради по-малкия й коефициент на отражение. Сред основните изисквания към прозрачното покритие са и осигуряването на висока светлопропускаемост, добра термоустойчивост, висока якост и устойчивост на атмосферни влияния. Когато покритието е от стъкло, обикновено се използват удароустойчиви материали с ниско съдържание на желязо и с дебелина не по-малка от 3 mm. Покритията могат да бъдат еднослойни и двуслойни. Срещат се също и комбинирани покрития от два различни материала. Обикновено се препоръчва използването именно на двуслойни покрития, с цел намаляване на загубите от топлопреминаване. Пространството между тях се запълва с газове с голяма плътност или се вакуумира.

С цел ограничаване на топлинните загуби от долната и страничните повърхнини на абсорбера се поставя топлоизолация от високоефективни изолационни материали. Между прозрачното покритие и корпуса се поставя уплътнение от термоустойчив каучук или тефлон.

Колектори с вакуумни тръби

В сравнение с плоските колектори, моделите с вакуумни тръби са по-сложни в конструктивно отношение. Също се характеризират с по-висока ефективност, но и по-висока себестойност. Изградени са от стъклени тръби, в които се поставя абсорберът, който обикновено е със селективно покритие. Конструктивно абсорберът е оформен като двустранно оребрена тръба, през която преминава загряваният топлоносител. Стъклената тръба, в която се поставя абсорберът, се изработва от висококачествено стъкло и е с диаметър от порядъка на 100 - 200 mm. Дебелината на стената на тръбата обикновено е 2,5 мм. В стъклените тръби се поддържат условия на дълбок вакуум, приблизително около 100 Pa. По този начин се осигурява изключително добра изолация на абсорбера и защита от корозия. Благодарение на условията на вакуум, се предотвратяват и загубите на топлинна енергия от абсорбера към околната среда, а също така се осигурява ефективна работа на колектора и при минусови температури.

Характеризират се с по-ниски загуби

При вакуумно-тръбните колектори загубите от отражение на слънчевата радиация са сравнително по-ниски в сравнение с плоските колектори. Съществен фактор, влияещ върху топлинните загуби от конвекция и топлопроводност, е разстоянието между абсорбиращата повърхнина и стъкленото покритие. За повишаване ефективността на колектора, под тръбите обикновено се монтира рефлектор от алуминиево фолио. Използването на топлинна изолация също води до ограничаване на топлинните загуби. Използват се високоефективни изолационни материали - полистирол, пенополиуретан и др. При видовете вакуумно-тръбни колектори със значително по-добри характеристики се отличават моделите, работещи без циркулация на работен флуид. Недотам добрите характеристики на колекторите, работещи с топлоносител, произтичат от факта, че най-често използваните топлоносители са вода или вода-гликол, което ограничава използването на колектора при много ниски температури.

Като недостатък на колекторите с вакуумни тръби се определя задържането на сняг и скреж върху тръбите, което намалява ефективността им при работа в лоши атмосферни условия.

Вакуумно-тръбни коллектори с термотръби

За повишаване ефективността на абсорбера, а следователно и на самия колектор, се използват топлинни тръби. Те обикновено представляват медна тръба, в която циркулира летлива кипяща течност. Топлинната тръба трансферира полезната топлина, като използва принципи, известни в хладилната техника - изпарение на топлоносителя при ниски температури и кондензиране на парите в кондензатори, контактуващи с вградени в колектора топлообменници. В случаите, при които колекторът работи с течен топлоносител, той обтича кондензатора на топлинната тръба, разположен извън вакуумираната стъклена тръба. Практически е доказано, че това е един от най-ефективните методи за пренос на топлинна енергия.

Вакуумно-тръбните колектори с термотръби изграждат най-добрите в технологично отношение слънчеви системи за производство на гореща вода. Основният им недостатък е чисто икономически - те съответно са и най-скъпите. Работят и при минусови температури, при условие че има слънчево греене. Конструктивно не се различават съществено от обикновените колектори с вакуумни тръби. Основната разлика е, че при тези колектори в медните тръби не циркулира вода, а летлива кипяща течност с ниска температура на изпарение - обикновено от порядъка на 10 оC.

Слънчеви колектори, вградени в покрива

Известно е, че най-често срещаният начин за монтаж на слънчевите колектори е върху покрива на съответната сграда. Разбира се, освен върху него, съществуват и много други възможности за монтаж на колекторите. Сред решенията е и вграждане на колекторите в самия покрив, т.е. използването им във функцията и на покрив. Често в покрива се вграждат плоски слънчеви колектори, които се разполагат между основните покривни елементи като керемиди, плочи и др. В подобни случаи се препоръчва да се използват колектори с двупластова конструкция на прозрачното покритие, за да се осигури добра хидроизолация на сградата. Горният слой на колектора е добре да бъде от удароустойчив материал като тефлон, поликарбонат, полиестерни материалия и др.

При този вид монтаж на колекторите, наклонът и небесната ориентация зависят от ската на покрива, върху който ще се монтират. Необходимо е да се вземат специални мерки за уплътняване на връзките на колектора с покрива. Колекторният покрив осигурява и необходимата топлинна изолация на покрива на сградата. За да се предотвратят повреди при недопустимо понижаване или повишаване на температурата на топлоносителя, колекторното поле се изпразва автоматично по гравитационен път. Освен в покрива, слънчевите колектори могат да се вградят и в стени или парапети на тераси, но в този случаи те са ефективни, предимно, през зимния период.

Критерии за избор на слънчев колектор

В настоящия момент на пазара у нас се предлага голямо разнообразие от различни видове слънчеви колектори. Коректният избор на слънчев колектор зависи от редица фактори. На първо място, се определя в зависимост от предназначението на инсталацията, т.е. дали колекторът ще се изпозва само за горещо водоснабдяване или и за отопление, за загряване на вода за басейни или за топловъздушно отопление. Когато се предвижда колекторът да работи целогодишно, се препоръчва използването на вакуумно-тръбни колектори или плоски слънчеви колектори с двуслойно прозрачно покритие.

Основни фактори, влияещи върху надеждната експлоатация на колектора, са качеството на прозрачното покритие, видът на абсорбера, топлинната изолация и уплътненията. Основни предимства на колекторите са високата корозионна устойчивост и лесната подмяна на прозрачните покрития.

При избор между приблизително еднотипни като конструкция колектори се използват показатели като ефективност при интензитет на слънчевата радиация 500 W/m2, максимално допустима температура на флуида при продължителна лятна експлоатация, време за загряване на колектора от 20 до 50 оС при интензитет на слънчевата радиация 1000 W/m2 и температура на външния въздух 20 оС, работно налягане, коефициент на топлинните загуби и др.