Солнечные коллекторы для нагрева воды

Солнечные коллекторы для нагрева воды – это наиболее распространенный и рентабельный способ использования солнечной энергии. Всё благодаря тому, что прямое преобразование солнечной энергии в тепловую имеет наибольшую эффективность, при этом потребление горячей воды стабильно на протяжении всего календарного года.

Как определить суточное потребление горячей воды

Суточную потребность в горячей воде можно приблизительно оценить на основании данных расходов воды основными санитарными приборами за одно применение (см. рисунок ниже).

Типичные значения расхода ГВС бытовыми приборами за одно применение

Зная привычки членов семьи, легко рассчитать суточное потребление для каждого
пользователя и для всей семьи. Обычно расход горячей воды для одного человека в Европе
равен 50–70 литров горячей воды за день, при условии, что средняя температура горячей
воды составляет 45 °С. Учитывая, что не многие потребители в Украине экономят горячую воду, то расход воды может быть выше.

Подогрев такого количества санитарной горячей воды требует существенных затрат
тепловой энергии, с учетом теплопотерь в трубах на рециркуляции, составляет не менее
3,65 кВтч/сут на одного пользователя. В месяц понадобится более 109 кВтч энергии. А для семьи из 4-х человек – 435 кВтч в месяц.

Как подбирается количество солнечных коллекторов для нагрева воды

Эффективность системы определяется двумя параметрами: процентом покрытия (замещения) необходимого тепла от солнечных коллекторов и эффективностью гелиосистемы. Для обеспечения этого баланса необходимо вести расчет по наиболее солнечному летнему месяцу года.

Среднегодовое солнечное излучение в кВтч/м² горизонтальной поверхности в год и поступление солнечной энергии на 1 м² площади коллектора, установленного под углом 45° и ориентированного в южном направлении для каждой условной зоны.

Для упрощенного расчета необходимой площади солнечных коллекторов для нагрева воды следует воспользоваться следующей формулой:

S = Q/n*ƞ, где

• Q — необходимое количество тепла в месяц, кВтч/мес.;
• N — среднее количество тепла, поступающего на 1 м2 площади солнечного коллектора в самый солнечный месяц, кВтч/мес.;
• ƞ — средний КПД гелиосистемы (как правило, в пределах 0,5–0,6).

При условии среднего расхода горячей воды 70 л в сутки, в зависимости от региона установки гелиосистемы, необходимо от 1 до 1,5 м2 полезной площади солнечных коллекторов для нагрева воды на одного человека.

Возможность использования солнечной энергии не совпадает по времени с потреблением горячей воды. Как правило, утром и вечером потребление находится на максимальном уровне, а солнечной энергии в это время недостаточно. Поэтому водонагреватель гелиоустановки выполняет функцию аккумулирования тепловой энергии, чтобы предоставлять теплую воду в то время суток, когда солнечной энергии недостаточно.

Пример расчета солнечных коллекторов для нагрева воды

Для примера рассчитаем среднегодовую производительность солнечных коллекторов для ГВС частного дома. Данные для расчета: Потребление ГВС для семьи из 3 человек — 210 л с температурой 45 °С. Линия рециркуляции 20 м, работает 8 ч/сут. Место установки — г. Киев. Коллекторы расположены под углом 45° и ориентированы строго в южном направлении. Для примера в среде моделирования принимаем солнечные коллекторы ТМ Vaillant VFK 145 имеющий 2,35 м² полезной площади. Объем бака аккумулятора 250 литров.

Пример расчета производительности солнечных коллекторов для нагрева воды

Для заданных параметров способна обеспечить в среднем 60% потребностей в горячей воде за год. В летнее время система способна обеспечить 100% горячей воды.

Для сравнения рассчитаем гелиосистему такими же параметрами, но добавив еще один солнечный коллектор.

Пример расчета с большим количеством солнечных коллекторов

При данном расчете прогнозируемый процент покрытия от гелиосистемы в среднем составит 71%. Однако ожидается высокий уровень переизбытка энергии летом, что может привести к частым стагнациям. При дальнейшем увеличении количества коллекторов процент покрытия увеличивается незначительно, а эффективность гелиосистемы падает. Это происходит из-за того, что водонагреватель и теплоноситель в солнечных коллекторах работают на более высоких температурах, следовательно, увеличиваются тепловые потери.

Зависимость процента покрытия от количества солнечных коллекторов

Таким образом, оптимальный процент покрытия для солнечных установок горячего водоснабжения рекомендуется выбирать в пределах 60–70%.

Объекты с большим потреблением ГВС

Для потребителей с большим объемом потребления горячей воды, таких как гостиницы, рестораны, школы и т.д. нормы потребления ГВС могут отличаться. В таблице ниже приведены типичные значения среднего расхода и температуры горячей воды для различных групп потребителей.

В условиях украинского климата и солнечного излучения 1 м2 солнечного коллектора может производить в среднем до 3,6 кВтч/сут в летнее время. Исходя из этого для оптимального соотношения эффективности и процента замещения следует подбирать солнечные коллекторы для нагрева воды согласно отношению 1 м² коллектора на каждые 60-80 литров воды.

Рассмотрим пример использования солнечных коллекторов для нагрева воды. Потребление ГВС для гостиницы с 10 двухместными номерами. В каждом номере находится душ.

Среднее потребление горячей воды — 100 л / (гость х день). Линия рециркуляции 60 м, работает 8 ч/сут. Место установки — г. Одесса. Коллекторы расположены под углом 45° и ориентированы строго на юг. Общий расход воды составляет в среднем 2000 л в день с температурой 45 °С .

Пример использования гелисистемы для обеспечения ГВС гостиницы

Согласно рекомендации, подбираем 12 солнечных коллекторов Vaillant VFK. Бак аккумулятор объемом 2000 л, исходя из требования не менее 50 л объема водонагревателя на каждый м² полезной площади солнечного коллектора и суточного расхода горячей воды. Такая компоновка системы способна экономить до 65% традиционных энергоресурсов в год благодаря солнечной энергии.

Пример использования гелиосистемы для обеспечения сезонного ГВС гостиницы

Если такая же по размеру гостиница будет работать только в курортный сезон, то процент покрытия может составить до 97 %. А тепло, которое вырабатывается в оставшееся время года возможно направить на частичное поддержание дежурного отопления гостиницы.