Сонячні колектори для нагріву води

Сонячні колектори для нагріву води – найпоширеніше і рентабельніше використання сонячної енергії. Все завдяки тому, що пряме перетворення сонячної енергії в теплову має найбільшу ефективність, при цьому споживання гарячої води стабільне протягом усього календарного року.

Як визначається добове споживання гарячої води?

Добова потреба гарячої води оцінюється на підставі даних витрат води основними санітарними приладами за одне застосування (див. малюнок нижче).

Типові значення витрати ГВП побутовими приладами за одне застосування

Враховуючи звички членів сім’ї розраховується добове споживання для кожного
користувача та для всієї родини. Зазвичай витрата гарячої води однією людиною в Європі
сягає 50-70 літрів гарячої води в день, за умови, що середня температура води становить 45 °С. Враховуючи, що не багато споживачів в Україні економлять гарячу воду, витрата води може бути вищою.

Підігрів такої кількості санітарної гарячої води потребує суттєвих витрат
теплової енергії, з урахуванням тепловтрат у трубах рециркуляції, становить не менше
3,65 кВт*год/доба на одного користувача. На місяць знадобиться понад 109 кВт*год енергії. А для сім’ї із 4-х осіб – 435 кВт*год на місяць.

Як підбирається кількість сонячних колекторів для нагріву води?

Ефективність системи визначається двома параметрами: відсотком покриття (заміщення) необхідного тепла від сонячних колекторів та ефективністю геліосистеми. Для забезпечення цього балансу необхідно вести розрахунок за сонячним літнім місяцем року.

Середньорічне сонячне випромінювання у кВт*год/м² горизонтальної поверхні та надходження сонячної енергії на 1 м² площі колектора, встановленого під кутом 45° та орієнтованого у південному напрямку для кожної умовної зони.

Для спрощеного розрахунку необхідної площі сонячних колекторів для нагрівання води слід скористатися такою формулою:

S = Q/n*ƞ, де

• Q — необхідна місячна кількість тепла, кВт*год/міс.;
• N — середня кількість тепла, що надходить на 1 м² площі сонячного колектора в сонячний місяць, кВт*год/міс.;
• ƞ — середній ККД геліосистеми 0,5–0,6.

За умови середньої добової витрати гарячої води 70 л, залежно від регіону встановлення геліосистеми, необхідно від 1 до 1,5 м2 корисної площі сонячних колекторів для нагрівання води на одну особу.

Використання сонячної енергії не збігається у часі зі споживанням гарячої води. Як правило, вранці та ввечері споживання знаходиться на максимальному рівні, а сонячної енергії у цей час недостатньо. Тому водонагрівач геліоустановки виконує функцію акумулювання теплової енергії, щоб надавати теплу воду в той час, коли сонячної енергії недостатньо.

Сонячні колектори для нагріву води – приклад розрахунку

Розрахуємо середньорічну продуктивність сонячних колекторів для потреб ГВП приватного будинку. Дані для розрахунку: Споживання ГВП сім’єю з 3 осіб – 210 л з температурою 45 °С. Лінія рециркуляції 20 м, працює 8 год на добу. Місце встановлення – м. Київ. Колектори розташовані під кутом 45 ° і орієнтовані у південному напрямку. У середовищі моделювання приймаємо сонячні колектори ТМ Vaillant VFK 145 з 2,35 м² корисної площі. Об’єм бака акумулятора – 250 літрів.

Приклад розрахунку продуктивності сонячних колекторів для нагрівання води

Сонячні колектори забезпечують в середньому 60% потреб у гарячій воді протягом року. Влітку система забезпечує 100% гарячої води.

Для порівняння, розрахуємо геліосистему з такими ж параметрами, але додавши один сонячний колектор.

Приклад розрахунку з великою кількістю сонячних колекторів

Прогнозований відсоток покриття від геліосистеми в середньому складе 71%. Однак очікується високий рівень надлишку енергії влітку, що може призвести до частих стагнацій. Подальше збільшення кількості колекторів несуттєво підвищує відсоток покриття, а ефективність геліосистеми падає. Це відбувається через те, що водонагрівач та теплоносій у сонячних колекторах працюють на вищих температурах, отже, збільшуються теплові втрати.

Залежність відсотка покриття від кількості сонячних колекторів

Таким чином, найкращий відсоток покриття для сонячних установок гарячого водопостачання рекомендується вибирати в межах 60–70%.

Об’єкти з великим споживанням ГВП

Для споживачів з великим обсягом споживання гарячої води, таких як готелі, ресторани, школи тощо. норми споживання ГВП можуть відрізнятися. У таблиці нижче наведено типові значення середньої витрати та температури гарячої води різними групами споживачів.

В умовах українського клімату та сонячного випромінювання 1 м² сонячного колектора може виробляти в середньому близько 3,6 кВт*год/добу влітку. Виходячи з цього для оптимального співвідношення ефективності та відсотка заміщення слід підбирати сонячні колектори для нагрівання води відповідно 1 м² колектора на кожні 60-80 літрів води.

Розглянемо приклад використання сонячних колекторів нагріву води. Споживання ГВП для готелю із 10 двомісними номерами. У кожному номері є душ.

Середнє споживання гарячої води – 100 л/(гість х день). Лінія рециркуляції 60 м, працює 8 год на добу. Місце встановлення – м. Одеса. Колектори розташовані під кутом 45 ° і орієнтовані на південь. Загальна денна витрата води становить у середньому 2000 л з температурою 45 °С.

Приклад використання геліосистеми для забезпечення ГВП готелю

Згідно з рекомендацією, підбираємо 12 сонячних колекторів Vaillant VFK. Бак акумулятор об’ємом 2000 л виходячи з вимоги не менше 50 л об’єму водонагрівача на кожен м² корисної площі сонячного колектора та добової витрати гарячої води. Таке компонування системи здатне заощаджувати до 65% традиційних енергоресурсів на рік завдяки сонячній енергії.

Приклад використання геліосистеми для забезпечення сезонного ГВП готелю

Якщо цей готель працюватиме лише в курортний сезон, то відсоток покриття може становити до 97%. А тепло, яке виробляється в решту року можна направити на часткову підтримку опалення готелю.