Сонячні колектори для опалення приміщень

У Європейських країнах сонячні колектори для опалення використовують 50% від загальної кількості встановлених геліосистем. Однак слід розуміти, що геліосистеми використовують лише для підтримки опалення та економії основного енергоресурсу, оскільки потреба у теплі значно перевищує вироблення енергії сонячними колекторами в опалювальний період у нашій кліматичній зоні.

Основні передумови використання геліосистем для опалення приміщень:

• Розвиток технологій енергоефективного будівництва. Завдяки цьому знижується теплове навантаження будівлі і внесок сонячної енергії стає відчутнішим.
• Постійно зростаючі тарифи на викопні енергоносії.
• Все більша доступність і популярність сонячних систем. Технологія здешевлюється тому, порівняно з попередніми роками, установка геліосистем для опалення стає рентабельнішою.
• Екологічна відповідальність. Загальносвітовий тренд скорочення шкідливих викидів та сталого розвитку підкріплений світовими стратегіями.
• Поява нових технологій. Виробники пропонують рішення, завдяки яким можна оптимізувати початкові витрати та збільшити термін служби сонячного колектора та інших компонентів системи сонячного теплопостачання.

Найпоширенішим є використання геліосистем із добовим акумулюванням теплової енергії. Недоліком геліосистем для підтримки опалення з добовим акумулюванням є неможливість використовувати надлишки тепла влітку. Виходом із цієї ситуації може бути використання сезонного акумулювання. Проте таку установку досить складно реалізувати практично через необхідність облаштування величезних накопичувальних ємностей (об’ємом від 10 м³). Такі ємності закопують під землю або будують спеціальний резервуар із бетону. Тому в переважній більшості в Європі сонячні колектори для опалення встановлюються саме в геліосистемах добовим акумулюванням.

Сонячні колектори для опалення – варіанти реалізації

Геліосистема для опалення будинку складається з сонячних колекторів, труб геліоконтуру та баку акумулятора. Такі ємності можуть бути комбінованими з окремим вбудованим внутрішнім баком для ГВП або окремими. Також широко поширені баки із зовнішньої теплообмінної станцією для нагрівання гарячої води проточним способом.

Найпоширеніші варіанти схем геліосистем для опалення: 1. Геліосистема з комбінованою ємністю “бак у баку”. 2. Геліосистема з окремим баком для ГВП та буферною ємністю для опалення. 3. Геліосистема з буферним баком та станцією приготування гарячої води

Об’єм таких баків-акумуляторів розраховується виходячи з кількості сонячних колекторів, і в жодному разі не визначається обсягом теплоносія в опалювальній системі. У середньому оптимальне значення дорівнює 75 л на один квадратний метр площі абсорбера сонячних колекторів.

Слід також зазначити, що для максимального ефекту застосування сонячних колекторів для опалення, необхідно використовувати низькотемпературні опалювальні прилади, такі як тепла підлога і т.д. Чим нижча робоча температура геліосистеми, тим вище її ККД.

Залежність ККД сонячних колекторів від типу системи опалення

Оптимальний робочий діапазон для системи теплопостачання 35–27 °C, що відповідає температурному графіку теплої підлоги.

Приклад: сонячні колектори для опалення будинку 180 м² в м. Київ

Розглянемо приклад, коли сонячні колектори для опалення встановлюються у будинку із площею 180-200 м². Контур розподілу енергії – тепла підлога.

Кількість витраченого тепла залежить від якості утеплення будинку. Наприклад, для енергопасивного будинку необхідно не більше 30 кВт*год теплової енергії на один метр квадратний площі за опалювальний сезон. А для слабо утепленого будинку може знадобитися понад 200 кВт*год тепла на один квадратний метр площі будинку за сезон.

Типові питомі втрати за опалювальний сезон житлового будинку в залежності від утеплення

Припустимо, що будинок побудований за сучасними технологіями та відповідає вимогам з енергозбереження з тепловою потужністю приблизно 50 Вт/м² опалювальної площі. Максимальне теплове навантаження – 10 кВт. Середні витрати енергії на теплопостачання протягом сезону близько 80 кВт*ч/м². Відповідно в середньому за опалювальний сезон для системи теплопостачання такого будинку знадобиться приблизно = 200 м ² * 80 кВт * год / м ² = 16 000 кВт * год тепла.

Для розрахунків було обрано плоскі сонячні колектори фірми Wolf TopSon F3-1 з наступними параметрами:

• Площа абсорбера – 1,99 м ²;
• Оптичний ККД – 80,4%;
• Коефіцієнт теплових втрат К₁ – 3,235 Вт/м²К;
• Коефіцієнт теплових втрат К₂ — 0,012 Вт/м²К.

Зовнішній вигляд сонячного колектора Wolf TopSon F3-1

Розглянемо три варіанти застосування сонячних колекторів для опалення. У першому варіанті встановлено 6 сонячних колекторів із загальною площею абсорбера 11,94 м² та баком акумулятором 1000 л. У другому варіанті 10 колекторів (19,9 м²) та бак акумулятор 2000 л, 3-й варіант з 16 колекторами сумарною площею 31,84 м² та баком акумулятором 3000 л.

Розрахунки наведемо для м. Київ з урахуванням усередненої бази даних сонячного випромінювання та навколишньої температури для відповідної кліматичної зони. Сонячні колектори орієнтовані у південному напрямку та встановлені під кутом 45 градусів. Усі розрахунки гарячого водопостачання проводяться з урахуванням потреби в середньому 200 літрів води з температурою 45 °С на добу. Для розрахунків скористаємося програмою симуляці https://valentin-software.com/en/products/tsol/

Вибрана схема для всіх 3-х варіантів з баком акумулятором та станцією приготування гарячої води

Графік споживання та вироблення теплової енергії геліосистемою на ГВП та опалення будинку

Очевидно, що максимальне виробництво сонячної енергії припадає в літній період року. Енергія, вироблена геліосистемою для опалення, лише частково покриває потреби у теплі та практично повністю покриває навантаження по гарячому водопостачанню.

Максимальна економія посідає міжсезоння і незначна в зимові місяці року. Чим більша загальна корисна площа сонячних колекторів, тим більше значення економії енергоресурсів.

Діаграма покриття опалювального навантаження за рахунок геліосистеми для 3-х варіантів розрахунку

У кожному варіанті сонячні колектори виробляють для опалення різну кількість теплової енергії у відсотковому співвідношенні щодо загальної потреби в теплі. Основним завданням проектування таких сонячних систем є вибір оптимального значення заміщення (економії) основного джерела енергії з урахуванням капітальних витрат. Для цього необхідно зіставити витрати на встановлення геліосистеми та витрати на енергоносії та вибрати оптимальний варіант.