Содержание

схема работы коллектора для теплого пола

Смесительный узел, коллектор для теплого пола, предназначены для приема теплоносителя с температурой до 90°С, его охлаждения до 50°С и равномерного распределения по отопительным трубам системы теплого водяного пола.

 

Принцип работы коллектора

 

Горячий теплоноситель из первичного контура, от котла, поступает на входной термостатический клапан, оборудованный термоголовкой с погружным зондом (капиллярным датчиком).

Термостатическая головка дает возможность регулировать температуру поступающего на коллектор для теплого пола теплоносителя в пределах 20 — 70°С. Как правило, выставляется от 35 до 50°С, в зависимости от тепловой нагрузки системы «теплый пол»

 

После прохождения термостатического клапана горячая вода смешивается с остывшим теплоносителем, поступившим из системы теплого пола. Подмес теплоносителя осуществляется не хаотично, а согласно настройкам термостатической головки.

Таким образом, достигается балансировка входного термостатического клапана и вода высокой температуры поступает на коллекторный узел только тогда, когда требуется подогрев теплоносителя, циркулирующего внутри системы. Излишек остывшей воды уходит назад в первичный контур, где вновь происходит его нагревание в котле.

 

Теплоноситель, охлажденной до требуемой температуры, подается на циркулярный насос, а затем поступает на подающую гребенку коллектора. Между насосом и гребенкой установлены погружной зонд термоголовки и датчик температуры воды. Согласно показаниям датчика регулируется настройка термостатической головки.

 

Из подающего коллектора вода поступает в отопительный контур системы. Каждая труба для теплого пола имеет разную длину, поэтому один контур будет использовать больше теплоносителя, а другой – меньше. Чтобы вода поступала в систему правильно, на подающей гребенке устанавливаются расходомеры, с помощью которых выравнивается гидравлическое сопротивление отопительных контуров.

 

При желании, температуру в помещении, можно регулировать при помощи термостатов или комнатных программаторов. В этом случае, на коллектор обратки устанавливаются сервопривода. При достижении температуры в помещении заданной программатором, подаются сигнал на сервопривод, и шаговый двигатель в сервоприводе закрывает те контура, которые отвечают за обогрев данного участка помещения. При охлаждении комнаты, сервопривод вновь открывает петли на гребенке и происходит обогрев помещения.

Стоит отметить, что теплый пол имеет большую «тепловую энерцию», долго нагревается и долго остывает, поэтому теплового комфорта, как в случае с установкой стальных батарей, можно и не получить.

Чтобы избежать резких перепадов давления в системе и поломки циркулярного насоса, коллекторный узел оснащается байпасной линией с перепускным клапаном. С помощью байпаса , теплоноситель идет по малому кругу, при одновременном закрытии всех контуров теплого пола сервоприводами.

 

Система теплый водяной пол способна самостоятельно регулировать температуру теплоносителя и гарантирует безопасность при эксплуатации и комфортный микроклимат круглый год.

Источник: http://xn--80aafb4ai5ck.xn--p1ai/

Принцип работы тёплых полов, или Последняя проверка перед монтажом?

В этой статье мы проверим сами себя: всё ли сделано и продумано, чтобы начинать монтаж тёплого пола? Для этого вспомним принцип работы тёплых полов.

Как работает система отопления водяным тёплым полом?

Схематически устройство системы водяного тёплого пола выглядит так:

К — котёл; ТК — трехходовой клапан; Н — насос; КП и КО — коллекторы подающий и обратный; Т — комнатный термостат; ТП — тёплый пол; С — сервопривод

Принцип работы теплых полов следующий.

котёл (К) греет воду.

Обычно в котле вода нагревается до 80…90 градусов, т. к. часто, помимо тёплого пола, эта вода используется в бойлере косвенного нагрева и/или в радиаторной системе.

Но для тёплого пола температура теплоносителя нужна в два раза меньше. Поэтому в системе тёплого пола устанавливается смесительный узел с трехходовым клапаном (ТК) и насосом (Н). В трехходовом клапане теплоноситель из подающей трубы смешивается с теплоносителем из обратки, т. о. получается теплоноситель меньшей температуры, он и направляется дальше.

А дальше установлен распределительный узел, который состоит из двух коллекторов: подающего (КП) и обратного (КО).

К коллекторам подключаются контуры или петли тёплого пола (ТП). Из подающего коллектора теплоноситель направляется в петли тёплого пола, где отдаётся тепло помещению. После чего теплоноситель возвращается в обратный коллектор и далее к котлу…

И так постоянно – пока работает насос.

Пока всё просто, но есть один момент: в помещениях разного назначения нужна и температура разная. Например, в спальне 18 градусов, в санузле 24-25 градусов, в зале 22, на кухне 20 градусов… Как обеспечить разную температуру в разных помещениях, если в коллектор теплоноситель приходит температуры одной?

Поможет такое устройство, как сервопривод (С; на схеме выше показан только один, чтобы не загромождать рисунок, однако ставятся на каждую петлю). Устанавливаем их на гнёзда на обратном коллекторе, и получаем автоматическую регулировку температуры в каждом помещении. Сервопривод открывает/закрывает проходы в контурах плавно – «без пыли, без шума», а главное, без гидроударов. Ну а команду открываться или закрываться сервопривод получает от комнатных термостатов (Т), настроенных на нужные температуры и установленных в каждом помещении.

Главные правила для тёплого пола

Правила для тёплого пола просты:

1 – нельзя превышать определённое количество контуров, подключенных к коллектору;

2 – длина контуров должна быть тоже не больше определённой;

3 – труба, уложенная в контуры тёплого пола, должна быть определённого диаметра;

4 – мощность насоса должна быть правильно подобрана;

5 – трехходовой клапан должен  быть подобран правильно;

6 – всё перечисленное нужно правильно смонтировать, включая состав «пирога» тёплого пола.

Итак, проверили, убедились, что всё, что надо, сделано и сделано правильно, — нигде не будет нарушаться принцип работы теплых полов. Теперь приступаем к монтажу тёплого пола. Успехов.

принцип работы теплых полов

Все о коллекторе для теплого пола

Автор Евгений Апрелев На чтение 4 мин Просмотров 388

Что такое коллектор для тёплого пола, и какое его назначение


 

Коллектор для тёплого пола гарантирует вам максимальный уют в доме,а также и в любом другом помещении. Температура нагрева создаёт для человека тепловую отдачу и хорошие комфортные условия для проживания. Данное устройство достаточно простое в управлении и своей работе. Вода подаётся от источника с температурой 90 градусов по Цельсию. Следующим этапом отопительная система распределяется к вентилю с головкой — термостата .

Также в коллекторе, существуют регулировочные клапаны, они встроены в коллекторе для поддержания регулировки и гидравлики. Клапаны обычно оснащены индикаторами. К большому сожалению, практически невозможно сделать контуры с одинаковой длиной и одинаковой отопительной нагрузкой. Балансировка возникает тогда, когда по разной длине труб в неодинаковом количестве подаётся теплоноситель. Если труба имеет большие размеры, подаваться он будет значительно холоднее, чем из трубы, которая имеет небольшие размеры. Если такое происходит, то качество обогрева пола падает. Покупая распределительный коллектор вы получаете:

  • термометры;
  • циркуляционный насос;
  • клапан для регулировки температуры;
  • клапан предотвращающий разрыв труб;

Советуем придерживаться требований:

  • установка в центре отапливаемых комнат;
  • чтобы можно было убирать воздух из труб, размещать коллектор на самой высокой точке системы;

Соединяем с коллектором, каждое устройство, через две трубы — образовывается в подающую. Она представлена двумя видами кранов, которые: регулируют и дозируют подачу теплоснабжения. Это удобно, тогда, когда комната не нуждается в отоплении.

 

Плюсы и недостатки использования коллектора

Плюсы:

  • возможно применять трубы из таких материалов таких как: пластик, полиэтилен, металлопластик.
  • Если что-то произошло он легко демонтируется и отключается.

Также можно контролировать подачи теплоносителя и полностью её отключать.

Минусы:

  • Дорогое оборудование.
  • Сложный монтаж.

 Виды и преимущества для тёплого пола

Данные устройства подразделяют на два вида. Коллекторы с двухходовыми питающими клапанами — они смешивают теплоноситель с холодной водой и с помощью этого перегрев тёплого пола не возможен. Клапаны этого устройства позволяют делать плавную регулировку температуры. Но существует ограничение в применении. Это устройство неразумно использовать если площадь комнаты больше 200м (в квадрате).

Коллекторы с трехходовыми клапанами — созданы для перемешивания тёплой воды в системе отопления.

Полипропилен — это очень хороший и удобный материал с помощью которого собирают некоторые виды коллекторов.  Этот материал (Полипропилен) удобен для тёплого пола и монтажа.

  • Коллекторы бывают:
  • Параллельными;
  • Последовательными;
  • Комбинированными;

Коллектор с тёплым полом имеет достаточно много достоинств, благодаря этому его сделали, очень используемым в современной технологической промышленности.

Одним из них является:

гигиеничность, благодаря свой постоянной отапливаемости тёплые стены хорошо поддаются во влажной уборке, дезинфекции, они хорошо и быстро высыхают, что не даёт развиться грибку и плесени.

Безопасность. Часто не только дети, но и взрослые забывают о большой температуре и получают ожог. Когда вы используете тёплый пол травмы, ожоги — категорически исключены.

Комфорт. В доме всегда будет уютно и комфортно. Тёплый пол излучает уют и надёжность.

Экономичность. Экономия до 30% нежели в комнатах с большой площадью до 50%.

Долговечность. Его срок носки составляет 50лет. Единственное — труба подлежит износу.

Установка коллектора теплого пола, тонкости мастерства

 

Собирать коллектор — не сложно. Трубы оснащены сенсорами трат и клапанами, их нужно соединить вместе. Если ваш коллектор разделён на части (на два или три отверстия).Далее трубку следует закрепить на подставках. Вторым этапом устанавливаются такие элементы: соединение заглушки, запорной арматуры и приборов контроля.

Следующий шаг, который должны выполнить — это прикрепить его к низу стены, а затем поставить клапан и циркуляционный насос. В обратном порядке этого делать не стоит так, как потом прикреплять узел будет не комфортно. Клапан с насосом монтируется к ним присоединяются магистральные трубы, которые идут от котла, а к отводам — трубы греющихся контуров.

Коллектор для теплого пола: конструкция и монтаж

При обустройстве дома водяными теплыми полами, начинать, прежде всего, следует с оборудования, которое формирует температуру будущих полов. Этим процессом заведует коллектор. Для начала Вам потребуется подготовить место для коллектора, установить специальный коллекторный шкаф на стене или в специально подготовленной нише.

Для начала давайте разберем, зачем вообще нужен коллектор и как он устроен.

Содержание:

Коллекторный шкаф. Рекомендации к расположению

Если Вы хотите скрыть коллекторный узел, то Вам не обойтись без коллекторного шкафа. Ничего особенного в нем нет, это простой шкафчик из металла, который монтируется к стене. Внутри у него закреплены вертикально две планки, которые можно выставить по ширине под размер устанавливаемого на них коллектора. Шкафы бывают двух видов: для расположения у стены и для расположения в нише (углубления) стены.  Также в шкафу производят расключение всех контуров теплого пола с другими деталями теплоснабжения дома и устанавливают дополнительное оборудование. Размещение

Коллекторный шкаф следует устанавливать с расчетом поднятия уровня будущего пола за счёт его слоёв. После установки шкафа в него заводят вводную (подающую) и обратную (возвратную) трубы. Вводная труба отвечает за подвод горячей воды (теплоносителя) с котла или центрального отопления. Обратная труба служит для отвода остывшей воды из контура обратно в котел для последующего нагрева. На каждую из труб монтируются запорные краны с муфтами для последующего подключения коллектора.

Место для коллекторного шкафа в квартире или доме выбирают с таким расчетом, чтобы все контуры теплого пола имели приблизительно одинаковую длину, по рекомендациям не больше 70 метров.

Коллектор, что это?

Коллектор — это устройство для смешивания разных сред из параллельных веток для  последующей подачи смеси далее. В нашем случае смешиваются два потока воды разной температуры для достижения необходимой нам температуры. Такое смешивание возможно благодаря большому сечению труб коллектора и низкой скорости потока воды.

Для теплого пола коллектор это две трубы с отводами под контуры обогрева. С двух сторон этих труб имеются резьбы для подключения к подводящим и отводящим трубам, а также дополнительного оборудования. Комплектация коллекторов бывает разная, от того и зависит его цена. Продаются коллекторы в сборе, но возможно собрать его и самому, только необходимо будет покупать все составляющие отдельно, но за счёт этого можно сэкономить. Бывает несколько типов коллекторов:

  1. Самый простой — это просто труба с выходами для крепления труб контуров обогрева. К такому типу необходимо докупать еще много чего.
  2. Коллекторы с простыми регулировочными вентилями. Подходят если у вас небольшое количество контуров одинаковой длины, так как невозможна точная регулировка температуры в контурах.
  3. Коллекторы с более точной регулировкой. На них уже можно установить автоматические сервоприводы, которые будут регулироваться от комнатных термостатов, устанавливая необходимую температуру в каждом контуре автоматически.
  4. Коллекторы для автоматической регулировки контуров различной длины. Такие коллекторы имеют расходомеры на подающем коллекторе, а на возвратном места под установку сервоприводов.

Расходомерами выставляется необходимый проток, в результате в каждом контуре будет одинаковый поток теплоносителя не зависимо от его длины. Сервоприводы необходимы для открытия и закрытия контуров в автоматическом режиме. Если контуры большее время года находятся в открытом или закрытом состоянии, сервоприводы можно заменить простыми простыми кранами.

 

Назначение и состав коллектора

Сколько бы не стоили коллекторы, назначение  состав их одинаков, цена зависит только от качества  производителя составляющих. Вот основные составляющие:

1,2 — корпуса коллектора; 3 — переходник; 4 — дренажный кран; 5 — отводчик воздуха автоматический;

6 — клапан отсечной; 7 — крепеж коллектора; 8 — евроконус для подключения труб контура.

Расходомер предназначен для регулировки равномерного скорости потока воды в каждом контуре при их различной длине, это необходимо для того чтобы все контуры имели одинаковую температуру, в ином случае разные части пола буду разной температуры. Ведь как известно, жидкость течет по пути наименьшего сопротивления, поэтому без расходомеров контуры малой длины будут горячее длинных контуров.

Расходомеры устанавливаются в подводящий коллектор. Регулировочной гайкой или кольцом (в зависимости от производителя) выставляется условный проток, в литрах в минуту, по контуру, который можно наблюдать по шкале на прозрачной колбе. Конечно это можно сделать и простыми вентильными кранами, но точность будет гораздо ниже, а от этого пострадает эффективность теплого пола.

Сервоприводы также автоматически регулируют поток, только уже на обратке коллектора, монтируются на каждый контур. Работают они в паре с термостатами, которые устанавливаются в каждой комнате и посылают сигнал на сервопривод для прикрытия или приоткрытия определенного контура. С одного термостата может управляться несколько сервоприводов.

Выпускают разные модели сервоприводов, с разным рабочим напряжением, но по принципу действия есть 3 вида сервоприводов:

  1. нормально открытые — начальное положение клапана открытое, то есть когда на сервоприводе нет напряжения, то он находится в открытом (пропускном) положении.
  2. нормально закрытые — начальное положение клапана закрытое, когда нет напряжения на нём клапан закрыт для прохождения теплоносителя.
  3. универсальные, переключающиеся, которые могут быть как нормально открытыми, так и нормально закрытыми.

Примерную комплектацию коллекторного узла и способы его регулировки Вы можете посмотреть в видеоролике.

 

Дополнительное оборудование для коллектора

Хороший коллекторный узел состоит не только из трубы и нескольких клапанов, есть определенный набор оборудования, который поможет сделать эксплуатацию теплого пола приятной и функциональной.

Смесительный узел предназначен для снижения температуры теплоносителя до рабочего, благодаря смешиванию воды из обратки с подходящей от котла, а также для циркуляции воды в контурах теплого пола. Состоит такой узел из циркуляционного насоса и трехходового клапана (возможна установка и двухходового клапана). Также возможен монтаж расширительного бака.

Принцип действия смесительного узла с трехходовым клапаном:

Горячий теплоноситель поступает на трехходовой клапан, на котором установлен терморегулятор с выносным датчиком температуры, где происходит смешивание с остывшей водой из контуров теплого пола Затем смешанная вода насосом подается обратно в систему теплого пола. Выносной датчик температуры устанавливается после насоса и регулирует зазор открытия клапана для поддержания заданной температуры. На обратный контур теплого пола обязательно устанавливается обратный клапан, он ограничивает протекание горячей воды к выходу обратки контуров. Также возможна установка байпаса между подающим и обратным контурами, это труба меньшего диаметра, она служит на случай закрытия всех контуров, тогда насос будет гонять воду через него.
В видеоролике Вы можете более подробно изучить принцип работы смесительного узла, также в нем рассказывается о принципе работы системы теплый пол.

Надеюсь эта статья помогла Вам разобраться с частью вопросов по обустройству теплых полов. Также на нашем сайте Вы сможете изучить и другие вопросы связанные с системой «теплый пол».

Удачи в ремонте!

Похожие статьи:

Основные принципы устройства и работы системы водяной теплый пол

Концепция водяного теплого пола, вкратце, сводится к монтажу между полом и напольным покрытием сети мини трубопроводов, по которым циркулирует теплоноситель — нагретая жидкость (вода, раствор этиленгликоля, антифриза и т. п.).

Чтобы тепло не шло вниз, укладывается слой теплоизоляции, как правило, из полистирола. Толщина слоя теплоизоляции от 20 до 300 мм в зависимости от типа системы водяного теплого пола и отопительной нагрузки.

Теплоноситель отдает свое тепло материалу, окружающему трубы контуров водяного теплого пола. Это может быть бетон стяжки, алюминиевые пластины, песок и т.п. в зависимости от типа и устройства системы водяного теплого пола (см. раздел «типы систем водяного теплого пола Термотех»).

Далее тепло передается чистовому покрытию. Каждое чистовое покрытие имеет свое термическое сопротивление, зависящее от материала и толщины его изготовления.

От нагретой поверхности пола тепло поднимается вверх, отапливая всё помещение.

Благодаря обширной теплоотдающей поверхности возрастает количество излучаемого тепла, которое, в отличие от конвекции при радиаторном отоплении, немедленно распространяет тепло к окружающим предметам, обеспечивая таким образом более равномерное горизонтальное и вертикальное распределение тепла. При использовании водяного теплого пола отсутствуют холодные и перегретые зоны, как при отоплении радиаторами (конвекторами, воздушными системами).

При радиаторном отоплении доля теплоотдачи за счет конвекции составляет 80-100%. Т.е. создаются условия, при которых перегретый воздух поднимается вверх и, остывая, опускается вниз. Т.о. за счет циркуляции воздуха достигается средняя комфортная температура в помещении. Лучистая составляющая в радиаторной системе отопления, как правило, незначительна.

Поскольку люди чувствуют себя более комфортно при прохладном воздухе на уровне головы и теплом у ног, водяной теплый пол представляет собой систему идеального равномерного распределения тепла.

«Применение в помещении плоских греющих поверхностей, отдающих значительное количество тепла излучением, где бы они ни располагались, всегда будет создавать более благоприятный микроклимат, чем при обогреве помещений чисто конвективными приборами».
[Отопление. Андреевский А.К. 2 изд. Высшая школа, 1982.]

«Держи ноги в тепле, а голову в холоде» [народная мудрость]

Температура в помещении может быть снижена на 1-2 градуса без потери человеком ощущения комфорта. Например, если при радиаторной системе отопления человек чувствует себя комфортно при температуре 20-22°С, то при отоплении системе водяной теплый пол комфортной для него будет температура 18-20°С. Снижение температуры на 2°С обеспечивает около 12% сбережения потребляемой энергии.

Но, необходимо помнить (!), что температура комфорта является исключительно индивидуальной характеристикой человека (для одного это будет 17°С, для другого 22°С и т.д.). В процессе эксплуатации системы водяной теплый пол пользователь сам находит для себя наиболее комфортный диапазон температур, а зональная (покомнатная) автоматика призвана поддерживать эту температуру постоянной. Отсюда и вытекает большое значение комнатных термостатов, которыми некоторые проектировщики или потребители пренебрегают.

Равномерное распределение тепла и обширность поверхности нагрева, помимо комфорта, позволяет использовать в системы водяной теплый пол более низкие температуры теплоносителя. Т.о. водяной теплый пол является низкотемпературной системой отопления, где температура теплоносителя составляет 30-50°С (для сравнения, в радиаторной системе — 70-95°С).

В зависимости от применяемых схем и технических решений можно достичь экономии тепла (энергоресурсов) от 10% до 50% (складывается в совокупности из экономии на следующих участках):

Солнечная система нагрева воды – обзор

3.2.11.2 Системы водяного отопления помещений

Любая солнечная система нагрева воды состоит из 6 основных компонентов:

a.

Коллектор.

б.

Хранение.

в.

Вспомогательные нагреватели.

д.

Насосы или вентиляторы.

эл.

Внутренняя распределительная система.

ф.

Органы управления.

Коллекторы могут охлаждаться ниже точки замерзания, а замерзание воды может привести к механическим повреждениям. Этого можно избежать одним из следующих способов:

a.

Поддерживая циркуляцию в период опасности заморозков, но это, очевидно, приводит к значительным потерям тепла. Но если мороз бывает всего несколько дней в году, это самое простое и дешевое решение.

б.

Путем слива системы.Это можно сделать вручную, но также применялись автоматические средства, например. в шведском доме Linköping, который включает в себя запатентованную дренажную систему. Недостатком этого метода является то, что смена воды/воздуха может ускорить коррозию внутри пластины абсорбера.

в.

Применение какого-либо антифриза, что возможно только в закрытых циркуляционных системах, т.е. там, где нет расхода воды. Если система горячего водоснабжения соединена с системой отопления, потребляемая вода должна нагреваться с помощью теплообменника.

Внутренние излучатели тепла или устройства обогрева помещений, которые должны быть специально разработаны для системы солнечного отопления, могут быть:

a.

Панели радиатора.

б.

Потолочные радиаторы.

в.

Вентиляторные конвекторы.

д.

Встраиваемые в пол змеевики.

Ре. a

Панели радиаторов, используемые в традиционных системах центрального отопления, предназначены для работы с водой с температурой 65-75°C.Создание таких высоких температур с помощью солнечных коллекторов было бы очень неэффективным и, вероятно, невозможным в зимние месяцы. Когда панели радиаторов работают при более низких температурах (например, около 50°C, как это принято в системах с тепловыми насосами), для получения требуемого излучения необходимо значительно увеличить площадь поверхности. Как правило, считается, что площадь должна быть примерно в два раза больше, чем в обычных системах.

Re.b

Также можно использовать потолочные радиаторы, либо сборные панели, либо лучистые потолки со встроенными змеевиками.Ограничений по размеру нет, и весь потолок может быть радиатором, поэтому можно будет эксплуатировать систему при гораздо более низких температурах. Потолочная поверхность не должна быть теплее около 32°C, по соображениям теплового комфорта, поэтому температура потока воды может быть только около 35°C.

Re.c

Вентиляторные конвекторы, имеющиеся в продаже сегодня, также предназначены для работы на воде с температурой 60-75°C, но поверхность теплопередачи, которая обычно состоит из ребристых труб, может быть легко увеличена в тех случаях, когда устройства должны работать с водой при температуре 50°С и ниже.

Red.d

Системы обогрева пола, использующие встроенные электрические элементы или змеевики для горячей воды, используются уже много лет и довольно популярны, нач. для ванных комнат (где нет ковров). Такие системы были бы очень полезны в сочетании с солнечным отоплением, так как температура поверхности пола может быть ограничена примерно до 25°C, а затем можно использовать воду с температурой около 28-30°C. Теплоемкость, например, бетонного пола также поможет сохранить тепло и, таким образом, сгладить колебания погоды.

Солнечная система отопления, работающая круглый год, как правило, неэкономична. Например, в одном случае было обнаружено, что если бы данная площадь коллектора могла обеспечить все необходимое отопление в течение 320 дней в году, то для обеспечения работы в течение последующих 30 дней потребовалось бы удвоение площади, а также потребовалось бы еще одно удвоение. обеспечить достаточное отопление на оставшиеся 15 дней при самых неблагоприятных погодных условиях. В таком случае более экономично выбрать коллектор меньшего размера, а затем положиться на какой-нибудь дополнительный обогреватель для зимних дней.Этот вспомогательный нагреватель может быть калорифером, питаемым горячей водой от котла, или это может быть котел, подключенный последовательно к системе солнечного отопления, но в большинстве случаев электрический вспомогательный нагреватель окажется наиболее экономичным решением.

Для обеспечения оптимальной эффективности сбора в самых разных погодных условиях можно использовать двухступенчатую систему сбора в сочетании с тепловым насосом для передачи и повышения уровня тепла.

Комбинированные солнечные водонагреватели и системы отопления помещений могут стать довольно сложными, так как горячее водоснабжение в идеале должно иметь температуру 60-65°C (для кухни и прачечной, а для ванных комнат достаточно 45°C).Поэтому должен быть термоусилитель. Если отопление помещения работает, скажем, при 40°C, оставшиеся 20°C должны быть обеспечены этим усилителем, который может быть первым. быть электрическим погружным нагревателем или калорифером, питаемым от того же котла, что и отопление помещения в предыдущем примере. Летом, когда потребности в отоплении помещений нет, солнечная система может самостоятельно обеспечить весь нагрев воды при повышенном уровне температуры.

Технические проблемы солнечного отопления в основном решены.При рассмотрении солнечных домов, построенных в Европе за последние несколько лет, были выбраны три основных типа решений:

a.

Пассивные системы.

б.

Системы теплоносителя (воздух или вода).

в.

Комбинированные солнечные/тепловые насосные системы.

Re.a

Здесь мы можем упомянуть в качестве примера школу Уолласи, которая в основном опирается на тепловые свойства оболочки здания и не предлагает никакого контроля.

Марсельская конструкция ABC Group более утонченная благодаря регулируемым жалюзи. Дома Chauveney-le-Chateau и Odeillo попадают в одну и ту же категорию, но предлагают некоторые средства контроля.

В США дом Стива Бэра в Корралесе, штат Нью-Мексико, использует статический объем воды в стальных бочках для хранения тепла вместо кирпичной кладки, а дом «Skytherm», построенный Гарольдом Хэем, хранит воду на крыше с регулируемым покрытием. . Здесь коллектор водоема одновременно используется как аккумулятор.

Re.b

Большинство солнечных домов, построенных до сих пор в Европе, имеют систему теплоносителя. Воздух используется в качестве собирающей жидкости в датском доме Орхус, а система водоснабжения используется в датском доме с нулевым потреблением энергии и в шведских домах.

Часть домов, а.о. В доме с нулевой энергией предпринимались попытки межсезонного хранения с использованием огромных резервуаров для воды для накопления летнего избыточного тепла, но все они неэкономичны из-за затрат, связанных с созданием сезонного хранилища.

Re.c

Солнечная система отопления может обеспечивать все необходимое тепло в течение всего года, если используется какая-либо форма теплового насоса. Таким образом, тепловой насос можно рассматривать как эффективный и относительно дешевый вспомогательный источник тепла. Экономия, конечно, улучшается, если одна и та же система теплового насоса используется как для обогрева зимой, так и для охлаждения летом.

Системы солнечного отопления в сочетании с тепловыми насосами являются первыми. найдены в экспериментальном доме Philips, доме Брауна Бовери, доме Дорнье, солнечном доме, который будет построен в Гарстоне, Ю. K.

В США дом Tucson использует неглазурованные коллекторы в качестве источника тепла и радиатора, а в Японии дом Yanagimachi делает то же самое. Здесь тепловой насос используется почти постоянно. Другие, такие как дома в Альбукерке, Линкольне и Лейк-Пэджетт, имеют застекленный коллектор и используют только тепловой насос в качестве вспомогательного агрегата в течение коротких периодов времени. В домах Томасонов застекленный коллектор, обращенный на юг, используется в качестве источника тепла, а северная незастекленная поверхность крыши — в качестве радиатора, но в них используются циркуляционные насосы, а не тепловые насосы, однако аналогичная система может работать с тепловыми насосами.(см. рис. III/16)

рис. III/16.

(Перепечатано с разрешения ASHRAE HANDBOOK и Product Directory 1974). Copyright © 1974

В некоторых домах, особенно в домах Линкольна и Форт-Коллинза в США и доме Брисбена в Австралии, компрессоры теплового насоса с электрическим приводом не используются, а система абсорбции бромистого лития/воды, которую в принципе можно сравнить с тепловым компрессором.

Дом SOLAR ONE в Делавэре, США, использует фотогальванические элементы для питания теплового насоса, и это единственный солнечный дом, который производит значительное количество электроэнергии с помощью солнечных элементов.Это, безусловно, самый сложный солнечный дом, который был построен до сих пор, и, хотя система неэкономична при нынешнем высоком уровне цен на фотоэлектрические элементы, она может стать экономичной когда-то в будущем, когда ожидается, что солнечные элементы будет стоить лишь часть того, что они стоят сегодня.

Нагрев воды для бытовых нужд – обзор

6.4.2 Солнечные тепловые коллекторы

В жилых зданиях солнечные тепловые коллекторы могут использоваться для нагрева воды для бытовых нужд, для обогрева помещений или для комбинированного нагрева воды для бытовых нужд и отопления помещений.Солнечные водонагреватели считаются одними из старейших высокоэффективных технологий нагрева воды, доступных в США. Действительно, первый коммерчески доступный солнечный водонагреватель Climax был выпущен в 1891 году и в основном продавался в Южной Калифорнии. Продажи солнечных водонагревателей в Южной Калифорнии достигли пика в 1920 году, когда было продано 1000 единиц, но продажи быстро упали, когда стал широко доступен дешевый природный газ (Butti and Perlin, 1980). Затем в 1923 году продажи солнечных водонагревателей переместились во Флориду, и в период с 1935 по 1941 год средние продажи только в Майами составляли от 4000 до 10 000 единиц.Производство солнечных водонагревателей было остановлено во время Второй мировой войны, а конкуренция со стороны электрических водонагревателей после войны резко сократила продажи солнечных водонагревателей. Продажи солнечных водонагревателей снова выросли после первого нефтяного эмбарго 1973 года, достигнув пика в более чем 20 миллионов квадратных футов солнечных тепловых коллекторов, отгруженных в 1980 году. Сочетание отмены налоговых льгот для солнечных водонагревателей и плохой репутации некоторых плохо изготовленные солнечные водонагреватели резко сократили продажи солнечных водонагревателей в 1980-х годах (Ramlow and Nusz, 2006). Продажи солнечных водонагревателей сегодня выросли по сравнению с продажами в 1980-х годах из-за возврата федеральных налоговых льгот, а также многих государственных стимулов для солнечных водонагревателей.

Солнечные водонагреватели позволяют значительно сократить потребление природного газа или электроэнергии, необходимых для нагрева воды. Солнечный водонагреватель использует солнце для нагрева воды для использования в системах горячего водоснабжения или водяного отопления помещений. Солнечные водонагреватели обычно обеспечивают более половины энергии, необходимой домохозяйству для нагрева воды, в то время как резервная система нагрева воды обеспечивает оставшуюся энергию (DOE, 2009a).Резервной системой отопления может быть любой бытовой водонагреватель, в том числе конденсационный или тепловой насос. В настоящее время на рынке США представлено более 100 различных моделей солнечных водонагревателей (DOE, 2009b). Однако солнечные водонагреватели в настоящее время составляют менее 1% рынка США.

Существует несколько типов коллекторов, которые можно использовать для нагрева воды солнечными батареями. Двумя наиболее распространенными вариантами являются коллектор с плоской пластиной и коллектор с вакуумной трубкой, но существуют также системы со встроенным в коллектор накопителем воды (их обычно называют ICS или интегрированными коллекторными системами хранения).Плоские коллекторы состоят из поверхности коллектора, которая поглощает солнечное излучение, остекления для предотвращения повторного излучения солнечной энергии поглотителем, теплоносителя (для систем горячего водоснабжения это почти всегда вода или теплоноситель на основе пропиленгликоля). , в зависимости от климата и типа системы), а также изоляцию по бокам и сзади для предотвращения потерь на проводимость и конвекцию (Goswami et al., 2000). Вакуумные трубчатые коллекторы состоят из нескольких поглощающих поверхностей, по которым протекает теплоноситель, заключенный в вакуум.Вакуум вокруг коллектора сводит к минимуму потери коллектора в окружающую среду, так как в нем резко снижаются потери на проводимость и конвекцию из системы. Однако они, как правило, намного сложнее и, следовательно, дороже, чем плоские коллекторы. Системы ICS обычно состоят из плоского коллектора достаточно большого объема, который также может выступать в качестве резервуара для хранения. Поскольку они особенно восприимчивы к замерзанию, их обычно используют только в климате, где температура наружного воздуха редко опускается ниже нуля.

Решение о том, какой тип коллектора использовать, обычно зависит от параметра жидкости на входе, который в свою очередь зависит от температуры окружающей среды, температуры жидкости на входе и интенсивности падающего солнечного излучения (Siegenthaler, 2008). Для температур, используемых в большинстве жилых помещений, плоские коллекторы более эффективны, хотя для применений с более высокими температурами вакуумный трубчатый коллектор может быть более эффективным. Плоские коллекторы также составляют 76% продаж коллекторов для бытового нагрева воды в США (Weiss et al., 2006), и, следовательно, являются единственной рассматриваемой здесь технологией солнечного нагрева воды. Солнечные водонагреватели с вакуумными трубками лучше подходят для коммерческого или легкого промышленного применения.

Солнечные коллекторы используются относительно давно по сравнению с другими высокоэффективными технологиями нагрева воды, и поэтому процедура оценки эффективности коллекторов хорошо известна. Солнечные коллекторы в США оцениваются Корпорацией по оценке и сертификации солнечной энергии (SRCC), которая тестирует различные конструкции коллекторов в стандартных условиях для определения тепловых характеристик коллектора (SRCC, 1994).Процедура SRCC берет данные из стандартных тестов (либо ASHRAE 93-77, либо 96-1980) и дает прогнозы количества энергии, получаемой панелью в день, в зависимости от погоды и применения. Тест SRCC также дает уравнение эффективности для коллектора, которое обеспечивает эффективность в зависимости от параметра жидкости на входе. Эти данные используются SRCC для прогнозирования экономии энергии для каждого солнечного водонагревателя в различных местах. SRCC также предоставляет эти данные, чтобы их можно было использовать для моделирования солнечных водонагревателей.

На рис. 6.25 показаны типичные кривые эффективности для трех солнечных коллекторов: (1) неглазурованных, (2) плоских и (3) систем с вакуумными трубками.

Рисунок 6.25. Типичные кривые теплового КПД для трех типов солнечных коллекторов.

В следующих разделах кратко описаны два применения солнечных коллекторов, включая солнечные системы горячего водоснабжения (SDHW), а также комбинированные системы.

Солнечные тепловые коллекторы — Управление энергетической информации США (EIA)

Отопление солнечной энергией

Люди используют солнечную тепловую энергию для многих целей, в том числе для нагрева воды, воздуха и внутренних помещений зданий, а также для производства электроэнергии.Существует два основных типа систем солнечного отопления: пассивные системы и активные системы .

Пассивное солнечное отопление помещений происходит, когда солнце светит через окна здания и согревает интерьер. В конструкциях зданий, оптимизирующих пассивное солнечное отопление (в северном полушарии), окна обычно выходят на юг, что позволяет солнцу освещать поглощающие солнечное тепло стены или полы в здании зимой. Солнечная энергия поглощается строительными материалами и нагревает внутренние помещения зданий за счет естественного излучения и конвекции.Оконные навесы или шторы блокируют попадание солнечных лучей в окна летом, чтобы сохранить прохладу в здании.

Активные системы солнечного отопления имеют коллекторы для нагрева жидкости (воздуха или жидкости) и вентиляторы или насосы для перемещения жидкости через коллекторы, где она нагревается, внутрь здания или в систему хранения тепла, где тепло освобождается и возвращается в коллектор для повторного нагрева. Активные солнечные водонагревательные системы обычно имеют резервуар для хранения нагретой солнечной энергией воды.

Солнечные коллекторы либо неконцентрирующие, либо концентрирующие

Неконцентрирующие коллекторы — Площадь коллектора (площадь, поглощающая солнечное излучение) такая же, как и площадь поглотителя (площадь, поглощающая солнечную энергию/излучение). Солнечные энергетические системы для нагрева воды или воздуха обычно имеют неконцентрирующие коллекторы. Плоские коллекторы являются наиболее распространенным типом неконцентрирующих коллекторов для воды и отопления помещений в зданиях и используются, когда достаточно температуры ниже 200°F.

  • Плоская металлическая пластина, улавливающая и поглощающая солнечную энергию
  • Прозрачное покрытие, пропускающее солнечную энергию через покрытие и снижающее потери тепла от поглотителя
  • Слой изоляции на задней стороне поглотителя для снижения потерь тепла

Солнечные водонагревательные коллекторы имеют металлические трубки, прикрепленные к поглотителю. Теплоноситель прокачивается через трубы абсорбера для отвода тепла от абсорбера и передачи тепла воде в накопительном баке.Солнечные системы для нагрева воды в бассейне в теплом климате обычно не имеют крышек или изоляции для поглотителя, а вода в бассейне циркулирует из бассейна через коллекторы обратно в бассейн.

Солнечные системы воздушного отопления используют вентиляторы для перемещения воздуха через плоские коллекторы внутрь зданий.

Коллекторы-концентраторы — Площадь, улавливающая солнечное излучение, больше, иногда в сотни раз, чем площадь поглотителя.Коллектор фокусирует или концентрирует солнечную энергию на поглотителе. Коллектор обычно перемещается в течение дня, чтобы поддерживать высокую степень концентрации на поглотителе. Солнечные тепловые электростанции используют концентрирующие системы солнечных коллекторов, потому что они могут производить высокотемпературное тепло, необходимое для выработки электроэнергии.

Последнее рассмотрение: 13 декабря 2021 г.

Солнечное водонагревание | WBDG

Введение

На этой странице

ЭТА СТРАНИЦА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ

На нагрев воды приходится значительная часть энергопотребления во многих жилых, коммерческих, институциональных и федеральных объектах. В целом по стране около 18% энергии, потребляемой жилыми зданиями, и 4% — коммерческими зданиями приходится на нагрев воды. Солнечные водонагревательные системы, которые используют энергию солнца, а не электричество или газ для нагрева воды, могут эффективно обслуживать до 80% потребностей в горячей воде — без затрат на топливо или загрязнения окружающей среды и с минимальными затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание (ЭиТО). Солнечное водонагревание в настоящее время составляет менее 1% потенциального рынка водонагрева (около 1% жилых зданий имеют солнечное водонагревание, удовлетворяя около двух третей потребностей каждого здания в нагреве воды).

Солнечные водонагревательные системы могут эффективно использоваться на всей территории Соединенных Штатов на объектах, которые имеют подходящую крышу, обращенную почти на юг, или близлежащие незатененные площадки для установки коллектора. Солнечные системы нагрева воды могут использоваться в различных типах зданий, включая бассейны, жилые дома, гостиницы, прачечные, больницы, тюрьмы и кухни. Солнечные водонагреватели наиболее рентабельны для объектов со следующими характеристиками:

  • Нагрузка на подогрев воды постоянна в течение всего года (летом отсутствует)
  • Нагрузка на нагрев воды постоянна в течение недели (используйте солнечное тепло каждый день)
  • Стоимость топлива, используемого для нагрева воды, высока (примеры включают электроэнергию, которая составляет 46% рынка нагрева воды, и пропан, который составляет 2% рынка в отдаленных районах)
  • Солнечный климат (полезно, но не обязательно — в 2003 году тремя крупнейшими рынками были Флорида, Калифорния и Нью-Джерси).

Этот обзор предназначен для предоставления конкретных сведений федеральным агентствам, рассматривающим возможность использования солнечных водонагревателей в рамках нового строительного проекта или капитального ремонта.

Описание

Солнечная система нагрева воды состоит из нескольких ключевых компонентов, включая:

  • Солнечные коллекторы
  • Аккумулятор тепла
  • Система управления/контроллер
  • Резервный, обычный водонагреватель.

Солнечное водонагревание — это надежная технология возобновляемой энергии, используемая для нагрева воды.Солнечный свет падает и нагревает поверхность поглотителя внутри солнечного коллектора или реального резервуара для хранения. Либо жидкий теплоноситель, либо фактическая используемая питьевая вода течет по трубкам, прикрепленным к абсорберу, и забирает от него тепло (системы с отдельным контуром теплоносителя включают теплообменник, который затем нагревает питьевую воду. ) Нагретая вода хранится в отдельном баке предварительного нагрева или в баке обычного водонагревателя до тех пор, пока она не понадобится. Если требуется дополнительное тепло, оно обеспечивается за счет электричества или энергии ископаемого топлива в традиционной системе водяного отопления.

Аккумулятор тепла, как правило, требуется, чтобы совместить время прерывистого солнечного ресурса с временем нагрузки горячей воды. Как правило, достаточно от 1 до 2 галлонов воды для хранения на квадратный фут площади коллектора. В качестве хранилища может использоваться как питьевая вода, так и непитьевая вода, если используется теплообменник на стороне нагрузки. Для небольших систем хранилище чаще всего имеет форму эмалированных стальных резервуаров.

Активные системы имеют контроллер «дельта Т» (перепад температур) для запуска и остановки насосов.Если температура на выходе солнечного коллектора превышает температуру на дне накопительного бака на заданную величину, например, на 6°C или 42,8°F, контроллер запускает насос. Когда эта разница температур падает ниже другого установленного значения, например, 2°C или 35,6°F, контроллер останавливает насосы. Контроллер также имеет функцию верхнего предела для отключения насосов, если температура в накопительном баке превышает третью настройку, например 90°C или 194°F. Из-за простоты и низкой стоимости дельта-Т-регулятора целесообразно, чтобы элементы управления были независимыми от какой-либо системы управления энергопотреблением всего предприятия, хотя желательно включать некоторые показатели производительности системы, такие как выходной сигнал измерителя БТЕ или предварительный нагрев. датчик температуры бака в системе управления зданием.

Солнечные водонагреватели экономят энергию за счет предварительного нагрева воды до обычного нагревателя. Солнечные системы горячего водоснабжения обычно рассчитаны на удовлетворение от 40% до 70% нагрузки по нагреву воды. Резервный обычный нагреватель по-прежнему необходим для удовлетворения 100% пикового спроса на горячую воду в целом, особенно в пасмурные дни или когда солнечная система не работает.

Типы и стоимость технологий

Типы коллекторов

Хотя все солнечные водонагревательные системы используют один и тот же базовый метод сбора и передачи солнечной энергии, они делают это с помощью трех конкретных технологий, отличающих разные коллекторы и системы.Различия важны, потому что разные потребности в нагреве воды в разных местах лучше всего удовлетворяются определенными типами коллекторов и систем.

Материалы и компоненты, используемые в солнечных водонагревательных системах, различаются в зависимости от ожидаемого диапазона рабочих температур.

Низкотемпературные системы (неглазурованные) обычно работают при низкой температуре, до 18°F (10°C) выше температуры окружающей среды, и чаще всего используются для обогрева плавательных бассейнов. Часто вода в бассейне холоднее воздуха, и изоляция коллектора может привести к обратным результатам.Коллекторы низкотемпературные экструдируются из полипропилена или других полимеров с ультрафиолетовыми стабилизаторами. Каналы для воды из бассейна отлиты непосредственно в пластине абсорбера, и вода из бассейна циркулирует через коллекторы с помощью циркуляционного насоса фильтра для бассейна. По состоянию на 2004 год обогреватели для бассейнов стоили от 10 до 40 долларов за фут².

Небольшой образец неглазурованного низкотемпературного солнечного коллектора с проточными каналами и коллекторной трубой.

Небольшой образец среднетемпературного плоского коллектора с защитным стеклом, изоляцией, медной поглотительной пластиной и проходными каналами.

Среднетемпературные системы производят воду с температурой на 10–50 °C выше наружной температуры и чаще всего используются для нагрева горячей воды для бытовых нужд. Тем не менее, также возможно использовать солнечные водонагревательные коллекторы средней температуры для обогрева помещений в сочетании с конвекционными змеевиками или теплыми полами.

Среднетемпературные коллекторы обычно представляют собой плоские пластины, изолированные защитным стеклом с низким содержанием железа и изоляцией из стекловолокна или полиизоцианурата. Отражение и поглощение солнечного света в покровном стекле снижает эффективность при малых перепадах температур, но стекло обязано удерживать тепло при более высоких температурах.Используется медная поглощающая пластина с медными трубками, приваренными к ребрам. Чтобы уменьшить лучистые потери от коллектора, пластину поглотителя часто обрабатывают черной селективной поверхностью никеля, которая имеет высокую поглощательную способность в коротковолновом солнечном спектре, но низкую излучательную способность в длинноволновом тепловом спектре. По состоянию на 2004 год среднетемпературные системы стоили от 90 до 120 долларов за фут² площади коллектора.

Крупный план вакуумированной стеклянной трубки с черной медной поглотительной пластиной внутри.

Высокотемпературные системы используют вакуумные трубки вокруг приемной трубки для обеспечения высокого уровня изоляции и часто используют фокусирующие изогнутые зеркала для концентрации солнечного света.Высокотемпературные системы необходимы для абсорбционного охлаждения или выработки электроэнергии, но они также используются для среднетемпературных применений, таких как нагрев воды в коммерческих или институциональных целях. Из-за механизма слежения, необходимого для того, чтобы фокусирующие зеркала были обращены к солнцу, высокотемпературные системы обычно очень велики и устанавливаются на земле рядом с объектом. Сами коллекторы с вакуумными трубками стоят около 75 долларов за фут², но использование изогнутых зеркал и экономия за счет масштаба снижают эту стоимость для систем больших размеров до относительно низкой стоимости от 40 до 70 долларов за фут² (2004 г.).

Эффективность солнечного коллектора зависит от того, насколько теплой является температура на входе коллектора по отношению к температуре окружающего воздуха. На следующем рисунке показаны типичные кривые эффективности для трех типов коллекторов. Обратите внимание, что недорогие неглазурованные коллекторы очень эффективны при низких температурах окружающей среды, но эффективность очень быстро падает при повышении температуры. Они обеспечивают наилучшие характеристики при низких температурах, но стеклянные коллекторы необходимы для эффективного достижения более высоких температур.Вакуумные трубы необходимы для достижения более высоких температур воды, что необходимо для охлаждения и некоторых промышленных применений тепла.

КПД обычных типов коллекторов

Типы солнечных систем нагрева воды

Типы систем солнечного нагрева воды классифицируются по следующим типам:

  • Активный . Требуется электроэнергия для включения насосов и/или органов управления.
  • Пассивный . Полагается на плавучесть (естественную конвекцию), а не на электроэнергию для циркуляции нагретой воды. В термосифонных системах накопительный бак размещается над солнечным коллектором, а в коллекторах со встроенным коллектором накопитель размещается внутри коллектора.
  • Прямой . Нагревает питьевую воду прямо в коллекторе.
  • Косвенный . Нагревает пропиленгликоль или другой жидкий теплоноситель в коллекторе и передает тепло питьевой воде через теплообменник.

Типы систем солнечного нагрева воды

Технологические затраты

Стоимость системы зависит от географического положения, потребления воды и тарифов на коммунальные услуги.Установленные затраты на квадратный фут для коллекторов варьируются от 10 долларов США для низкотемпературных систем, используемых для обогрева бассейнов, до 225 долларов США для одиночных небольших систем для жилых помещений. Самая низкая стоимость достигается за счет больших систем централизованного теплоснабжения, используемых для обогрева крупных объектов с большими объемами воды высокой температуры. Тем не менее, большинство систем водяного отопления с остеклением попадают в диапазон установленных затрат от 60 до 150 долларов за квадратный фут площади коллектора. Новые строительные системы обычно имеют лучшую экономику, чем проекты модернизации, из-за меньших затрат на установку.Новые недорогие пластиковые солнечные водонагревательные комплекты значительно снизили затраты на установку, но они не работают так же хорошо, как некоторые традиционные системы в условиях более высоких температур.

Стоимость зависит от географического положения и размера системы. Стоимость установки на квадратный фут для полных систем варьируется от 60 долларов США за квадратный фут для большой системы в месте с конкурентоспособной солнечной промышленностью до 225 долларов США за квадратный фут для небольшой системы в удаленном месте. Стоимость также зависит от типа системы: неглазурованные низкотемпературные коллекторы стоят намного меньше, чем коллекторы с лучшей изоляцией.

Применение

При принятии решения о том, подходят ли солнечные водонагреватели для конкретного строительного проекта, необходимо учитывать несколько факторов. Солнечные водонагревательные системы пригодны для многих применений по всей стране, но особое внимание следует уделить проектам, в которых:

  • Избегаемая стоимость энергии высока (газ недоступен, тарифы на электроэнергию выше 0,034 долл. США/кВтч)
  • Существует надежная и постоянная потребность в горячей воде (например, в жилых помещениях, лабораториях или больницах)
  • На наклонной поверхности достаточно высокая среднесуточная мощность солнечного излучения (более 4.5 кВтч/м²/день — хотя, если избежать затрат достаточно высоко, солнечный нагрев воды эффективен в большинстве климатических условий)
  • Энергетическая безопасность важна (например, на международной базе, где могут быть перебои с энергоснабжением).

Для крупных объектов чаще всего используются активные непрямые системы. Для небольших объектов в мягком климате с умеренной угрозой замерзания пассивные прямые или непрямые системы также являются приемлемым вариантом.

Руководство Федеральной программы управления энергопотреблением (FEMP) по интеграции возобновляемых источников энергии в федеральное строительство содержит дополнительную информацию об оценке вариантов использования возобновляемых источников энергии.

Экономика

Денежная экономия от установки солнечного водонагревателя зависит от множества факторов, включая климат, количество горячей воды, используемой в данном месте, затраты на обычное топливо, требуемую температуру воды и производительность системы. Однако в среднем установка солнечного водонагревателя снизит счета за нагрев воды на 50-80%.

Общее эмпирическое правило для федеральных объектов заключается в том, что солнечная установка для нагрева воды окупится в течение 10-15 лет, если она установлена ​​за счет электричества.В соответствии с Законом об энергетической независимости и безопасности от 2007 года ожидаемый срок службы солнечной системы нагрева воды, используемой для анализа жизненного цикла, составляет 40 лет, что означает, что предприятие может рассчитывать на целых 30 лет «бесплатной» энергии.

Новые строительные системы обычно имеют более высокие экономические показатели, чем проекты модернизации, из-за снижения затрат на установку. Новые недорогие пластиковые солнечные водонагревательные комплекты значительно снизили затраты на установку, но они не работают так же хорошо, как некоторые традиционные системы в условиях высоких температур и больших объемов.Для федеральных объектов установка возобновляемой энергии должна окупаться в течение срока службы системы, включая время / стоимость денег, чтобы быть рентабельной. Ключевым параметром является соотношение сбережений и инвестиций. Отношение сбережений к инвестициям более 1,0 было бы рентабельным. Федеральные стандарты анализа стоимости жизненного цикла изложены в правиле 10 C.F.R. § 436.

Агентства часто могут улучшить экономику системы и получить доступ к дополнительным стимулам, когда используются альтернативные механизмы финансирования проектов.Среди вариантов финансирования проектов по возобновляемым источникам энергии — контракты на энергосбережение и программы коммунальных услуг. FEMP заключил контракты на неопределенное количество, в соответствии с которыми любое федеральное агентство может выдавать заказы на поставку солнечных систем нагрева воды в рамках контракта на энергосбережение. Некоторые коммунальные предприятия предлагают скидки, аренду или другие программы нагрева воды с использованием солнечной энергии.

Руководство FEMP по интеграции возобновляемых источников энергии в федеральное строительство предоставляет дополнительную информацию о финансировании проектов возобновляемых источников энергии для федеральных строительных проектов.

Полный список стимулов представлен в Базе данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии и эффективности (DSIRE). Свяжитесь с местной коммунальной компанией для получения более подробной информации.

Оценка доступности ресурсов

Несколько факторов влияют на определение наличия на участке хороших ресурсов для нагрева воды с помощью солнечной энергии. Во-первых, это количество солнечного излучения, которое получает участок. Первая карта показывает основное солнечное излучение, доступное в Соединенных Штатах. Как отмечалось ранее, многие участки со средней интенсивностью солнечного излучения выше 4. 5 кВтч/м² в день следует учитывать при нагреве воды солнечными батареями.

Но даже участок с менее привлекательным солнечным ресурсом может иметь хороший потенциал для солнечного нагрева воды, если тариф на энергию, который он компенсирует, достаточно высок или доступны стимулы. Чтобы показать это, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) составила серию карт, которые сочетают в себе солнечные ресурсы с предполагаемой стоимостью системы и изображают факторы, необходимые для обеспечения экономической эффективности системы. Эти карты доступны для систем, компенсирующих потребление электроэнергии, и для систем, компенсирующих использование природного газа.

В качестве примера на двух картах ниже показаны тарифы на электроэнергию, необходимые для того, чтобы система солнечного нагрева воды была рентабельной. Одна карта предполагает, что стоимость установленной системы составляет 75 долларов США за квадратный фут площади коллектора (вероятно, для более крупной коммерческой системы), а вторая предполагает стоимость 150 долларов США за квадратный фут (меньшая система). Первая карта показывает, что большая часть страны может экономически эффективно использовать солнечное водонагревание по цене 75 долларов за фут², если компенсационная стоимость электроэнергии превышает 0,06 доллара за кВтч. Доступные стимулы улучшат это еще больше.

Тарифы на электроэнергию, необходимые для того, чтобы сделать солнечную систему нагрева воды стоимостью 75 долларов за фут² рентабельной. На этой карте не учитываются какие-либо доступные финансовые стимулы.

Вторая карта также содержит поощрения, доступные федеральным агентствам. Даже при повышенных системных затратах тарифы на электроэнергию ниже 0,05 долл. США/кВтч позволили бы экономически эффективным солнечным нагревателям воды в Аризоне или Висконсине, но системе в Вайоминге, возможно, потребуется компенсировать розничные тарифы на электроэнергию в размере от 0,09 до 0,11 долл. США/кВтч, чтобы обеспечить безубыточность.Конечно, ставки безубыточности значительно изменяются, если стоимость системы отличается от предположений карт или если стимулы отличаются от изображенных.

Тарифы на электроэнергию, необходимые для того, чтобы сделать солнечную систему нагрева воды стоимостью 150 долларов за фут² рентабельной. Эта карта учитывает финансовые стимулы.

Инструменты анализа

Чтобы определить, является ли проект возможным кандидатом для солнечного нагрева воды, агентства могут использовать программу Federal Renewable Energy Screening Assistant.Этот программный инструмент на базе Microsoft Windows, разработанный NREL, проверяет федеральные проекты по возобновляемым источникам энергии на предмет их экономической целесообразности. Он также оценивает многие возобновляемые технологии, включая солнечное водонагревание, фотогальванику и ветер. Несколько более подробный инструмент для скрининга предоставляет RETScreen International.

После того, как предварительная жизнеспособность будет установлена, в конечном итоге необходимо будет оценить производительность системы для получения более точных технических данных и экономического анализа. Этого можно достичь с помощью программного обеспечения для почасового моделирования или с помощью методов ручной корреляции, основанных на результатах почасового моделирования. Для этой задачи рассмотрите возможность использования:

  • F-CHART, корреляционный метод, доступный в Университете Висконсина
  • TRNSYS, программа моделирования переходных систем, доступная в Университете Висконсина.

Особенности конструкции

Солнечные водонагревательные системы должны быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать стоимость жизненного цикла.Проектирование системы, обеспечивающей 100 % нагрузки за счет солнечной энергии, никогда не бывает рентабельным из-за чрезмерных вложений в площадь коллектора и объем накопителя. Стоимость жизненного цикла можно свести к минимуму, разработав систему, которая выдерживает 100% нагрузки в самый солнечный день в году. Такая система обычно производит около 70% годовой нагрузки. Другие конструктивные соображения включают техническое обслуживание, защиту от замерзания, защиту от перегрева, эстетику крепления коллектора и ориентацию. Кроме того, программы скидок на коммунальные услуги могут предъявлять дополнительные требования к дизайну.Например, солнечная система нагрева воды на Гавайях должна выдерживать 90% нагрузки, чтобы иметь право на скидки от Hawaiian Electric Company.

При проектировании солнечной системы нагрева воды рекомендуется выполнить определенные шаги. Во-первых, важно обеспечить правильное расположение солнечных коллекторов. Наилучшая годовая подача энергии достигается, если стоять лицом к экватору с наклоном вверх от горизонтали, равным местной широте. Недавние исследования показывают, что адекватные характеристики могут быть получены при углах наклона и ориентации, которые значительно отличаются от указанных.

В континентальной части США коллекторы следует поворачивать в пределах 30° от истинного (не магнитного) юга для достижения максимальной производительности. Кроме того, важно оптимизировать наклон собирающей решетки. Поверхности, наклоненные вверх от горизонтали под углом минус 15 ° широты, максимизируют летнее солнечное приращение, но уменьшают зимнее. Поверхности, наклоненные на широту плюс 15°, максимизируют приток солнечной энергии зимой и обеспечивают более равномерную подачу солнечной энергии в течение года. Угол наклона, равный местной широте, обеспечивает близкое к максимальному круглогодичное солнечное приращение и обычно подходит для солнечного нагрева воды.Обычно допустимо монтировать коллекторы заподлицо на скатной крыше — и как можно ближе к оптимальной ориентации — для снижения затрат на установку и улучшения эстетики. Карты и таблицы солнечных ресурсов США размещены в Центре данных по возобновляемым ресурсам NREL.

Во-вторых, замерзание воды в проточных каналах коллектора или соединительных трубопроводах может привести к повреждению. Существует несколько стратегий защиты от повреждений от замораживания. Наиболее распространенным является циркуляция раствора пропиленгликоля (никогда не используйте токсичный этиленгликоль) и воды в контуре коллектора непрямой системы.Другая стратегия заключается в сливе воды из коллектора обратно в сливной бак, размер которого позволяет вместить всю жидкость контура коллектора. Эта конфигурация с обратным сливом имеет дополнительное преимущество, заключающееся в защите системы от чрезмерных температур, если потребление горячей воды снижается из-за сезонного использования, реконструкции или отпуска. Там, где замерзание встречается редко, функция контроллера, обеспечивающая циркуляцию воды в контуре коллектора, когда температура приближается к точке замерзания, в сочетании со значениями защиты от замерзания может быть адекватной, но может значительно снизить чистый прирост энергии.

Другим шагом является установка регулирующего клапана и байпаса. Регулирующий клапан очень важен для обеспечения того, чтобы в краны подавалась вода с постоянной температурой, даже если солнечная батарея имеет температуру значительно выше уставки водонагревателя. Обходной трубопровод и клапаны позволяют обычной системе обеспечить горячую воду, если система солнечного отопления по какой-либо причине не работает.

Наконец, необходимо проводить периодическое обслуживание всех систем. Проверьте на наличие очевидных повреждений, таких как сломанное остекление коллектора или изоляция мокрой трубы.Проверьте pH и температуру замерзания теплоносителей. Сравните датчики контрольной температуры с термометрами, чтобы убедиться, что датчики работают. Кроме того, обязательно проверьте правильность работы насоса и других функций системы. Для простой комплексной проверки проверьте температуру бака предварительного нагрева — после солнечного дня она должна быть горячей. Более подробные количественные тесты можно найти в руководствах по проектированию ASHRAE. Для получения дополнительной информации см. страницы «Ввод в эксплуатацию здания» и «Техническое обслуживание, ориентированное на надежность».

В частности, при интеграции солнечной системы нагрева воды в более крупный строительный проект обязательно:

  • Включить солнечные панели на крыше с выходом на юг в архитектурную программу и структурный проект
  • Проектирование крыши с учетом дополнительного веса панелей солнечного водонагрева, включая их физический вес и ветровую нагрузку
  • Рассмотреть интегрированные конструкции солнечной тепловой крыши
  • Свести к минимуму проникновение через крышу
  • Обеспечьте достаточно места в помещении для нагревательного оборудования для размещения баков солнечного нагрева, насосов и оборудования
  • Обеспечить проход для сантехники и электропроводки с крыши к аппаратной
  • При включении обогрева помещений вместе с водяным обогревом интегрируйте солнечную тепловую систему с системой отопления здания через теплообменник для отопления помещений

Для больших систем более низкая стоимость обычно достигается за счет установки солнечных коллекторов на незатененных участках земли, прилегающих к зданию, и рядом с отопительным оборудованием, чтобы предотвратить потери.

Отличное руководство по проектированию и установке промышленных солнечных водонагревателей было подготовлено в 1980-х годах компанией ASHRAE на основе опыта использования активной солнечной энергии в рамках программы «Солнечная энергия в федеральных зданиях». Три тома охватывают проектирование, установку и подготовку руководств по эксплуатации и техническому обслуживанию, и их можно получить в Solar Rating and Certification Corporation.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание каждой солнечной системы нагрева воды оцениваются в половину от 0.5–2% от первоначальной стоимости в год в зависимости от типа и конструкции системы. Oamp;M подобен тому, что требуется для любого водяного контура отопления, и может быть обеспечен персоналом объекта, а в случае отказа могут быть вызваны специалисты. Регулярное плановое техническое обслуживание включает:

  • Проверка солнечных коллекторов и рам на наличие повреждений и определение местоположения сломанных или протекающих трубок для замены
  • Проверка правильного положения всех клапанов
  • Осмотр и техническое обслуживание изоляции труб и защитных материалов для минимизации потерь и обеспечения защиты от замерзания
  • Проверка затяжки монтажных разъемов и ремонт любых погнутых или проржавевших монтажных компонентов
  • Определение того, затеняют ли массив какие-либо новые объекты, такие как рост растительности, и их перемещение, если это возможно
  • Ежегодная очистка массива простой водой или мягким моющим средством для посуды (не используйте щетки, любые растворители, абразивы или агрессивные моющие средства)
  • Проверка всех соединительных трубопроводов на наличие утечек и ремонт поврежденных компонентов
  • Проверка сантехники на наличие следов коррозии
  • Наблюдение за рабочими показателями температуры и давления для обеспечения правильной работы насосов и органов управления
  • Обеспечение работы насоса в солнечный день, а не ночью
  • Использование измерителя инсоляции для измерения падающего солнечного света и одновременного наблюдения за температурой и выходной мощностью на лицевой панели контроллера. Сравните эти показания с исходной эффективностью системы (дополнительные тесты см. в руководствах ASHRAE).
  • Проверка индикаторов состояния лицевой панели контроллера и сравнение индикаторов с измеренными значениями
  • Документирование всех действий по эксплуатации и техническому обслуживанию в рабочей книге и предоставление этой рабочей книги всему обслуживающему персоналу
  • Ежегодная промывка резервуара для хранения питьевой воды для удаления осадка
  • Промывка и заливка теплоносителя каждые 10 лет
  • Промывка системы для удаления накипи из-за плохого качества воды, по мере необходимости (только части системы, предназначенные для питьевой воды)
  • Замена расходуемого анода в резервуаре для хранения по мере необходимости.

Дополнительное техническое обслуживание может включать замену отсоединенных датчиков температуры, замену конденсаторов насоса и двигателей, устранение утечек или повреждений в результате замерзания, а также замену стекла, разбитого градом или актами вандализма. В какой-то момент времени — обычно более 10 лет — может потребоваться замена резервуара для хранения.

Особые соображения

Особые соображения, которые следует учитывать при проектировании и установке солнечных систем горячего водоснабжения, включают доступ к солнечным батареям, права на солнечную энергию, а также соответствующие нормы и стандарты.

Солнечный доступ и права на использование солнечной энергии

Законы о доступе к солнечной энергии защищают право потребителя на установку и эксплуатацию систем солнечной энергии в доме или на предприятии, включая доступ собственности к солнечному свету. Доступ к солнечному свету относится к способности объекта продолжать получать солнечный свет через границы участка без препятствий со стороны близлежащего дома или здания, ландшафта или других препятствий. Наиболее распространенными типами законов о доступе к солнечной энергии являются солнечный сервитут и солнечные права.

Солнечные сервитуты предоставляют владельцам систем солнечной энергии право на постоянный доступ к солнечному свету без препятствий со стороны собственности соседей и предотвращают будущие застройки, которые могут ограничить доступ к солнечным лучам. Соглашения о солнечном сервитуте должны быть заключены в письменной форме и подлежат тем же требованиям к регистрации и индексации, что и другие имущественные интересы. Большинство соглашений о солнечном сервитуте предусматривают следующие элементы:

  • Описание . Размеры сервитута, включая вертикальные и горизонтальные углы и количество часов солнечного света, в течение которых близлежащие здания, растительность или другие сооружения не могут препятствовать проникновению прямого солнечного света в солнечную энергетическую систему.
  • Ограничения .Ограничения, налагаемые на ландшафт и растительность, сооружения и другие объекты, которые могут ухудшить или затруднить прохождение солнечного света через сервитут и повлиять на производительность системы солнечной энергии.
  • Условия . Условия, при наличии которых сервитут может быть пересмотрен или прекращен.

Права на солнечную энергию обеспечивают защиту домов и предприятий, ограничивая или запрещая частные ограничения (например, соглашения и подзаконные акты соседей, постановления местных органов власти и строительные нормы и правила) на установку систем солнечной энергии. Около дюжины штатов приняли законы о правах на солнечную энергию, которые ограничивают ограничения, которые местные соглашения и / или местные постановления могут налагать на установку солнечного оборудования. Законы различаются по своим положениям о защите солнечного оборудования, типам охватываемых зданий, применимости к новому и существующему строительству и обеспечению соблюдения прав. Расплывчатые или отсутствующие положения в законах о солнечных правах привели к судебным процессам и задержкам в ряде штатов.

Использование солнечного нагрева воды соответствует директивам администрации:

  • Исполнительный указ 13693, «Планирование федеральной устойчивости в следующем десятилетии»
  • Закон об энергетической политике 1992 г. (EPAct) предписывает агентствам:
    • «включает возобновляемые источники энергии [например, нагрев воды солнечными батареями] вместе с мерами по повышению энергоэффективности» (раздел 542 Закона о национальной политике энергосбережения),
    • «демонстрировать новые технологии и включать экологические преимущества, такие как сокращение выбросов парниковых газов, в критерии, по которым выбираются демонстрационные технологии» (раздел 549),
    • «включить рекомендации по рентабельным проектам по возобновляемым источникам энергии» (раздел 550).
  • Закон об энергетической политике от 2005 г. (EPACT), который требует, чтобы федеральные предприятия удовлетворяли 30% своей потребности в горячей воде за счет солнечной энергии, при условии, что это экономически эффективно в течение срока службы системы
  • Исполнительный указ президента № 13514, который расширяет требования EISA 2005 по снижению энергопотребления и производительности и его последующих положений.

Установка всего солнечного водонагревательного оборудования в соответствии с отраслевыми стандартами, включая:

Дополнительные ресурсы

Сертификат установщика солнечного отопления

Североамериканский совет сертифицированных специалистов по энергетике (NABCEP) предоставляет добровольную сертификацию специалистам по установке солнечных батарей.Сертификация установщика солнечного отопления — это добровольная сертификация, которая предоставляет набор национальных стандартов, с помощью которых установщики солнечного отопления с навыками и опытом могут отличиться от своих конкурентов. Сертификация обеспечивает меру защиты общественности, предоставляя ей полномочия для оценки компетентности специалистов-практиков.

Программы сертификации оборудования

Solar Rating and Certification Corporation (SRCC) — это независимая некоммерческая торговая организация, которая разрабатывает и реализует программы сертификации солнечного оборудования и стандарты рейтинга.SRCC сертифицирует коллекторы и публикует рейтинги производительности и уравнения эффективности коллекторов (необходимые для прогнозирования производительности системы в целом) в соответствии со своим стандартом OG-100. SRCC разработала программу рейтинга и сертификации солнечных водонагревателей, получившую сокращенное название OG300, для повышения производительности и надежности солнечных продуктов. Сводка сертифицированных SRCC рейтингов солнечных коллекторов и систем водяного отопления, в которой перечислены рейтинги производительности сертифицированных продуктов, доступна бесплатно.

Веб-сайты

  • Управление энергетической информации выпускает очень подробные отчеты о солнечной энергетике и использовании солнечного нагрева воды, включая отчет о деятельности производителей солнечных коллекторов.
  • Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) производит огромное количество информации о солнечном нагреве воды, в том числе отличные карты и таблицы солнечных ресурсов в США и во всем мире.
  • Ассоциация производителей солнечной энергии предлагает каталог производителей солнечной горячей воды, дистрибьюторов, подрядчиков и консультантов по дизайну. Есть также несколько государственных глав SEIA, которые являются полезными ресурсами и источниками региональных участников торгов по проектам.
  • Solar Rating & Certification Corporation — некоммерческая организация, которая предоставляет авторитетные рейтинги производительности, сертификаты и стандарты для солнечных тепловых продуктов с целью защиты и предоставления рекомендаций потребителям, поставщикам стимулов, правительству и отрасли.
  • Solar-Estimate — это бесплатная государственная служба, предлагающая инструменты для оценки солнечной активности и поддерживаемая Министерством энергетики и Энергетической комиссией Калифорнии.
  • Министерство энергетики США, Федеральная программа управления энергопотреблением, выпустило несколько публикаций, в том числе Федеральное технологическое предупреждение о солнечном водонагреве