Технологія використання сонячної енергії для нагрівання води у багатьох відношеннях аналогічна системам сонячного опалення будівель. Однак є ряд характерних особливостей, які створюють потенційно кращі умови для інвестицій в цю технологію.
Перш за все, навантаження на гаряче водопостачання протягом року порівняно постійна. Таким чином, колектор і інші частини сонячного водонагрівача працюватимуть при повному навантаженні максимально можливий час, заощаджуючи при цьому паливо, що, в кінцевому рахунку, повинно досить швидко окупати високу початкову вартість системи.
Необхідно точно встановити параметри СВН. За винятком випадків нестандартних застосувань розрахункове навантаження СВН повинна наближатися до нормальної щоденної навантаженні.
Для СВН не характерні проблеми коливання попиту, вони можуть бути значно дешевше і простіше сонячних опалювачів.
Загальною для систем сонячного теплопостачання всіх типів є проблема змінного надходження сонячної енергії. Однак і в цьому відношенні СВН часто мають ряд переваг перед сонячними опалювальними системами, тому що до режиму приготування гарячої води пред'являються вимоги менш жорсткі, ніж до системи опалення тому, що є значна різниця в тривалий безсонячну період між відкладеної пранням або прийняттям душу і розривом труб опалення, а якщо ще й погодитися з деякими незручностями і нестійкістю роботи, то систему СВН конструктивно можна ще значно спростити.
Для забезпечення постійного навантаження на гаряче водопостачання в системі необхідно передбачити установку допоміжного нагрівача. Найпростішим є звичайний водонагрівач з автоматикою, який надійний і простий у використанні. Його завдання - усунення різниці між температурою води, що надходить з сонячного нагрівача і постійною температурою води, що задається споживачем. Якщо сонячний водонагрівач повністю забезпечує необхідну температуру, то допоміжний підігрівач не включається. Тому управління такою системою простіше, ніж більшістю опалювальних систем.
Багато системи СВН не вимагають додаткових регуляторів, крім термостата, що поставляється зі звичайним водонагрівачем. Звичайно, існують системи СВН з особливими вимогами, але і з ними виникає менше проблем, ніж з системами сонячного опалення. Габарити СВН і капітальні витрати невеликі, виріб відразу придатне до експлуатації. Все це робить їх дуже привабливими для установки.
Для того, щоб найкращим чином забезпечити навантаження, необхідно в кожному конкретному випадку застосовувати найвигіднішу схему СВН, а це може зажадати ряду компромісів. Наприклад, одним з найпростіших видів СВН є чорний гумовий шланг, що обігрівається сонячними променями. Регулюючи швидкість потоку води через нього, можна отримати струмінь гарячої води з постійною температурою. Якщо цю воду використовувати негайно, то вона буде практично безкоштовна. Якщо ж її необхідно використовувати ввечері, то знадобиться бак. При необхідності використання води наступного ранку до баку потрібно буде додати теплоізоляцію, щоб вода не охолола за ніч. Якщо вода необхідна в хмарні дні, то знадобиться збільшити розміри бака і товщину теплоізоляції. Для забезпечення безперебійного постачання гарячої води буде потрібно також і допоміжний підігрівач.
Звідси випливає, що чим вище вимоги до СВН, тим більше складною і дорогою стає система.
Інший аспект - особливість експлуатації простих СВН - полягає в участі користувача. Наприклад, простий і цілком надійний в роботі сонячний водонагрівач складається з дрібного корита, наповненого водою і закритого прозорою кришкою.
Мал. 1. Відкритий коритоподібний сонячний водонагрівач:
1 - труба для підведення холодної води; 2 - переливна труба; 3 - вентиль; 4 - випуск гарячої води.
Однак цей нагрівач повинен щоранку наповнюватися і опорожняться днем або раннім вечором. Хтось повинен наповнити корито, накрити його кришкою, якщо сонце приховано хмарами, оцінити ступінь нагріву води і злити гарячу воду для подальшого використання. Цей простий нагрівач буде неприйнятний для більшості людей в якості альтернативи їх звичайним водонагрівачів, так як більшість звикла отримувати гарячу воду не замислюючись і не витрачаючи зусиль більше, ніж це потрібно для повороту крана.
Можна створити СВН, які будуть так само надійні, як і традиційні пристрої. Однак за конструкцією вони будуть значно відрізнятися від нагрівача у вигляді простого корита. Між цими двома крайніми випадками існує багато нагрівачів найрізноманітніших типів, з різною вартістю, з різним ступенем участі користувача, що є визначальними факторами при остаточному виборі системи.
Великим недоліком нагрівача з плоским басейном є необхідність використання його тільки в горизонтальному положенні. У тропіках цей недолік не має істотного значення, але в високих широтах, де сонце не піднімається високо над горизонтом, горизонтальний колектор значно знижує свою ефективність через відображення більшої частини енергії їм самим. Взимку, коли сонце ще нижче над горизонтом, ККД колектора зменшується ще більше. Тому в більш високих широтах використовуються, як правило, похилі колектори.
Мал. 2. Сонячний водонагрівач, об'єднаний з акумулятором:
1 - скло; 2 - випуск гарячої води; 3 - впуск холодної води; 4 - робоча поверхня колектора; 5 - роздільник потоку води.
Колектор, зображений на рис., Розміщений в плоскому металевому контейнері, пофарбованому в чорний колір і має покриття з листового скла. З одного боку контейнер має виступаючий резервуар для води. Дефлектор всередині контейнера забезпечує термосифонного циркуляцію, в результаті якої нагріта вода з колекторного відсіку надходить в акумуляторний відсік, а холодна вода з дна цього відсіку надходить в колектор. Акумуляторний відсік нагрівається протягом дня, а вночі теплоізолюється для зменшення втрат тепла. Великим недоліком нагрівачів об'єднаного типу (колектор-акумулятор) є їх нездатність перешкодити втрат тепла в хмарну погоду або вночі. З цієї причини майже всі випущені системи СВН мають окремий колектор і окремий бак-акумулятор.
Одна з конструкцій, що застосовуються в Ізраїлі, Австралії, Японії, США (рис. 3) складається з похилого заскленого колектора, окремого, добре ізольованого водяного бака-акумулятора і теплоізольованих труб, що з'єднують ці елементи.
Мал. 3. Типова конструкція промислового сонячного водонагрівача (герметичний варіант):
1 - гаряча вода; 2 - вентиль скидання тиску; 3 - злив гарячої води; 4 - запірний вентиль; 5 - вентиль підживлення; 6 - холодна вода; 7 - подача холодної води; 8 - зливний вентиль.
Днище бака-акумулятора розташовується, принаймні на 300 мм вище верхньої частини колектора. Така компоновка виключає витрати додаткової енергії для циркуляції води в системі. Циркуляція відбуватись за рахунок природної конвекції. При нагріванні вода в колекторі розширюється, стає менш щільною, піднімається вгору по колектору і через трубу надходить у верхню частину бака-акумулятора. В результаті більш прохолодна вода у днища бака витісняється і перетікає по іншій трубі в нижню частину колектора. Ця вода в свою чергу нагрівається і піднімається в бак. Поки світить сонце, вода буде постійно циркулювати по цьому контуру, все більш нагріваючись. Внаслідок того, що бак піднятий над колектором, ефект перекидання циркуляції в результаті нічного охолодження теплоносія в колекторі зводиться нанівець, оскільки холодна вода просто накопичується в нижній точці системи (на дні колектора), в той час як тепла вода залишається в баку.
На практиці знайшли застосування кілька конструктивних варіантів колектора. Всі вони в своїй основі є теплоізольований ящик з одним або більше прозорим покриттям, в якому знаходиться зачорнена металева теплопріемная панель з каналами для циркуляції води через систему. В одному з варіантів СВН використовується довга, вигнута по синусоїді трубка, по якій вода тече знизу вгору. Трубка колектора припаяна до поверхні плоскої металевої пластини, яка має велику площу для поглинання сонячного тепла. В іншому варіанті колектор має ряд паралельних труб, з'єднаних горизонтальними трубами в нижній і верхній частинах колектора. Крім того, існує метод виготовлення теплопріемной плити колектора шляхом з'єднання двох металевих пластин з рельєфно отформованной мережею каналів між ними для проходу води, який отримав назву методу «холодної прокатки». Цим методом можна отримати мережу каналів будь-якого виду. Варіантом цієї технології є поглинач типу труби в листі, в якому паралельні канали у вигляді труб становлять єдине ціле з металевою пластиною і з'єднані між собою горизонтальними каналами вгорі і внизу.
Незалежно від конструктивних деталей основними завданнями при створенні колектора є наступні:
- забезпечення максимальної ефективності теплопоглинальною поверхні;
- використання найкращих засобів для швидкого і рівномірного перенесення тепла до потоку води;
- стійке і рівномірний розподіл води в колекторі;
- невисока вартість і надійність установки.
Теплопріемние пластини колектора виготовляються з: міді, алюмінію, оцинкованої сталі.
Теплоприемник колектора має покриття, що підвищує його поглощательную здатність. Найбільш простим і дешевим покриттям є шар чорної фарби. Однак наближається до ідеального буде одне з селективних покриттів , Що володіють високою поглинальною і дуже низькою випромінювальною здатністю, що зводить до мінімуму вторинне випромінювання енергії.
Ізоляція корпусу, в якому знаходиться теплопріемная панель, не повинна допускати великих втрат енергії, що надходить в установку.
Труби, що ведуть з колектора в бак-акумулятор, повинні мати хорошу ізоляцію і створювати мінімальні перешкоди циркуляції. У більшості установок бак розміщений поруч з колектором для того, щоб звести до мінімуму довжину труб і з'єднань. Ізоляція труб допомагає зберегти поглинене колектором тепло і підтримувати температурний напір між надходить і відводиться водою з тим, щоб не порушити термосифонний ефект.
Бак-акумулятор повинен бути достатньо великий, щоб вміщати дводенний запас гарячої води.
Суттєвим є і місце розташування введення в бак труб. Труба, що підводить холодну воду до нижньої частини колектора, повинна забирати її з найхолоднішою, нижньої частини бака. Нагріта вода з колектора повинна надходити у верхню (найтеплішу) частину бака. Вище впускного отвору для відбору гарячої води повинен бути залишений обсяг для накопичення півдобовий запасу самої гарячої води, так як вода, що надходить в даний момент з колектора, не завжди буде досить гарячою (хмарний день, рано вранці) і не повинна в цьому випадку охолоджувати наявний в баку запас більш гарячої води. Якщо допоміжним джерелом тепла є занурюваної в воду електричний водонагрівач (загальноприйнято для промислових установок), то він повинен встановлюватися нижче добового обсягу води в акумуляторі. Це дає можливість підігрівати тільки ту кількість води, яка необхідна. Перевага установки бака всередині приміщення, крім зниження вимог до ізоляції, полягає в тому, що будь-яке кількість тепла не втрачалося, все воно надійде в житлове приміщення, а не в зовнішнє середовище.
Місцезнаходження, нахил колектора і його взаємозв'язок з баком є важливими факторами, які в великій мірі залежать від архітектурно-планувального рішення будівлі. Колектор повинен бути орієнтований строго на південь і нахилений до горизонталі під кутом, рівним широті місця. Така орієнтація теоретично оптимальна для цілорічної роботи. В реальних умовах орієнтація колектора залежить від багатьох факторів. Наприклад, якщо будинок має дах, на якій можна помістити колектор, то, ймовірно, це буде набагато дешевше, ніж зведення окремої конструкції. Якщо при цьому азимут і кут нахилу колектора відхиляються від оптимальних на 10 ... 15 °, то зменшення ККД не буде перевищувати 10% і його зменшення легко можна буде компенсувати збільшенням площі колектора.
При установці колектора термосифонної системи на даху бак-акумулятор часто поміщають на рівні коника даху, а іноді навіть у помилковій димарі. Конструкція даху в цьому випадку повинна бути здатною витримати таке навантаження. Інші способи організації циркуляції води застосовуються там, де зазначені вимоги до установки нездійсненні.
У холодному кліматі СВН повинен мати надійні запобіжні пристосування проти замерзання , А це ускладнює його конструкцію в порівнянні зі звичайною термосифонної системою, призначеної для теплої погоди. Існують три основні способи захисту колектора:
- знімне ізоляційне покриття;
- пристрій для зливу води;
- застосування антифризу замість води.
Найбільш поширеним засобом захисту проти замерзання є застосування розчину антифризу в воді. При цьому теплообмін між нагрітим сонцем розчином і водою в баку-акумуляторі здійснюється зазвичай за допомогою трубчастого змійовика, зануреного в бак. Змійовик своїми кінцями з'єднаний з живильною і відвідної трубками колектора, при цьому термосифонна циркуляція теплоносія відбувається за звичайною схемою.
Мал. 4. Сонячний водонагрівач з теплообмінником всередині бака:
1 - гаряча вода; 2 - випуск гарячої води; 3 - вентиль; 4 - подача холодної води; 5 - холодна вода; 6 - зворотний клапан; 7 - колектор; 8 - теплообмінник.
Обмеження, що накладаються термосифонним пристроєм на архітектурний проект, можна зняти застосуванням насосів, але при цьому свобода розміщення системи досягається додатковими витратами.
Ще одним варіантом системи, в якій усунуті проблеми замерзання, є колектор Томасон , З'єднаний з невеликим насосом. Замість проходження по замкнутим каналах вода в цьому колекторі вільно стікає вниз по поверхні хвилястого металевого листа. Внизу вона збирається в жолоб і самопливом надходить в бак-акумулятор. Оскільки система не є герметичною, вода до споживача також надходить самопливом, якщо не накачується в водонапірні бак. Перевага колектора з відкритим стеканием води полягає в тому, що вода зливається в бак-акумулятор просто в результаті відключення насоса. Варіантом використання цього принципу є колектор Каваї, розроблений в Японії і складається з шару тканини або волокнистого матеріалу, який поміщений між двома металевими пластинами. Вода повільно просочується через колектор, зливаючись знизу.