При розрахунку сонячної системи гарячого водопостачання як проектант, так і замовник найчастіше прагнуть збільшити частку теплоти, покривається за рахунок сонячної енергії, що в більшості випадків є недоцільним.
В даний час існує багато різних інженерних методик розрахунку геліосистем теплопостачання. Методики розрахунку геліосистем теплопостачання пропонують розбивати рішення проблеми на наступні основні етапи: подання кліматичних даних, розрахунок основних складових частин геліосистеми (колектора, акумулятора теплоти і т. д.), ув’язка всіх складових в систему і визначення частки заміщення теплового навантаження системи теплопостачання. Розрахунок геліосистеми ускладнюється коливанням кліматичних даних і зміною в роботі системи залежно від її параметрів. Існує кілька методів розрахунку частки заміщення теплового навантаження в системі теплопостачання в залежності від характеристик системи. Інженерні методики базуються на реалізації складних математичних моделей геліосистем теплопостачання, які дозволяють отримати спрощені залежності, наприклад, метод f-діаграми.
Оптимальна геліосистема теплопостачання повинна забезпечувати покриття частки fопт річної навантаження системи теплопостачання при мінімальних витратах на одиницю теплової енергії. Розрахунок за f-методу заснований на середньомісячних значень метеорологічних параметрів і може використовуватися для визначення довгострокових теплових характеристик системи сонячного теплопостачання в залежності від основних конструктивних параметрів системи. На базі цього методу розроблені інженерні методики розрахунку геліосистем. Як і при виборі будь-якого іншого обладнання для системи теплопостачання, при проектуванні сонячної системи, перш за все, визначають мета розрахунку. Оскільки сонячна система майже завжди є частиною системи теплопостачання, метою, по суті, є визначення частки навантаження на систему теплопостачання, покривається за рахунок сонячної енергії (частка заміщення теплового навантаження), тобто бажаний з точки зору енергетичної потреби співвідношення між сонячною енергією і традиційною. У наших кліматичних умовах сонячна система без додаткового джерела теплоти не може забезпечити надійне теплопостачання. Тому частина системи теплопостачання, яка підключена до традиційного джерела енергії, розраховується незалежно від сонячної системи. Тим не менш, взаємодія між різними джерелами теплоти має найважливіше значення для досягнення максимальної ефективності системи в цілому і, отже, для ефективного енергозбереження.
Розрахунок сонячної системи гарячого водопостачання починається з визначення споживання гарячої води.
Для визначення споживання гарячої води слід розрізняти максимальне споживання на одного споживача і розрахункове споживання:
- максимальне споживання на одного споживача є основним показником для забезпечення надійності гарячого водопостачання, згідно з ним вибирають обсяг ємнісного водонагрівача і визначають потужність котла;
- розрахункове споживання є основою для вибору оптимального завантаження сонячної системи.
Таким чином, середній очікуваний витрата води на гаряче водопостачання в літні місяці і є основною величиною для розрахунку сонячної системи гарячого водопостачання.
Максимальне водоспоживання, як правило, в 2 рази вище фактичної. Для проектування системи гарячого водопостачання необхідно, по можливості, вимірювати витрата води на гаряче водопостачання протягом тривалого часу. Однак це не завжди можливо. Якщо неможливо визначити точні дані для одного споживача, то витрата оцінюється наступним чином.
У котеджі середньодобова витрата води на гаряче водопостачання на людину вище, ніж у багатоквартирному будинку. Для розрахунку можна приймати значення витрати 30 л на людину при температурі 60 °С. В багатоквартирному будинку рекомендоване значення становить 22 л на людину при температурі 60 °С. Вищенаведеними значеннями витрат можна скористатися у випадку, коли геліосистема є частиною системи теплопостачання, отже має додаткове джерело тепла.
Метою розрахунку сонячної системи гарячого водопостачання в одно – і двоквартирних будинках є покриття річної навантаження на гаряче водопостачання за рахунок сонячної енергії на 60 відсотків.
Влітку досягається практично повне розрахункове покриття навантаження на гаряче водопостачання за рахунок сонячної енергії. Невикористані надлишки теплоти знаходяться в допустимих межах, споживач використовує сонячне тепло і протягом тривалого часу обходиться без підігріву води опалювальним котлом. З техніко-економічної точки зору більш висока частка покриття навантаження на гаряче водопостачання за рахунок сонячної енергії в одноквартирному будинку недоцільна.
Для досягнення високої частки покриття навантаження на гаряче водопостачання за рахунок сонячної енергії (до 60 відсотків) ємнісний водонагрівач сонячної системи повинен містити кількість води, що дорівнює подвоєному очікуваного річного споживання на гаряче водопостачання. Розміри колектора сонячної енергії визначаються за умови, що весь обсяг ємнісного водонагрівача за сонячний день (близько 5 повних сонячних годин) нагрівається до 60 °С. Це дозволить забезпечити навантаження на гаряче водопостачання в наступний день з більш слабкою інсоляцією. З цієї точки зору визначають співвідношення між обсягом водонагрівача і площею колектора.
В Україні в сонячний безхмарний день інсоляція становить близько 5 кВт • год на м2 поверхні колектора.
Щоб акумулювати таку кількість енергії, потрібно передбачити для плоских колекторів водонагрівач об’ємом не менше 50 л на м2 площі колектора, а для вакуумованих трубчастих колекторів – не менше 70 л, якщо сонячна система використовується виключно для гарячого водопостачання.
В якості основного співвідношення для вибору ємнісних водонагрівачів в одно-і
двоквартирних будинках можна приймати на 100 л об’єму водонагрівача 1,5 м2 плоского або 1,0 м2 вакуумованого трубчастого колектора. Призначена для монтажу геліополя поверхню даху може мати відхилення від південного напрямку не більше ніж на 45°, а кут нахилу даху повинен бути в межах від 25 до 55°. Втрати продуктивності сонячної системи внаслідок несприятливої орієнтації або нахилу даху компенсуються невеликим збільшенням площі колектора.
За методикою ВСН 52 – 86 розрахунок геліосистеми з додатковим джерелом тепла виконується для місяці з найбільшою сумою сонячної радіації за період роботи, а системи без дублюючого джерела – з найменшою. У результаті розрахунку визначають площу сонячного колектора та параметри інших складових геліосистеми. При розрахунку сучасних геліосистем, які призначені для цілорічної роботи в складі системи теплопостачання, слід враховувати можливість надвиробництва теплової енергії та закипання теплоносія в геліосистемі.
Для оцінки впливу різних факторів на частку заміщення навантаження системи гарячого водопостачання виконаний розрахунок геліосистеми за програмою ESOP, яка базується на f-метод. Базова сонячна система: місце розташування – р. Львів, добове водоспоживання – 200 л, площа колектора – 4,6 м2, бак-акумулятор – 300 л, кут нахилу даху – 45°, орієнтація – південь, частка заміщення навантаження гарячого водопостачання за рахунок сонячної енергії – 61%.
При відхиленні від базових даних відбуваються наступні зміни щодо частки заміщення теплового навантаження на гаряче водопостачання в %:
- Базова геліосистема – 61%;
- Кут нахилу колектора 30° – 60%;
- Кут нахилу колектора 60° – 59%;
- Південно-західна орієнтація – 59%;
- Чернігів – 53%;
- Запоріжжя – 68%.
Як видно з розрахунку, вплив додаткових факторів відносно невелике, найбільший вплив набувають кліматичні дані, але в межах України коливання частки заміщення внаслідок зміни кліматичних даних становить ± 10%. Тому значне збільшення або зменшення розмірів компонентів сонячної системи було б неправильним рішенням. Таким чином, частка заміщення теплового навантаження 60% є орієнтовними, але не кінцевим значенням.
Враховуючи дискретні розміри колекторів (площа одного плоского колектора становить близько 2,5 м2, об’єм баків-акумуляторів коливається від 300 до 900 л) і отримане значення коливання частки заміщення навантаження системи гарячого водопостачання, слід зазначити, що прийнята за базову геліосистему можна використовувати на всій території України. У північній частині країни можливе збільшення площі колектора, але з урахуванням максимально допустимої площі колектора, яку можна підключити до одного баку-акумулятора певних розмірів.
При збільшенні розмірів геліосистеми слід враховувати, що капітальні витрати на систему також збільшуються, тому доцільність збільшення розмірів геліосистеми слід перевіряти, враховуючи можливість переходу до меншого тарифу оплати за газ.
Аналізуючи результати розрахунку, можна зробити висновок, що зменшення частки заміщення теплового навантаження за рахунок геліосистеми дозволить зменшити ймовірність закипання теплоносія, а також зменшити вартість та термін окупності геліосистеми.
У багатоповерхових будинках сонячні системи розраховують на максимальну продуктивність – максимальну кількість теплоти з одного квадратного метра колектора. Площа геліополя повинна бути розрахована таким чином, щоб не було стагнації (закипання теплоносія), іншими словами, щоб не проводився надлишок тепла, який не може бути використаний.
Сонячну систему слід розраховувати на мінімальне споживання тепла на гаряче водопостачання в літній період (місяць з мінімальної розрахункової теплової навантаженням). Тому кількість теплоти, виробленої за рахунок сонячної енергії, яка повністю споживається в системі гарячого водопостачання в будь-який час року. Для подальших розрахунків визначальною величиною є добовий витрата гарячої води з температурою 60 °С, л/м площі колектора. Для сонячної системи гарячого водопостачання багатоквартирних будинків це значення повинно прийматися не нижче 60 л гарячої води на квадратний метр площі колектора. На основі цієї величини визначається площа колектора. Якщо сонячна система оптимізована за даною величиною, частка заміщення навантаження на гаряче водопостачання за рахунок сонячної енергії обмежується значенням близько 35%. Підвищення частки сонячної енергії призведе до виробництва надлишків тепла і зниження питомої продуктивності сонячної системи.
При розрахунку геліосистем для багатоквартирних будинків витрата води на гаряче водопостачання в таких системах слід вимірювати. Враховуючи, що геліосистема є частиною системи теплопостачання, можна скористатися значенням витрати 22 л на людину на добу при температурі 60 °С. В результаті розрахунку визначають кількість теплоти, необхідне для нагрівання води від 10 до 60 °С, а також площа колектора, необхідну для виробництва такої кількості теплоти.
Наприклад: розрахуємо сонячну систему з плоскими колекторами для будинку на 240 жителів, що вимірюється витрата води становить 25 л на людину при температурі 60 °С, тобто 6 000 л в добу.
Для середнього, не похмурого літнього дня можна на підставі коефіцієнта корисної дії колектора визначити максимальну кількість теплоти з одного квадратного метра площі колектора.
Вона складає:
- для плоских колекторів – близько 3,4 кВт • год / (м • сут)
- для вакуумованих трубчастих колекторів – близько 4,3 кВт • год / (м • сут)
За допомогою цієї кількості теплоти з одного квадратного метра плоского колектора, при куті нахилу 45° і орієнтації на південь, можна нагріти 60 – 70 літрів води до температури 60 °С (для вакуумованих трубчастих колекторів ця кількість буде приблизно на 25% більше).
Звідси отримуємо, що для нагріву 6000 л води необхідна площа колектора 100 м
Оптимальну розрахункову площа колектора необхідно узгодити з розмірами і конфігурацією даху. При розташуванні колекторів на даху слід по можливості використовувати панелі колекторів однакового розміру.
Щоб реалізувати оптимальну розрахункову площу геліополя 100 м, теоретично необхідно було б використовувати 42,9 колекторів Vitosol 200-F з площею абсорбера 2,33 м. Тому доцільно провести коригування площі геліополя відповідно до площею одного колектора і можливістю їх розміщення з урахуванням компонування геліополя з однакових панелей колекторів.
І тільки така скоригована площа геліополя використовується в розрахунку інших компонентів сонячних систем.
Чим нижче частка заміщення теплового навантаження, тим менше часу зберігається отримана сонячна енергія в баку-акумуляторі і тим нижче теплові втрати. Графік водоспоживання на гаряче водопостачання в багатоквартирному будинку має один пік водорозбору вранці та одну ввечері. При невеликій частці заміщення теплового навантаження за рахунок сонячної енергії отримана в обідній час (максимум виробництва) теплота повинна зберігатися лише кілька годин, оскільки вже ввечері або, найпізніше, на наступний ранок вона буде витрачена. Таке короткочасне зберігання збільшує ефективність роботи колекторів, так і ефективність роботи всієї сонячної системи.
Ємнісних водонагревателеей з вбудованими підігрівачами таких великих розмірів, які потрібні в даному випадку (багатоквартирний будинок), не існує, і взагалі вони недоцільні. Як правило, в системі є ємнісний водонагрівач для підігріву води на гаряче водопостачання за допомогою додаткового джерела енергії (розвантажувальний контур).
Перед ним підключений ємнісний водонагрівач для попереднього нагрівання за рахунок сонячної енергії (завантажувальний контур) – по конструкції аналогічний водонагрівачам у невеликих сонячних системах. У великих сонячних системах можна підключати водонагрівач для попереднього нагріву (попередній ємнісний водонагрівач) через зовнішній теплообмінник. Обсяг попереднього ємнісного водонагрівача на один квадратний метр площі абсорбера слід приймати: для плоских колекторів – 50 л, для вакуумованих трубчастих колекторів – 70 л.
Якщо потужності вбудованих теплообмінників недостатньо для передачі сонячної теплової енергії води у водонагрівачі, то для заповнення буферних ємностей для гарячого водопостачання або системи опалення використовуються пластинчасті теплообмінники.
Пластинчастий теплообмінник розраховується таким чином, щоб зворотний трубопровід первинного контуру подавав в колектор максимально охолоджений теплоносій. Ця температура повинна бути на 5 К вище температури холодної води, що подається в акумулятор. Для визначення параметрів теплообмінника за допомогою програми розрахунку слід задати такі значення: температура буферної ємності для підключення системи опалення – 20 °С (зворотна магістраль вторинного контуру) і температура перед колектором 25 – °С (зворотна магістраль первинного контуру). Для первинного контуру необхідно ввести відповідні дані про теплоносії, у вторинному контурі використовується вода. Щоб ввести максимальну втрату тиску, рекомендується в першому наближенні використовувати значення 100 мбар.
Для контролю проводять повторний розрахунок з більш високою втратою тиску – в деяких випадках таким чином можна зменшити розміри теплообмінника. Розрахункова потужність геліополя приймається на рівні 600 Вт/м площі апертури колектора.
У великих сонячних системах є одна особливість: якщо трубопроводи первинного контуру на даху довше, ніж у будинку, доцільно забезпечити захист від замерзання для зовнішнього теплообмінника. Навіть при низьких температурах колектор внаслідок інсоляції може мати більш високу температуру, ніж у водонагрівачі, але температура теплоносія в трубопроводах може бути ще дуже низькою. Включення насоса в такому стані може призвести до пошкодження теплообмінника. Щоб уникнути таких ситуацій, в первинному контурі встановлюють термостат і клапан з електроприводом, який відкривається тільки при температурі теплоносія 5 °С.
Для зменшення тепловтрат буферний резервуар повинен складатися з однієї ємності. Якщо це неможливо, то для забезпечення завантаження і розвантаження слід підключити послідовно кілька буферних ємностей. Водонагрівач попереднього нагрівання у комбінації з пластинчастим теплообмінником в розвантажувальному контурі передає сонячну теплоту, акумульовану в буферній ємності, води для системи гарячого водопостачання. Водонагрівач попереднього нагрівання не повинен мати надто великий обсяг, так як він проходить термічну дезінфекцію. На практиці його обсяг повинен становити від 10 до 20% розрахункового водоспоживання.
Пластинчастий теплообмінник для передачі теплоти з буферної ємності в водонагрівач попереднього нагрівання повинен розраховуватися таким чином, щоб зворотний трубопровід транспортував в буферній ємності максимально охолоджену воду – її температура повинна бути на 5 К вище температури холодної води, що подається з водонагрівача попереднього нагрівання.
Необхідно проводити кілька порівняльних розрахунків з різними значеннями об’ємної витрати, причому максимальний часовий витрата повинен бути не менше 25% добового водоспоживання. Для контролю достовірності: розрахункова потужність приблизно на 50% вище потужності теплообмінника, якщо площа колектора була розрахована відповідно до описаних вище правил (60 л на м площі абсорбера). Розрахункові значення об’ємних витрат використовуються при підборі насосів в розвантажувальному контурі.
За розрахунками собівартості теплоти, отриманої від геліосистем з різними розмірами часток заміщення навантаження на гаряче водопостачання для Німеччини, – найменшу собівартість теплоти мають великі геліосистеми з невеликою часткою заміщення теплового навантаження. Тому, враховуючи невисоку вартість палива в Україні порівняно із Західною Європою, доцільно використовувати геліосистеми з невеликим значенням частки заміщення навантаження системи гарячого водопостачання, що дозволить зменшити вартість системи, так і собівартість отриманої теплоти, а також збільшити ефективність її використання.
