РАЗРАБОТКА ГЕЛИОКОЛЛЕКТОРА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ВОДОЙ КОТТЕДЖНЫХ ДОМОВ

АННОТАЦИЯ

Одним из показателей качества жизни и важным фактором улучшения санитарно-гигиенических и культурно-бытовых условий жизни является обеспечением бытовых нужд населения горячим водоснабжением. В больших городах страны нет проблем с обеспечением горячего водоснабжения, чего нельзя сказать про пригородные территории любого города. В связи с этим в данной статье описана методика поступления солнечной радиации для системы горячего водоснабжения, рассмотрены энергетические характеристики солнечного коллектора, а так же ее экономическая эффективность.

Кроме того, результаты исследования по статье предоставляет возможность в разработке доступного по цене гелиоколлектора, открывает перспективы создания более совершенных моделей с учетом всех факторов, влияющих на эффективную работу и могут быть применены для создания и сборки солнечного коллектора самостоятельно и снизить себестоимость установки.

ABSTRACT

One of the indicators of the quality of life and an important factor in improving sanitary and hygienic and cultural living conditions is providing the household needs of the population with hot water supply. In large cities of the country there are no problems with providing hot water, which cannot be said about the suburban territories of any city. In this regard, this article describes the method of receiving solar radiation for a hot water supply system, discusses the energy characteristics of a solar collector, as well as its economic efficiency.

In addition, the results of the research on the article provides an opportunity to develop an affordable solar collector, opens up prospects for creating more advanced models taking into account all factors affecting efficient operation and can be used to create and assemble a solar collector independently and reduce the cost of installation.

Ключевые слова: гелиоколлектор, буферный резервуар, манометр, теплогенератор.

Keywords: solar collector, buffer tank, pressure gauge, heat generator.

За последние годы произошел значительный рост количества частных секторов, отдельных пригородных сел, не имеющие возможности подключения к центральным коммуникациям. Следовательно, используются другие способы отопления зданий и сооружений, такие как котельные на твердом и газообразном топливе, либо электрическая энергия. Из почти миллиона таких жителей только небольшой процент, в основном живущих в районных центрах, имеет возможность круглогодично обеспечивать себя горячей водой в требуемом объеме. При этом важно учитывать и экологическую сторону данного вопроса, так как при использовании органического топлива выбросы в атмосферу являются неизбежными, что приводит к росту концентрации парниковых газов в атмосфере. По данным за 2018 год Нур-Султан занимал 178-ое место в списке самых небезопасных для экологии городов мира с выпуском 12,9 мегатонны углекислого газа в год. Существующие системы теплоснабжения для пригородных домов основаны на теплогенераторах, работающих в основном на органическом топливе. Постоянный рост цен на органическое топливо (уголь, дрова, газ, дизельное топливо, мазут) и электрическую энергию, а также перегруженность существующих пригородных электрических сетей 0,38-10 кВ сдерживает внедрение систем горячего водоснабжения в частных секторах. Учитывая такую динамику роста тарифов, растет интерес к альтернативным источникам энергии, как солнечная энергия. Для широкого внедрения и эффективного использования систем солнечного горячего водоснабжения в жилых домах, необходимо решить комплекс научных задач, связанных с изучением режимов поступления солнечной радиации на указанную территорию, обоснованием и выбором рациональных параметров и режимов.

Объектом исследования в диссертации является гелиоколлекторная установка для прямого преобразования энергии солнца в тепловую энергию.

Предметом исследования является разработка солнечного коллектора из дешевых по стоимости материалов для обеспечения горячим водоснабжением частный дом.

Цели и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности систем солнечного горячего водоснабжения бытовых потребителей совершенствованием конструкций солнечного горячего водоснабжения и учетом режима поступления солнечной радиации. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ климатических условий рассматриваемого региона и выбор индивидуального жилого дома для установки гелиоколлектора; разработать схему самого устройства и методики поступления солнечной радиации для системы ГВС; собрать сам гелиоколлектор из доступных материалов; определить энергетические характеристики солнечного коллектора для системы горячего водоснабжения; обосновать экономическую эффективность системы. Гелиоколлектор, установка для прямого преобразования энергии солнца в тепловую энергию, прототипы были разработаны около 200 лет назад.

Принцип работы солнечной системы горячего водоснабжения заключается в солнечном излучении. При нагревании гелиоколлектора с помощью солнечного излучения вода внутри тоже нагревается. Нагретая вода начинает подниматься через соединение в верхней части коллектора с изолированным накопительным баком. Затем уже горячая вода поступает в резервуар для хранения и вытесняет более холодную воду, которая, в свою очередь, направляется через соединение с нижней частью коллектора. Таким образом происходит циркуляция. Мы называем это естественной циркуляцией или принципом термосифона. Для возникновения в контуре естественной и достаточно интенсивной циркуляции необходимо, чтобы дно накопительного бака было выше солнечного коллектора минимум на 0,5м. (чем больше — тем лучше). Кроме того, стараются уменьшить гидравлическое сопротивление в контуре солнечного коллектора. Для этого увеличивают диаметр труб и сокращают их длину. В качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость. Для подогрева воды в пасмурные дни накопительный бак имеет электрический нагреватель. С целью уменьшения потерь тепла накопительный бак и трубопроводы защищают теплоизоляцией толщиной 50 мм. Если бак устанавливают на холодном чердаке, то толщину теплоизоляции бака следует увеличить до 100 -150 мм. а трубопроводы с водой разместить под теплоизоляцией бака. Для дачного дома с сезонным проживанием, только летом, можно контур солнечного коллектора выполнить без теплообменника в баке. В контур коллектора вода будет поступать из нижней части бака, нагреваться и накапливаться в верхней части бака. Для использования горячей воды из резервуара для хранения мы используем накопительный бак. Данный резервуар для хранения подключается через буферный резервуар к существующей системе водоснабжения (например, большой резервуар для дождевой воды или скважина). Буферный резервуар снабжен плавающим манометром или шаровым краном. Когда вы набираете ведро с горячей водой, система автоматически наполняется через этот плавающий манометр. Эффективное использование системы горячего водоснабжения зависит от ежедневной потребности. Для различных учреждений, например, больниц, реабилитационных центров, детских домов и т. д. требуется разное количество горячей воды разной температуры и для разных целей. Эффективность горячего водоснабжения зависит от того, как оно организовано и контролируется руководством соответствующего учреждения. Среднее время нагрева системы в день можно установить равным 6 часам. Когда система должным образом изолирована, горячая вода может подаваться 24 часа в сутки. Так что даже ночью можно пользоваться горячей водой. Практика показала, что системы горячего водоснабжения на солнечной энергии особенно полезны для прачечных и мытья пациентов. При оптимальном использовании системы горячего водоснабжения на солнечной энергии можно достичь экономии до 70% обычного расхода твердого топлива.

Рисунок 1. Детали солнечного водонагревателя

Солнечный водонагреватель состоит из следующих частей, см. Рисунок 1;

1. Солнечный коллектор, в котором вода нагревается за счет солнечного излучения.

2. Изолированный накопительный бак, в котором хранится нагретая вода из коллектора. Резервуар для хранения должен стоять выше верхней части коллектора.

3. Изолированная труба, соединяющая нижнюю часть коллектора и верхнюю часть накопительного бака.

4. Изолированная труба, соединяющая нижнюю часть накопительного бака и нижнюю часть коллектора.

5. Вход холодной воды, соединяющий существующую систему водоснабжения с накопительным баком. Обычно вход холодной воды проходит через буферную емкость с плавающим манометром.

6. Изолированный выход горячей воды, идущий от накопительного бака к крану.

7. Вентиляционное отверстие (воздуховыпускная труба) для предотвращения избыточного давления, создаваемого воздухом или паром.

Заключение

В процессе исследования было выявлено, что применение гелиоколлектора в системе горячего водоснабжения является наиболее выгодным в использовании в сравнении с системой электрического водонагрева с тэном для подогрева воды. Это обусловлено экономией электрической и тепловой энергии, а также снижением стоимости ежемесячного потребления горячего водоснабжения. Кроме того, данный способ нагрева воды уменьшает количество потребления углеводородного топлива, что в свою очередь, уменьшает количество продуктов его сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

Список литературы:

1. Колтун М.М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. М.: Наука, 1979. — 215 с.

2. BACIBO, WOT. Manual on the construction of a solar water heater. 2004

3. Электронный ресурс: https://www.kuntech.kz/products/#primer-storage  

4. Minmin Gao, Liangliang Zhu. Solar Absorber Material and System Designs for Photothermal Water Vaporization towards Clean Water and Energy Production. 2018