ГЕЛИОУСТАНОВКА ДЛЯ НАГНЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Предлагаемая гелиоустановка относится к области солнечной энергетики (гелиогелиотехнике) и предназначена для преобразования солнечной энергии в тепло, может быть использована в системах горячего водоснабжения и отопления объектов различного назначения.
Известны гелиоустановки для получения тепловой энергии и использования в системах горячего водоснабжения, отопления и т.д.:
1. Казаченко С.В., Кибовский С.А., к.т.н.,
Мазинов А.С., к.т.н, Николаев Е.В., д. с-х.н., профессор, Слепокуров А.С. (составитель), Стоянов В.У., д.т.н., профессор Информационно-справочное издание… Солнечная энергетика в Крыму. М. PDF. Киев-Симферополь. 2008. http://www.twirpx.com/file/186689/.
В книге проанализировано состояние и тенденции развития солнечной энергетики в мире и Украине. Приведен практический опыт и экспериментальные данные по использованию солнечной энергии в жилищном и коммунальном хозяйстве, строительстве, сельском хозяйстве и других сферах деятельности человека. Даны рекомендации по использованию солнечной энергии для работников органов власти, руководителей предприятий и организаций, населения.
2. 2-я Международная конференция «Возобновляемая энергетика: Проблемы и перспективы» - Махачкала - 2010. Секция 3: «Комбинированные энергетические технологии, сочетающие геотермальную энергию и другие ВИЭ».
3. Мак-Вейк Д. Применение солнечной энергии. Энергоиздат. 1981. 216 с.
Книга посвящена проблеме преобразования солнечной энергии в тепловую. Рассмотрены различные конструкции солнечных коллекторов, даны основные расчетные соотношения. Приведены схемы солнечного отопления и кондиционирования, примеры их реализации, а также эксплуатационные показатели ряда конкретных солнечных домов. Кратко рассмотрены другие аспекты использования солнечной энергии, например получение холода, пресной воды и т.д.
4. Смонтированные установки.
(http://solarcompany.com.ua/Smontirovannye_ustanovki.html
5. Патент на полезную модель. Водонагревательная гелиоустановка. RU №87502, F24J 2/34.
6. Патент на изобретение. Водонагревательная гелиоустановка. RU №2109226, F24J 2/34.
Гелиоустановки с естественной циркуляцией теплоносителя, как правило, состоят из гелиоколлектора, в котором осуществляется нагрев воды от солнечной энергии, расходного бака холодной воды с регулятором уровня, бака-аккумулятора нагретой воды и регулирующей арматуры. В гелиоустановках с принудительной циркуляцией в систему включаются насосы и вентиляторы.
Для обеспечения потребителей теплоносителем нужных параметров, в холодное время года и в условиях отсутствия (ночью) или недостатка (пасмурно) солнечной энергии, в систему включаются устройства для подогрева воды от постороннего источника энергии (электрический, газ, жидкое или твердое топливо).
Для снижения теплопотерь гелиоколлектор, трубопроводы и бак-аккумулятор покрываются снаружи теплоизоляционным слоем.
Недостатком рассмотренных установок, сдерживающих рост рынка использования солнечной энергии, является:
1. Цена на гелиосистемы высокая и весьма дорогим элементом является гелиоколлектор.
2. Длительный период окупаемости оборудования-до 10 лет.
3. При использовании гелиоустановки для горячего водоснабжения отдельных зданий, все оборудование, за исключением гелиоколлектора, который устанавливается на кровле, размещается, как правило, в помещениях здания, занимая полезную площадь здания.
4. В холодное время года, гелиоколлектор из-за малого объема содержащейся в нем воды, подвержен риску замерзания. Для предупреждения этой опасности применяют двухконтурные схемы гелиосистем с заполнением гелиоколлектора незамерзающей жидкостью, что ведет к усложнению и удорожанию системы.
5. В одноконтурных системах гелиоколлектор склонен к отложению солей жесткости в его каналах, имеющих малое сечение, что резко снижает эффективность его работы, выводит из строя и требует полной замены гелиоколлектора.
6. Устройство кожуха (Патент на полезную модель. Водонагревательная гелиоустановка. RU №87502, F24J 2/34.) или термальной камеры (Патент на изобретение. Водонагревательная гелиоустановка. RU №2109226, F24J 2/34.) из прозрачного материала, внутри которого размещается бак-аккумулятор, усложняет конструкцию установки, увеличивает ее габариты, усложняет обслуживание бака - аккумулятора. Как кожух, так и термальная камера являются самостоятельными и дополнительными устройствами системы, и не связаны с конструкцией бака - аккумулятора.
Задачей, решаемой полезной моделью, является устранение указанных недостатков, упрощение схемы установки, повышение надежности в работе и удобства обслуживания.
Предлагаемая гелиоустановка, содержащая трубопроводы холодной и горячей воды, бак-аккумулятор, наружная поверхность которого для предотвращения теплопотерь покрыта теплоизоляцией, при этом поставленная задача достигается тем, что часть теплоизоляции бака -аккумулятора выполнена из нескольких слоев прозрачного материала (стекло, полимерная пленка и т.д.), располагающихся на расстоянии друг от друга и от стенки бака-аккумулятора, которая используется для нагрева воды в баке-аккумуляторе, и крепится к стенке бака-аккумулятора. Эта прозрачная часть теплоизоляции пропускает коротковолновое инфракрасное излучение солнечного спектра к стенке бака-аккумулятора, нагревая стенку и от нее - воду в баке. Стенка бака - аккумулятора, обращенная к солнцу, имеет покрытие черного цвета для лучшего поглощения инфракрасного спектра излучения с целью более интенсивного разогрева стенки, а от нее - пристенного слоя воды, выполняя роль гелиопанели. Таким образом, вода нагревается непосредственно в баке-аккумуляторе. Эта же, прозрачная часть теплоизоляции, не пропускает тепловое (длинноволновое) излучение от стенки бака-аккумулятора в окружающую среду, предотвращая потерю тепла от нагретой воды в баке-аккумуляторе.
На прилагаемом чертеже изображена принципиальная схема гелиоустановки (Рис.1).
Установка состоит из бака-аккумулятора, трубопровода подачи холодной воды 7 в бак - аккумулятор и трубопровода подачи горячей воды 5 к потребителю. При необходимости на трубопроводах холодной и горячей воды могут устанавливаться насосы 6, 4 и другая арматура и оборудование.
Нагрев воды производится непосредственно в баке - аккумуляторе. Стенки бака - аккумулятора, изготовленные из материала с высокой теплопроводностью (как правило из металла), покрываются снаружи теплоизоляцией для уменьшения теплопотерь в окружающую среду. В предлагаемой установке часть поверхности покрывается традиционно теплоизоляционными материалами 3 (минераловатные маты, пенопласт, пенополиуретан, и т.д.), а часть поверхности, в секторе освещенности солнцем в течение дня, покрывается несколькими слоями прозрачного материала 2(Рис.1а,б). Слои располагаются на расстоянии от стенки бака-аккумулятора и между собой. Величина этих расстояний может быть неодинаковой и подбирается экспериментально. Величина сектора освещенности также определяется в зависимости от местности установки.
Наружная поверхность бака - аккумулятора в секторе освещенности покрывается краской или напылением черного цвета для улучшения поглощения лучистой энергии солнца, проходящей через прозрачный материал 2. За счет поглощения лучистой энергии, стенка бака-аккумулятора 1 в секторе освещенности разогревается и передает тепло пристенным слоям воды внутри бака - аккумулятора. Разогретый пристенный слой воды поднимается вверх, увлекая за собой со дна холодные слои. Таким образом происходит циркуляция воды в баке, ее интенсивный прогрев и расслоение - более нагретые слои воды поднимаются кверху, а более холодные располагаются ближе к днищу.
Для увеличения разности температур горячего и холодного слоев, что увеличивает эффективность работы гелиоустановки, внутри бака -аккумулятора могут устанавливаться горизонтальные перегородки, а также высота бака - аккумулятора должна равняться 2-5 его диаметрам и более.
Внутри бака - аккумулятора и на его внутренней поверхности, для интенсификации прогрева воды, могут устанавливаться различные устройства для создания определенного движения воды (направляющие ребра и каналы, турбулизаторы и т.д.). Гелиоустановка может включать в себя устройства, обеспечивающие регулировку уровня воды в баке -аккумуляторе, осуществляющие догрев воды, предварительно нагретой от солнца, за счет электронагревателей или за счет использования тепла от сжигания газа, жидкого или твердого топлива в котлах.
При использовании данных гелиоустановок для обеспечения нагретым теплоносителем индивидуальных жилых домов, они должны устанавливаться, как правило, на кровле здания в зоне максимального освещения солнцем. При этом отпадает необходимость в установке насосов. Холодная вода подается в бак-аккумулятор под давлением в водопроводной сети, как правило этого достаточно при относительно небольшой высоте индивидуальных жилых домов. Подача горячей воды к точкам разбора производится за счет гидростатического давления.
Таким образом, одноконтурная гелиоустановка включает в себя только бак-аккумулятор и трубопроводы с запорнорегулирующей арматурой, размещенной на кровле здания, не занимая никакой полезной площади в доме.
При использовании гелиоустановки для обеспечения теплоносителем больших зданий или групп зданий, установки могут размещаться также на кровле зданий или группа установок может размещаться на уровне земли, в освещенном солнцем месте. Горячая вода от наземных установок подается насосами к зданиям. В случае необходимости догрева воды до нужных параметров, достаточно иметь одну установку (теплопункт, бойлерная, миникотельная и т.д.), чтобы догревать воду для всего здания или группы зданий.
При эксплуатации предлагаемой гелиоустановки в зимнее время, за счет относительно большой массы воды в баке-аккумуляторе, утепленным слоем теплоизоляции 3 и не менее чем 2-х слойным прозрачным покрытием 2, а также за счет установки внутри бака-аккумулятора устройств для догрева воды (электронагреватели и т.д.) снижается риск замораживания воды в установке.
Эффективность предлагаемой установки состоит в том, что за счет замены части традиционной тепловой изоляции бака-аккумулятора на несколько слоев прозрачного материала, дает возможность:
1. Использовать эту часть поверхности в качестве гелиопанели для нагрева воды непосредственно в самом баке. При этом из системы исключается гелиоколлектор, что снижает стоимость установки и делает схему проще.
2. Снижение стоимости и упрощение схемы приводит к уменьшению срока окупаемости установки.
3. Не занимает, для размещения оборудования, полезной площади внутри здания.
4. Уменьшается риск замерзания воды в баке-аккумуляторе в зимнее время.
5. Габариты бака-аккумулятора увеличиваются на толщину тепловой изоляции, накладываемой непосредственно на стенку бака, что не влияет на габариты всей установки и не усложняет обслуживание бака-аккумулятора.