Расчёт солнечного водонагревателя

 

Расчет солнечного водонагревателя

Существенной характеристикой солнечной радиации является ее периодичность и непостоянство. Суточная потребность в энергии при этом должна восполняться за 6...8 ч; таким образом, требуется обеспечить аккумулирование энергии в той или иной форме. Если же предполагается иметь запас горячей воды в расчете на пасмурные дни, то необходимо аккумулирование энергии с запасом на несколько суток.

В солнечных водонагревателях наиболее удобным аккумулятором является сама горячая вода. При этом для хранения воды обычно используют бак, рассчитанный на двухдневный запас. Сравнительная емкость обычных и солнечных баков горячей воды в расчете на среднюю семью выглядит следующим образом.

Таблица 1. Емкость бака и площадь коллектора солнечного водонагревателя
Численность семьи, чел.Емкость обычного бака при температуре воды 65°C, лЕмкость солнечного бака при температуре воды, 50°C, лСредняя площадь поверхности коллектора, м2
3 90 210 3
4 120 285 4
5 150 360 5

Это средние значения, которые (в частности, площадь поверхности коллектора) могут значительно отличаться от указанных в ту или другую сторону в зависимости от радиационного климата.

Быструю оценку требуемой площади поверхности солнечного коллектора системы горячего водоснабжения можно произвести следующим образом:

  1. Примем, что суточная потребность (обычная) в горячей воде составляет, например, 90 л (для семьи из 3-х человек). Если ее нужно подогревать от 10 до 65°С, т.е. на 55°С, то годовая потребность в энергии составит:

       90 л/сут * 365 сут * 55°С * 1,16 Вт*ч(л*°C) / 1000 = 2095,8 кВт*ч.
       
  2. На основании климатических данных примем, что годовое суммарное количество солнечной радиации равно 1100 кВт*ч/м2, что типично, например, для юга Англии. Можно ожидать, что эффективно использоваться будет 40% этой величины.

    Уровень радиации, падающей на наклонный коллектор, будет в 1,33 раза превышать уровень радиации, падающей на горизонтальную плоскость. При этом 30%-ная эффективная отдача такого коллектора будет соответствовать 40%-ной отдаче горизонтального коллектора. В условиях такого климата можно ожидать, что эффективная солнечная радиация будет составлять не более 66%.

    Система подогрева воды может быть рассчитана исключительно на использование солнечной радиации, однако такая система может быть и неэкономичной. В солнечный день требуемый подогрев может быть обеспечен небольшим коллектором, например, площадью 2 м2. В дни с небольшой облачностью аналогичный результат можно получить с помощью коллектора площадью 3 м2. В самые худшие дни со сплошной облачностью для получения такого же теплового действия потребуется коллектор площадью 10 м2. Если установить коллектор площадью 10 м2, то лишняя площадь будет бесполезной большую часть времени. При хорошей солнечной погоде дополнительная площадь не даст никаких преимуществ: при достаточно высокой температуре (например, выше 65a°С) КПД коллектора резко падает. Таким образом, большую часть времени коллектор будет попросту простаивать, начиная работать лишь при самой плохой погоде.

  3. Определим требуемую площадь поверхности коллектора:

    Sк = потребность в энергии / подвод энергии на единицу площади = 
       2095,8*8*0,66/1100*0,4 = 3,1 м2
       

    Поскольку приток тепла от солнечной радиации почти всегда меньше 100% потребного притока тепла, необходим в той или иной форме вспомогательный подвод тепла. Наиболее удобным является погружной электроподогреватель, рассчитанный на подогрев верхней трети содержащейся в баке воды. Могут быть использованы газовые водоподогреватели циркуляционного типа