Расчет солнечного коллектора

Определение параметров солнечных коллекторов является крайне необходимой процедурой при выборе наиболее оптимального водонагревающего устройства. При этом подбор солнечного коллектора может производиться эмпирическим или расчетным путем. Первый вариант подразумевает собой выбор оборудования для функционирования гелиосистемы исходя из объемов потребления горячей воды и рекомендаций завода-изготовителя. Безусловно, данная методика является ориентировочной и не может учитывать многих факторов, но тем не менее обычно ей наиболее часто пользуются при выборе солнечных коллекторов для домашнего использования (связано с малыми площадями бытовых коллекторов).

Когда же возникает необходимость подбора альтернативных источников энергии для промышленных целей или комплекса объектов рекомендуется применять расчетный метод. Расчет солнечного коллектора выполняется в следующей последовательности.

Сначала определяется количество тепловой энергии, необходимое для работы систем отопления и ГВС. Для этого применима следующая формула:

Q = m*c* ?t      (кВт),

где:

m – ежедневный объем горячей воды на нужды ГВС и отопления, л/день;

с – удельная теплоемкость воды, равная 4,2 кДж / кг ?С;
?t – расчетная разница температуры воды до и после выхода из нагревательного элемента, ?С.

Далее по представленному выражению можно вычислить требуемую площадь коллектора:

F = (Kор*Nп*Qн) / (Nэ*Qоб),       (м2),

где:

Kор – коэффициент, учитывающий ориентацию коллектора в зависимости от угла наклона и направленности к сторонам света (подбирается из табличных данных);

Nп – коэффициент покрытия в течение всего года (указывает процентное соотношение расхода тепловой энергии на нужды отопления и ГВС перекрываемое работой солнечного коллектора), желательно принимать не менее 50%;

Nэ –  коэффициент эффективности применения в течение всего года, определяется отношением использованной теплоты к общему количеству солнечной энергии, падающей на плоскость коллектора в течение года (обычно этот коэффициент должен иметь значение не ниже 0,35). На данный коэффициент влияют следующие критерии:

• тип коллектора (плоский, вакуумный, воздушный);
• длина трубопроводов, соединяющих элементы гелиосистемы (значение коэффициента уменьшается при увеличении длины);
• качество теплоизоляции;
• степень внутреннего и наружного загрязнения коллектора;
• климатические особенности региона.

Qоб – количество энергии солнечного излучения на 1 м2 поверхности за год, кВт /м? год принимается из табличных данных).

Подставив соответствующие данные в расчетную формулу получим необходимую площадь солнечного коллектора, по результатам которой можно принять ближайшее целое значение в м2 из модельного ряда данных приборов.

Для определения диаметра трубопровода, необходимого для подключения солнечного коллектора потребуется вначале определить расход теплоносителя в контуре отопительной установки воспользовавшись отношением:

g = Q/(c*?t)

Исходя из полученных данных, по специальным таблицам подбирается оптимальный диаметр трубопроводов. Эта процедура очень важна, так как позволяет подобрать такие габариты трубопроводов, при которых скорость перемещения теплоносителя будет оптимальной (0,3 – 0,5 м/с), что позволит минимизировать потери давления теплоносителя ( не более 2,5 Мбар на каждый метр длины трубы).

В качестве соединительных трубопроводов рекомендуется использовать элементы, изготовленные из меди, либо нержавеющей стали. Использование пластиковых, металлопластиковых и оцинкованных труб в гелиосистеме нецелесообразно, так как не будут обеспечены требования к их надежности, долговечности и температурной прочности.

Еще одним важным параметром при расчете гелиосистем является объем расширительного бака, который определяется по формуле:

V = (Vр + Vп) * ((Pк + 1)/(Pк – Pн)),   (литр),

где:

Vр – уровень расширения теплоносителя (указывается производителем);

Vп – объем теплоносителя всей гелиоустановки;

Pк – крайнее рабочее давление (обычно меньше критического на 0,5 бар);

Pн – давление наполнения системы (обычно больше статического на 0,5 бар).

Расчет гидравлических блоков для работы солнечных коллекторов обычно не производят, а принимают к установке стандартные изделия, рекомендованные предприятием-изготовителем. Стандартный гидравлический блок включает в себя следующие элементы:

• циркуляционный насос;
• термометр;
• клапан предохранительный;
• манометр;
• запорная арматура для слива жидкости;
• клапан воздушный.