Системы обвязки солнечных коллекторов Drainback

В России система обвязки солнечных коллекторов «Drainback» практически не известна. Дословно термин "drainback" означает дренирующий (сливающийся) обратно.  Это популярное, проверенное временем, простое, надежное и гибкое в проектировании решение пришло из Северной Америки. Там, в большинство регионов системы могут подвергаться замораживанию, по крайней мере один раз в год, что делает защиту от замерзания необходимой.

Некоторые системы используют гликоль или другие типы антифриза для предотвращения замерзания, другие, такие как «draindown» (сброс теплоносителя)  с  использованием моторизованных клапанов и дополнительных элементов управления. Но красота системы drainback в том, что защита от замораживания пассивно обеспечивается гравитационным притяжением земли и поэтому работает всегда.

Подробнее о «drainback»

Drainback — это система с закрытым контуром, с принудительной циркуляцией, с косвенным нагревом. Теплоноситель (как правило, вода) находится в негерметичном, замкнутом контуре, прокачивается через коллекторы и отделен от контура конечного приготовления горячей воды через теплообменник. Когда насос выключен, теплоноситель стекает из правильно расположенных, наклонных коллекторов и труб, оставляя их пустыми и защищенными от замерзания. Несмотря на то, что эта статья будет рассматривать систему drainback на примере бытовых систем горячего водоснабжения, существует много других возможностей для конфигураций систем, начиная от нагрева воды в бассейне или для отопления помещений, до комбинированных систем горячего водоснабжения и отопления помещений.

Независимо от того, для чего используется тепло, основными компонентами системы drainback являются:

• Бак-теплоаккумулятор хранения горячей воды для конечного потребителя. Это может быть небольшой бак для бытовой горячей воды, бак на несколько тысяч литров для системы отопления помещений, или, в случае системы для нагрева бассейна, сам бассейн.
• Один или несколько солнечных коллекторов.
• Дифференциальный контроллер, который контролирует температуру воды в баке и температуру коллектора. Когда температура коллектора превышает температуру в баке на определенное число градусов (опрделенную разницу температур, т.е. дифференциал), контроллер активирует насос. В некоторых случаях, насос может быть постоянного тока (DC ), с питанием от фотоэлектрических модулей (PV, «солнечных батарей»), действующих как контроллер. При соответствующем размере, солнечные батареи (PV) получают достаточно солнечной энергии для работы насоса, именно тогда, когда солнечный коллектор вырабатывает значительное количество тепла.
• drainback резервуар — дополнительный резервуар для коллекторного контура систем drainback. Работа системы drainback создает характерное бульканье этом в резервуаре, за счет имеющегося воздушного пространства.
• Теплообменник для передачи тепла между drainback контуром коллекторов и контуром приготовления воды для конечного ползователя (если это не  система нагрева бассейна). Теплообменник часто находится внутри drainback резервуара, а второй насос циркулирует воду через теплообменник, который погружен в теплоноситель drainback контура. В большинстве систем нагрева бассейна через коллекторы циркулирует вода из бассейна, устраняя необходимость в теплообменнике.

Преимущества систем drainback

Drainback системы имеют много преимуществ по сравнению с другими типами солнечных водонагревателей. Т.к. система нуждается в воздушном пространстве для слива теплоносителя, контур не находится под давлением. Меньшие требования предъявляются к паяным соединениям, резьбовым фитингам и прокладкам. Если происходит разгерметизация в контуре теплоносителя, он будет протекать медленнее, чем если бы он был под давлением. Кроме того, нет никаких моторизованных клапанов, и система не зависят от электричества для поддержания защиты от замерзания. Если пропадает электроэнергия, насос выключается и теплоноситель стекает из коллекторов в резервуар.

Использование контура без давления означает, что многочисленные компоненты, необходимые в системах под давлением не нужны. Расширительный бак, обратный клапан, манометр, воздухоотводчик и воздушный сепаратор не требуются, хотя клапан сброса давления может быть по-прежнему установлен. Тем не мене, экономия средств на этом оборудовании, может быть сведена на нет за счет установки drainback резервуара. При этом затраты на монтаж могут быть ниже, так как монтаж до некоторой степени упрощается.

Системы под давлением с антифризом имеют чрезвычайно надежную защиту от замерзания. Однако эти системы чувствительны к перегреву. Если насос выходит из строя или система выключается, так как она достигла своего верхнего температурного предела, давление в системе будет увеличиваться и может привести в действие клапан сброса давления. Это понизит или полностью сбросит давление в системе, что требует добавления дополнительного теплоносителя и перезапуска системы. Кроме того, гликоль может стать кислым, когда подвергался неоднократному перегреву, повышая риск коррозии трубопроводов и других компонентов системы. Drainback системы просто сливают теплоноситель из коллекторов, потому что насосы отключается при достижении верхнего температурного предела системы.
Drainback системы часто имеют преимущество в системах отопления помещений на солнечных коллекторах из-за этого же защиты от перегрева.

Системы отопления помещений требуют достаточно больших площадей коллектора для получения значительного количества тепла в самые холодные, самые короткие дни года. Но большая система сильно подвержена перегреву в теплые месяцы года. Во теплое время года, гликолевые системы могут потребовать укрытия для некоторых или большинства коллекторов, сброса тепла, вторую тепловую нагрузку (например бассейн), некоторую комбинацию этих вариантов, или даже слив теплоносителя из системы полностью в течение летнего сезона. У drainback отопительной системы нагрева можно смело превышать рекомендуемое соотношение коллекторов и баков-теплоаккумуляторов, обычно 1:1 или 1:2, в зависимости от региона и климата, что означает большие площади солнечных коллекторов, способных производить больше кВт в зимнее время, без проблем перегрева во время летних месяцев. Система просто выключается, когда будет достигнут верхний предел. Большая drainback система может очень быстро нагревать воду летом, когда нет тепловой нагрузки системы отопления и все энергия направлена на получение горячей воды.

Хотя некоторые системы drainback используют смесь антифриза и воды для усиленной защиты от замерзания, многие используют только дистиллированную воду в качестве теплоносителя. Вода имеет лучшие характеристики теплоёмкости по сравнению с гликолем, добавляя небольшое повышение в производительность системы. Использование воды в качестве теплоносителя также позволяет для использование одностенных теплообменников, которые немного более эффективны и, как правило, дешевле, чем с двойными стенками.

Недостатки drainback

Поскольку теплоноситель находится в резервуаре и коллектор пуст при запуске насоса, насос должен преодолеть статический напор и поднять теплоноситель от самого низкого уровня до самой высокой точки в системе. Это требует более мощного насоса, затрачивающего больше электроэнергии. Для систем с очень высокой верхней точкой, можно не подобрать требующегося насоса. Некоторые монтажники устанавливают несколько насосов последовательно, но если один насос выходит из строя, теплоноситель может не дойти до верхней части коллектора, что делает его уязвимым к замораживанию.

Многие системы drainback используют второй насос для обеспечения циркуляции бытовой горячей воды через теплообменник в резервуаре, тем самым увеличивая потребление электричества системой. Стандартная с двумя насосами система drainback, часто может затрачивать на насосы в три или более раз электроэнергии, по сравнению с одним циркуляционным насосом системы на гликоле. Например, циркуляционный насос в гликолевой системе может использовать около 85 Вт, в то время как общая мощность двух насосов в сопоставимого размера системе drainback может быть 260 Вт или более. В некоторых случаях, дополнительная затрачиваемая электроэнергия, может доходить до 2 кВт*ч в день во время дней с высокой солнечной активностью, что делает недоступными установки drainback в системах с автономным электропитанием.

Для облегчения дренажа теплоносителя со всех элементов, которые ​​потенциально могут быть переморожены, в том числе солнечные коллекторы, внешние трубопроводы, и трубы в технических помещениях, таких как чердак, очень важно, чтобы все они имели уклон вниз для полного осушения. В системе где трубы неправильно наклонены или провисли, может скапливаться вода и произойдет перемерзание. Если наклон недостаточен, вакуум может привести к остановке дренажа и неполному сливу системы. Также в системе drainback рекомендуется использовать большие диаметры трубопроводов для снижения гидравлического сопротивления, которое, при той же скорости потока, уменьшается при увеличении размера трубы. Например, если в гликолевых системах контур будет использовать 1/2-дюймовую трубу, сопоставимая системы drainback должна использовать 3/4 дюймовую трубу.

Проектирование и размеры

Резервуар drainback подбирается индивидуально для каждой системы. Его объем должен быть минимум в два раза больше объёма всего теплоносителя контура, с учетом объёма теплоносителя в коллекторах. Он должен содержать достаточное количество жидкости, чтобы, при перекачивании, трубы к коллекторам и сами коллекторы были заполнены. Кроме того, дополнительный теплоноситель должен оставаться в резервуаре, чтобы уровень был выше входа в насос, чтобы он не всасывал воздух. Если пузырьки воздуха задерживаются в насосе — создаются условия, которые называются кавитацией, насос будет работать с большим усилием, чтобы прокачать жидкость. Это может привести к перегреву насоса, увеличивает вероятность преждевременного выхода из строя, и кавитация может даже полностью остановить поток. Кроме того, если резервуар мал, теплоноситель может иметь слишком высокую температуру, что снижает эффективность коллекторов. Если резервуар будет слишком большим, теплоноситель будет работать при слишком низкой температуре, что приводит к низкой эффективности теплообмена между контуром коллекторов и контуром конечного использования воды.

Если теплообменник находится внутри drainback резервуара, уровень жидкости должен быть достаточно высокой, так чтобы спиральный теплообменник был полностью погружен во время работы насоса. Уточните в спецификациях производителей объема коллектора, а также рекомендуемым drainback резервуаром для системы с вашей мощностью. Объем в трубах в зависимости от диаметра и длины может быть вычислен, как показано в таблице.

Многие при монтаже системы устанавливают drainback резервуар в верхней части бака теплоаккумулятора, что может уменьшить высоту поднятия жидкости, следовательно и размер насоса для системы. В некоторых случаях drainback резервуар помещают в другом месте, например, теплоаккумулятор может быть в подвале, в то время как drainback резервуар находится на первом или втором этаже. Это может значительно сократить высоту подъема жидкости, но резервуар должен быть расположен в отапливаемом помещении, чтобы избежать замерзания (т.е. нельзя устанавливать на неотапливаемых чердаках).

Доступ к точкам заполнения и опорожнения контуров drainback следует учитывать при проектировании системы, так чтобы уровень теплоносителя можно было проверить, При превышении теплоносителем максимального уровня необходимо предусмотреть отверстия перелива. Стеклянный уровнемер может быть также предусмотрен на уровне с верхней частью резервуара. Это позволяет легко проверить уровень теплоносителя, когда происходит стекание обратно в резервуар. Использование прозрачного расходомера позволяет оценить поток жидкости и при необходимости поток может быть оперативно отрегулирован.

Конфигурация теплообменника

Встроенный теплообменник в резервуар drainback. Многие в системах горячего водоснабжения используют отдельный, специальный drainback резервуар, содержащий теплообменник. Резервуар, обычно размером от 25 до 55 литров, имеет вход подачи и обратный вход от коллектора. Вторая пара входов соединяется с внутренним теплообменником и используется для направления жидкости из резервуара к теплообменнику в резервуаре. Эта система использует два насоса, которые управляются тем же контроллером. Один циркулирует контур с теплоносителем, в который погружен теплообменник, через теплообменник бытовая вода закачивается вторым насосом. В бытовых системах горячего водоснабжения два насоса, как правило, будут работать в одно и тоже время. Более крупные системы отопления с большими резервуарами обычно устанавливаются таким образом, что насосы могут работать независимо друг от друга, потому что необходимо использовать тепло в резервуаре после отключения циркуляции коллекторов. Аналогично, солнечный контур может циркулировать в течение некоторого времени в начале дня до того, когда станет достаточно тепла в резервуаре для циркуляции в контуре отопления.

В схемах с теплообменником в drainback резервуаре или с внешним теплообменником требуется два насоса: один для циркуляции теплоносителя в контуре солнечных коллекторов, другой в контуре горячего водоснабжения. В схеме с теплообменником в баке теплоаккумуляторе требуется только один циркуляционный насос.

Внешний теплообменник. Другой вариант, когда также требуется два насоса, заключается в использовании внешнего теплообменника и электрического бойлера для горячей воды от 40 до 80 литров как drainback резервуара. Электрический нагреватель не подключается, а бак используется просто для хранения объема теплоносителя необходимого при заполнении контура при перекачивании и обеспечивающего воздушное пространство для системы при дренаже. Когда система работает, HTF проходит через одну сторону теплообменника. Внутренний вода подается через другой стороне теплообменника в противоположном направлении, противотока.

Теплоаккумуляторы со встроенными теплообменниками. Использование теплоакумуляторов со встроенными теплообменниками является еще одним популярным вариантом систем drainback. Отдельный drainnback резервуар все-равно требуется, но при этом используется только один циркуляционный насос. Более крупные системы отопления помещений часто используют специальные drainback баки с несколькими теплообменниками. Большой теплообменинк в виде спиралей из нержавеющих или медных труб, погруженных в бак используются для передачи тепла к воде, аккумулирующей тепло, дополнительные теплообменники используются для извлечения тепла для различных систем. Резервные источники тепла, например котлы, могут обеспечить дополнительное тепловую энергию, включение их происходит автоматически при условии, что заданная температура не достигается за счет солнечного контура системы.

Выбор бака и комплектующих.

Выбор drainback резервуаров и комплектующих растет. Хотя есть вариант с использованием стандартного бойлера для горячей воды в качестве резервуара, или использовать резервуар со встроенным теплообменником ( с заполнения бака теплоносителем), доступны специализированные емкости и даже полностью укомплектованные системы.

Alternate Energy Technologies, Energy Labs, Heat Transfer Products, Radco всего лишь несколько производителей, которые делают drainback емкости для жилых помещений. Некоторые являются полностью укомплектованными системами, с drainback резервуаром, установленным в верхней части теплоаккумулятора, с насосами и контроллерами. Чаще всего применяются drainback резервуары с / без интегрированных теплообменников. Это делает систему максимально гибкой: модель с теплообменником может использоваться со стандартным или с четырех входным теплоаккумулятором; модель с баком можно использовать только с внешним теплообменником или с четырех входным теплоаккумулятором, или с теплоаккумулятором с строенным теплообменником. Модели с теплообменниками обычно производятся на объем от 25 от 75 литров; модели без обменников доступны в больших размерах. В некоторых моделях есть встроенное смотровое стекло в резервуаре. Модели с малыми резервуарами могут быть встроены в верхнюю часть теплоаккумулятора, экономя площадь в подсобном помещении.

Drainback резервуар компании SunEarth’s Copperstor сделан несколько с иным подходом. Модель предназначена для использования с внешним теплообменником или с теплоаккумулятором с встроенным теплообменником, это drainback резервуар внешне представляет собой лишь трубопровод с большим диаметром. Состоит из нескольких медных труб диаметром до 4″ (около 10см) установленых параллельно и вертикально, такой резервуар обеспечивает простой и легкий монтаж и доступен  в 20, 30 литровых вариантах. Резервуар Copperstor при заполнении водой становится достаточно тяжелым. В отличие от резервуара, который стоит на полу или на верхней части теплоаккумулятора, требует более мощного крепления, чем это предусмотрено для трубопровода, который проходит в / из него.

Trendsetter Solar Products и Morely Manufacturing, производят большие резервуары без давления для использования в системах отопления или в крупных системах горячего водоснабжения. Различные размеры и количество петель теплообменников позволяют проектировать различные большие системы.

Трубопроводы. Для эффективного дренажа (и предотвратить вакуумного разряжения) , все трубопроводы в контуре должны иметь уклон. Минимальный рекомендуемый уклон трубопроводов 2 см на 1 метр трубы, но рекомендуется делать больший наклон, особенно в неотапливаемых зонах и ​​на линии возврата от коллектора, вплоть до вертикальной установки.

Важно также надлежащим образом крепить длинные горизонтальные трассы трубопроводов. Даже если они смонтированы с правильным уклоном, с течением времени может появится места провисания, которые будут препятствовать дренажу и способствуют перемерзанию. Использование на один размер большего диаметра трубы (например, 1 дюйм, вместо 3/4-дюймовый) и монтируя два 45° фитинга вместо одного колена 90° может устранить ограничения потока.

Коллекторы. Коллекторы также должны иметь уклон в сторону дренажа, те же 2см на 1м , что и трубопроводы. Это означает, что входное отверстие должно быть на 2-2,5см ниже выходного отверстия, которое обычно расположено на противоположном краю коллектора. Коллектор также должна быть наклонен — не менее 25° и должен быть уложжен на крышах, имеющих угол 30° и более. Коллекторы должны быть установлены вертикально, c «портретной» ориентацией. Это необходимо для снижения вероятности провисания тонких труб (они должны располагаться вертикально) с течением времени под тяжестью теплоносителя, и в конечном итоге создание водных ловушек в низких точках коллектора.

Выбор циркуляционного насоса

В американских системах drainback являются популярными модели Taco 009 и Grundfos UP26-64 и UP26-96 из-за их проверенной надежности и способности поднимать теплоноситель на высоту более 9 метров в открытом контуре. Они в drainback системах, потребляют больше энергии, чем они же в гликолевых системах под давлением. Независимо от применяемого насоса, он должен пропускать обратный поток теплоносителя обратно в резервуар, когда насос выключается; большинство небольших циркуляционных насосов позволяет это делать, но убедитесь, что внутри нет встроенного обратного клапана (опция в некоторых моделях), так как это будет препятствовать дренажу контура.

Когда используется система с двумя насосами, циркуляционный на контуре бытового водоснабжения должна быть с крыльчаткой из бронзы или нержавеющей стали. Корпус из насоса из чугуна будет интенсивно корродировать  в течении нескольких месяцев из-за растворенного кислорода в воде. В общем случае рекомендовано применять насосы Taco 006 или Grundfos 15-18 SU, так как они потребляют гораздо меньше энергии, чем высоконапорные насосы, их легко обслуживать и менять по мере необходимости.

Источник: http://www.joule-watt.com/