Разное

Расчет солнечных коллекторов: Упрощённый тепловой расчет солнечного коллектора

- от alexxlab - Комментировать

Содержание

Расчет солнечного коллектора для отопления дома и ГВС


Использование гелиоколлекторов для системы теплоснабжения – способ существенно сэкономить на отоплении дома. Солнечное излучение бесплатно и доступно всем, а стоимость гелиосистем постоянно снижается. Правильный расчет солнечного коллектора для отопления дома позволит избежать лишних затрат на оборудование и организовать эффективную систему обогрева здания.

Большинство производителей, поставщиков и установщиков делают лишь приблизительный расчет солнечных коллекторов, но мы опишем все детально. В статье мы пошагово расскажем, как выполнить расчет гелиосистем для отопления, чтобы полностью обеспечить дом теплом зимой. Пусть вас не пугает количество формул – для подсчета потребуется обычный калькулятор. Ваши вопросы и мнение вы можете оставить в комментариях.

Расчет реальной мощности солнечного коллектора

Производители указывают максимальную мощность гелиоколлектора при полном освещении при направлении на юг и ориентации перпендикулярно солнцу в полдень.

Но не всегда можно так направить панели, особенно если их устанавливать крыше дома.

Ниже приводим формулы, которые универсальны и могут использоваться как для подсчета количества коллекторов, так для подсчета общей площади в квадратных метрах.

Подсчет эффективности гелиоколлектора по направлению

Рассчитать базовую тепловую производительность солнечного плоского или вакуумного коллектора можно по следующей формуле:

Pv = sin A x Pmax x S

Значения:

  • Pv – мощность солнечного коллектора;
  • A – угол отклонения плоскости гелиоколлектора от направления на юг;
  • Pmax – средний уровень инсоляции в вашем регионе в холодное время года.

Даже если солнце не скрыто облаками, в течении дня уровень инсоляции меняется, от чего зависит производительность коллектора. Усредненные данные видно на этом графике:

Данные на иллюстрации по дневному уровню инсоляции усредненные, но позволяют понять разницу между количеством тепловой энергии, которую можно получить в разное время года.

Максимальный уровень инсоляции зимой в среднем в 3-4 раза меньше, чем летом. Количество солнечной энергии, которую может получить гелиоколлектор за сутки зимой в 5-7 раз ниже (в зависимости от широты) чем летом.

Расчет производительности гелиоколлектора по углу установки

Оптимальный угол установки солнечного коллектора для отопления дома зимой – так, чтобы он был перпендикулярен солнечным лучам в 10 часов утра. Так он может собрать максимум тепловой энергии на протяжении светового дня.

Иногда не получается этого сделать (при установке на крыше, монтаже на стандартных опорах). Из-за отклонения от оптимального угла энергоэффективность коллектора может измениться. Рассчитать ее можно по такой формуле:

Pm = sin(180 — A — B) x Pv

Значения:

  • Pm – производительность гелиоколлектора;
  • A – угол между коллектором и плоскостью земли;
  • B – высота солнца над горизонтом в 10 часов утра;
  • Pv – найденная ранее мощность.

Если у вас есть возможность ориентировать солнечный коллектор так, чтобы он был перпендикулярен солнцу, тогда:

Pm = Pv

На фотографии обозначен угол наклона солнечного коллектора, который нужно использовать при вычислениях.

Особенности плоских панелей

Плоский гелиоколлектор имеет небольшие теплопотери через заднюю стенку, которые составляют в среднем 5 Вт на квадратный метр. Поэтому от полученного ранее значения реальной мощности P надо отнять 5 Вт на каждый квадратный метр площади.

Уровень поглощения солнечного излучения плоского гелиоколлектора ниже 100%. Это нужно учесть при подсчете его тепловой мощности. Если панель поглощает только 95%, то ее реальная мощность:

P = Pm x 0.95 х S

Значения:

  • Pm – мощность коллектора из формулы выше;
  • P – реальная производительность коллектора;
  • S – площадь коллектора.

Производительность вакуумного коллектора

Производители вакуумных коллекторов могут указывать мощность коллектора без учета расстояния между трубками. Чтобы определить, какова реальна площадь поверхности трубок и производительность вакуумного коллектора, воспользуемся формулой:

P = Pm x D / L

Обозначения:

  • P – реальная производительность солнечного коллектора;
  • Pm – мощность коллектора, рассчитанная ранее;
  • D – диаметр вакуумных трубок;
  • L – расстояние между трубками.

Термодинамические солнечные панели

С таким типом коллекторов все гораздо сложнее. Сейчас они не слишком распространены, производители экспериментируют с материалами и селективным покрытием. Разные модели отличаются уровнем поглощения и теплопотерями.

В целом, термодинамические солнечные панели имеют право на жизнь. Но мы бы не рекомендовали обустраивать отопление с их помощью. На рынке мало эффективных моделей, а те, которые есть, продают по завышенным ценам.

Сколько нужно солнечных коллекторов для отопления дома?

Независимо от того, какая система отопления установлена в доме, теплопотери у него будут одинаковыми.

Для точного просчета лучше обратиться к специалистам, но для получения примерных данных можно использовать онлайн-сервисы http://teplo-info.com/otoplenie/raschet_teplopoter_online.

Разделив полученные данные на значение P, вычисленное по последней формуле, вы узнаете, сколько гелиоколлекторов или квадратных метров коллекторов вам необходимо чтобы обеспечить отопление дома зимой.

Отдельно стоит напомнить, что в холодное время года есть нюансы с эксплуатацией гелиоколлекторов. Узнать об этом больше можно в статье «Как работает солнечный коллектор зимой – эффективность, проблемы и их решение».

Основная проблема змой — чистить коллекторы от холода.

Подключим горячее водоснабжение?

В дополнение к отоплению, к коллекторной солнечной системе можно подключить горячее водоснабжение. Для этого подсчитаем, сколько тепловой энергии вам необходимо тратить каждый день. Формула расчета солнечного коллектора для ГВС проста:

Pw = 1,163 x V x (T – t) / 24

Обозначения:

  • Pw – количество тепла, необходимое для подогрева воды;
  • V – средний объем горячей воды, расходуемый за сутки;
  • T – температура, до которой нужно подогреть воду;
  • t – температура, с которой вода поступает в систему.

Чтобы рассчитать необходимое количество дополнительных коллекторов для ГВС – разделите это значение на производительность солнечного коллектора P, полученное по последней формуле.

Советы по отоплению дома гелиоколлекторами

  • Плоские солнечные коллекторы эффективнее в теплое время года, а вакуумные трубки – зимой. В зависимости от модели и производителя разница может достигать 50%. Подробнее об этом вы можете прочитать в статье «Солнечный коллектор – плоский или вакуумный?».
  • На случай непредвиденной ситуации стоит иметь альтернативные источники тепловой энергии – конвекторы, газовый или твердотопливный котел, тепловой насос.
  • Обычно коллекторы поставляются вместе с отдельными баками-накопителями. Выгоднее будет приобрести отдельно плоские или вакуумные панели и один или два больших резервуара с хорошей теплоизоляцией. Чем меньше объем бака, тем быстрее он остывает.
  • Для организации эффективного отопления стоит иметь большой бак накопитель, в котором в светлое время суток коллекторы будут нагревать воду, а ночью она будет расходоваться на обогрев здания.
  • Наличие качественного контроллера в системе отопления позволит поддерживать заданную температуру, регулировать циркуляцию, устанавливать температурные режимы, задавать таймер включения.
  • Для автономного отопления дома солнечными коллекторами необходимо купить большое количество оборудования, оплатить его монтаж и подключение. Если вам это не по карману – можно использовать гелиоколлекторы как вспомогательную систему отопления.
  • Хорошей экономии можно достичь если использовать солнечные коллекторы в паре с тепловым насосом. Они будут нагревать воду, а тепловой насос – подогревать ее до необходимой температуры.
  • Если здание плохо утеплено, то использовать солнечные коллекторы эффективнее с водяным теплым полом. Он отдает максимум тепла в помещение, а не стенам, как радиаторы отопления.

Как видим, расчет солнечных коллекторов для отопления дома довольно прост. Конечно, специалист должен будет посчитать множество других нюансов, но они не смогут существенно повлиять на конечный результат.

В некоторых случаях обогрев здания коллекторами нецелесообразен, но в качестве дополнительного источника бесплатного тепла, гелиоколлекторы незаменимы.

Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!

Подбор и расчет вакуумных солнечных коллекторов

Расчет солнечных коллекторов гелиосистемы нужно выполнять в каждом конкретном случае отдельно, поскольку потребление горячей воды и нужды на отопление зданий зависят от множества всевозможных факторов.

Самым простым и от этого не менее эффективным способом расчета ориентировочного количества энергии, получаемой от солнечного коллектора в определенно взятом регионе, является метод, основанный на использовании данных об среднегодовой солнечной активности в этой местности и площади поглощения устройства.

Для оценки полноты обеспечения тепловой энергией солнечным коллектором воспользуемся статистическими данными.

Так, в среднем одно домохозяйство требует 2-4 кВт энергии для нагрева горячей воды в день на человека.

Объемы вырабатываемой энергии солнечным коллектором напрямую зависят от нескольких параметров, среди них:

  • уровень солнечной инсоляции в регионе эксплуатации устройства;
  • площадь поглощения прибора;
  • КПД коллектора;
  • угол наклона панелей к солнечному излучению.

    • Величину солнечной инсоляции для поверхности площадью 1 м² для разных регионов Украины можно найти в статистической отчетности по активности солнечного излучения в данном определенном регионе или в строительных данных по теплотехнике.

    Площадь коллектора можно узнать из паспортной документации солнечных гелиосистем.

    Величину КПД берем из диапазона 80 — 85% (паспортные данные).

    Принимаем оптимальный угол наклона апертурной поверхности относительно солнца для своей местности (согласно географической широте располагаемого объекта).

    В случае если найти точную информацию о солнечной активности в вашем районе не удается, можно воспользоваться данными средней инсоляции по регионам Украины с 1 м² на горизонтальной площадке.

    Еще один вариант – это воспользоваться эмпирической формулой: количество энергии на горизонтальной площадке умножить на 1,2.

    Методика расчета

    1. В технической документации к солнечным коллекторам производители указывают значение именно поглощающей площади.

    2. Исходя из паспортных данных поглощающей площади, указываемой для всего вакуумного коллектора Apricus (состоящего из 30 трубок) можно определить поглощающую площадь одной стеклянной трубки: 2,83 / 30 = 0,09 м².

    3. Теперь можно найти необходимое количество трубок, образующих 1 м² площади коллектора.

    Определение данного значения необходим по той причине, что повсюду величина солнечной энергии приводится именно из расчета на 1 м².

    Получаем: 1м² / 0,16 м² = 11,11.

    Другими словами 1 м² = 11 вакуумным трубкам коллектора.

    4. Чтобы определить, сколько трубок должен содержать солнечный коллектор для выработки необходимого количества тепловой мощности, необходимо знать величину тепловой мощности 1 трубки.

    Ее находим по формуле:

    Мощность 1 трубки (годовая) = Площадь поглощения 1 трубки х инсоляцию 1 м² для данного региона (годовую) х КПД коллектора.

    Из таблицы берем значения среднемесячной (берем 30 дней в месяце) инсоляции для Харькова. Месяц Январь,  Февраль,  Март,  Апрель, Май,  Июнь,  Июль,  Август, Сентябрь, Октябрь, Ноябрь, Декабрь:  32,1 56,1 88,5 118,8 157,5 156,6 157,5 140,1 93,6 58,2 30,6 25,8

    Тогда годовая инсоляция 1 м² для Харькова составит: 1115,4 кВт*час/м².

    Итого: Годовая мощность 1 трубки = 0,09 х 1115,4 х 0,8 = 80,3 кВт.

    5. Тепловая энергия, вырабатываемая 1м² солнечного коллектора в год, составит: 80,3 х 11 = 883 кВт.

    6. Рассматриваемый коллектор поглощающей площадью 2,83 м² вырабатывает: 883 х 2,83 = 2498,89 кВт = 2,5 МВт.

    Теперь вернемся к началу статьи, где говорилось о том, что в домохозяйстве на 1 человека тратится 2-4 кВт энергии для нагрева воды.

    Таким образом, при круглогодичном использовании в Харькове солнечного коллектора, состоящего из 30 стеклянных трубок площадью 2,83 м² и КПД = 0,8, в среднем в день можно получить: 2498,89 кВт / 365 = 6,8 кВт. Этой энергии достаточно для нужд семьи из 2-3 человек. Опять же все это приблизительные расчеты, полученные на основе усредненных данных.

    На практике вырабатываемой энергии может быть меньше, например, в пасмурный день, поэтому площадь коллекторов необходимо выбирать с запасом в 20%.

    Для правильной установки коллекторов гелиосистемы необходим выезд сертифицированного специалиста на объект установки гелио коллекторов.

    Из основных требований по установке необходимо обратить внимание на расположение относительно сторон света.

    Требования по установке коллекторов

  • Коллектор должен быть обращён лицевой стороной на экватор.

    • Гелиоколлектора будут работать, даже если ориентировать его на Восток или Запад, но это приведёт к уменьшению продуктивности, в зависимости от места и конфигурации системы.

  • Так же не маловажное значение имеет угол наклона установки.

    Для оптимальной годовой производительности, угол установки коллектора должен быть равен широте места установки. Отклонение +/- 10 градусов является приемлемым и сильно не влияет на производительность гелиосистемы.

    Если есть вероятность того, что летом производительность будет сильно превышать потребность в тепле, установите коллектор под углом на 15-20 градусов больше чем широта места установки. Это поможет уменьшить летнюю производительность и увеличить зимнюю.

    Например, при широте в 30 градусов, угол установки должен быть 45-50 градусов.

  • Коллектор не может быть установлен в перевернутом виде или с горизонтальным расположением труб, так как в этом случае он не будет функционировать.
  • Хотим обратить внимание на предотвращение затенения гелиоколлекторов. Коллекторы должны быть расположены таким образом, чтобы избежать затенения, по крайней мере, с 9 часов утра до 15 часов дня по местному времени. Частичное затенение из-за небольших объектов, таких как антенны и небольшие дымоходы, не вызывает серьезного уменьшения производительности.

    • Если соблюдать правильный подбор и расположение гелиосистемы, то Вашем доме всегда будет комфортно и уютно.

    Расчет коллекоров. Солнечные панели для нагрева воды.

    Дата добавления: 11.05.2016

    На сегодняшний день в Украине солнечные коллекторы преимущественно используются для нагрева воды. Реже для подогрева бессейнов или еще меньше для поддержки отопления (далеко не во всех существующих системах это возможно). Сейчас же для нашего примерного рассчета зададимся исходными данными для случая, когда необходимо приготовить горячую воду для собственного потребления.

    Исходные данные:

    Количество проживающих в доме (n)4 человека
    Суточная потребность в воде (V1)50 л/чел/сутки
    Желаемая температура горячей воды (tг)55 °С
    Температура холодной воды с водопровода (tх)10 °С
    Место нахождения домаг. Киев
    Ориентация крышиЮг, с азимутом 0°, угол наклона 35°

     

    Рассмотрим  методику подбора и расчета гелиосистемы для ГВС:

    1. Для начала, необходимо определится с необходимым количеством горячей воды:

    V = V1 × n

    V = 50л/сутки × 4 = 200 л/cутки  (0,2 м3/cутки).

     

    2. Исходя из расхода 200 л/сутки подберем бойлер косвенного нагрева подходящего объема. Как мы знаем вода нагревается солнцем на протяжении всего дня, поэтому чтобы перестраховаться в случае длительного пасмурного периода или большого разбора воды объем бойлера выбирается с запасом от 20 до 80%:

    Vб — от 1,2V до 1,8V

    В нашем случае объем бойлера:

    Vб — от 240 до 360 л.

    Выбираем с полученного диапазона бойлер объемом 300 л (0,3 м3). Руководствуемся наличием моделей и доступными ресурсами. В данном случае бойлер объемом 300 л — один из самых часто-используемых вариантов.

    Температуру в бойлере лучше выбрать выше температуры потребляемой воды. Во-первых, это даст возможность аккумулировать больше тепла и полностью использовать потенциал гелиосистемы, а во вторых температура выше 60°С предотвращает образованию вредных для здоровья бактерий – легионеллы.

    Настраиваем бойлер на температуру tб = 60 °С.

     

    3. Рассчитываем необходимое количество тепла, которое нужно затратить для нагрева воды в бойлере:

             Q = G ×Сp × (tб – tх)

    Q – необходимое количество тепла для нагрева бойлера, кВт*ч

    G – Расход горячей воды. Принимается равным объему бойлера Vб = 0,3 м3/cутки

    Сp – удельная теплоемкость воды, Ср = 1,161 кВт/кг×°С

    Q = 0,3 × 1,161 × (60 – 10) = 17,4 кВт×ч/сутки.

     

    4. Теперь выбираем солнечный коллектор и просчитываем его площадь, для обеспечения необходимого количества тепла.

    Просчитаем необходимое количество коллекторов Buderus SKN 4.0 (характеристики коллектора берем из паспорта):

    • Площадь абсорбера одного коллектора F1 = 2,18 м2
    • Оптический КПД коллектора η = 0,77

     

    Средний месячный уровень солнечной радиации (солнечная постоянная) в городах Украины (кВч/m2/день)

    Средний показатель за последние 22 года (По данным NASA)

    Регионы / Месяцы

    янв

    фев

    март

    апр

    май

    июнь

    июль

    авг

    сент

    окт

    ноя

    дек

    Средний

      Симферополь

    1,27

    2,06

    3,05

    4,30

    5,44

    5,84

    6,20

    5,34

    4,07

    2,67

    1,55

    1,07

    3,58

      Винница

    1,07

    1,89

    2,94

    3,92

    5,19

    5,3

    5,16

    4,68

    3,21

    1,97

    1,10

    0,9

    3,11

      Луцк

    1,02

    1,77

    2,83

    3,91

    5,05

    5,08

    4,94

    4,55

    3,01

    1,83

    1,05

    0,79

    2,99

      Днепропетровск

    1,21

    1,99

    2,98

    4,05

    5,55

    5,57

    5,70

    5,08

    3,66

    2,27

    1,20

    0,96

    3,36

      Донецк

    1,21

    1,99

    2,94

    4,04

    5,48

    5,55

    5,66

    5,09

    3,67

    2,24

    1,23

    0,96

    3,34

      Житомир

    1,01

    1,82

    2,87

    3,88

    5,16

    5,19

    5,04

    4,66

    3,06

    1,87

    1,04

    0,83

    3,04

      Ужгород

    1,13

    1,91

    3,01

    4,03

    5,01

    5,31

    5,25

    4,82

    3,33

    2,02

    1,19

    0,88

    3,16

      Запорожье

    1,21

    2,00

    2,91

    4,20

    5,62

    5,72

    5,88

    5,18

    3,87

    2,44

    1,25

    0,95

    3,44

      Ивано-Франковск

    1,19

    1,93

    2,84

    3,68

    4,54

    4,75

    4,76

    4,40

    3,06

    2,00

    1,20

    0,94

    2,94

      Киев

    1,07

    1,87

    2,95

    3,96

    5,25

    5,22

    5,25

    4,67

    3,12

    1,94

    1,02

    0,86

    3,10

      Кировоград

    1,20

    1,95

    2,96

    4,07

    5,47

    5,49

    5,57

    4,92

    3,57

    2,24

    1,14

    0,96

    3,30

      Луганск

    1,23

    2,06

    3,05

    4,05

    5,46

    5,57

    5,65

    4,99

    3,62

    2,23

    1,26

    0,93

    3,34

      Львов

    1,08

    1,83

    2,82

    3,78

    4,67

    4,83

    4,83

    4,45

    3,00

    1,85

    1,06

    0,83

    2,92

      Николаев

    1,25

    2,10

    3,07

    4,38

    5,65

    5,85

    6,03

    5,34

    3,93

    2,52

    1,36

    1,04

    3,55

      Одесса

    1,25

    2,11

    3,08

    4,38

    5,65

    5,85

    6,04

    5,33

    3,93

    2,52

    1,36

    1,04

    3,55

      Полтава

    1,18

    1,96

    3,05

    4,00

    5,40

    5,44

    5,51

    4,87

    3,42

    2,11

    1,15

    0,91

    3,25

      Ровно

    1,01

    1,81

    2,83

    3,87

    5,08

    5,17

    4,98

    4,58

    3,02

    1,87

    1,04

    0,81

    3,01

      Сумы

    1,13

    1,93

    3,05

    3,98

    5,27

    5,32

    5,38

    4,67

    3,19

    1,98

    1,10

    0,86

    3,16

      Тернополь

    1,09

    1,86

    2,85

    3,85

    4,84

    5,00

    4,93

    4,51

    3,08

    1,91

    1,09

    0,85

    2,99

      Харьков

    1,19

    2,02

    3,05

    3,92

    5,38

    5,46

    5,56

    4,88

    3,49

    2,10

    1,19

    0,9

    3,26

      Херсон

    1,30

    2,13

    3,08

    4,36

    5,68

    5,76

    6,00

    5,29

    4,00

    2,57

    1,36

    1,04

    3,55

      Хмельницкий

    1,09

    1,86

    2,87

    3,85

    5,08

    5,21

    5,04

    4,58

    3,14

    1,98

    1,10

    0,87

    3,06

      Черкассы

    1,15

    1,91

    2,94

    3,99

    5,44

    5,46

    5,54

    4,87

    3,40

    2,13

    1,09

    0,91

    3,24

      Чернигов

    0,99

    1,80

    2,92

    3,96

    5,17

    5,19

    5,12

    4,54

    3,00

    1,86

    0,98

    0,75

    3,03

      Черновцы

    1,19

    1,93

    2,84

    3,68

    4,54

    4,75

    4,76

    4,40

    3,06

    2,00

    1,20

    0,94

    2,94

    Количество тепла Q вырабатываемое системой определяется по формуле:

    Q = q × Fсум × η  где

    q — средний месячный уровень радиации, кВт×ч/м2/день (с таблицы)

    Fсум – суммарная площадь гелиополя, м2

    η — оптический КПД коллектора

    Для предотвращения перегрева, систему необходимо рассчитывать на летний пик, то есть брать максимальное значение месячного уровня радиации за год. В данном случае у нас это МАЙ и ИЮЛЬ со значением 5,25.

     

    5. Найдем необходимую площадь гелиополя:

    Fсум = Q / (q × η)

    Fсум = 17,4 / (5,25 × 0,77) = 4,3 м2.

     

    6. Необходимое количество солнечных коллекторов:

    n = Fсум / F1

    n= 4,3 / 2,18 = 1,97 » 2 шт.

    Таким образом мы подсчитали, что для семьи из 4 человек проживающих в Киеве, основными компонентами гелиосистемы будут бак аккумулятор на 300л и 2 солнечных коллектора SKN 4.0. Таким способом можно просчитать необходимое количество коллекторов для любой системы – будь то подогрев басейна, поддержка отопления или же приготовление горячей воды. Нужно только знать необходимое количество тепла и характеристики коллектора. 

    Нужны солнечные панели для нагрева воды? Обращайтесь.


    org/Rating»> Как рассчитать необходимое количество солнечных коллекторов? — Рейтинг темы: 5.00 из 5.00 проголосовавших: 122