Самодренируемые системы солнечного теплоснабжения (СДС или DBS — Drainback Systems) солнечного теплоснабжения являются одними из перспективных направлений развития гелиотехники [1]. Особенностью их конструкции является опорожнение солнечных коллекторов от теплоносителя при остановке насоса гелиоконтура в специальный бак (drainback tank) или бак-аккумулятор (рис. 1).
Параметры теплоносителя СДС описываются уравнением Бернулли:
где р1 и р2 — статистические давления в нижней и верхних частях гелиоустановки; ρ — плотность теплоносителя; g — ускорение; h1 и h2 — высоты столбов теплоносителя; v1 и v2 — скорости теплоносителя; Ρgh1 и ρgh2 — гидростатические давления; ρv12/2 и ρv22/2 — динамические давления.
Одним из условий надёжной работы СДС является недопущение вскипания теплоносителя в солнечных коллекторах.
Давление в верхней части гелиоустановки определяется по формуле:
При пуске СДС с заполнением гелиоконтура необходимо обеспечить скорость движения теплоносителя:
Широкое применение СДС получили в Нидерландах, где с 1980 года были ужесточены нормативные требования к теплоносителям гелиоустановок. Так, при использовании гликолевых теплоносителей предписывалось применение двойных теплообменников для предотвращения попадания гликолей в организм человека. Уже в 2000-е годы в этой стране 80 % всех гелиоустановок строились самодренируемыми. В 1980-е годы в Европе и Соединённых Штатах Америки были запатентованы десятки конструкций СДС.
В настоящее время широко применяются самодренируемые системы солнечного теплоснабжения как с металлическими, так и с пластиковыми солнечными коллекторами.
Ботпаевым Р. и соавторами выполнен [2] анализ 50 конструкций СДС с площадью солнечных коллекторов от одного-двух до нескольких тысяч квадратных метров. Отмечается, что их доля на европейском рынке составляет около 20 %. Самая большая в мире самодренируемая система солнечного теплоснабжения площадью 2400 м2 построена в городе Бреде в Нидерландах для теплоснабжения кондитерской фабрики.
Типизация СДС по гидравлической конфигурации наиболее точно выполнена в [2]. На рис. 2 представлено восемь схем. Схема «а» с воздушным компрессором не получила широкого применения. При отключении компрессора существует опасность размораживания системы. Схема «б» с баком под атмосферным давлением получила в России наиболее широкое применение. Она отличается простотой и надёжностью. Схема «в» с прямым дренажом имеет низкую надёжность. При срабатывании сбросных клапанов теряется теплоноситель. Схему «г» с термосифонной циркуляцией не следует относить к СДС. При срабатывании сбросных клапанов теряется не только теплоноситель из коллекторов, но и из бака-аккумулятора. Схема «д» со специальным дренажным баком после коллектора получила широкое применение, в том числе для ГУ большой мощности. Схема «е» с увеличенной вместимостью змеевика бака обычно применяется для ГУ малой мощности. Схема «ж» с баком под атмосферным давлением и змеевиком нагреваемой воды является разновидностью схемы «б». Схема «з» со специальным дренажным баком до коллектора не получила распространения.
Ботпаев Р. и соавторы в [2] отмечают достоинства СДС: возможность снижения стоимости (при их сооружении в гелиоконтуре отсутствует избыточное давление и перегрев, что делает возможным применение пластиков); упрощение конструкции (отсутствуют теплообменник гелиоконтура, предохранительные устройства); повышенная безопасность из-за отсутствия в гелиоконтуре избыточного давления; отсутствует завоздушивание; наблюдается повышение тепловой мощности при замене теплоносителей на основе гликолей водой; защита от замерзания и перегрева; возможность применения для периодически работающих объектов (спортивные центры; гостиницы); быстрый запуск после остановки. В данной работе отмечены также недостатки СДС: необходимость тщательного монтажа, в том числе обеспечение заданных уклонов; особые требования к конструкции солнечных коллекторов и другим компонентам гелиоустановки; опасность коррозии гелиоконтура; балансировка коллекторов по гидравлике и удаление воздуха; значительный уровень шума; возможность образования органических веществ в гелиоконтуре.
Мировыми лидерами в производстве СДС являются Норвегия (до 70 % всех ГУ выполняют самодренируемыми), США (20 %), Франция (15 %). В большинстве СДС (86 %) применяются плоские СК при равном соотношении регистровых и змеевиковых гидравлических схем абсорберов. Вакуумные и пластиковые СК не получили в СДС широкого применения (9 и 5 %, соответственно). Для обеспечения дренируемости диаметры трубок СК должны быть больше 10 мм. В качестве теплоносителя применяют химически очищенную воду и составы на основе гликолей. Давление в гелиоконтуре ≤ 1 бар. В СДС используют три вида насосов гелиоконтура: с частотным регулированием, последовательным соединением двух (как правило) и более насосов, специальные конструкции насосов.
В статье отмечается, что наибольшая эффективность достигается при использовании насосов с частотным регулированием. В СДС применяют в основном центробежные насосы (96 %), лопастные насосы составляют 2 %, шестерёнчатые — 2 %. Обвязка СК и оборудования СДС выполняется в основном медными и стальными нержавеющими трубами. Уклоны труб от солнечных коллекторов к дренажным бакам составляют от 21 мм/м по американским нормам ASHRAE до 10 мм/м у европейских фирм.
В работе [3] отмечены следующие дополнительные требования к гидравлике СДС: рекомендуется применять только дренируемые солнечные коллекторы; трубы до и после СК выполняют с уклоном в сторону дренажных баков; необходимость дополнительных объёмов для удаления воздуха (специальные баки или увеличение вместимости бака-аккумулятора); насос должен обеспечивать заполнение СДС и преодоление гидравлических сопротивлений солнечного коллектора и труб; после насосов обратный клапан не устанавливается.
Разнообразием технических решений отмечаются СДС французской фирмы Tecsol [4]. Ею построено 40 таких установок общей площадью 2325 м2. На рис. 3 представлена типовая схема гелиоустановки данной фирмы. Гелиоустановка включается в работу при солнечной радиации более 150 Вт/м2 и останавливается при 120 Вт/м2. Насос гелиоконтура 9 включается в работу при температуре в теплообменнике гелиоконтура 8 на 7 °С выше, чем в баке-аккумуляторе 4. Защита насосов от перегрева настроена на их останов при температуре 85 °С. В гелиоконтуре соотношение объёмов: жидкость — %, воздух — 1А. Максимальное давление теплоносителя в гелиоконтуре — 1 бар.
В России наибольшее применение получили открытые СДС площадью свыше 20 м2. Такие установки на 20-30 % дешевле обычных, не требуют дорогостоящих теплоносителей.
В городе Краснодаре для горячего водоснабжения (ГВС) отеля по ул. Постовой разработана и построена самая большая в России самодренируемая система площадью гелиополя 178 м2 [5]. Расчётная производительность данной гелиоустановки определялась по результатам оптимизационных расчётов по расчётному расходу тепловой энергии на ГВС и мощности гелиоустановки при различных конструкциях СК при заданной площади кровли здания. К установке приняты СК производства Ковровского механического завода (КМЗ). Данная конструкция при минимальной стоимости в 2010 году из всех СК на российском рынке имела возможность применения в самодренируемой системе солнечного теплоснабжения (регистровая конструкция и низкое гидравлическое сопротивление абсорбера). Схема обвязки блоков солнечных коллекторов выполнена по принципу Тихельмана из условия выравнивания гидравлических сопротивлений, солнечные коллектора смонтированы на плоской кровле здания на отметке 36 м [5].
На рис. 4 представлена схема гелиоустановки. Баки-аккумуляторы (2 шт.) вместимостью по 10 м2 выполнены из нержавеющей стали. Один бак работает с СК, и после нагрева вода поступает во второй бак. Оба бака гидравлически соединены параллельно. Конструкции баков разработаны из условия расчётного режима работы и установки со сливом воды из СК (максимальный уровень воды). Циркуляция воды в гелиоконтуре обеспечивается насосами Grundfoss CR 10-05F, CR 10-07F (рабочий, резервный). Расход — 23 м3/ч, напор — 4 бар, мощность электродвигателя — 4 кВт. Характеристики насосов выбраны из условия расчётного расхода через СК и обеспечения избыточного давления в верхней части гелиоустановки. Схема автоматизации работы гелиоустановки предусматривает запуск в работу и остановку при разнице температур в СК и перед насосами ± 3 °C. Управление обеспечивается контроллером 2ТРМ1. Для предотвращения гидравлических ударов при остановке насосов обеспечивается закрытие клапана 3.
На рис. 5 представлен график изменения давлений в контуре гелиоустановки в Краснодаре при отключённом клапане 3 (нормально открыт). В предпусковом режиме А-В давление перед неработающим насосом (0,2 бар) определяется высотой столба воды в баках-аккумуляторах. При пуске насоса процесс заполнения солнечных коллекторов водой В-С с вытеснением воздуха приводит к некоторому превышению давления (3,6 бар) с дальнейшей стабилизацией у значения 3,4 бар. Продолжительность данного режима 20 с. Далее гелиоустановка работает в расчётном режиме (С-D). При остановке насоса (точка D) вода из гелиоконтура сливается в баки-аккумуляторы (режим D-А). При этом через 7-10 с имеют место отрицательные значения до 0,2 бар. Волновой процесс через 50-60 с стабилизируется с давлением 0,2 бар (точка А). При остановке насоса в режиме Д-А в левой части гелиоконтура (рис. 4) возникают гидроудары, которые не полностью гасятся расширительным баком 12.
На рис. 6 приведён график изменения давлений в гелиоконтуре при включённом клапане 3 и установке обратных клапанов насосов 10. В предпусковом режиме А-В давление после насоса (3,2 бар) несколько ниже рабочего (3,4 бар). Оно определено высотой столба воды над обратным клапаном насоса при закрытом клапане с электроприводом 4. При пуске насоса режим В-С-D существенно не отличается от рис. 5. При остановке насосов клапан 3 закрывается, обеспечивая избыточное давление в гелиоконтуре 3,2 бар.
При повторном запуске насоса потребуется только создание избыточного давления 0,2 бар в гелиоконтуре, что приводит к уменьшению его мощности и затрат электроэнергии. При этом также исключаются гидроудары.
