Проект солнечного и дровяного водонагревателя с оптимизированным алгоритмом работы

Наверняка практически все самодельщики пытались сделать себе солнечный водонагреватель. А если и не пытались, то хоть задумывались над этим. И большинство даже реализовавших свои замыслы остались недовольными полученными результатами. Давайте разберемся, почему и как это исправить.

Немного субъективных ощущений

Воду по температуре можно субъективно разделить на холодную, теплую и горячую. Холодная — это вода непосредственно из источника, примерно до 25 градусов. При контакте она создает ощущение прохлады. Вода с температурой от 25 до 45 градусов воспринимается человеком как теплая. Она создает комфортные ощущения, ее можно использовать для омывания тела и хоз.нужд. Вода с более высокой температурой является уже горячей или обжигающе горячей. Непосредственный контакт с ней грозит ожогами кожи, но она очень эффективна при стирке и хороша тем, что запасет в себе очень много тепла, и ее всегда можно разбавить холодной водой до комфортной температуры. Именно поэтому всегда есть смысл нагревать воду до максимально возможной температуры. С последующим разбавлением до нужной. Это просто экономически выгодно.

Немного физики

Известно, что теплоемкость воды составляет ок. 4200 Дж/кг*град. Т.е. что бы нагреть 1 литр воды (1 кг) на 1 градус, надо сообщить ей тепла в количестве 4200 Джоулей. Другой известный факт тот, что на каждый квадратный метр поверхности перпендикулярной солнечным лучам падает около 600-800 Дж в секунду (или 600-800 Вт).

Возьмем условный солнечный коллектор с площадью облучения ок. 1 кв. метра и средней мощностью 500 Вт (т.е. 500 Дж/сек) и рассчитаем, какое количество воды он может нагреть и за какое время.

Из расчетных графиков видно, что чем меньше количество воды мы нагреваем фиксированной мощностью, тем быстрее она нагреется до состояния горячей. «Полка» вверху графиков означает, что как показала практика, нагреть воду до температуры выше 80-85 градусов прямыми солнечными лучами довольно трудно — резко растут теплопотери в самом солнечном коллекторе. Исключение составляют солнечные коллекторы с концентрирующими зеркалами или вакуумными термоизоляторами. Больше тепла они не дают, а просто нагревают теплоноситель (его меньшее количество) до более высокой температуры Например, нашим солнечным коллектором 1 литр воды нагреется до 70 гр всего за 8-10 минут. А вот 50 литров прогреются до мало-мальски горячего состояния только часов за 5-6…

Реализация

Но это графики расчетные, для абсолютно ясного дня. А такие дни в средней полосе России бывают не часто даже летом. Что уж говорить про демисезонное время года. Иными словами – все еще хуже, чем на графике. В этом и кроется основная ошибка самодельщиков строителей солнечных водонагревателей. Они не согласовывают количество воды, находящейся в системе солнечной водогрейки с мощность солнечного коллектора. Горячей воды хочется иметь побольше, а коллектор хочется сделать поменьше. В результате все превращается в лучшем случае просто в эксперимент, в худшем – в баловство и порчу материалов.

С другой стороны, Солнце — крайне нестабильный поставщик тепла с точки зрения солнечного коллектора. У нас не Греция и не Испания, где 300 солнечных дней в году. Даже в дни с переменной облачностью солнце выглядывает из-за облаков на несколько минут, а затем на столько же времени и прячется. И крайне сложно предугадать и количество солнечных дней, и их качество, количество солнечной энергии, и количество горячей воды, которое потребуется. Тем более, что чем пасмурнее и холоднее, тем больше ее требуется. Это может служить некоторым оправданием неудач, но задачу все равно надо решить.

Определенным решением данной проблемы, на мой взгляд, может служить постройка (или доработка существующего) солнечно-дровяного водонагревателя с адаптивным алгоритмом подготовки горячей воды. Примерная схема (упрощенная) представлена на эскизе. В принципе – это стандартная схема обычного солнечного водонагревателя. «Изюминка» системы заключается в том, что вода в накопительный бак – термос поступает не сразу из водопровода, а через специальный термоклапан. Термоклапан открывается только тогда, когда уже имеющаяся в баке вода прогреется до определенной температуры. Т.е. система начинает работать с минимальным количеством воды, быстро его прогревает и доливает в себя воду только при условии, если может ее нагреть. Если нет поступления тепла в систему, то нет и поступления воды.

Логика работы этого оптимизированного солнечного водонагревателя достаточно простая. Поскольку для максимально быстрого нагревания нам нужно минимально возможное количество воды для циркуляции в солнечном коллекторе, именно с нее и начинается работа солнечного водонагревателя. Допустим, это всего 5 литров воды. Минут через 10-15 солнечного облучения нашего 1-метрового солнечного коллектора она нагреется до состояния горячей. Термоклапан откроется и впустит небольшую порцию воды, буквально несколько сот граммов. Эта вода так же быстро нагреется (если есть солнце) и термоклапан впустит еще порцию. И так будет до тех пор, пока солнце освещает солнечный коллектор. Если нагрев воды в коллекторе прекратился, тут же прекратится и долив холодной воды в систему.

Температура воды в баке практически постоянная, около 60 градусов (устанавливается термоклапаном), но если продолжается поступление тепла, то растет не температура воды, а количество нагретой воды. Таким образом удалось идеально согласовать мощность солнечного коллектора с количеством воды находящейся в системе. Каков бы ни был солнечный коллектор по размерам, он всегда сможет подготовить некоторое количество горячей (именно горячей, а не едва теплой) воды. Разумеется, чем больше солнечный коллектор, тем больше будет его производительность и тем больше воды он нагреет.

Конечно, может возникнуть ситуация, когда в баке осталось много воды и наступает затяжное ненастье, и как бы ни был утеплен бак-термос, вода в нем остывает. И если даже выглянет солнце, то объем воды в системе достаточно велик, что бы она вся быстро прогрелась. В этом случае всю остывшую воду можно слить (используя ее как холодную для полива, например), что бы перезапустить систему. Но горячая вода нужна и в пасмурные дни. Поэтому будет разумнее дополнить водонагреватель еще и печкой – водогрейкой. Но опять таки – с минимальным объемом теплообменника. В этом случае вы сможете очень небольшим количеством дров, горючего мусора, обрезками веток и хворостом очень быстро прогреть имеющуюся в баке воду. Ведь всего 1 кг дров даст вам примерно 12.000 кДж… И такого количества тепла достаточно, что бы нагреть 100 литров воды на 30 градусов ( с 20 до 50, например). При этом оптимальный алгоритм работы сохраняется. Добавление свежей воды начнется только после прогрева всей уже имеющейся.

Детали

Поскольку уровень воды в баке термосе будет постоянно меняться из-за поступления свежей воды и расхода горячей, а так же из-за того, что вода при нагреве дегазируется (выделяет растворенные в ней газы), бак необходимо сделать не герметичным. Оставив отверстие для выхода – входа воздуха. Соответственно надо принять меры и по защите бака от переполнения. Для этого устанавливается поплавковый клапан. При наполнении бака он закрывается и тогда вода действительно начинает нагреваться выше температуры установленной термоклапаном. Конструкция поплавкового клапана обсуждалась на форуме.

Термоклапан, его устройство, принцип работы и испытания представлены в статье «Устройство термоклапана» и так же обсуждалось на форуме.

Для снижения теплопотерь в системе все трубопроводы следует термоизолировать . Бак так же надо покрыть термоизоляцией и исключить попадания осадков на теплоизолятор. Солнечный коллектор следует ориентировать на юго-восток, так как наиболее ясное время дня — первая его половина. После полудня часто «натягивает» облака. Тогда практически к полудню вся вода в водонагревателе будет уже горячей. Оптимальный угол наклона солнечного коллектора 40-60 градусов для работы в демисезоны и летом. Лучше иметь возможность изменения угла наклона.