Интегриране на соларна енергия в топлофикационни мрежи

Системите за получаване на соларна енергия за подгряване на вода за битови нужди и за поддържане на отоплителни инсталации, работещи в комбинация с локални източници на топлина, са добре познати и са с широко приложение. При по-малките инсталации се прилагат отделни решения, които се предлагат от производителите като готови системи. Използването на соларна енергия чрез въвеждане на сезонни резервоари за съхранение на топлина в големите градски системи за разпределение на топлинна енергия е възможно и оправдано от технологична гледна точка, но що се отнася до инвестиционните разходи, те са значително по-неикономични. Затова е важно да се търсят други алтернативи.
Аналогично на соларните инсталации, работещи в комбинация с локални бойлерни станции, може да се счита, че такива решения, когато се интегрират с абонатни станции, захранени от градските разпределителни системи на топлина, могат да намалят консумацията на първична енергия за подгряване на вода за битови нужди с 40-60%.

Периодите на по-голямо търсене на топлинна енергия не съответстват на периодите на слънцегреене, което води до необходимост от съхранение на енергия. За да се удовлетвори търсенето, след като съхранената енергия е изчерпана, трябва да се инсталират конвенционални източници на топлина. Съществуват няколко различни вида системи, поддържащи затоплянето на водата. Един вид са пасивните (термосифонни) системи, при които се използва разликата в плътността на водата или друга работна течност в колектора или резервоара за съхранение.

Друг вид са активните системи. При тях циркулацията на водата или друга работна течност се осъществява чрез циркулационна помпа. Освен това, съществуват и системи, при които няма циркулация на вода или друга течност като енергията се съхранява вътре в колектора (т.н. колектор за съхранение). Колекторът за съхранение има селективно покритие и прозрачна изолация от страната, изложена към слънчевата светлина, докато останалите страни са изолирани с обичайните материали.

Системите, използващи антифризен разтвор като течна среда, преобладават и обменът на топлина между средата и подгрятата вода може да стане в нагревателите, съхраняващи вода, или във външни топлообменници. При по-големите системи съхранението на соларна енергия се извършва в буферни резервоари, а допълнителното подгряване се осъществява във външни топлообменници. Допълнителното подгряване на водата за битови нужди от външния източник на топлина, както конфигурирането и броят на резервоарите за съхранение, могат да бъдат организирани по различни начини. Използването на антифризен разтвор, циркулиращ в колектора, дава възможност за целогодишна работа на инсталацията.

Различават се две групи резервоари, съхраняващи енергия. Едната група е с пълно смесване като температурата на водата е почти една и съща в целия обем на резервоара. Другата група е с термална стратификация, т.е. с вертикален температурен градиент (при добре изолиран резервоар радиалният температурен градиент е незначителен). Термалната стратификация има повече предимства от гледна точка на ефективността на инсталациите и съхранението на подгрятата вода, която е с висока температура на изхода на резервоара и с ниска температура на смукателния вход на колектора. Тя зависи от геометрията на резервоара – неговите форма и обем, както и от разположението на тръбните щуцери и други елементи, които могат да попречат на стратификацията, като топлообменници (серпентини) и електрически нагреватели. Препоръчително е съотношението на височината към диаметъра на резервоарите да бъде в обхвата между 3:1 и 4:1.

Някои технически решения, например системите с директен поток и външен топлообменник, поддържат стратификацията, докато други, като резервоарите с вградени топлообменници, затрудняват стратификацията. Резервоарите трябва да бъдат направени от материали с ниска степен на термична проводимост, най-добре от пластмаса, да са добре изолирани и не трябва да съдържат елементи с висока термична проводимост. При добре конструираните резервоари стратификацията е спонтанна, а липсата й означава, че такива резервоари са неправилно конструирани и имат неподходящи работни параметри. В случай на резервоари с топлообменници, спиралните топлообменници влияят в малка степен на стратификацията.

Ако топлообменникът е разположен в долната част на резервоара, пълното смесване на водата се осъществява само над него, докато ако той е разположен само в горната част, активният обем на резервоара е на практика ограничен в областта, където е топлообменникът. По подобен начин, погрешно разположеният нагревател може да елиминира стратификацията. Затова той следва да бъде монтиран в близост до щуцера на тръбата за засмукване на топла вода, над смукателния вход на колектора или над топлообменника. Най-доброто решение е да се използват подгревателни системи извън резервоара.

Характеристики на типични соларни системи за подгряване на вода за битови нужди
Инсталациите със соларни колектори се използват главно за подгряване на топла вода за битови нужди и по-малко за поддържане на централните отоплителни системи. Бойлерните станции се използват като допълнителни източници на топлина. Принципите за комбиниране на бойлерни станции с инсталации със соларни колектори са добре известни и в случай на по-малки инсталации за самостоятелни къщи се предлагат като стандартни системи.

Подходящият избор на инсталации със соларни колектори изисква познаване на широк обхват от данни, характеризиращи системата за подгряване на водата и в частност очакваното дневно и годишно потребление на топла вода. Когато се дефинира очакваното потребление на топла вода, следва да се имат предвид нормите на потребление, които за самостоятелни къщи са около 80dm2 на човек за един ден, а за многофамилните сгради са около 40-60dm2 на човек за един ден. Ако бъдат приети нереално завишени нива на очаквано потребление на топла вода, това може да доведе до преоразмеряване на инсталацията като подгряващата среда може да бъде прегрята и ефективността на инсталацията намалява. Площта на соларните колектори трябва да бъде определяна въз основа на очакваното годишно потребление на енергия и техните характеристики. Изборът на елементите на инсталациите със соларни колектори зависи от площта на колекторите и следва да се извършва в съответствие със спецификациите на продуктите. Подборът на главните елементи, осигуряващи работата на инсталацията, например предпазен вентил и диафрагмен резервоар, трябва да се извършва в съответствие с принципите, определени от съответните стандарти.

Технологичните системи на инсталациите със соларни колектори зависят от площта на колекторните повърхности и профила на очакваното потребление на топла вода. При по-малките инсталации с площ на соларните колектори до около 10m2 се използват главно бивалентни нагреватели, чийто обем зависи от профила на очакваното потребление на нива 1.5 – 2.0 от дневната консумация на топла вода. В средните по големина инсталации с площ на соларните колектори до около 40m2 могат да се използват системи, състоящи се от два стандартни нагревателя. Трябва да се отбележи, че с увеличаване площта на колекторите е необходим по-голям капацитет на нагревателите за топла вода за битови нужди, а именно 30 - 50dm2/m2 при плоски колектори и 70 - 100dm2/m2 при вакуумни колектори. При по-големи инсталации с площ на соларните колектори над 50m2 се използват само буферни резервоари за топла вода. Това е така, тъй като от хигиенна гледна точка се изисква периодично подгряване на водата до минимум +70°C, а същевременно, с увеличение на капацитета на нагревателите ефективността на инсталацията намалява.

Абонатни станции, поддържани от соларни колектори
При многофамилните жилища се използват основно серийни и паралелни абонатни станции като поради размера на сградите, площта на соларните колектори трябва да бъде над 50m2. Следователно, за целите за акумулиране на енергия инсталациите се нуждаят от буферни резервоари за подгряване на вода или съдове за топла вода за битови нужди. Размерът на тези резервоари представлява основна пречка за използване на колекторни инсталации в съществуващите сгради (абонатни станции).

Съществуват няколко варианта на технологични системи, комбиниращи серийни и паралелни абонатни станции с инсталации със соларни колектори. При първия вариант водата за битови нужди се загрява в топлообменници, които са основните елементи на абонатната станция. В зависимост от температурата на горещата вода в буферния резервоар, подгряването в топлообменниците на ниво I и ниво II използва само вода от мрежата или вода от буферния резервоар в паралелен режим, т.е. водата от буферния резервоар се насочва към топлообменника на ниво I и водата за битови нужди се подгрява от вода от мрежата в топлообменника на ниво II. Превключването на подряващите циркулации се управлява от автоматичен вентил. Един основен недостатък на този вариант включва свързването на циркулация на вода от мрежата и топла вода от буферния съд.

Друг недостатък е ограничаването на възстановяването на соларната енергия през преходните периоди, изразяващо се в затруднен контрол на функционирането на помпата, създаваща потока през буферния съд, както и на управляващата автоматика през различните цикли на работа на системата. Тези недостатъци могат да бъдат отстранени до голяма степен чрез решението от втория вариант, при което водата за битови нужди се подгрява от соларната енергия, акумулирана в буферния резервоар, и това се извършва само в допълнителния топлообменник. Топлообменникът трябва да е с такава големина, която да гарантира, че водата за битови нужди ще бъде загрята до желаната температура (от +55 до +60°C при многофамилни жилища) през летния период и през периодите от време, когато инсталациите със соларни колектори покриват цялото потребление на топлина. Водата, подгрята в топлообменника, се насочва към инсталациите за вода за битови нужди. През другите периоди, в зависимост от температурата на водата за битови нужди на изхода на допълнителния топлообменник, водният поток се насочва към топлообменика на ниво I или този на ниво II на базовата абонатна станция. От гледна точка на изискваната големина на спомагателния топлообменник и управлението на потока топла вода от топлообменника това решение не е подходящо за сгради с променливо потребление на топла вода за битови нужди. При такива сгради се препоръчва трети вариант, при който, в сравнение с втория вариант, се използва съд за вода за битови нужди. Системата изисква инсталиране на значително по-малък топлообменник, захранващ съда в периоди на по-ниско потребление на вода за битови нужди, като се опростява управлението и работата на захранващата помпа. При това техническо решение резервоарът съхранява гореща вода само през периодите от време, когато работят соларните колектори. В случай, че резервоарът се използва целогодишно, необходимо е да се направи модификация. Трябва да се отбележи, че капацитетът на резервоара за вода за битови нужди е значително по-малък в сравнение с този на буферния резервоар. По аналогия с технологичните системи със соларни инсталации в комбинация с бойлерни станции, може да се предположи, че капацитетът на резервоара не трябва да превишава с повече от 15% дневното потребление на вода за битови нужди. Решението, представено в третия вариант, може да бъде опростено чрез използване на резервоар, изпълняващ функцията на нагревател за съхраняваната вода (с вградена серпентина).

От своя страна, обаче, това решение би било неблагоприятно от гледна точка на стратификацията на водата в резервоара, както и в случай на по-големи инсталации от гледна точка на интензивността на топлообмена. Такива системи могат да се използват за сгради с пиково потребление на вода за битови нужди, при положение, че е инсталиран нагревател с подходящ размер. Необходимостта от инсталиране на резервоари с голям обем за вода за битови нужди елиминира ползата от натрупването на соларна енергия в буферните резервоари за топла вода.

Системата, в която соларната енергия се съхранява в резервоара за вода за битови нужди, представлява нов, четвърти вариант. По време на интензивно слънцегреене, водата за битови нужди в резервоара се загрява до +60°C, докато през другите периоди от време се загрява, както при втория и третия вариант. Размерът на резервоара може да бъде намален, ако водата за битови нужди е загрята над +60°C през летния период. В този случай четвъртият вариант трябва да бъде модифициран.