Основным и самым дорогостоящим элементом системы солнечного теплоснабжения (ССТ) является солнечный коллектор (СК). Поэтому задача повышения его тепловой эффективности и оптимизации массогабаритных характеристик и параметров теплотехнического совершенства находится в постоянном поле зрении многих исследователей.

В 2020 году в мире общая площадь установленных СК в составе различных гелиоустановок составила 715 млн м² [1].

При этом с 2000 по 2020 годы общая площадь установленных СК в мире увеличилось в 7,6 раза [1], из которых более 71% составляют трубчатые вакуумированные СК [1], в большинстве из которых используются двухслойные трубки китайского производства [2]. Остальные 29% приходится на плоские солнечные коллекторы (ПСК), которые нашли широкое применение в европейских странах.

Следует заметить, что темпы применения СК в настоящее время уменьшаются, а производство СК в мире постоянно падает [2]. На европейском рынке СК также наблюдается застой: объем ввода коллекторов в эксплуатацию сокращается на протяжении более десяти лет. Начиная с 2009 года, основной задачей европейской гелиотехнической науки стал поиск путей снижения стоимости плоских солнечных коллекторов и систем солнечного теплоснабжения в целом [2].

В течение последних 15 лет массогабаритные характеристики и параметры теплотехнического совершенства плоских СК практически не изменились. Они являются достаточно хорошо отработанными в мировой практике, и вышли на параметры близкие к своим предельным значениям [2]. Иначе говоря, существенного повышения эффективности использование солнечной тепловой энергии в ССТ за счёт совершенствования массогабаритных характеристик и теплотехнических параметров отдельных конструкций ПСК в обозримом будущем не приходится.

Поэтому представляется перспективным повышение эффективности использования существующих плоских солнечных коллекторов в системах теплоснабжения путём оптимизации их режимных параметров.

В отличие от традиционных топливных и электрических генераторов теплоты [3], эффективность работы ПСК очень сильно зависит от средней температуры поглощающей теплообменной панели [4], которая обычно имеет конструкцию вида «лист-труба» (рис. 1).


Рис. 1. Плоский солнечный коллектор вида «лист-труба» (1 — верхний гидравлический коллектор; 2 — нижний гидравлический коллектор; 3 — параллельные трубы в количестве n штук, расположенные на расстоянии W друг от друга)

Так, например, в первом приближении можно считать, что повышение рабочей температуры нагрева на каждый градус в плоском солнечном коллекторе приводит к снижению его КПД на 1–2% [4]. Поэтому один и тот же СК в одних и тех климатических условиях, при различных режимных параметрах эксплуатации в ССТ, может генерировать теплоту с различной тепловой эффективностью.

Определение средней температуры поглощающей теплообменной панели является довольно сложной задачей [4], поскольку для этого требуется детальное исследование распределения температуры в плоскости коллектора по осям Ox и Oy (рис. 2а). Под действием тепла, сообщаемого жидкости, она нагревается и в ней возникает градиент температуры в направлении течения (по оси Oy). Поскольку на любом участке коллектора общий уровень температуры определяется уровнем местной температуры жидкости, пространственная картина температурного поля будет выглядеть подобно показанной на рис. 2б. Распределения температуры в направлении оси Ox при любом значении Oy и в направлении оси Oy при любом значении Ox представлены на рис. 2в и г.

Рис. 2. Распределение температуры поглощающей теплообменной панели плоского солнечного коллектора вида «лист-труба» [4]

Таким образом, для повышения эффективности плоских солнечных коллекторов в системах теплоснабжения путём оптимизации их режимных параметров необходимо проанализировать влияние данных параметров на распределение температуры панели в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вдоль и поперёк направления течения жидкости.

Целью исследования является выявление особенностей повышения эффективности плоских солнечных коллекторов в системах теплоснабжения путём оптимизации их режимных параметров, влияющих на величину средней температуры поглощающей теплообменной панели.

Рассмотрим и проанализируем режимные параметры, оказывающие влияние на величину средней температуры поглощающей теплообменной панели вдоль направления течения жидкости (по оси Oy) и на тепловую эффективность плоских солнечных коллекторов в системах теплоснабжения. Расход теплоносителя через солнечный коллектор является одним из основных режимных параметров, влияющих на его эффективность и эксплуатационную готовность системы солнечного горячего водоснабжения (СГВ).

Известно, что до 1980 года в насосных системах CГВ расход теплоносителя выбирался на уровне 54 кг/( м²·ч) [4]. В последние годы стали применять установки с существенно меньшим удельным расходом, обеспечивающим лучшую температурную стратификацию воды в баке-аккумуляторе и высокую эксплуатационную готовность системы, которая уже через час-полтора позволяет подавать горячую воду потребителю с требуемой температурой. Например, в Швеции типичные удельные расходы составляют от 7,2 до 21,6 кг/( м²·ч) [4].

Существенным преимуществом установок с малым удельным расходом, как отмечается в работе [5], является снижение мощности циркуляционного насоса и диаметров трубопроводов, что обуславливает и снижение капитальных и эксплуатационных затрат. При этом потенциальный выигрыш в доле покрытия солнечной энергии для солнечной установки с идеально стратифицированным баком и с малым удельным расходом воды через СК в диапазоне от 7,2 до 25,2 кг/( м²·с), по сравнению с полностью перемешанным баком и большим удельным расходом воды через солнечный коллектор порядка 36–72 кг/( м²·с), может достигать ⅓ [4]. Повышение доли покрытия нагрузки в такой установке возможно с 0,48 до 0,66.

Однако следует заметить, что на практике столь существенного выигрыша пока получить не удалось вследствие сложности реализации хорошей температурной стратификации в баке. Вместе с тем положительный эффект был подтверждён экспериментально, например, в работе [6].

Изменение удельного расхода теплоносителя через СК, работающий на бак-аккумулятор, сопряжено с факторами, оказывающими противоположное влияние на суточную эффективность работы систем CГВ. Если увеличение удельного расхода теплоносителя через СК и связанное с этим уменьшение температурного перепада на нём, с одной стороны, приводит к интенсификации отвода тепла от него, то с другой стороны это способствует постоянному росту в течение дня температуры воды, питающей CK. Это в дневном разрезе работы систем CГВ приводит к увеличению средней температуры СК.

Уменьшение же величины удельного расхода теплоносителя через СК и связанное с этим увеличение температурного перепада на нём, с одной стороны, приводит к уменьшению интенсивности отвода тепла от него, но с другой стороны — обеспечивает подпитку CK водой с постоянно низкой начальной температурой. Это в дневном разрезе работы систем CГВ обеспечивает постоянство средней температуры абсорбера СК.

Отсюда следует, что оценку эффективности работы систем CГВ с плоскими солнечными коллекторами следует выполнять по суточной их теплопроизводительности с учётом кратности нагрева теплоносителя в СК [7].

Рассмотрим и проанализируем режимные параметры, оказывающие влияние на величину средней температуры поглощающей теплообменной панели поперёк направления течения жидкости (по оси Ox) и на тепловую эффективность плоских солнечных коллекторов в системах теплоснабжения. В данном случае большое значение имеет равномерность распределения расхода жидкости по подъёмным трубам плоского солнечного коллектора [4]. При неравномерном распределении потока некоторые участки СК, содержащие подъёмные трубы с малым расходом, могут иметь температуру, намного превышающую температуру участков с более высоким расходом жидкости.

Аналитические и экспериментальные исследования данной проблемы выполнены в [8–10], в которых оценено влияние неравномерности распределения потока жидкости в системе СВК на выработку тепла при различных (малых, средних и больших) удельных расходах и схемах соединения коллекторов между собой. В [8] приведён обзор некоторых исследований равномерности распределения расхода в СК, там же представлен аналитический метод расчёта распределения расхода и его экспериментальная верификация.

В [9] приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований влияния неравномерности распределения потока жидкости по подъёмным трубам лучепоглощающей теплообменной панели СК листотрубного типа на выработку тепла. Опыты проводились в натурных условиях на одной из секций солнечной установки, предназначенной для горячего водоснабжения гостиницы и состоящей из десяти параллельных ветвей с четырьмя последовательно соединёнными СК в каждой ветви.

Диапазон изменения удельных расходов жидкости через СК, как при диагональной схеме расположений подводящего и отводящего патрубков (Z-схема), так и при расположении этих патрубков с одной стороны секции (П-схема), составлял g = 5–30 кг/( м²·ч). В экспериментах измерялась температура воды на выходе из каждой ветви секции СК, которая являлось мерой того, насколько эффективно от СК отводится энергия.

Отличия в температурах между ветвями секции солнечного коллектора является также мерой недостатка равномерности распределения расхода, поскольку на входе в каждую ветвь подавалась холодная водопроводная вода с одинаковой температурой, которая также замерялась.

Для Z-схемы при малых [g = 5,15 кг/( м²·ч)] и средних [10,6 кг/( м²·ч)], а для П-схемы только при малых [4,96 кг/( м²·ч)] удельных расходах наблюдалось практически равномерное распределение потока по отдельным ветвям секции СВК, о чём можно судить по незначительным отличиям температуры (±2–3°C) на выходе из параллельных ветвей.

Для Z-схемы при больших [g = 29,4 кг/( м²·ч)], а для П-схемы при средних [20 кг/( м²·ч)] и больших [30,4 кг/( м²·ч)] удельных расходах наблюдалась ощутимая неравномерность распределения потока через крайние 9 и 8 ветви секции СК, в которых отличия температуры составляют уже до ±4–5°C от среднего значения, а по сравнению с самой крайней ветвью 10 отличаются на 8–10°C.

В [10] приведены результаты измерения температур при малых, средних и больших удельных расходах для батареи из 12-ти СК, соединённых между собой параллельно. Согласно экспериментальным данным, разности температур между центральной частью и крайними участками батареи при больших расходах достигают 22°C, а с уменьшением удельных расходов через СК, аналогично опытным данным [5], эти разности температур уменьшаются. Тем не менее, это различие весьма существенное и поэтому оказывает сильное влияние на общую тепловую эффективность батареи СК. Поэтому на основании результатов исследований в [10] рекомендуют применять в конструкциях гидравлические каналы достаточно большого диаметра с тем, чтобы падения давления в основном имело место в подъёмных трубах. В батареях СК с принудительной циркуляцией, при числе подъёмных труб более 24-х, рекомендуется вместо параллельного соединения применять последовательно-параллельное или параллельно-последовательное соединение.

При конструировании и проектировании отдельных коллекторов и батареи СК с заданной неравномерностью распределения потока необходимо знать количественную взаимосвязь между вышеперечисленными конструктивными параметрами, которая приведена нами в работе [11]. Метод гидравлического расчёта теплообменной панели водонагревательного СК листотрубного типа с заданной неравномерностью распределения потока жидкости в условиях принудительной циркуляции приведён нами в [12].

Выводы

Повышения тепловой эффективности плоских солнечных коллекторов в системах теплоснабжения, в условиях, когда их массогабаритные характеристики и параметры теплотехнического совершенства уже достаточно хорошо отработаны, изучены и достигли величин, близких к предельным значениям, можно достигнуть путём оптимизации режимных параметров ПСК двумя способами:

  • за счёт однократного нагрева воды в солнечных коллекторах с малым её удельным расходом в диапазоне от 7,2 до 25,2 кг/( м²·с), соответствующим низким скоростям потока и высокой величине градиента температуры вдоль направления движения жидкости в СК, которая обеспечивает общее повышение доли покрытия тепловой нагрузки потребителя с 0,48 до 0,66 благодаря высокой температурной стратификации воды в аккумуляторном баке;
  • путём улучшения равномерности распределения потока теплоносителя через подъёмные трубы и уменьшения градиента температуры перпендикулярно направлению движения жидкости в среднем от 4 до 5°C и соответствующем повышении КПД СК на такую же величину.