Работают ли солнечные водонагреватели в холодную погоду?

Да. Солнечные водонагреватели работают в холодную погоду — и это происходит на тысячах коммерческих и жилых объектах в Северной Европе, Канаде, северном Китае и Скандинавии каждую зиму. Определяющим фактором является не температура окружающей среды, а конструкция системы: какой тип коллектора выбран, как реализована защита от замерзания и настроена ли логика управления для условий низкой интенсивности солнечного излучения.

Асолнечный коллектор с тепловой трубкойИли же хорошо изолированная система с плоскими пластинами может поглощать солнечное излучение при отрицательных температурах воздуха, преобразовывать его в полезную тепловую энергию и передавать это тепло в накопительный бак — при условии, что система защищена от замерзания и надлежащим образом обслуживается.

Для руководителей B2B-компаний главный вопрос заключается не в том, работает ли солнечная тепловая энергия зимой, а в том, какой объем выработки можно ожидать, какая защита необходима и какая архитектура системы обеспечит наилучшую отдачу для данной климатической зоны. В этой статье каждый из этих вопросов рассматривается с помощью инженерных данных и практических рекомендаций.

Почему солнечные тепловые системы продолжают вырабатывать тепло зимой?

Солнечное излучение важнее температуры воздуха.

Солнечные тепловые коллекторы поглощают энергию солнечного излучения, а не температуры воздуха. Даже в холодный зимний день прямая нормальная солнечная радиация (DNI) во многих регионах с умеренным климатом может достигать 600–800 Вт/м². Этого достаточно, чтобы значительно повысить температуру рабочей жидкости коллектора выше порогового значения, необходимого для предварительного подогрева горячей воды в бытовых целях.

Например, в Берлине средняя горизонтальная солнечная радиация в декабре составляет примерно 0,8–1,0 кВт·ч/м²/день. В Денвере, штат Колорадо — городе с холодным, но солнечным климатом — зимняя радиация регулярно превышает 3,0 кВт·ч/м²/день. В обоих случаях солнечный водонагреватель может внести существенный вклад в энергоснабжение, особенно в сочетании с правильно подобранным накопительным баком и дополнительным резервным источником энергии.

Почему ясные холодные дни всё ещё могут обеспечивать полезное тепло

Холодные, сухие, безоблачные зимние дни часто обеспечивают лучшую эффективность солнечной тепловой энергии, чем мягкие, но пасмурные дни. Ясное небо позволяет высокому уровню прямого прямого солнечного излучения достигать поверхности коллектора, а низкая влажность уменьшает атмосферное рассеяние. Именно поэтому солнечные тепловые системы в высокогорных или континентальных климатических зонах — Лхаса, Денвер, Мюнхен, Алматы — часто превосходят по эффективности системы в более мягких, но облачных прибрежных районах в зимние месяцы.

Для вакуумных трубчатых коллекторов исолнечные коллекторы с тепловыми трубкамиВакуумный изоляционный слой практически исключает конвективные и кондуктивные потери тепла из абсорбера. Это означает, что коллектор может эффективно работать даже при температуре окружающего воздуха значительно ниже нуля.

Почему зимний объем производства ниже летнего?

Зимой выработка электроэнергии снижается по трем основным причинам: сокращение светового дня уменьшает общую суточную облученность, меньший угол наклона солнца увеличивает длину атмосферного пути, а также увеличивается разница температур между коллектором и окружающей средой, что повышает теплопотери в системах без вакуума. Для плоских коллекторов повышенные теплопотери являются измеримым фактором. Для систем с вакуумными трубками влияние меньше из-за вакуумной изоляции, но снижение облученности все еще ограничивает общий суточный объем собираемой энергии.

Разработчики систем учитывают это, подбирая размеры коллекторов таким образом, чтобы они обеспечивали высокую долю солнечной энергии в межсезонье весной и осенью, а также комбинируя солнечную батарею с резервным источником тепла — котлом, тепловым насосом или электрическим нагревательным элементом — для компенсации зимнего дефицита.

Сколько горячей воды может произвести солнечный водонагреватель зимой?

Типичный зимний урожай в Центральной Европе

В климате Центральной Европы (Германия, Австрия, Чехия, Польша) хорошо рассчитанная солнечная тепловая система обычно покрывает 20–40% потребности в горячей воде для бытовых нужд в период с декабря по февраль. В отдельные ясные зимние дни система может обеспечивать 50–70% потребности. В периоды длительной пасмурной погоды ее вклад может снизиться до 10–15%, а оставшуюся часть покрывает резервный источник.

Примечание: Приведенные цифры являются ориентировочными диапазонами, рассчитанными на основе размеров системы при площади плоского коллектора 1,0–1,5 м² на 50 л суточной потребности в горячей воде. Фактические результаты зависят от типа коллектора, угла наклона, объема накопителя и характера потребления.

Типичная зимняя доля солнечного излучения в холодных северных регионах

В скандинавском и субарктическом климате доля солнечной энергии в зимнем цикле горячего водоснабжения еще больше снижается из-за очень короткого светового дня (6–7 часов в декабре на 60° северной широты). Однако этот вклад не равен нулю. Системы с вакуумными трубчатыми коллекторами, расположенными под крутыми углами наклона (60–70°), и хорошо изолированными накопителями энергии все еще могут покрывать 10–25% зимней потребности в горячем водоснабжении, обеспечивая существенный предварительный подогрев, который сокращает время работы котла и расход топлива.

Как предварительный подогрев зимой снижает нагрузку на котел или тепловой насос

Даже если солнечная система не может обеспечить подачу воды с заданной температурой (например, 55°C), предварительный нагрев поступающей холодной воды с 5°C до 25–35°C существенно снижает энергозатраты резервной системы. В коммерческих целях — в гостинице, больнице или на заводе с высоким ежедневным спросом на горячую воду — этот эффект предварительного нагрева напрямую приводит к снижению эксплуатационных расходов на газ, электроэнергию или тепловые насосы в течение зимних месяцев.

Для проектов, требующих круглогодичного обеспечения горячим водоснабжением с максимальным использованием солнечной энергии, компания SOLETKS предлагаетраздельные системы солнечного водонагрева под давлениемразработан специально для установки в холодном климате с размещением резервуара внутри помещения и защитой от замерзания с замкнутым контуром.

Плоская пластина или вакуумная трубка: что лучше подходит для зимы?

Зимнее поведение плоскопёрого коллектора

Плоские коллекторы являются рабочей лошадкой коммерческих солнечных тепловых систем по всему миру. Они предлагают отличное соотношение цены и качества, длительный срок службы (более 25 лет) и проверенную надежность. Однако зимой их тепловая мощность более чувствительна к температуре окружающей среды, поскольку поглощающая пластина теряет тепло за счет конвекции и проводимости в окружающий воздух, даже при хорошем остеклении и изоляции.

В условиях умеренного зимнего климата (минимальная температура выше –10°C) высококачественные плоские плиты, такие как SOLETKS, будут наиболее эффективны.Плоские коллекторы EFPCБлагодаря селективным D-DOS покрытиям обеспечивается высокая производительность. При длительном снижении температуры окружающей среды ниже –15°C разрыв в эффективности между плоскими пластинами и вакуумными трубками увеличивается.

Преимущества вакуумных трубок в зимний период

Солнечные коллекторы с вакуумными трубками и теплопроводящими трубками сохраняют более высокую эффективность в холодных условиях, поскольку вакуум между внутренней и внешней стеклянными трубками исключает конвективные и кондуктивные потери тепла из абсорбера. Это означает, что температура абсорбера может быстро повышаться даже при сильно отрицательных температурах наружного воздуха.

На практике системы с вакуумными трубками могут обеспечивать на 15–30% больше энергии, чем сопоставимые плоские солнечные батареи, в течение трех самых холодных месяцев года в климате Северной Европы или Северного Китая. Преимущество наиболее заметно в холодные солнечные дни и уменьшается в пасмурные дни, когда преобладает рассеянное излучение.

Для проектов в условиях экстремально низких температур или применений, требующих максимальной производительности в зимнее время, SOLETKS — это решение.Двухканальные коллекторы вакуумных ламп DVCОбеспечивает возможность нагрева воздуха и воды при высоких температурах даже в условиях отрицательных температур.

Как выбрать подходящий вариант в зависимости от типа проекта и бюджета

Для многих проектов B2B выбор не сводится строго к одному или другому варианту. Компания SOLETKS поставляет как системы с плоскими пластинами, так и системы с вакуумными трубами, а наша инженерная команда может смоделировать сравнительную зимнюю производительность для вашего конкретного местоположения и профиля спроса.

Стратегии защиты от замерзания для солнечных водонагревательных систем

Защита от замерзания солнечных тепловых коллекторов — это важнейшее инженерное решение для любой установки в условиях холодного климата. Замерзание может привести к разрыву коллекторов, лопанию труб, растрескиванию теплообменников и разрушению всей системы за одну ночь. В отрасли доминируют две основные архитектуры защиты: замкнутые системы на основе гликоля и системы с обратным сливом.

Системы замкнутого цикла на основе гликолей

Наиболее распространенный в мире метод защиты от замерзания. Контур коллектора заполнен смесью пропиленгликоля и воды, циркулирующей по замкнутому контуру. Гликоль понижает температуру замерзания жидкости — обычно до –25°C или ниже в зависимости от концентрации. Теплообменник передает тепловую энергию из контура с гликолем в резервуар для питьевой воды, обеспечивая физическое разделение двух контуров.

Гликолевые системы надежны, хорошо зарекомендовали себя и подходят практически для любого климата. Это стандартный выбор защиты от замерзания для SOLETKS.сплит-солнечные водонагреватели под давлениема также коммерческие системы горячего водоснабжения.

Дренажные системы

В системе с обратным сливом обычная вода (без гликоля) циркулирует по коллекторному контуру во время работы. Когда насос останавливается — либо из-за недостаточной разницы температур, либо из-за обнаружения замерзания — вся вода из коллекторов и открытых трубопроводов стекает самотеком обратно в внутренний резервуар для слива. Поскольку в коллекторах нет воды, замерзать нечего.

Системы обратного слива позволяют избежать долгосрочных проблем, связанных с гликолем (разложение, контроль pH, замена жидкости). Однако они требуют соблюдения определенных ограничений по компоновке трубопроводов: все коллекторные трубы должны иметь непрерывный уклон вниз к резервуару, без сифонов, низких точек или горизонтальных участков, которые могли бы задерживать воду.

Какой метод защиты от замерзания лучше подходит для вашего проекта?

Для большинства проектов по экспорту B2B компания SOLETKS рекомендует системы замкнутого цикла на основе гликоля благодаря их гибкости, проверенной надежности и совместимости с широким спектром типов зданий и конфигураций трубопроводов.

Как работает солнечная система с гликолевым антифризом

Зачем используется пропиленгликоль?

Пропиленгликоль (ПГ) является стандартным антифризом для солнечных тепловых систем, поскольку он нетоксичен (доступны составы, пригодные для использования в пищевой промышленности), имеет низкую температуру замерзания, остается стабильным при высоких температурах застоя коллектора и совместим с медью, нержавеющей сталью и распространенными уплотнительными материалами, используемыми в солнечных системах. Этиленгликоль, используемый в системах охлаждения автомобилей, токсичен и, как правило, не используется в системах, подключенных к теплообменникам питьевой воды.

Рекомендуемая концентрация гликоля в зависимости от климата

Защита теплообменника для питьевой воды

В замкнутой системе с гликолем теплоноситель никогда не контактирует напрямую с питьевой водой. Тепловая энергия передается через теплообменник — либо через внутренний змеевик внутри накопительного бака, либо через внешний пластинчатый теплообменник. Такое двойное разделение стенок гарантирует, что даже в случае утечки гликоля, источник питьевой воды останется незагрязненным.

В системах отопления и кондиционирования SOLETKS с раздельным охлаждением используются внутренние теплообменные змеевики внутри герметичных резервуаров из нержавеющей стали или с эмалированным покрытием, что обеспечивает надежную теплопередачу при строгом разделении контуров гликоля и питьевой воды.

Как ежегодно проверять состояние гликоля

Гликоль со временем разлагается, особенно если система подвергалась воздействию высоких температур застоя. Разложившийся гликоль становится кислым, что приводит к коррозии компонентов системы изнутри. Ежегодное тестирование должно измерять концентрацию гликоля (температуру замерзания), уровень pH (должен оставаться выше 7,0; при снижении ниже 6,5 необходимо заменить гликоль) и визуальное состояние (темная или обесцвеченная жидкость указывает на термическую деградацию). Для оценки на месте достаточно портативного рефрактометра и тест-полосок для определения pH. Полная замена гликоля рекомендуется каждые 3–5 лет в зависимости от условий эксплуатации.

Дополнительные меры защиты от замерзания в условиях холодного климата

В климате, где температура регулярно опускается ниже –20°C, одного лишь гликоля может быть недостаточно для защиты всех частей системы. Следующие дополнительные меры являются стандартной практикой в ​​солнечной тепловой энергетике в условиях холодного климата.

Изоляция труб

Все наружные трубопроводы между коллекторами и местами прохода через здания должны быть изолированы пенополиэтиленом с закрытыми порами (EPDM или эластомерной пеной), устойчивым к воздействию ультрафиолетового излучения и атмосферных условий. Толщина изоляции должна быть как минимум равна диаметру трубы — в экстремальных климатических условиях она должна быть больше. Соединения должны быть герметизированы атмосферостойкой лентой или клеем для предотвращения проникновения влаги, которая может замерзнуть внутри изоляции и полностью свести на нет ее эффективность.

Кабели для обогрева

Саморегулирующиеся нагревательные кабели, установленные на открытых участках труб, обеспечивают активную защиту от замерзания при понижении температуры ниже заданного порога. Они особенно важны для трубопроводов, которые невозможно полностью осушить или которые проходят через неотапливаемые помещения. Нагревательный кабель должен быть установлен под изоляцией, управляться термостатом и защищен цепью с устройством защитного отключения (УЗО).

Логика управления циркуляцией антифриза

Современные солнечные контроллеры включают режим защиты от замерзания, который активирует циркуляционный насос, когда датчик коллектора обнаруживает температуру, приближающуюся к 3–5 °C. Циркуляция теплой воды из накопительного бака через контур коллектора в течение коротких промежутков времени предотвращает локальное замерзание открытых труб и фитингов. Это второстепенная мера безопасности — на нее не следует полагаться как на основную защиту от замерзания в суровых климатических условиях, поскольку она зависит от работы насоса и электропитания.

Защита внутренних резервуаров и трубопроводов

Размещение резервуара для хранения, насосной станции и как можно большего количества трубопроводов внутри отапливаемых ограждающих конструкций здания значительно снижает риск замерзания. Это одно из главных преимуществ.раздельная система под давлениемархитектура, в которой резервуар размещается внутри помещения (подвал, подсобное помещение, механическая кладовая) и воздействию внешних условий подвергается только коллекторный контур.

Контрольный список технического обслуживания для обеспечения надежности солнечного водонагревателя в зимний период

Зимние поломки солнечных тепловых систем практически всегда предотвратимы. Следующие работы по техническому обслуживанию перед началом сезона и в течение сезона следует ежегодно выполнять для любой системы, работающей в климате с риском заморозков.

Проверьте концентрацию гликоля и pH.

• Определите температуру замерзания с помощью рефрактометра — необходимо обеспечить защиту при температуре как минимум на 5 °C ниже минимальной температуры, установленной в данном регионе.

• Уровень pH по результатам теста должен быть выше 7,0; если он ниже 6,5, необходимо провести полную замену гликоля.

• Проверьте цвет гликоля — темная, мутная или обесцвеченная жидкость указывает на термическую деградацию.

• Проверьте давление в системе — низкое давление может указывать на утечку гликоля, требующую расследования.

Проверьте изоляцию и клапаны.

• Проверьте всю наружную теплоизоляцию труб на наличие трещин, зазоров, повреждений от ультрафиолетового излучения или проникновения влаги.

• Убедитесь в исправности нагревательных кабелей — проверьте их перед первым заморозком.

• Проверьте запорные клапаны, воздухоотводы и предохранительные клапаны на наличие коррозии или утечек.

• Убедитесь, что все наружные корпуса и кабели датчиков герметично защищены от влаги.

Перед наступлением морозов проверьте настройки контроллера.

• Убедитесь, что пороговое значение циркуляции для защиты от замерзания установлено правильно (обычно 3–5 °C на датчике коллектора).

• Убедитесь в точности показаний датчиков температуры — сравните их с показаниями откалиброванного термометра.

• Проверьте работу насоса в режиме защиты от замерзания — убедитесь, что насос активируется при срабатывании порогового значения.

• Проверьте работу резервного нагревательного элемента — убедитесь, что он корректно включается при недостаточном солнечном излучении.

Подробные инструкции по техническому обслуживанию коммерческих систем, включая удаление накипи, дезинфекцию и сезонное обслуживание, см. в нашем исчерпывающем руководстве:Как обслуживать коммерческие солнечные водонагреватели.

Вывод: Да, солнечные водонагреватели работают зимой — при условии правильной конструкции системы.

Эффективность солнечного водонагревателя в зимний период зависит не от работоспособности технологии, а от того, насколько хорошо система спроектирована для условий эксплуатации. Физические принципы просты: солнечное излучение переносит энергию независимо от температуры воздуха, а современные коллекторы спроектированы таким образом, чтобы эффективно преобразовывать эту энергию в тепло даже при минусовых температурах.

Ключевые инженерные решения для проектов солнечной тепловой энергии в условиях холодного климата сводятся к четырем факторам: выбору подходящего типа коллектора для диапазона температур и условий освещенности, внедрению проверенной защиты от замерзания (гликолевая система замкнутого цикла для большинства проектов экспорта), расчету мощности системы для обеспечения значимого предварительного подогрева зимой без излишнего увеличения мощности летом, а также техническому обслуживанию системы с помощью ежегодного тестирования гликолевой системы и проверки изоляции.

Для разработчиков проектов B2B, дистрибьюторов и EPC-компаний, занимающихся поставкой солнечного теплового оборудования для рынков с холодным климатом, SOLETKS предлагает полный ассортимент продукции — от...плоские коллекторыисолнечные водонагреватели с тепловыми трубкамикраздельные системы под давлениемиГибридные панели TPV-PRO PVT— опираясь на 20-летний опыт производства и участия в международных проектах.

Часто задаваемые вопросы