Солнечная энергия

Защита от замерзания (солнечные контуры)

Определение

Защита от замерзания — это комплекс мер, не позволяющих теплоносителю в контуре солнечной тепловой системы замерзнуть и разорвать коллекторы или трубопроводы. Три устоявшихся метода — антифризная смесь на основе пропиленгликоля (40 % по объему защищает примерно до −21 °C), система Drain-Back, которая опорожняет коллекторы при остановке насоса, и защитный цикл контроллера, прокачивающий теплую воду из накопителя холодными ночами.

Зачем солнечным контурам нужна защита от замерзания?

При замерзании вода расширяется примерно на 9 % и делает это с силой, достаточной, чтобы разорвать медную трубу, каналы абсорбера и теплообменники. Коллектор на крыше — самая холодная точка всей системы отопления: ясными ночами он излучает тепло в небо и может охладиться на несколько градусов ниже температуры воздуха, поэтому повреждения возможны, даже когда по прогнозу погоды температура лишь около нуля. Поэтому в любом климате с ночными температурами ниже нуля — а это большая часть Европы — в каждом солнечном контуре требуется одна из трех описанных ниже стратегий защиты.

Каковы три основных метода защиты от замерзания?

МетодКак защищаетЛучше всего подходит
Гликолевый (антифризный) контурСам теплоноситель не может замерзнуть при расчетной температуреВариант по умолчанию для систем с насосом в холодном климате
Drain-BackКоллекторы опорожняются в емкость при каждой остановке насосаСистемы, где нужна защита от перегрева и замерзания с обычной водой
Защитный цикл контроллераНасос прокачивает теплую воду бака через коллекторы ниже заданной температурыТолько мягкий климат с редкими слабыми заморозками

Гликолевые системы заполняют замкнутый контур смесью воды и пропиленгликоля; защита пассивна и работает при отключении электроэнергии. Системы Drain-Back основаны на геометрии: непрерывно понижающаяся трубная разводка позволяет теплоносителю стечь из коллекторов под действием силы тяжести в тот момент, когда циркуляция прекращается, — на крыше просто нечему замерзать. Защитные циклы используют контроллер, чтобы потратить накопленное тепло на защиту — это дешево в установке, но активная система выходит из строя вместе с электричеством а в холода постепенно расходует тепло бака. Практическое руководство по выбору — в материале Как защитить солнечную тепловую систему от замерзания?

Сколько гликоля нужно солнечному контуру?

Защита зависит от концентрации. Приблизительные значения для смесей пропиленгликоля с водой:

Концентрация гликоля (об. %)Защита от замерзания примерно до
25 %−10 °C
30 %−13 °C
40 %−21 °C
50 %−32 °C

Целевое значение — самая низкая ожидаемая температура коллектора, то есть расчетная температура наружного воздуха минус несколько кельвинов радиационного переохлаждения, — с разумным запасом. Концентрацию не следует повышать больше необходимого: гликоль увеличивает вязкость и снижает теплоемкость, поэтому передозированный контур прокачивается труднее и хуже передает тепло. Монтажники проверяют концентрацию рефрактометром при пусконаладке и при каждом обслуживании, потому что повторяющаяся стагнация постепенно разрушает теплоноситель; типичные проверки теплоносителя описаны в материале Как часто нужно менять гликоль в солнечной системе?

Как работает защита от замерзания Drain-Back?

Система Drain-Back содержит определенный объем обычной воды (или слабого раствора гликоля), который заполняет коллекторы только во время работы насоса. Остановите насос — намеренно, по логике контроллера или случайно, из-за отключения электроэнергии — и теплоноситель стекает в дренажную емкость внутри здания, оставляя батарею коллекторов заполненной воздухом. Таким образом, защита от замерзания присуща системе и отказобезопасна, а не зависит от химии, и то же свойство защищает от летнего перегрева. Цена — дисциплина проектирования: каждый метр трубы должен непрерывно иметь уклон в сторону емкости, а насос должен быть рассчитан на подъем теплоносителя обратно на крышу при запуске.

Достаточно ли одного защитного цикла контроллера?

Только в климате, где заморозки редки и кратковременны. Защитный цикл прокачивает теплую воду из нижней части накопителя через коллекторы, когда датчик коллектора показывает температуру около нуля, — обычно срабатывая при нескольких градусах выше 0 °C. Каждое срабатывание тратит накопленное солнечное тепло, затяжные холода могут израсходовать значительную часть запаса тепла в баке, а отключение электроэнергии или отказ насоса полностью лишают защиты в самый нужный момент. Поэтому производители в континентальном климате — включая Solimpeks, поставляющую системы на рынки от Северной Европы до Центральной Азии в числе 96 стран экспорта — задают в качестве основной защиты гликоль или Drain-Back, а защитные циклы — не более чем как дополнительную функцию.

Часто задаваемые вопросы

На какую температуру следует рассчитывать защиту солнечной системы от замерзания?

Ниже самой низкой ожидаемой температуры воздуха на объекте плюс запас в несколько кельвинов, потому что излучение при ясном небе может охладить коллектор ниже температуры окружающей среды. Расчетную точку должны задавать местные климатические данные, а не обобщенное значение.

Можно ли использовать обычную воду в контуре солнечной тепловой системы?

Только в системе Drain-Back, где коллекторы опорожняются при остановке циркуляции, или в климате без заморозков. В любом климате с ночными температурами ниже нуля заполненный замкнутый контур требует смеси пропиленгликоля соответствующей концентрации.

Почему пропиленгликоль, а не этиленгликоль или автомобильный антифриз?

Пропиленгликоль малотоксичен, что важно в системах, нагревающих горячую воду через одну стенку теплообменника. Автомобильные жидкости изготавливаются на основе этиленгликоля и не подходят; солнечные теплоносители также содержат пакеты ингибиторов, рассчитанные на солнечные температуры.

Замерзают ли термосифонные системы и системы Drain-Back?

Системы Drain-Back не замерзают при условии полного опорожнения трубопроводов — в этом суть конструкции. Термосифонные системы в районах с заморозками используют замкнутые гликолевые контуры вокруг рубашки бака либо рассчитаны только на мягкий климат; проверьте заявленную защиту модели.

Источники и дополнительные материалы

Об авторе

Инженерная команда Solimpeks

Солнечные коллекторы и проектирование систем