Альтернативні джерела енергії для забезпечення власних побутових потреб стають дедалі популярнішими і інвестиційно привабливішими. З погляду цінової доступності, порівняно швидкої окупності та мінімальної вартості здобутої теплової енергії найбільш поширеними пристроями забезпечення гарячого водопостачання і опалення оселі є геліоустановки на базі сонячних колекторів. Але, при своїх численних перевагах таке обладнання має одну вагому особливість, пов’язану з нерівномірним розподілом теплового навантаження протягом року, а звідси, ймовірністю переходу геліоустановки до режиму стагнації. Власне, особливість полягає у розумінні користувачем ситуації та запобіганні наслідків виникнення режиму стагнації, що може призвести до пошкодження системи або її вузлів.

Природа стагнації.

Стагнація геліотермічних пристроїв зазвичай відбувається у системах опалення та гарячого водопостачання в літній період року (з травня по вересень). В цей період часу рівень сонячної радіації є високий або „піковий“. Опалення не задіяне, а потреба у гарячій воді значно знижується або й взагалі відсутня, якщо споживачем гаряча вода не використовується, наприклад у час відпустки. Тепло інтенсивно накопичується, але повноцінно не відводиться, тобто рівень продуктивності сонячної системи перевищує рівень споживання гарячої води. При цьому температура на поверхні колектора може сягати 250˚С. Тому геліоустановки у цей відрізок часу, знаходячись у перенавантаженому стані стосовно водоспоживання, потребують утилізації надлишкової теплової енергії. І саме цим об’єктивним чинником обумовлюється ймовірність процесу стагнації.

Термін «стагнація» (лат. “stagno” — нерухомий стан, зупиняю; лат. “stagnum” — стояча вода) означає стан або час, коли в контурі геліотермічної установки порушується нормальний процес теплообміну, тобто настає теплова рівновага, коли кількість виробленої теплової енергії відповідає тепловим втратам в поточний момент часу, при цьому, як правило, температура стагнації суттєво перевищує температуру кипіння теплоносія. У такому випадку абсорбована сонячна енергія припиняє перехід до акумулюючої ємності чи водонагрівача, процес зупиняється. Це свідчить про закипання теплоносія в колекторі і утворення «парової пробки». Причиною зупинки роботи геліотермічної установки можуть бути знеструмлення насосної станції за високої сонячної активності навіть на короткий час (30-40 хв.), перенавантаження ємності теплом до максимально високої (граничної) температури, коли „теплу немає куди подітися“, вихід з ладу циркуляційного насоса чи контролера системи, невідповідність або низька якість пропіленгліколю.

Фази стагнації.

Вперше детальне дослідження стагнації було описано європейськими дослідниками Хауснером і Люстігом у 2002 році. На основі зроблених замірів було виділено п’ять фаз режиму стагнації:

• 1 фаза – розширення теплоносія, збільшення тиску в системі ~ на 1 бар;
• 2 фаза – досягнення теплоносієм точки кипіння, часткове витіснення теплоносія з колектора, збільшення тиску в системі ще ~ на 1 бар ;
• 3 фаза – інтенсивне кипіння теплоносія в колекторі, повне витіснення теплоносія з колектора, подальше збільшення тиску в системі і ріст температури в системі;
• 4 фаза – режим критичного перегріву, пік стагнації, збільшення концентрації гліколю в теплоносію, повна зупинка роботи системи;
• 5 фаза – конденсація пароподібного теплоносія у рідину (як правило, у нічний час), повернення теплоносія в колектор.

Занадто висока температура на колекторі, спричинена стагнацією геліосистеми, зазвичай, призводить до термічного розпаду теплоносія. При температурах понад 160°С активуються процеси, що призводять до деградації лужних сполук теплоносія. Надто висока температура виступає каталізатором такого процесу. Вода з гліколю починає інтенсивно випаровуватися і концентрація гліколю в суміші зростає, що призводить до збільшення температури кипіння. Гліколь починає кристалізуватися, в колекторі утворюються смолянисті або полімерні нерозчинні продукти розпаду, що здатні повністю або частково закоркувати систему трубопроводів колектора. Це, в свою чергу,  призводить до звуження діаметру, зменшення або цілковитого блокування протоку і суттєвого зниження продуктивності установки. В найгіршому випадку розпад теплоносія, викликаний процесом стагнації, може взагалі призвести до виходу з ладу сонячного колектора та розгерметизації системи.

Як вирішити проблему?

Яким чином знизити можливість утворення пари в колекторі і запобігти перегріву теплоносія? Є кілька способів запобігання. Наприклад, гарантованим способом є утилізація надмірного тепла у водойму (басейн, озеро, ємність з достатнім об’ємом води для охолодження) або скидання гарячої води у каналізацію. Іншими, хоча і менш дієвими способами є зашторювання (затінення) колекторів або застосування активного відведення тепла через розсіювання його в повітря за допомогою допоміжних пристроїв (за принципом роботи фанкойла).

Одним із ноу-хау у захисті сонячних систем від перегріву є виконання гідравлічної схеми за принципом Drain Back System. При досягненні критичної температури вимикається насос контура геліосистеми і теплоносій зливається у спеціально передбачену додаткову ємність, тим самим виключаючи процес стагнації.

Деякі виробники сонячних систем рекомендують застосовувати реверсивний метод роботи геліоустановки, охолоджуючи акумулюючу ємність (водонагрівач) через колектори в нічний період часу, хоча такий метод не є гарантованим в усіх випадках.

GtU