Как установить солнечные коллекторы для отопления – от выбора до монтажа гелиосистемы

Многие домовладельцы задумываются о том, как они могут сэкономить деньги, поскольку цены на отопление и горячую воду растут из года в год. Дополнительное использование солнечной энергии позволяет снизить затраты, а иногда и довести их практически до нуля. Солнечные коллекторы отопления являются экологически чистым источником энергии.

Что такое солнечные коллекторы

Эти устройства также называют солнечными системами. Они предназначены для аккумулирования солнечной энергии, которая используется для нагрева воды. Использование солнечных коллекторов дает возможность получить дополнительный обогрев. В результате у их владельцев есть горячее водоснабжение и отопление.

Солнечные коллекторы для отопления представляют собой простые установки, использующие видимый свет и инфракрасное излучение небесного тела для нагрева воды. Принцип его действия основан на поглощении тепловой энергии поверхностью, имеющей низкий коэффициент отражения.

Коллекторы отличаются от фотоэлектрических солнечных батарей более высоким КПД. Дело в том, что фотоэлементы могут преобразовать в электроэнергию только 15% солнечной энергии, а коллекторы используют около 80%.

Основной проблемой, препятствующей использованию его в качестве основного источника тепловой энергии для дома, является непостоянная мощность этих устройств, что объясняется:

1. Ежедневные изменения степени освещенности, ведь ночью выработка тепловой энергии сводится к нулю. Также для поддержания положительной температуры жидкости, движущейся по коллектору, необходимы дополнительные затраты тепла.
2. Различные погодные условия. Если наблюдаются плотные облака, тепловая эффективность приборов снижается.

В холодные месяцы, когда начинается отопительный сезон, погода преимущественно пасмурная. Даже в ясные зимние дни солнечный коллектор вырабатывает примерно на четверть меньше тепла из-за изменения угла падения солнечных лучей.

Разновидности устройств

В продаже есть два типа установок, которые могут использовать солнечную энергию:

1. Плоское устройство. Выпускается в виде прямоугольного объекта с прозрачным защитным стеклом и черненой подложкой, гарантирующей максимальное поглощение солнечной радиации.
2. Вакуумный аппарат Внешне напоминает несколько колб, которые объединены единым конденсатором.

Плоские приборы

Их конструктивное решение проще, чем у вакуумных устройств, и в то же время они менее эффективны. Вода нагревается при протекании по трубкам, прикрепленным к теплопроводной подложке, которая представляет собой впитывающую медную или алюминиевую фольгу.

Снизу подложка теплоизолирована, а сверху защищена прозрачным, пропускающим излучение материалом — поликарбонатом или закаленным стеклом с небольшим добавлением металла.

Наиболее эффективным является плоское устройство с медными трубками, припаянными к формованной медной подложке. Коллектор, оснащенный трубами из сшитого полиэтилена, поглощает меньше тепла, поскольку они имеют меньшую теплопроводность.

Плоские устройства имеют следующие характеристики:

1. Рабочая среда нагревается максимум до 200-210 градусов.
2. Поглощение солнечной энергии до 70%.
3. Минимальное снижение зимней эффективности нагрева солнечного коллектора в снежную погоду. Прозрачная фольга, служащая защитой подложки с трубками, в процессе работы нагревается, из-за чего снежный покров быстро тает.
4. Есть потери тепла. Они возникают в результате контакта нагретого воздуха в аппарате с защитным стеклом, но не превышают 30 %. При понижении температуры наружного воздуха прибор начинает терять тепло. Перестаньте работать при -20°C или ниже.
5. Сильный ветер. Это свойство может стать препятствием для установки плоского коллектора в регионах, где зимой дуют сильные ветры.
6. Их устанавливают под углом к ​​горизонту, чтобы расположение обеспечивало им максимальную освещенность в светлое время суток.

Вакуумные устройства

Этот тип коллектора состоит из нескольких трубок, называемых термосами. Они имеют внутреннюю колбу, покрытую высокоселективным покрытием для максимального поглощения тепла. При этом внешняя колба абсолютно прозрачна. Так как между колбами вакуум, потери тепла при контакте с воздухом не превышают 5%.

Вода нагревается быстро, так как тепло передается по принципу тепловой трубы. Жидкость испаряется на дне колбы, а затем поднимается в виде пара в холодильник. Там теплоноситель возвращается в рабочее состояние и одновременно отдает накопленную тепловую энергию, после чего самотеком стекает вниз.

Вакуумные устройства отличаются от плоских:

1. Температура жидкости достигает 300 градусов.
2. Высокая степень КПД обусловлена ​​максимальным поглощением (до 80 %) тепловой энергии слоем адсорбента на внутренних стенках колб и наличием вакуума между стенками, что исключает передачу энергии конвекцией.
3. В снежную погоду зимой вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома испытывают падение КПД. Это объясняется тем, что у этих приборов минимальные теплопотери и поверхность колб не нагревается.
4. Их устанавливают под углом к ​​горизонту, который составляет не менее 15-20 градусов. Если уменьшить наклон, то лампочки не будут работать как тепловые трубы, потому что сконденсированная жидкость перестанет двигаться к их низу под действием силы тяжести.
5. Минимум ветра позволяет устанавливать их в регионах, где преобладают сильные ветры.

Характеристики некоторых моделей коллекторов

Эти устройства хорошо известны на отечественном рынке:

1. ЯСОЛАР (Россия). Абсорбер изготовлен из меди. Площадь светопоглощающей поверхности составляет два «квадрата» размерами 2065х1073х105 миллиметров. Внутренний объем 1,4 литра. Пустой коллектор весит 37 килограммов. Номинальная тепловая мощность — 1,5 кВт при освещенности 900 Вт/кв.м и температуре наружного воздуха 20°С. Используется антибликовое стекло толщиной 3,2 мм со светопропусканием 92%. Высота теплоизоляционного слоя составляет 60 миллиметров.
2. СОКОЛ-А ЭФФЕКТ. Абсорбер изготовлен из алюминия. Размер впитывающей поверхности 2,06 «квадрата». Тепловая мощность: 1,5 кВт при освещенности 900 Вт/м2 и температуре наружного воздуха 20°C. Параметры устройства составляют 1093 х 2008 х 76,7 мм при внутреннем объеме 1,4 литра. Вес пустого устройства составляет 32 килограмма. Используется антибликовое стекло толщиной 3,2 мм.
3. КАЙРОС ВТ 15Б. Устройство имеет размеры 1910 x 1840 миллиметров, весит 51 килограмм и имеет 15 трубок с внешним диаметром 70 миллиметров. Рабочее давление 6 атмосфер. Внутренний объем 4,6 литра. Нагрев прекращается при температуре 206 °С. Площадь впитывающей поверхности составляет 1,5 «квадрата».

Изготовление устройств своими руками

Обустроить горячее водоснабжение и отопление можно с помощью самодельных солнечных коллекторов. Простейшая его конструкция будет состоять из уложенного по спирали полиэтиленового водопровода, который помещен в деревянный каркас и обтянут полиэтиленовой пленкой.

Но есть у такого самодельного коллектора и недостатки:

• низкий КПД из-за того, что теплообменник не имеет контакта по всей площади подложки, в результате чего много тепла тратится бесполезно;
• энергетическая зависимость;
• недостаточная защита от ветра и механических повреждений.

Если вы хотите собрать устройство, которое прослужит долго и обеспечит отопление дома солнечными коллекторами зимой, вы можете воспользоваться пошаговой инструкцией:

1. К нижнему и верхнему коллекторам приварены каналы для нагреваемой жидкости. Для этого желательно использовать профилированные трубчатые изделия размером 20 х 20 миллиметров; Благодаря плоской кромке может обеспечивать тепловой контакт с впитывающей подложкой. К коллекторам приварены резьбовые трубки 1/2-3/4 дюйма, предназначенные для слива жидкости.
2. К трубкам приварена подложка из листовой стали толщиной 3 мм. Расстояние между прихватками не должно превышать 20 сантиметров. Это расстояние позволяет исключить прогиб листа и избежать контакта с трубками.
3. Вокруг поглотителя сооружается деревянный каркас. Между впитывающим листом и краями рамы остаются зазоры, необходимые для установки стекла и укладки теплоизоляционного материала. Древесину необходимо предварительно обработать антисептиком.
4. В раме сверлятся отверстия для патрубков, всасывающих теплоноситель.
5. Поглотитель изолирован с тыльной стороны минеральной ватой. Затем теплоизоляционный материал сшивается с досками, листами фанеры или ОСП.
6. Затем абсорбер окрашивается черной силиконовой термостойкой краской, так как обычные составы для наружной окраски начинают отслаиваться в этих условиях эксплуатации. Затем края рамы проклеиваются резиновым уплотнителем и закрываются обычным 4мм стеклом. Если остекление состоит из нескольких листов, необходимо герметизировать стыки силиконовым герметиком.
7. Стекло прижимают к раме алюминиевым или оцинкованным уголком, предварительно проклеив его лицевую сторону оконным уплотнителем.

Подключение коллектора к отопительной системе

Тепло аккумулируется за счет использования теплоаккумулятора или уравнительного бака, который представляет собой большой теплоизолированный бак, наполненный водой. В системе теплоснабжения оборудуются два контура:

• между солнечным коллектором и буферным баком;
• между аккумулятором тепла и радиаторами.

Днем тепло, полученное солнечной системой, используется для нагрева хладагента в буферной емкости, а ночью или в пасмурную погоду используется для поддержания температуры в доме. Для горячей воды используйте бойлер косвенного нагрева.

Постепенно вода в теплоаккумуляторе начинает остывать, а затем температура в батарее снижается. Смесительный узел, включающий в себя трехходовой термостатический клапан и дополнительный циркуляционный насос, способен поддерживать свой постоянный температурный режим.

Экономичность солнечных коллекторов для отопления

Прежде чем принять окончательное решение, необходимо выяснить, насколько выгодно отопление солнечными коллекторами. Например, отапливаемая площадь дома, расположенного на юге страны, составляет 155 м2. С учетом жаркого климата и качественного утепления для отопления мощности системы отопления в 15 кВт будет достаточно, значит, суточная потребляемая мощность составляет 15×24 = 360 кВт/ч.

В первую очередь нужно узнать площадь коллекторов. Известно, что на один квадратный метр земной поверхности на данной широте поступает около 5 кВтч тепла в сутки. В холодные месяцы инсоляция снижается до 4 кВтч/м2.

Исходя из КПД коллектора «квадрата» вашей площади, вы можете получить максимум 4х0,8 = 3,2 кВтч энергии в сутки. Это означает, что площадь коллектора не может быть меньше 360:3,2=112,5 кв.м.

Поскольку цена источника солнечной энергии достаточно высока, расчет солнечного коллектора для отопления показывает, что покупка такого оборудования обойдется в значительную сумму. Также следует помнить, что покупка теплоаккумулятора, смесительного узла, монтаж электропроводки тоже стоит денег.

Такие системы теплоснабжения энергозависимы, поскольку насосное оборудование постоянно потребляет электроэнергию. Кроме того, в случае сильного холода ночью незаменимы дополнительные теплогенераторы, например, электрический или твердотопливный котел. Они не дадут охлаждающей жидкости замерзнуть.

Период окупаемости гелиосистемы

Понять, насколько быстро окупаются дорогие солнечные коллекторы, поможет простой расчет. Например, это будет плоское устройство площадью 2 «квадрата» с суточной выработкой 6,4 кВтч тепла.

Когда основным источником тепловой энергии является электрокотел, вырабатываемый киловатт-час будет стоить 5 рублей (по ценам 2017 года), а значит, суточная экономия энергоснабжения при эксплуатации плоского аппарата составит 6,4х5. = 32 рубля, а срок окупаемости при цене устройства 20 тысяч — 625 дней (20000:32=625).

Когда основным источником тепла является газовый агрегат, киловатт-час энергии будет стоить 0,7 рубля, а суточная экономия составит 6,4х0,7 = 4,48 рубля. Срок окупаемости увеличится до 4464 дней или 12 лет. Если учесть, что средний срок службы коллектора не превышает 15 лет, можно сделать вывод, что в этом случае солнечная система никогда не принесет плодов.

Подведение итогов

Учитывая эффективность солнечных коллекторов, понятно, что обогрев дома только с их использованием будет затратным по сравнению с другими способами обогрева дома. Выгоднее будет отапливать с помощью инверторных кондиционеров, таких как тепловые насосы, которые на каждый киловатт мощности способны прокачать в здание около 5 киловатт тепла.

Источниками энергии для них служат земля, наружный воздух и вода из никогда не замерзающих водоемов. Вы можете использовать солнечный коллектор как отопительное оборудование при отсутствии магистрального газоснабжения.