Как установить солнечные коллекторы для отопления

На что следует обратить внимание

Любые гелиоустановки характеризуются номинальной мощностью, которая обозначается в киловаттах. Это количество энергии, которое вырабатывается при ярком солнце в зените. Это означает, что эффективность системы будет снижаться утром и вечером. Ночью, скорее всего, можно будет использовать горячую воду только из бойлера, где вода копилась на протяжении целого дня.

Выбирая модель коллектора, обратите внимание на то, можно ли его использовать в зимний период. И на то, какая мощность должна быть у системы, к которой коллектор подключается

Установка коллекторов обычно осуществляется на крышу или на каркас, который монтируется отдельно.

Преимущества и недостатки

Главный плюс коллекторов в качестве источника тепла – общедоступность солнечной энергии. Даже в хмурую погоду эти устройства улавливают и аккумулируют в себе лучи, обеспечивая нагрев теплоносителя. При этом полностью отсутствуют какие-либо выбросы вредных веществ в атмосферу. По сути это самый экологичный вид энергии.

Коллекторы не производят шума. Благодаря установке на крыше, не занимают площадь участков.

К преимуществам также относят:

1. Длительный срок эксплуатации оборудования. Качественные коллекторы выполняются из ударопрочного материала, которому не страшны осадки и порывы ветра.
2. Независимость от внешних источников энергии. Коллекторы работают при длительном отключении электричества. Их обладателям не страшны перебои с горячим водоснабжением.
3. Экономичность. Гелиоустановки даже при совместном использовании с газом или электричеством сокращают расходы на оплату ЖКУ на 30 – 60 %.

Однако использование солнца в качестве отопления заключается в непостоянности освещенности. Как раз тогда, когда тепло особенно необходимо, его подача уменьшается. Ночью она равна нулю.

Организация отопления солнечными коллекторами требует вложений на покупку оборудования. Окупается сумма за 3 – 5 лет и дольше. В Сибири и на Урале коллектор может выполнять исключительно вспомогательную роль в иной системе, обеспечивая частичную экономию топлива.

Поговорим про солнечные коллекторы для отопления дома

Любой владелец частного дома сталкивался с проблемой выбора системы отопления. Особенно данный вопрос актуален для удаленных от городов зон. Экономное отопление теплиц, бытовых помещений также часто вызывает много раздумий. Печи с котлами нагревания, электрические батареи, дровяные камины – распространенные, но не самые выгодные под итоговый расчет варианты. Носители энергии (дерево, уголь, газ, электричество) обходятся дорого. При этом расход ресурсов, особенно для помещений больших площадей, отличается немалым показателем.

В ответ на существующий спрос технический прогресс продвинулся до создания энергетических коллекторов, действующих за счет поглощения солнечного света. Изобретение является довольно молодым, но уже активно используется для нагревания воды, воздушных масс внутри разных теплоносителей. Особенно широко для отопления такой комплект включается в «эко» дома.

Солнечные коллекторы – инновационные системы, постепенно набирающие популярность. Технология относится к дорогостоящим, но при этом предлагает качественный альтернативный способ получения энергии. Некоторые фирмы могут изготовить коллектор или их комплект на заказ в соответствии с нужными размерами, мощностью. Большинство предлагают универсальные экземпляры.

Вакуумные трубки

Устройство классической вакуумированной трубки довольно просто. Она представляет собой двухстенную стеклянную колбу, между стенками которой создан вакуум. Внутри расположен медный сердечник (тепловой канал). Такая трубка называется «коаксиальной». Еще один вид — так называемые «перьевые трубки», одностенные колбы с вакуумом в самом тепловом канале.

Принцип работы вакуумной трубки зависит от особенностей строения ее теплового канала и от типа самой колбы. Каналы же, как и колбы, бывают двух видов, прямоточные и типа heat pipe.

Действие прямоточных каналов основано на непосредственном протекании теплоносителя через U-образную медную трубку. Охлажденная жидкость попадает в трубку из теплосборника, проходит через нее, нагревается и возвращается в теплосборник. Там она отдает накопленное тепло основному теплоносителю и возвращается в трубку.

Трубка heat pipe работает несколько иначе. Принцип ее работы основан на переносе тепла посредством легко испаряющейся жидкости, заключенной в тепловом канале. Сам канал (трубка) выполняется из теплоемкого металла (алюминий, медь). Солнечный свет нагревает жидкость, она испаряется из нижнего конца трубки и конденсируется в теплосборнике. Конденсат стекает вниз, где его вновь разогревает солнечный свет. Основной теплоноситель забирает тепло из теплосборника и передает его через коллектор дальше в систему.

Преимущества солнечных коллекторов для отопления дома

Экономия газа

Летом солнечные коллектора способны полностью закрыть потребность здания в горячей воде. В межсезонье – весной и осенью, коллектора снижают нагрузку на газовый котел, что в конечном итоге сокращает потребление газа. В зимнее время коллектора работают с очень низкой эффективностью.

Энергонезависимость

Используя солнечный коллектор для отопления вы снижаете собственную зависимость от газа. Коллектор является дополнительным источником тепла. Как минимум в летнее время вы сможете бесплатно получать горячую воду не используя для этого газ. Аналогичный результат вы можете получить при отоплении тепловым насосом.

Доступность

Для установки солнечного коллектора не требуется разрешение. Все что нужно – сантехник с прямыми руками и компетентный продавец, знающий все особенности и тонкости монтажа.

Долгий срок службы

Срок службы коллектора – более 15 лет. А значит, вы очень долго сможете пользоваться бесплатным солнечным теплом. 

Что такое солнечные коллекторы

Данные приборы также называют гелиосистемами. Они предназначаются для аккумулирования энергии Солнца, используемой для подогрева воды. Применение солнечных коллекторов предоставляет возможность получения дополнительного обогрева. В результате их обладатели имеют горячее водоснабжение и теплоснабжение.

Солнечные коллекторы для отопления являются несложными установками, которые для нагрева воды задействуют видимый свет, и ИК излучение от небесного светила. Принцип их функционирования основан на поглощении тепловой энергии поверхностью, имеющей низкую отражающую способность.

Отличаются коллекторы от фотоэлектрических солнечных батарей более высокой эффективностью. Дело в том, что фотоэлектрические элементы способны преобразовать в электричество всего 15% энергии Солнца, а коллекторы утилизируют около 80%.

Главной проблемой, которая препятствует их использованию в качестве главного источника тепловой энергии для жилья, является непостоянная мощность данных устройств, что объясняется:

1. Суточными изменениями степени освещенности, ведь в ночное время выработка тепловой энергии снижается до нулевой отметки. Кроме этого, для поддержания плюсовой температуры жидкости, перемещающейся через коллектор, нужны дополнительные затраты тепла.
2. Различными погодными условиями. Если наблюдается плотная облачность, тепловая производительность устройств понижается.

Использование для отопления дома

Любой солнечный коллектор является климатической техникой с возобновляемым ресурсом энергии. Источником тепла для данного случая выступает сама природа. Таким образом, расходы требуются только на оборудование. Результативный расчет показывает значительное снижение общих затрат на отопление дома.

Коллекторы каждым своим квадратным метром экономят в среднем 800 кВт в год. Это покрывает практически половину потребности типового частного дома в тепле. Зимой солнечный комплект способен обогреть до 30-40% жилых помещений. Автоматизированные экземпляры улавливают и перерабатывают на отопление до 75% дневного света.

Солнечные коллекторы работают по тому же принципу, что и бытовые водонагреватели – энергия действует на тепловой элемент, повышая температуру воды, воздуха или антифриза в полостях отопительных приборов. Руководящим элементом выступает сам корпус коллектора – плоская пластина площадью несколько квадратных метров.

Погодная нестабильность породила идею совмещения энергий солнца и электричества у некоторых приборов такого класса. При низкой освещенности и прохладной погоде площадь устройства только впитывает доступное тепло, нагревая комплект. Дальнейшее прогревание системы частного отопления проводится уже при участии электричества. Подобный подход позволяет выжать из установки максимум, хотя расчет затрат останется скромным. Технология получила название «принудительной циркуляции». Как правило, она характерна крупномасштабным коллекторам.

Созависимое функционирование в умеренных поясах планеты используются чаще автономного. Но в условиях преобладания годового активного солнца возможно использовать исключительно природную энергию. Для этого понадобиться только рациональный расчет с правильной теплоизоляцией постройки.

Способ включения коллектора в отопительный комплект частного дома напрямую зависит от выбранного типа циркуляции. При естественной форме бак накопления ставится выше основной пластины, верхний вывод подключается ко входу горячего содержимого, а нижний – в обратном направлении. Такой способ более дешев, но рискован появлением воздушных пробок.

Использование дополнительных насосов для принудительной работы подразумевает иной монтаж. На бак, выход и обратный ход таких коллекторов обязательно ставятся температурные датчики. Показания автоматики дают дальнейшие команды контроллеру и управляют движениями насоса. При таком способе частыми вспомогательными источниками энергии выступают газовые котлы и котлы на твердом топливе.

Для обоих вариантов важно установить коллектор таким образом, чтобы уровень наклона позволял улавливать максимум прямого солнечного света за сутки. В противном случае система не станет функционировать как следует, особенно при пасмурной погоде

Видео на эту тему, рассказ о готовом примере применения

Принцип работы солнечного коллектора

Хоть принцип работы солнечного коллектора для нагрева воды и обогрева дома для всех типов гелиоустановок одинаков (Солнце греет адсорбер, который передает энергию носителю), при покупке системы следует учесть характеристики оборудования.

Для северных областей плоские системы будут малоэффективны в связи с тем, что среднегодовой уровень инсоляции там ниже, как и температура воздуха. Поэтому на севере применяют вакуумные коллекторы, работающие с минимальной потерей тепла. Но чем короче световой день, тем ниже продуктивность системы. Также на КПД оборудования влияют погодные условия региона, угол наклона и место, где установлен коллектор, площадь отапливаемого помещения.

Как работает солнечный коллектор зимой

Одна из причин, по которой жители России с опаской относятся к гелиосистемам — уверенность в том, что гелиоколлектор зимой работать не может. Но вакуумные системы справляются со своей задачей. Они способны аккумулировать рассеянную солнечную радиацию даже в пасмурную погоду, не теряют тепловую энергию и отличаются приличным КПД.

Владельцы плоских гелиосистем описывают ряд проблем, с которыми им пришлось столкнуться в холодное время года.

• Пластину часто засыпает снегом, особенно в безветренную погоду.
• Имеют место большие теплопотери из-за низкой температуры.
• Физическое повреждение градом.

Неудобства исчезают, когда речь заходит о вакуумном коллекторе.

• Снег на нем задерживается редко, только при сильном обледенении.
• Безвоздушное пространство позволяет сохранить 95% энергии.
• Многократные тесты на ударопрочность подтвердили, что вакуумная трубка устойчива даже к граду, диаметр которого составляет 35 мм, а скорость падения около 18 м/с.

Единственное, что нужно учитывать, — накопительный бак необходимо размещать в теплом помещении либо оборудовать дополнительной теплоизоляцией.

Где лучше размещать солнечный коллектор

Выбирая место для монтажа гелиосистемы, необходимо подобрать точку, наиболее освещаемую солнцем. Идеально, если это южная сторона дома. Но если такой возможности нет, для установки подойдет место, куда в течение дня не будет попадать тень от деревьев, домов по соседству, рекламных щитов и т. д.

Гелиоколлекторы, эксплуатируемые для промышленных целей, могут располагаться в открытом поле, но при условии, что на них не будет попадать грязь, налипать снег и падать тень.

Что нужно знать о мощности гелиоустановки

Мощность гелиосистемы, которая необходима в том или ином случае, зависит от:

• региона, в котором эксплуатируется оборудование;
• нужд владельца — ГВС, отопление или то и другое;
• роли коллектора — основное это оборудование или дополнительное;
• места установки и уровня наклона конструкции;
• площади помещения;
• сезона эксплуатации.

Определить нужную мощность позволяет формула:

Pv = sin A x Pmax x S

Где Pmax — среднегодовой показатель инсоляции на 1 м2 , определенный для конкретного региона;

S — поглощающая площадь оборудования, указанная производителем;

A — уровень наклона плоскости панели по отношению к югу.

При выборе модели нужно ориентироваться на степень мощности оборудования в самое продуктивное время года — летом. Брать систему «с запасом» не стоит — излишняя выработка тепловой энергии может стать губительной для гелиосистемы.

Как защитить гелиоколлектор от перегрева

При возникновении ряда обстоятельств солнечный коллектор может перегреться. Это явление называется стагнацией. Обычно такая ситуация возникает, когда владельцы резко сокращают потребление горячей воды, что приводит к избытку тепловой энергии, повреждающей систему.

Решить вопрос со стагнацией можно несколькими способами.

• Установить дополнительный резервуар для горячей воды.
• Использовать излишки для подогрева бассейна.
• Сбросить нагревшуюся воду небольшими порциями в грунт.
• Закрыть накопитель от лучей. Для этого заранее монтируются автоматические роллеты.

Еще одна распространенная причина перегрева гелиоколлектора — внезапное отключение электричества в солнечный день. Насос отключается, циркуляция останавливается, тепловая энергия накапливается. Проблему решает установка бесперебойного источника питания.

Гелиоустановки для систем горячего водоснабжения и отопления

Большое распространение и популярность приобрели именно солнечные коллекторы, которые применяются в качестве устройства для нагрева какой-либо жидкости (чаще всего, воды) с целью ее использования в системах горячего водоснабжения или отопления.

Другой вид оборудования для преобразования энергии солнца – батареи, которые принципиально отличаются от коллекторов тем, что сначала вырабатывают и аккумулируют электрическую энергию, а в дальнейшем ее можно использовать для хозяйственных нужд.

Но данный вид получения и переработки солнечной энергии требует приобретения дорогостоящего оборудования, главными конструктивными единицами которого являются фотоэлементы, что не всегда оправданно, особенно в регионах с небольшим количеством солнечных дней в году.

В отличие от них, солнечные коллекторы для нагрева воды или отопления дома имеют быструю окупаемость, особенно если изготовить их самостоятельно, так как в этом случае расходы составят лишь стоимость материалов, в число которых дорогие фотоэлементы не входят.

Использование солнечных коллекторов имеет очевидные преимущества:

• снижение затрат на отопление и подогрев воды для системы горячего водоснабжения;
• экологичность данного вида энергии.

Чаще всего использование коллекторов оправданно для использования в системах отопления небольших коттеджей или организации горячего водоснабжения в летний период в загородном доме или на даче. Оправдан солнечный коллектор для бассейна в качестве устройства для подогрева воды.

Объясняется это относительно невысоким КПД таких установок, который может значительно уменьшаться в пасмурные дни.

Поэтому для оптимизации расходов на отопление частного дома лучше всего использовать коллекторы совместно с традиционным оборудованием, которое изначально может быть рассчитано для этого, либо имеет возможности для переоборудования или согласования параллельного функционирования двух систем теплоснабжения.

Также стоит отметить, что, кроме регулярного обслуживания и очистки поверхности коллекторов от грязи и мусора, некоторые из них не предназначены для работы при низких температурах, поэтому перед началом зимы их нужно законсервировать, предварительно слив из системы теплоноситель.

Основные разновидности солнечных коллекторов

Солнечный коллектор представляет собой устройство, главной функцией которого является превращение поглощенной солнечной энергии в тепловую с целью ее дальнейшего использования для нагрева теплоносителя в системах отопления, в том числе и в «теплых полах» и ГВС дома.

КПД коллектора напрямую зависит от двух факторов: типа устройства и его площади, поэтому нередко для его монтажа выбирается крыша здания.

Солнечные коллекторы условно можно классифицировать, используя разные критерии. Прежде всего, они делятся по типу теплоносителя на:

• водяные (жидкостные);
• воздушные.

По уровню предельных температур коллекторы бывают:

• низкотемпературными – предел до 50°C, средний показатель 35-45 °C;
• среднетемпературными до 80°C;
• высокотемпературными – более 80°C.

Последние чаще всего являются промышленными образцами, сделать их своими руками не представляется возможным.

Конструктивно солнечные нагреватели воды могут быть:

• плоскими, которые могут быть как воздушными, так и жидкостными;
• вакуумными, использующими в качестве теплоносителя воду или иной вид жидкости;
• трубчатыми – бывают и жидкостными, и воздушными;
• термосифонными, или так называемыми накопительными интегрированными коллекторами, главным отличием которых является способность не только нагревания жидкости, но и поддержания ее температуры определенное время.

Последний вариант является самым простым как по устройству, так и по сложности изготовления и представляет собой несколько теплоизолированных емкостей с водой, а нагрев жидкости происходит через стеклянные крышки баков.

Данный тип коллекторов можно считать и самым простым в обслуживании, так как для того, чтобы он работал, необходимо лишь периодически очищать крышку емкости, но использовать его в холодное время года невозможно.

Плоские воздушные коллекторы тоже довольно просты и имеют вид специальной панели в виде герметичной коробки с теплоприемником с подключенными воздуховодами, по которым движется и нагревается воздух.

Для повышения эффективности их работы требуется увеличение их площади, например, за счет использования нескольких панелей в одной системе, а также использование вентилятора.

Выбираем солнечный коллектор

Конструкция солнечного коллектора

Для эффективной работы отопления с помощью солнечной энергии рекомендуется установка коллекторов. Они представляют собой систему трубопроводов, по которым протекает теплоноситель. Для защиты и лучшего фокусирования солнечной энергии конструкция защищена прозрачной стеклянной панелью.

Для повышения эффективной работы оборудования в нем можно использовать различные типы теплоносителя, которые не изменят своих свойств под воздействием отрицательных температур

Это важно для регионов с холодной зимой. Кроме этого необходимо тщательно проанализировать предложения на рынке и выбрать оптимальную конструкцию

В настоящее время производители предлагают несколько способов организации отопления частного дома солнечными коллекторами:

• Вакуумные коллектора. Оптимальный вариант для организации пассивной системы солнечного отопления. Характеризуются практически полным отсутствием тепловых потерь;
• Плоские коллектора. Экономный вариант солнечного отопления. Представляют собой систему труб, защищенных прозрачным материалом. Чаще всего используются для горячего водоснабжения в летний период. Применение для комбинированного солнечного отопления требует учета графика температур в зимний период и тщательный выбор теплоносителя.

Выбор во многом определяется предварительными расчетами – требуемой мощности и периодичностью работы теплоснабжения. В качестве эконом варианта можно рассматривать возможность самостоятельного изготовления плоских коллекторов для отопления солнечной энергией своими руками.

Вакуумные коллекторы для отопления

Конструкция вакуумного солнечного коллектора

Одной из проблем эксплуатации солнечных радиаторов для отопления дома являются большие тепловые потери. Они обусловлены особенностями эксплуатации – панель должна находиться вне отапливаемого помещения для поглощения солнечной энергии. Для решения этого вопроса был разработан вакуумный солнечный коллектор для системы отопления.

Конструкция вакуумных коллекторов состоит из внешнего корпуса и внутренней системы стеклянных труб. Для лучшей изоляции трубопроводы отделены от внешней среды вакуумной прослойкой с разряженным воздухом. Фактически вся установка представляет собой большой прозрачный термос.

Специфика вакуумного солнечного коллектора в системе отопления заключается в следующем:

• Использование в качестве теплоносителя специальной жидкости с низким порогом закипания. При этом происходит более эффективная передача тепловой энергии через теплообменник основному теплоносителю отопления – воде;
• Нанесение на внутреннюю поверхность специального покрытия, увеличивающего поглощательную способность тепловой солнечной энергии;
• Независимость работы от внешней температуры воздуха.

Для нормального функционирования системы потребуется обеспечить надежную теплоизоляцию теплообменника. Также следует утеплить трубопровод в местах прохождения через неотапливаемые помещения – чердак, кровельный пирог. Для расчета солнечного коллектора для отопления можно применять стандартные схемы. Но нужно учитывать, что его работа будет неэффективной при снижении температуры теплоносителя в контуре до +22°С.

Плоские солнечные коллекторы для отопления

Плоский солнечный коллектор

Для создания солнечной системы отопления частного дома с минимальными затратами чаще всего устанавливают плоские коллектора. Они отличаются от вакуумных упрощенной конструкцией. Однако при этом увеличиваются требования к их эксплуатации.

Плоский коллектор также имеет внутреннюю систему трубопроводов. Однако она изготавливается из медных или полимерных труб. Для защиты используется поликарбонат или каленое стекло. Внутренняя поверхность изолируется утеплителем – минеральной ватой или пенопластом. Под воздействием солнечных лучей происходит нагрев трубок и как следствие – повышение температуры теплоносителя.

Для плоского солнечного коллектора в системе отопления существуют жесткие эксплуатационные ограничения:

• В качестве теплоносителя можно использовать только антифриз. В противном случае произойдет замерзание воды и разрушение трубопровода;
• Для лучшей циркуляции при передаче тепла необходим монтаж насоса;
• При температуре ниже -10°С эффективность работы системы сильно падает.

Из-за последнего фактора не рекомендуется организация теплоснабжение дома солнечной энергией с помощью плоских коллекторов в регионах с низкими температурами в зимний период. Поэтому чаще всего делают плоский солнечный коллектор для отопления своими руками для горячего водоснабжения летом, весной или осенью.

Распространение и эффективность

Солнечные коллекторы активно используют в Европе и Америке, Китай очень активно увеличивает производство и наращивает общую площадь. За ним подтягивается и Россия, ведь именно из Китая завозят всё больше недорогих моделей солнечных коллекторов. Но до лидеров ещё очень далеко – по оценкам экспертов, в расчёте на 1000 человек у нас 0,2-0,3 квадратных метра площади коллектора. Например, в странах Северной Европы 150-300 квадратных метров, а на Кипре 800.

Впрочем, даже по этим цифрам заметно, что климат – важный фактор, от которого зависит распространённость солнечных коллекторов. В солнечных странах, вроде Кипра или Израиля, ими пользуются очень многие, иногда существенно больше половины всего населения. В Северной Европе же этот показатель в разы ниже. Потому возникают вопросы насчёт того, насколько вообще эффективны коллекторы в российских условиях.

Расчёты отечественных учёных из Института высоких температур РАН показывают, что их эффективность достаточно высока, но важна и рентабельность – пока они стоили дорого, срок окупаемости был слишком долгим для массовой установки. Теперь, когда они стремительно дешевеют, всё большее количество домовладельцев начинает ими обзаводиться. В особенности это относится к южным районам страны.

Максимальной эффективности может достичь коллектор, ориентированный на юг. Отклонение не должно превышать 40°, при этом выработка энергии может упасть на 20%. Оптимальный угол наклона – 35-45°, иначе оптические потери энергии значительно возрастут, так как её будет отражать защитное стекло. При этом коллектор должен находиться на открытом пространстве, как можно реже находящемся в тени, так что рядом не должны располагаться возвышенности, здания такой же или большей высоты, деревья.

Из-за таких требований лучше всего, если ещё при проектировании жилища предусматривается, что на нём будет установлен коллектор, так можно будет добиться от него максимальной производительности в тех пределах, которые позволяет климат местности. Срок окупаемости – примерно 8 лет, но может сильно отличаться в зависимости от особенностей конструкции, стоимости, природных условий.