Солнечный коллектор как источник теплоснабжения дома

Уровень развития современных технологий и материалов настолько высок, что не использовать энергию солнца — это неразумно с финансовой стороны и преступно по отношению к окружающей среде. К сожалению, приобретение промышленных установок для получения электроэнергии и тепла иррационально ввиду их высокой стоимости. Тем не менее выход есть: сделать производительный гелиоколлектор собственноручно из материалов, которые можно найти в ближайшем строительном магазине.

Схемы подключения тепловых насосов

Схемы подключения тепловых насосов к системе отопления не зависят от типа теплового насоса. Отличия могут быть только в обустройстве внешнего коллектора для водяного теплового насоса или места установки наружного блока воздушного теплового насоса.

В общем случае, типовая схема подключения теплового насоса выглядит так же, как для электрического котла.

Таким образом, можно взять любую типовую схему отопления, которая подходит для вашей системы отопления и использовать ее для подключения теплового насоса.

Актуальность создания солнечного отопления частного дома своими руками

Получить полную автономию – мечта каждого владельца, затевающего частное строительство. Но действительно ли солнечная энергия способна отапливать жилой дом, особенно если устройство для ее накопления собрано в гараже?

Расчет мощности солнечного коллектора

В зависимости от региона солнечный поток может давать от 50 Вт/кв.м в пасмурный день до 1400 Вт/кв.м при ясном летнем небе. При таких показателях даже примитивный коллектор с низким КПД (45-50%) и площадью 15 кв.м. может выдавать в год около 7000-10000 кВт*ч. А это сэкономленные 3 тонны дров для твердотопливного котла!

Актуальность создания солнечного отопления частного дома своими руками

Как рассчитать необходимую площадь солнечного коллектора для бытовых нужд:

  • в среднем на квадратный метр устройства приходится 900 Вт;
  • чтобы повысить температуру воды, необходимо затратить 1,16 Вт;
  • учитывая также теплопотери коллектора, 1 кв.м сможет нагреть около 10 литров воды в час до температуры 70 градусов;
  • для обеспечения 50 л горячей воды, необходимой одному человеку, понадобится затратить 3,48 кВт;
  • сверившись с данными гидрометцентра о мощности солнечного излучения (Вт/кв.м) в регионе, необходимо 3480 Вт разделить на получившуюся мощность солнечного излучения – это и будет нужная площадь солнечного коллектора для нагрева 50 л воды.

Как становится понятно, эффективное автономное отопление исключительно с использованием солнечной энергии осуществить довольно проблематично. Ведь в хмурую зимнюю пору солнечного излучения крайне мало, а разместить на участке коллектор площадью 120 кв.м. не всегда получится.

Применение солнечных коллекторов

Так неужели солнечные коллекторы нефункциональны? Не стоит заранее сбрасывать их со счетов. Так, с помощью подобного накопителя можно летом обходиться без бойлера – мощности будет достаточно для обеспечения семьи горячей водой. Зимой же удастся сократить затраты на энергоносители, если подавать уже нагретую воду из солнечного коллектора в электрический бойлер. Кроме того, солнечный коллектор станет отличным помощником тепловому насосу в доме с низкотемпературным отоплением (теплыми полами).

Актуальность создания солнечного отопления частного дома своими руками

Так, зимой нагретый теплоноситель будет использоваться в теплых полах, а летом излишки тепла можно отправить в геотермальный контур. Это позволит снизить мощность теплового насоса. Ведь геотермальное тепло не возобновляется, так что со временем в толще грунта образовывается все увеличивающийся «холодный мешок». Например, в обычном геотермальном контуре на начало отопительного сезона температура составляет +5 градусов, а в конце -2С. При подогреве же начальная температура поднимается до +15 С, а к концу отопительного сезона не падает ниже +2С.

Варианты реализации гелиосистемы для поддержки отопления

Гелиосистема для отопления дома состоит из солнечных коллекторов, труб гелиоконтура и  бака аккумулятора. Такие баки могут быть комбинированными с отдельным встроенным внутренним баком для ГВС или отдельными.

Варианты реализации гелиосистемы для поддержки отопления
Варианты реализации гелиосистемы для поддержки отопления

Варианты схем реализации гелиосистемы с поддержкой отопления с суточным аккумулированием энергии

Объем таких баков аккумуляторов рассчитывается исходя из количества гелиоколлекторов, и ни в коем случае не определяется от объема теплоносителя в отопительной системе. В среднем это значение равно 75 л на один метр квадратный площади абсорбера солнечных коллекторов.

Следует так же отметить, что для максимального эффекта применения гелиосистемы для отопления, необходимо использовать низкотемпературные отопительные приборы такие как тёплый пол и т.д. Чем ниже рабочая температура гелиосистемы, тем выше её КПД.

Зависимость КПД гелиосистемы от типа системы отопления Оптимальный рабочий диапазон для системы теплоснабжения 30–40 °C, что соответствует температурному графику теплых полов.

Пример: гелиосистема для отопления дома 200 м² в г. Киев

Рассмотрим пример, когда гелиосистема для отопления устанавливаются в доме с площадью 200 м². Контур распределения энергии комбинированный: радиаторы и теплые полы. Все расчеты горячего водоснабжения проводятся с учетом потребностью 200 литров воды с температурой 55 °С в сутки.

Читайте также:  Двухконтурный газовый котел: устройство и принцип работы

Количество затраченного тепла сильно зависит от качества утепления дома. К примеру для энергопассивного дома необходимо затратить всего 30 кВт*ч тепловой энергии на один метр квадратный площади за отопительный сезон. А для слабо утепленного дома может понадобиться более 200 кВт*ч тепла на один метр квадратный площади дома за сезон.

Типичные удельные теплопотери жилого дома в зависимости от утепления

Предположим, что дом построен по современным технологиям и отвечает требованиям по энергосбережению. Средние затраты энергии на теплоснабжение за сезон — 100 кВт*ч/ м². Соответственно в среднем за отопительный сезон для системы теплоснабжения дома понадобится приблизительно =  200 м² * 100 кВт*ч/ м² = 20 000 кВт*ч тепла.

Для расчетов были выбраны плоские солнечные коллекторы фирмы Vaillant auroTHERM VFK 145V со следующими параметрами:

  •  Площадь абсорбера – 2,35 м²;
  •  Оптический КПД – 0,79;
  •  Коэффициент тепловых потерь К₁ — 2,41 Вт/м²К;
  •  Коэффициент тепловых потерь К₂ — 0,049 Вт/м²К.

Внешний вид солнечных коллекторов Vaillant

Рассмотрим три варианта гелиосистем. В первом варианте установлено 5 солнечных коллекторов с общей площадью абсорбера 11,75 м², во втором 10 коллекторов (23,5 м²) и 3-й вариант с 15 коллекторами суммарной площадью 35,25 м². Расчеты приведены для г. Киев с учетом усредненной базы данных солнечного излучения и окружающей температуры для соответствующей климатической зоны.

График выработки тепловой энергии гелиосистемой на отопление дома

Очевидно, что максимальная выработка солнечной энергии приходится в летний период года. Энергия, выработанная гелиосистемой для отопления, лишь частично покрывает потребности в тепле и практически полностью покрывает нагрузку по горячему водоснабжению.

Максимальная экономия приходится на межсезонье и незначительна в зимние месяцы года. Чем больше общая полезная площадь солнечных коллекторов, тем больше значение экономии энергоресурсов.

Диаграмма покрытия отопительной нагрузки за счет гелиосистемы

В каждом из вариантов гелиосистемы вырабатывают для отопления различное количество тепловой энергии в процентном соотношении относительно общей потребности в тепле. Основной задачей проектирования таких солнечных систем является подбор оптимального значения замещения (экономии) основного источника энергии с учетом капитальных затрат.  Для этого необходимо сопоставить затраты на установку гелиосистемы и затраты на энергоносители.

Варианты реализации гелиосистемы для поддержки отопления
Варианты реализации гелиосистемы для поддержки отопления

абсорберГелиосистемаотоплениесолнечный коллекторэнергосбережение

Варианты реализации гелиосистемы для поддержки отопления
Варианты реализации гелиосистемы для поддержки отопления

Виды и различия солнечных коллекторов

На сегодняшний день распространение среди промышленно изготавливаемых солнечных коллекторов получили два вида систем:

  • плоские солнечные панели;
  • вакуумные (вакуумированные) трубчатые коллекторы.

Плоская солнечная панель

Является распространенным типом солнечного коллектора, используемого в современных системах гелиоэнергетики. Широкое распространение данный тип получил вследствие относительной дешевизны и простоты, как устройства, так и эксплуатации. Недостатком плоских солнечных коллекторов является значительное (до двух раз) понижение КПД в условиях отрицательных температур наружного воздуха.

Конструкция плоского солнечного коллектора.

Конструктивно представляет собой панель с площадью поглощающей поверхности 2-2,5 м2, выполненную из алюминиевых или стальных сплавов. Лицевая часть выполнена в виде листа специального гелиостекла, что обеспечивает максимальное поглощение энергии солнечного света и минимальные потери энергии с отраженными и рассеянными лучами. Непосредственно под гелиостеклом расположен поглотитель, выполняемый в виде плоской трубки из медных или алюминиевых сплавов, имеющих высокий коэффициент теплопередачи.

Трубка, как правило, имеет радиальное оребрение, что значительно повышает коэффициент теплопередачи поглотителя. На поглотитель наносится покрытие с высоким коэффициентом поглощения в спектрах теплового излучения, что повышает общий КПД коллектора. Под поглотителем располагается слой тепловой изоляции, уменьшающий тепловые потери системы в окружающую среду. Необходимая тепловая мощность солнечного коллектора достигается включением нескольких панелей в единую солнечную батарею или коллектор.

Вакуумный (вакууммированный) трубчатый коллектор

Дорогостоящий вид солнечного коллектора вследствие сложного изготовления и ряда преимуществ перед плоскими солнечными панелями. Конструктивно представляет собой ряд парных стеклянных труб, спаянных между собой, из пространства между которыми откачан воздух. Вакуум в пространстве между трубками является прекрасным тепловым изолятором и предотвращает тепловые потери в окружающую среду от теплоносителя. В меньшую трубу вводится медная, алюминиевая или стеклянная трубка поглотителя. Трубы верхней частью вводятся в распределитель, в котором циркулирует теплоноситель. Вакуумные (вакуумированные) трубчатые коллекторы по типу распределителя подразделяются на два типа: с плоской тепловой трубой и прямоточные.

Коллекторы с плоской трубой

Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с плоской тепловой трубой — конструкция.

Представляют собой рекуперативный теплообменник, расположенный в распределителе. В этом случае теплопередача от нагретого теплоносителя вакуумной трубы к теплоносителю циркуляционного контура теплоснабжения здания происходит через стенку и теплоносители этих контуров не смешиваются. Преимущества перед прямоточными коллекторами состоят в сохранении высоких показателей работы при температуре окружающей среды до -45оС, возможности замены отдельной вакуумной трубки, вышедшей из строя, без разбора коллектора и прекращения его работы, а также в возможности регулирования угла установки каждой вакуумной трубки в пределах одного коллектора.

Прямоточные коллекторы

Прямоточный вакуумный трубчатый солнечный коллектор — конструкция.

Объединяют циркуляционный и обогревающийся контур. В распределителе проходят подающий и циркуляционный трубопроводы, к которым непосредственно присоединяются вакуумные трубки. Теплоноситель подается в распределитель по подающему трубопроводу, из которого попадает в вакуумную трубку, где проходит обогрев. Нагретый теплоноситель возвращается в обратный трубопровод и уходит непосредственно на нужды теплоснабжения. Преимущества прямоточных коллекторов перед вакуумными состоят в отсутствии промежуточной стенки между теплоносителями, что снижает тепловые потери и в возможности устанавливать коллектор на любых поверхностях под любыми углами, поскольку циркуляция теплоносителя в пределах всего коллектора будет осуществляться насосом.

Читайте также:  Индукционное отопление частного дома своими руками

Установка

Поскольку оборудование работает от солнечной энергии, то, соответственно, установка обогревателя будет проводиться на открытом воздухе. Монтаж рекомендуют проводить на крышах зданий, на балконах или других архитектурных выступах.

Экран водонагревателя должен быть направлен на юг. Установку проводят под определенным углом к горизонту, который эквивалентен географической широте местности.

Водонагреватель постоянно поглощает энергию и по понятным причинам источник энергии выключить нельзя, поэтому, в случае малого потребления воды, температура застоя может достигать до 300°С.

Установка

По этой причине не допускается использование пластиковых и стальных труб с цинковым покрытием. Оптимальными в эксплуатации станут трубопроводы, изготовленные из меди или нержавеющей стали.

Горячий контур солнечного водонагревателя должен иметь теплоизоляцию, это позволит избежать ожогов и возгораний. Следует учесть температурный режим работы оборудования при выборе теплоизоляции и крепежей.

Производители солнечных водонагревателей на корпусе своей продукции указывают точную температуру застоя. Панели коллектора должны находиться на открытом пространстве, чтобы был открытый доступ к солнечному свету. Необходимо исключить наличие возможных преград.

Чаще всего углом наклона коллектора будет наклон ската крыши. Для того, чтобы эффективность работы водонагревателя приблизить к максимальной, лучше придерживаться рекомендаций и использовать специальный стеллаж, на который будет крепиться коллектор.

Т.е. залогом правильной и эффективной работы оборудования являются всего несколько правил:

Установка
  • направление на юг;
  • правильный угол наклона;
  • беспрепятственный доступ к солнечному свету;

Некорректная установка снизит качество работы водонагревателя, а вложенные средства не будут оправданы. Тип нагревателя также может играть роль в способе его установки. При монтаже учитывают тип используемого оборудования.

Различают такие системы:

Пассивная

Подразумевает само собой протекающую абсорбцию и аккумулирование энергии. Солнечная энергия попадает на объект нагрева без контроля этого процесса, т.е. отсутствуют какие-либо механизмы и контролирующие элементы. Это простая система, которая не требует особых затрат. Однако недостатки в том, что водонагреватель работает неравномерно и не на полную мощность.

Установка

Самый наглядный пример – это затемненный бак, который размещен над летним душем. В таком пассивном режиме работают одноконтурные системы, в которых применяется процесс естественной циркуляции. Для полноценной работы системы приемный бак размещают выше коллектора, но такой способ установки не всегда удобен. Решить вопрос можно с помощью другого способа работы системы.

Активная

Лишена недостатков пассивной системы. Ее функционирование основано на том, что солнечные лучи благодаря специальным устройствам переходят в тепловую энергию, которая систематически передается нагревательному баку и потребителю. Функционирование такого нагревателя достигается благодаря принудительной циркуляции, которая может поддерживаться в одно- и двухконтурных системах. Также применяют и дополнительно устанавливают двигатели, которые поворачивают панели и насосы, измерительную аппаратуру, а также устройства контроля и управления работой системы.

Достоинства и недостатки

Главными достоинствами считаются:

  1. Низкая парусность и высокая надежность. Практически все детали и элементы солнечных коллекторов, которые контактируют с теплоносителями, выполняются из меди высокого качества. Ударопрочное стекло трубок позволяет противостоять ударам крупного града. Солнечные нагреватели такого типа распространены в регионах с непостоянным и суровым климатом. При необходимости замены одной из трубок не придется полностью останавливать и сливать всю систему. При сильном ветре и ураганах, они способны выдерживать колоссальные нагрузки, а за счет низкой парусности, их не сорвет порывом ветра.
  2. Простота транспортировки и монтажа. При перевозке коллектора не придется переживать за его сохранность, т.к. трубки имеют малый вес и собираются в единую конструкцию только на месте установки. Такой вид транспортировки позволяет максимально быстро доставить коллектор без повреждений. Трубки оборачиваются материалом, сохраняющим их в целости и сохранности на протяжении всей перевозки.
  3. Высокая эффективность. Начиная с раннего утра при первых солнечных лучах, коллектор начинает собирать энергию, что позволяет пользоваться теплом и горячей водой в любое время суток (за ночь остывать практически не успевает).
  4. Коллектор препятствует образованию в устройстве микробов. Это обусловлено обеспечением высоких температур, при которых размножение бактерий становится невозможным.
  5. Работоспособность в зимнее время. Несмотря на морозы до -35°С, коллектор прекрасно справляется со своими обязанностями. Благодаря цилиндрической форме трубок солнечная энергия преобразовывается в тепловую максимально быстро, поэтому данный вид коллектора является наиболее производительным в любое время года.
  6. Низкие показатели теплопотери. Вакуум – это лучший теплоизолятор, который позволяет максимально долго сохранять тепло. Благодаря этому КПД будет высоким даже в пасмурную погоду. Информация о том, что в пасмурную погоду коллектор неэффективен – это миф. Солнечная энергия способна проникать сквозь тучи, а трубки коллектора обладают свойством их принимать.
  7. Прекрасное соотношение низкой цены и высокого качества. За сет простоты устройства, коллекторы имеют довольно низкую себестоимость, что позволяет каждому его приобрести.

Минусов на настоящий момент не выявлено. Все, что говорят и пишут негативного о данном виде коллекторов, является неправдой.

Солнечный воздушный коллектор для отопления: особенности изделия

Принцип работы солнечного воздушного коллектора для отопления дома

Читайте также:  Виды тепловых насосов для отопления дома

Самым простым вариантом является плоский абсорбер, состоящий из панели и трубки с входным и выходным патрубком. Все элементы располагаются в коробе, задняя и боковые стенки которого покрыты теплоизоляцией. Панель изготавливается из меди или алюминия и окрашивается в черный цвет. Она накрывается прозрачной защитной поверхностью из стекла, пластика или поликарбоната.

Солнечный воздушный коллектор для отопления: особенности изделия

Воздух, поступающий на панель, нагревается от контакта с металлом. Ребра на поверхности изделия способствуют увеличению теплоотдачи. Для максимальной эффективности конструкцию следует установить на южной стороне дома, выполнив качественную изоляцию. Система может быть организована с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя. Последний вариант предполагает монтаж вентилятора.

Статья по теме:

Котел на отработанном масле: надежный и бюджетный вариант отопления помещения

Принцип действия и отличительные особенности. Разновидности устройства. Как самостоятельно изготовить. Производители и популярные модели.

Солнечный воздушный коллектор для отопления: особенности изделия

Система с естественной циркуляцией используется крайне редко, что связано с медленным движением воздушных масс, вследствие чего происходят значительные потери тепла. Воздушные солнечные коллекторы Solar Fox могут функционировать уже при температуре 25 °С, в то время как для водяной гелиосистемы оптимальным является значение 45 °С. Такие конструкции можно использовать только для воздушного обогрева дома. Коллекторы не способны нагреть воду. Устройства характеризуются низким КПД, отличаются весьма внушительными габаритами, однако имеют простую конструкцию, легки в монтаже и доступны по стоимости.

Полезный совет! Для повышения эффективности воздушных гелиосистем коллекторы можно встраивать в стены южной ориентации на стадии строительства дома.

Солнечные воздушные коллекторы бывают плоскими или в виде системы из труб

Солнечный воздушный коллектор для отопления: особенности изделия

Теплопроводность воздуха в значительной степени ниже данных показателей воды, что отражается на эффективной работе системы. Во избежание потерь тепла все стыковые соединения должны быть тщательно изолированы. Несмотря на существующие недостатки, воздушный солнечный коллектор хорошо справляется с задачей нагрева воздуха в помещении при разнице температур внутри и снаружи в 15-17 °С.

Особенности установки и эксплуатации жидкостных нагревательных коллекторов

Для размещения гелиоколлектора выбирают просторное место, которое не затеняется весь световой день. Монтажный кронштейн или подрамник изготавливают из деревянных реек или металла с таким расчётом, чтобы наклон водонагревателя регулировался в пределах от 45 до 60 градусов от вертикальной оси.

Для установки солнечного водонагревателя собирают опорную раму

Особенности установки и эксплуатации жидкостных нагревательных коллекторов

Схема подключения гелионагревателя в системе с принудительным движением теплоносителя

Накопительный бак для уменьшения тепловых потерь размещают как можно ближе к установке. В зависимости от условий организуют естественную или принудительную циркуляцию теплоносителя. В последнем случае используют контроллер с термодатчиком, врезанным в выходной патрубок. Прокачка рабочей жидкости по контуру будет включаться, когда её температура достигнет запрограммированного значения.

Сезонно-работающую систему заправляют водой, тогда как круглогодичное использование солнечного водонагревателя требует применения незамерзающей жидкости. Идеальный вариант -специальный антифриз для гелиосистем, но для экономии используют и жидкости, предназначенные для автомобильных радиаторов или бытовых отопительных систем.

Особенности установки и эксплуатации жидкостных нагревательных коллекторов

клапан для защиты от ошпаривания

Основной функцией термостатического клапана является защита от ошпаривания и ожога. В системах теплоснабжения, где не применяется солнечная энергия, этот клапан устанавливают редко, поскольку температуру горячей воды можно отрегулировать на основном теплогенераторе. Поэтому иногда во время проектирования и монтажа гелиосистемы об этом элементе забывают.

клапан для защиты от ошпаривания

Конечно и в регуляторе солнечной системе так же можно ограничить температуру воды до безопасного уровня. Однако для повышения производительности солнечных коллекторов лучше нагревать бак аккумулятор до максимально возможной температуры. Это позволит аккумулировать больше тепла и даст возможность использовать энергию солнца даже в последующие пасмурные дни.

Пример обвязки термостатического клапана и системы рециркуляции ГВС

Так же краткосрочный нагрев аккумулирующей ёмкости до предельных температур может применяться в качестве защиты от стагнации. Это в свою очередь продлевает срок службы основных компонентов гелиосистемы.

клапан для защиты от ошпаривания

Подробнее о стагнации и методах борьбы с ней читайте по ссылке: стагнация гелиосистемы

Если установить клапан слишком близко к водонагревателю, он перегревается и перекрывать поток со стороны горячей воды. Вследствие чего в течение некоторого времени в кран поступает холодная вода. Клапан следует устанавливать немного дальше от водонагревателя, так как показано на рисунке. В таком варианте он будет работать правильно.

Установка термостатического клапана для защиты от ошпаривания

клапан для защиты от ошпаривания

Кавитация в отопительной системе и в системе водоснабжения

Кавитация – это такой процесс, во время которого в отопительной установке благодаря уменьшению давления образуются молекулы пара. Такой процесс имеет место в том случае, если в трубах снизится или повысится скорость потока жидкости.

Кавитация в отопительной системе и в системе водоснабжения

Если отопительная система характеризуется слишком низкими или слишком высокими температурами, то такое явление может сказаться отрицательным образом. Пар, который образуется, собирается в пузырьки, и если они лопаются, то, тем самым, наносят повреждение материалу, из которого изготовлены трубы или другие компоненты системы отопления.

Если у вас не получается самостоятельным образом произвести такие операции, как как рассчитать насос для отопления, или вы сомневаетесь в их правильности, то лучше доверить это дело профессионалу в данной области. Специалист не только поможет с выбором помпы или произведением расчетов, но также займется непосредственно и установкой насоса.