Надежное солнечное отопление частного дома. Солнечное отопление частного дома Отопление от солнца своими руками

Соорудить солнечное отопление частного дома своими руками – не такая и сложная задача, как кажется неосведомленному обывателю. Для этого понадобятся навыки сварщика и материалы, доступные в любом строительном магазине.

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?

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!

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.

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).

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.

Устройство самодельного солнечного коллектора

Для уверенного в своих силах мастера собрать тепловой коллектор не составит труда. Можно начать с небольшого устройства для обеспечения горячей воды на даче, а в случае успешного эксперимента перейти к созданию полноценной солнечной станции.

Плоский солнечный коллектор из металлических труб

Самый простой в исполнении коллектор – плоский. Для его устройства понадобится:

сварочный аппарат;
трубы из нержавеющей стали или меди;
стальной лист;
закаленное стекло или поликарбонат;
деревянные доски для рамы;
негорючий утеплитель, способный выдержать нагретый до 200 градусов металл;
черная матовая краска, устойчивая к высоким температурам.

Сборка солнечного коллектора довольно проста:

Трубы привариваются к стальному листу – он выступает в роли адсорбера солнечной энергии, поэтому прилегание труб должно быть максимально плотным. Все красится в матовый черный цвет.

На лист с трубами кладется рама так, чтобы трубы оказались с внутренней стороны. Просверливаются отверстия для входа и выхода труб. Укладывается утеплитель. Если используется гигроскопичный материал, нужно позаботиться о гидроизоляции – ведь намокших утеплитель больше не будет защищать трубы от охлаждения.

Утеплитель фиксируется листом ОСБ, все стыки заполняются герметиком.
Со стороны адсорбера кладется прозрачное стекло или поликарбонат с небольшим воздушным зазором. Оно служит для предотвращения остывание стального листа.
Фиксировать стекло можно с помощью деревянных оконных штапиков, предварительно проложив герметик. Он предотвратит попадание холодного воздуха и защитит стекло от сжатия рамы при нагревании и охлаждении.

Для полноценного функционирования коллектора понадобится накопительный бак. Его можно сделать из пластиковой бочки, утепленной снаружи, в которой спиралью уложен теплообменник, соединенный с солнечным коллектором. Вход нагретой воды должен располагаться сверху, а выход холодной – снизу.

Важно правильно разместить бак и коллектор. Чтобы обеспечить естественную циркуляцию воды, бак должен находиться выше коллектора, а трубы – иметь постоянный наклон.

Солнечный нагреватель из подручных материалов

Если со сварочным аппаратом дружбу свести так и не удалось, можно сделать простой солнечный нагреватель из того, что под рукой. Например, из жестяных банок. Для этого в дне делаются отверстия, сами банки скрепляются друг с другом герметиком, на него же садятся в местах соединения с ПВХ-трубами. Красятся в черный цвет и укладываются в раму под стекло также, как и обычные трубы.

Фасад дома из солнечных батарей

Почему бы вместо обычного сайдинга не отделать дом чем-то полезным? Например, сделав с южной стороны на всю стену солнечный нагреватель.

Такое решение позволит оптимизировать расходы на отопление сразу по двум направлениям – снизить затраты на энергоноситель и существенно сократить теплопотери за счет дополнительного утепления фасада.

Устройство просто до безобразия и не требует специальных инструментов:

на утеплитель уложен окрашенный оцинкованный лист;
поверх уложена нержавеющая гофрированная труба, также выкрашенная в черный;
все прикрыто листами поликарбоната и зафиксировано алюминиевыми уголками.

Если же и этот способ кажется сложным, на видео представлен вариант из жести, полипропиленовых труб и пленки. Куда уж проще!

На чтение 13 мин. Просмотров 10

С ростом цен на энергоносители все актуальнее становится использование альтернативных источников энергии. А так как отопление у многих основная статья расходов, то об отоплении речь в первую очередь: платить приходится практически круглый год и немалые суммы. При желании сэкономить, первым на ум приходит солнечное тепло: мощный и совершенно бесплатный источник энергии. И использовать его вполне реально. Причем оборудование стоит хоть и дорого, но в разы дешевле, чем тепловые насосы. О том, как может быть использована энергия солнца для отопления дома, поговорим подробнее.

Отопление от солнца: за и против

Если говорить об использовании солнечной энергии для отопления, то нужно иметь в виду, что существуют два разных устройства для преобразования солнечной энергии:

Если счетчик горячей воды у вас есть, то вы знаете объемы горячей воды, которые вы тратите ежемесячно. Выведите средние данные расхода за месяц или считайте по максимальному расходу - это кто как хочет. Также у вас должны иметься данные о тепловых потерях дома.

Присмотрите солнечные нагреватели , которые хотели бы поставить. Имея данные по их производительности, вы сможете примерно определить количество элементов, необходимое на покрытие ваших потребностей.

Кроме определения количества составляющих гелиосистемы, понадобится определить объем бака, в котором будет накапливаться горячая вода для ГВС. Это легко можно сделать, зная фактический расход вашей семьи. Если у вас установлен счетчик на ГВС, и вы имеете данные за несколько лет, можно вывести среднюю норму потребления в день (средний расход в месяц поделить на количество дней). Вот примерно такой объем бака вам нужен. Но бак нужно брать с запасом в 20% или около того. На всякий случай.

Если ГВС или счетчика нет, можно воспользоваться нормами потребления. Один человек в сутки в среднем расходует 100-150 литров воды. Зная, сколько человек постоянно проживают в доме, вы рассчитаете требуемый объем бака: норма умножается на количество жильцов.

Сразу нужно сказать, что рациональной (с точки зрения окупаемости) для средней полосы России является система солнечного отопления, которая покрывает порядка 30% потребности в тепле и полностью снабжает горячей водой. Это усредненный результат: в какие-то месяцы отопление будет на 70-80% обеспечиваться гелиосистемой, а в какие-то (декабрь-январь) всего на 10%. И снова-таки многое зависит от типа солнечных батарей и от региона проживания.

Причем дело не только в «севернее» или «южнее». Дело в количестве солнечных дней. Например, на очень холодной Чукотке солнечное отопление будет очень эффективным: там почти всегда светит солнце. В гораздо более мягком климате Англии, с вечными туманами, его эффективность крайне низка.

Итоги

Несмотря на множество критиков, которые говорят о неэффективности солнечной энергетики и слишком большом сроке окупаемости, все больше людей хоть частично переходят на альтернативные источники. Кроме экономии многих привлекает независимость от государства и его ценовой политики. Чтобы не жалеть о напрасно вложенных суммах, можно сначала провести эксперимент: изготовить одну из солнечных установок своими руками и решить для себя насколько это вас привлекает (или нет).

В современных условиях вопрос об экономном ведении хозяйства более чем актуален, что напрямую связано с постоянным удорожанием привычных энергоносителей, периодическими экономическими кризисными явлениями и нарушением экологического равновесия на нашей планете. Переход на альтернативные источники, например, солнечные водонагреватели, воздушно солнечное отопление, — это способ экономии и забота о будущих поколениях.

Сегодня для монтажа соответствующего оборудования можно воспользоваться услугами профессионалов или установить воздушное солнечное отопление своими руками. Второй вариант экономически выгоднее в 4 раза, поскольку цена — это немаловажный фактор для принятия решений, последствия которого будут давать результат на протяжении многих лет.

Усовершенствование существующих ранее технологий играет непосредственную роль в процессе интегрирования в современную систему хозяйствования альтернативных источников обогрева жилых и промышленных помещений.

Поэтому для экономически и технологически правильного проектирования системы, выполнения монтажа ее элементов необходимо иметь наиболее полную картину возможностей отопления дома солнечными батареями.

Самодельные системы: как используется солнечная энергия

Солнечная система отопления помещений.

Оборудовать солнечное отопление своими руками можно даже начинающему мастеру, но работа с разными типами устройств имеет некоторые отличия. Речь идет о солнечных батареях и солнечном коллекторе.

Солнечные батареи позволяют аккумулировать энергию, а затем использовать ее и для обогрева, и для подогрева теплоносителей, и для питания электрических приборов. Фотоэлементы, которые являются основой батарей, сделать самостоятельно трудно. Поэтому их покупают, соединяют в цепь и фиксируют в отдельном корпусе, правильно устанавливая все элементы.

Солнечными коллекторами (гелиосистемами) обогревают частные дома, организуя дополнительно и горячее водоснабжение. Фотоэлементы для коллектора не требуются. Отзывы свидетельствуют, что организовать солнечное отопление из подручных материалов под силу и начинающему мастеру.

Плоские гелиосистемы представляют собой остекленные и утепленные короба с теплоносителем внутри. Основным элементом вакуумных коллекторов являются трубки, в которых преобразуется энергия.

Итак, отличие состоит в том, что с помощью батареи можно производить электроэнергию, а с помощью коллектора нагревать воду.

Схема солнечной системы.

Экономическая эффективность использования солнечного генератора энергии

Солнечные батареи для отопления генерируют электрическую энергию в результате фотоэлектрических реакций. В среднем один модуль имеет мощность от 50 до 300 Вт при коэффициенте полезного действия до 30%, что является невысоким показателем. Экономическая выгода кроется в другом — эффективном — производстве энергии, что позволяет окупить затраты уже за 3 года эксплуатации системы. Один раз обустроив отопление на солнечных батареях, можно забыть о проблеме на 25 лет, поскольку именно такой срок устанавливают производители для работы оборудования.

К выгодным параметрам такого вида отопления можно отнести экономию внутреннего полезного пространства, что достигается установкой батареи для отопления на крыше здания. При этом следует придерживаться определенных правил:

Генератор.

Оборудование, обеспечивающее солнечное отопление, устанавливается на южной стороне, поскольку именно здесь сосредоточено наибольшее количество тепла.
Крыша должна быть не горизонтальная, а под наклоном — ориентировочно 45°.
Солнечные батареи довольно тяжелые, поэтому стропильная система крыши дома должна быть прочной. Угроза обрушения наиболее вероятна в зимнее время, когда на крыше скапливается снег.
Во дворе, на стороне дома, где располагаются батареи, не должно быть деревьев или зданий, создающих тень.

Расчет площади необходимого для батарей пространства производится индивидуально, но можно сориентироваться, учитывая такие параметры: для средней полосы для отопления дома, площадь которого составляет 100 кв.м, понадобится около 30 кв.м батарей. Следует учесть необходимость изолированного места в доме, в котором будет установлено оборудование, использующееся в пасмурную погоду или в темноте.

Экономическая выгода также определяется типом системы, которую подключают к электрическому котлу, в частности:

электрическая;
водяная.

Первая имеет наибольшую популярность благодаря эффективности при небольшом нагреве больших участков дома, допустим, пола с подогревом. Электрическую систему легче настраивать в соответствии с погодными условиями, количеством человек в доме. Оборудование электрического отопления легче монтировать, при этом отсутствуют громоздкие трубы и радиаторы под окнами.

Составные элементы системы.

Уязвимость альтернативной системы отопления

Расчет эффективности работы солнечной батареи для отопления дома позволяет определить период ее окупаемости. Как уже было сказано, это 3 года, но при соблюдении нескольких условий.

Во-первых, если энергии недостаточно и дом приходится отапливать газом, расходы на солнечное отопление увеличиваются, что в результате приводит и к увеличению сроков окупаемости.

Снижения стоимости эксплуатации оборудования для отопления дома солнечными батареями можно достичь за счет улучшения показателей энергоэффективности. Иными словами, прежде чем перейти на альтернативный источник энергии, необходимо позаботиться о термоизоляции, исключив возможность утечки тепла. Утепленные стены, крыша и пол, законопаченные щели в окнах и дверях позволят снизить расходы энергии, что уменьшит сроки окупаемости.

Во-вторых, эффективная работа системы отопления дома солнечными батареями возможна только при надлежащем уходе. Загрязнение поверхности приведет к уменьшению энергоэффективности. Поэтому рекомендуется по меньшей мере 1 раз в полгода производить очистку внешних блоков.

Водяное солнечное отопления.

Отзывы владельцев домов с солнечной системой отопления свидетельствуют о необходимости создания резервной системы, например, газового котла. При наличии централизованной электросети можно предусмотреть возможность переключения ее мощности в сезоны с недостаточным количеством солнечных дней. Чаще всего потребность дополнительного источника энергии возникает в зимнее время, а вот осенью и весной отопление на солнечных батареях экономически целесообразно.

Принципы действия основных систем отопления

Для обеспечения отопления и водоснабжения горячей водой в доме используют две системы, использующие разные теплоносители — воду и воздух. Обустройство таких систем несколько отличается, как и эффективность.

Водяное солнечное отопление может состоять из следующих элементов:

Такое солнечное отопление дома работает по принципу отдачи тепла от нагретой предварительно воды, проходящей по трубопроводам и отопительным приборам. Расчет подтверждает экономичность расхода материала, используемого для отопления, что достигается за счет теплоемкости воды. Считается, что при нагреве до одного уровня температуры вода в 4000 раз более теплоемкая, чем воздух.

Отзывы потребителей свидетельствуют о трудоемкости установки и эксплуатации водного солнечного оборудования, необходимости постоянного контроля работы генератора. При низких температурах вода, наполняющая трубопровод, замерзает и расширяется, вызывая разрушение всей системы. Установить оборудование можно только в процессе постройки дома или его капитального ремонта.

Воздушное солнечное отопление и горячее водоснабжение обеспечивается теплым воздухом, нагнетаемым специальными вентиляторами. Отличие этой системы состоит в использовании не насосов, а мощных вентиляторов.

Воздушное солнечное отопление имеет высокий уровень КПД, поскольку в его схеме отсутствуют передаточные элементы. Отопительная система объединяется с климатической, что позволяет создавать и поддерживать комфортный микроклимат помещения. Вследствие малой инерционности помещение обогревается очень быстро. Воздушное солнечное отопление доказало свою эффективность, а цена на него формируется в зависимости от объемов обогреваемых помещений, среднегодовых погодных условий и некоторых других факторов.

Воздушная система солнечного отопления.

Перед закупкой необходимого оборудования и его установкой требуется произвести расчет:

Мощности нагревателя воздуха с учетом того, что помещение должно получить достаточный обогрев, а тепловые потери должны быть компенсированы.
Скорости подачи воздуха, который нагревается.
Неизбежных потерь тепла, которые осуществляются через стены помещения, окна, двери, вследствие сквозняков или иных причин.
Диаметра воздуховода с учетом аэродинамических характеристик всей системы, что позволит определить объем потерь воздушного напора.

Если расчет оказался неправильным, возможны перегревы тепловых нагревателей, возникновение вибрации, дополнительных шумов, что создает дискомфорт, а впоследствии приводит к выходу системы из строя.

Простой вариант воздушного обогрева дома

Наиболее простой вариант — это создать воздушно солнечное отопление своими руками из металлического профнастила. Расчет материала таков: для создания короба размерами 180х120х15 см понадобится влагостойкая фанера толщиной 1,2 см на боковые стенки и 0,7 см — на заднюю стенку.

По периметру готового короба к задней стенке прикрепляется брус 4х4 см, на который укладывается минеральная вата слоем толщиной 4 см. Полученная после утепления поверхность зашивается профнастилом и окрашивается черной матовой краской с термостойкими характеристиками.

Принцип работы воздушного коллектора.

В середине короба прибиваются планки, размер которых соответствует расстоянию от стенки до стекла, которое будет затем установлено. Планки прибиваются в виде лабиринта, чтобы создавалась необходимая циркуляция воздуха. В нижней части боковой стенки прорезается прямоугольное отверстие, через которое осуществляется подача воздуха. Отверстие защищается сеткой или воздушным фильтром. Остекление солнечного коллектора дополняется тщательной герметизацией всех стыков.

С противоположной к отверстию подачи воздуха стороны прорезается еще одно отверстие, в котором устанавливается вентилятор. Когда лучи солнца попадут на профнастил, образуется тепло. Оно затем и будет нагнетаться для отопления помещения. Солнечное отопление своими руками позволяет при температуре +10°С получать около 60°C на выходном отверстии.

Используем водосточные трубы для обогрева

Воздушно солнечное отопление своими руками из профнастила позволяет экономить на дорогостоящих энергоносителях в весенне-осенний период при условии отопления небольших площадей. Более внушительные размеры и отдачу имеет воздушное солнечное отопление, созданное из теплопроводных алюминиевых труб преимущественно прямоугольного сечения.

Коллектор состоит из большого короба, длина которого равна длине дома. На создание прочного каркаса идут доски толщиной 3-4 см и влагостойкая фанера от 0,8 до 1 см. Принцип создания коллектора такой же, как и в случае с профнастилом: задняя стенка сбитого короба утепляется минеральной ватой, боковые — пенопластом. Слой минеральной ваты покрывается алюминиевым листом, к которому с помощью хомутов прикрепляются трубы.

На рисунке схематически изображен принцип работы воздушных солнечных коллекторов.

Коллектор из алюминиевых труб, обеспечивающий воздушное солнечное отопление, имеет особенность: входное и выходное отверстия для воздуха располагается в одной его части и разделяются деревянными перегородками. Далее производится остекление (можно использовать прозрачный шифер), покраска и установка вентиляторов на вход и выход.

Готовый коллектор устанавливается под углом к дому, а к нему по утепленной пенопластом траншее подводятся воздуховоды.

Воздушно солнечное отопление своими руками, созданное по описанной технологии, в зимнее время до 15.00 включительно при минусовой температуре не ниже 10°С позволяет получать на выходе воздух температурой 65°С. Расчет объемов тепла, которые можно получить в летнее время, дает еще более внушительные показатели, поэтому рекомендуется во избежание перегрева затенять оборудование.

Нагреваем воду солнечной энергией

Солнечные водонагреватели можно приобрести в магазинах или создать своими руками. Цена на оборудование зависит от объема бака и количества и типа трубок. В среднем эти показатели составляют от 26 и до 80 тысяч (можно нагреть от 127 до 340 л воды).

Можно найти сотни конструкций такого оборудования, но наибольшим спросом пользуются переносные солнечные водонагреватели, которые в случае необходимости можно отвезти на дачу или взять с собой в поход. Отзывы подтверждают, что возможность иметь горячую воду сутки напролет — серьезный аргумент в пользу создания удобного коллектора.

Самой трудоемкой частью будущего водонагревателя является бак. Для его изготовления понадобится лист оцинкованного железа, из которого вырезается основа бака с припусками по 2-2,5 см. После придания формы стыки тщательно пропаиваются. Тщательный расчет позволит сделать работу из одного листа, но в случае неудачи можно создать конструкцию из двух оцинкованных листов.

Для змеевика используются тонкостенные медные или стальные трубки диаметром до 18 мм, которые припаиваются к коллектору по всей длине. Таким образом можно достичь более высоких показателей теплопроводности.

Далее схема работы та же, что и для создания воздушного солнечного коллектора. Из многослойной фанеры сбивается короб-кожух, дно которого теплоизолируется. Внутрь короба устанавливаются коллектор, бак, трубки и укрепляются с помощью металлических уголков.

После этого конструкция остекляется, крепятся опорные элементы. Чтобы система работала эффективно, необходимо ее установить таким образом, чтобы солнечные лучи падали на поверхность под прямым углом.

Реально ли обеспечить свой дом солнечной тепловой энергией? Сегодня мы обсудим перспективу использования гелиосистем в качестве основного источника отопления, рассмотрим вопрос экономической оправданности и эффективности работы солнечных коллекторов.

Основные узлы системы отопления

Источником нагрева гелиосистемы служат солнечные коллекторы, целью которых является максимально эффективная передача теплоносителю энергии инфракрасного спектра солнечного излучения. Тепловой диапазон солнечного света составляет 40-45% от общего радиационного потока, в конкретных цифрах это 200-500 Вт/м 2 в зависимости от широты, времени года и суток.

В принципе, для построения простейшей гелиосистемы достаточно одних только коллекторов. По их каналам может циркулировать обычная вода, используемая для хозяйственных нужд и обогрева жилья. Однако такой подход недостаточно эффективен по ряду причин, первая из которых — отсутствие восполнения энергопотерь в течение полных суток. Поэтому одним из важнейших элементов системы солнечного отопления служит тепловой аккумулятор — ёмкость с водой.

Схема отопления дома солнечными коллекторами: 1 — подача холодной воды; 2 — теплообменник; 3 — теплоаккумулятор; 4 — датчик температуры; 5 — контур теплоносителя; 6 — насосная станция; 7 — контроллер; 8 — расширительный бак; 9 — горячая вода; 10 — трёхходовой кран; 11 — солнечный коллектор

Также своеобразным ограничением выступает техническое устройство солнечного коллектора. Его каналы имеют довольно малое проходное сечение, из-за чего возникает риск засорения механическими примесями. Также существует высокая вероятность замерзания теплоносителя в ночное время, верхняя же граница диапазона рабочих температур составляет 200-300 °С. Коллекторы рассчитаны на быструю непрерывную циркуляцию теплоносителя, который поступает с низкой температурой, быстро нагревается солнечным светом и так же быстро отдаёт тепло аккумулятору.

Трубки вакуумного U-образного солнечного коллектора

По этим причинам для непосредственного нагрева в тепловых трубках принято использовать пропиленгликоль с набором специальных присадок. Итак, третий обязательный элемент нагревательной гелиосистемы — специальный теплоноситель и обменный контур, который зачастую конструкционно включён в состав теплоаккумулятора, либо может быть частью самого коллектора.

Разновидности и отличия коллекторов

Если не вдаваться в технические тонкости устройства, основное различие между плоскими и вакуумными коллекторами заключено в целесообразности их использования в разных климатических зонах. Плоские коллекторы лучше использовать в южных широтах с преобладающими температурами выше нуля, вакуумные — ближе к северным.

Конструкция плоского солнечного коллектора: 1 — выход теплоносителя; 2 — рама коллектора; 3 — структурированное градостойкое стекло; 4 — абсорбер; 5 — медные трубки; 6 — теплоизоляция; 7 — вход теплоносителя

Целесообразность применения отдельных разновидностей солнечных коллекторов обусловлена рядом особенностей:

неспособностью вакуумных коллекторов самостоятельно очищаться от снега;
высокими теплопотерями плоских солнечных коллекторов, растущими вместе с разницей температур;
низкой устойчивостью плоских коллекторов к ветровым нагрузкам;
высокой стоимостью проекта на вакуумных солнечных коллекторах;
низким температурным диапазоном эффективного применения плоских коллекторов.

Конструкция вакуумного коллектора с косвенной теплопередачей: 1 — вход охлаждённого теплоносителя; 2 — теплообменник (коллектор); 3 — герметичная пробка; 4 — вакуумная трубка; 5 — алюминиевая пластина (абсорбер); 6 — тепловая трубка; 7 — рабочая жидкость; 8 — выход нагретого теплоносителя; 9 — корпус теплосъёмника; 10 — конденсатор тепловой трубки; 11 — изоляция

Одно из важнейших отличий кроется в процессе монтажа. Плоские коллекторы требуют доставки на крышу в собранном виде, в то время как вакуумные могут собираться по месту. Также плоские коллекторы обычно не имеют собственного теплоаккумулятора и обменного контура.

Проблемы солнечной энергетики

Нагревательные солнечные системы не лишены минусов, из них самый главный — непостоянство источника энергии. В ночное время нагрев системы не происходит, а при затяжной пасмурной погоде ожидать ясного неба, чтобы нагреть дом — удовольствие ниже среднего. Если аккумулятор при достаточно большом объёме способен сохранить нужное количество теплоты хотя бы до утра, то на несколько суток автономной работы в условиях недостаточной освещённости можно рассчитывать только при существенном расширении солнечной фермы. Это, в свою очередь, вызывает обратную проблему: при выходе на режим максимальной мощности (например, в весенний ясный день) такая гелиосистема потребует более интенсивного теплосъёма или временного отключения нескольких абсорберов с их затенением.

Важно понимать, что гелиосистемы в реалиях российского климата не могут использоваться как единственный или основной источник отопления. Однако они способны существенно снизить расход энергоносителей в отопительный период. Особенно эффективно работают гибридные коллекторы, в которых нагреватели совмещены с фотоэлементами. Если облачность задерживает большинство ИК излучения, то потери фотоэлектрической части спектра не столь значительны.

Другой минус солнечных коллекторов заключён в необходимости принудительной циркуляции теплоносителя в системе коллектор-аккумулятор. Некоторые вакуумные коллекторы оснащают баком, рассчитанным на естественную циркуляцию и расположенным выше поглотителя. Такие установки обычно используют в системах горячего водоснабжения с забором воды под давлением холодного водопровода. Но способы наладить совместную работу таких солнечных коллекторов с отопительной системой всё же имеются.

Интеграция в систему отопления

Есть два пути совмещения солнечных коллекторов со сколь угодно сложной системой отопления на жидком теплоносителе. Основным источником энергии может выступать либо газ, либо электричество — существенной разницы в том нет.

Первый вариант — нагрев общего суточного аккумулятора. Накопитель связывается с котлом совместно и последовательно, при недостаточно высокой температуре последний включается в работу и подогревает жидкость. Правильно спроектированная система такого рода может эффективно работать даже без принудительной циркуляции.

1 — контур отопления; 2 — греющая жидкость; 3 — датчик температуры; 4 — насосная станция; 5 — контроллер; 6 — насос; 7 — расширительный бак; 8 — санитарная вода; 9 — холодная вода; 10 — ГВС; 11 — солнечный коллектор; 12 — отопительный котёл

Второй тип совмещения подразумевает использование теплового аккумулятора с двумя контурами. Через один осуществляется съём тепла от коллектора, через второй — нагрев теплоносителя в системе, вода из аккумулятора служит источником ГВС. Поскольку контуры изолированы друг от друга, в отопительной системе и цикле теплообмена от солнечного коллектора можно использовать более теплоёмкие жидкости или антифриз. Основной недостаток — энергозависимость системы, ведь в обоих контурах циркуляция осуществляется принудительно.

1 — подача холодной воды; 2 — датчик температуры; 3 — теплообменник солнечного коллектора; 4 — теплообменник котла; 5 — контур теплоносителя коллектора; 6 — насосная станция; 7 — контроллер; 8 — расширительный бак; 9 — циркуляционный насос; 10 — выход горячей воды; 11 — отопительный котёл; 12 — солнечный коллектор

Расчёт мощности и этапы монтажа

Переход на солнечную энергетику не приемлет спешки и поверхностного подхода. Зачастую выводы о целесообразности установки гелиосистемы можно сделать только через несколько лет наблюдений и расчётов.

К сожалению, полагаться на инсоляционные карты не имеет особого смысла, ибо местные погодные условия могут сильно искажать среднестатистические показатели. Поэтому первое, что нужно сделать — самостоятельно составить отчёт по интенсивности солнечной радиации в месте установки коллекторов. Для измерений используют пиранометры, в пределах 5 тысяч рублей можно приобрести бюджетный прибор с достаточным набором функций.

Измерения следует проводить в разное время суток с периодичностью около недели в течение всего года. В процессе замеров нужно учитывать угол наклона и ориентацию коллекторов. Полученные данные в итоге сверяются со статистикой гидрометцентра о процентном содержании пасмурных дней в году.

Чтобы обеспечить высокую эффективность работы гелиоустановки, следует рассматривать самый негативный сценарий, то есть принимать за точку отсчёта наиболее продолжительный период с самой низкой освещённостью. В идеале можно сделать поправку на вероятность возникновения ещё более неблагоприятных погодных условий, пользуясь метеорологической статистикой за последние 15-20 лет. Полученные данные о поступающей солнечной энергии помогут установить необходимую общую площадь абсорбционного поля и определиться с количеством коллекторов, которые необходимо приобрести.

Как упоминалось, коллекторы очень редко используют как основной источник нагрева, обычно они играют вспомогательную роль. Но долю участия рассчитать можно, она указывается в виде процентной части от совокупной мощности энергосистемы дома или его теплопотерь. Получив требуемое количество киловатт, его умножают на оптический КПД абсорберов, добавляют несколько коэффициентов — поправок на ориентацию, наклон, температурный режим, а также запас надёжности.

По «чистому» значению генерируемой мощности подбирается:

нужное число коллекторов определённой модели и в среднем по одному резервному солнечному коллектору на 10-15 находящихся в работе;
система трубопроводов с рекомендуемой производителем пропускной способностью и термостойкостью;
циркуляционная группа, запорная арматура, прочие вспомогательные устройства;
объём и место размещения аккумуляторного бака. В системах с суточным накопителем или мощностью теплового отбора более 20 кВт имеет смысл строить изолированные бетонные резервуары объёмом от 15-20 м 3 .

Для самостоятельного монтажа и обслуживания необходимо составить проект системы, выделить место для размещения вспомогательных устройств и закрепить солнечный коллектор на южном (для северного полушария) склоне кровли с учётом рекомендаций поставщика техники по части ветровых нагрузок. Не забывайте, что приобретая полный комплекс оборудования у одного дистрибьютора, вы получаете возможность бесплатно составить если не проект отопительной гелиосистемы, то как минимум список хорошо совместимого оборудования и комплектующих.

Нужен ли тепловой насос

Один из основных недостатков солнечных отопительных систем — это высокая стоимость. В то время как технология производства плоских коллекторов хорошо освоена, вакуумные абсорберы остаются дорогими, а ведь при определённых погодных условиях с успехом получится эксплуатировать только их. Но есть и другая альтернатива — коллекторы воздушного типа.

Ввиду более простого устройства их стоимость меньше, плюс имеется возможность автономной работы. Эффективность воздушных коллекторов повышается с установкой нагнетающего вентилятора, питающегося от встроенной солнечной панели. За счёт ускоренного, но пропорционального нагреву охлаждения каналов обратные теплопотери через коллектор сводятся к минимуму. Ограничение мощности можно обеспечить управлением скоростью вентилятора или простым перекрытием протока — теплового удара воздушные коллекторы не боятся, к тому же легко настроить естественную рециркуляцию.

Недостаток воздушных систем в малой степени нагрева теплоносителя. Теплоёмкость воздуха меньше, плюс практически всегда абсорбер греется без фокусировки. Чтобы получить возможность интеграции в отопительную систему (что наиболее часто необходимо из-за невозможности проложить вентканал в обогреваемое помещение) тепловой насос или сплит-система действительно нужны.

Но воздушные тепловые насосы можно применять и для прироста эффективности кондиционирования воздуха. С ними скорость циркуляции удаётся поднять до значений, не приемлемых в бытовых вентиляционных системах, что даёт 2-3 кратный прирост выработки за счёт высокой разницы температур. В ночное время коллектор также будет обладать малой долей выработки при рабочем диапазоне температур.

Используемый как теплоноситель воздух можно подвергнуть осушению или заменить на углекислоту или другой более теплоёмкий газ. Однако тепловые насосы с водяным первичным контуром использовать не имеет смысла: они изначально рассчитаны на работу с высокой разницей температур и потому прироста мощности оказывается недостаточно для обоснования стоимости установки.

Стоимость солнечной отопительной установки

За удовольствие от пользования чистой энергией вообще приходится платить достаточно дорого, по крайней мере, на сегодняшний день. Справедливости ради, есть и позитивные новости: за последние пять лет стоимость производства плоских коллекторов упала в 2-2,5 раза, подобного можно вскоре ожидать и от устройств с вакуумными абсорберами.

Стоимость плоских и вакуумных коллекторов определяется объёмом выработки — значением солнечной радиации в идеальных условиях освещения, то есть удельной мощностью. В среднем за 1 кВт гелиоколлекторов плоского типа придётся выложить порядка $350-500, а за комплектную установку с внешним аккумулятором — около $800-1000. Стоимость вакуумных солнечных коллекторов колеблется в более высоком диапазоне — от $600 до $1000-1200 за комплекс в зависимости от качества исполнения, материала трубок, изоляции теплообменника и прочих особенностей.

Для ёмкостных коллекторов действует норма измерения в литрах воды, нагретой на максимально возможную температуру. Вычислить количество вырабатываемой электроэнергии можно либо по общей площади абсорбера, либо выразив через удельную теплоёмкость воды. В зависимости от сложности системы стоимость сильно разнится, цена одного из примеров из среднего сегмента рынка достигает $1500 за 300 литров (на 4-5 жильцов) с разницей температур около 50 °С, что эквивалентно 2,5 кВт удельной мощности.