Солнечные коллекторы для отопления дома и их виды

Экономия отопления – одна из главных забот хозяина частного дома. Для создания системы отопления предлагаются печи с котлами нагревания, электрические, дровяные варианты, но носители обходятся дорого, особенно при значительных площадях строений. Альтернативой традиционным системам может стать коллектор солнечный – устройство, которое при правильном подборе и размещении снимает заботы об отоплении не только дома, но и теплиц, других строений. Рассмотрим разновидности, отличительные особенности и характеристики приборов.

Преимущества и недостатки солнечных коллекторов для отопления

Специалисты выделяют ряд положительных качеств гелиосистем:

1. Автономность горячего водоснабжения в любое время года. Коллектор солнечный исправно поставляет энергию при перебоях, профилактических, ремонтных работах на магистрали.
2. Длительный срок службы. В зависимости от типа модели система работает до 30 лет, срок окупаемости даже дорогого агрегата не превышает 5-6 лет.
3. Экономия достигается отсутствием тарификации на поставку тепла. Ежемесячный расчет не зависит от повышения цены на электроэнергию.
4. Универсальность применения. Солнечный коллектор для отопления дома может одновременно применяться для обогрева теплицы, бассейна, других хозяйственных помещений.
5. Простота монтажа. Система легко встраивается в существующий тип отопления, а при эксплуатации не будет грязи, отходов, как, например, при использовании твердотопливных котлов.

К дополнительным преимуществам относятся: снижение суммарной нагрузки на тепло-, энергосеть строения, оптимизация конструкции под собственные нужды.

Минусы касаются высокой цены оборудования и необходимости тщательного выбора приборов. На эффективность работы влияют не только климатические условия региона, но и особенности ландшафта местности, формы крыши, длина светового дня, прочие показатели.

Совет! При выборе системы с пассивной циркуляцией, производная эффективность невысокая, поэтому для регионов с суровыми зимами, коротким световым днем рекомендуется выбирать принудительные варианты управления.

КПД правильно выбранного коллектора достигает 95%, для средней, северной полосы КПД снижается до 75-80%, но это выше, чем все прочие системы отопления.

Важно! Чтобы произвести правильный расчет солнечного коллектора для отопления, необходимо перемножить величину инсоляции в регионе за год, площадь отапливаемых помещений и КПД – получится годовой показатель. Для поиска дневного берется дневной показатель инсоляции.

Данные по инсоляции региона доступны в специальных таблицах на сайтах метеосводок, геологических организаций города, района или области.

Виды солнечных коллекторов и принцип работы

Солнечным коллектором называется устройство, преобразующее энергию солнца в тепловую.

Различаются приборы по множеству признаков:

• по типу теплоносителя на воздушные и жидкостные, где в качестве жидкости используется вода, антифриз, этиленгликоль, прочие субстанции;
• по конструкции устройства могут быть плоскими и вакуумными.

Для отопления дома применяются любые типы агрегатов, так как принцип работы не меняется и основан на способности материалов поглощать солнечную энергию в любом диапазоне. При потреблении энергии физические свойства материалов проявляются в увеличении скорости движения молекул, нагревании вещества и это тепло затем передается для отопления дома.

В соответствии с конструктивными особенностями солнечные коллекторы бывают:

1. Плоскими. Это системы в виде прямоугольника, выполненные из прочного материала. Внутри корпуса выложена изоляционная прокладка, поверхность которой накрыта пластиной, абсорбирующей тепло. В углубления пластины монтируются медные трубки, передающие теплоноситель. Корпус закрыт оболочкой со свойством поглощения солнечных лучей и защитным стеклом.
2. Вакуумными. Это трубчатые системы, также закрытые специальным корпусом. Внутри вакуумных трубок циркулирует теплоноситель, передающий тепловую энергию теплоносителю наружного контура.

Различаются коллекторы по способу использования носителя тепла:

• пассивные системы – это агрегаты, применяемые в конструкции с накопительным баком, используемые для горячего водоснабжения дома без обустройства других инженерных сооружений сети;
• активные системы – агрегаты, где кроме коллектора конструкция дополняется насосом, защитными клапанами и применяется не только для обеспечения горячего водоснабжения, но и отопления дома.

По передаче тепла различаются агрегаты:

1. Косвенного действия, при которых система отопления и водоснабжения дополняется баком-аккумулятором. Этот бак передает тепловую энергию, полученную наружным путем во внутренний контур, то есть отопление, ГВС.
2. Прямого действия или прямоточные, используемые для систем горячего водоснабжения. Транспортировка воды в контуре коллектора происходит за счет разности температур и при помощи дополнительно установленных кранов, клапанов.

Как коллектор работает зимой?

Для систем отопления рекомендуется выбирать вакуумный солнечный коллектор, который лучше подходит для обеспечения бесперебойной подачи тепла в помещения.

Работает гелиосистема следующим образом:

• При поглощении солнечной энергии теплоноситель в контурах трубок испаряется, поднимается вверх и конденсируется в теплообменнике прибора. Происходит передача тепла в теплоноситель внешнего контура. Затем после охлаждения теплоноситель из контура трубок стекает вниз и процесс повторяется.
• Прогретый теплоноситель из наружного контура подается в бак-аккумулятор, откуда полученная тепловая энергия транспортируется до теплоносителя системы ГВС и отопления.
• Движение теплоносителя в наружном контуре осуществляется установкой циркуляционного насоса и автоматической системы управления. В систему входит контроллер, датчики и прочие элементы управления, которые поддерживают установленные параметры работы коллектора.

Для увеличения эффективности, выполнения задач в зимний период, рекомендуется монтировать дублирующие источники энергии. Например, дополнительный агрегат нагрева с применением топлива различных типов или можно решить задачу установкой электрического ТЭНа в бак-аккумулятор. Функциональность дублирующих источников тепла также контролируют приборы автоматики, запуская и отключая агрегаты по мере необходимости.

Как правильно выбирать коллектор?

Профессионалы советуют обращать внимание на следующие факторы:

1. Плоская гелиосистема выгоднее прочих по цене, но не при замене, ремонте элементов. Любая поломка может вывести из строя систему абсорбции, а это увеличит затраты на ремонт. Данный класс оборудования обладает способностью нагревать воду максимум на 40 градусов выше температуры окружающей среды.
2. Вакуумный коллектор намного чувствительнее к внешним агрессивным воздействиям, но при этом замена хрупких трубок не отнимает много времени и денег.
3. В зимний период плоские системы выгоднее, так как забирают энергию с большей площади, чем вакуумные, однако вторые удобнее при обустройстве ТЭНов в бак в качестве косвенного обогревающего элемента. Выбирая вакуумный гелиоприбор нужно смотреть на наличие нескольких колб длиной до 2 м и шириной до 60 мм. Для обеспечения эффективного термогенеза внутри должна быть прямая или U-образная вставка.
4. Воздушные тепловые солнечные коллекторы отличаются предельной простотой конструкции, выдерживают низкие температуры, редко требуют ремонт, но намного слабее прогревают комнаты в доме. Короткие трубки малого диаметра снижают расчетный показатель выработки нагрева, поэтому применяют такие агрегаты в регионах с теплым климатом, длительным световым периодом.
5. Измеряемая в кВт мощность приборов является номинальной. Показатель применим только для измерения количества тепла, производимого в период высшей точки солнечной активности. Для утра и вечера расчет не является актуальным. В ночное время суток используется накопленная за день энергия. Именно она поддерживает уровень тепла в помещениях, поэтому следует учитывать мощность сопрягаемой с коллектором системы и проверить способность длительного сохранения тепла.

Важно! Если в продаже предлагается устройство с низким уровнем энергосбережения, то для морозных зим такие агрегаты не подходят. Также не рекомендуется подбирать водные проводники, которые при агрессивных понижениях температуры попросту замерзнут.

6. Если выбрать вертикальные способы монтажа коллекторов, то обеспечивается автоматический сход снега, но КПД будет снижен.

Самое выгодное размещение коллектора – поворот лицевой стороной на юг, максимально допустимое отклонение от южного направления не должно превышать 30 градусов. Для обеспечения высокой эффективности системы в течение всего года, необходимо рассчитывать угол установки. равный показателю широты местности.

На заметку! Проектирование системы следует поручить профессионалу. Специалист подберет оптимальные варианты конструкций, способ крепления к крыше, произведет замеры и продумает оправданность применения дополнительных каркасов.

Схемы подключения коллекторов

Типичные схемы установки коллекторов приводятся без указания типа оборудования. Важно соблюдать основное правило – гелиосистема должна передавать преобразованную солнечную энергию теплоаккумулятору, в качестве которого может выступать буферная емкость отопления или бойлер ГВС, оборудованные теплообменником для подключения солнечного коллектора.

Для регионов с суровыми зимами, малой продолжительностью светового дня аккумулятор в обязательном порядке оборудуется косвенным нагревательным элементом, иначе в пасмурную погоду и зимой тепла можно и не дождаться. Схема с самотечной транспортировкой жидкости считается более практичной, но для самостоятельного движения теплоносителя охладитель нужно располагать выше, чем нагреватель. Поэтому низ бака размещается на расстоянии минимум 0,5 м выше, чем верхняя точка гелиосистемы.

Если бойлер размещен в верхней части чердака, подойдет схема расположения коллектор на крыше. Трубы следует обернуть теплоизоляционными материалами толщиной до 100 мм, а для снижения гидравлического сопротивления системы применяются трубы большего диаметра.

При системе, в которой коллектор прогревает бойлер косвенного нагрева (в прогревании также участвует и котел), целесообразнее применять насос и установить бойлер в котельной возле котла.

Если применяется схема подключения гелиосистемы на буферную теплоаккумулирующую емкость, например, для круглогодичного использования системы и прогрева солнечной энергией всей системы отопления в доме, подойдет такой вариант размещения.

Для существующих систем отопления в доме применяется следующий вариант интеграции оборудования. Таким образом солнечный коллектор подключается на отдельный бак-аккумулятор, менять оборудование не придется.

Для обустройства системы пригодится аварийный клапан повышенного давления, расширительный бак объемом от 0,1 объема контура и автоматический воздухоотводчик. Для предупреждения ухода воды из бойлера нужно смонтировать на холодный трубопровод обратный клапан. Монтаж обязательной автоматики управления циркуляционными насосами приводит к удорожанию проекта, но в противном случае систему придется включать и отключать вручную, например, когда нагрева от солнца нет.

Совет! Если солнечный коллектор используется круглый год, в качестве теплоносителя заливается незамерзайка. Для сезонного применения коллектора в систему закачивается вода, а перед заморозками жидкость нужно слить.

Как сделать солнечный коллектор самостоятельно?

Для изготовления солнечного воздушного обогревателя, который будет работать зимой и летом потребуется:

• рама из деревянных плашек с фанерным дном размером 150х150 см;
• планки с сечением 2х4 см;
• пленки изоляционная и рефлектирующая;
• зачерненный лист металла;
• сетка зачерненная;
• лист поликарбоната с наклеенной УФ-пленкой;
• 2 вентилятора;
• 2 обратных клапана для монтажа на выходе из коллектора.

Как сделать воздушный солнечный коллектор для отопления дома своими руками:

1. Фанерное днище размером 150х150 см раскроить на две части размерами 105х150 см и 45х105 см. Теперь эти части соединить между собой планкой.
2. Выстлать полотно изоляционной пленкой со светоотражающими свойствами. Высверлить в днище снизу 2 дырки размером в 10 см для забора холодного воздуха из дома и 2 отверстия сверху того же диаметра для вывода теплых потоков воздуха из коллектора. В отверстия снизу впоследствии будут вмонтированы вентиляторы для затягивания потоков в коллектор, а на верхние потом установятся обратные клапаны для блокировки движения воздуха при отключенных вентиляторах.
3. Фанерную конструкцию рамы нужно утеплить рефлектирующей и изоляционной пленкой. Это снизит теплопотери коллектора. Лучше всего подходит алюминизированная пленка, которая хорошо отражает тепловые лучи, поступающие от перегретого абсорбера.
4. Абсорбером выступает лист металла, выкрашенный черной краской. К внутренней стороне абсорбера прибить сетку, которая нужна для изменения структуры воздушного потока, создаваемого вентиляторами. Вся конструкция прибивается к раме коллектора. Получается, что втянутый в коллектор холодный воздух из дома будет проходить вдоль сетки, прогреваться и становится однородным по температуре.
5. Присоединить к вентиляторам питание, установить приборы в нижние отверстия. Мощность вентиляторов 14 Вт, этого достаточно для обеспечения поступлений на коллектор от 3 кВт/час.
6. Для снижения теплопотери абсорбер закрывается листом прозрачного поликарбоната. Такие листы уже оклеены пленками для защиты от УФ-излучения.

Выглядит система на крыше следующим образом.

Но изготовленный воздушный коллектор можно установить на стену дома, для чего просверлить 4 отверстия, диаметр которых равен 10 см, затем установить гелиосистему. Это простейший вариант воздушного коллектора, который успешно применяется на практике и изготавливается с минимальными затратами, но есть вариант обустройства конструкции с помощью других подручных средств, например, как на видео ниже.