Использование коллекторов и солнечных батарей в отоплении дома

Возможность использования энергии солнца в бытовых и производственных целях интересует человека вот уже несколько столетий. В этом направлении инженеры создали множество проектов и продолжают поиски более выгодных вариантов. И небезуспешно. Технологии, реализованные в солнечных коллекторах для отопления дома, позволяют освоить до 95% поглощаемой энергии солнца. Для сравнения — этот показатель для аналогичных устройств на фотоэлементах составляет всего 18%.

На какие критерии должен опираться расчет солнечного отопления?

  1. Традиционный генератор теплоты не может быть заменен солнечной системой.
  2. Солнечная система должна стать частью единой системы теплоснабжения наряду с классическим генератором отопления.
  3. Возможности гелиосистем, которые функционируют в качестве отопления, без фактора аккумулирования с точки зрения сезонности будут ограничены.
  4. Важно брать во внимание и то, что в летние месяцы солнечная система простаивает в течение довольно долгого времени. В связи с этим фактору парообразования нужно уделить отдельное внимание еще в процессе проектирования и монтажа солнечной системы.

Виды солнечных коллекторов

Точно как мы знаем, что за сутки Земля в среднем получает столько же солнечной энергии, сколько все люди израсходует в лучшем случае за год. К сожалению, большинство данной энергии уходит впустую. Применение коллекторов разрешает перенаправить хотя бы часть полностью бесплатной энергии на свои потребности.

Такие устройства смогут употребляться, к примеру, для несложного подогрева воды в бассейне на улице, но и отопление дома солнечными коллекторами делается все более настоящим.

Обратите внимание! На 100 % обеспечить потребность дома в тепле коллекторы пока не в состоянии, особенно в случае если дом находится в жёстких климатических условиях. Исходя из этого они значительно чаще употребляются в связке с более привычными отопительными системами.

Перед тем как думать о коллекторной системе отопления не лишним будет ознакомиться с их основными видами.

Выделяют:

  • вакуумные коллекторы на тепловых трубках – считаются самыми идеальными представителями этого класса устройств. В конструкции употребляются полые герметичные трубки с залитой вовнутрь легкокипящей жидкостью. При нагревании солнечным светом жидкость вскипает, испаряется и переносится в верхнюю часть трубки, где отдает тепло теплоносителю. Наряду с этим газ снова переходит в состояние жидкости и стекает вниз, цикл повторяется;

Обратите внимание! Вакуумный коллектор на теплотрубках стоит много, но это того стоит. Кроме высокой эффективности он отличается еще и устойчивостью к повреждениям, дело в том, что трубки работают независимо друг от друга и в случае если случится разгерметизация одной из них, то остальные все равно будут работать.

  • плоский коллектор – асборбер (поглощающий элемент) в этом случае выглядит как пластина, соответственно, от размеров пластины зависит и мощность устройства. Светопоглощающий элемент передает накопленную энергию теплоносителю. Самым действенным режимом работы считается тот, при котором теплоноситель необходимо нагреть до температура на 20-40?С больше, чем температура снаружи.

Отопление на солнечных коллекторах будет более действенным в случае применения вакуумных моделей. Дело в том, что конструкция трубок разрешает направить солнечные лучи под углом 90? к внутренней трубке кроме того в утренние и вечерние часы. Плоские коллекторы сейчас работают в разы менее действенно.

Единственным минусом вакуумных устройств можно считать цена. При таких условиях разовые затраты на монтаж отопительной системы будут выше, иначе, ремонт плоских коллекторов обойдется намного дороже, поскольку поменять придется всю пластину полностью, а не отдельную трубку.

Читайте также:  Давление в системе отопления многоэтажного дома

Раздельно стоит упомянуть об устройствах, в которых в качестве теплоносителя употребляется воздушное пространство. Воздушный солнечный коллектор для отопления громадных площадей не подойдет, поскольку у воздуха если сравнивать с водой нехорошая теплопроводность.

Максимум на что такие коллекторы способны – создать комфорт в маленьком помещении, к примеру, маленькой мастерской. При таких условиях вентиляторы подают подогретый воздушное пространство в помещение и нет потребности тратиться на монтаж классической отопительной системы.

Виды и особенности

Перед началом проектирования необходимо определиться с типом системы обогрева на солнечных элементах. К числу наиболее востребованных относятся два вида конструкций — плоские и вакуумные. Менее популярны воздушные коллекторы.

Устройства характеризуются следующими особенностями работы и эксплуатации:

  1. Вакуумные коллекторы. Генерирующий тепло элемент системы представляет собой не остекленную панель, а секцию выполненных из стекла трубок. Они имеют приличные габариты и внутри полые. Воздух из этих магистралей выкачан. В вакуумной среде проходит одна или несколько меньших по диаметру магистралей для циркуляции теплоносителя. Другими словами, наружная часть системы трубопроводов играет роль защитного кожуха. А вакуум является отличным теплоизолятором.
  2. Плоские варианты. Отопление дома солнечными коллекторами чаще всего организуется с помощью именно этих схем. Приемное устройство представляет собой короб со стеклом, под которым находится специальный абсорбирующий теплослой. Он контактирует с трубами, по которым циркулирует вода или иной теплоноситель (к примеру, пропиленгликоль). Тепловая энергия аккумулируется и передается магистралями для обогрева воды в резервуаре.
  3. Воздушный коллектор. Он характеризуется невысоким коэффициентом полезного действия и применяется намного реже других аналогов. Физические свойства воздуха как проводника тепла намного ниже по сравнению с жидкостью, что и обуславливает невысокие эксплуатационные характеристики. Конструкция представляет собой короб большой площади. В нем воздух контактирует с абсорбирующим тепло элементом, прогревается и при помощи вентилятора подается в помещение.

Устройство и область применения в быту

Солнечный коллектор в силу своей весьма недешевой стоимости прежде всего призван сократить расходы на отопление дома зимой.

Как дополнительный источник тепла гелиосистема способна снизить затраты на отопление вдвое, что весьма существенно.

Коллектор вырабатывает в среднем 600-800 кВт/ч на 1 кв.м своей площади покрытия в год. Это составляет около 40-60% потребности дома в тепле. А это значит, что солнечными гелиосистемами зимой вполне реально отопить треть жилой площади.

Фактически коллектор применяется по принципу бытового водонагревателя с нагревом в системе отопления воды или антифриза. Вся система нагрева построена на генерировании солнечной энергии на нагревательный элемент, а именно на сам солнечный коллектор, который представляет из себя панель для сбора солнечной энергии размером в несколько квадратных метров. Плоский коллектор абсорбирует солнечное излучение и переносит его на теплообменник, через который материал-носитель (вода, антифриз, воздух) циркулирует по системе отопления. Данная система используется для отопления и для нужд горячего водоснабжения дома.

Схема вакуумного солнечного коллектора.

Современные экосистемы совмещают в себе использование солнечной энергии и электричества для более эффективного функционирования всей системы в целом. К примеру, при низкой солнечной активности зимой вся собранная энергия подается на нагрев системы отопления дома, а циркуляция осуществляется при помощи электричества, что позволяет при минимальных дополнительных энергозатратах запустить на полную мощность всю гелиоустановку. Такая технология называется принудительной циркуляцией и используется, как правило, в крупных гелиосистемах.

Читайте также:  Бесперебойник для насоса отопления: разновидности и критерии выбора

Если рассчитать соотношение затрат по установке и обслуживанию солнечного коллектора для отопления дома и конечную окупаемость, то этот период предусматривает от двух до пяти лет. С учетом долговременной эксплуатации можно рассчитать, что окупаемость в конечном счете очень высока. Период окупаемости затрат напрямую зависит от погодных условий и может колебаться в ту или иную сторону. И если уж говорить о ежегодном стабильном повышении цен на тепловую энергию, то установку солнечного коллектора для дома можно считать очень выгодным вложением средств для дальнейшей экономии бюджета.

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:

  • солнечного коллектора с использованием водяного теплоносителя;
  • трубопровода;
  • дополнительного нагревателя; бака-аккумулятора горячей воды;
  • коллекторного насоса;
  • теплообменника;
  • дополнительного топлива;
  • радиатора помещения, которое отапливается.

Водяная система солнечного отопления

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.

Перед закупкой необходимого оборудования и его установкой требуется произвести расчет:

  1. Мощности нагревателя воздуха с учетом того, что помещение должно получить достаточный обогрев, а тепловые потери должны быть компенсированы.
  2. Скорости подачи воздуха, который нагревается.
  3. Неизбежных потерь тепла, которые осуществляются через стены помещения, окна, двери, вследствие сквозняков или иных причин.
  4. 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.

Коллектор из змеевика холодильника

Не секрет, что некоторые народные умельцы способны их небольшого количества ненужных вещей сделать нечто удивительно полезное. Это с уверенностью можно сказать о змеевике старого холодильника. Для того чтобы превратить этот элемент в качественный коллектор, понадобится фольга, резиновый коврик, стекло и рейки для каркаса. Также необходимы – бочка для воды, вентили, трубы для организации подачи и слива воды.

Рекомендуем к прочтению:Распределительный коллектор отопления своими рукамиСолнечный коллектор из змеевика холодильника

Последовательность работы:

  • Змеевик тщательно очищается от остатков фреона. Далее специально под него изготавливается каркас из реек. В соответствии с каркасом корректируются и размеры резинового коврика.
  • На дне каркаса закрепляется коврик, который следом покрывается слоем фольги.
  • Далее над фольгой закрепляется при помощи хомутов и болтов и сам змеевик.
  • При изготовлении каркаса заранее следует участь – в его стенках непременно должны быть отверстия, через которые будут выводиться трубки, идущие от змеевика.
  • Верхняя часть каркаса (с уже расположенным внутри змеевиком) закрывается стеклом. Его необходимо как следует зафиксировать.
Коллектор из змеевика холодильника

Готовый коллектор можно располагать как на крыше, так и несколько поднятым посредством специальных опор над землей. Желательно, чтоб он размещался на южной стороне. Расчет солнечного коллектора для отопления показывает, что наиболее подходящий угол наклона падающего на стекло луча – 30-35 градусов.

Читайте также:  Как обеспечить автономное отопление дома с помощью солнца

При помощи труб коллектор подсоединяется к бочке, в которой будет проходить накопление нагретой жидкости. В трубы коллектора самотеком подается холодная вода, которая после нагрева самовольно перемещается в бочку. Следует отметить, что такая емкость непременно должна иметь вентиль, при помощи которого можно будет контролировать уровень давления в ней.

В нижней части бочки располагается труба, по которой остывшая вода будет возвращаться для нагрева в коллектор. Система является достаточно простой, но, вместе с тем, эффективность ее достаточно велика. В частности, ее довольно часто используют на дачных участках, где существует относительно небольшая потребность в горячей воде.

Преимущество солнечных коллекторов достаточно велико. Они экологичны, достаточно эффективны, а кроме того, их можно сделать из подручных материалов. При этом информации о том, как создать качественный коллектор, сегодня существует много, и она доступна всем.

Подключение коллекторов к системе отопления

От того, какой тип циркуляции используется в той или иной системе, зависит то, как будет производиться подключение к отопительной системе. Подключение к системе с естественной циркуляцией — один из самых простых способов. Здесь главным принципом становится только нагрев воды в системе отопления.

Выше уровня коллектора подключается накопительный бак. Верхний вывод, таким образом, должен подключаться ко входу горячей воды в систему отопления, а нижний к обратке. На входе в солнечный коллектор для отопления в таком случае могут возникнуть воздушные пробки. Потому такие системы стоят дешевле, чем вариант с использованием насосов.

С использованием автоматики можно подключить солнечный коллектор к системе с принудительной циркуляцией. Эти системы обладают своими особенностями :

  1. Контроллер управляет насосом на основе показаний специальных датчиков.
  2. Когда по этим датчикам температура достигает заданного значения, обогрев прекращается
  3. Бак-накопитель, обратка и выход коллектора — места, где обязательно устанавливаются такие датчики
  4. Вместе с такой системой лучше использовать дополнительные источники тепла. Например, твердотопливные или газовые котлы.
Подключение коллекторов к системе отопления

На степень нагрева воды в системе в таких случаях влияет местоположение коллектора по отношению к солнцу, а так же уровень его наклона. Лучше с самого начала устанавливать коллекторы так, чтобы под прямыми солнечными лучами они находились большую часть дня. Объём бака в морозный период лучше выбирать около 40 см³. если не планируется подключать дополнительные источники тепла. Иначе в пасмурные дни система будет работать не совсем эффективно.

Довольно сложно рассчитать количество квадратных метров, которые необходимы для той или иной системы коллекторов. Здесь важны не только наклон крыши и сторона, значение приобретают уровень солнечной радиации в данном регионе, объём накопителя. Потому все расчёты лучше доверить квалифицированным специалистам.

Сейчас производством солнечных коллекторов занимаются разные производители. Выбирая ту или иную марку, надо обязательно обратить внимание на её производительность. В перерасчёте на м2 у каждой торговой марки она может быть своя. И в некоторых случаях разница становится действительно заметной.