Солнечное отопление частного дома: варианты и схемы устройства

Устройство вакуумного коллектора

Еще один вид водяных солнечных нагревателей изготавливается с применением современных технологий и передовых технических решений, а потому относится к высокой ценовой категории. Таких решений в коллекторе реализовано два:


  • тепловая изоляция с помощью вакуума;
  • использование энергии парообразования и конденсации вещества, кипящего при низкой температуре.

Идеальный вариант защитить абсорбер для коллектора от тепловых потерь – это заключить его в вакуум. Медная трубка, наполненная хладагентом и покрытая абсорбирующим слоем, помещена внутрь колбы из прочного стекла, воздух из пространства между ними откачан. Концы медной трубки входят в трубу, через которую протекает теплоноситель. Что происходит: хладагент под воздействием солнечных лучей закипает и обращается в пар, он поднимается по трубке вверх и от соприкосновения с теплоносителем сквозь тонкую стенку снова переходит в жидкость. Ниже показана рабочая схема коллектора:

Фокус в том, что в процессе превращения в пар вещество поглощает гораздо больше тепловой энергии, чем при обычном нагреве. Удельная теплота парообразования любой жидкости выше, нежели ее удельная теплоемкость, а потому вакуумные солнечные коллекторы весьма эффективны. Конденсируясь в трубе с проточным теплоносителем, хладагент передает ему всю теплоту, а сам стекает вниз за новой порцией энергии солнца.

Благодаря своему устройству вакуумные нагреватели не боятся низких температур и сохраняют свою работоспособность даже на морозе, а потому могут применяться в северных регионах. Интенсивность нагрева воды в этом случае ниже, чем летом, так как зимой на землю поступает меньше тепла от солнца, часто мешает облачность. Понятно, что изготовить стеклянную колбу с откачанным воздухом в домашних условиях просто нереально.

Какие существуют

В зависимости от температуры, которую могут достигать пластины, коллекторы бывают:

  • низких температур — не дают энергии большой мощности, они нагревают воду не более 50 градусов по Цельсию;
  • средних температур — прогревают воду уже до 80 градусов, поэтому их можно использовать для обогрева помещений;
  • высоких температур — используются в основном на промышленных предприятиях, и в домашних условиях их сделать невозможно.

Интегрированные коллекторы делятся на:

  • накопительные интегрированные;
  • плоские;
  • жидкостные;
  • воздушные.

Накопительный интегрированный или по-другому термосифонный коллектор. Он может не только нагревать воду, но и какое-то время поддерживать некоторое время нужную температуру. В нем нет насосов, поэтому он гораздо экономичнее остальных вариантов. Устройство-накопитель представляет собой конструкцию из одного или нескольких баков, заполненный водой и помещённых в теплоизоляционный ящик. Сверху на баках лежит стеклянная крышка, которая проходит через стекло и нагревает воду. Это недорогой, лёгкий в обслуживании и простой в эксплуатации вариант. Однако зимой его применение весьма затруднительно.

Плоский коллектор внешне напоминает обычный плоский металлический ящик, внутри которого помещена чёрная пластина, поглощающая солнечный свет. Стеклянная крышка ящика усиливает его, стекло имеет низкое содержание железа, такие образом способствуя поглощению всех лучей. Сам ящик термоизолирован, а чёрная пластина тепловоспринимающая, благодаря чему и выделяется тепло. Однако КПД пластины всего 10%, поэтому она дополнительно покрывается слоем аморфного полупроводника. Плоские коллекторы используются для подогрева воды в бассейнах, отопления помещений и иных бутовых нужд.

В жидкостных накопителях основным теплоносителем становится жидкость.Они бывают остеклёнными и неостеклёнными, с замкнутой и разомкнутой системой теплообмена.

Воздушные коллекторы гораздо дешевле своих водных собратьев. Они не замерзают зимой, не подтекают. Их используют для сушки сельскохозяйственных продуктов.

Существует еще один вид — концентраторы, они отличаются концентрацией солнечных лучей. Это происходит благодаря зеркальной поверхности, которая направляет свет на поглотители. Главный их недостаток — это невозможность работы в пасмурные дни, поэтому их используют в странах с жарким климатом.

Солнечные печи и дистилляторы. Дистилляторы работают на принципе испарения воды, тем самым не только дают теплоэнергию, но и очищают воду. Печи также используют как для обогрева, так и для стерилизации воды.

Изготовление солнечного водонагревателя с медным абсорбером


Предлагаемый к изготовлению гелиоколлектор в зимний солнечный день разогревает воду до температуры выше 90 °C, а в пасмурную погоду — до 40 °С. Этого хватит, чтобы обеспечить дом горячей водой. Если же вы хотите отапливать солнечной энергией жилище, то потребуется несколько таких установок.

Необходимые материалы и инструмент

Для изготовления водонагревателя понадобятся:

  • листовая медь толщиной не менее 0,2 мм размерами 0,98×2 м;
  • медная трубка Ø10 мм длиной 20 м;
  • медная трубка Ø22 мм длиной 2,5 м;
  • резьба 3/4˝ — 2 шт;
  • заглушка 3/4˝ — 2 шт;
  • припой мягкий SANHA или ПОС-40 — 0,5 кг;
  • флюс;
  • химреактивы для чернения абсорбера;
  • плита OSB толщиной 10 мм;
  • уголки мебельные — 32 шт;
  • базальтовая вата толщиной 50 мм;
  • листовой теплоотражающий утеплитель толщиной 20 мм;
  • рейка 20х30 — 10м;
  • дверной или оконный уплотнитель — 6 м;
  • оконное стекло толщиной 4 мм или стеклопакет 0,98х2,01 м;
  • саморезы;
  • краска.

Кроме этого, подготовьте такие инструменты:

  • электрическая дрель;
  • набор свёрл по металлу;
  • «коронка» или фреза для работы по дереву Ø20 мм;
  • труборез;
  • газовая горелка;
  • респиратор;
  • малярная кисть;
  • набор отвёрток или шуруповёрт;
  • электрический лобзик.

Для опрессовки контура также понадобится компрессор и манометр, рассчитанный на давление до 10 атмосфер.

Для пайки мягким припоем подойдёт простая газовая горелка

Инструкция по ходу работ

  1. При помощи трубореза медную трубку нарезают на куски. Получатся 2 части Ø22 мм длиной 1,25 м и 10 элементов Ø10 мм длиной 2 м.
  2. В толстых трубах делают отступ от края 150 мм и выполняют по 10 сверлений Ø10 мм через каждые 100 мм.
  3. В полученные отверстия вставляют тонкие трубки так, чтобы они выступали внутрь не более чем на 1–2 мм. В противном случае в радиаторе будут появляться излишние гидравлические сопротивления.
  4. Используя газовую горелку, термофен и припой, все части радиатора соединяют между собой.

  5. По диагоналям радиатора к трубам 3/4˝ попарно припаивают заглушки и резьбы.
  6. Закрыв выходную резьбу заглушкой, на вход собранного коллектора навинчивают штуцер и присоединяют компрессор.

  7. Помещают радиатор в ёмкость с водой и компрессором нагнетают давление 7–8 атм. По поднимающимся в местах стыков пузырькам судят о герметичности паяных соединений.
  8. После проверки герметичности радиатор сушат и обезжиривают. Затем приступают к припаиванию медного листа. Паять полотно абсорбера к трубкам следует сплошным швом по всей длине каждого элемента медного контура.

  9. Поскольку абсорбер гелиоколлектора изготавливается из меди, то вместо покраски можно использовать химическое чернение. Это позволит получить на поверхности настоящее селективное покрытие, наподобие того, что получают в заводских условиях. Для этого в ёмкость для проверки герметичности наливают нагретый химический раствор и укладывают абсорбер лицевой стороной вниз. Во время реакции поддерживают температуру реактивов любым доступным способом (например, постоянной прокачкой раствора через ёмкость с кипятильником).

  10. Из листа OSB вырезают детали для сборки корпуса гелиоколлектора — днище 1х2 м, боковые стороны 0,16х2 м, верхнюю 0,18х1 м и нижнюю 0,17х1 м панели, а также 2 опорные перегородки 0,13х0,98 м.
  11. Рейку 20х30 мм нарезают на части: 1,94 м — 4 шт. и 0,98 м — 2 шт.
  12. В боковых стенках делают отверстия Ø20 мм для входного и выходного патрубков, а в нижней части коллектора выполняют 3–4 сверления Ø8 мм для микровентиляции.

  13. В перегородках делают вырезы под трубки абсорбера.
  14. Из реек 20х30 мм собирают опорную раму.
  15. Воспользовавшись мебельными уголками и саморезами, раму обшивают панелями OSB. При этом боковые стенки должны опираться на днище — это позволит предотвратить прогиб корпуса. Нижнюю панель опускают на 10 мм от остальных, чтобы перекрыть её стеклом. Это не даст осадкам попадать внутрь рамы.
  16. Устанавливают внутренние перегородки.


  17. Днище и бока корпуса утепляют минеральной ватой и укрывают рулонным теплоотражающим материалом.

  18. Абсорбер укладывают на подготовленное пространство. Для этого демонтируют одну из боковых панелей, которую затем ставят на место.

  19. На расстоянии 1 см от верхнего края короба внутренний периметр сооружения обшивают деревянной рейкой 20х30 мм так, чтобы стенок касалась её широкая сторона.
  20. По периметру проклеивают уплотнительную резинку.

  21. Укладывают стекло или стеклопакет, контур которого также обклеивают оконным уплотнителем.
  22. Прижимают конструкцию алюминиевым уголком, в котором предварительно сверлят отверстия для саморезов. На этом этапе сборку коллектора считают завершённой.

Чтобы предотвратить попадание влаги и утечку тепла, на всех этапах стыки и места сопряжений деталей обрабатывают силиконовым герметиком. Для защиты конструкции от осадков древесину покрывают специальным составом и окрашивают эмалью.

Принцип совмещения водяного коллектора и отопительной системы

Подключение к системе отопления зависит от того, по какому принципу циркулирует вода в определенной системе. Самым простым способом подключается система с естественной циркуляцией. В этом случае необходимо обеспечить нагревание воды в системе.

Накопительный бак располагают так, чтобы он находился выше уровня коллектора. При этом верхний вывод подключают на входе горячей воды в отопительную систему, а нижний – к обратной трубе. На входе в коллектор для обогрева помещений могут образоваться воздушные пробки. Стоимость такого варианта несколько дешевле систем с принудительной циркуляцией.

Системы, работа которых основана на использовании циркуляционных насосов, могут подключаться к солнечному коллектору для отопления дома, но с использованием автоматики. Объясняется это наличием некоторых особенностей таких систем:

  • Управление насосом осуществляет контроллер с учетом показаний специальных датчиков.
  • Обогрев прекращается при достижении заданных значений температуры согласно датчикам.
  • Установка датчиков проводится в баке-накопителе, обратной трубе и выходе коллектора.
  • Более эффективный обогрев получается комплексной работой такой системы и дополнительных источников тепла.

Степень нагревания воды в такой системе во многом зависит расположения коллектора относительно солнца и уровня его наклона. Наиболее эффективной считается установка коллекторов в местах, где прямые солнечные лучи попадают на их поверхность большую часть дня. Если система будет работать индивидуально, без подключения дополнительных источников тепла, то бак-накопитель должен иметь объем не меньше 40 куб.см. В этом случае можно добиться максимального эффекта от работы системы в пасмурную погоду.

Тепловые коллекторы производятся разными фирмами, поэтому выбирать какую-либо марку нужно с учетом производительности. Этот параметр может иметь различные значения, все зависит от торговой марки.

Сравнение КПД солнечных коллекторов

Ниже приведены результаты сравнительных испытаний плоских и вакуумных коллекторов в различных климатических условиях. Результаты говорят сами за себя — лучший КПД вакуумных коллекторов наблюдается практически в любых условиях.

Результаты испытаний, приведенные ниже, даны при нагреве воды солнечными коллекторами с температуры окружающей среды до  75 °C – данные предоставлены Hills Solar. Плоские солнечные коллекторы были испытаны в National Solar Test Facility, Канада.

Сидней

Зима:Уровень солнечной радиации во время испытаний был 426 Вт/м²  и температура окружающего воздуха была 13.1 °C. Вакуумный коллектор оказался лучше на 104%, чем плоский, из расчета на один м² апертурной поверхности для вакуумного коллектора или общей площади для плоского коллектора.

Лето: Солнечная радиация была 840 Вт/м², температура воздуха 21.3 °C. Вакуумный коллектор оказался на 150.5% более эффективным  из расчета на м² апертурной поверхности**.

** Данные взяты из отчета Hills Solar  – hills-collector-efficiency (380kb PDF)

Мельбурн, Виктория

Зима:Уровень солнечной радиации во время испытаний был 296 Вт/м²  и температура окружающего воздуха была 9.9 °C. Вакуумный коллектор оказался лучше на 163,5%, чем плоский, из расчета на один м² апертурной поверхности для вакуумного коллектора или общей площади для плоского коллектора.

Лето: Солнечная радиация была 861 Вт/м², температура воздуха 19.8 °C. Вакуумный коллектор оказался на 151.5% более эффективным  из расчета на м² апертурной поверхности**.

Брисбан, Квинсланд


Зима:Уровень солнечной радиации во время испытаний был 546 Вт/м²  и температура окружающего воздуха была 17.8 °C. Вакуумный коллектор оказался лучше на 81%, чем плоский, из расчета на один м² апертурной поверхности для вакуумного коллектора или общей площади для плоского коллектора.

Лето: Солнечная радиация была 828 Вт/м², температура воздуха 25.1 °C. Вакуумный коллектор оказался на 54.5% более эффективным  из расчета на м² апертурной поверхности**.

 Аделаида, Южная Австралия

Зима:Уровень солнечной радиации во время испытаний был 452 Вт/м²  и температура окружающего воздуха была 10.9 °C. Вакуумный коллектор оказался лучше на 132%, чем плоский, из расчета на один м² апертурной поверхности для вакуумного коллектора или общей площади для плоского коллектора.

Лето: Солнечная радиация была 953 Вт/м², температура воздуха 22.1 °C. Вакуумный коллектор оказался на 52% более эффективным  из расчета на м² апертурной поверхности**.

Как видим, чем ниже температура окружающей среды, тем больше заметна разница в работе вакуумного и плоского коллектора. Чем холоднее, т.е. чем больше дельта температур, на которую нагревается вода в солнечном коллекторе, тем более явные преимущества у вакуумного солнечного коллектора.

Справедливости ради, в  исследовании, результаты которого приведены выше, использовалось приведение выработки вакуумного солнечного коллектора к апертурной поверхности, а для плоского использовалась общая поверхность. Если в расчетах принимать общую площадь для обоих типов коллекторов, разница в эффективности будет существенно меньше.

Области применения солнечных коллекторов

Главное назначение солнечных коллекторов, как и любых других теплогенераторов, – отопление зданий и подготовка воды для системы горячего водоснабжения. Осталось выяснить, какой именно тип гелиоколлекторов лучше подходит для выполнения той или иной функции.

Плоские солнечные коллекторы, как мы выяснили, отличаются хорошей производительностью в весенне-летний период, но малоэффективны зимой. Из этого следует, что использовать их для отопления, потребность в котором появляется именно с наступлением холодов, нецелесообразно. Это, однако, не означает, что для данного оборудования вовсе не найдется дела.

У плоских коллекторов есть одно неоспоримое преимущество – они существенно дешевле вакуумных моделей, поэтому в тех случаях, когда планируется использовать солнечную энергию исключительно летом, имеет смысл приобретать именно их. Плоские гелиоколлекторы прекрасно справляются с задачей подготовки воды для ГВС в летний период. Еще чаще их используют для подогрева до комфортной температуры воды в открытых бассейнах.

Трубчатые вакуумные коллекторы более универсальны. С приходом зимних холодов их производительность снижается не столь существенно, как в случае плоских моделей, а значит, они могут использоваться круглогодично. Это дает возможность задействовать подобные гелиоколлекторы не только для горячего водоснабжения, но и в системе отопления.

Сравнение плоских и вакуумных солнечных коллекторов.


С этим читают