Гелиосистемы и солнечные коллекторы. Как это работает.

Гелиосистема

Отопление частного дома — сложный и ответственный вопрос, решение которого требует расходов и усилий. Тарифы и условия поставки ресурсов порой становятся чрезмерно высокими и вынуждают искать более рациональные и экономные способы обогрева без излишних расходов. Одним из вариантов может стать гелиосистема, базирующаяся на совершенно бесплатной солнечной энергии.

Ежедневно на земную поверхность падает гигантское количество гигаватт, которые рассеиваются в атмосфере и поглощаются земной корой. Количество энергии велико, но возможностей принимать и сохранять ее пока придумано немного. Гелиосистемы для отопления дома — один из способов использования солнечной энергии с практических целях.

Что это такое?

Гелиосистема — это комплекс устройств, используемых для приема тепловой энергии от Солнца для обогрева жилья или иных целей. Представляет собой источник нагрева теплоносителя для отопительного контура дома. Нагрев производится либо прямым, либо косвенным способом, через теплообменник.

В состав гелиосистемы входят:

• Коллектор. Устройство, производящее прием энергии от Солнца и передающее ее теплоносителю тем или иным способом.
• Отопительный контур дома.

Основным элементом системы является коллектор. Он является источником нагрева теплоносителя. Остальная часть представляет собой обычную радиаторную систему отопления, или (лучше) теплый пол.

Необходимо учитывать, что гелиосистемы для нагрева воды, цена которых может быть достаточно высока, не всегда способны обеспечить полноценный и достаточный обогрев. Это зависит от климатических и погодных условий в регионе, от расположения дома и других факторов. Некоторые специалисты считают, что такой вид обогрева может быть использован только в качестве дополнительного варианта.

Виды

Существуют разные конструкции коллекторов, способные демонстрировать свои эффективность и возможности:

1. Открытые. Представляют собой плоские продолговатые емкости черного цвета, наполненные водой. Она нагревается от солнечного тепла и может поддерживать температуру воды в открытых бассейнах, летнем душе и т.д. КПД таких устройств крайне низок, поэтому их можно использовать только в летнее время
2. Трубчатые. Основным элементом этих систем являются стеклянные коаксиальные трубки, между внешней и внутренней частями которых создан вакуум. Возникает прозрачный защитный слой с крайне низкой теплопроводностью, позволяющий воде (или антифризу) получать солнечную энергию, практически не расходуя ее на окружающую среду. Стоимость таких коллекторов высока, ремонтопригодность крайне низка и проблематична
3. Плоские. Представляют собой плоские ящики с прозрачной крышкой. Днище покрыто слоем, активно принимающим энергию. КЕ нему припаяны трубки, по которым перемещается вода. Получая тепло, она направляется в отопительную систему. Иногда из-под крышки выкачивают воздух, усиливая эффективность приема энергии и снижая потери. Существуют также конструкции, где трубки находятся между двух приемных слоев, в которых для них созданы канавки. Это позволяет улучшить теплопередачу

Существуют также более современные виды коллекторов, в которых используется принцип теплового насоса — в герметичной емкости находится легкоиспаряемая жидкость. Нагреваясь от солнечного тепла, она испаряется. Этот пар поднимается в конденсационную камеру и оседает на стенках, выделяя при этом много тепловой энергии. По ту сторону стенок создана водяная рубашка, которая принимает это тепло и направляется в систему отопления.

Принцип действия

Принцип действия любого коллектора заключается в нагреве воды или иного теплоносителя под воздействием солнечных лучей. Классическим примером может служить нагрев предметов на подоконнике, освещенном лучами Солнца, даже если за окном стоит мороз. Подобным образом происходит передача энергии в коллекторах.

Для получения максимального эффекта необходимо обеспечить оптимальные условия, теплоизолировать все подводящие трубопроводы и накопительную емкость.

Однако, следует учитывать, что любая гелиосистема для отопления дома, цена которой может оказаться чрезмерно высокой, имеет ограниченные возможности. Использовать ее в регионах с морозными зимами будет нерационально, так как максимальный перепад между температурами снаружи и внутри коллектора не должен превышать 20°. Такое возможно только в относительно теплых регионах, где нет сильных холодов и достаточно солнечных дней.

Количество контуров

Гелиоустановки могут быть одно- и двухконтурными. Одноконтурные системы выполняют единственную функцию — нагревают теплоноситель для отопительной линии. Двухконтурные системы не только производят нагрев теплоносителя, но и подготавливают горячую воду для бытовых нужд.

Конструкция одноконтурной гелиосистемы для отопления частного дома состоит из коллектора, производящего нагрев воды, которая подается в накопительный бак, из которого она поступает в отопительный контур. Пройдя полный круг, вода остывает и вновь оказывается в коллекторе, где опять нагревается, и так по кругу.

Двухконтурные системы устроены сложнее. Теплоноситель, нагревающийся в коллекторе, направляется в змеевик, установленный внутри накопительного бака, и отдает тепловую энергию, после чего вновь попадает в коллектор. Нагретая вода из бака подается на точки разбора (ванны, раковины и иные сантехнические приборы), а также направляется в отопительный контур. Остывая в нем, она вновь попадает в бак, где подогревается от змеевика. Обычно внутри линии коллектора циркулирует антифриз, так как жидкости не смешиваются, т.е. нагрев воды происходит косвенным способом.

Виды циркуляции теплоносителя

Теплоноситель может перемещаться по системе двумя способами:

Естественная циркуляция. Используется принцип подъема нагретых жидкостей вверх. Для обеспечения устойчивого перемещения надо располагать коллектор ниже накопительного бака, а отопительный контур должен располагаться так, чтобы теплая вода поднималась вверх и заходила в систему обогрева, а остывший обратный поток возвращался в коллектор для нагрева

Принудительная циркуляция. В этом случае для перемещения теплоносителя используется циркуляционный насос. Такой вариант предпочтительнее, так как исчезают различные внешние факторы, воздействующие на режим циркуляции, скорость и направление потока становятся стабильными, выдержанными в заданном режиме. Недостатком способа является необходимость приобретать и обслуживать насос, нуждающийся в подключении к сети электротока. Положительная сторона заключается в возможности монтировать систему и располагать все элементы не по условиям циркуляции, а так, ка это удобнее и рациональнее в данном помещении

Кроме того, существуют варианты циркуляции теплоносителя с заходом в отопительный контур, когда он подключен напрямую к коллектору, и по собственной замкнутой петле. Передача тепловой энергии при этом осуществляется косвенным способом через змеевик, установленный в накопительном баке.

Установка и ориентация

Монтаж коллектора производится на открытой площадке, в течение всего дня освещенной солнечными лучами. Оптимальным вариантом является крыша дома, но любое строение, дерево или возвышение, находящееся рядом, могут стать преградой для лучей, поэтому надо сразу проконтролировать плотность освещения.

Также гелиосистема для нагрева воды должна быть установлена так, чтобы лучи падали на ее поверхность перпендикулярно. Для этого надо отметить положение Солнца в середине светового дня и установить панели перпендикулярно лучам, чтобы свет падал на них отвесно. В этом отношении трубчатые конструкции эффективнее, так как плоскости как таковой они не имеют, а поверхность трубки одинаково хорошо принимает поток с любой стороны.

Срок окупаемости

Гелиосистемы для отопления, цена которых зависит от размеров дома и внешних условий в регионе, способна окупиться за довольно короткий срок, или же не окупиться вовсе. Рассчитывать заранее, с какого времени она начнет приносить прибыль, крайне сложно, поскольку имеется слишком много тонких эффектов и факторов воздействия. Участвуют погодные или климатические обстоятельства, уровень технического исполнения элементов системы, тип отопительных контуров и многое другое.

Гелиоустановка для нагрева воды — это своего рода инвестиционный проект, обладающий отложенным сроком окупаемости. Считается, что средний срок службы оборудования составляет 30 лет. Все это время комплекс будет давать определенное количество тепловой энергии, за которую ничего не надо платить.

Вложения в создание системы только первоначальные, потом изредка понадобятся лишь текущие ремонтные работы, не требующие серьезных расходов. По истечении срока службы все узлы и элементы гелиосистемы могут быть использованы для других целей или проданы как вторичное сырье. Поэтому экономический эффект от работы будет получен в любом случае, хотя он и не является главной целью всего замысла.

Плюсы и минусы

К плюсам использования гелиоустановок можно отнести:

• возможность пользоваться неиссякаемой и совершенно бесплатной солнечной энергией;
• независимость от тарифов ресурсных организаций и поставщиков;
• возможность регулировать и менять размеры системы по своему желанию;
• длительный срок службы с минимальными расходами на ремонт.

Недостатками гелиосистем являются:

• система работает только в дневное время, расходуя ночью накопленное тепло;
• зависимость от погодных и климатических условий;
• низкий КПД и общая эффективность гелиоустановок;
• возможность создания системы имеется не у всех домовладельцев;
• в регионах с морозными зимами системы работать не могут.

При выборе отопительной системы необходимо знать и учитывать достоинства и недостатки этой методики.

Виды и устройство солнечных коллекторов.

Их существует несколько видов отличающихся по конструктивному исполнению. Начну их перечислять последовательно от простых к более сложным.

Термосифонные солнечные коллекторы.

Наиболее простой и дешевый вид такого оборудования, рассчитанный на работу только в теплый сезон. Поэтому такие системы называют сезонными. Они делаются в двух вариантах:

• Работающие без давления — вода в них циркулирует только под действием гравитационных сил. По этой причине такие коллектора могут устанавливаться только выше уровня точек разбора. Обычно, их ставят на крышах домов или на специальных башнях, похожих на опоры ЛЭП.
• Работающие под давлением — здесь циркуляция обеспечивается специальными насосами. Такое оборудование может быть установлено на уровне и даже ниже точек разбора в любом удобном и хорошо освещенном месте.

Кроме этого, есть еще различия в способе нагрева воды. Таких способов 2:

1. Прямой — внутри коллектора нагревается, которая подается непосредственно потребителю.
2. Косвенный — нагрев потребляемой воды происходит при помощи теплообменника. Теплообменник находится внутри верхнего бака-аккумулятора.

Для понятности добавим сюда следующую картинки:

Более всего в этих устройствах интересны трубки, в которых происходит нагревание воды. В современных коллекторах они делаются из специального высокопрочного стекла. Трубка по строению похожа на стеклянную колбу термоса — она имеет две стенки, между которыми создается вакуум. Внутренняя трубка покрывается напылением, уменьшающим отражение солнечного излучения. Это позволяет доводить температуру теплоносителя до 300° Цельсия. Такие температуры возможны только при повышенном (больше атмосферного) давлении.

Плоские солнечные коллекторы.

Грубо говоря, это ящик, дно которого утеплено пенополиуретаном, а верх закрыт толстым ударопрочным стеклом (на случай града и других неприятностей). Между этими двумя слоями находится абсорбер — теплообменник, который нагревается солнцем. Он покрашен специальной краской, уменьшающей отражение солнечных лучей. Внутри плоского коллектора может быть создан вакуум, что увеличит его КПД, но это условие не обязательно. То есть вакуума может и не быть. Схему устройства смотри ниже:

В отличие от термосифонных, плоские коллектора можно использовать и в холодное время года. Для этого внутри них должен циркулировать специальный антифриз для отопления. В этом случае приборы подключаются к бойлеру косвенного нагрева. Выглядит это примерно так:

Здесь использован специальный бойлер с двумя теплообменниками. Если вместо бойлера будет теплоаккумулятор, то мы получим систему отопления с поддержкой от солнечной энергии. Такая хитрость будет недешево стоить, но со временем окупится. Ведь вы будете экономить на топливе для котла. Лично я считаю, что такое решение имеет право на существование.

Гибридные солнечные коллекторы.

Еще одним видом коллекторов являются гибридные. Главным их отличием от плоских является то, что в них помимо нагрева воды осуществляется еще и выработка электрической энергии. На мой взгляд, это удачная идея совместить эти две функции в одном устройстве. Крыша ведь у дома всего одна и площадь, на которой можно разместить эти коллектора достаточно ограничена, а тут одним выстрелом убивают двух зайцев.

Но не все так просто, фотоэлектрические элементы не любят повышенной температуры. Поэтому температура теплоносителя не должна превышать порога в 50° Цельсия. Для ГВС, например, этого будет мало. В принципе, теплоноситель с такой температурой можно использовать для теплых полов и тепловых насосов. Функция выработки электричества тоже страдает. Как известно, все универсальное хуже специального. Еще одним существенным их недостатком для нашего потребителя можно назвать их высокую стоимость. В нашей стране, к сожалению, не субсидируют применение энергоэффективных технологий

Как выбрать гелиоустановку для отопления и горячего водоснабжения жилого дома?

Выбор гелиосистемы является важным шагом, определяющим эффективность ее работы и вложения денег. Надо определить, какая нужна гелиосистема, цена и размер, тип солнечных коллекторов и прочие параметры комплекса.

Необходимо подобрать конструкцию и комплектацию системы, руководствуясь следующим критериями:

• уровень солнечной активности в регионе;
• количество тепловой энергии, необходимое для обогрева дома;
• установить приоритет солнечной энергии в отоплении дома — либо гелиоустановка служит в качестве основной системы, либо как дополнение.

Определившись с главными факторами, можно приступать к выбору оптимального варианта конструкции и объема системы.

До 100 м2

Гелиосистема для отопления дома 100 кв. м. может служить основным источником тепловой энергии. Основной задачей станет правильный выбор конструкции солнечных коллекторов, чтобы имелась возможность получать максимальное количество тепла.

Необходимо произвести расчет с учетом этажности и конфигурации дома, количества солнечных дней в году, параметров теплоносителя в системе. Гелиосистема для отопления дома 100 кв. м., цена которой может составлять от 18 тыс. руб. до 180 тыс. руб. и выше, вполне способна обеспечить обогрев дома, если будут соблюдены все необходимые условия.

До 200 м2

Для дома площадью 200 м 2 гелиосистема может стать только дополнительным источником обогрева. Обычно пик использования таких установок приходится на осенний и весенний период, когда солнечного тепла достаточно, но потребность в обогреве дома существует.

Конструкционных отличий для таких систем практически не имеется, только накопительный бак является общим с основной отопительной линией дома. Специалисты утверждают, что использование гелиоустановок в весенний и осенний периоды позволяет снизить нагрузку на отопительные системы примерно на 30-40%.

Что могут предложить современные технологии

В среднем 1 м2 поверхности земли получает 161 Вт солнечной энергии в час. Разумеется, на экваторе этот показатель будет во много раз выше чем в Заполярье. Кроме того, плотность солнечного излучения зависит от времени года. В Московской области интенсивность солнечного излучения в декабре-январе отличается от мая-июля более чем в пять раз. Однако современные системы настолько эффективны, что способны работать практически всюду на земле.

Современные гелиосистемы способны эффективно работать в пасмурную и холодную погоду до -30°С

Задача использования энергии солнечной радиации с максимальным КПД решается двумя путями: прямой нагрев в тепловых коллекторах и солнечные фотоэлектрические батареи.

Солнечные батареи вначале преобразуют энергию солнечных лучей в электричество, затем передают через специальную систему потребителям, например электрокотлу.

Тепловые коллекторы нагреваясь под действием солнечных лучей нагревают теплоноситель систем отопления и горячего водоснабжения.

Тепловые коллекторы бывают нескольких видов, в числе которых открытые и закрытые системы, плоские и сферические конструкции, полусферические коллекторы концентраторы и многие другие варианты.

Тепловая энергия, полученная с солнечных коллекторов используется для нагревания горячей воды или теплоносителя системы отопления.

Несмотря на явный прогресс в разработке решений по собиранию, аккумулированию и использованию солнечной энергии, существуют достоинства и недостатки.

Эффективность солнечного отопления в наших широтах довольно низка, что объясняется недостаточным количеством солнечных дней для регулярной работы системы

Плюсы и минусы от использования энергии солнца

Самым очевидным плюсом использования энергии солнца является ее общедоступность. На самом деле даже в самую хмурую и облачную погоду солнечная энергия может быть собрана и использована.

Второй плюс — это нулевые выбросы. По сути, это самый экологически чистый и естественный вид энергии. Солнечные батареи и коллекторы не производят шума. В большинстве случаев устанавливаются на крышах зданий, не занимая полезную площадь загородного участка.

Недостатки, связанные с использованием энергии солнца, заключаются в непостоянстве освещенности. В темное время суток становится нечего собирать, ситуация усугубляется тем, что пик отопительного сезона приходится на самые короткие световые дни в году.

Существенный недостаток отопления, основанного на применении солнечных коллекторов, заключается в отсутствии возможности накапливать тепловую энергию. В схему включен только расширительный бак

Необходимо следить за оптической чистотой панелей, незначительное загрязнение резко снижает КПД.

Кроме того, нельзя сказать, что эксплуатация системы на солнечной энергии обходится полностью бесплатно, существуют постоянные затраты на амортизацию оборудования, работу циркуляционного насоса и управляющей электроники.

Конструкция своими руками

Конструкция солнечных установок не настолько сложна, чтобы люди, обладающие некоторой подготовкой, были не в состоянии самостоятельно изготовить и запустить их в своих домах. Гелиосистема для отопления дома 100 кв м своими руками — это вполне воплотимый замысел, который поможет существенно сэкономить на приобретении и ремонтных работах. Рассмотрим возможные варианты.

Термосифонная гелиосистема

Термосифонные гелиосистемы — это трубчатые коллекторы, которые были рассмотрены выше. Существуют безнапорные и напорные конструкции, различающиеся способом циркуляции теплоносителя. Безнапорные работают на естественном перемещении жидкости и не нуждаются в электроэнергии, состав комплекса намного проще и дешевле. Напорные способны обеспечить заданный режим циркуляции и позволяют получить максимальную эффективность. Наиболее активная работа таких систем — период с апреля по октябрь, чем севернее регион, тем короче срок наибольшей активности установок.

Воздушная гелиосистема

Воздушные коллекторы — это установки, использующие в качестве теплоносителя воздух. Они обогревают дом вентиляционным методом, что позволяет серьезно экономить на создании отопительных контуров и пользоваться системой круглый год.

Коллектор представляет собой полый черный ящик, в котором от солнечного тепла нагревается воздух. Теплый воздух направляют в помещение, а остывший — в коллектор на подогрев. Для снижения теплопотерь ящик устанавливается в прозрачную герметичную емкость, защищающую от внешних воздействий — ветра, низкой температуры и т. п. Вход и выход размещают в разных помещениях для увеличения разницы давления и организации самостоятельно циркуляции потоков.

Теплоноситель для гелиосистем TERMAGENT SOL (10л), Краснодар

Теплоноситель «THERMAGENT SOL» — физиологически безопасный теплоноситель в виде прозрачной жидкости на основе водного раствора 1,2 — пропиленгликоля и высших гликолей (пр-во Германия), используемый в солнечных системах отопления, особенно тех, которые работают при повышенных температурах. Продукт смешан с деионизированной водой и имеет морозостойкость около минус 23?С, рабочую температуру — плюс 200?С.

Этот теплоноситель содержит нетоксичные ингибиторы коррозии и не содержит аминов, нитритов и фосфатов. В производстве использована новейшая технология «Organic Acid Technology». Продукт соответствует требованиям Европейского Союза по DIN 4757 часть 3 для солнечных систем отопления. В состав также входят высококипящие физиологически безопасные высокомолекулярные гликоли с температурой кипения выше +290?С при 1013 мбар.

«THERMAGENT SOL» был разработан благодаря расширению использования вакуумных коллекторов, имеющих высокую температуру простоя (до +260?С). Обычные теплоносители на основе этиленгликоля и пропиленгликоля склонны к испарению в таких системах при высоких температурах вследствие низких температур кипения этих гликолей. Они оставляют частично нерастворимые солеобразные отложения, которые могут привести к проблемам при работе, если коллектор часто простаивает. Этот новый продукт состоит преимущественно из высококипящих физиологически безопасных высокомолекулярных гликолей с температурой кипения выше +290?С при 1013 мбар. Таким образом, упомянутые отложения остаются жидкими.

«THERMAGENT SOL» — идеальный теплоноситель для высоконагруженных солнечных систем обогрева, в частности, с вакуумными коллекторами. Применяемые чаще всего материалы в солнечных системах (такие как медь, нержавеющая сталь и алюминий) защищены от коррозионной атаки на многие годы специальными ингибиторами коррозии. Для обеспечения оптимальной защиты нужно следовать правилам: 1) системы должны удовлетворять требованиям DIN 4757 и должны быть с закрытым контуром. Компенсаторы всплеска мембранного давления должны соответствовать DIN 4807; 2) перед заполнением система должна быть промыта водой. Стыки труб, вентили и насосы необходимо проверить под давлением на протечки; 3) стыки, спаянные твердым припоем, следует обработать мягким припоем. Следы шлаков (если возможно без хлоридов) необходимо смыть прокачиванием горячей воды; 4) при возможности не следует использовать гальванизированные компоненты в системе в силу того, что цинк не стоек к этому продукту и растворяется, что может привести к отложениям. В этих случаях могут помочь грязеуловители и фильтры; 5) после проверки под давлением, что также дает возможность определить водоемкость системы, систему слить и немедленно заполнить «THERMAGENT SOL» для устранения воздушных карманов; 6) рабочая температура продукта составляет +200?С, поэтому следует избегать долговременного простоя системы из-за необратимого влияния на стабильность теплоносителя и значительного сокращения срока службы; 7) в случае протечек всегда доливать неразбавленный «THERMAGENT SOL». Избегать смешивания с другими продуктами. Если (кроме исключительных случаев) для долива используется вода, то концентрацию (морозостойкость) теплоносителя следует проверить гидрометром. Морозостойкость должна быть не выше -20?С для обеспечения адекватной морозо/коррозионной стойкости.

Кон (морозостойкость) следует проверять ежегодно. Качество теплоносителя и уровень защиты от коррозии следует также проверять приблизительно каждые 2 года.

Советы по эксплуатации

Эксплуатация гелиоустановок производится в соответствии с особенностями конструкции. Основной задачей владельца является поддержание чистоты, удаление пыли или снега. В некоторых случаях требуется периодически изменять положение панелей в соответствии с сезонным изменением расположения Солнца. Ремонт или замена отдельных элементов производится по мере возникновения необходимости, все работы можно выполнять как самостоятельно, так и с помощью привлеченных специалистов.

Монтаж расширительного бака гелиосистемы

Расширительный бачёк должен компенсировать весь теплоноситель, вытесняемый из солнечных коллекторов во время стагнации с учетом температурного расширения жидкости.

Во время монтажа бака следует учитывать его положение. Если подключение будет снизу, а сам бачёк будет находиться выше насосной группы, то мембрана будет подвергаться воздействию высоких температур. Так же, при такой установке на мембране может образоваться воздушный пузырь. Этот пузырь будет подсушивать резину и приведет к ухудшению эластических свойств. Вследствие чего мембрана может лопнуть значительно раньше предполагаемого срока.

Для того чтобы продлить срок службы расширительного бачка гелиосистемы следует устанавливать его ниже уровня насосной группы, как показано на фотографии.

Состав гелиосистемы

В стандартный комплект гелиосистемы входят следующие элементы:

• генератор теплоты (гелиоколлектор любого типа),
• устройство, переносящее теплоноситель (насос или давление внешней системы водоснабжения),
• нагреваемый объект (вода системы ГВС, система отопления, бассейн).