Энергоэффективный дом. Используем гелиоколлекторы

Что такое солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы — это устройства, которые поглощают солнечное излучение и преобразуют его в тепловую энергию, передавая ее теплоносителю. Тепло можно использовать для получения горячей воды или теплоснабжения. Современные высокоселективные покрытия поглощают больше солнечной энергии, чем обычные предметы, окрашенные в черное.

Нюансов при получении тепла таким способом несколько. Во-первых, коллекторы эффективно генерируют только так называемое низкопотенциальное тепло. Эти устройства обычно рассчитаны на нагрев теплоносителя до +50 °С, при более высоких показателях снижается КПД коллектора. Во-вторых, количество вырабатываемого тепла зависит от температуры воздуха (справедливо только для плоских коллекторов), погодных условий (ясно-пасмурно), от того, с какой стороны света будет установлен аппарат и под каким углом наклона. Поэтому в Украине в качестве самостоятельных источников тепла для горячего водоснабжения (ГВС) или отопления гелиоколлекторы практически не используют. Наиболее эффективны они в южных регионах Украины, особенно на Южном берегу Крыма, где в году 250–280 солнечных дней. В других регионах при их применении для обеспечения ГВС и отопления будет экономиться несколько меньше средств.

Типы гелиоколлекторов

Открытые коллекторы представляют собой поглощающую панель, которую обычно изготавливают из стойкого к УФ-лучам пластика или резины. Их преимущества — в простоте, дешевизне, легкости монтажа и высоком КПД. Однако эффективность работы таких коллекторов зависит от температуры воздуха и погодных условий, и они имеют небольшой срок службы. Как правило, их используют в одноконтурных системах для нагрева воды в бассейнах в странах с теплым климатом.

Плоские коллекторы — самые распространенные. Они состоят из теплоизолированного алюминиевого корпуса, внутри которого расположена медная или алюминиевая панель с селективным поглощающим покрытием и теплоотводящими трубками, по которым циркулирует жидкий теплоноситель. Сверху поглощающая панель закрыта стеклом с пониженным содержанием железа, а между ними находится воздух. Высокоселективное покрытие обеспечивает самый высокий коэффициент поглощения солнечной энергии — 93–95 %.

Вакуумные трубчатые коллекторы — оснащены высокоселективным поглощающим покрытием, что обеспечивает меньшие потери тепла, чем при использовании плоских коллекторов. Кроме того потери тепла сводятся к минимуму за счет вакуума в трубках. Такие коллекторы можно дают тепло даже в пасмурную погоду. Трубки таких коллекторов изготавливаются из прочных материалов и могут выдержать падение града размером до 35 мм.

Видео: Воздушное солнечное отопление! Узнай как сделать!

Типы коллекторных систем

Гелиосистемы бывают одноконтурные или двухконтурные, с естественной или с принудительной циркуляцией теплоносителя. Для круглогодичного использования в системе ГВС и отопления подходят только двухконтурные системы с принудительной циркуляцией.

Одноконтурные системы: в них нагревается та вода, которая затем расходуется. Они позволяют получить самый высокий КПД (Только в летнее время и только в солнечный день), поскольку отсутствуют потери при передаче тепла в теплообменнике. Для увеличения срока работы системы желательно, чтобы вода проходила предварительную очистку (умягчение), иначе на стенках каналов солнечного коллектора будут оседать соли, что приведет к значительному уменьшению эффективности или полному выходу аппарата из строя. На практике, если принимают решение об установке одноконтурной системы, например, для нагрева бассейна, обычно рассчитывают, что через несколько лет ее придется ремонтировать или менять.

Двухконтурные системы: в них контур замкнутый, в нем находится теплоноситель — незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками или обессоленная вода. Тепловая энергия передается в контур ГВС и отопления с помощью теплообменника. В двухконтурной системе не оседают соли, а антифриз обеспечивает безопасную работу при низких температурах. Такие солнечные коллекторы, как правило, имеют срок эксплуатации 20–50 лет. Недостатками является снижение эффективности работы системы из-за наличия дополнительных тепловых потерь в коллекторах и трубопроводе, а также из-за необходимости применения теплообменника. Вдобавок через 5–10 лет эксплуатации может возникнуть потребность в периодической замене теплоносителя. Тем не менее именно двухконтурные системы могут длительно и надежно работать на всей территории Украины в качестве вспомогательного источника тепла.

Циркуляция теплоносителя

В системе с естественной циркуляцией теплоноситель при нагреве поднимается вверх. Если коллектор подключить к баку-аккумулятору, расположенному в верхней точке аппарата, возникает самопроизвольная циркуляция теплоносителя. Скорость зависит от конструкции коллектора, интенсивности солнечного излучения и скорости охлаждения в теплообменнике бака-аккумулятора. Такая система имеет простую конструкцию и энергонезависима, но у нее более низкая эффективность работы по сравнению с системами с принудительной циркуляцией, а также ограниченные возможности управления — существует риск перегрева бака либо прекращения циркуляции. В условиях Украины системы с естественной циркуляцией рационально использовать лишь в южных районах. Затраты на циркуляционный насос и контроллер окупаются за счет большей стабильности, эффективности и надежности работы системы.

В системах с принудительной циркуляцией в контур коллекторного круга подключают маломощный насос, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя. Его работой управляет специальный контроллер.

Комбинированная система

Иногда для нужд ГВС и отопления применяют так называемые комбинированные баки-аккумуляторы с отдельной емкостью, предназначенной для нагрева воды. Дублирующий источник тепловой энергии (котел) подключают к верхней части бака, оттуда же производится забор воды для отопления.

Чтобы обеспечить достаточное количество тепла для отопления и ГВС, мощность дублирующего источника тепловой энергии выбирают без учета мощности гелиоколлекторов. Система ориентирована на максимальное использование энергии солнца, тепловая мощность регулируется частотой и временем работы котла на традиционном топливе.

Трубопроводы гелиосистемы изготавливают из металла, поскольку теплоноситель может нагреваться до +110 °С, а температура пара достигать более высоких показателей. Поэтому же рекомендуют использовать специальную термостойкую изоляцию на каучуковой основе.

Как правильно установить гелиоколлектор

Солнечные коллекторы лучше ориентировать на юг. Угол наклона аппарата 25–35о относительно горизонта позволяет достичь максимальной эффективности работы в летний период. Наклон 40–60о целесообразен, если гелиосистему эксплуатируют круглогодично. Несколько снижается ее работоспособность в летний период, зато увеличивается в остальные. Под углом 90о коллекторы обычно устанавливают в системах, рассчитанных на зимний период, в частности для отопления, чтобы снизить эффективность работы солнечных коллекторов в летний период.

Варианты установки на наклонной кровле

На наклонной кровле стропила должны иметь дополнительную прочность, так как солнечные коллекторы тоже дают нагрузку на крышу, которая может увеличиваться во время сильного ветра. Вариант установки в этом случае зависит от кровельного материала. На кровле из керамической черепицы применяют крепежные элементы из нержавеющей стали. Их фиксируют к стропильной части либо, если прочность кровельного материала достаточна, непосредственно к его краю и выводят над черепицей. К элементам крепят профиль из анодированного алюминия, а затем солнечные коллекторы. Для кровли из битумной черепицы подбирают такой же комплект крепежных элементов, только фиксируют их к деревянному настилу под черепицу. При применении металлочерепицы профиль из анодированного алюминия фиксируют к стропильной части или к металлочерепице через силиконовую резину с помощью крепежа из нержавеющей стали. К профилю крепят солнечные коллекторы. Правда, при этом нарушается целостность кровли.

Насколько эффективны солнечные коллекторы

Точный расчет мощности, эффективности и времени окупаемости системы достаточно сложен и должен учитывать широту местности, число солнечных дней в году, угол отклонения возможного места установки от направления на юг и другие факторы. Поэтому приходится оперировать средним значением интенсивности солнечной радиации в расчете на 1 м2 поверхности для данной местности. По данным компаний, занимающихся установкой и обслуживанием солнечных коллекторов, окупаемость установки составляет 5–10 лет. в расчете на 1 м2 поверхности для данной местности. По данным компаний, занимающихся установкой и обслуживанием солнечных коллекторов, окупаемость установки составляет 5–10 лет.