Энергоэффективный дом: гелиоколлекторы
Видео: Вся правда о стройматериалах. Из чего построить энергоэффективный дом?
Использование коллекторов позволяет на 10-30 % уменьшить расходы на отопление и до 70 % – на горячее водоснабжение.Важные особенности
Сразу стоит обратить внимание несколько нюансов, возникающих при получении тепла с помощью солнечных коллекторов. Один из них заключается в том, что эти устройства эффективно генерируют только так называемое низкопотенциальное тепло. Они обычно рассчитаны на нагрев теплоносителя до 50 °С. А если показатель достигает отметки 60-70 °С и более, то КПД коллектора при этом ощутимо снижается.
Второй нюанс в том, что количество вырабатываемого тепла зависит от температуры воздуха, погодных условий (ясно-пасмурно), от того, с какой стороны света будет установлен аппарат и под каким углом наклона, а также от других факторов.
Поэтому в Украине в качестве самостоятельных источников тепла для систем горячего водоснабжения (ГВС) или отопления гелиоколлекторы практически не используют. В большинстве случаев они являются вспомогательными системами, снижающими нагрузку на котел и экономящими расход энергоносителей.
Наиболее эффективны солнечные коллекторы в южных регионах Украины, особенно на
Южном берегу Крыма (где 250-280 солнечных дней в году). При этом и в Киеве можно добиться хоть и не таких высоких, но заметных результатов.
Типы оборудования
Открытые коллекторы представляют собой поглощающую панель, которую обычно изготавливают из стойких к ультрафиолетовому излучению материалов — пластика или резины. Их преимущества — в простоте, дешевизне, легкости монтажа и высоком КПД. Недостатки таких устройств – зависимость эффективности работы от температуры воздуха и погодных условий, а также небольшой срок службы. Как правило, их используют в одноконтурных системах для нагрева воды в бассейнах в странах с теплым климатом.
Плоские солнечные коллекторы – самый распространенный тип. 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. Они наиболее эффективны с точки зрения термодинамики, поскольку вакуум является плохим проводником тепла, а высокоселективное покрытие нанесено непосредственно на трубку, по которой циркулирует теплоноситель. Таким образом, потери тепла оказываются меньше, чем при использовании плоских коллекторов.
При эксплуатации вакуумные трубки часто подвергаются поломкам, чувствительны к механическим повреждениям, например от падения града, и не функционируют, если покрыты снегом или инеем.
Каждый серьезный производитель вакуумных коллекторов предоставляет как минимум 5 лет гарантии на вакуумные трубки. Некоторые немецкие компании дают 10 лет гарантии при повреждении градом. Существуют даже специальные тесты на испытание прочности изделия. Ледяной шарик весом в 7,5 г и диаметром 25 мм направляют на вакуумную трубку со скоростью 90 км/ч. Если она не разбилась с первого раза – тест пройден. Это – обычная процедура выборочного тестирования каждой партии вакуумных трубок.
Размер имеет значение
Размер коллектора должен быть таким, чтоб прибор мог обеспечить в среднем 85-95 % горячей воды, используемой в теплом полугодии. Считается, что семье из четырех человек нужен коллектор:
• или плоский площадью 1-1,5 м на человека, то есть 4-6 м ,
• или трубчатый площадью 0,6-0,8 м на человека, то есть 2,4-3,2 м .
Поверхность коллекторов, призванных обогревать воду в бассейне, должна составлять:
• в случае крытого бассейна – около 40 % площади зеркала воды;
• в случае открытого бассейна – около 70 % площади зеркала воды.
Компании, продающие и устанавливающие солнечные коллекторы, предлагают использовать их не только для нагрева воды, но и для отопления. На самом деле это возможно только для низкотемпературных отопительных систем (например для систем теплого пола), температура теплоносителя которых не превышает 40 °C. И в данном случае нужны коллекторы значительно большей площади, чем для нагрева воды. Этот вариант достоин внимания, но подходит только людям, готовым к большим затратам. С точки зрения экономичности вложения расходы очень велики по сравнению с прибылью, даже учитывая энергоэффективность.
Схемы подключения
В зависимости от типа оборудования гелиоколлекторы можно подключать по одноконтурной или двухконтурной схеме с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя. Сразу стоит заметить, что для круглогодичного использования в системах ГВС и отопления подходят только двухконтурные устройства с принудительной циркуляцией.
Одноконтурная схема. В одноконтурных системах в солнечных коллекторах нагревается непосредственно та вода, которая затем расходуется. Они позволяют получить самый высокий КПД, поскольку отсутствуют потери при передаче тепла в теплообменнике, как это происходит в двухконтурных схемах. Для того чтобы система работала долго, желательно, чтобы вода проходила предварительную очистку (смягчение). Если этого не делать, на стенках каналов солнечного коллектора будут оседать соли, что в свою очередь приведет к значительному уменьшению эффективности работы аппарата или к полному выходу его из строя. На практике, если принимают решение об установке одноконтурной системы, например для нагрева бассейна, обычно рассчитывают на то, что через несколько лет ее придется ремонтировать или менять.
Двухконтурная схема. В двухконтурных системах в солнечных коллекторах контур является замкнутым – в нем находится теплоноситель, который чаще всего представляет собой незамерзающую нетоксичную жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками или просто обессоленную воду. Тепловая энергия передается системам ГВС и отопления с помощью теплообменника. Преимущества двухконтурного устройства в том, что в нем не оседают соли, а антифриз обеспечивает безопасную работу при низких температурах. Солнечные коллекторы в таких системах, как правило, имеют длительный срок эксплуатации – 20-50 лет. Недостатком является снижение эффективности работы 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.
Видео: Нестандартный энергоэффективный дом // FORUMHOUSE
Совместная работа
Гелиосистемы обычно сочетаются с другими источниками тепла — газовыми, жидкотопливными, твердотопливными или электрическими котлами. Их можно комбинировать даже с тепловыми насосами.
Максимально использовать солнечную энергию и минимизировать применение других видов топлива позволяет система автоматического регулирования, которая координирует работу всех подключенных элементов: как гелиоустановки, так и традиционного отопления. При этом потребитель не ощущает смены способов отопления. Теоретически обогревать частный дом с помощью гелиоустановки возможно. Существуют не только экспериментальные объекты, но и конкретные примеры. Вопрос заключается в целесообразности реализации такого варианта, так как гелиоустановка вырабатывает тепло неравномерно в течение суток и на протяжении всего года. Это связано с изменяющимися инсоляцией и метеоусловиями. Для обеспечения теплоснабжения исключительно от гелиоустановки нужны аккумуляторы, способные хранить выработанное тепло и отдавать его потребителям по необходимости. Первоначальные затраты на построение такой системы отопления высоки, требуются большие площади и дорого обходится обслуживание устройств. Поэтому оптимальным можно назвать сочетание гелиоустановок с другими источниками тепла (котлами). В Европе срок окупаемости солнечных коллекторов составляет 5-7 лет, в Украине – порядка 10 лет. По этой причине данные системы считаются «элитным» источником тепла. Тем не менее, потребители, учитывая постоянное повышение стоимости энергоносителей и отопительного оборудования, приобретают их уже сегодня.
Циркуляция
Принцип работы систем с естественной циркуляцией состоит в том, что теплоноситель, нагреваясь в солнечном коллекторе устремляется вверх. Если гелиоустановку подключить к баку-аккумулятору, расположенному в верхней точке аппарата, возникает самопроизвольная циркуляция теплоносителя. Ее скорость зависит от конструкции коллектора, интенсивности солнечного излучения, скорости охлаждения в теплообменнике бака-аккумулятора. Преимущества такой системы — в простоте конструкции и энергонезависимости. Недостатки — более низкая эффективность работы по сравнению с устройствами с принудительной циркуляцией, а также ограниченные возможности управления (существует риск перегрева бака).
В системах с принудительной циркуляцией в контур коллекторного круга подключают маломощный насос, который обеспечивает перекачку теплоносителя. Его работой управляет специальный контроллер. Стоимость такой системы выше, чем установки с естественной циркуляцией. В условиях Украины последние рационально использовать лишь в южных районах. На других территориях рекомендуют устанавливать систему с насосом. Затраты на циркуляционный насос и контроллер окупаются за счет большей стабильности, эффективности и надежности работы.
Варианты установки
Коллекторы зачастую размещают на крыше. На плоской кровле их устанавливают под углом на опорные конструкции из алюминиевого сплава или черного металла, которые рассчитаны на ветровую нагрузку. Металлоконструкции крепят непосредственно к плитам перекрытия, после чего места креплений герметизируют.
Если для размещения аппарата выбрана наклонная крыша, не следует забывать о том, что солнечные коллекторы — это дополнительная нагрузка, которая может увеличиваться во время сильного ветра. Поэтому стропила как несущая основа должны иметь соответствующий запас прочности.
Существует несколько вариантов монтажа коллекторов в зависимости от кровельного материала наклонной крыши. Кроме того, разные производители гелиоустановок используют разные комплекты элементов для крепежа конструкции.
Возможно также размещение коллекторов на участке, на стенах дома или рядом с ним в виде козырька.
Энергоэффективность работы системы напрямую зависит от типа панелей и их правильного расположения. Большое значение имеет и то, к какой стороне света обращено оборудование: наиболее эффективны установки, «смотрящие» в южном направлении. Плоский коллектор может быть отклонен максимум на 15° в сторону востока или запада – это снизит его эффективность незначительно. Больший поворот нужно компенсировать увеличением поверхности прибора. Если дом не имеет четкой ориентации по сторонам света, лучше использовать трубчатые коллекторы, которые позволяют варьировать положение абсорбера. Для таких установок допускается более широкий диапазон отклонений от юга, чем для плоских: угол наклона абсорбера можно регулировать для каждой трубы индивидуально.
Эффективность коллектора зависит от угла, под которым он закреплен. Лучшего результата достигают, когда лучи падают на поверхность системы перпендикулярно. Поскольку положение Солнца на протяжении года меняется, оптимального угла наклона не существует: летом – это 30°, зимой – 60°. Коллекторы, рассчитанные на работу только летом, обычно устанавливают под углом 30°, круглогодичные – под углом 45°. Изменить наклон коллектора, стационарно установленного на скате крыши, невозможно, но между 35° и 50° его эффективность снижается незначительно.
Впрочем, некоторые производители предлагают специальные каркасы, позволяющие увеличивать угол до 20°. Также вакуумные коллекторы могут быть оснащены зеркальным концентратором, который позволяет направлять солнечные лучи на всю плоскость вакуумной трубки, повышая КПД системы.
Стоимость оборудования
Солнечные установки – это многокомпонентные системы, которые состоят из целого ряда функциональных узлов (гелиоколлекторов, специального бивалентного или аккумулирующего бака, насосной группы, системы регулирования и другого обязательного оборудования). Поэтому при расчете стоимости 1 кВт тепла необходимо учитывать суммарные затраты на всю систему.
Так, для семьи из 3-4-х человек, проживающей в частном доме площадью 150-200 м2, пакетное предложение с коллекторами для ГВС обойдется от 3000 до 4500 евро. Срок окупаемости такой системы зависит от многих факторов (стоимости основного топлива, объема потребления горячей воды, солнечной инсоляции и т. д.) и может составить от 3 до 7 лет. В наших климатических условиях солнечные системы могут сократить потребление энергии для отопления максимум на 35 % в год, но затраты на такую установку увеличатся в 1,5-3 раза. А вот в доме, в котором есть бассейн, инвестиции в гелиосистему могут окупиться достаточно быстро, потому что для содержания такого потребителя тепла расходуется очень много энергии.
Точный расчет затрат и срока окупаемости подобной системы может выполнить специализированная теплотехническая компания.
