Устройство теплового аккумулятора
По конструкции ТА схож с классическим бойлером косвенного нагрева. Выделяют следующие основные типы устройств:
- Простейшие – без теплообменника;
- С одним встроенным спиральным теплообменником;
- С несколькими теплообменниками;
- С встроенным баком ГВС.
Емкости тепловых аккумуляторов выполняются из обычной или высоколегированной (нержавеющей стали). В случае использования обычных марок стали резервуар оборудуется магниевым или титановым анодом, снижающим скорость коррозии, внутренняя поверхность покрывается специальными составами – эмалью, стеклокерамикой. Чаще всего резервуары имеют цилиндрическую форму, но встречаются и устройства прямоугольного сечения.
Теплообменники изделий обычно выполняются из медных или нержавеющих труб. Концы трубопроводов выходят через стенку устройства и оборудуются резьбами для подключения линий подачи и возврата теплоносителя. Кроме того, емкости имеют патрубки для присоединения группы безопасности, подпитки системы из сети холодного водоснабжения, патрубок для слива воды.
Емкость качественно изолируется различными материалами – чем лучше тепловая изоляция, тем эффективней работа теплового аккумулятора. Слои изоляции снаружи закрываются декоративным кожухом из высокопрочного пластика или металла. Зачастую емкости аккумуляторов оборудуются съемными электрическими ТЭНами мощностью 2 – 3 кВт.
Тепловые аккумуляторы бывают промышленного изготовления, можно изготовить это устройство и самостоятельно. Для этого потребуются определенные навыки слесарных работ, наличие электросварки и инструмента. Объем емкости теплоаккумулятора подбирают из расчета 35 – 50 литров воды на 1 кВт суммарной тепловой мощности всех источников теплоты. Подробнее об устройстве и порядке изготовления ТА можно прочитать здесь.
Выбираем солнечный коллектор
Конструкция солнечного коллектора
Для эффективной работы отопления с помощью солнечной энергии рекомендуется установка коллекторов. Они представляют собой систему трубопроводов, по которым протекает теплоноситель. Для защиты и лучшего фокусирования солнечной энергии конструкция защищена прозрачной стеклянной панелью.
Для повышения эффективной работы оборудования в нем можно использовать различные типы теплоносителя, которые не изменят своих свойств под воздействием отрицательных температур
Это важно для регионов с холодной зимой. Кроме этого необходимо тщательно проанализировать предложения на рынке и выбрать оптимальную конструкцию
В настоящее время производители предлагают несколько способов организации отопления частного дома солнечными коллекторами:
- Вакуумные коллектора. Оптимальный вариант для организации пассивной системы солнечного отопления. Характеризуются практически полным отсутствием тепловых потерь;
- Плоские коллектора. Экономный вариант солнечного отопления. Представляют собой систему труб, защищенных прозрачным материалом. Чаще всего используются для горячего водоснабжения в летний период. Применение для комбинированного солнечного отопления требует учета графика температур в зимний период и тщательный выбор теплоносителя.
Выбор во многом определяется предварительными расчетами – требуемой мощности и периодичностью работы теплоснабжения. В качестве эконом варианта можно рассматривать возможность самостоятельного изготовления плоских коллекторов для отопления солнечной энергией своими руками.
Вакуумные коллекторы для отопления
Конструкция вакуумного солнечного коллектора
Одной из проблем эксплуатации солнечных радиаторов для отопления дома являются большие тепловые потери. Они обусловлены особенностями эксплуатации – панель должна находиться вне отапливаемого помещения для поглощения солнечной энергии. Для решения этого вопроса был разработан вакуумный солнечный коллектор для системы отопления.
Конструкция вакуумных коллекторов состоит из внешнего корпуса и внутренней системы стеклянных труб. Для лучшей изоляции трубопроводы отделены от внешней среды вакуумной прослойкой с разряженным воздухом. Фактически вся установка представляет собой большой прозрачный термос.
Специфика вакуумного солнечного коллектора в системе отопления заключается в следующем:
- Использование в качестве теплоносителя специальной жидкости с низким порогом закипания. При этом происходит более эффективная передача тепловой энергии через теплообменник основному теплоносителю отопления – воде;
- Нанесение на внутреннюю поверхность специального покрытия, увеличивающего поглощательную способность тепловой солнечной энергии;
- Независимость работы от внешней температуры воздуха.
Для нормального функционирования системы потребуется обеспечить надежную теплоизоляцию теплообменника. Также следует утеплить трубопровод в местах прохождения через неотапливаемые помещения – чердак, кровельный пирог. Для расчета солнечного коллектора для отопления можно применять стандартные схемы. Но нужно учитывать, что его работа будет неэффективной при снижении температуры теплоносителя в контуре до +22°С.
Плоские солнечные коллекторы для отопления
Плоский солнечный коллектор
Для создания солнечной системы отопления частного дома с минимальными затратами чаще всего устанавливают плоские коллектора. Они отличаются от вакуумных упрощенной конструкцией. Однако при этом увеличиваются требования к их эксплуатации.
Плоский коллектор также имеет внутреннюю систему трубопроводов. Однако она изготавливается из медных или полимерных труб. Для защиты используется поликарбонат или каленое стекло. Внутренняя поверхность изолируется утеплителем – минеральной ватой или пенопластом. Под воздействием солнечных лучей происходит нагрев трубок и как следствие – повышение температуры теплоносителя.
Для плоского солнечного коллектора в системе отопления существуют жесткие эксплуатационные ограничения:
- В качестве теплоносителя можно использовать только антифриз. В противном случае произойдет замерзание воды и разрушение трубопровода;
- Для лучшей циркуляции при передаче тепла необходим монтаж насоса;
- При температуре ниже -10°С эффективность работы системы сильно падает.
Из-за последнего фактора не рекомендуется организация теплоснабжение дома солнечной энергией с помощью плоских коллекторов в регионах с низкими температурами в зимний период. Поэтому чаще всего делают плоский солнечный коллектор для отопления своими руками для горячего водоснабжения летом, весной или осенью.
Особенности солнечного коллектора как прибора для отопления дома
Солнечный коллектор — это устройство, работающее за счёт поглощения солнечного излучения и передачи его энергии с помощью жидкости-теплоносителя.
Конструкция гелиосистемы состоит из следующих элементов:
- Солнечный абсорбер(панель).
- Резервуар-накопитель.
- Узлы подачи и слива воды.
- Регуляторы и датчики.
Принцип работы заключается в улавливании солнечных лучей панелью и преобразование их в теплоэнергию. Накопленная энергия воздействует на жидкость-теплоноситель (воду или антифриз). Теплоноситель поступает к резервуару с водой и отдаёт энергию. Запуск системы осуществляется специальным регулятором.
Проходя по контуру теплообмена — системе труб, нагретая жидкость отдаёт тепло в воздух. И за счёт этого отапливает помещение. В резервуаре-накопителе из-за подаваемого тепла происходит запас горячей воды впрок. За счёт системы теплоизоляции нагретая солнцем вода хранится до того момента, когда её необходимо будет использовать.
Для поддержания нужной температуры воды в резервуаре система снабжается специальными датчиками и насосами для принудительной циркуляции. В более простых вариантах циркуляция происходит за счёт естественного самотёка.
Современные гелиосистемы в настоящее время используются как основные и вспомогательные элементы отопительного оборудования. В качестве главного источника тепла гелиосистема может использоваться исключительно в южных регионах, где солнца достаточно круглый год.
Установка в доме солнечного коллектора позволяет извлечь следующую выгоду:
- Приобретение энергонезависимости.
- Снижение затрат на закупку газа и электричества для отопления и горячего водоснабжения.
- Доступность.
- Долговечность. Срок службы одного коллектора не менее 20-25 лет.
- Отсутствие грязи и отходов.
- Снижение нагрузки на электросеть дома.
У гелиосистем есть и некоторые недостатки:
- Высокая стоимость оборудования. Срок окупаемости системы равен примерно 7-10 годам.
- Зависимость от климатических условий. В некоторых регионах солнечная энергия поступает не регулярно, поэтому система не сможет работать в нужном режиме. В северных регионах КПД солнечного коллектора слишком низкий, и затраты на установку не окупаются.
Угол наклона
Второй значимый фактор для производительности системы – размещение относительно движения солнца.
- Сторона света – юг, так как при любых погодных условиях большую часть дня солнце расположено на южной стороне небосвода.
- Угол наклона – если есть возможность выбирать расположение, то оптимальный угол – 60 градусов. Это положение обеспечивает максимальное попадание солнечных лучей на поверхность в зимнее время. Если выбора нет, то при наклоне менее 30 градусов рекомендуется установить вакуумный коллектор, так как плоский, судя по отзывам специалистов, себя не оправдывает. На фото – вакуумный вариант.
Нюансы по использованию коллекторов для отопления или для нагрева воды
Количество устройств определяется в зависимости от потребностей. Солнечные гелиоколлектора можно объединять в группы. Объём и температура нагретой воды при этом зависят сразу от многих факторов, в том числе от температуры и погоды на улице, количества используемой воды и так далее. Поэтому температура нагрева воды будет разной каждый день.
Обратите внимание! В качестве теплоносителя внутрь солнечных коллекторов рекомендуется заливать нетоксичные антифризы. Это поможет использовать систему в холодных условиях, а также продлит срок её эксплуатации.. Перед тем как купить коллектор, следует точно определить цель использования и где он будет расположен
Чтобы правильно подобрать модель и количество
Перед тем как купить коллектор, следует точно определить цель использования и где он будет расположен. Чтобы правильно подобрать модель и количество.
Сколько энергии дает солнце
Из вышесказанного ясно, что эффективней всего гелиосистема будет работать летом, когда солнце высоко и солнечного света больше.
В цифрах энергия солнечного света характеризуется для 52 параллели и южнее как: Для июня — около 600 Вт энергии с метра кв. нагреваемой площади за один час.
Зимой же – чуть ли не в десять раз меньше. Для декабря – 80 Вт/м кв. за час.
В межсезонье, что-то среднее – октябрь, апрель – 300 – 350 Вт/м кв.
Но это, как указывалось, — для южных широт. Севернее солнца все меньше, и получаемой энергии значительно меньше.
Что же это значит с практической точки зрения, — что можно нагреть?
Как подобрать солнечный коллектор нужной мощности
Если вы хотите, чтобы отопительная система вашего дома справлялась с задачей поддержания в помещениях комфортной температуры, а из кранов текла горячая, а не еле теплая вода, и при этом планируете использовать в качестве генератора тепла солнечный коллектор, нужно заранее вычислить необходимую мощность оборудования.
При этом потребуется учесть довольно большое количество параметров, в том числе назначение коллектора (ГВС, отопление или их комбинация), потребности объекта в тепле (суммарная площадь обогреваемых помещений или средний суточный расход горячей воды), климатические особенности региона, особенности установки коллектора.
В принципе, произвести подобные расчеты не так уж и сложно. Производительность каждой модели известна, а значит, вы без труда оцените количество коллекторов, необходимое для обеспечения дома теплом. Компании, занимающиеся выпуском солнечных коллекторов, обладают информацией (и могут предоставить ее потребителю) об изменении мощности оборудования в зависимости от географической широты местности, угла наклона «зеркал», отклонения их ориентации от южного направления и т. д., что позволяет внести необходимые поправки при расчете производительности коллектора.
При подборе необходимой мощности коллектора очень важно достичь баланса между нехваткой и избытком генерируемого тепла. Специалисты рекомендуют ориентироваться на максимально возможную мощность коллектора, т
е. использовать в расчетах показатель для самого продуктивного летнего сезона. Это идет в разрез с желанием среднестатистического пользователя взять оборудование с запасом (т. е. посчитать по мощности самого холодного месяца), чтобы тепла от коллектора хватала и в менее солнечные осенние и зимние дни.
Однако если вы пойдете по пути выбора солнечного коллектора повышенной мощности, то на пике его производительности, т. е. в теплую солнечную погоду, вы столкнетесь с серьезной проблемой: тепла будет производиться больше, чем потребляться, а это грозит перегревом контура и прочими малоприятными последствиями. Существует два варианта решения этой задачи: либо устанавливать маломощный солнечный коллектор и в зимний период параллельно подключать резервные источники тепла, либо приобрести модель с большим запасом по мощности и предусмотреть при этом пути сброса избыточного тепла в весенне-летний сезон.
Гелиоустановки для систем горячего водоснабжения и отопления
Большое распространение и популярность приобрели именно солнечные коллекторы, которые применяются в качестве устройства для нагрева какой-либо жидкости (чаще всего, воды) с целью ее использования в системах горячего водоснабжения или отопления.
Другой вид оборудования для преобразования энергии солнца – батареи, которые принципиально отличаются от коллекторов тем, что сначала вырабатывают и аккумулируют электрическую энергию, а в дальнейшем ее можно использовать для хозяйственных нужд.
Но данный вид получения и переработки солнечной энергии требует приобретения дорогостоящего оборудования, главными конструктивными единицами которого являются фотоэлементы, что не всегда оправданно, особенно в регионах с небольшим количеством солнечных дней в году.
В отличие от них, солнечные коллекторы для нагрева воды или отопления дома имеют быструю окупаемость, особенно если изготовить их самостоятельно, так как в этом случае расходы составят лишь стоимость материалов, в число которых дорогие фотоэлементы не входят.
Использование солнечных коллекторов имеет очевидные преимущества:
- снижение затрат на отопление и подогрев воды для системы горячего водоснабжения;
- экологичность данного вида энергии.
Чаще всего использование коллекторов оправданно для использования в системах отопления небольших коттеджей или организации горячего водоснабжения в летний период в загородном доме или на даче. Оправдан солнечный коллектор для бассейна в качестве устройства для подогрева воды.
Объясняется это относительно невысоким КПД таких установок, который может значительно уменьшаться в пасмурные дни.
Поэтому для оптимизации расходов на отопление частного дома лучше всего использовать коллекторы совместно с традиционным оборудованием, которое изначально может быть рассчитано для этого, либо имеет возможности для переоборудования или согласования параллельного функционирования двух систем теплоснабжения.
Также стоит отметить, что, кроме регулярного обслуживания и очистки поверхности коллекторов от грязи и мусора, некоторые из них не предназначены для работы при низких температурах, поэтому перед началом зимы их нужно законсервировать, предварительно слив из системы теплоноситель.
Основные разновидности солнечных коллекторов
Солнечный коллектор представляет собой устройство, главной функцией которого является превращение поглощенной солнечной энергии в тепловую с целью ее дальнейшего использования для нагрева теплоносителя в системах отопления, в том числе и в «теплых полах» и ГВС дома.
КПД коллектора напрямую зависит от двух факторов: типа устройства и его площади, поэтому нередко для его монтажа выбирается крыша здания.
Солнечные коллекторы условно можно классифицировать, используя разные критерии. Прежде всего, они делятся по типу теплоносителя на:
- водяные (жидкостные);
- воздушные.
По уровню предельных температур коллекторы бывают:
- низкотемпературными – предел до 50°C, средний показатель 35-45 °C;
- среднетемпературными до 80°C;
- высокотемпературными – более 80°C.
Последние чаще всего являются промышленными образцами, сделать их своими руками не представляется возможным.
Конструктивно солнечные нагреватели воды могут быть:
- плоскими, которые могут быть как воздушными, так и жидкостными;
- вакуумными, использующими в качестве теплоносителя воду или иной вид жидкости;
- трубчатыми – бывают и жидкостными, и воздушными;
- термосифонными, или так называемыми накопительными интегрированными коллекторами, главным отличием которых является способность не только нагревания жидкости, но и поддержания ее температуры определенное время.
Последний вариант является самым простым как по устройству, так и по сложности изготовления и представляет собой несколько теплоизолированных емкостей с водой, а нагрев жидкости происходит через стеклянные крышки баков.
Данный тип коллекторов можно считать и самым простым в обслуживании, так как для того, чтобы он работал, необходимо лишь периодически очищать крышку емкости, но использовать его в холодное время года невозможно.
Плоские воздушные коллекторы тоже довольно просты и имеют вид специальной панели в виде герметичной коробки с теплоприемником с подключенными воздуховодами, по которым движется и нагревается воздух.
Для повышения эффективности их работы требуется увеличение их площади, например, за счет использования нескольких панелей в одной системе, а также использование вентилятора.
Востребованы ли гелиосистемы
Уже сейчас установлено более 160 млн.м2 этих панелей во всем мире. Лидируют Китай и Япония. Не отстают и некоторые европейские страны, где выработка тепла такими системами составляет около 5% от всей необходимой.
Пройдет не много лет и многие страны откажутся от газа и угля совсем. К примеру, в Украине, где тарифы достаточно высокие, такие системы устанавливают в больших количествах. Единоразовое вложение денег позволит получить энергонезависимость, пусть даже и частичную. И дело не только в экономии, такие установки экологически чисты и не загрязняют окружающую среду.
Преимущества этих систем
Альтернативных источников энергии сейчас много, это и солнечные панели, ветрогенераторы, тепловые насосы и тд. Однако именно солнечные коллекторы набирают все большую популярность, этому есть ряд причин:
- Стоимость системы самая низкая из всех альтернативных источников , это обусловлено несложной технологией изготовления и монтажа.
- Несложный монтаж , который можно сделать даже самому, обладая определенными знаниями и навыками.
- Легкость в эксплуатации , не нужно никаких особых навыков чтобы следить за ними.
- Низкая стоимость ремонта , все детали системы недорогие. Нет крупных узлов, требующих замены целиком. Ремонт можно выполнить самостоятельно, предварительно немного изучив устройство.
- Универсальность . Гелиосистему можно использовать для нагрева воды и отопления, без дополнительных циклов преобразования энергии. Подобрать количество панелей можно исходя их конкретной необходимости.
Немного о недостатках
У любой системы есть недостатки и солнечные коллекторы здесь не исключение. Они занимают значительную площадь, одна панель занимает в среднем 2-3 м2. Эффективность их работы зависит от климатической зоны где они используются. Также они очень климатически зависимые, зимой их КПД минимально, при этом расходы энергии на обогрев максимально. Это делает солнечные коллекторы не очень эффективными для отопления. Как заявляют многие производители, они способны покрыть до 30% расходов на отопление.
Дополнительные расходы, связанные с эксплуатацией
Использование этого не подразумевает какого либо ухода или обслуживания, кроме как периодической чистки от загрязнения и снега зимой (если сам не оттает). Однако будут и некоторые попутные расходы:
Ремонт, все что можно поменять по гарантии, производитель без проблем заменить, важно покупать официального дилера и иметь гарантийные документы.
Электричество, его расходуется совсем немного на насос и контроллер. Для первого можно поставить всего 1 солнечную панель на 300 Вт и ее вполне будет достаточно (подойдет даже без аккумуляторная система).
Промывка змеевиков, ее нужно будет делать один раз в 5-7 несколько лет
Все зависит от качества воды (если она используется как теплоноситель).
Объект установки и требования к нему
Как вы уже поняли из всего вышесказанного, гелиосистемы работают совместно с обычными источниками теплоты:
- Газовыми источниками теплоты;
- Твердотопливными котлами для отопления частного дома;
- Отопительными котлами на жидком топливе;
- Электрическими.
В результате такого симбиоза гелиосистема для отопления помогает сэкономить часть топлива благодаря энергии Солнца. Нужно отметить, что наибольшая эффективность такой системы в наших широтах в летний период, когда Солнце находится под оптимальным углом и максимальное время. Увидеть подробности этого явления вы можете на фото внизу.
Производительность по месяцам
Где:
- Е – производительность плоского коллектора при площади пятнадцать квадратных метров;
- D – тоже самое при площади пять квадратных метров;
- С – нагрузка на ГВС;
- В – нагрузка на отопление постройки нового образца;
- А – тоже, но постройки старого образца.
Проанализировав эту картинку можно прийти к выводу, что отапливать лишь гелиосистемой можно, но крайне сложно. Главные трудности (соответствие дома требованиям) можно минимизировать за счет идеальной теплоизоляции и небольшой площади. В таком случае гелиосистемы могут взять на себя нагрузку порядка тридцати процентов. Помимо этого необходимо учитывать требования к характеристикам и параметрам самой системы обогрева.
Принцип работы
Виды и различия солнечных коллекторов
На сегодняшний день распространение среди промышленно изготавливаемых солнечных коллекторов получили два вида систем:
- плоские солнечные панели;
- вакуумные (вакуумированные) трубчатые коллекторы.
Плоская солнечная панель
Является распространенным типом солнечного коллектора, используемого в современных системах гелиоэнергетики. Широкое распространение данный тип получил вследствие относительной дешевизны и простоты, как устройства, так и эксплуатации. Недостатком плоских солнечных коллекторов является значительное (до двух раз) понижение КПД в условиях отрицательных температур наружного воздуха.
Конструкция плоского солнечного коллектора.
Конструктивно представляет собой панель с площадью поглощающей поверхности 2-2,5 м2, выполненную из алюминиевых или стальных сплавов. Лицевая часть выполнена в виде листа специального гелиостекла, что обеспечивает максимальное поглощение энергии солнечного света и минимальные потери энергии с отраженными и рассеянными лучами. Непосредственно под гелиостеклом расположен поглотитель, выполняемый в виде плоской трубки из медных или алюминиевых сплавов, имеющих высокий коэффициент теплопередачи.
Трубка, как правило, имеет радиальное оребрение, что значительно повышает коэффициент теплопередачи поглотителя. На поглотитель наносится покрытие с высоким коэффициентом поглощения в спектрах теплового излучения, что повышает общий КПД коллектора. Под поглотителем располагается слой тепловой изоляции, уменьшающий тепловые потери системы в окружающую среду. Необходимая тепловая мощность солнечного коллектора достигается включением нескольких панелей в единую солнечную батарею или коллектор.
Вакуумный (вакууммированный) трубчатый коллектор
Дорогостоящий вид солнечного коллектора вследствие сложного изготовления и ряда преимуществ перед плоскими солнечными панелями. Конструктивно представляет собой ряд парных стеклянных труб, спаянных между собой, из пространства между которыми откачан воздух. Вакуум в пространстве между трубками является прекрасным тепловым изолятором и предотвращает тепловые потери в окружающую среду от теплоносителя. В меньшую трубу вводится медная, алюминиевая или стеклянная трубка поглотителя. Трубы верхней частью вводятся в распределитель, в котором циркулирует теплоноситель. Вакуумные (вакуумированные) трубчатые коллекторы по типу распределителя подразделяются на два типа: с плоской тепловой трубой и прямоточные.
Коллекторы с плоской трубой
Вакуумный трубчатый солнечный коллектор с плоской тепловой трубой — конструкция.
Представляют собой рекуперативный теплообменник, расположенный в распределителе. В этом случае теплопередача от нагретого теплоносителя вакуумной трубы к теплоносителю циркуляционного контура теплоснабжения здания происходит через стенку и теплоносители этих контуров не смешиваются. Преимущества перед прямоточными коллекторами состоят в сохранении высоких показателей работы при температуре окружающей среды до -45оС, возможности замены отдельной вакуумной трубки, вышедшей из строя, без разбора коллектора и прекращения его работы, а также в возможности регулирования угла установки каждой вакуумной трубки в пределах одного коллектора.
Прямоточные коллекторы
Прямоточный вакуумный трубчатый солнечный коллектор — конструкция.
Объединяют циркуляционный и обогревающийся контур. В распределителе проходят подающий и циркуляционный трубопроводы, к которым непосредственно присоединяются вакуумные трубки. Теплоноситель подается в распределитель по подающему трубопроводу, из которого попадает в вакуумную трубку, где проходит обогрев. Нагретый теплоноситель возвращается в обратный трубопровод и уходит непосредственно на нужды теплоснабжения. Преимущества прямоточных коллекторов перед вакуумными состоят в отсутствии промежуточной стенки между теплоносителями, что снижает тепловые потери и в возможности устанавливать коллектор на любых поверхностях под любыми углами, поскольку циркуляция теплоносителя в пределах всего коллектора будет осуществляться насосом.
