Теплоносители для гелиосистем
Основным теплоносителем для систем теплоснабжения является вода. Однако ее применение в гелиосистемах ограничено температурой кристаллизации, составляющей 0оС, а значит применение воды в роли теплоносителя ограничивается климатическими зонами, где не бывает отрицательных температур. Кроме того, содержащиеся в воде соли засоряют поверхности нагрева накипью, а коррозионный агент – кислород – повреждает металлические части систем теплоснабжения и способствует разложению теплоносителя на составляющие элементы. Поэтому для гелиосистем был разработан вид теплоносителя, лишенный вышеперечисленных недостатков.
Основой такого теплоносителя является пропиленгликоль, смешанный с водой, прошедшей водоподготовку в виде деминерализации.
Кроме того, для уменьшения коррозирующего и разлагающего воздействия кислорода, в теплоноситель добавляют антиокислительные присадки, образование пузырьков газа в жидкости уменьшается добавлением пеногасителей, а стабилизаторы, добавленные в теплоноситель, помогают сохранять раствор химически однородным. Как правило, теплоносители для гелиосистем продаются уже в готовом виде. Концентрация пропиленгликогеля в них составляет от 40% и выше, что соответствует температуре кристаллизации от -30оС и ниже. Показатель кислотно-щелочного баланса (рН) для готового теплоносителя поддерживается в щелочной зоне (≥ 7,0) для уменьшения коррозирующего действия.
При эксплуатации теплоносителей гелиосистем не следует смешивать теплоносители от разных производителей, так как разные как по количественным, так и по качественным свойствам составы могут вступить в химическую реакцию, приведя гелиосистему в негодность.
Солнечная энергетика в условиях современного энергетического и экономического кризиса является одним из перспективнейших направлений технологий, направленных на сохранение невосполнимых ресурсов нашей планеты.
Виды солнечных коллекторов
Стандартное устройство имеет вид металлической пластины, которая помещена в пластмассовый или стеклянный корпус. Поверхность этой пластины аккумулирует солнечную энергию, задерживает тепло и передаёт его для различных бытовых нужд: отопление, подогрев воды и т.д. Интегрированные коллекторы бывают нескольких видов.
Накопительные
Накопительные коллекторы ещё называют термосифонными. Такой солнечный коллектор своими руками без насоса получается наиболее выгодным. Его возможности позволяют не только подогревать воду, но и поддерживать температуру на необходимом уровне некоторое время.
Такой солнечный коллектор для отопления состоит из нескольких баков, наполненных водой, которые находятся в теплоизоляционном ящике. Баки накрыты стеклянной крышкой, через которую пробиваются солнечные лучи и подогревают воду. Этот вариант наиболее экономичен, прост в эксплуатации и в обслуживании, но его эффективность в зимнее время практически равна нулю.
Плоские
Ппредставляет собой большую металлическую пластину – абсорбер, который находится внутри алюминиевого корпуса со стеклянной крышкой. Плоский солнечный коллектор своими руками будет более эффективен при использовании именно крышки из стекла. Поглощает солнечную энергию через градостойкое стекло, которое хорошо пропускает свет и практически его не отражает.
Внутри ящика присутствует термоизоляция, что позволяет значительно снизить теплопотери. Сама пластина имеет низкий КПД, поэтому она покрыта аморфным полупроводником, который значительно увеличивает показатель аккумуляции тепловой энергии.
При изготовлении солнечного коллектора для бассейна своими руками, часто отдают предпочтение именно плоскому интегрированному устройству. Впрочем, он не хуже справляется и с другими задачами, такими как: подогрев воды для домашних нужд и отопление помещения. Плоский – самый широко используемый вариант. Абсорбер для солнечного коллектора своими руками предпочтительно делать из меди.
Жидкостные
Из названия понятно, что главным теплоносителем в них выступает именно жидкость. Водяной солнечный коллектор своими руками делается по следующей схеме. Через поглощающую солнечную энергию металлическую пластину, тепло передаётся по прикрепленным к ней трубам в бак с водой или незамерзающей жидкостью или прямо к потребителю.
К пластине подходят две трубы. Через одну из них подаётся холодная вода из бака, а через вторую в бак поступает уже подогретая жидкость. У труб обязательно должны присутствовать отверстия входа и выхода. Такую схему подогрева называют замкнутой.
Когда же подогретая вода напрямую подаётся для удовлетворения нужд пользователя – такую систему называют разомкнутой.
Неостекленные чаще применяются для нагрева воды в бассейне, поэтому сборка таких тепловых солнечных коллекторов своими руками не требует закупки дорогих материалов – сгодится резина и пластмасса. У остекленных КПД выше, поэтому они способны отапливать дом и обеспечивать потребителя горячей водой.
Воздушные
Воздушные устройства экономичнее вышеперечисленных аналогов, использующих воду в качестве теплоносителя. Воздух не замерзает, не подтекает и не кипит как вода. Если в такой системе происходит утечка, она не приносит столько проблем, однако определить где она произошла довольно сложно.
Самостоятельное изготовление не обходится потребителю дорого. Солнцеприемная панель, которая накрывается стеклом, нагревает воздух, который находится между ней и теплоизоляционной пластиной. Грубо говоря, это плоский коллектор, имеющий внутри пространство для воздуха. Внутрь поступает холодный воздух и под действием солнечной энергии подаётся потребителю тёплый.
Такие варианты долговечны и надёжны и обслуживать их проще, чем устройства, которые используют жидкость в качестве теплоносителя. Для поддержания нужной температуры воздуха в погребе или для отопления теплицы солнечным коллектором подойдёт как раз такой вариант.
Устройство и виды
Условно данные системы можно классифицировать на два вида:
- жидкостные (о которых мы говорим в данном материале);
- воздушные солнечные коллекторы, в которых используется не жидкость, а нагретый воздух.
Также они разделяются по КПД, ведь обеспечивают различную теплоотдачу. Это зависит от материалов, используемых для изготовления батареи, ее площади. Оптимальным местом расположения абсорбера является крыша:
- попадает максимальное количество солнечного света,
- имеет большую площадь,
- установленная на крыше батарея не занимает полезное пространство, никому не мешает.
Воздушный солнечный коллектор
Конструкция солнечного коллектора может быть нескольких видов, основные:
- вакуумный отопительный коллектор, имеющий самую сложную конструкцию. Вакуумные солнечные коллекторы отлично подходят для обогрева помещений, нагрева воды в любое время года, они полностью обеспечат небольшой дом, коттедж;
- плоский солнечный коллектор может быть жидкостным и вакуумным. Это наиболее распространенный тип поскольку достаточно прост в монтаже, при этом эффективен, может обеспечивать дом необходимым количеством тепла для обогрева помещений, водой для хозяйственных нужд;
- термосифонный — в качестве абсорбера используются стеклянные или металлические трубки;
- трубчатый — самый простой тип, изготовить который можно для дачи, достаточно примитивный, не подходит для использования в зимнее время.
Нас интересует конструкция, которая обеспечивает наличие горячей воды и отопления в доме в любое время года, остановимся на двух оптимальных вариантах, рассмотрим устройство вакуумного солнечного коллектора и плоского.
Плоский коллектор
Это наиболее распространенный вид коллектора, который можно изготовить самостоятельно. Хорошо подходит для использования в теплое время года для подогрева воды, зимой коэффициент полезного действия снижается.
Особенность конструкции состоит в следующем:
- корпус имеет плоскую прямоугольную или квадратную форму, выполнен из металла или другого материала, имеющего высокий показатель теплопроводности, покрыт черной краской;
- внутри располагают пластину, в которой уложен змеевик из медной трубки небольшого сечения;
- по трубкам циркулирует теплоноситель: вода, пропилен-гликоль, антифриз, другие подходящие жидкости;
- также внутри корпуса укладывают теплоизоляционный материал, который минимизирует потери тепла;
- собирая коллектор такого типа, нужно запастись листом поликарбоната или стекла, который будет служить крышкой и выполнять две функции: препятствовать проникновению мусора, осадков, усиливать подогрев.
Составная часть плоского солнечного коллектора
Вакуумный коллектор
Для водяного отопления можно использовать солнечные коллекторы вакуумного типа. Благодаря конструкционным особенностям они являются более мощными: способны вырабатывать тепловую энергию, которой хватит на подогрев воды и отопление помещений.
Особенности конструкции:
- минимизировать потери позволяют трубки, которые помещаются в колбах с выкачанным воздухом;
- сверху трубки покрыты абсорбционным материалом, поглощающим световую энергию, внутри — наполнены антифризом (хладагентом);
- концы трубок соединены с трубой, по которой проходит теплоноситель;
- при нагреве антифриз закипает, преобразуется в пар, который, в свою очередь, поднимается вверх и нагревает теплоноситель;
- у данной конструкции есть недостаток: если хоть одна трубка выйдет из строя, ремонт становится довольно проблематичным, так как они соединены последовательно. Придется производить замену всех «внутренностей».
Воздушная солнечная система из вакуумных трубок
Такой воздушный солнечный коллектор для отопления будет более эффективен и пригоден для того, чтобы поддерживать температуру в системе в любой сезон. Хотя в холодное время КПД работающего коллектора может незначительно снижаться из-за короткого светового дня и малой световой активности.
Совет по уходу! Обратите внимание на внутреннюю поверхность накопительного бака для воды, она со временем покрывается накипью, нужна очистка. Периодичность зависит от качества воды в местности
Энергия солнца – альтернативный источник тепла
Идея использования солнечной энергии для отопления не нова. Более того, целесообразность ее применения доказана американцами, китайцами, испанцами, израильтянами и японцами.
Рынок изобилует предложениями различных установок по преобразованию энергии солнца и дальнейшего ее использования для хозяйственных нужд.
Гелиосистемы активно используют в качестве основного источника теплп во многих странах мира. В наших широтах оно пока применяется в качестве дополнения к системе отопления
Стоимость систем зависит от их типа, площади, материала, применяемого при изготовлении. Из года в год наблюдается устойчивая тенденция к снижению цен на все виды солнечных установок – гелиосистем.
Это делает их более доступными широким слоям населения. Вот только пока не каждый желающий готов совершить такую покупку.
Зато, при желании, можно соорудить эффективную систему солнечного отопления своими руками, потратив ощутимо меньше средств.
Привычная система отопления, отлично выполняющая свои функции многие годы, становиться все дороже. Виной этому – глобальное подорожание энергоресурсов во всем мире. Естественное желание, возникающее у хозяина – сэкономить на отоплении, съедающим значительную долю семейного бюджета.
Так солнечная система отопления может полноценно заменить привычную твердотопливную, газовую или любую другую. Все зависит от типа и размера помещения, в котором она будет использоваться.
Вариант, подходящий для зернохранилища не подойдет для жилого дома, а система, удовлетворяющая потребности дачи, никак не справится с отоплением 2-этажного особняка.
Полная замена традиционного отопления солнечным иногда проблематична. Владелец опасается, что система может не справиться или физически не хватает места для монтажа нужного количества панелей.
Поэтому, часто используют комбинированную систему отопления, не отказываясь полностью от установленного газового (электрического или другого) оборудования. Уровень замещения привычного отопления солнечным может достигать 90%.
Также, важное значение имеет годовое количество солнечных дней местности, в которой располагается жилище. Причем, среднесуточная температура не столь важна
Многие установки эффективно поглощают свет в зимние морозные дни (солнечные коллекторы, использующие в качестве теплоносителя антифриз).
Кроме отопления солнечная установка способна обеспечить жилище теплой водой и электроэнергией
Расчет реальной мощности солнечного коллектора
Производители указывают максимальную мощность гелиоколлектора при полном освещении при направлении на юг и ориентации перпендикулярно солнцу в полдень. Но не всегда можно так направить панели, особенно если их устанавливать крыше дома.
Ниже приводим формулы, которые универсальны и могут использоваться как для подсчета количества коллекторов, так для подсчета общей площади в квадратных метрах.
Подсчет эффективности гелиоколлектора по направлению
Рассчитать базовую тепловую производительность солнечного плоского или вакуумного коллектора можно по следующей формуле:
Pv = sin A x Pmax x S
Значения:
- Pv – мощность солнечного коллектора;
- A – угол отклонения плоскости гелиоколлектора от направления на юг;
- Pmax – средний уровень инсоляции в вашем регионе в холодное время года.
Даже если солнце не скрыто облаками, в течении дня уровень инсоляции меняется, от чего зависит производительность коллектора. Усредненные данные видно на этом графике:
Данные на иллюстрации по дневному уровню инсоляции усредненные, но позволяют понять разницу между количеством тепловой энергии, которую можно получить в разное время года.
Максимальный уровень инсоляции зимой в среднем в 3-4 раза меньше, чем летом. Количество солнечной энергии, которую может получить гелиоколлектор за сутки зимой в 5-7 раз ниже (в зависимости от широты) чем летом.
Расчет производительности гелиоколлектора по углу установки
Оптимальный угол установки солнечного коллектора для отопления дома зимой – так, чтобы он был перпендикулярен солнечным лучам в 10 часов утра. Так он может собрать максимум тепловой энергии на протяжении светового дня.
Иногда не получается этого сделать (при установке на крыше, монтаже на стандартных опорах). Из-за отклонения от оптимального угла энергоэффективность коллектора может измениться. Рассчитать ее можно по такой формуле:
Pm = sin(180 — A — B) x Pv
Значения:
- Pm – производительность гелиоколлектора;
- A – угол между коллектором и плоскостью земли;
- B – высота солнца над горизонтом в 10 часов утра;
- Pv – найденная ранее мощность.
Если у вас есть возможность ориентировать солнечный коллектор так, чтобы он был перпендикулярен солнцу, тогда:
Pm = Pv
На фотографии обозначен угол наклона солнечного коллектора, который нужно использовать при вычислениях.
Особенности плоских панелей
Плоский гелиоколлектор имеет небольшие теплопотери через заднюю стенку, которые составляют в среднем 5 Вт на квадратный метр. Поэтому от полученного ранее значения реальной мощности P надо отнять 5 Вт на каждый квадратный метр площади.
Уровень поглощения солнечного излучения плоского гелиоколлектора ниже 100%. Это нужно учесть при подсчете его тепловой мощности. Если панель поглощает только 95%, то ее реальная мощность:
P = Pm x 0.95 х S
Значения:
- Pm – мощность коллектора из формулы выше;
- P – реальная производительность коллектора;
- S – площадь коллектора.
Производительность вакуумного коллектора
Производители вакуумных коллекторов могут указывать мощность коллектора без учета расстояния между трубками. Чтобы определить, какова реальна площадь поверхности трубок и производительность вакуумного коллектора, воспользуемся формулой:
P = Pm x D / L
Обозначения:
- P – реальная производительность солнечного коллектора;
- Pm – мощность коллектора, рассчитанная ранее;
- D – диаметр вакуумных трубок;
- L – расстояние между трубками.
Термодинамические солнечные панели
С таким типом коллекторов все гораздо сложнее. Сейчас они не слишком распространены, производители экспериментируют с материалами и селективным покрытием. Разные модели отличаются уровнем поглощения и теплопотерями.
В целом, термодинамические солнечные панели имеют право на жизнь. Но мы бы не рекомендовали обустраивать отопление с их помощью. На рынке мало эффективных моделей, а те, которые есть, продают по завышенным ценам.
Коллекторы из поликарбоната
Листы ячеистого поликарбоната или полипропилена — главные элементы, из которых состоят такие коллекторы. К торцам листов крепится непосредственно сам коллектор. Только в специальном жестяном крытом коробе необходимо осуществлять монтаж подобной системы. В качестве крышки следует использовать дополнительный лист из поликарбоната. Можно сделать и стеклянную крышку, но, если светопроницаемость будет излишний, поликарбонат создаст парниковый эффект, так что всё будет похоже на двойное остекление. Так что лучше всё делать полностью из поликарбоната, так система будет работать стабильнее.
Отопление от солнца: за и против
Если говорить об использовании солнечной энергии для отопления, то нужно иметь в виду, что существуют два разных устройства для преобразования солнечной энергии:
- Солнечные батареи. Они вырабатывают исключительно электрический ток. А вот его уже вы можете использовать для обеспечения работоспособности любого электрооборудования, в том числе и не работу отопительных приборов.
Солнечные коллекторы. Эти устройства нагревают жидкость (теплоноситель) и их можно напрямую подключать к системе отопления, а также с их помощью греть воду для бытовых нужд.
Оба варианта имеют свои особенности. Хотя сразу нужно сказать, какой бы из их вы ни выбрали, не спешите отказываться от той системы отопления, которая у вас есть. Солнце встает, конечно, каждое утро, но вот не всегда на ваши солнечные элементы будет попадать достаточно света. Самое разумное решение — сделать комбинированную систему. Когда энергии солнца достаточно, второй источник тепла работать не будет. Этим вы и обезопасите себя, и жить будете в комфортных условиях, и сэкономите.
Если желания или возможности ставить две системы нет, ваше солнечное отопление должно иметь, как минимум, двукратный запас по мощности. Тогда точно можно сказать, что тепло у вас будет в любом случае.
Достоинства использования солнечной энергии для отопления:
- Безопасный и абсолютно «чистый» источник энергии.
- Снижение затрат на отопление и ГВС.
- Вы независимы от состояния экономики: солнце светит всегда, и в кризис, и в период расцвета.
Денег солнце за свою энергию не требует. Другое дело, что государство может обложить налогами владельцев гелиоустановок. Но пока такого не случилось — солнечная энергия бесплатна.
Недостатки:
- Зависимость количества поступающего тепла от погоды и региона.
- Для гарантированного отопления потребуется система, которая может работать параллельно с гелиосистемой отопления. Многие производители отопительного оборудования предусматривают такую возможность. В частности европейские производители настенных газовых котлов предусматривают совместную работу с солнечным отоплением (например, котлы Baxi). Даже если у вас установлено оборудование, у которого такой возможности нет, можно согласовать работу отопительной системы при помощи контролера.
- Солидные финансовые вложения на стартовом.
- Периодичное обслуживание: трубки и панели нужно очищать от налипшего мусора и мыть от пыли.
- Некоторые из жидкостных солнечных коллекторов не могут работать при очень низких температурах. В преддверии сильных морозов жидкость приходится сливать. Но это касается не всех моделей и не всех жидкостей.
Теперь рассмотрим подробнее каждый из типов солнечных нагревательных элементов.
Как работает солнечный коллектор?
Самый простой способ использования солнечного коллектора – устройство на его основе воздушного отопления. В этом случае в коллектор, установленный, к примеру, на крыше, вентилятором нагнетается воздух, который затем попадает в помещение уже в нагретом состоянии. С такой системой можно не бояться протечек или замерзания, но зато в силу малой теплоемкости и плохой теплопроводности воздуха она является малоэффективной. К тому же ее почти невозможно регулировать.
В более сложном варианте применяется жидкий теплоноситель. В этом случае солнечный коллектор подключается к замкнутому контуру, в который с другой стороны (образно) врезается теплообменник, находящийся внутри теплоаккумулятора. Последний представляет собой хорошо утепленную емкость, наполненную водой.
Отопительная система с использованием солнечных коллекторов
Имеющийся в контуре теплоноситель нагревается в коллекторе, а затем следует к теплообменнику, где отдает полученное тепло содержимому теплоаккумулятора. Далее с помощью теплоаккумулятора осуществляется нагрев воды для системы отопления или горячего водоснабжения.
Если все компоненты системы разместить определенным образом, теплоноситель будет циркулировать в ней за счет конвекции, иначе говоря – сам по себе.
Если по каким-либо причинам установить коллектор и теплоаккумулятор должным образом не получается, приходится обеспечивать циркуляцию теплоносителя принудительно, то есть с помощью насоса. Эффективность системы при этом в силу затрат на электроэнергию снижается.
Теплоаккумулятор позволяет использовать солнечный коллектор более гибко. С его помощью можно «придержать» избыток тепла, образующийся в течение ясного дня, а затем израсходовать ночью или в пасмурную погоду.
Понятно, что всецело полагаться на солнечный коллектор нельзя, ведь густая облачность может на долгое время сделать его бесполезным. На этот случай в теплоаккумуляторе устанавливают ТЭНы, позволяющие нагреть воду электричеством.
Советы
Установка солнечных систем позволяет экономить электроэнергию, обеспечивая дом «бесплатным» теплом и горячей водой. Но выбирая данный вид устройств, нужно помнить, что эффективность системы будет значительно снижаться вечером и утром, так как основной объем энергии вырабатывается при ярком солнце. Чтобы солнечные коллекторы надежно прослужили много лет и бесперебойно обеспечивали здание теплом, при их выборе и монтаже необходимо учесть следующие рекомендации специалистов:
Покупая батарею, следует уточнить можно ли ее эксплуатировать зимой и какая мощность системы.
- Если коллектор собирается самостоятельно, то нижнюю часть его теплообменника нужно обеспечивать денежными вентилями и теплоизоляцией, которая позволить сохранить качество разогретой жидкости. При этом трубы можно также обмотать плотной тканью или полиэтиленом.
- В конструкции должен обязательно присутствовать вентиль, предотвращающий циркуляцию от теплоносителя. Если наблюдается резкое снижение температуры, то вентиль нужно закрыть.
- Перед тем как соорудить солнечные установки, следует сделать детальный расчет площади батарей, а также максимальную выработку энергии.
О том, как сделать солнечный коллектор своими руками из алюминиевых банок, смотрите в следующем видео.
Выбор комплекта солнечных коллекторов для отопительной системы
Выбор устройства зависит от целей, на которые будет направлена работа конструкция. Гелиосистема применяется для поддержки воздуха, обеспечения горячего водоснабжения, подогрева воды для бассейна.
Мощность
Чтобы рассчитать возможную мощность гелиосистемы, следует знать 2 параметра: солнечной инсоляции в определенном регионе в нужное время года и эффективную площадь поглощения коллектора. Эти цифры необходимо перемножить.
Можно ли использовать коллектор в зимний период
Вакуумные устройства справляются с работой в холодном климате. Плоские показывают низкую производительность в морозы и лучше подойдёт для южных областей.
Меньше других для функционирования в холоде подходит воздушная конструкция так, как ночью она не способна нагревать воздух.
Неудобства доставляют сильные осадки, ведь зимой оборудование часто засыпает снегом и требуется регулярная чистка. Морозный воздух отбирает накопленное тепло, а сам коллектор может быть поврежден градом.
Учёт сферы применения
В промышленности использование гелиосистем более распространено. Энергию солнца применяют в работе электростанций, парогенераторов, опреснителей воды. Для нагрева воды, обогрева дачи или бани в бытовых условиях чаще устанавливают вакуумные коллекторы, реже — плоские. Воздушные системы помогают снизить стоимость отопления, благодаря обогреву воздуха в дневное время.
Работа вакуумных коллекторов на треть более эффективнее, чем функционирование плоских. За год экономия составляет на 20—25% больше. К подбору и установке трубчатых коллекторов следует отнестись серьезно, поскольку по сравнению с другими они более подвержены разрушительному действию осадков.
Техническая информация
При покупке коллекторов обращают внимание на условия эксплуатации. Наиболее важными параметрами будут общая площадь отопления, активная площадь, показатели теплопотерь, угловой коэффициент, параметры КПД
Знание этих данных позволит рассчитать производительность работы конкретного агрегата. Покупатель имеет право потребовать у продавцов соответствующие расчеты и имеющиеся сертификаты.
Заключение
Даже изготовленный (или смонтированный) своими руками, преобразователь энергии солнца в тепловую решает сразу несколько задач:
- обеспечивает горячее водоснабжение с марта по ноябрь;
- «сокращает» отопительный сезон (уже с середины февраля-начала марта можно переходить на солнечное отопление);
- помогает эффективному функционированию домашних бассейнов, теплиц, а также системе «теплых плов»;
- снижает тепловые потери частного дома;
- существенно экономит расходы на отопление (можно обойтись без дополнительных обогревателей) и горячую воду;
- способствует энергонезависимости жилища, его истинной автономности.
