Солнечное отопление частного дома — что нужно знать?

Обновлено: 16 января 2021

Солнечное отопление

Постоянный рост тарифов и ветхое состояние коммуникаций вынуждают владельцев частных домов активно искать альтернативные способы обогрева. Одним из мощных и неиссякаемых источников является Солнце, ежедневно поставляющее огромное количество киловатт бесплатной энергии. Необходимо установить соответствующее оборудование, и зависимость от поставщиков сетевых ресурсов останется в прошлом.

Солнечная энергия имеется всегда, хоть и зависит от погодных условий или времени суток. Для регионов, где климатические и погодные условия позволяют получать достаточное количество киловатт для обогрева, такой вариант становится оптимальным. Солнечное отопление предоставляет массу возможностей и преимуществ, о которых следует поговорить подробнее.

Устройство и принцип работы

Солнечное отопление частного дома — инновационная технология, о которой пока еще не все имеют четкое представление. Между тем, все возможности для установки и использования соответствующих комплексов имеются практически у любого домовладельца. Необходимость финансовых вложений существует только для приобретения аппаратуры или оборудования, все остальное он получит бесплатно.

Существует два варианта организации солнечного отопления:

Использование солнечных батарей — более затратный метод, требующий присутствия большого количества оборудования. Используются фотоэлектрические элементы, расположенные на открытой площадке под нужным углом для максимально перпендикулярного падения солнечных лучей. Они вырабатывают электрический ток, который накапливается в аккумуляторных батареях, преобразуется в переменный ток со стандартными параметрами, после чего направляется на отопительные приборы.

Отопление от солнечных батарей в частном доме дает массу дополнительных возможностей. Такой способ имеет значительное преимущество —электрический ток, который вырабатывают солнечные батареи, можно использовать не только на обогрев дома, но и на питание любых приборов, на освещение или иные надобности.

Солнечные батареи для дома для отопления, стоимость которых довольно высока, могут оказаться невыгодны с финансовой точки зрения.

Солнечные коллекторы действуют по другому принципу. Они не вырабатывают, а получают от Солнца тепловую энергию, которая нагревает теплоноситель в емкостях или трубках. В принципе, коллектором можно считать любую емкость с водой, выставленную на солнце, но имеются специальные конструкции, способные продемонстрировать наибольшую эффективность. Такой вариант системы значительно проще, дешевле и доступен для самостоятельного изготовления.

Полученное тепло сразу реализуется в повышении температуры теплоносителя, который аккумулируется в накопительной емкости, откуда распределяется по отопительным контурам дома. Оптимальным способом обогрева является использование низкотемпературных систем, таких как теплый пол. Они не нуждаются в сильном нагреве, что соответствует возможностям солнечных коллекторов. В ночное время расходуется теплоноситель, нагретый за день.

Для максимальной солнечных коллекторов эффективности необходимо качественно утеплять накопительную емкость.

Преимущества

Основное преимущество состоит в том, что Солнце — постоянный и неиссякаемый источник, стабильный и полностью предсказуемый. В отличие от ветрогенераторов, которые могут простаивать неделями, солнечная энергия подается в заранее известные временные интервалы. Единственным недостатком является возможность пасмурной или холодной погоды, когда эффективность работы батарей и коллекторов падает. Однако, современные конструкции позволяют получать минимальное количество даже в самых сложных условиях, поэтому при правильном расчете никакие неожиданности системе обогрева не угрожают.

Кроме того, нельзя забывать, что солнечная энергия достается совершенно бесплатно. Если при отоплении дома газовыми или электрическими котлами надо приобретать само оборудование и потом постоянно оплачивать энергию или топливо, то солнечная энергия не оплачивается, что значительно изменяет уровень рентабельности аппаратуры и всей системы в целом.

Однако, не следует забывать, что солнечное отопление частного дома, цена и трудозатраты на монтаж которого нередко становятся основной проблемой, выгодно только в регионах с подходящими климатическими и погодными условиями.

Дополнительным преимуществом является высокая ремонтопригодность системы и возможность наращивания ее производительности. В данном вопросе никаких ограничений нет — сколько установлено панелей или коллекторов, столько энергии и будет получено. Если установленный комплект оказался неспособен к эффективному обогреву дома, его всегда можно усилить добавлением нужного количества оборудования. Это удобно при необходимости перестроить или расширить дом, сделать пристройку и т.д. Необходимости покупать новую систему полностью это не возникает.

Виды отопления

Фотоэлектрические элементы не работают исключительно на обогрев, который является частным случаем их использования, тогда как солнечные коллекторы служат только источниками питания отопительных контуров. Поэтому рассмотрим именно коллекторы, обеспечивающие отопление на солнечных батареях, цена которого значительно ниже, чем у фотоэлектрических элементов.

Существует несколько конструкций солнечных коллекторов:

Эти конструкции обладают разными возможностями и применяются для решения задач, соответствующих их эффективности. Рассмотрим их внимательнее:

Открытые солнечные коллекторы

Открытые конструкции являются наиболее простыми и даже примитивными. Они представляют собой емкости, обычно черные узкие продолговатые пластиковые лотки, наполненные водой. Они ничем не накрыты, вода находится на открытом воздухе (отсюда и название).

Такие конструкции имеют массу недостатков:

• возможность давать положительный эффект только при плюсовых температурах;
• необходим относительно небольшой перепад температур в коллекторе и внешней среде;
• долговечность таких установок низка — как правило, один сезон;
• как следствие вышесказанному — крайне низкий КПД.

Для решения серьезных задач подобные установки использовать невозможно, поэтому они применяются для подогрева воды в открытых или передвижных бассейнах, летнем душе и т.п. однако, есть и достоинства — подобные устройства очень просты. Обогреватель от солнечной батареи легко может быть изготовлен самостоятельно, а в регионах с подходящими климатическими условиями его возможности заметно расширяются.

Трубчатые коллекторные разновидности

Трубчатые вакуумные коллекторы относятся к более серьезным устройствам, способным обогревать жилье или иные помещения. Они состоят из следующих элементов:

• корпус, покрытый черной краской и имеющий форму плоского ящика;
• распределитель (или, как его иногда называют, manifold, манифольд) — трубка с несколькими присоединительными патрубкам по бокам;
• вакуумные трубки, изготовленные из стекла.

Эффективность устройства обеспечивает наличие вакуума, теплопроводность которого практически отсутствует и позволяет исключить потери.

Существует несколько видов трубчатых коллекторов, различающихся по конструкции распределителя и трубок:

1. Коаксиальные трубки прямого нагрева. Подготовка теплоносителя происходит при непосредственном контакте с поглощающей поверхностью
2. Система heat-pipe. Трубки соединяются с распределителем через специальные гнезда и отдают через них нагретый теплоноситель. Конструкция удобна из-за высокой ремонтопригодности.
3. Система U-type. Трубки имеют двойную длину и согнуты пополам. Начало соединено с одним распределителем, а конец — с другим. Такая схема позволяет увеличить время контакта с солнечным теплом, за счет чего повышается эффективность нагрева.
4. Перьевые системы. Представляют собой модификацию системы heat-pipe, накрытую прозрачной пластиной с вакуумом под ней. Дают повышенную эффективность, но имеют высокую цену и низкую ремонтопригодность.

Монтаж трубчатых коллекторов, как правило, производят на кровлю дома.

Плоские закрытые системы

Солнечное отопление дома с помощью плоских систем позволяет получить высокую эффективность при относительно низких затратах. Конструкция базируется на специальной утепленной металлической пластине с поглощающим покрытием, которая называется адсорбер. На пластину зигзагами напаяна трубка с теплоносителем. Лицевая сторона накрыта прозрачной крышкой, из-под которой выкачан воздух. Солнечный обогреватель такого типа способен работать даже при отрицательных температурах. Это позволяет обеспечивать отопление дома солнечными батареями зимой, отзывы пользователей позволяют делать достаточно оптимистичные прогнозы о будущем такого способа обогрева.

Существуют более простые виды плоских коллекторов, где не имеется вакуума. Они менее эффективны, но стоимость и ремонтопригодность значительно выше. Отопление на солнечных батареях плоского типа безвакуумной конструкции обойдется значительно дешевле, а возможность восстановления панелей увеличивает срок их службы.

Выбор солнечного коллектора и его монтаж

Перед домовладельцем, решившим создать солнечное отопление частного дома своими руками, встает задача выбрать наиболее подходящий тип коллектора. Этот вопрос достаточно сложен, но разобраться в нем необходимо.

Открытые коллекторы не подойдут из-за низких возможностей, поэтому о них нет смысла говорить. Обычно выбор производится между трубчатыми и плоскими видами. Первым и самым значимым критерием выбора обычно становится соотношение цены и качества изделий.

Такой подход оправдан, но нельзя не учитывать ремонтопригодность. Так, вакуумные трубки можно менять далеко не во всех видах коллекторов, что делает выбор рискованным. При выходе из строя одной из них у некоторых видов коллекторов придется менять всю панель, что потребует расходов. Вообще, все вакуумные устройства — довольно рискованное приобретение, так как любое механическое воздействие грозит потерей источника тепловой энергии.

Выбрав оптимальный вариант, приступают к монтажу. Для него надо выбрать подходящую площадку, расположенную неподалеку от дома. Это важно, поскольку транспортировка теплоносителя на большие расстояния потребует качественного утепления и установки циркуляционного насоса. Обычно коллекторы устанавливают на крышу, чтобы получить возможность циркуляции самотеком. Единственной проблемой становится расположение скатов относительно положения солнца на небе — иногда приходится устанавливать трекинг-систему для поворота панелей. Это дорого и требует использования гибких трубок, но эффект в результате получается значительно выше.

Схемы подключения к системе отопления

Солнечное отопление своими руками необходимо окончательно реализовать, подключив его к отопительной системе. Оптимальным способом станет использование теплого пола, температура теплоносителя для которого не превышает 55 градусов. Рассмотрим схемы подключения, обеспечивающие обогрев дома солнечной энергией:

С водяным коллектором

Водяные коллекторы непосредственно подключаются к отопительному контуру дома. Существует два варианта присоединения: летний и зимний.

Летний вариант, как правило, используется для подачи нагретой воды в душ или для иных надобностей, поскольку обогрев дома летом не нужен. Схема самая простая — коллектор устанавливается на открытой площадке, вода, нагреваясь, поднимается в накопительный бак, установленный уровнем выше. По мере разбора, емкость пустеет, поэтому в нее постоянно подается подпитка, поступающая в коллектор и получающая в нем тепловую энергию. Этот способ несложен и может быть без проблем реализован своими руками.

Зимний вариант сложнее. Коллектор, установленный на открытой площадке, подает нагретый теплоноситель (рекомендуется использовать антифриз) в змеевик теплообменника. Он представляет собой вертикально установленную емкость со змеевиком внутри. Возникает две петли — в одной циркулирует антифриз (по кругу коллектор-теплообменник), в другой циркулирует теплоноситель (из теплообменника в отопительный контур и обратно). Циркуляцию антифриза необходимо обеспечить с помощью циркуляционного насоса, иначе система работать не будет. Циркуляцию теплоносителя можно организовать как естественным способом, так и принудительно, с помощью насоса. Оптимальный вариант отопительного контура — система теплого пола, позволяющая получить максимальный эффект как в дневное, так и в ночное время суток.

С солнечной батареей

Отопление от солнца своими руками, созданное на базе солнечных батарей, осуществляется путем установки электрического нагревателя. В данном случае фотоэлектрические элементы лишь обеспечивают питание ТЭНов, установленных в электробойлере, не имея непосредственного отношения к отопительному контуру.

Система отопления и солнечные батареи со всем комплексом аппаратуры монтируются отдельно. Способ соединения выбирается произвольно, исходя из особенностей обеих систем. Подключение бойлера, насоса и прочих устройств выполняется обычным способом, никаких специфических требование не имеется.

Солнечная система теплоснабжения

Солнечное теплоснабжение – способ отопления жилого дома, который с каждым днем становится все более популярным во многих, в основном развитых, государствах мира. Наибольшими успехами в области солнечной тепловой энергетики на сегодняшний день могут похвастаться в странах западной и центральной Европы. На территории Евросоюза на протяжении последнего десятилетия наблюдается ежегодный рост отрасли возобновляемой энергетики на 10–12%. Такой уровень развития – это очень существенный показатель.

Одна из наиболее очевидных областей применения солнечной энергетики – это ее использование в целях подогрева воды и воздуха (как теплоносителей). В климатических областях, где преобладает холодная погода, для комфортного проживания людей обязательны расчет и организация систем отопления каждого жилого дома. В них должно присутствовать горячее водоснабжение для различных нужд, к тому же дома необходимо отапливать. Конечно, лучшим вариантом здесь будет применение схемы, где работают автоматизированные системы теплоснабжения.

Больших объемов ежедневного поступления горячей воды в процессе производства требуют промышленные предприятия. В качестве примера можно привести Австралию, где на подогрев жидкого теплоносителя до температуры, не превышающей 100 o C, затрачивается практически 20 процентов всей расходуемой энергии. По этой причине в части развитых стран запада, а в большей мере в Израиле, Северной Америке, Японии и, конечно же, в Австралии, очень быстро происходит расширение производства солнечных отопительных систем.

В ближайшем будущем развитие энергетики, несомненно, будет направлено в пользу использования солнечного излучения. Плотность солнечной радиации на земной поверхности составляет в среднем 250 Вт на один метр квадратный. И это притом, что для обеспечения хозяйственных нужд человека в наименее индустриальных районах достаточно двух Ватт на квадратный метр.

Выгодное отличие солнечной энергии от других отраслей энергетики, использующих процессы сжигания ископаемого топлива, это экологичность получаемой энергии. Работа солнечного оборудования не влечет за собой выделения вредных выбросов в атмосферу.

Выбор схемы применения оборудования, пассивные и активные системы

Существует две схемы использования солнечного излучения в качестве системы отопления для дома. Это активные и пассивные системы. Пассивные системы отопления на солнечной радиации – те, в которых элементом, непосредственно абсорбирующим солнечную радиацию и образующим из нее теплоту, служит сама конструкция дома либо его отдельные части. Этими элементами могут служить забор, кровля, отдельные части здания, построенные на основе определенной схемы. В пассивных системах не используются механические движущиеся части.

Активная система теплоснабжения

Активные системы работают на основе противоположной схемы отопления дома, в них активно используются механические устройства (насосы, двигатели, при их использовании также производят расчет необходимой мощности).

Наиболее простыми по своей конструкции и менее затратными в финансовом плане при монтаже схемы являются системы пассивного действия. Такие схемы отопления не нуждаются в установке дополнительных устройств для абсорбции и последующего распределения солнечного излучения в системе отопления дома. Работа таких систем основана на принципе прямого обогрева жилого помещения прямо через пропускающие свет стены, расположенные на южной стороне. Дополнительную функцию обогрева осуществляют внешние поверхности элементов ограждения дома, которые оборудуются слоем прозрачных экранов.

Для запуска процесса преобразования солнечной радиации в тепловую энергию применяют систему конструкций, основанную на использовании гелиоприёмников с прозрачной поверхностью, где основную функцию играет «парниковый эффект», используются возможности стекла удерживать тепловое излучение, благодаря чему и повышают температуру внутри помещения.

Стоит отметить, что применение только одного из видов систем может быть не совсем оправдано. Зачастую тщательный расчет показывает, что добиться значительного снижения потерь тепла и уменьшения потребностей здания в энергии можно путем применения интегрированных систем. Общая работа и активной, и пассивной системы путем сочетания положительных качеств даст максимальный эффект.

Обычно проводимый расчет эффективности показывает, что пассивное использование излучения солнца обеспечит потребности вашего дома в отоплении приблизительно на 14–16 процентов. Такая система будет важной составляющей процесса получения тепла.

Однако, невзирая на определенные положительные качества пассивных систем, основные возможности для полного обеспечения потребностей здания в тепле все-таки необходимо применение активного отопительного оборудования. Системы, функцией которых является непосредственно поглощение, аккумуляция и распределение солнечной радиации.

Планирование и расчет

Произвести расчет возможности монтажа активных отопительных систем, использующих солнечную энергию (кристаллические солнечные фотоэлементы, солнечные коллекторы), желательно на стадии проектирования здания. Но все же этот момент не носит обязательного характера, установка такой системы возможна и на уже существующее задание независимо от года его постройки (основа для успеха – правильный расчет всей схемы).

Солнечные элементы на крыше

Монтаж оборудования осуществляют на южную сторону дома. Такое расположение создает условия для максимального поглощения поступающей солнечной радиации зимой. Фотоэлементы, преобразующие энергию солнца и установленные на неподвижную конструкцию, наиболее эффективны при их монтаже относительно поверхности земли под углом равным географической локации отапливаемого здания. Угол наклона крыши, градус поворота дома к югу – это значимые моменты, которые в обязательном порядке надо учитывать, производя расчет всей схемы отопления.

Солнечные фотоэлементы и коллекторы на солнечном излучении необходимо устанавливать максимально близко к месту энергопотребления. Помните, что чем ближе вы построите ванную и кухню, тем меньше будут потери тепла (в таком варианте можно обойтись и одним солнечным коллектором, который будет обогревать оба помещения). Основным критерием оценки при подборе необходимого вам оборудования является его коэффициент полезного действия.

Отопительные солнечные системы активного действия, делятся на следующие группы по следующим критериям:

1. Применение дублирующего контура;
2. Сезонность работы (на протяжении всего года или в определенный сезон);
3. Функционального назначения – отопительные, снабжение горячей водой и комбинированные системы;
4. Применяемый теплоноситель – жидкость или воздух;
5. Примененное техническое решение количества контуров (1, 2 или более).

Общие экономические данные будут служить основным фактором выбора в пользу одного из типов оборудования. Правильно определиться вам поможет грамотный тепловой расчет всей системы. Расчет необходимо выполнять, учитывая показатели каждого конкретного помещения, где намечена организация солнечного отопления и (или) горячего водоснабжения. Стоит учитывать месторасположение строения, климатические природные условия, размер стоимости вытесняемого энергетического ресурса. Правильный расчет и удачный выбор схемы организации теплоснабжения – залог экономической целесообразности применения оборудования солнечной энергетики.

Солнечная система теплоснабжения

Самой распространенной из используемых схем отопления является установка солнечных коллекторов, в которых предусмотрена функция накопления абсорбированной энергии в специальной емкости – аккумуляторе.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили двухконтурные схемы отопления жилых помещений, в которых установлена принудительная система циркуляции теплоносителя в коллекторе. Принцип его работы следующий. Подача горячей воды осуществляется из верхней точки накопительного бака, процесс происходит автоматически согласно законам физики. Холодная проточная вода напором подается в нижнюю часть бака, эта вода вытесняет собирающуюся в верхней части бака нагретую, которая далее поступает в систему горячего водоснабжения дома для удовлетворения его хозяйственных нужд и нужд отопления.

Для односемейного дома обычно устанавливают бак накопитель вместимостью от 400 до 800 литров. Для разогрева теплового носителя таких объемов в зависимости от природных условий требуется правильно рассчитать площадь поверхности солнечного коллектора. Также необходимо обосновать использование оборудование экономически.

Стандартный набор оборудования для монтажа отопительной системы на солнечном излучении следующий:

• Непосредственно сам солнечный коллектор;
• Крепежная система (опоры, балки, держатели);
• Накопительный бак;
• Бак компенсирующих избыточное расширение теплового носителя;
• Устройство контроля работы насоса;
• Насос (комплектом клапанов);
• Температурные датчики;
• Теплообменные устройства (применяют в схемах с большими объемами);
• Теплоизолированные трубы;
• Предохранительная и регулирующая арматура;
• Фитинги.

Система на основе теплопоглощающих панелей. Такие панели, как правило, применяют на этапе нового строительства. Для их монтажа необходимо построить специальную конструкцию, называемую горячей крышей. Это означает, что панели необходимо вмонтировать непосредственно в конструкцию крыши, при этом используя элементы кровли в качестве составных элементов корпуса оборудования. Такая установка снизит ваши затраты на создание системы отопления, однако потребует высококачественной работы по гидроизоляции стыков устройств и кровли. Такой способ установки оборудования потребует от вас тщательного проектирования и планирования всех этапов работы. Надо решить много задач по разводке труб, размещению накопительного бака, установке насоса, регулировке уклонов. Достаточно много проблем при монтаже придется решить в случае, если здание не самым удачным образом повернуто к югу.

В целом проект солнечных систем отопления будет отличным от других в той или иной степени. Неизменными останутся только базовые принципы системы. Поэтому привести точный перечень необходимых деталей для полного монтажа всей системы невозможно, так как в процессе установки может возникнуть необходимость применения дополнительных элементов и материалов.

Жидкостные отопительные системы

В системах, работающих на основе жидкого теплоносителя, в качестве аккумулирующего вещества применяют обычную воду. Абсорбция энергии происходит в солнечных коллекторах плоской конструкции. Энергия аккумулируется в баке накопителе и расходуется по мере возникновения надобности.

Для передачи энергии от накопителя в здание применяют водо-водяной или водовоздушный теплообменник. Система горячего водообеспечения оборудована дополнительным баком, который называют баком предварительного нагрева. Вода нагревается в нем за счет солнечного излучения и далее поступает в обычный водонагреватель.

Воздушная отопительная система

Воздушная система обогрева

Такая система в качестве носителя тепла использует воздух. Разогревание теплоносителя осуществляется в плоском солнечном коллекторе, а далее нагретый воздух попадает в отапливаемое помещение либо в специальный накопительный прибор, где абсорбированная энергия накапливается в специальной насадке, которая обогревается поступающим горячим воздухом. Благодаря этой особенности система продолжает снабжать дом теплом даже ночью, когда солнечное излучение не доступно.

Системы с принудительной и естественной циркуляцией

К этой категории технологий можно отнести системы, работающие на основе естественной и принудительной циркуляции носителя энергии.

Основа работы систем с естественной циркуляцией состоит в самостоятельном движении теплоносителя. Под воздействием повышающейся температуры он теряет плотность и поэтому стремиться в верхнюю часть устройства. Возникающая разница в величине давлений и заставляет функционировать оборудование.

Система с принудительной циркуляцией

Оборудование с принудительной системой циркуляции включает в свою конструкцию маломощный насос, который контролирует циркуляцию теплоносителя по всему контуру. Работа такого насоса контролируется электроникой. Энергопотребление такого насоса незначительно в сравнении с объемами выработки тепла всей системой.

Выводы

Выводы напрашиваются сами собой, солнечная энергия действительно уникальное явление, она не только является одной из основ жизни на земле, но также дарит всему живому свет и тепло, а для человека в современно мире способна служить еще и неисчерпаемым источником энергии. Недалека перспектива отказа человечества от использования ископаемого топлива (нефти, угля, газа) в пользу возобновляемых источников энергии. Одним из основных способов получения возобновляемого тепла и электричества в будущем будет преобразование солнечного излучения. Повсеместное внедрение в жизнь человека возобновляемой энергетики даст толчок развитию новых отраслей в науке и производстве и окажет значительное влияние на качество жизни на планете в сторону ее улучшения.