Гелиосистемы для дома – стоит ли применять

Получать дармовую энергию от солнца на нагрев воды – заманчиво. Но оборудование для такого действа, а именно, гелиосистемы в комплекте, требует не мало вложений. Главный вопрос у пользователя – окупится ли гелиосистема с солнечным коллектором при использовании в частном доме? Рассмотрим какие конструкции бывают, какой опыт применения имеется…

Основной принцип работы

В основе домашней гелиосистемы находится солнечный коллектор. Работает предельно просто – ряд трубок с теплоносителем (водой) нагревается солнечными лучами. Разогретая вода поступает в устройство по теплообмену в доме (бойлер косвенного нагрева, гидроаккумулирующая емкость) и там нагревает теплоноситель системы отопления или воду, которую мы используем как горячую.

В результате отопление и (или) вода греются бесплатно. Все знают, что отопление и ГВС – основная статья расходов по дому, энергия дорога. А в Европе солнцем иногда вообще отапливают полностью, не сжигая и килограмма нашего природного газа.

Что получится у нас, и какой солнечный коллектор лучше?

Разновидности солнечных коллекторов

Упрощенное описание конструкций коллекторов гелиосистемы следующее.

Плоские пластинчатые.
Металлическая пластина, покрытая никелем (поглотителем) с припаянными к ней медными трубками. Или две пластины с канавками, сложенные вместе. Все это заключено в теплоизолированный кожух с ударопрочным самоочищающимся стеклопакетом.

Трубчатые.
Ряд вакуумных стеклянных трубок, внутри которых находятся тонкие трубки с теплоносителем. Вакуумные трубки имеют особое покрытие концентрирующие солнечный свет на нагреваемых трубах, которые с обоих сторон подключены к сборным шинам в теплоизоляторе.

Тепловые трубы
Здесь похожие на предыдущий вариант вакуумные трубки, только внутри них находятся стеклянные трубы с жидкостью, которая легко испаряется при нагреве солнцем. Пар поднимается в верхнюю часть труб на охладитель, отдает энергию теплоносителю, и жидкость стекает вниз, чтобы опять испаряться…

Из описания ясно, что все эти конструкции не могут быть дешевыми. Отсюда и вопросы по окупаемости.

Летом гелиосистема всегда пригодится

Есть еще одна разновидность гелиосистемы – летняя плоская открытая. Тот же пластинчатый солнечный коллектор, но пластина с трубками из копеечного пластика, без теплоизоляций и стекла.
Эффективно может работать только при высокой температуре наружного воздуха летом.

Такой упрощенной гелиосистемой можно греть воду в бочке, с циркуляцией самотеком, если бочка будет выше коллектора на 0,5 метра и больше. Или греть воду в бассейне, или для нужд дома, но с принудительной циркуляцией.

Причем пластмассовый коллектор греет в 10 раз эффективней, чем просто бочка летнего душа. Так что получить теплый бассейн можно, условно бесплатно. А простейшая система окупится, в сравнении с затратами на топливо, если нагрев делать посредством сжигания чего быто ни было.

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?

Окупается ли солнечный коллектор

Нужно заметить, что пластинчатые коллектора начинаю работать, когда энергия солнца больше 80 Вт/м кв. Т.е. в зимние месяцы плоские практически не работают.

Трубчатые начинают работать от 20 Вт/м2. Следовательно зимой они могут подогревать немного дом.

Простые расчеты показывают, что даже в южном климате (52параллель), если применять гелиосистему для отопления, то солнечный коллектор не окупится. Отопление ведь нужно больше всего зимой, и меньше в межсезонье, — когда солнца меньше всего. Получаемой энергии с метра квадратного – очень мало, ее стоимость не возмещает цену оборудования и за десятки лет, при нынешних ценах на энергоносители.

Но если применять коллектор для горячего водоснабжения, которое нужно и в межсезонье и частично летом, то он может окупиться. Т.е. у нас основной упор должен делаться на включение гелиосистемы в ГВС-схему, для максимального использования энергии солнца. Отопление может подключаться попутно, когда горячая вода уже подготовлена.

Плоский или трубчатый коллектор выбрать

• Плоский более эффективней летом, он имеет больше КПД при различных температурах теплоносителя, может разогревать его до больших температур.
• Трубчатый эффективней при малых энергиях солнца, может работать круглый год.

Так же плоский более дешевый. А варианты без теплоизоляции, для лета – копеечные.

Для наших условий, для подготовки ГВС эффективней оказывается плоский коллектор, который вероятно окупится, если до этого на ГВС тратилось не мало топлива.

Но трубчатый, — для любителей экспериментов, также может окупится, учитывая, что он в «хитрой» схеме может еще и отапливать зимой.

Какая площадь коллектора, как использовать

Можно обратить внимание на графики КПД солнечных коллекторов, в зависимости от температуры теплоносителя. Особенно для плоского заметна разница – он отдает больше энергии, пока теплоноситель холодный.

Поэтому для ГВС-схемы делается приоритет гелиосистемы. Сначала она греет воду, затем уже включаются обычные методы нагрева.

Из графиков ясно, что слишком большая площадь коллектора вредна, — из-за перегрева теплоносителя КПД падает, дорогая система большой площади не окупается.

Существуют следующие рекомендации по площади коллекторов гелиосистемы, которая была бы оптимальной по окупаемости с учетом графиков КПД:

• Для ГВС на одного человека — 1,2 м кв., на семью, — 5 м кв.
• Для отопления – до 0,4 м2 на 1 м2 площади дома. Соответственно – до 40 м2 для дома 100 м2.

Из чего состоит гелиосистема

Сам солнечный коллектор должен размещаться под определенными углами к горизонту – плоскость светоприемника перпендикулярна потоку солнечного света, а также в направлении на юг, возможно с небольшими до 10 град отклонениями или автоповоротом вслед за солнцем.

Крыша должна быть рассчитана на подобную нагрузку с учетом ветра и снега.

Простейшая схема – с самотечной циркуляцией. Коллектор может быть и на крыше, при условии, что бак выше него на 0,5 м для самотечной циркуляции, а трубы в теплоизоляции большого диаметра.

Также в гелиосистему может входить:

• Теплоаккумулятор — Бойлер косвенного нагрева или буферная емкость, с отдельным змеевиком для подключения солнечного коллектора. Но прибор должен оборудоваться основным нагревом.
• Циркуляционный насос.
• Предохранительный клапан по давлению, — вода может закипать.
• Трубопроводы в теплоизоляционной оболочке, выдерживающей повышенную температуру (минеральная вата).
• Схема переключения «ГВС – отопление», отопление подключается при достижении максимальной температуры ГВС.
• Автоматический воздухоотводчик в самом высоком месте.
• Расширительный бак 1/10 объема теплоносителя – система замкнутая.

Какая цена, что приобрести

Гелиоустановки могут приобретаться как комплект оборудования со схемой подключения и рекомендациями. Они характеризуются определенной мощностью солнечного коллектора, т.е. его площадью.

Так, например, усредненный теплоизолированный пластинчатый коллектор мощностью порядка 2,0 кВт/час (максимальный солнечный свет) обойдется от 150 000 руб. А вот выгодный ли он, окупится ли – нужно считать самостоятельно по расходуемой энергии на ГВС. Но к этой цене нужно добавить еще монтаж и содержание….

Также, планируя расходы на домашнюю гелиосистему, нужно просто учитывать, тот факт, что в Австрии, в не самой теплой европейской стране, на 1000 жителей приходится 450 м кв. гелиосистем. В России этот показатель пока равен 0,2 кв. м. – в 2250 раз меньше. Возможно, настало время изменить этот показатель.

Применение солнечных коллекторов: классические схемы подключения

Альтернативные источники энергии становятся сегодня широко востребованными в частном секторе. При этом наибольший интерес для владельцев загородных коттеджей и небольших дачных домиков представляет солнечная энергия, которая доступна для использования круглый год. На фоне стремительного роста цен на традиционные энергоресурсы («голубое» топливо, электричество, нефтепродукты) использование современных гелиосистем вполне оправданно. Тем более, что период окупаемости оборудования составляет не более 3-5 лет. Желательно предусмотреть интеграцию коллектора в индивидуальную систему ГВС и отопления еще на стадии разработки проекта дома — в этом случае получится существенно сэкономить.

Гелиосистема бытового назначения представляет собой контур, в котором последовательно расположены главные элементы конструкции, обеспечивающие «сбор» солнечного излучения, аккумуляцию тепла и последующую передачу полученной энергии конечному потребителю. В качестве всесезонных автономных энергосистем гелиоустановки используют только в южных регионах России. В северо-восточных районах страны солярные устройства являются частью стационарного отопительного оборудования. Но и в этом случае их использование позволяет значительно сократить расходы на обслуживание дома в холодное время года.

Принцип работы современных гелиосистем

Понятие «солнечные коллекторы» объединяет в себе несколько вариантов конструкций для домашнего пользования, но схема работы принципиально не отличается. Все коллекторы, «питающиеся» от Солнца, оснащены системой трубок, которые в зависимости от конструкции оборудования, могут быть смонтированы в виде змеевика или последовательно подключены к выходной и входной магистрали. В самих трубках циркулирует жидкостный теплоноситель для гелиосистем — вода, масло или антифриз. Поглощение и последующая аккумуляция тепловой энергии от Солнца осуществляются абсорберами. В техническом плане конструкция достаточно проста. Высокая стоимость таких установок обусловлена использованием дорогих материалов.

Для внешней поверхности конструкции применяют износоустойчивые материалы, обладающие отличными светопропускными характеристиками — органическое стекло, полимерные составы и другие. Но поскольку полимерные «синтетики» не выдерживают продолжительного воздействия УФ-лучей (они имеют высокий коэффициент теплового расширения, что приводит к разгерметизации гелиосистемы), то в качестве альтернативного варианта производители используют каленое или органическое стекло. А сами трубки чаще всего изготавливают из боросиликатного стекла, которое характеризуется минимальным коэффициентом теплового расширения (в 8 раз меньше, по сравнению с кварцевым стеклом). Именно поэтому материал не трескается при резких колебаниях температуры.

Отличие солнечных батарей от коллекторов

Прежде чем продолжить описание основных характеристик и сферы применения гелиосистем для нагрева воды, нужно разобраться, чем отличаются солнечные батареи от коллекторов.

1) Солнечная батарея — устройство, которое генерирует электричество из энергии Солнца при помощи высокочувствительных фотоэлементов, объединенных в единую автономную систему. Поскольку фотоэлектрические преобразователи производят постоянный ток, дополнительно используется инвертор, который позволяет получить переменный ток, пригодный для бытовых нужд: электроснабжения и освещения.

2) Солнечный коллектор — функциональная сплит-система, главной задачей которой является поглощение ближнего инфракрасного излучения и видимого солнечного света. Батареи генерируют ток, а коллекторы нагревают жидкость внутри трубок. В этом их главное отличие.

Теплоноситель для солнечных коллекторов подбирается с учетом времени года, а также особенностей эксплуатации. Для многофункциональных конструкций обычно используют антифриз (незамерзающая жидкость), а системы сезонного типа заполняют водой. Сегодня можно купить и более универсальный вариант — гибридный солнечный коллектор. Это устройство привлекательно тем, что одновременно производит электроэнергию и нагревает воду. Преимущества его использования очевидны: фотоэлектрические модули охлаждаются активной системой отвода тепла, благодаря чему генерируется вдвое больше электроэнергии, а излишки теплоресурсов расходуются на нагрев воды.

Классификация по температурному режиму

Солнечное оборудование для дома часто классифицируют по типу теплоносителя. Сегодня на мировом рынке можно встретить жидкостные и воздушные системы. Кроме этого, коллекторы разделяют по температурному режиму работы, то есть применяется классификация по максимальной температуре нагрева рабочих элементов. Выделяют следующие типы систем:

• низкотемпературные — теплоноситель для солнечных коллекторов разогревается до 50℃;
• среднетемпературные — температура циркулирующей жидкости не превышает 80℃;
• высокотемпературные — максимальная температура материала-теплоносителя может подниматься до 300 градусов.

Первые два варианта больше всего пригодны для домашнего использования, тогда как модели коллекторов с высокотемпературным режимом работы чаще применяют в производственной и промышленной отрасли хозяйства. Это обусловлено тем, что в высокотемпературных системах нагрева воды сам процесс трансформации солнечной энергии в тепло достаточно сложный. При этом такие гелиоустановки занимают большие площади. Не каждый собственник «дачной» недвижимости может позволить себе подобную роскошь.

Схемы установки солнечного коллектора

В автономных системах обогрева и горячего водоснабжения обязательно нужно использовать накопительный бак для аккумуляции тепловой энергии. Связано это с тем, что распределение тепла, которое генерирует гелиоустановка, не пропорционально расходу энергии. Поэтому полученные ресурсы сначала аккумулируют в специальной емкости, а потом только потребляют по мере необходимости.

Специалисты рекомендуют использовать для этой цели стандартный накопительный бак для системы горячего водоснабжения или, как альтернативный вариант, — буферную емкость из автономной отопительной системы. Грамотно построенная конструкция подразумевает соединение коллектора с дополнительным теплообменником, который напрямую контактирует с накопительным баком. Существует пять проверенных на практике схем подключения оборудования.

№1. ГВС с естественной циркуляцией материала-теплоносителя

Данная схема используется преимущественно на малых площадях (например, для летнего душа), но вполне применима и для небольших строений — бани или дачного домика. Солнечный коллектор нужно установить ниже уровня накопительного бака не более, чем на 1 метр. Благодаря этому будет обеспечена естественная циркуляция жидкости в системе. Для соединения аккумулирующей емкости и коллектора желательно использовать трубы на ¾ дюйма.

Если вы планируете использовать горячую воду в вечернее время, накопительный бак нужно утеплить или купить готовую емкость, функционирующую по аналогии с термосом. Обратите внимание, что слой утеплителя не должен быть меньше 10 см. Это самая доступная схема подключения солнечного коллектора, однако она имеет один недостаток — минимальную инерционность. При минусовой температуре окружающей среды воду придется сливать, чтобы не допустить разгерметизации водопроводных труб.

№2. Зимний вариант установки солярного коллектора для ГВС

В данном случае теплоноситель для солнечных коллекторов — антифриз. Это позволяет избежать замерзания воды в трубах зимой. Но здесь нужно использовать аккумулирующую емкость косвенного нагрева с медным змеевиком. Непрерывная циркуляция жидкости происходит непосредственно между внутренними магистралями гелиосистемы и змеевиком, установленным в накопительном баке.

Данная схема монтажа рассчитана на естественную циркуляцию, но желательно «прогонять» теплоноситель для гелиосистем принудительно, используя циркуляционный насос. Дополнительно нужно установить расширительный бак.

№3. Схема подключения коллектора для отопления дома

Этот вариант подразумевает использование емкости косвенного нагрева, которая работает на твердом или «голубом» топливе. Поздней весной и летом котел можно отключать, поскольку воду будет нагревать коллектор. А вот зимой эффективность гелиосистем в северо-восточных регионах России не очень велика, так как интенсивность солнечного излучения минимальна. По этой причине коллектор используют в качестве источника дополнительного подогрева к отопительным системам.

Но даже в этом случае владелец дома получает возможность более рационально расходовать традиционные энергоресурсы. Чтобы обеспечить отопление дома в зимний период при помощи только одного солнечного коллектора, габариты всей конструкции должны составлять не менее 30–40% от площади здания.

№4. Монтаж гелиосистемы для отопления и ГВС

Типовая схема подключения объединяет сразу два варианта, то есть подходит одновременно для организации автономного отопления и горячего водоснабжения. Здесь применяется двухконтурная теплоаккумулирующая емкость— помимо медного змеевика, монтируется также дополнительный внутренний резервуар.

Такая схема установки дает возможность отделить техническую жидкость от питьевой воды. Для автоматизации процесса нагрева теплоносителя в систему интегрируют специальный контроллер солнечного коллектора, который позволяет избежать перерасхода энергоресурсов за счет контроля над температурой теплоносителя в гелиосистеме и температурой воды в буфере.

№5. Установка коллектора для подогрева бассейна

Данная схема не подходит к системе отопления, а используется, когда необходимо нагреть воду в открытом бассейне переносного типа. Чтобы обеспечить циркуляцию жидкости, допускается использовать стандартную погружную помпу. Если на вашем участке находится стационарный бассейн, для большего удобства оборудование лучше подключить к бытовой автоматизированной насосной станции.

Производительность солнечного коллектора

Одним из главных факторов, влияющих на уровень производительности гелиосистем, является интенсивность солярной радиации, излучаемой Солнцем на протяжении светового дня. Кроме уровня инсоляции (количество полезного солнечного излучения на единицу площади), на производительность солнечного коллектора влияют и второстепенные факторы: номинальный объем теплоаккумулирующей емкости, материал теплообменника и площадь абсорберов. При выборе солнечного коллектора для дома обращайте внимание на технические характеристики: коэффициенты теплопотерь, параметры оптического КПД, а также апертурную и общую площадь гелиоустановки. Исходя из этих параметров, можно провести анализ эффективности работы и рассчитать максимально допустимую мощность. Если использовать тепловой насос и солнечный коллектор, то можно добиться высокой производительности круглый год.