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.

Гелиосистема для нагрева воды, что это такое, своими руками и для отопления дома

Пост опубликован: 21 ноября, 2017

В современном мире, когда запасы традиционных источников энергии (газ, нефть, уголь) уменьшаются с большой скоростью, а их использование приводит к образованию парникового эффекта на планете, то все большее количество людей и государств в целом, обращают свое внимание на альтернативные виды энергии.

Одним из видов альтернативной энергии является энергия солнца. Для преобразования солнечной энергии в другие ее виды, которые человек использует в повседневной жизни, служат гелиосистемы различного вида.

Что это такое

Гелиосистема – это комплекс технических устройств, посредством которого энергия солнца в виде солнечных лучей, преобразуется в тепловую или электрическую энергию, используемые человеком для своих нужд.

В состав гелиосистемы входят следующие составные элементы:

• Приемное устройство (солнечная батарея, солнечный коллектор и т.д.) – является элементом гелиосистемы, в котором энергия солнца преобразуется в другие виды энергии;
• Устройства, обеспечивающие режим работы системы – инвертор, контроллер, аккумуляторная батарея (при получении электрической энергии) и теплообменник, система трубопроводов, технические устройствами, обеспечивающими циркуляцию теплоносителя (насосы) — при получении тепловой энергии.

В зависимости от назначения, режима работы и технического устройства, гелиосистемы подразделяются на несколько видов, это:

1. По типу получаемой энергии:

• Электрические – в результате работы комплекта оборудования на выходе получается электрическая энергия.
• Тепловые – путем преобразования в устройствах, входящих в состав данной группы гелиосистем, получается тепловая энергия.

1. По назначению (для тепловых гелиоустановок):

• Для отопления;
• Для горячего водоснабжения;
• Комбинированного типа (для отопления и горячего водоснабжения).
• По виду теплоносителя (для тепловых гелиосистем):
• С использованием жидкого теплоносителя (вода, антифриз и т.д.);
• С использованием воздуха.

1. По режиму работы:

• Постоянного действия;
• Периодического действия (сезонный или циклический характер работы).

1. По типу использования:

• В качестве основного источника получаемой энергии;
• В качестве резервного источника, обеспечивающего покрытие части требуемой мощности (при получении электрической энергии) и частичное – при отоплении или получении горячей воды, при тепловом типе гелиосистем.

1. По техническому оснащению и устройству:

• Параметры напряжения на выходе гелиоустановки – при преобразовании солнечной энергии в электрическую;
• Количество контуров, обеспечивающих получение и преобразование энергии солнца в тепловую энергию – одно-, двух- и многоконтурные.

Принцип действия

Принципы действия гелиосистем различаются в зависимости от типа получаемой энергии и их можно сформулировать следующим образом:

1. Для солнечных электрических станций – работа основана на физических свойствах полупроводниковых материалов, в которых под воздействием солнечных лучей происходит образование разности потенциалов между разными слоями фотоэлемента. Фотоэлемент изготавливается на основе кремния, в основу работы которого, заложено образование «p-n» перехода между его слоями, характеризуемого «p-n» проводимостью полупроводников.
2. При получении тепловой энергии – солнечные лучи нагревают теплоноситель, который циркулирует в солнечном коллекторе, с последующей передачей полученного тепла в систему отопления или горячего водоснабжения.

Плюсы и минусы

Использование гелиоустановок, как в прочем и любого технического устройства, имеет свои достоинства и недостатки, которые можно сформулировать следующим образом:

1. Достоинства применения гелиосистем, как источника энергии:

• Солнце, это источник бесплатной энергии, количество которой несоизмеримо больше, чем потребности человека на текущий момент времени.
• Это возобновляемый ресурс, процесс воспроизводства которого, не зависит от процессов его потребления и переработки.
• Экологическая безопасность процесса получения и преобразования энергии.
• Возможность создания автономных систем энергоснабжения, вне зависимости от вида энергии получаемого в процессе преобразования.
• Осуществление работы в автоматическом режиме, без постоянного контроля пользователя установок подобного типа.

1. Недостатки, свойственные гелиоустановкам:

• Зависимость от погодных условий, времени года и географического месторасположения.
• Низкий КПД – для гелиосистем, использующих солнечные батареи (электрические системы) и большие габаритные размеры, для получения большой мощности, как при производстве тепловой, так и электрической энергий.

Гелиосистемы для отопления и горячего водоснабжения жилого дома

Как уже было указано выше, одним из направлений использования гелиосистем, является преобразование солнечной энергии в тепловую, используемую для отопления жилых домов, прочих зданий и сооружений, а также для обеспечения таких потребителей горячей водой.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

В зависимости от площади отопления и предназначения, конфигурация таких систем может различаться. Ниже рассмотрены некоторые варианты устройства подобных гелиосистем.

Гелиосистема для отопления дома площадью 100 м 2

Для того, чтобы выбрать оборудование для комплектации гелиосистемы, определиться с его количеством, способом и местом установки, нужно решить несколько организационных вопросов, это:

• Узнать, какова солнечная активность в месте предполагаемого монтажа оборудования.
• Определить потребность дома, заявленной площади, в тепловой энергии.
• Решить, в каком качестве будет выступать установка, в системе теплоснабжения дома (автономная система или в качестве дополнения к прочим системам отопления).

Сразу нужно отметить, что создание полностью автономной системы отопления на основе солнечной установки, достаточно сложное, с технической стороны, задание. Это обусловлено циклическим характером работы гелиосистемы, когда в темное время суток процесс получения энергии от внешнего источника (солнца) прекращается, что требует установки дополнительных резервуаров-накопителей тепловой энергии и прочих энергосберегающих устройств.

В состав гелиосистемы для отопления дома входят:

• Солнечный коллектор – бывают различные типы устройств, отличающиеся по конструкции и геометрическим размерам.
• Насосная станция, оснащенная контроллером — регулирует работу системы в автоматическом режиме.
• Бойлер – бак-накопитель, аккумулятор тепла.
• Расширительный бак – обеспечивает работу системы отопления в нормальном режиме, вне зависимости от температуры теплоносителя циркулирующего в системе отопления.
• Приборы автоматики (датчики давления и температуры).
• Трубопроводы горячей и холодной воды (теплоносителя) с запорными элементами.

Схематично система отопления дома, на основе гелиоустановки, выглядит следующим образом:

Как правило, применение солнечных коллекторов позволяет снизить затраты на использование прочих источников получения тепла в весенне-осенний период времени, когда солнце уже активно, а потребность в отоплении дома еще остается.

Тем не менее, для дома, общей площадью до 100,0 м 2 , возможно создать полностью автономную систему отопления, но для этого нужно правильно подобрать оборудование, в соответствии с расчетом, который следует выполнить перед началом работ.

Для расчета гелиосистемы, служащей для отопления дома, необходимо знать:

1. Общую площадь дома (этажность) с учетом высоты помещений и их параметров (назначение – жилые комнаты, технические и иные помещения).
2. Количество солнечных дней в году (солнечная активность) по данным метеослужб или приведенных в специальной литературе.
3. Параметры теплоносителя, используемого в системе отопления (температура, вязкость, теплопроводность).

Стоимость комплекта оборудования зависит от мощности и типа коллектора, а также компании их выпускающей. Разброс цен достаточно большой и составляет от нескольких десятков тысяч рублей (25000,00 – 80000,00), до сотен тысяч (110000,00 – 180000,00).

Стоимость монтажа, который предлагают выполнить организации, специализирующиеся на подобных работах, также различна, в среднем подобные работы стоят от 50000,00 до 100000,00 рублей, в зависимости от типа коллектора и его мощности.

Использование гелиосистем для создания автономных систем теплоснабжения возможно в южных регионах, но т.к. это достаточно затратное мероприятие, то на практике, подобные установки используются в этом качестве достаточно редко.

Сезонность использования систем отопления, также определяет мощность подобных установок. Если в зимний период, когда солнечная активность ниже, чем летом, потребность в отоплении дома максимальна, и мощности коллекторов не хватает, чтобы обеспечить теплом всю имеющуюся потребность, то летом все наоборот. Излишки тепла, вырабатываемого коллекторами, нужно использовать, что позволяют сделать двух- и многоконтурные системы, позволяющие использовать получаемое тепло в системах горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах, полива растений и отопления в теплицах.

Гелиосистема для отопления дома площадью 200 м 2

Для жилых домов площадью 200 м 2 и более, гелиосистемы могут использоваться исключительно как дополнительные, к прочим системам отопления, работающим на традиционных источниках энергии.

Комплектация таких систем аналогична рассмотренной выше, отличие заключается в том, что в такой системе, бак-накопитель тепловой энергии связан с другим источником тепла.

Таким источником, как на приведенной ниже схеме, может служить нагревательный котел, использующий различный виды топлива (уголь, газ, жидкое топливо) индивидуального использования, или централизованная система отопления, подключаемая к внутреннему контуру обогреваемого дома.

В среднем, в весенний и осенний периоды, использование гелиоустановок, в качестве дополнительного источника тепловой энергии, позволяет снизить нагрузку на основные энергоресурсы, идущие на теплоснабжения дома, на 30-40 % от общего количества потребляемого тепла.

Гелиосистема для нагрева воды

При использовании солнечных коллекторов в системах горячего водоснабжения и сетях подогрева воды в бассейнах, конфигурация сети, аналогична сетям отопления, с той лишь разницей, что это может быть полностью отдельная система или являющаяся частью общей системы отопления дома.

В каком качестве работает гелиосистема, зависит от количества контуров, смонтированных при ее разработке. На схеме, приведенной выше, рассмотрен вариант устройства системы горячего водоснабжения в общей системе отопления дома площадью 200 м 2 и более, когда гелиосистема является дополнительным источником получения тепла.

Гелиосистема своими руками

При наличии навыков работы с различным ручным инструментом, начальными знаниями физических свойств различных веществ, а также наличии свободного времени, можно сделать гелиосистему своими руками.

Здесь может быть несколько вариантов создания и построения подобной установки, это и сборка конвектора из заводских комплектующих или его изготовление полностью из подручных средств или создание простых установок, работающих на свойствах жидкостей и атмосферного воздуха.

К таким относятся ниже рассмотренные варианты конструкции.

Термосифонная гелиосистема

Термосифонная гелиоустановка, это простейшая система, работающая на свойствах жидкости (воздуха) циркулировать в системе без установки специального оборудования (насоса), что обусловлено их естественной конвекцией. Данную систему можно использовать в системах горячего водоснабжения и системах подогрева воды в бассейне.

Плотность тепловой и холодной воды различается, что определяет ее перемещение в замкнутом пространстве – горячая вода поднимается вверх, холодная опускается вниз. Схема работы термосифонной системы приведена на ниже следующей схеме:

Для самостоятельного изготовления подобной системы, понадобятся:

• Две емкости (бочки), одна из которых служит накопителем холодной воды и располагается несколько выше конвектора и второй емкости, служащей распределителем нагретой воды.
• Система труб, обеспечивающих соединение всех элементов конструкции в единое целое.
• Конвектор, который собирается из подручных средств.

Для изготовления конвектора можно использовать пластиковые бутылки, из которых собирается батарея. Подобных батарей может быть несколько, и они между собой соединяются последовательно (как на схеме, приведенной выше).

Собранные батареи из бутылок можно поместить в отдельный корпус, в который для большего поглощения солнечного тепла, помещается утеплитель, хотя можно сделать и без него.

Соединение бутылок должно быть герметичным, чтобы исключить протекание воды в местах их соединения.

Кроме пластиковых бутылок можно использовать водопроводный шланг, укладываемый змейкой в смонтированном корпусе или иные подручные материалы, которые способны нагреваться под воздействием солнечных лучей, и которые можно герметично соединить между собой.

Корпус конвектора изготавливается из имеющихся материалов (дерево, пластик, металлический или иной профиль), после чего собранная конструкция размещается на максимально освещенном участке и все ее элементы, соединяются в единое целое.

В емкость накопитель наливается холодная вода и по истечении определенного времени, из емкости распределителя, можно осуществлять разбор нагретой воды.

Воздушная гелиосистема

Одной из простых конструкций, которую можно также изготовить самостоятельно, является воздушная гелиосистема. Данная установка может быть использована для частичного обогрева в южных регионах страны, где воздух прогревается значительно, а потребность в обогреве жилья – невелика.

Принцип действия воздушного коллектора, аналогичен принципу действия термосифонной системы, рассмотренной ранее. Отличительная особенность лишь в теплоносителе, что отражается на устройстве коллектора.

Для того, чтобы изготовить самостоятельно воздушный коллектор можно использовать подручные материалы, это: водопроводные трубы или жестяные банки, профилированный металлический лист или иной материал имеющий профильное сечение.

Схема работы воздушного коллектора приведена на схеме:

Из имеющихся в наличии материалов, как и в случае с термосифонной системой, изготавливается корпус коллектора. При помощи металлического профиля, жестяных банок или путем использования водопроводных труб, создаются ребра, разделяющие воздушный поток на отдельные составные части.

Внутри корпуса укладывается утеплитель, а с наружной стороны, корпус закрывается стеклом, служащим теплоизолятором внутреннего воздуха от наружной среды.

При использовании металлического профиля или иной конструкции, как на приведенной схеме, ребра, разделяющие потоки воздуха могут быть совмещены с панелью, являющейся приемником солнечного тепла. При использовании жестяных банок и водопроводных труб, эту функции выполняют они сами.

С торцов корпуса предусматриваются места крепления коллекторов друг с другом (если их несколько) и для крепления с воздуховодами, обеспечивающими подачу холодного и отвод теплого воздуха.

Где купить

Гелиосистемы в целом и их составные элементы, являются специфическим товаром, для приобретения который лучше всего обратиться в организацию, которая специализируется на реализации товаров в этой отрасли энергетики.

Оптимальный вариант, в этом случае, это найти дилера компании, производящей гелиосистемы, и заключить договор поставки.

При невозможности сделать это, и при желании снизить затраты на приобретение оборудования, можно обратиться к сети интернет, где присутствует достаточно большое количество предложений о продаже гелиоустановок, как полной комплектации, так и их отдельных элементов.

Использование в Крыму

Крым, это регион нашей страны, расположенный в зоне активного солнечного излучения, поэтому использованию гелиосистем здесь всегда уделялось особое внимание.

В промышленных масштабах, гелиоэнергетика Крыма развивалась как энергетическая система, обеспечивающая электрической энергией промышленные предприятия и бытовых потребителей. На полуострове запущены и успешно работают 13 солнечных электростанций общей установленной мощностью более 280,0 МВт.

Получение тепловой энергии за счет использования гелиосистем, также широко применяется, как на отдельных промышленных предприятиях, так и в частном секторе, где с их использованием осуществляется отопление и горячее водоснабжение.