Солнечный нагрев воды в доме
Солнечную энергию для дома можно получать почти бесплатно и в довольно больших количествах. Почему не даром? Потому что, платить все же придется, но не Cолнцу, а производителям и монтажникам солнечных коллекторов.
Использование энергии Солнца в системах отопления и горячего водоснабжения частного дома, а также для нагрева воды в бассейне, по мере быстрого роста стоимости энергоносителей, становится все более выгодным. Срок окупаемости солнечного оборудования дома с каждым годом оказывается все меньше.
В странах Евросоюза установка солнечных коллекторов в новых домах является обязательной.
Чем дальше от экватора, чем больше пасмурных дней в году, чем выше загрязнение воздуха, тем меньше солнечной энергии падает на Землю.
Интенсивность солнечного излучения в южных регионах России, на территории Украины, южнее 52о с.ш., составляет от 1000 до 1350 кВт*ч/м2/год.
В наших южных широтах наибольшая интенсивность солнечного излучения приходится на период с марта по октябрь. В это время потребность в отоплении дома минимальна. Поэтому солнечную энергию в основном используют для нагрева воды в системе горячего водоснабжения дома и для подогрева воды в бассейне.
В системах отопления частного дома солнечные коллекторы применяют реже — только как вспомогательные нагреватели к котлу. Расчеты и практика применения показывают, что использование солнечных коллекторов в системах отопления в наших широтах в большинстве случаев не окупает затраты на их установку.
Следует заметить, что срок окупаемости установок солнечного нагрева очень сильно зависит от стоимости топлива, которое используется в доме для отопления и нагрева воды в системе ГВС. Например, за 1 кВт*час энергии, поступающей из электрической сети, хозяин дома заплатит примерно в 10 раз больше, чем за такое же количество, полученной от котла на природном газе.
В домах, где для отопления или нагрева воды используется электроэнергия, или работают котлы на дорогих видах топлива, установка солнечных коллекторов будет наиболее выгодна.
Оснащение систем отопления и ГВС солнечным коллектором обойдется дешевле, если их установку предусмотреть сразу, на стадии проектирования и строительства дома. Переделки всегда обходятся дороже.
Солнечный коллектор для дома, бассейна
Солнечный коллектор — это аппарат, в котором энергия солнечных лучей преобразуется в тепловую энергию теплоносителя. Теплоноситель переносит тепло от солнечного коллектора к нагревателям систем горячего водоснабжения и отопления. В качестве теплоносителя используют воду или не замерзающие жидкости.
Солнечный коллектор может иметь разную конструкцию. Существуют три принципиальных схемы устройства солнечного коллектора.
Плоский солнечный коллектор
Солнечный плоский коллектор представляет собой металлическую пластину — абсорбер, которая поглощает падающее на неё солнечное излучение. К пластине прикреплены медные трубки, по которым течет теплоноситель.
Пластину абсорбера покрывают слоем никеля, черной меди или другим материалом с высоким коэффициентом поглощения солнечных лучей, но с низким коэффициентом тепловых излучения. Такое покрытие называют селективным.
Некоторые производители выпускают адсорберы из двух сложенных вместе металлических листов. В листах выдавлены канавки, из которых при соединении листов формируются трубки коллектора.
Солнечные лучи нагревает абсорбер, от него тепло передается теплоносителю, температура которого увеличивается.
Абсорбер с трубками устанавливают в теплоизолированный плоский корпус. Сверху корпус коллектора закрывают стеклом. Для улучшения теплоизоляции обычно устанавливают стеклопакет с двойным или тройным остеклением. Стекло должно выдерживать удары града.
Чтобы остекление и поверхность адсорбера не запотевали, в корпусе коллектора оставляют отверстия для вентиляции.
Пластина абсорбера в плоском коллекторе со стеклопакетом может нагреваться до 190 оС.
В плоском солнечном коллекторе трубы, по которым циркулирует теплоноситель, обычно располагают вертикально. Применяют две схемы разводки труб — параллельную и змейкой.
Параллельная схема расположения труб имеет маленькое гидравлическое сопротивление. Коллекторы с параллельными трубами применяют в схемах подогрева воды с естественной циркуляцией теплоносителя.
Укладка труб змейкой позволяет получить чуть больший тепловой эффект, но при этом резко увеличивается гидравлическое сопротивление системы.
Трубчатый вакуумный солнечный коллектор
Солнечный вакуумный трубчатый коллектор может состоять из нескольких десятков стеклянных труб, в которых создан вакуум. Внутри вакуумных труб находятся трубки с теплоносителем.
На нижнюю часть поверхности труб нанесено зеркальное покрытие, фокусирующее солнечные лучи. А верхняя часть труб покрыта селективным слоем, который пропускает солнечные лучи внутрь, но задерживает отраженное тепловое излучение изнутри стеклянной трубы.
Наличие вакуума значительно уменьшает тепловые потери, а зеркальное и селективное покрытия еще больше увеличивают эффективность коллектора.
Солнечный коллектор с тепловыми трубками
Солнечный коллектор с тепловыми трубками внешне похож на вакуумный трубчатый, показанный на рисунке выше. Отличия находятся внутри стеклянных вакуумных труб.
В каждой стеклянной трубе коллектора имеется другая, герметично закрытая со всех сторон трубка с легко испаряющейся жидкостью — тепловая трубка. Верхний конец тепловой трубки является частью теплообменника, в котором циркулирует теплоноситель контура солнечного коллектора.
При нагреве солнечными лучами жидкость в тепловой трубке испаряется. Пары поднимаются вверх и конденсируются на поверхности трубки, прикрепленной верхним концом к теплообменнику. Процесс конденсации сопровождается передачей тепла теплоносителю.
Конденсат в тепловой трубке стекает вниз, снова нагревается, испаряется — процесс повторяется и идет непрерывно.
В солнечном коллекторе с тепловыми трубками каждая стеклянная вакуумная труба может быть легко отсоединена и, при необходимости, заменена на новую.
Схемы подключения солнечного коллектора
В схемах отопления и ГВС с солнечным коллектором обязательно должна быть накопительная емкость — аккумулятор тепла. Связано это с тем, что процесс поступления тепла от солнечного коллектора не совпадает по времени и количеству с расходом тепловой энергии потребителями в доме. Солнечную энергию сначала накапливают в аккумуляторе тепла, а затем расходуют по мере необходимости.
Для накопления энергии, получаемой от солнечного коллектора, выгодно использовать накопительный бойлер системы ГВС или буферную емкость системы отопления. Для этого, устанавливают бойлер и буферную емкость с дополнительным теплообменником, к которому и подключают солнечный коллектор.
Теплоноситель в системе нагрева с солнечным коллектором
В системе нагрева с солнечным коллектором, которая работает только летом, в качестве теплоносителя используют воду. Системы на воде подходят для дачных домов сезонного проживания или летних бассейнов.
Для систем отопления и ГВС жилого дома, работающих круглый год, в качестве теплоносителя приходится использовать незамерзающие жидкости — антифриз на основе пропиленгликоля или минеральное масло.
Все жидкости — теплоносители при нагревании расширяются. Поэтому контур нагрева солнечного коллектора обязательно оборудуют расширительным баком.
В контуре с солнечным коллектором существует также опасность закипания жидкости — необходима защита от перегрева и установка предохранительного клапана.
Защита от перегрева контура солнечного коллектора обычно осуществляется путем выбора накопительного бака достаточно большого объема, способного поглотить излишки тепла.
Для удаления воздуха из контура коллектора устанавливают автоматический воздухоотводчик.
Для предотвращения опорожнения накопительного бака трубопровод холодной воды оснащают обратным клапаном.
Расширительный бак, воздухоотводчик, предохранительный клапан контура коллектора аналогичны тем приборам, которые устанавливаются на отопительном котле в доме.
Схема нагрева воды солнечным коллектором для дачного дома
Схема ГВС с естественной циркуляцией теплоносителя в контуре солнечного коллектора и с электрическим нагревателем в накопительном баке.
Для возникновения в контуре естественной и достаточно интенсивной циркуляции необходимо, чтобы дно накопительного бака было выше солнечного коллектора минимум на 0,5м. (чем больше — тем лучше). Кроме того, стараются уменьшить гидравлическое сопротивление в контуре солнечного коллектора. Для этого увеличивают диаметр труб и сокращают их длину.
В качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость.
Для подогрева воды в пасмурные дни накопительный бак имеет электрический нагреватель.
С целью уменьшения потерь тепла накопительный бак и трубопроводы защищают теплоизоляцией толщиной 50 мм.
Если бак устанавливают на холодном чердаке, то толщину теплоизоляции бака следует увеличить до 100 -150 мм. а трубопроводы с водой разместить под теплоизоляцией бака.
Для дачного дома с сезонным проживанием, только летом, можно контур солнечного коллектора выполнить без теплообменника в баке. В контур коллектора вода будет поступать из нижней части бака, нагреваться и накапливаться в верхней части бака. С наступлением холодов систему необходимо опорожнять от воды.
Эта простая и не дорогая система ГВС подойдет для дачных домов и небольших частных домов с отоплением твердотопливным котлом или печами.
Схема ГВС с солнечным коллектором и бойлером косвенного нагрева
Схема подключения солнечного коллектора к системе ГВС с накопительным бойлером косвенного нагрева и отопительным котлом с контуром ГВС.
Для подключения солнечного коллектора к системе ГВС с бойлером косвенного нагрева необходимо установить в доме бойлер с двумя теплообменниками.
К нижнему теплообменнику подключают нагревательный контур солнечного коллектора, а к верхнему — контур ГВС отопительного котла.
Если тепла от солнечного коллектора не хватает для нагрева воды, то включается в работу контур ГВС отопительного котла.
Установка циркуляционного насоса в контур солнечного коллектора позволяет установить коллектор в любое положение относительно бойлера, а также уменьшить диаметр трубопроводов.
Схему с бойлером косвенного нагрева удобно применять при отоплении дома газовым котлом.
Схема отопления и ГВС с солнечным коллектором и буферным баком — аккумулятором тепла
Схема подключения солнечного коллектора к системе отопления и ГВС с буферным баком — аккумулятором тепла и отопительным одноконтурным котлом.
Прочитайте статью «Схема отопления и ГВС с буферным баком — аккумулятором тепла» для того, чтобы узнать преимущества, особенности устройства и работы этой системы.
Солнечный коллектор присоединяют к теплообменнику, установленному в буферном баке — аккумуляторе тепла. К буферному баку подключают и контур отопительных приборов дома (на схеме не показан).
Тепловая энергия от всех источников — солнечного коллектора и отопительного котла, аккумулируется в буферном баке. Из буферного бака тепло расходуется и на подогрев воды в системе ГВС, и подается в контур отопления помещений дома.
Схема с буферным баком позволяет использовать солнечную энергию и для отопления, и для горячего водоснабжения.
Схема ГВС с солнечным коллектором и двумя накопительными баками
Схему ГВС с двумя накопительными баками используют при подключении солнечного коллектора к уже работающему оборудованию системы горячего водоснабжения в доме. Когда в уже установленном бойлере отсутствует теплообменник для подключения солнечного коллектора.
Покупка нового бойлера ГВС с двумя теплообменниками и замена старого часто не выгодна. Дешевле приобрести новый бойлер небольшого объема только для контура солнечного коллектора.
Схема подогрева воды для бассейна
Подогрев воды в бассейне можно производить по любой из первых трех схем, которые приведены выше.
Холодная вода со дна бассейна подается циркуляционным насосом по трубопроводу холодной воды в накопительный бак, бойлер или буферную емкость. Горячая вода возвращается обратно в бассейн.
Принудительная циркуляция воды в контуре бассейна обеспечивает перемешивание воды и равномерное распределение температуры по глубине бассейна.
Для бассейнов, работающих только летом, накопительный бак можно исключить из схемы подогрева. Роль накопительного бака может выполнять ванна бассейна.
Автоматизация систем отопления и ГВС с солнечным коллектором
Системы отопления и ГВС с солнечным коллектором обязательно оснащают приборами автоматики.
Автоматика необходима для согласованного управления работой нескольких источников энергии — солнечного коллектора, котла, электрического нагревателя, а также циркуляционных насосов.
Датчики измеряют температуру теплоносителя у источников нагрева, температуру воды в накопительном баке. Блок управления по заданной программе анализирует показатели датчиков и выдает команды на включение или отключение тех или иных источников нагрева, насосов и клапанов.
Человек имеет возможность задавать параметры регулирования — например, устанавливать максимальную температуру горячей воды.
Какой солнечный коллектор лучше выбрать
У каждого вида солнечных коллекторов имеется свой минимальный порог интенсивности солнечного излучения, при котором они начинают нагревать теплоноситель.
Плоский солнечный коллектор начинает греть при мощности солнечного излучения 70-90 Вт/м2. Для сравнения — если плоский коллектор не закрыт стеклом, то он начнет греть при мощности излучения более 200 Вт/м2.
Трубчатые солнечные коллекторы с вакуумными трубками начинают греть теплоноситель при мощности излучения более 20 Вт/м2.
Солнечный коллектор поглощает как прямое, так и рассеяное излучение Солнца. Общая интенсивность и соотношение разных видов излучения меняется в зависимости от времени года и суток, состояния облачности.
Например, в наших южных широтах максимальная мощность излучения в декабре около 80 Вт/м2, в апреле и сентябре 350 Вт/м2, а в июне 600 Вт/м2. Причем, летом доля прямого излучения составляет примерно 54%, а зимой только 30%.
Из приведенных выше данных можно сделать вывод, что для того, чтобы солнечный коллектор приносил в дом тепло круглый год, необходим трубчатый солнечный коллектор.
КПД плоского и трубчатого солнечных коллекторов
Мерой эффективности солнечного коллектора является его тепловой коэффициент полезного действия. КПД солнечного коллектора определяется как отношение количества полезной энергии, забираемой теплоносителем, к количеству энергии солнечного излучения, которое падает на поверхность коллектора.
На рисунке показаны графики зависимости коэффициента полезного действия — КПД, для трех конструкций плоского и одного трубчатого коллекторов. Это примерные характеристики при плотности потока солнечного излучения G=700 Вт/м2. По горизонтальной оси редуцированная (приведенная) температура, равная =dT/G, К*м2/Вт., где dT — разность между средней температурой теплоносителя коллектора и наружной температурой воздуха окружающей среды.
Анализируя графики, можно сделать следующие выводы:
Солнечный коллектор работает с максимальным КПД при маленьких значениях редуцированной температуры dT, в режиме с минимально необходимой температурой теплоносителя.
Причем, при малых значениях редуцированной температуры КПД у разных конструкций плоских коллекторов практически одинаков.
Плоский солнечный коллектор, который характеризуется графиком КПД с меньшим углом наклона к горизонту (линия I на рисунке), обеспечит нагрев воды при невысокой плотности лучистой энергии и довольно низкой температуре наружного воздуха — весной, осенью.
Плоский коллектор в летнее время, в условиях интенсивного солнечного излучения, имеет более высокий КПД, чем трубчатый. Для систем ГВС, работающих только в теплый сезон выгодно использовать плоские солнечные коллекторы. К тому же, плоский коллектор значительно дешевле трубчатого.
В условиях малой интенсивности солнечного излучения КПД трубчатого коллектора выше, чем плоского. Установка трубчатого коллектора может быть выгодна только для круглогодичного подогрева воды в системах отопления и ГВС, а также в северных широтах. Учитывая высокую стоимость трубчатого коллектора, его установка окупается далеко не всегда.
Выбираем солнечный коллектор для бассейна
С учетом сделанных выше выводов, для подогрева воды в летнем бассейне буквально на несколько градусов, можно выбрать любую конструкцию плоского коллектора. Эффективность при маленькой величине dT будет у всех конструкций плоских коллекторов примерно одинакова.
Выгодно использовать самые дешевые плоские коллекторы с пластиковыми абсорберами, которые могут вообще не иметь остекления.
Поскольку температура теплоносителя в коллекторе будет не намного отличаться от температуры наружного воздуха, то потери тепла при отсутствии стекла будут незначительными. Кроме того, из-за отсутствия стекла немного увеличится количество солнечной энергии, попадающей на адсорбер. Стекло всегда задерживает некоторую часть солнечных лучей.
Расчет размера солнечного коллектора
Из-за неравномерного поступления тепла от солнечного коллектора, в системах ГВС и отопления дома обязательно устанавливают еще один источник нагрева.
Производительность солнечного коллектора рекомендуется выбирать такой, чтобы от него получать не более 2/3 тепловой энергии, необходимой для горячего водоснабжения в доме. Использовать более производительные аппараты не выгодно — не окупятся.
Для горячего водоснабжения в доме достаточно выбрать солнечный коллектор площадью 1-1,5 м2 в расчете на одного члена семьи.
Солнечный коллектор в системе отопления выбирают так, чтобы получать от него 20-30% тепловой энергии, необходимой для отопления. Размеры солнечного коллектора для целей отопления выбирают из расчета 0,3-0,5 м2 площади коллектора на 1м2 отапливаемой площади дома.
Для закрытого бассейна площадь солнечного коллектора может составлять 40% площади зеркала воды в нем.
В открытом бассейне воду нагревают солнечным коллектором площадью 70% от площади зеркала воды.
Пример расчета размеров площади солнечного коллектора
Выполним расчет размера солнечных коллекторов для дома с отапливаемой площадью 200 м2, в котором проживают 5 человек. В доме имеется крытый бассейн с площадью воды 30 м2.
Площадь солнечных коллекторов составит:
- Для нагрева воды в системе ГВС — 5-7,5 м2
- Для системы отопления дома — 60-100 м2
- Для подогрева воды в крытом бассейне — 12 м2
Где можно установить солнечный коллектор
Солнечный коллектор можно установить в любом месте — на крыше, на стене, на земле. Важно только установить его под определенным углом к горизонту и на солнечном месте.
Но чаще всего коллектор устанавливают на крыше. Коллектор на крыше не занимает места на участке и получает больше солнечных лучей — там его ничто не затеняет.
На крыше коллектор устанавливают над кровлей. Существуют конструкции коллекторов, которые встраивают в покрытие крыши.
При установке в любом месте следует иметь ввиду, что аппарат требует обслуживания. Поэтому, необходимо продумать, как облегчить доступ к нему.
Кроме того, коллектор достаточно тяжелое устройство. поэтому стропила крыши или стена дома могут потребовать усиления их конструкции.
Лучше всего, установку солнечного коллектора предусмотреть сразу, на стадии проектирования и строительства дома.
Ориентация поверхности солнечного коллектора
Максимальное количество солнечной энергии коллектор будет получать, если его поверхность будет перпендикулярна направлению на солнце.
Направление на солнце постоянно меняется в зависимости от времени года и суток. Поэтому, коллектор устанавливают под некоторым углом к горизонту, который позволяет получать максимум солнечной энергии без изменения положения коллектора.
Солнечный коллектор, который будет работать круглый год устанавливают под углом к горизонту, величина которого примерно равна географической широте местности.
В зимний период, если есть возможность, лучше увеличивать угол наклона еще примерно на 15о.
Если солнечный коллектор будет работать только летом, то угол наклона следует уменьшить до: географическая широта местности минус 15о.
Плоскость солнечного коллектора должна смотреть по направлению на юг с точностью плюс-минус 15о.
Трубчатые вакуумные коллекторы допускают большее отклонение от направления на юг. Они должны освещаться солнцем не менее шести часов в сутки.
