Гелиосистема для горячего водоснабжения: принцип работы и устройство, типы, особенности монтажа

Окупаемость

Окупаемость затрат на оборудование целесообразно рассматривать при круглогодичной эксплуатации и применении для отопления, получения горячей воды для повседневных нужд.

Расходы при сезонном использовании начнут возвращаться сразу, особенно если коллектор установлен на даче и служит больше для выработки горячей воды. В этом случае будет больше интересовать соотношение «цена — производительность». На одного члена семьи будет достаточно около 1,5м² площади плоского коллектора.

Горячая вода очень необходима тем семьям, у которых есть маленькие дети и тут, гелиоустановка очень пригодится. Но и остальным члена семьи будет приятно принять горячий душ после праведных трудов на своём участке. Значительно облегчится мытьё посуды и стирка вещей. Поэтому вопрос об окупаемости можно перефразировать в вопрос необходимости солнечного коллектора для получения горячей воды.

Использование устройства для почти полноценного отопления здания или хотя бы сокращение потребления газа, угля, электричества потребует серьёзных предварительных расчётов об экономической составляющей оборудования и его монтажа.

Этапы:

1. Определение количества солнечной тепловой энергии в месте расположения дома. Такие данные можно найти в справочной литературе, интернете, но более точные сведения имеются в местных метеослужбах. Причём, они располагают многолетними наблюдениями, поэтому можно вычислить среднее значение, которое использовать в своих дальнейших расчётах.
2. Уточняются зоны, где будет производиться отопление, — сами понимаете, что сени, кладовки и подобные хозяйственные помещения обогревать не целесообразно. Но, — детские комнаты потребуют более тщательного нагрева, нежели кухня или гостиная.
3. Примерная полезная площадь коллектора для отопления 1м² помещения составляет 0,4–0,5м². Эта цифра приведена для умеренных широт. На юге потребуется около 0,2–0,3м², в северных областях 0,6–0,8м². Уже из этих цифр видно, что гелиоустановку в местах с суровым климатом, можно использовать как вспомогательный источник тепла, иначе затраты на оборудование окажутся очень большими.
4. Для отопления 100м² площади дома в средних широтах понадобится трубчатый коллектор с эффективной площадью 40–60м². Полный комплект (оборудование отечественное), включая два бака по 300 литров, насосы и систему управления, вместе с монтажом стоит около 450000 рублей.
5. На 100м² в течение года необходимо около 120000МДж тепла.

Усреднённая стоимость тепловой энергии:

• газовый котёл, — около 0,35–0,40руб. за 1МДж тепла, в год 42000–48000руб;
• электрокотёл, — примерно 0,9–1,10руб за 1МДж тепловой энергии, в год 108000–132000руб;
• гелиоэнергия, — почти бесплатно, только расходы на питание электронасоса, — за год набежит 5000–6000руб.

То есть для коллектора все расходы, это небольшие затраты на насос. Отсюда следует, за какое время, по сравнению с другими системами, вернутся вложенные деньги, и начнётся чистая экономия.

Средняя стоимость газового котла с установкой составит около 350000 рублей, электрокотла – 10000 рублей.

За 20 лет общие расходы составят:

• газовое отопление, 20лет * 42000руб/год + 350000руб = 1190000руб.;
• электрокотёл, 20лет * 108000руб/год + 10000руб. = 2170000руб.;
• гелиоустановка, 20лет * 6000руб/год + 450000руб = 570000руб.

Видно, что прошествии 6–8лет солнечный коллектор вернёт деньги и начёт экономить. Но были взяты идеальные условия, к тому же, не учитывалось потребление горячей воды на повседневные нужды. С учётом всех факторов, реальный срок окупаемости для средних широт наступит через 11–12лет.

Большой минус гелиоустановки – это большие одноразовые финансовые вложения. Снизить их поможет поэтапное добавление секций коллекторов, но тогда при проектировании системы отопления, необходимо предусмотреть это в общей конструкции.

В принципе, использование солнечного излучения для обогрева дома и получения горячего водоснабжения, на современном этапе развития технологий оправдано для нескольких случаев:

применение солнечных коллекторов плоского типа для сезонной эксплуатации на садово-дачных участках;

вакуумная конструкция сможет обеспечить теплом весь дом в условиях достаточно мягкого климата, для умеренных и северных широт такой вид отопления целесообразно рассматривать в качестве вспомогательного, из-за достаточно дорогостоящего оборудования;

очень хорошо солнечный коллектор любого типа сочетается с геотермальным отоплением, — летом он может давать тепло в грунт, который будет его аккумулировать и отдавать зимой.

Особенности монтажа

Помимо правильного выбора оборудования и грамотного проектирования для безупречной работы системы необходим квалифицированный монтаж. Существует много тонкостей, применение которых поможет увеличить срок эксплуатации всех элементов коллектора.

Первый нюанс касается термостатического клапана, который служит защитой от ожогов. В стандартных системах теплоснабжения этот элемент монтируют редко ввиду того, что температуру горячей воды можно регулировать на генераторе. Поэтому при проектировании гелиосистемы про клапан зачастую забывают. В регуляторе солнечной системы также можно установить ограничитель нагрева воды, но тогда эффективность оборудования будет существенно снижена. Нагретый до максимальной температуры бак обеспечит горячей водой даже в пасмурные дни.

Чтобы клапан работал правильно, его устанавливают немного дальше от водонагревателя. Близкое расположение провоцирует перегрев узла, в результате чего горячая вода перестаёт поступать в трубопровод.

Второй нюанс касается ёмкости аккумулятора ГВС. Он устанавливается в просторном месте

Это важно для беспрепятственного доступа к бачку для его обслуживания и ремонта. Нередко для бака подбирают часть помещения под лестницей или подвал

В таком случае необходимо учесть высоту потолка. Наверху водонагревателя расположен магниевый анод. Для его замены потребуется пространство над баком не менее 60 см. Если высота не позволяет производить ремонтные работы, то на этапе монтажа системы следует установить активный электрический анод.

Третий нюанс касается монтажа расширительного бачка, который компенсирует весь теплоноситель, вытесняемый из коллекторов при стагнации. При этом учитывается температурное расширение жидкости. Корректное функционирование бачка обеспечивает его правильное расположение. Монтаж производится ниже уровня насосной группы. Если расположить ёмкость выше насосов, то мембрана станет уязвимой перед воздействием высоких температур, в результате чего на ней образуется воздушный пузырь. Он подсушивает резину, ухудшая её эластичность и другие физические свойства. Это приводит к быстрому изнашиванию мембраны.

Четвёртый нюанс касается подключения гелиоконтура к баку аккумулятору. Из-за того, что тепло всегда устремляется вверх, нужно делать подключение снизу, создавая преграду на пути тёплого потока. Это достигается путём подсоединения труб к водонагревателю с созданием, так называемой петли (термопетли). При игнорировании рекомендации температура воды в баке за ночь снизится минимум на 2-8 градусов.

Пятый нюанс касается обратного клапана. При его отсутствии всё тепло, накопленное за день в гелиоконтуре, рассеется через коллекторы в ночное время суток. Для предотвращения нерационального использования ресурсов рекомендуется в нижнем подключении бака аккумулятора устанавливать обратный клапан.

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.

Устройство и принцип работы

Солнечный коллектор — панель, размером в несколько квадратных метров, внутрь которой встроен нагревательный элемент, накапливающий энергию солнца. Весь принцип работы устройства можно сравнить с обычным водонагревателем. Лучи аккумулируются в нем и передаются в теплообменник, заполненный теплоносителем, который нагревается и начинает циркулировать по отопительной системе.

Направление движения может меняться с помощью смесителя. Остывший теплоноситель вновь поступает в резервуар. Естественная циркуляция обеспечивается расширением теплоносителя, который поднимается и вытесняет холодный в резервуар. В солнечный день движение непрерывно, температура жидкости в трубах отопления сохраняется на уровне + 70 градусов.

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.

Обзор лучших моделей

Лучшие коллекторы

Среди плоских конструкций наилучшей считается FPC-2200. У этого устройства активная площадь составляет 2,1 квадратных метра. Коэффициент полезного действия, если правильно установить изделие, будет достигать 94%. С его помощью можно достичь температуры теплоносителя в 135 градусов, наибольшее давление в системе будет составлять 1МПа. Без каркаса устанавливать запрещено. Стоит порядка 30 тысяч рублем.

Лучшим воздушным коллектором считает SOLARVENTI SV3, он способен работать полностью в автономном режиме. Предназначен не только для жилых помещений, но и для складов, разного рода иных технических помещений. Максимальная площадь, которую он может обогревать составляет всего лишь 25 квадратных метров. Изделие отличается компактными габаритами, масса составляет около 6 см, его разрешается устанавливать как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Стоит достаточно дорого – 40 тысяч рублей.

На сегодняшний день вакуумные модели на российском рынке не представлены. Такой коллектор будет хорошим дополнением к стандартной отопительной системе дома или квартиры.

Солнечные коллекторы для нагрева воды зимой

В нашей стране по объективным и субъективным причинам гелиоустановки распространены не так широко, как в странах Европы и в Америке.

Одной из причин, является то, что на большей части территории России зима длиться достаточно долго, и по мнению потенциальных пользователей, экономический эффект от использования гелио установок в это время минимален. К тому же выпавший снег снижает КПД солнечных аппаратов, а град может повредить их.

Тем не менее, солнечные коллекторы востребованы на рынке энергетического оборудования и причин тут несколько, а именно:

1. В результате использования владелец получает абсолютно бесплатно тепловую энергию, которую может использовать по своему разумению.
2. Процесс преобразования энергии экологически безопасен для окружающего мира и живых организмов (люди, животные и т.д.).
3. Энергия солнца неисчерпаема и возобновляема.

Недостатки тоже конечно есть у подобных устройств и наиболее важным из них является высокая стоимость оборудования, а также зависимость производительности (КПД) агрегатов от внешних факторов. Внешними факторами являются погодные условия и возможность периодического обслуживания агрегатов (очистка от грязи и снега, ревизия мест соединений комплектующих и т.д.).

Вакуумные модели способны довести воду до кипения даже в сильный мороз

Разные виды солнечных коллекторов, а среди потребителей наибольшей популярностью пользуются плоские и вакуумные модели, по разному себя ведут в зимний период, что обусловлено их конструкцией, а именно:

• Плоские модели в наибольшей степени подвержены воздействию внешних факторов (снег, низкая температура и сильный ветер, град) и требуют большего ухода.
• Вакуумные – наиболее оптимальны при использовании зимой, что обусловлено их конструкцией, к тому же они достаточно прочны, т.к. изготавливаются из высокопрочных материалов.

Назначение основных частей станции

Назначение насосной установки общеизвестно – подъем воды из заглубленного источника и подача в жилище под давлением по напорному трубопроводу. Из вышесказанного следует, что технически насосная станция – это электронасос, укомплектованный дополнительными элементами. позволяющими ему работать автоматически. Отсюда вытекает, что расходо-напорные характеристики станции определяются входящим в ее состав насосом.

Блок автоматики предназначен для отслеживания давления в системе водоснабжения дома. Это может быть относительно простое механическое (с пружинными задающими элементами), пневматическое или электронное реле давления, имеющее две настройки: нижний и верхний порог. Иногда встречается т.наз. «струйная» автоматика, фиксирующая начало каждого отбора воды из кранов. В любом случае данный блок включает и отключает забор воды насосом путем пуска/останова приводного электродвигателя.

Гидроаккумулятор представляет собой полый цилиндр, внутри которого расположена эластичная (резиновая, пластиковая) «груша», заполняемая водой при работе станции. Этот элемент предназначен:

• уменьшения числа включений насоса;
• для демпфирования гидроударов;
• создания оперативного запаса воды;
• поддержания давления внутри системы при выключенном насосе.

Устройство гидроаккумулятора.

Работа его происходит аналогично мембранному расширительному баку закрытой системы отопления: заполняясь водой, подаваемой насосом, «груша» расширяется, сжимая воздух между собой и стенками стального бака, пока давление жидкости не достигнет верхнего порогового значения срабатывания автоматики. Однако «груша» гидроаккумулятора постоянно подвергается частым знакопеременным нагрузкам (в отличие от мембраны расширительного бака). Поэтому она должна быть гораздо прочнее, хотя термостойкость ее может быть ниже.

Гидроаккумулятор достаточной емкости позволяет реже включать/выключать насосную установку. Ведь износ электродвигателя и насоса происходит не вследствие длительной работы, а из-за частых пусков/остановов. Внутри дома можно выполнять водоразбор, пока избыточное давление воды в системе остается выше нижнего порогового значения.

Многие домовладельцы (дачники) не понимают назначения гидроаккумулятора. Стремясь достичь экономии бюджета, они строят автономное водоснабжение путем соединения обычного садового насоса с блоком автоматики, рассчитывая, что последний будет поддерживать давление воды непосредственно в трубах. Да, эту величину можно поддерживать стабильной таким способом. Однако гидроаккумулятор выполняет весьма важную функцию – он демпфирует (смягчает) гидроудары в системе, т.е. резкие скачки давления воды в трубах, вызываемые изменениями скорости движения потока. Данное явление возникает при открытии кранов, когда создается резкий и сильный напор воды. Гидроудары сильно сокращают сроки службы труб и запорной арматуры. Частые скачки давления могут вывести из строя смесители и другие сантехустройства.

Советы по монтажу

Несколько рекомендаций помогут увеличить производительность коллектора отопления:

1. Ящик с радиатором лучше установить не жестко, а с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси. Это даст возможность в течение всего сезона располагать его под прямым углом к направлению солнечных лучей. В этом случае обвязку выполняют гибкой подводкой.
2. Для стравливания воздуха в нижнюю часть контура следует врезать вентили.
3. Трубы с горячей водой необходимо утеплить.
4. В ночное время доступ воды в бак во избежание теплопотерь следует перекрывать.

Не забудьте на вводе в аванкамеру (перед поплавковым краном) установить вентиль. При наступлении холодов его необходимо будет перекрыть, а систему – сдренировать.

Виды гелиосистем

Существуют разные конструкции коллекторов, способные демонстрировать свои эффективность и возможности:

1. Открытые. Представляют собой плоские продолговатые емкости черного цвета, наполненные водой. Она нагревается от солнечного тепла и может поддерживать температуру воды в открытых бассейнах, летнем душе и т.д. КПД таких устройств крайне низок, поэтому их можно использовать только в летнее время
2. Трубчатые. Основным элементом этих систем являются стеклянные коаксиальные трубки, между внешней и внутренней частями которых создан вакуум. Возникает прозрачный защитный слой с крайне низкой теплопроводностью, позволяющий воде (или антифризу) получать солнечную энергию, практически не расходуя ее на окружающую среду. Стоимость таких коллекторов высока, ремонтопригодность крайне низка и проблематична
3. Плоские. Представляют собой плоские ящики с прозрачной крышкой. Днище покрыто слоем, активно принимающим энергию. КЕ нему припаяны трубки, по которым перемещается вода. Получая тепло, она направляется в отопительную систему. Иногда из-под крышки выкачивают воздух, усиливая эффективность приема энергии и снижая потери. Существуют также конструкции, где трубки находятся между двух приемных слоев, в которых для них созданы канавки. Это позволяет улучшить теплопередачу

Существуют также более современные виды коллекторов, в которых используется принцип теплового насоса — в герметичной емкости находится легкоиспаряемая жидкость. Нагреваясь от солнечного тепла, она испаряется. Этот пар поднимается в конденсационную камеру и оседает на стенках, выделяя при этом много тепловой энергии. По ту сторону стенок создана водяная рубашка, которая принимает это тепло и направляется в систему отопления.

Трубчатые коллекторы для отопительных систем

В таких устройствах по трубкам также циркулирует теплоноситель, однако каждая из трубок еще и вставлена в другую. А все вместе они соединяются в особую конструкцию – манифолд или гребенку. Современные трубчатые коллекторы выпускаются двух видов – перьевые и коаксиальные. Последние представляют собой трубу в трубе, они вложены друг в друга, и края их запаяны. А из пространства между трубками выкачан воздух.

В перьевых трубках вставляется еще и специальная адсорберная пластинка, напоминающая по структуре перо – для повышения теплоотдачи.

Плоские солнечные коллекторы для отопления и горячего водоснабжения

Такие гелиоустановки имеют наиболее простую конструкцию, и именно их имеют в виду, когда говорят про солнечное отопление своими руками. В принципе самодельный солнечный коллектор можно сделать из прозрачной трубки, свернутой кольцами, а среди дачников популярен солнечный коллектор из старого радиатора.

Как правило, на металлической раме закрепляют дно, на которое укладывают теплоизоляцию, уменьшающую потери энергии. Затем идет слой специального материала – адсорбера, хорошо поглощающего солнечное излучение и преобразующего его в тепло. А уже на адсорбере закрепляют трубки, по которым и циркулирует теплоноситель. Сверху вся конструкции должна быть закрыта особой прозрачной крышкой, изготавливаемой из закаленного стекла либо специального пластика, например, поликарбоната. Кроме того, нередко материал крышки еще и предварительно обрабатывают, чтобы он был чуть матовым и не гладким. Конечно, такое устройство для дома своими руками непросто будет сделать.

Принцип работы солнечного коллектора

Трубки обычно укладывают змейкой, и в коллекторе имеется 2 отверстия – выпускное и впускное. Как правило, для нормального теплообмена в схему включают и циркуляционный насос, но возможен и самотечный вариант, хотя это заметно снизит эффективность системы – ее вряд ли хватит даже на теплый пол, не то что на батареи.

А вот правильная заводская гелиоустановка имеет коэффициент полезного действия на уровне 72-75 процентов. Однако всегда есть минусы:

• при ветре возможны большие потери тепла;
• система плохо работает в пасмурную погоду и вообще не функционирует ночью;
• если какая-то деталь выходит из строя, то часто приходится менять всю панель.

Воздушные коллекторы

Устанавливаются для обогрева частных домовладений и воздушные солнечные коллекторы. Такие установки обычно используются для воздушного отопления зданий. По своей конструкции они сильно напоминают описанные выше системы, однако по трубкам здесь циркулирует не жидкость, а воздух. Кстати, нередко такой обогрев совмещают с вентиляцией.

Основные узлы системы отопления

Источником нагрева гелиосистемы служат солнечные коллекторы, целью которых является максимально эффективная передача теплоносителю энергии инфракрасного спектра солнечного излучения. Тепловой диапазон солнечного света составляет 40–45% от общего радиационного потока, в конкретных цифрах это 200–500 Вт/м2 в зависимости от широты, времени года и суток.

В принципе, для построения простейшей гелиосистемы достаточно одних только коллекторов. По их каналам может циркулировать обычная вода, используемая для хозяйственных нужд и обогрева жилья. Однако такой подход недостаточно эффективен по ряду причин, первая из которых — отсутствие восполнения энергопотерь в течение полных суток. Поэтому одним из важнейших элементов системы солнечного отопления служит тепловой аккумулятор — ёмкость с водой.

Схема отопления дома солнечными коллекторами: 1 — подача холодной воды; 2 — теплообменник; 3 — теплоаккумулятор; 4 — датчик температуры; 5 — контур теплоносителя; 6 — насосная станция; 7 — контроллер; 8 — расширительный бак; 9 — горячая вода; 10 — трёхходовой кран; 11 — солнечный коллектор

Также своеобразным ограничением выступает техническое устройство солнечного коллектора. Его каналы имеют довольно малое проходное сечение, из-за чего возникает риск засорения механическими примесями. Также существует высокая вероятность замерзания теплоносителя в ночное время, верхняя же граница диапазона рабочих температур составляет 200–300 °С. Коллекторы рассчитаны на быструю непрерывную циркуляцию теплоносителя, который поступает с низкой температурой, быстро нагревается солнечным светом и так же быстро отдаёт тепло аккумулятору.

Трубки вакуумного U-образного солнечного коллектора

По этим причинам для непосредственного нагрева в тепловых трубках принято использовать пропиленгликоль с набором специальных присадок. Итак, третий обязательный элемент нагревательной гелиосистемы — специальный теплоноситель и обменный контур, который зачастую конструкционно включён в состав теплоаккумулятора, либо может быть частью самого коллектора.