Установка гелиоколлекторов на скатных и плоских крышах

Отказываться от помощи солнца с каждым годом становится все менее выгодно. Гелиоколлекторы в последнее время пользуются небывалым спросом во всем мире, и в особенности там, где солнце светит особенно щедро. Однако и во многих российских регионах солнечных дней в году немало. И каждый такой день несет в себе потенциал реальной энергии, которую заполучить довольно просто.

Современный рынок представляет два вида солнечных коллекторов: трубчатые и плоские. Трубчатые коллекторы более эффективные, однако и более дорогие. Плоские коллекторы теряют больше тепла, чем трубчатые. Их преимущественно используют для нагрева воды для бытовых нужд. Такие коллекторы бывают трех типов:

• с селективным абсорбером;
• с лаковым абсорбером;
• вакуумные.

Селективное покрытие абсорбера обходится относительно недорого, однако коллекторы с таким покрытием имеют КПД 26-35%, что является невысоким показателем. Сфера применения коллекторов с селективным покрытием ограничивается системами ГВС. При этом работа таких коллекторов становится эффективной только в теплое время года. Из их недостатков отмечается также запотевание защитного стекла, которое снижает и без того невысокий КПД.

Плоские вакуумные коллекторы обладают более высоким КПД – 35-45%. При равной теплоотдаче площадь таких коллекторов может быть меньше на 10%. Конденсат на них не образуется, а их корпус полностью герметичен, что исключает образования коррозии внутри коллектора. Все эти преимущества, разумеется, делают вакуумные коллекторы дороже селективных. Причем изделия бюджетного уровня не отличаются надежностью, поскольку из-за некачественной сборки со временем могут утратить герметичность и лишаться вакуума. Однако это не смертельно, т.к. вакуум и герметичность можно восстановить, но на это придется потратить дополнительные средства.

Коллекторы с абсорбером, покрытым черным лаком – самые дешевые. Но их теплопотери составляют на 50% больше, чем у вышеупомянутых типов.

Плоские гелиоколлеторы монтируют несколькими способами, зависящими от угла наклона ската крыши и его расположения относительно сторон света:

• в одной плоскости с кровлей; 
• над кровлей; 
• на конструкции, устанавливаемой на плоской крыше. 

На наклонных кровлях, над или вровень с ними, плоские коллекторы монтируются на специальных кронштейнах, которые крепятся к стропилам или брускам обрешетки. Эти кронштейны выполнены таким образом, чтобы их концы выступали за края черепицы. Таким образом, установка коллекторов никак не влияет на кровлю и не вмешивается в конструкцию крыши.

Коллекторы крепятся непосредственно к установленным заранее монтажным кронштейнам, но сначала устанавливают продольный монтажный профиль. На такой профиль можно установить один или несколько коллекторов. Между собой секции плоских коллекторов соединяются термоизолированными гофрированными шлангами. Для защиты коллекторов от ветра, используются специальные металлические элементы.

Чтобы воздух не накапливался в коллекторе, его устанавливают с легким уклоном в сторону, расположенную напротив соединений. Гофрированные трубы из нержавейки, которыми коллектор подсоединяется к теплообменнику, заводятся через кровельные вентиляционные элементы.

Из эстетических соображений в новых домах коллекторы могут крепить в одной плоскости с кровлей. Тогда их монтируют на бруски обрешетки при помощи специальных зажимов. В таком случае сами коллекторы выполняют функцию кровельного материала. Очень важно правильно установить оклад коллектора, чтобы не нарушить герметичность кровли. Все зазоры между коллектором и кровлей должны быть тщательно загерметизированы.

На плоских крышах коллекторы крепятся с использованием специальной металлической конструкции, которая удерживает их в необходимом положении. Эти конструкции позволяют менять наклон коллекторов. Оптимальный угол наклона коллектора зависит от географической широты и его ориентации по сторонам света. На плоских крышах коллекторы устанавливают, обращая их на юг. При этом угол наклона составляет около 45°. Если устанавливается несколько рядов коллекторов, то между ними необходимо соблюдать такой интервал, чтобы предыдущий ряд не затенял коллекторы, находящиеся за ним. Такое расстояние (а) можно вычислить по формуле а = 5хh (для коллекторов, работающих круглый год) или а = 1,5хh (для коллекторов, работающих в теплый период), где h – высота расположения верхнего края коллектора над крышей, х – угол наклона коллектора.

Чтобы коллекторы прочно держались на плоской крыше, их монтажные опоры следует установить на бетонные плиты, которые к тому же сохранят целостность кровли.

Оптимальный угол наклона коллекторов

Наибольшее количество солнечного тепла коллекторы получают, когда лучи падают на них под прямым углом. Но поскольку Земля вращается вокруг своей оси, солнце на небосклоне не остается статичным, поэтому прямой угол падения лучей может присутствовать только короткое время. Поскольку положение солнца изменяется еще и в зависимости от времени года, то оптимальный угол наклона коллектора относительно абсолютной горизонтали в разные времена года тоже будет разным. Так для коллекторов, которые используются для подогрева воды в летнее время оптимальный угол будет равен 45°. Зимой же, когда солнце не поднимается высоко, оптимальный угол составит уже 60°.

На наклонных крышах коллекторы обычно устанавливают параллельно скату. Если угол ската менее 45°, то эффективность установленных на ней гелиоколлекторов в зимнее время будет значительно ниже, чем если бы скаты были с большим наклоном. Таким образом, оптимальный угол наклона крыши, на которой будет установлен гелиоколлектор, имеет смысл задавать еще на стадии проектирования коттеджа.

Наилучшая ориентация коллектора – южная. Отклонения от южной ориентации на 0-45° повлекут за собой потери эффективности до 10%, что не так существенно для летнего времени. Однако для коллекторов, работающих зимой, максимальное отклонение от юга не должно составлять 35°, иначе они станут нерентабельны. Повысить эффективность коллекторов за счет увеличения их площади также не будет экономически обоснованно.

Расчет площади солнечных коллекторов

На требуемую площадь коллекторов оказывают влияние сразу несколько факторов. Среди них КПД коллектора, полная мощность солнечного излучения в конкретной местности, доля солнечной энергии в теплообеспечении дома, теплопотери здания.

Доля солнечной энергии в данном случае – это степень покрытия потребностей дома, которая определяет часть энергии, поступающей от солярной установки. Данная величина обычно составляет 60-70% от годового теплопотребления дома. Остальные факторы понятны и пояснения не требуют.

Производители гелиоколлекторных установок, как правило, предоставляют данные, по которым можно определить необходимое количество коллекторов. Но при необходимости рассчитать требуемую площадь гелиоколлекторов можно при помощи формулы:

А = К•F•SF/(G•η), где

А – требуемая площадь гелиоколлекторов;

К – корректирующий коэффициент (см. таблицу);

F – дневная потребность с солнечной теполэнергии;

SF – доля солнечной энергии в общем потреблении;

G – полное солнечное излучение, кВт·ч/м²·день;

η – КПД в %.

*все значения усредненные для географичской широты 44-46°

Приведенная формула служит для расчета площади селективного коллектора. Для расчета площади коллекторов других типов, необходимо учитывать различия в их КПД.