Солнечный коллектор в домашнем отоплении

Принцип работы любых гелиосистем схож с привычной системой нагрева воды в бочке под лучами солнца:

• жидкий теплоноситель в коллекторе специальной конструкции поглощает солнечную энергию и нагревается;
• прогретый теплоноситель следует в бак, оборудованный теплообменником, где отдает тепло воде. Далее нагретая вода используется в бытовых нуждах и для отопления.

Обычно теплоносителем для гелиоколлектором служит смесь антифриза и воды, сохраняющая жидкое состояние при зимних морозах. Помимо коллектора, бака с теплообменником и специального теплоносителя система комплектуется циркуляционным насосом, электронным управлением и датчиками контроля, регулирующими режимы работы гелиоколлекторного комплекса.

За год солнечный коллектор для дома способен покрыть 55-60% энергетических потребностей, расходуемых на подготовку горячей воды. В пасмурные, дождливые дни и в зимние месяцы работа гелиосистемы сочетается с иными источниками тепловой энергии, как правило, с котловым оборудованием на жидком (мазут), газообразном (метан, пропан) или твердом топливе (уголь, дрова, пеллеты и т.п.).

Комбинирование источников тепловой энергии – коллектора и котла – обеспечивается их подключением к бойлерному баку с двумя теплообменниками (бивалентному). Впрочем, на рынке можно встретить даже баки с тремя теплообменниками.

Объединение двух тепловых источников (котел+гелиосистема) в домохозяйствах стало популярным в последнее время. Реагируя на нужды рынка, крупнейшие производители отопительной техники для загородных коттеджей занялись производством модельного ряда обеих типов. Это позволяет собрать отопительный комплекс требуемой мощности под единым электронным управлением. К примеру, работа котла и гелиоколлектора марки Viessmann управляется контроллером Vitosolic, а у системы оборудования Ariston – котроллером Ariston Sensys.

Как работает гелиоколлектор

Циркулируя по коллектору теплоноситель накапливает тепло солнечного излучения, следом передает его воде, заполняющей бак-аккумулятор. В принципе, принудительная циркуляция теплоносителю не нужна – он будет двигаться по трубкам коллектора самостоятельно (т.е. пассивно), из-за разницы температур. Но при естественной циркуляции КПД гелиоколлекторной системы понижается, поскольку чем выше температура теплоносителя – тем медленнее он движется.

По степени эффективности наиболее популярны солнечные коллекторы двух типов – трубчатые и плоскопанельные.

Плоскопанельный коллектор. С лицевой стороны этот прибор похож на солнечную батарею – плоский прямоугольник темного стекла, ударопрочного и антибликового. В действительности стеклянная панель прозрачна, внешне темной ее делает абсорбент, впитывающий солнечное излучение.

Обращенная наружу (к стеклу) сторона абсорбента специально выполнена черной. Под абсорбентным слоем размещены трубки теплообменника, по ним движется теплоноситель. С обратной стороны (за теплообменниками) в корпусе коллектора уложена 100 мм слоем минеральная вата, следом закреплена тыльная крышка из листового металла.

Стеклянная панель обеспечивает проход солнечных лучей в коллектор, но блокирует длинноволновое тепловое излучение (парниковый эффект), происходящее от нагретого абсорбента. Длинные волны тепла отражаются обратно в абсорбентную толщу, к проводящим теплоноситель трубкам. Плоский гелиоколлектор наиболее эффективен под прямыми лучами летнего солнца.

Трубчатый коллектор. В его состав входят вакуумные стеклянные трубки. Они двухстенные и с внутренними поверхностями, покрытыми высокоселективной краской с высоким поглощением солнечного тепла. В режиме ограниченного тепловой энергии трубчатый коллектор нагревает теплоноситель до 250^оС.

Трубки коллектора представляют собой «обратный термос»: свободно проходящие через внешние стеклянные стенки солнечные лучи разогревают теплоноситель во внутренних трубках, чье тепловое излучение наружу (в атмосферу) блокируется вакуумом (из полости между внутренней и внешней трубками откачен воздух).

Трубчатый гелиоколлектор хуже производит тепловую энергию под прямым солнечным облучением, чем плоский коллектор. Но при рассеянном излучении в зимние месяцы и в облачные дни этот прибор работает лучше плоскопанельной системы.

Как рассчитать мощность солнечного коллектора

Простейший способ расчета мощности (по сути – площади поверхности) гелиоколлектора, а также состава устройств в системе – использовать графическую схему, предлагаемую производителями подобного оборудования. Взгляните на изображение, представленное выше. Выбор параметров домового солнечного коллектора с использованием графика выполняется так:

• выберите число постоянных жильцов (водопотребителей);
• выберите ориентировочное потребление воды в кубометрах, чтобы выйти на оптимальный объем бойлерного бака;
• выберите процент замещения суточных потребностей в тепловой энергии на тепло, добытое гелиоколлектором. Учтите – 100% замещение выбирать не следует. Солнечный коллектор зависим от интенсивности инсоляции, т.е. в пасмурные дни и зимой работает хуже;
• выберите регион расположения дома (грубо – «юг» или «север»);
• выберите допустимую ориентацию панелей гелиоколлектора (обычно выставляются на скат кровли, поэтому ориентируйтесь по ним);
• выберите возможный угол уклона для панели коллектора к горизонту.

В завершении работы с графиком домовладелец получит примерные сведения по базовому составу оборудования, способному закрыть потребности домочадцев в горячей воде – объему бойлерного бака и требуемой площади коллекторов (один зеленый квадратик – 1 м² площади).

Определение стоимости гелиоколлекторной системы по расчету ее базового состава, а также по необходимой площади размещения, позволит решить, будет ли солнечное горячее водоснабжение основным или вспомогательным (т.е. какой процент замещения суточных потребностей будет отдан гелиоколлектору).

Более корректный расчет солнечного коллектора, учитывающий потери тепловой энергии (см. изображение), следует поручить специалистам. Обычно компании, выполняющие производство и поставку гелиоколлекторов, выполняют подробный расчет системы для клиентов бесплатно по имеющимся программным алгоритмам.

Может ли гелиосистема обеспечить 100% тепловой энергии?

Желание извлечения максимума тепловой энергии из солнечного коллектора понятно, но глубоко неверно. Дело даже не в периодическом снижении инсоляционной интенсивности, а наоборот – в риске перегрева системы. Ведь если котловым оборудованием можно управлять, снижая или повышая сгорание топлива, то регулирование поступления солнечной энергии к коллектору невозможно.

Проще говоря, солнце нельзя выключить по своему желанию. В жаркие и солнечные дни лета (в особенности при низком водозаборе) гелиоколлекторная установка будет перегреваться и в итоге сломается. Есть два решения:

• выбирать мощности солнечного коллектора по максимально возможному облучению солнцем (самый жаркий день лета), сочетая с дополнительным источником тепловой энергии в холодные дни;
• оснастить панель коллектора механизмом частичного отражения избыточной солнечной энергии. Например, установить поворотные или сдвижные шторки, подчинив их управление автоконтроллеру.

Гелиоколлектор в частном хозяйстве обычно используется для подогрева воды в теплое время года. Первая причина: основное потребление тепла зимой происходит ночью, что требует формирования крупного запаса горячей воды за день (нужен объемный бойлер) , а значит – повышенной площади коллекторов. Это дорого.

Вторая причина: в холодные месяцы система гелиоколлектора заправляется теплоносителем-незамерзайкой (вода+полипропиленгликоль). Можно залить пустить незамерзайку сразу в радиаторную систему обогрева помещений, однако у нее теплоотдача хуже, чем у горячей воды – потребуется значительно нарастить площадь отопительных приборов. Это очень дорого.

Наконец, эксплуатация солнечного коллектора зимой затруднительна для систем с естественной циркуляцией из-за меньшей (сравнивая с летом) солнечной освещенности. Для наладки работы гелиоколлектора в холодное время года нужно дополнить комплект оборудования электропотребляющими устройствами – тэнами для ночного подогрева теплоносителя и циркуляционным насосом.

Обратите внимание: циркуляционный насос должен быть специально предназначен для прокачки смеси воды и полипропиленгликоля, поскольку физические параметры воды и антифриза неодинаковы.

Как установить солнечный коллектор

Обычно гелиоколлектор выставляется выше, чем связанный с ним бойлер-накопитель. Панели солнечного коллектора размещаются наклонно – так, чтобы лучи солнца поступали к ним под прямым углом или близким к нему. Требуемый угол наклона коллекторной панели к горизонту проще всего определять по географической широте местности, где находится домохозяйство. К примеру, в Москве угол наклона гелиоколлектора составит 57^о, в Санкт-Петербурге – 59^о, в Волгограде – 49^о, а в Комсомольске-на-Амуре – 50,5^о.

Наибольшая интенсивность инсоляции на планете Земля приходится на экваториальную зону. Поэтому панельные гелиоколлекторы в домохозяйствах северного полушария Земли необходимо выставлять широкой стороной в южном направлении, как минимум на юго-восток или юго-запад. Никакие объекты не должны затенять панель коллектора.

Монтаж коллекторной панели чаше всего производится на кровельный скат. Если уклон ската крыши соответствует оптимальному углу позиционирования гелиоколлектора, то его панель укладывается непосредственно на кровлю. Если же скатная кровля выполнена с неподходящими углами, то необходима монтажная рама из сварных или сборных металлических элементов.

Для установки коллектора используется монтажная шина, выполненная из металлического профиля. Она монтируется к закрепленным на стропилах специальным крюкам, перпендикулярно стропильной конструкции. Выбор шага между крюками зависит от расположения стропил и снеговой нагрузки, его определяют по справочным таблицам. Опорные крюки нельзя опирать на кровлю – только на стропила или на специально подготовленную промежуточную обрешетку из металлического уголка.

Трубопровод, связывающий солнечный коллектор с бойлером, должен иметь постоянный уклон. Длина его должна быть минимально возможной. Поскольку трубопроводу потребуется держать давление около 6 бар и температуру порядка 150^оС, его лучше собирать медной трубой с соединением на пайку с твердым припоем или с помощью пресс-фитингов.

Обязательно закрытие трубопроводов системы солнечного коллектора теплоизоляцией – не только достаточно толстой, но и стойкой к ультрафиолету, к высоким температурам и механическим воздействиям (например, ударам птичью клювов). Наиболее подходят специальные трубопроводы типа Duo Tube – обе линии трубопровода, а также кабель коллекторного датчика заключены в единый теплоизоляционный кожух, поверх расположена защитная жесткая оболочка.

Сравнение трубчатых и плоскопанельных солнечных коллекторов

Рассмотрим плюсы и минусы коллекторных систем двух типов по основным пользовательским критериям.

Цена. Трубчатые модели гелиоколлекторов дороже плоскопанельных примерно на 20-30%.

Стабильность КПД. Производительность плоскопанельных агрегатов в течение солнечного дня переменчива – максимум при нахождении солнца в зените, в утренние и вечерние часы КПД ослабевает. Трубчатые установки характеризуются более стабильной производительностью весь световой день, поскольку способны лучше поглощать энергию рассеянных лучей.

КПД зимой. В регионах с умеренным климатом производительность трубчатых коллекторов на 30-40% выше, чем у плоскопанельных. В основном из-за меньших теплопотерь, достигаемых эффективной изоляцией корпуса.

Ударопрочность. Стойкость к механическим повреждениям у плоскопанельных гелиоколлекторов значительно выше, чем у трубчатых. Однако вакуумные трубки в составе последних агрегатов заменимы без демонтажа конструкции, а поврежденный плоскопанельный коллектор придется снимать и чинить в условиях цеха.

Наконец, у плотных плоскопанельных солнечных установок высокая парусность. Им необходимо особо надежное крепление с кровельной конструкций. Парусность трубчатых гелиоколлекторов характеризуется, как средняя.

Использование солнечных коллекторов в России

В теплые месяцы года большинство территории РФ получает в среднем за день 4-5 кВт•ч солнечного излучения на каждый квадратный метр (данные ОИВТ РАН). Такая инсоляционная интенсивность позволит ежедневно нагревать коллектором площадью 2 м² порядка 100 л воды с 80% вероятностью.

Наибольший объем солнечной радиации в России получают южные регионы Сибири, Забайкалье и Приморье, несколько меньшая инсоляция практически по всей Сибири и на территориях юга европейской части, расположенных до 50^о северной широты. Для сравнения: суточная инсоляция южных регионов Германии в теплый период года составляет до 5 кВт•ч, а на юге Испании – 5,5-6 кВт•ч с м² площади земли.

Эффективное сезонное использование солнечных коллекторов допустимо на большей части РФ (до 65^о с.ш.). Однако зимой инсоляция будет значительно ниже. Чтобы добиться достаточной производительности для всесезонного солнечного коллектора в домохозяйствах, расположенных в относительно южной части России (до 50^о с.ш.), потребуется трубчатый гелиоколлектор крупной площади, с двумя содержащими антифриз контурами и дополнительными теплообменниками.