Отопление и горячее водоснабжение — те коммунальные услуги, которые дорожают из года в год. По этой причине многие владельцы загородной недвижимости все чаще задумываются об использовании альтернативного источника энергии. Искать его не надо, ведь он известен всем. Спасительное солнце уже давно «заставили» служить на благо людей в западных странах, у нас пока популярность гелиосистем растет довольно медленно. Одной из причин является немалая цена оборудования. Многие еще сомневаются в его эффективности. Чтобы всесторонне оценить эту бесплатную альтернативу, надо узнать принцип работы солнечного коллектора, изучить его устройство, разобраться с существующими видами, а также познакомиться с особенностями работы преобразователей.
Солнечные коллекторы: знакомство с системами
Задача солнечных коллекторов — передача энергии инфракрасного спектра излучения теплоносителю. Тепловой диапазон света в общем потоке радиации составляет 40-45%. Конкретные цифры — 200-500 Вт/м2. На интенсивность излучения влияет широта местности, время суток и время года.
В качестве основного источника энергии солнечные коллекторы используют крайне редко. Чаще они играют роль дополнения к уже существующей системе обогрева или ГВС. Данное оборудование давно применяют в промышленных масштабах в разных странах. Однако с некоторых пор альтернативные источники энергии начали завоевывать другую сферу — частный сектор. Их активно используют для получения горячей воды, для отопления жилья, систем теплого пола, для подогрева бассейнов.
Принцип действия солнечного коллектора будет описан далее, так как сначала надо поговорить о достоинствах и недостатках гелиоустановок. Первым аргументом «за» может стать цифра — более 160 миллионов квадратных метров. Это общая площадь, которую сейчас на планете занимают солнечные панели. По такой «масштабной причине» эффективность их нельзя подвергать сомнению. Другой вопрос — целесообразность их установки в условиях сурового климата в большинстве регионов России.
Преимущества солнечных коллекторов
Человечество уже довольно давно изучает альтернативные источники энергии, поэтому наряду с героями этой статьи сейчас успешно используются и другие виды: например, тепловые насосы и ветрогенераторы. Однако в нашей стране более популярны именно гелиоустановки. Объясняется это лидерство в номинации «пользовательские симпатии» несколькими факторами. Это:
- Относительно невысокая стоимость определенного вида солнечных коллекторов, если рассматривать все альтернативные источники. Объясняется она небольшой сложностью технологии производства панелей, довольно простой установкой.
- Не слишком требовательный монтаж гелиосистем. Он позволяет провести все этапы работ самостоятельно. Поэтому если у владельцев есть некоторые знания и минимальный опыт, установить солнечный коллектор можно своими руками.
- Простота в эксплуатации, недорогой ремонт в случае поломки. В особом контроле работы оборудования необходимости нет. Поскольку в системах нет дорогих узлов, в случае выхода из строя какого-либо элемента заменить его не составит труда.
- Автономность коллекторов. Гелиоустановка останется в рабочем состоянии даже во время перебоев в основной системе теплоснабжения. Хозяева не попадут в неприятную ситуацию, если вдруг отключат горячую воду.
- Экологичность, абсолютная безопасность систем. С тех пор, как человечество осознало масштабы загрязнения планеты, это стало самой привлекательной чертой: как устройств, так материалов.
Еще один плюс — возможность подбора количества панелей под конкретные нужды. С помощью солнечных коллекторов можно организовать горячее водоснабжение и/или отопление. Нередко их используют при обустройстве «теплого пола», для поддержания комфортной температуры в бассейнах.
Недостатки солнечной альтернативы
Идеалов нет, солнечным коллекторам тоже не грозит это «звание». Первый и главный минус — цикличность работы, их зависимость от светила. Большой недостаток панелей для нашей страны — небольшая эффективность в тех регионах, где ярко светящее солнце становится грандиозным событием.
Если жарким, сухим летом проблем с выработкой тепла обычно не наблюдается, то в зимний период ситуация обычно обратная. Причиной неэффективной работы солнечного оборудования является минимальная продолжительность светового дня, изменение угла падения лучей.
Климатические особенности региона могут также сильно повлиять на производительность альтернативного оборудования. В России немало мест, где большую часть года светило прячется за тучами либо за пеленой тумана. В такие дни коллектор будет работать, однако его производительность неминуемо снизится.
Если попытаться соотнести цену солнечных коллекторов с их полной зависимостью от погоды и сезона, то становятся понятными сомнения многих насчет самоокупаемости, целесообразности приобретения таких установок. Это и есть главный фактор, из-за которого владельцы частных домов не спешат обзаводиться гелиосистемами, ведь учиться лучше на чужих ошибках.
Выгодно солнечное оборудование, или нет?
Считается, что в качестве дополнительных источников бесплатной энергии все-таки есть смысл их использовать. Компании, которые занимаются производством гелиоустановок, обещают определенную эффективность, причем цифры разных фирм отличаются мало. Например, считается, что гелиоколлекторы в состоянии обеспечить экономию до 30% средств, уходящих на плату за отопление.
Для горячего водоснабжения этот процент значительно увеличивается: он составляет от 50 до 90. Но, рассматривая вопрос быстрой либо медленной окупаемости, надо учесть, что цифру можно повысить, если приобрести большее количество солнечных коллекторов.
Однако в этом случае возрастет не только производительность, но и стоимость гелиосистемы. Справедливости ради, нужно отметить один момент: цена плоских гелиоколлекторов за последнюю пятилетку снизилась в 2-2,5 раза. По этой причине резонно ожидать падения стоимости более эффективных вакуумных абсорберов.
Так как в нашей стране пока не слишком большое количество владельцев домов отважилось на этот шаг, данных, относящихся к частному сектору, еще довольно мало. Но если верить конкретным цифрам, появившимся в последние годы, то можно говорить о том, что плоская гелиоустановка (1 коллектор на человека) может окупиться за 8-10 лет. В холодных регионах эта цифра будет отличаться, однако насколько именно, сказать невозможно.
Принцип действия солнечного коллектора
Такие гелиоустановки работают почти так же, как и простейшая система, с которой знакомы те, у кого есть дача. Необходимый ее атрибут — летний душ, в составе которого всегда есть емкость, покрытая черной краской.
Самый простой солнечный коллектор — металлические пластины, покрашенные в черный цвет и помещенные в корпус из пластика либо стекла. Такое устройство монтируют на крыше, это своего рода мини-теплица, которая способна накапливать солнечную энергию. Она, в свою очередь, нагревает жидкость, циркулирующую по трубам, скрытым за пластиной. Горячая вода, вытесняя холодную, двигается дальше — в накопительный бак.
Остывшая, неиспользованная вода, опускается в нижнюю часть резервуара, попадает в теплообменник, где снова нагревается, а затем опять следует в резервуар. Этот непрерывный кругооборот жидкости позволяет сохранять высокую температуру в накопительной емкости. В теплые, ясные дни вода в ней может достигать 70°.
Принцип действия солнечного коллектора одинаков, независимо от вида устройства. Чем больше устройство преобразовывает энергии, тем оно эффективнее. Так как для гелиосистем важна способность поглощать солнечную энергию, пластины покрывают черной краской. Стекло используют специальное — максимально прозрачное, с низким содержанием железа, с антибликовым покрытием.
Однако этого недостаточно, потому что пластина все же отдает определенное количество тепла окружающей среде. Чтобы минимизировать теплопотери, конструкцию изолируют. Достигают результата несколькими способами, поэтому сейчас появилось несколько видов солнечного оборудования.
Элементы гелиоустановки
Принцип действия солнечного коллектора кажется довольно простым. Но только до тех пор, пока читатель не познакомится со всеми компонентами системы. Работа системы не ограничивается сбором тепла. По этой причине помимо коллекторов подобные установки имеют еще несколько основных компонентов.
Теплоноситель
Вода — главный элемент большинства коммуникационных систем дома, однако функции теплоносителя в гелиоколлекторе могут выполнять незамерзающие жидкости.
Вода при всей своей универсальности имеет несколько недостатков. Она замерзает, поэтому при минусовой температуре использовать такое оборудование будет попросту невозможно. Невысокая температура кипения становится причиной остановки гелиоустановок, но об этом пойдет речь ниже.
Незамерзающие жидкости (антифриз, этиленгликоль) имеют низкую температуру замерзания, поэтому станут идеальным вариантом для оборудования, которое используют зимой. Однако их минус — более высокая температура кипения. Эта особенность теплоносителя требует защиты такого оборудования от перегрева.
Накопительная емкость, насос
Это накопитель является вторичным теплообменником. Для сбора горячей воды используются баки достаточно больших объемов (300-3000 л), обычно в них уже встроены «свои» теплообменники. Если солнечный коллектор планируется использовать как дополнительный источник энергии, то рациональнее покупать баки-аккумуляторы с несколькими теплообменниками.
В этом случае будет возможность сбора тепла от теплового насоса, или от котлов — газового или электрического. Для принудительной транспортировки теплоносителя между коллектором и баком-накопителем используют циркуляционный насос. Эффективность таких солнечных установок повышается на 20-25%.
Блок управления
Любой сложной системе необходим контроллер и датчики, благодаря которым весь процесс не требует вмешательства в работу оборудования. Контроллер анализирует температуру в накопительном баке и контуре, следит за работой насоса, клапанов, регулирующих движение теплоносителя. Если при наступлении сумерек температура воды в емкости превышает значение в контуре, то автоматика прекращает циркуляцию теплоносителя, предотвращая возможные потери тепла при прохождении его через коллектор.
Виды гелиоустановок
Самыми эффективными устройствами считаются 2 разновидности: плоские и трубчатые вакуумные коллекторы. Первые конструкции просты, их нередко изготавливают самостоятельно. У вторых принцип действия солнечного коллектора немного отличается, эти конструкции очень похожи на привычные всем термосы.
Плоские солнечные гелиоустановки
Можно сказать, что эти конструкции относятся к самым элементарным, они максимально просты. Это короб из металла, который сверху накрыт стеклом. Внутри находится теплообменник (абсорбер), он покрыт черной краской. В качестве теплоизоляции в таких коллекторах чаще используют пенополиуретан, в самодельных конструкциях — минеральную вату.
Нельзя утверждать, что этот вариант совершенен: при большой разнице температур внутри и снаружи короба теплопотери системы становятся существенными. По этой причине плоские коллекторы, работающие с большой отдачей в теплое время года, зимой, наоборот, не слишком эффективны.
Плюс плоских гелиоустановок — хорошая производительность в летний период, поэтому их рекомендуют покупать в том случае, если главная цель хозяев не круглогодичное использование, а максимальная эффективность оборудования в летний сезон. Эти коллекторы обеспечат все потребности: они подготовят воду для ГВС в жаркое время года, а также обеспечат комфортную температуру воды в открытых бассейнах. Еще одно достоинство — невысокая цена плоских конструкций.
Трубчатые вакуумные коллекторы
Принцип действия солнечного коллектора остается аналогичным, однако в трубчатых системах совсем другой подход к сохранению тепла. Эти панели состоят из тонких стеклянных трубок, по которым двигается теплоноситель. Однако в этом случае они отделены от внешней среды вакуумом, находящимся внутри наружных элементов, изготовленных из высокопрочного стекла.
Поскольку непосредственного контакта с воздухом у труб нет, теплопотери у этого оборудования минимальны. Они остаются эффективными в любое время года: как весной и летом, так и поздней осенью, в морозные зимы. Трубчатые вакуумные коллекторы можно считать универсалами. Из-за минимального влияния внешней среды на температуру теплоносителя они идеальны для круглогодичной работы.
С наступлением зимы их производительность падает не слишком существенно, поэтому серьезная экономия на коммунальных услугах (отопление, ГВС) хозяевам гарантирована. Главный недостаток трубчатого оборудования — его высокая стоимость, но цена спустя некоторое время все же окупится. Небольшой минус — невозможность ремонта отдельных элементов: поврежденные трубки можно только заменить.
Что нужно знать о солнечных коллекторах?
Простой принцип действия солнечного коллектора не единственное, с чем предстоит познакомиться потенциальные покупателем этого оборудования. Ни их эффективность влияют несколько факторов.
Расположение гелиоустановок
Производительность такого оборудования зависит от количества солнечных лучей, которые попадают на теплообменник. По этой причине ему необходимо открытое пространство, которое максимально долго освещается солнцем в любой сезон. Любые препятствия (тень от зданий, деревьев) обязательно скажутся на производительности. Не менее важна правильная ориентация коллекторного оборудования.
Лучший вариант — южная сторона. Если нет возможности повернуть установку строго на юг, то выбирают лучшее направление из возможных — юго-восток либо юго-запад. Нужный угол наклона солнечного коллектора — второе обязательное условие. Эта величина зависит от географической широты местности, в которой находится дом. Некорректный угол наклона станет причиной недостаточной производительности оборудования, так как потери энергии будут существенны из-за отражения, а не поглощения солнечных лучей.
Мощность оборудования
Предварительное вычисление производительности гелиоустановки — еще один обязательный этап. Чтобы определить необходимую мощность, учитывают:
- предназначение коллектора (горячее водоснабжение или отопление, или комбинация);
- площадь всех помещений, которым требуется обогрев;
- средний расход семьей горячей воды в сутки;
- особенности установки, вид оборудования;
- климат в конкретном регионе.
Если говорить о расчетах, то производительность всех моделей уже известна, она указана в паспорте изделий. Величина дает возможность высчитать количество гелиоколлекторов довольно точно. Так как данное оборудование нельзя назвать дешевым, все расчеты и монтаж лучше доверить профи. Всю информацию готовы дать производители оборудования, поэтому особых проблем на этом этапе не предвидится.
С мощностью коллектора иногда возникают затруднения другого рода. Например, специалисты рекомендуют покупать гелиосистемы, ориентируясь на их максимальную производительность в летний сезон. Однако такой подход не устраивает многих владельцев загородных участков: они считают более целесообразным подсчет по мощности для самого холодного месяца в году.
На самом деле, такое решение только кажется логичным, так как в жаркий период можно столкнуться с большой неприятностью. Максимальная мощность оборудования приведет к переизбытку тепла, а последствием станет перегрев контура коллектора. Это ЧП способно спровоцировать серьезные проблемы.
Решения у этой головоломки есть. Первый вариант — покупка оборудования средней мощности, плюс использование в зимний период резервных источников тепла. Второй путь — приобретение максимально производительного оборудования и рассмотрение методов сброса избытка тепла.
Способы защиты гелиоколлектора от перегрева
Если владельцы не поскупились и купили мощное оборудование, то зимой проблем с отоплением дома у них не будет. Однако с приходом лета они могут столкнуться с другими «сюрпризами», ведь отключить солнечный коллектор не получится
Чем грозит перегрев?
Одно из самых серьезных последствий — стагнация солнечного коллектора. Это состояние системы — прекращение движения теплоносителя по контуру. Без забора тепла он может закипеть. Если используется вода, то пар через некоторое время остынет, конденсируется, затем работа установки возобновится.
Другие виды теплоносителя (незамерзающие) могут приобрести желеобразную консистенцию. В этом случае эксплуатация системы станет невозможной. С такими неприятностями вряд ли встретятся владельцы, которые грамотно рассчитали требуемую мощность гелиоустановки. В других случаях необходимо заблаговременно рассмотреть потенциальные способы защиты системы.
Что делать?
Вариантов предотвращения такой ситуации существует довольно много.
- Установка дополнительной накопительной емкости. Если в основном баке температура достигла критической отметки, то после автоматического переключения жидкость будет нагреваться в резервном баке. Поскольку горячая вода нужна всегда, хозяева в любом случае найдут, куда ее израсходовать.
- Дополнительный контур, заполненным хладагентом. Соединяют его с основной системой с помощью теплообменника, оборудованного вентилятором, и расположенного за пределами здания. В этом случае избыточное тепло будет благополучно уходить на «обогрев улицы».
- Помощь геотермального теплового насоса. Если дом полностью «экипирован» такой системой, то логичным вариантом будет сброс излишков тепла в грунт. Это позволит защитить коллектор от перегрева, а также восполнить запасы тепла в грунте.
- Периодическая изоляция солнечного коллектора от источника тепла. Этот вариант наиболее прост. Идеальное решение — дистанционно управляемые рольставни, блок управления которых подсоединен к контроллеру гелиосистемы.
- Бассейн в роли резервного накопителя. Так как объем этих искусственных водоемов значительно больше баков, то температура воды в них вряд сможет достичь критической отметки.
Еще один вариант — регулярный слив воды в канализацию. Этот способ нельзя назвать рациональным, но как альтернативный вариант его все же можно рассматривать. Лучшее решение — использование в контуре дополнительной емкости. В нее вода будет перекачиваться при форс-мажорных обстоятельствах, а возвращаться в контур в тот момент, когда работа коллектора придет в норму.
Принцип действия солнечного коллектора, его достоинства и недостатки интересуют тех, кто всерьез задумался о возможности сократить расходы, купив «бесплатно-дорогой» источник энергии. В этом случае опыт других людей незаменим. Мнение о работе солнечного оборудования зимой можно услышать в этом популярном видеоролике:
