С наступлением холодного периода года каждый владелец частного дома невольно задумывается о том, как повысить эффективность отопления и при этом сэкономить на расходах. На выход в этой ситуации приходят современные технологии, использующие энергию солнечного света для выработки тепла. Разберем, что собой представляет вакуумный солнечный коллектор, каково его устройство, принцип работы и сфера применения, какими плюсами и минусами обладает, какие разновидности прибора существуют, а также каковы критерии его выбора и правила размещения.
Солнечные коллекторы, установленные на южном скате кровли частного дома Источник solntsepek.ru
Солнечный коллектор – что это такое, устройство, принцип работы
Климатическое оборудование, напрямую преобразующее энергию солнечного света в тепло, в технической терминологии называется солнечным коллектором. Прибор не вырабатывает электричество, как классическая солнечная батарея, а только собирает, концентрирует и передает тепло в систему отопления. В качестве теплоносителя выступает вода, незамерзающая жидкость или воздух.
По конструкционным признакам и связанным с ними принципом действия солнечные коллекторы, применяемые для отопления дома, в том числе в зимнее время, подразделяются на 3 основные вида – плоские, вакуумные и воздушные. Структурно прибор представляет собой набор последовательно соединенных трубок в форме змеевика, связанных с подающей и обратной магистралью. Внутри них циркулирует теплоноситель – вода, антифриз или воздух.
Солнечный коллектор в составе схемы отопления частного дома Источник ast75.ru
Любая модель вакуумного коллектора содержит в составе следующий набор основных узлов:
- Внешняя большая прозрачная труба без воздуха.
- Внутренняя малая трубка, внутри которой циркулирует теплоноситель.
- Сборник-распределитель с подсоединенными большими трубами, внутри которых находятся трубки меньшего диаметра.
Схематично такая конструкция является аналогом прозрачного термоса с максимальной теплоизоляцией. Благодаря этому малые трубки хорошо прогреваются и передают тепло циркулирующему внутри них теплоносителю.
Принцип действия коллектора основан на естественных законах изменения свойств веществ под температурным воздействием – движущей силой, заставляющей теплоноситель циркулировать внутри системы трубок, являются такие природные процессы, как изменение плотности вещества, конвекция, сжатие-расширение и проч.
Схематическое устройство вакуумного коллектора Источник avanten.ru
При этом для усиления интенсивности поглощения тепловой энергии от солнца применяются специальные адсорбенты, например, металлические пластины с зачерненным покрытием. И наоборот, для максимального прохода солнечного света верхняя часть установки изготавливается из материала с высокими светопропускными способностями.
Применение
Установка солнечный коллектора для обеспечения нужд частного дома позволяет решить не только проблемы отопления, но также дополнительный ряд вопросов:
- Производство бытовой горячей воды – для душа, ванны, стирки, уборки, мытья посуды.
- Поддержание эксплуатационных норм бассейна.
- Обогревание парников, теплиц, оранжерей.
- Создание альтернативной дежурной системы отопления на случай аварии действующей.
- Оптимизация, снижение расходов на работу традиционной системы обогрева.
- Приготовление технической горячей воды.
Солнечный коллектор может применяться для подогрева воды в бассейне Источник 4pool.com.ua
Обратите внимание! Эффективность солнечного коллектора настолько высока, что его можно использовать для отопления дома даже зимой – но при условии, что будет установлена модель вакуумного типа. Объясняется это прежде всего конструкционными особенностями оборудования и спецификой их работы в условиях холода. В отличие от плоских аналогов его трубки не засыпаются снегом, прочности материала хватает, чтобы выдержать даже крупный град, а устройство по принципу термоса, позволяет довести воду внутри до кипения при сильном морозе снаружи.
Смотрите также: Каталог компаний, что специализируются на инженерных системах (отоплении, водоснабжении, канализации и прочих) и сопутствующих работах
Правильно оборудуем жилье
Для сохранения тепла в доме следует уделить внимание выбору межкомнатных дверей.Где же купить межкомнатные двери, чтобы ни на минуту не пожалеть о совершенной покупке? Как обезопасить себя от возможных подделок и недобросовестных производителей? Что предпринять, если вы готовы вложить достаточную сумму средств, чтобы купить межкомнатные двери, но не склонны доверять специалистам, обладающим низкой квалификацией? Вывод в данном случае прост — обратиться к услугам , реализующего широкий спектр моделей межкомнатных дверей, представленных различными конструктивными решениями и производителями. Наш ассортимент постоянно расширяется и обновляется, а высокая квалификация персонала не подлежит сомнению.
В нашем магазине вы всегда сможете межкомнатные двери, решенные в ключе основных тенденций традиционной классики или же соответствующие одному из многочисленных направлений современного интерьерного дизайна. Каждое изделие не только оснащено надежной, функциональной и эффектной фурнитурой, но и имеет сертификат соответствия качества основным существующим стандартам. Приобретая межкомнатные двери у нас, вы тем самым отдаете предпочтение абсолютно безвредной продукции, изготовленной из экологически чистого сырья.
Плюсы и минусы
В зависимости от того, какую конструкцию имеет солнечно-коллекторное оборудование, система отопления обладает определенным рядом плюсов и минусов. Так, достоинства плоских разновидностей проявляются в следующем:
- Наиболее выгодное соотношение «цены оборудования – производства тепла» для регионов с умеренным климатом.
- Полная автономность отопления и производства горячей воды.
- Максимальный КПД в период наивысшей солнечной активности в сравнении с солнечными батареями и ветрогенераторами.
- Независимость от стандартных энергоресурсов и постоянного роста цен на них.
Солнечный коллектор на своем участке может использоваться для обогрева теплиц и нагрева воды для полива Источник teplo.guru
- Средний срок окупаемости – 3-5 лет.
- Срок службы – не менее 30 лет.
- Функция самоочищения от снега, града.
- Легкое подключение к системе отопления.
- Абсолютная безвредность для окружающей среды.
Плоский солнечный коллектор, применяемый для нагрева теплоносителя системы отопления, не лишен некоторых недостатков:
- Высокая стоимость оборудования, необходимость затрат на установку и внедрение в систему отопления.
- Наличие парусных характеристик прибора, что создает вероятность повреждения при сильном ветре.
- Низкий КПД при пасмурной погоде, а также в период холодов.
- Большие тепловые потери из-за несовершенства устройства конструкции.
Вакуумные разновидности отличаются от плоских в лучшую сторону с точки зрения производительности, а также в силу следующих положительных особенностей:
- Широкий диапазон рабочей температуры, в том числе в мороз до -30-500С.
- Минимальные параметры парусности и вероятность повреждения ветром.
- Расширенные производительные способности ввиду способности поглощать излучение невидимой части спектра солнечного света.
- Незначительные тепловые потери из корпуса.
Чем больше рабочих панелей имеет коллекторная система, тем эффективнее будет система отопления Источник stroy-podskazka.ru
- Высокая надежность в эксплуатации.
- Ремонтопригодность – при неисправности требуется заменить один или несколько рабочих элементов, а не всю конструкцию.
- Возможность разогрева теплоносителя до 3000С.
- Нечувствительность конструкции к атмосферным осадкам.
Негативные свойства вакуумных моделей связаны прежде всего с высокой стоимостью оборудования и строгими требованиями по монтажу.
Важно! Эффективность солнечных коллекторов зависит далеко не только от погоды, но также условий установки, рельефа ландшафта и продолжительности солнечного сияния. Все эти факторы в существенной степени влияют и на время окупаемости.
Классификация по конструктивным отличиям
Вакуумные коллекторы разделяют по типужу стеклянных трубок и параметрам теплоканалов. Трубки обычно встречаются двух категорий:
- перьевые;
- коаксиальные.
А каналы бывают прямоточные U-образные и разновидности heat pipe (смотреть ниже).
Коаксиальные вакуумные трубки
Это классический «термос» — колба, в которой вакуум создается между двойными стеклянными стенками. Кроме того, внутренняя поверхность колбы покрыта особым теплопоглощающим слоем. Их делают из боросиликатного высокопрочного стекла с хорошим светопропусканием. Такие вакуумные трубки для солнечного коллектора должны служить не менее 15 лет, справляться с давлением 1 МПа и не бояться плохих погодных условий.
Поглотителем служит полый стержень из меди с эфирным наполнением. Нагреваясь, эфир испаряется, поднимается, передает набранное тепло и выпадает вниз конденсатом. Далее процесс повторяется, обеспечивая непрерывный теплообмен внутри модуля.
Перьевые
Их стенки толще коаксиальных и состоят из единственной колбы. Медный абсорбционный элемент обрамлен гофрированной пластиной с теплопоглощающим слоем. Это позволяет вакууму находится прямо в канале модуля.
КПД такой трубки выше, но перьевая система дороже, а заменить ее в случае поломки медного абсорбера или нарушения герметичности колбы сложнее. Но именно этот вариант считается самым надежным, эффективным и долговечным среди похожих устройств.
Технология Heat pipe
Выполненные по этой технологии модули несут в себе трубки с испаряющимся жидким теплоносителем. При нагреве паром он поднимается наверх и собирается в манифольде (manifold) — теплосборнике. Здесь носитель отдает тепло, осаждается, и цикл повторяется. Из манифольда носитель передает энергию по всей системе, обеспечивая нагрев в контурах отопления и горячего водоснабжения.
Рабочий элемент такого канала делается медным, реже — из алюминия. Срок службы должен составлять 15 лет. Стоимость решения на базе «хит-пайп» относительно невелика и делает его самым популярным вариантом для создания современных трубчатых гелиосистем. Если какой-то узел испортится, его легко заменить без разборки всего комплекса. Ремонт можно проводить на месте с минимумом инструментов.
Прямоточные U-образные обменники
Как видно из названия, трубка такого теплообменника похожа на букву U. В ней циркулирует или рабочее тело теплоносителя, или вода системы. При этом одна часть компонента работает с нагретой средой, другая — с холодным носителем.
Нагревшись, состав расширяется и попадает в накопитель; таким способом обеспечивается простая циркуляция жидкости. На внутренние стенки накопительного бака нанесено эффективно забирающее тепло покрытие.
Эти трубки весьма эффективны, но обладают недостатком: конструктивно они едины с манифольдом и ставятся только вместе с таковым. Замена одной испортившейся трубки невозможна, для этого придется снимать всю систему.
Разновидности
Современные солнечные коллекторы бывают водяными и воздушными. У первых в качестве теплоносителя используется вода, антифриз или иная жидкость с подходящими свойства. Циркулируя по внутренним трубкам, она передает тепло в теплообменник системы отопления. Внутри воздушной модификации аналогичным образом нагревается поток воздуха, который затем поступает на нужды обогрева.
Схематическое устройство плоского солнечного коллектора Источник tildacdn.com
Принцип действия
Для отопления жилого дома или иного объекта могут быть использованы все виды солнечных коллекторов, однако принцип их работы, вне зависимости от конструкции и вида теплоносителя, является единым.
Принцип работы солнечного коллектора основан на способности материалов поглощать энергию солнца в видимом и невидимом, человеческому глазу, диапазонах, в связи с чем, внутри данного материала, начинаются физические процессы, молекулы начинают быстрее двигаться, материал (вещество) – нагревается. Тепло выделяемое материалами, на которые воздействуют солнечные лучи, передается теплоносителя для последующего использования.
Видео описание
Видео-обзор применения вакуумного солнечного коллектора в своем доме:
- Воздушные модификации благодаря простоте устройства дольше служат и не требуют особого обслуживания. Главный их недостаток – недостаточная выработка тепла в холодное время года.
- Количество вырабатываемого вакуумным прибором тепла напрямую зависит от размера трубок. Оптимальными считаются модели с несколькими трубками, протяженностью не менее 2 м и диаметром от 6 см.
- Показатель мощности оборудования характеризует количество вырабатываемого тепла, выражаемого в кВт, при условии расположения солнца в зените и полной безоблачности.
На заметку! Солнечный коллектор эффективно работает только днем. Для поддержки тепла в помещении ночью обязательно требуется установка теплового аккумулятора. Днем он будет накапливать тепло, а ночью отдавать.
Самостоятельная сборка
В начале создания вакуумного коллектора необходимо собрать раму. Желательно ставить ее сразу там, где будет находиться будущий обогревательный комплекс. Размеры рамы зависят от запланированных характеристик будущей системы и собираемой модели. Как правило, подробные указания прописаны в прилагаемой к комплектующим инструкции.
Важно: на дне короба будущего коллектора обязательно должна быть теплоизоляция.
Пример проекта для сборки:
Собирая раму на крыше, в местах прилегания ее дополнительно укрепляют герметиком. Это необходимо для защиты от попадания воды через монтажные отверстия. Далее на место ставят бак накопителя и прикрепляют к раме.
Далее монтируется воздухоотвод, ТЭН и датчик температуры (если есть). Все узлы устанавливаются на смягчающие прокладки (должны быть в комплекте). После этого к системе необходимо подвести водные коммуникации здания — для этого обычно используют фитинги и трубы из полипропилена, такая арматура достаточно вынослива, долговечна и легко меняется при выходе из строя. Трубы должны выдерживать температуру до 95 градусов.
Когда водопровод подключен, в накопительный бак заливают воду и несколько часов проверяют герметичность комплекса. При нахождении утечек их следует немедленно устранить. Финальный этап — монтаж нагревающих модулей. В вакуумную стеклянную колбу помещают медную трубку, снизу конструкция фиксируется чашкой и резиновым пыльником. В латунный конденсатор до упора задвигают наконечник медной трубки, затем фиксирующий механизм защелкивается на кронштейне.
Установка остальных трубок выполняется по тому же принципу.
После этого к системе подсоединяется монтажный блок (если предусмотрен). На него заводится электропитание от сети 220 В. Также подключаются вспомогательные модули — температурный датчик, отвод воздуха и ТЭН. На финальном этапе монтируется управляющий контроллер комплекса (также если предусмотрен). В него вносятся необходимые настройки, после чего новая система обогрева запускается в работу в обычном режиме.
Все основные детали можно собрать самостоятельно. Но при отсутствии опыта слесарно-монтажных работ лучше обратиться к заводским комплектующим, поскольку собранный «с нуля» комплекс может содержать существенные огрехи и не давать требуемой эффективности. На рынке Москвы готовый комплект подключаемого к холодному водопроводу нагревателя на 30 вакуумных трубок с баком объемом в 260 литров стоит около 90 тысяч рублей.
Где лучше размещать
Для эффективной и полноценной работы вакуумный солнечный коллектор должен быть правильно размещен и сориентирован по сторонам света. В северных широтах желательно ставить устройство на солнечной стороне земельного участка или в южной части крыши. Если сориентировать точно на юг возможности нет, следует выбрать максимально освещенную позицию в направлении запада или востока.
Важно: гелиоэнергетический комплекс не должен перекрываться деревьями, дымоходами, декоративными частями кровли, соседними домами и прочими строениями. Это способно существенно снизить эффективность. При правильном расположении обогреватель обеспечит отличную теплоотдачу на весь год вне зависимости от сезона.
Видео описание
Видео-пример прикладного использования солнечного коллектора для дачного дома:
- На светопоглощающую панель не должна падать тень от рядом расположенных объектов – домов, деревьев, труб, забора и проч.
- При размещении прибора на крыше дома требуется заранее спроектировать для него крепление.
- Во избежание скопления осадков на рабочей поверхности прибор необходимо установить как можно ближе к вертикальной плоскости, но с минимальным ущербом для улавливания солнечного света.
- Для оптимальной работы на протяжении всего года прибор нужно установить на южную сторону с углом, равным географической широте местности.
Справка! Создать абсолютно автономную систему отопления на базе гелео-коллектора не удастся. Так как для обеспечения максимальной эффективности потребуется оснащение схемы циркуляционным насосом, автоматикой и другим оборудованием, работающим на электричестве. Однако существенно снизить расход основного энергоресурса – газа, электротока, угля – с его помощью вполне посильная задача.
Последовательность монтажа гелиосистемы для отопления от солнца
После покупки или изготовления своими руками солнечного коллектора для отопления дома можно приступать к его установке.
Монтаж начинается с установки накопительного бака емкостью 20-40 л. Можно также использовать несколько небольших резервуаров, которые соединены в последовательную цепочку с помощью труб. Бак следует утеплить во избежание быстрой потери тепловой энергии. Накопительная емкость располагается в самой высокой точке. При этом следует учитывать, что при заполнении системы жидкостью конструкция будет иметь значительный вес, что потребует усиления перекрытия в месте ее расположения.
Далее выполняется монтаж своими руками солнечного коллектора для нагрева воды, который располагается на южной стороне здания под углом относительно линии горизонта в 35-45°. Затем система обвязывается трубами, что необходимо для получения замкнутого гидравлического контура. Для этого используются дюймовые или полудюймовые элементы. Детали меньшего диаметра применяются для организации напорной части системы. Трубы должны быть заизолированы, что снизит вероятность тепловых потерь.
Чтобы коллектор качественно работал необходимо правильно произвести сборку и монтаж конструкции
Важно! От герметичности всех узлов соединения зависит эффективная работа коллектора отопления.
По завершении монтажа выполняется испытание системы. Ее наполнение происходит через патрубок в нижней части коллектора, что исключит вероятность образования воздушных пробок. Теплоноситель поступает в накопительную емкость до достижения оптимального уровня, что регулируется с помощью поплавкового клапана. Нагретая жидкость будет подниматься в аванкамере и поступать в систему отопления. Естественная циркуляция происходит до тех пор, пока не выровняется температура жидкости, поступающей в радиатор, и той, что выходит из коллектора.
При обустройстве гидравлической системы предусматривается установка запорной арматуры, которая препятствует обратной циркуляции теплоносителя в накопитель из коллектора. Такое явление происходит при снижении температуры окружающей среды, что характерно для вечернего или ночного времени суток.
Коротко о главном
Солнечный коллектор представляет собой климатический прибор для сбора и передачи тепла солнечной энергии теплоносителю системы отопления. Приборы такого типа бывают жидкостными и воздушными, плоскими и вакуумными. Общая схема их работы сводится к тому, что теплоноситель, расположенный во внутренних трубках, нагревается теплом солнечного света, а затем поступает в теплообменник и передает энергию на отопление или горячее водоснабжение.
Тепловой коллектор может применяться для различных целей – нагрева воды для бытовых нужд, обогрева дома, теплиц и подсобных помещений, поддержки теплового режима резервуаров, создания альтернативной системы отопления, снижения расходов основной системы обогрева. Плюсы оборудования – выгодное производство тепла, независимость от внешних источников энергии, большой КПД, быстрая окупаемость, долговечность, работа в морозы, безвредность. Недостатки – высокая стоимость оборудования и монтажа, возможность повреждения ветром, вероятность теплопотерь.
Солнечные коллекторы классифицируются по ряду признаков:
- Конструкции – плоские, вакуумные.
- Уровню нагрева теплоносителя – низко-, средне- и высокотемпературные.
- Способу применения – активные и пассивные.
- Схеме теплопередачи – прямые и косвенные.
Выбирать и устанавливать оборудование необходимо, исходя из специальных правил, рекомендаций и конкретных условий применения.
Каким должен быть теплосборник?
Теплосборник – еще один очень важный рабочий элемент вакуумного коллектора. Посредством этого узла осуществляется передача накопленного тепла от трубок к теплоносителю.
Теплосборник располагают в верхней части прибора. Один из его компонентов, медный сердечник, принимает энергию и передает ее основному теплоносителю, циркулирующему в замкнутой системе «теплообменник бака-коллектор».
Корректную работу гарантирует подключенный к системе циркуляционный насос. Управляющая греющим комплексом автоматика, четко следит за уровнем температуры в каналах и, в случае ее падения ниже допустимого критического минимума (например, в ночное время суток), останавливает работу насоса.
Это позволяет избежать обратного прогрева, когда теплоноситель начинает забирать тепло горячей воды, собравшейся в накопительном баке.
