Слънчево отопление на частен дом: варианти и схеми на устройство

Използването на “зелена” енергия, доставяна от природните стихии, позволява значително да се намалят комуналните разходи. Например, като организирате слънчево отопление на частна къща, Вие ще захранвате практически безплатен топлоносител към нискотемпературни радиатори и системи за подово отопление. Съгласете се, това вече е икономия.

Всичко за “зелените технологии” ще научите от предложената от нас статия. С наша помощ Вие лесно ще се ориентирате в разновидностите на слънчевите инсталации, начините на тяхното устройство и спецификата на експлоатация. Със сигурност ще се заинтересувате от един от популярните варианти, които интензивно работят в света, но все още не са твърде търсени у нас.

В представения на Вашето внимание преглед са разгледани конструктивните особености на системите, детайлно са описани схемите на свързване. Даден е пример за изчисление на слънчев отоплителен кръг за оценка на реалностите на неговото изграждане. В помощ на самостоятелните майстори са приложени фото-подборки и видео.

“Зелени” технологии за получаване на топлина

Средно 1 м² от повърхността на земята получава 161 W слънчева енергия на час. Разбира се, на екватора този показател ще бъде много пъти по-висок, отколкото в Заполярието. Освен това, плътността на слънчевата радиация зависи от времето на годината.

В Московска област интензивността на слънчевата радиация през декември-януари се различава от май-юли повече от пет пъти. Въпреки това, съвременните системи са толкова ефективни, че са способни да работят практически навсякъде по земята.

Съвременните хелиосистеми са способни да работят ефективно в облачно и студено време до -30°C

Задачата за използване на енергията на слънчевата радиация с максимална ефективност се решава по два начина: директно нагряване в топлинни колектори и слънчеви фотоелектрически батерии. Слънчевите батерии първо преобразуват енергията на слънчевите лъчи в електричество, след което я предават чрез специална система на потребителите, например на електрокотел.

Топлинните колектори, нагрявайки се под действието на слънчевите лъчи, нагряват топлоносителя на системите за отопление и горещо водоснабдяване.

Топлинните колектори биват няколко вида, сред които отворени и затворени системи, плоски и сферични конструкции, полусферични колектори-концентратори и много други варианти. Топлинната енергия, получена от слънчевите колектори, се използва за загряване на топла вода или на топлоносителя на отоплителната система.

Промишлеността произвежда в широк асортимент колекторни системи за включване в независима отоплителна мрежа. Въпреки това, най-простият вариант за вила лесно може да се направи саморъчно:

Въпреки явния напредък в разработването на решения за събиране, акумулиране и използване на слънчевата енергия, съществуват предимства и недостатъци.

Ефективно използване на слънчевата енергия

Най-очевидният плюс на използването на слънчевата енергия е нейната общодостъпност. Всъщност дори в най-мрачното и облачно време слънчевата енергия може да бъде събрана и използвана.

Вторият плюс – това са нулеви емисии. По същество това е най-екологично чистият и естествен вид енергия. Слънчевите батерии и колектори не произвеждат шум. В повечето случаи се монтират на покривите на сградите, без да заемат полезна площ на извънградския парцел.

Ефективността на слънчевото отопление в нашите ширини е доста ниска, което се обяснява с недостатъчния брой слънчеви дни за редовна работа на системата (+)

Недостатъците, свързани с използването на слънчевата енергия, се състоят в непостоянството на осветеността. През тъмната част на деня няма какво да се събира, положението се влошава от факта, че пикът на отоплителния сезон се пада на най-кратките светли дни в годината. Необходимо е да се следи за оптическата чистота на панелите, незначително замърсяване рязко намалява КПД.

Освен това, не може да се каже, че експлоатацията на системата на слънчева енергия излиза напълно безплатно, съществуват постоянни разходи за амортизация на оборудването, работа на циркулационната помпа и управляващата електроника.

Съществен недостатък на отоплението, основано на прилагането на слънчеви колектори, се състои в отсъствието на възможност за натрупване на топлинна енергия. В схемата е включен само разширителен резервоар (+)

Отворени слънчеви колектори

Отвореният слънчев колектор представлява незащитена от външни въздействия система от тръби, по които циркулира нагреваемият директно от слънцето топлоносител.

Като топлоносител се използва вода, газ, въздух, антифриз. Тръбите или се закрепват върху носещата панел под формата на серпентина, или се присъединяват с успоредни редове към изходящия патрубок.

Слънчевите колектори от отворен тип не могат да се справят с отоплението на частна къща. Поради липсата на изолация топлоносителят бързо изстива. Използват се през лятото главно за загряване на вода в душове или басейни.

Отворените колектори обикновено нямат никаква изолация. Конструкцията е много проста, поради което има ниска цена и често се изработва самостоятелно.

Поради липсата на изолация почти не запазват получената от слънцето енергия, отличават се с нисък КПД. Използват се предимно през летния период за подгряване на вода в басейни или летни душове.

Инсталират се в слънчеви и топли райони, при малки разлики в температурата на околния въздух и подгряваната вода. Работят добре само в слънчево, безветрено време.

Най-простият слънчев колектор с топлоприемник, направен от намотка полимерни тръби, ще осигури доставка на подгрята вода във вилата за поливане и битови нужди.

Тръбни колекторни разновидности

Тръбните слънчеви колектори се сглобяват от отделни тръби, по които циркулира вода, газ или пара. Това е една от разновидностите на слънчеви системи от отворен тип. Въпреки това топлоносителят е вече много по-добре защитен от външни негативни влияния. Особено във вакуумни инсталации, устроени по принципа на термосите.

Всяка тръба се свързва към системата отделно, успоредно една на друга. При повреда на една тръба тя лесно се сменя с нова. Цялата конструкция може да се сглоби директно върху покрива на сградата, което значително улеснява монтажа.

Тръбният колектор има модулна структура. Основният елемент е вакуумна тръба, броят на тръбите варира от 18 до 30, което позволява точно да се избере мощността на системата.

Сериозният плюс на тръбните слънчеви колектори се състои в цилиндричната форма на основните елементи, благодарение на които слънчевото излъчване се улавя през целия светъл ден, без да се използват скъпоструващи системи за проследяване на движението на светилото.

Специално многослойно покритие създава своеобразен оптичен капан за слънчевите лъчи. На схемата частично е показана външната стена на вакуумната колба, отразяваща лъчите към стените на вътрешната колба (+).

По конструкция на тръбите се различават перовидни и коаксиални слънчеви колектори.

Коаксиалната тръба представлява съд на Дюар или познатият на всички термос. Изработена е от две колби, между които е изтеглен въздухът. Върху вътрешната повърхност на вътрешната колба е нанесено високоселективно покритие, което ефективно поглъща слънчевата енергия.

При цилиндрична форма на тръбата слънчевите лъчи винаги падат перпендикулярно на повърхността

Топлинната енергия от вътрешния селективен слой се предава на топлинната тръба или на вътрешния топлообменник от алуминиеви пластини. На този етап възникват нежелателни топлинни загуби.

Перообразната тръба представлява стъклен цилиндър с вмъкнат вътре перообразен абсорбер.

Названието си системата получава от перообразния абсорбер, който плътно обхваща топлинния канал от топлопроводящ метал

За добра топлоизолация от тръбата е изсмукан въздухът. Предаването на топлина от абсорбера става без загуби, затова КПД на перообразните тръби е по-висок.

По начин на предаване на топлина има две системи: правотокови и с термотръба (heat pipe). Термотръбата представлява запечатан съд с лесноизпаряваща се течност.

Тъй като лесноизпаряващата се течност естествено се стича на дъното на термотръбата, минималният ъгъл на наклона е 20° С

Вътре в термотръбата се намира лесноизпаряваща се течност, която приема топлина от вътрешната стена на колбата или от перообразния абсорбер. Под действието на температурата течността закипява и под формата на пара се издига нагоре. След като топлината е предадена на топлоносителя на отоплението или на топлата вода, парата кондензира в течност и се стича надолу.

Като лесноизпаряваща се течност често се използва вода при ниско налягане. В правотоковата система се използва U-образна тръба, по която циркулира вода или топлоносител на отоплителната система.

Едната половина на U-образната тръба е предназначена за студен топлоносител, втората отвежда нагрятия. При нагряване топлоносителят се разширява и постъпва в акумулиращия резервоар, осигурявайки естествена циркулация. Както и в случая на системи с термотръба, минималният ъгъл на наклон трябва да бъде не по-малко от 20⁰.

При правотоково свързване налягането в системата не може да бъде високо, тъй като вътре в колбата има технически вакуум

Правотоковите системи са по-ефективни, тъй като веднага загряват топлоносителя. Ако системите на слънчевите колектори са планирани за целогодишна употреба, в тях се изпомпват специални антифризи.

Приложението на тръбчатите слънчеви колектори има редица предимства и недостатъци. Конструкцията на тръбчатия слънчев колектор се състои от еднакви елементи, които относително лесно се заменят.

Предимства:

• ниски топлинни загуби;
• способност да работи при температура до -30⁰С;
• ефективна производителност през целия светъл ден;
• добра работоспособност в области с умерен и студен климат;
• ниска ветроустойчивост, поради способността на тръбните системи да пропускат въздушни маси през себе си;
• възможност за постигане на висока температура на топлоносителя.

Конструктивно тръбната конструкция има ограничена апертурна повърхност.

Притежава следните недостатъци:

• не може да се самоочиства от сняг, лед и скреж;
• висока цена.

Въпреки първоначално високата цена, тръбните колектори се изплащат по-бързо. Имат голям срок на експлоатация.

Тръбните колектори са от открит тип слънчеви инсталации, поради което не са подходящи за целогодишна употреба в отоплителни системи (+)

Плоски затворени системи

Плоският колектор се състои от алуминиева рамка, специален абсорбиращ слой – абсорбер, прозрачно покритие, тръбопровод и изолация.

Като абсорбер се използва почернена листова мед, отличаваща се с идеална топлопроводност за създаване на слънчеви системи. При поглъщане на слънчева енергия от абсорбера, получената слънчева енергия се предава на топлоносителя, който циркулира по системата от тръби, прилежаща към абсорбера.

От външната страна затвореният панел е защитен с прозрачно покритие. То е изработено от удароустойчиво закалено стъкло, с пропускателна лента 0,4-1,8 µm. На този диапазон се пада максимумът на слънчевото излъчване. Удароустойчивото стъкло служи като добра защита от градушка. От задната страна целият панел е надеждно изолиран.

Плоските слънчеви колектори се отличават с максимална производителност и проста конструкция. Тяхната ефективност е увеличена благодарение на използването на абсорбер. Те са способни да улавят разсеяно и пряко слънчево излъчване

Предимствата на затворените плоски панели включват:

• простота на конструкцията;
• добра производителност в региони с топъл климат;
• възможност за монтаж под всякакъв ъгъл при наличие на приспособления за промяна на ъгъла на наклон;
• способност за самоочистване от сняг и скреж;
• ниска цена.

Плоските слънчеви колектори са особено изгодни, ако тяхното приложение е планирано още на етапа на проектиране. Експлоатационният срок на качествените изделия е 50 години.

Недостатъците включват:

• високи топлинни загуби;
• голямо тегло;
• висока парусност при разполагане на панелите под ъгъл спрямо хоризонта;
• ограничения в производителността при температурни разлики над 40°C.

Сферата на приложение на затворените колектори е значително по-широка от тази на слънчевите инсталации от открит тип. През лятото те могат напълно да задоволят нуждата от топла вода. В хладни дни, които не са включени от комуналните услуги в отоплителния период, те могат да работят вместо газови и електрически нагреватели.

На желаещите да направят слънчев колектор със собствените си ръце за устройство на отопление във вилата, предлагаме да се запознаят с изпитани на практика схеми и стъпка по стъпка инструкции за сглобяване.

Сравнение на характеристиките на слънчевите колектори

Най-важният показател на слънчевия колектор е КПД. Полезната производителност на различни по конструкция слънчеви колектори зависи от разликата в температурите. При това плоските колектори са значително по-евтини от тръбните.

Стойностите на КПД зависят от качеството на изработка на слънчевия колектор. Целта на графиката е да покаже ефективността на прилагане на различни системи в зависимост от разликата в температурата.

При избора на слънчев колектор си струва да се обърне внимание на редица параметри, показващи ефективността и мощността на уреда.

За слънчевите колектори има няколко важни характеристики:

• коефициент на адсорбция – показва отношението на погълнатата енергия към общата;
• коефициент на емисия – показва отношението на предадената енергия към погълнатата;
• обща и апертурна площ;
• КПД.

Апертурната площ е работната площ на слънчевия колектор. При плоския колектор апертурната площ е максимална. Апертурната площ е равна на площта на абсорбера.

Начини на свързване към отоплителната система

Тъй като устройствата на слънчева енергия не могат да осигурят стабилно и денонощно снабдяване с енергия, е необходима система, устойчива на тези недостатъци.

За средната полоса на Русия слънчевите устройства не могат да гарантират стабилен приток на енергия, поради което се използват като допълнителна система. Интегрирането в съществуващата система за отопление и горещо водоснабдяване се различава за слънчев колектор и слънчева батерия.

Схема с воден колектор

В зависимост от целите на използване на топлинния колектор се прилагат различни системи за свързване. Вариантите могат да бъдат няколко:

1. Летен вариант за горещо водоснабдяване
2. Зимен вариант за отопление и горещо водоснабдяване

Летният вариант е най-прост и може да се мине дори без циркулационна помпа, като се използва естествена циркулация на водата.

Водата се нагрява в слънчевия колектор и поради топлинно разширение постъпва в резервоар-акумулатор или бойлер. При това се осъществява естествена циркулация: на мястото на горещата вода от резервоара се засмуква студена.

През зимата при отрицателни температури директното нагряване на водата не е възможно. По затворен кръг циркулира специален антифриз, осигурявайки пренос на топлина от колектора към топлообменника в резервоара.

Както всяка система, основана на естествена циркулация, не работи много ефективно, изисквайки спазване на необходимите наклони. Освен това акумулиращият резервоар трябва да бъде по-висок от слънчевия колектор. За да остане водата възможно най-дълго гореща, резервоарът трябва да бъде добре изолиран.

Ако наистина искате да постигнете максимално ефективна работа на слънчевия колектор, схемата на свързване ще се усложни.

За да не се превърне колекторът в радиатор за охлаждане през нощта, е необходимо принудително да се спре циркулацията на водата.

В системата на слънчевия колектор циркулира незамръзващ топлоносител. Принудителната циркулация се осигурява от помпа, управлявана от контролер.

Контролерът управлява работата на циркулационната помпа въз основа на показанията на поне два температурни датчика. Първият датчик измерва температурата в акумулационния резервоар, вторият – на тръбата за подаване на горещ топлоносител на слънчевия колектор.

Щом температурата в резервоара надвиши температурата на топлоносителя, контролерът в колектора изключва циркулационната помпа, като спира циркулацията на топлоносителя в системата. От своя страна, при понижаване на температурата в акумулационния резервоар под зададената стойност, се включва отоплителният котел.

Нова дума и ефективна алтернатива на слънчевите колектори с топлоносител станаха системите с вакуумни тръби, с чийто принцип на действие и устройство предлагаме да се запознаете.

Схема със слънчева батерия

Би би изкушаващо да се приложи подобна схема за свързване на слънчевата батерия към електрическата мрежа, както е реализирано в случая на слънчевия колектор, натрупвайки получената през деня енергия. За съжаление, за системата за електрозахранване на частен дом създаването на блок от акумулатори с достатъчен капацитет е много скъпо. Затова схемата на свързване изглежда по следния начин.

При намаляване на мощността на електрическия ток от слънчевата батерия, блокът АВР (автоматично включване на резерва) осигурява свързването на консуматорите към общата електрическа мрежа.

От слънчевите панели зарядът постъпва към контролера за зареждане, който изпълнява няколко функции: осигурява постоянна подзарядка на акумулаторите и стабилизира напрежението. След това електрическият ток постъпва към инвертора, където се извършва преобразуване на постоянен ток от 12V или 24V в променлив еднофазен ток 220V.

Уви, нашите електрически мрежи не са пригодени за получаване на енергия, могат да работят само в една посока – от източника към потребителя. Поради тази причина Вие няма да можете да продавате добитата електроенергия или поне да накарате електромера да се върти в обратна посока.

Използването на слънчеви батерии е изгодно, защото те предоставят по-универсален вид енергия, но не могат да се сравняват по ефективност със слънчевите колектори. Последните обаче не притежават способността да натрупват енергия, за разлика от слънчевите фотоволтаични батерии.

Пример за изчисление на необходимата мощност

При изчисляване на необходимата мощност на слънчевия колектор много често погрешно се правят изчисления, изхождайки от постъпващата слънчева енергия в най-студените месеци на годината.

Работата е там, че през останалите месеци на годината цялата система постоянно ще прегрява. Температурата на топлоносителя през лятото на изхода от слънчевия колектор може да достигне 200°C при нагряване на пара или газ, 120°C на антифриз, 150°C на вода. Ако топлоносителят заври, той частично ще се изпари. В резултат на това ще трябва да се замени.

Компаниите производители препоръчват да се изхожда от следните цифри:

• осигуряване на топла вода не повече от 70%;
• осигуряване на отоплителната система не повече от 30%.

Останалата необходима топлина трябва да се произвежда от стандартно отоплително оборудване. Въпреки това при такива показатели годишно се икономисват средно около 40% от отоплението и топлата вода.

Мощността, произвеждана от една тръба на вакуумната система, зависи от географското местоположение. Показателят на слънчевата енергия, падаща годишно на 1 м² земя, се нарича инсолация.

Като се знае дължината и диаметърът на тръбата, може да се изчисли апертурата – ефективната площ на поглъщане. Остава да се приложат коефициентите на абсорбция и емисия за изчисляване на мощността на една тръба за година.

Пример за изчисление:

Стандартната дължина на тръбата е 1800 мм, ефективната – 1600 мм. Диаметър 58 мм. Апертура – засенчената област, създавана от тръбата. По този начин площта на правоъгълника на сянката ще бъде:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928м²

КПД на средната тръба е 80%, слънчевата инсолация за Москва е около 1170 кВт*ч/м² годишно. По този начин една тръба ще произведе годишно:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86кВт*ч

Необходимо е да се отбележи, че това е много приблизително изчисление. Количеството на произвежданата енергия зависи от ориентирането на инсталацията, ъгъла, средногодишната температура и т.н.

С всички видове алтернативни източници на енергия и начините за тяхното използване ще можете да се запознаете в представената статия.

Изводи и полезно видео по темата

Видео #1. Демонстрация на действието на слънчевия колектор през зимата:

Видео #2. Сравнение на различни модели слънчеви колектори:

През цялото си съществуване човечеството всяка година консумира все повече енергия. Опитите да се използва безплатното слънчево лъчение са правени отдавна, но едва напоследък стана възможно ефективно да се използва слънцето в нашите ширини. Несъмнено, че бъдещето е на хелиосистемите.

Искате ли да съобщите за интересни особености в организацията на слънчевото отопление на къща извън града или вила? Моля, пишете коментари в разположения по-долу блок. Тук можете да зададете въпрос, да оставите снимка с демонстрация на процеса на сглобяване на системата, да споделите полезни сведения.