Как да направите слънчев колектор за отопление със собствените си ръце: поетапно ръководство

Поскъпването на традиционните енергийни източници подтиква собствениците на частни домове да търсят алтернативни варианти за отопление на жилището и загряване на вода. Съгласете се, финансовата съставка на въпроса играе не последна роля при избора на отоплителна система.

Един от най-перспективните начини за енергоснабдяване – преобразуване на слънчевото излъчване. За целта се използват хелиосистеми. Разбирайки принципа на тяхното устройство и механизма на работа, да направите слънчев колектор за отопление със собствени ръце няма да представлява голям труд.

Ще ви разкажем за конструктивните особености на хелиосистемите, ще предложим проста схема за сглобяване и ще опишем материалите, които могат да се използват. Етапите на работа са придружени от илюстративни снимки, материалът е допълнен с видеоклипове за създаването и въвеждането в експлоатация на самоделния колектор.

Принцип на работа и конструктивни особености

Съвременните хелиосистеми – един от видовете алтернативни източници за получаване на топлина. Те се използват като спомагателно отоплително оборудване, преработващо слънчевото излъчване в полезна за собствениците на дома енергия.

Те са способни напълно да осигурят горещо водоснабдяване и отопление през студеното време на годината само в южните региони. И то, ако заемат достатъчно голяма площ и са инсталирани на открити, незасенчени от дървета площадки.

Въпреки голямото разнообразие от видове, принципът на работа при тях е еднакъв. Всяка хелиосистема представлява контур с последователно разположение на уредите, както доставящи топлинна енергия, така и предаващи я на потребителя.

Основните работни елементи са слънчеви батерии на фотоелементи или слънчеви колектори. Технологията на сглобяване на слънчев генератор върху фотоплочи е малко по-сложна от тази на тръбния колектор.

В тази статия ще разгледаме втория вариант – колекторна хелиосистема.

Слънчевите колектори засега служат като помощни доставчици на енергия. Напълно да се превключи отоплението на дома към хелиосистема е опасно поради невъзможността да се предвиди точното количество слънчеви дни

Колекторите представляват система от тръби, свързани последователно с изходния и входния тръбопровод или подредени под формата на серпентина. По тръбите циркулира техническа вода, въздушен поток или смес от вода с някаква незамръзваща течност.

Циркулацията се стимулира от физически явления: изпаряване, промяна на налягането и плътността от преминаването от едно агрегатно състояние в друго и др.

Принципът на действие на слънчевите колектори се основава на получаване и натрупване на слънчева енергия, предавана на топлоносителя (+)

Събирането и акумулирането на слънчева енергия се извършва от абсорбери. Това е или плътна метална плоча с почернена външна повърхност, или система от отделни плочи, прикрепени към тръбите.

За изработването на горната част на корпуса, капака, се използват материали с висока способност за пропускане на светлинен поток. Това може да бъде плексиглас, подобни полимерни материали, закалени видове традиционно стъкло.

За да се изключат загубите на енергия от задната страна на уреда, в кутията се поставя топлоизолация

Трябва да се каже, че полимерните материали понасят доста зле влиянието на ултравиолетовите лъчи. Всички видове пластмаса имат доста висок коефициент на топлинно разширение, което често води до разхерметизиране на корпуса. Затова използването на подобни материали за изработка на корпуса на колектора трябва да се ограничи.

Водата като топлоносител може да се използва само в системи, предназначени за доставка на допълнителна топлина през есенно/пролетния период. Ако се планира целогодишно използване на хелиосистемата, преди първото застудяване техническата вода се сменя със сместа ѝ с антифриз.

При въздушните хелиосистеми като топлоносител се използва въздух. Каналите за неговото движение могат да се направят от обикновен профилиран лист (+)

Ако слънчевият колектор се инсталира за отопление на малка сграда, която няма връзка с автономното отопление на вилата или с централизирани мрежи, се изгражда най-простата едноконтурна система с нагревателно устройство в началото ѝ.

Във веригата не се включват циркулационни помпи и нагревателни устройства. Схемата е изключително проста, но може да работи само през слънчево лято.

При включване на колектора в двуконтурно техническо съоръжение всичко е много по-сложно, но и диапазонът от дни, подходящи за приложение, е значително увеличен. Колекторът обработва само един контур. Преобладаващото натоварване се поема от основния отоплителен агрегат, работещ на електричество или всякакъв вид гориво.

За изработка на слънчев колектор можете да използвате готова схема, можете да изградите собствен пилотен модел и да го изпробвате на практика (+)

Въпреки пряката зависимост на производителността на слънчевите устройства от броя на слънчевите дни, те са търсени и търсенето на слънчеви устройства стабилно нараства. Популярни са сред народните майстори, стремящи се да насочат всички видове природна енергия в полезна посока.

Класификация по температурни критерии

Съществува доста голям брой критерии, по които се класифицират определени конструкции на хелиосистеми. Въпреки това, за устройства, които могат да бъдат направени със собствени ръце и използвани за топла вода и отопление, най-рационално ще бъде разделението по вид на топлоносителя.

Така, системите могат да бъдат течни и въздушни. Първият вид е по-често приложим.

Освен това често се използва класификация по температура, до която могат да се нагряват работните възли на колектора:

1. Нискотемпературни. Варианти, способни да нагряват топлоносителя до 50ºС. Прилагат се за подгряване на вода в съдове за напояване, в бани и душове през лятото и за повишаване на комфортните условия през хладни пролетно-есенни вечери.
2. Среднотемпературни. Осигуряват температура на топлоносителя от 80ºС. Те могат да се използват за отопление на помещения. Тези варианти са най-подходящи за обзавеждане на частни домове.
3. Високотемпературни. Температурата на топлоносителя в такива инсталации може да достигне до 200-300ºС. Използват се в промишлен мащаб, инсталират се за отопление на производствени цехове, търговски сгради и др.

Във високотемпературните хелиосистеми се използва доста сложен процес на пренос на топлинна енергия. Освен това те заемат внушително пространство, което повечето от нашите любители на крайградския живот не могат да си позволят.

Процесът на изработката им е трудоемък, реализацията изисква специализирано оборудване. Самостоятелно да се направи подобен вариант на хелиосистема е практически невъзможно.

Да се направят високотемпературни слънчеви батерии на фотоволтаични преобразуватели в домашни условия е доста сложно.

Саморъчно изработване на колектора

Изработването на слънчев уред със собствени ръце – увлекателен процес, носещ маса ползи. Благодарение на него може рационално да се използва безплатното слънчево излъчване, да се решат няколко важни домакински задачи. Нека разгледаме спецификата на създаване на плосък колектор, който подава нагрята вода към отоплителната система.

Материали за самостоятелно сглобяване

Най-простият и достъпен материал за самостоятелно сглобяване на корпуса на слънчев колектор – дървена греда с дъска, шперплат, OSB плочи или подобни варианти. Като алтернатива може да се използва стоманен или алуминиев профил с аналогични листове. Металният корпус ще струва малко по-скъпо.

Материалите трябва да отговарят на изискванията, които се поставят към конструкциите, използвани на открито. Експлоатационният срок на слънчевия колектор варира от 20 до 30 години.

А следователно, материалите трябва да притежават определен набор от експлоатационни характеристики, които ще позволят конструкцията да се използва през целия срок.

Най-евтиният и прост вариант на материали за изработване на корпуса – прилагане на дървен материал и стружечни плочи.

Ако корпусът се изпълнява от дърво, то дълготрайността на материала може да се осигури чрез импрегниране с водно-полимерни емулсии и покриване с боя и лакови материали.

Основният принцип, който трябва да се спазва при проектирането и сглобяването на слънчев колектор, е достъпността на материалите по отношение на цена и възможност за закупуване. Тоест, те могат да бъдат или намерени в свободна продажба, или самостоятелно изработени от налични подръчни средства.

Тънкости на топлоизолационното устройство

За предотвратяване на загуби на топлинна енергия на дъното на кутията се монтира изолационен материал. Това може да бъде пенопласт или минерална вата. Съвременната индустрия произвежда доста обширна номенклатура от изолационни материали.

За изолация на кутията могат да се използват фолирани варианти на изолационни материали. По този начин може да се осигури както топлоизолация, така и отражение на слънчевите лъчи от фолираната повърхност.

Ако като изолационен материал се използва твърда плоча от пенопласт или пенополистирол, за полагане на серпентината или системата от тръби могат да се изрежат канали. Обикновено абсорберът на колектора се полага върху топлоизолацията отгоре и се фиксира здраво към дъното на корпуса по начин, зависещ от използвания материал за корпуса.

Топлоизолацията служи за намаляване на загубите на топлинна енергия през дъното на корпуса. Не е рационално да се изработва уред в метален корпус без топлоизолация (+)

Топлоприемник на слънчевия колектор

Това е абсорбиращ елемент. Той представлява система от тръби, в които се нагрява топлоносителят, и части, изработени най-често от листова мед. За оптимален материал за изработка на топлоприемника се смятат медни тръби.

Домашните майстори изобретиха по-евтин вариант – спирален топлообменник от полипропиленови тръби.

Интересно бюджетно решение – абсорбер на хелиосистема от гъвкава полимерна тръба. За свързване с устройствата на входа и изхода се използват подходящи фитинги. Изборът на подръчни средства, от които може да се изработи топлообменник на слънчев колектор, е доста широк. Това може да бъде топлообменник от стар хладилник, полиетиленови водопроводни тръби, стоманени панелни радиатори и пр.

Важен критерий за ефективност е топлопроводността на материала, от който е изработен топлообменникът.

За самостоятелно изработване оптималният вариант е медта. Тя притежава топлопроводност, която възлиза на 394 W/m². При алуминия този параметър варира от 202 до 236 W/m².

Медните тръби се смятат за най-оптималния вариант за изработка на топлоприемник по отношение на топлотехническите качества и износоустойчивостта

Въпреки това голямата разлика в параметрите на топлопроводност между медните и полипропиленовите тръби изобщо не означава, че топлообменникът с медни тръби ще дава стотици пъти по-големи обеми гореща вода.

При равни условия производителността на топлообменника от медни тръби ще бъде с 20% по-ефективна от производителността на металопластичните варианти. Така че топлообменниците, изработени от полимерни тръби, имат право на живот. Освен това тези варианти ще струват много по-евтино.

Независимо от материала на тръбите, всички съединения, както заварени, така и резбови, трябва да бъдат херметични. Тръбите могат да се разполагат както успоредно една на друга, така и във вид на серпентина.

Схемата от тип серпентина намалява броя на съединенията – това намалява вероятността от течове и осигурява по-равномерно движение на потока на топлоносителя.

Горната част на кутията, в която се намира топлообменникът, се затваря със стъкло. Като алтернатива могат да се използват съвременни материали, като акрилов аналог или монолитен поликарбонат. Светлопропускащият материал може да бъде не гладък, а рифелован или матов.

В класическия вариант кутията с колектора се покрива с закалено стъкло, плексиглас, поликарбонат или подобен материал. Народните майстори са се приспособили вместо стъкло да използват полиетилен.

Такава обработка намалява отражателните способности на материала. Освен това този материал трябва да издържа на значителни механични натоварвания.

В промишлени образци на подобни хелиосистеми се използва специално солярно стъкло. Такова стъкло се характеризира с ниско съдържание на желязо, което осигурява по-малки загуби на топлинна енергия.

Акумулаторен резервоар или аванкамера

Като акумулационен резервоар може да се използва всеки съд с обем от 20 до 40 литра. Ще свърши работа и поредица от няколко по-малки по обем резервоара, свързани с тръби в последователна верига. Препоръчва се акумулационният резервоар да се изолира, тъй като нагрятата на слънце вода в съда без изолация бързо ще губи топлинна енергия.

По същество топлоносителят в отоплителната хелиосистема трябва да циркулира без акумулиране, тъй като получената от него топлинна енергия трябва да се изразходва в периода на получаване. Акумулационният съд по-скоро изпълнява функцията на разпределител на нагрятата вода и аванкамера, поддържаща стабилността на налягането в системата.

Акумулационният съд в хелиосистемите работи като разпределител на вода и резервоар, поддържащ налягането (+)

Етапи на сглобяване на хелиосистемата

След изработването на колектора и подготовката на всички съставни конструктивни елементи на системата може да се пристъпи към непосредствен монтаж.

Един от вариантите за изграждане на серпентина от полипропиленови тръби с фитинги и тройници ще помогне бързо да се сглоби слънчевият колектор (+)

Работата започва с инсталиране на предкамерата, която обикновено се поставя в най-високата от възможните точки: на тавана, отделно стояща кула, естакада и т.н.

При монтажа трябва да се има предвид, че след запълване с течен топлоносител на системата, тази част от конструкцията ще има внушително тегло. Затова трябва да се уверите в надеждността на преградата или да я укрепите.

След инсталиране на резервоара се пристъпва към инсталиране на колектора. Този конструкционен елемент на системата се разполага от южната страна. Ъгълът на наклон спрямо линията на хоризонта трябва да бъде от 35 до 45 градуса.

След инсталиране на всички елементи те се свързват с тръби, като се обединяват в единна хидравлична система. Херметичността на хидравличната система е важен критерий, от който зависи ефективната работа на слънчевия колектор.

По схемата за сглобяване на хелиосистема за подаване на вода в летен душ може да се изгради конструкция, за да се подгрява вода за напояване или да се създават комфортни условия в прохладните вечери (+)

За свързване на конструктивните елементи в единна хидравлична система се използват тръби с диаметър един инч и половин инч. По-малкият диаметър се използва за изграждане на напорната част на системата.

Под напорна част на системата се разбира въвеждане на вода в предкамерата и извеждане на нагрятия топлоносител в системата за отопление и горещо водоснабдяване. Останалата част се монтира с помощта на тръби с по-голям диаметър.

За предотвратяване на загуби на топлинна енергия тръбите трябва да се изолират внимателно. За тази цел могат да се използват пенопласт, базалтова вата или фолирани варианти на съвременни изолационни материали. Натрупващият резервоар и предкамерата също подлежат на процедура по изолиране.

Най-простият и достъпен вариант за топлоизолация на натрупващия резервоар е изграждане на кутия около него от шперплат или дъски. Пространството между кутията и резервоара трябва да се запълни с изолиращ материал. Това може да бъде шлаковата, смес от слама с глина, сухи дървени стърготини и други.

Хелиосистемата се инсталира така, че слънчевите колектори да бъдат разположени на най-осветената страна на къщата или парцела (+)

Изпитване преди въвеждане в експлоатация

След монтажа на всички елементи на системата и изолирането на част от конструкциите може да се пристъпи към запълване на системата с течен топлоносител. Първоначалното запълване на системата трябва да се извърши чрез патрубок, разположен в долната част на колектора.

Тоест, запълването се осъществява отдолу нагоре. Благодарение на такива действия може да се избегне вероятно образуване на въздушни тапи.

Водата или друг течен топлоносител постъпва в аванкамерата. Процесът на пълнене на системата завършва, когато от дренажната тръба на аванкамерата започне да тече вода.

С помощта на поплавковия клапан може да се регулира оптималното ниво на течността в аванкамерата. След напълване на системата с топлоносител, той започва да се нагрява в колектора.

Процесът на повишаване на температурата протича дори в облачно време. Нагрятият топлоносител започва да се издига в горната част на акумулаторния резервоар. Процесът на естествена циркулация продължава, докато температурата на топлоносителя, който постъпва в радиатора, се изравни с температурата на носителя, излизащ от колектора.

При разход на вода в хидравличната система ще задейства поплавковият клапан, намиращ се в аванкамерата. По този начин ще се поддържа постоянно ниво. При това студената вода, постъпваща в системата, ще се намира в долната част на резервоара акумулатор. Процесът на смесване на студена и гореща вода практически не протича.

В хидравличната система трябва да се предвиди инсталиране на спирателна арматура, която ще предотвратява обратната циркулация на топлоносителя от колектора към акумулатора. Това се случва в случай, че температурата на околната среда падне под тази на топлоносителя.

Такава спирателна арматура обикновено се използва през нощното и вечерно време.

Подаването към местата за потребление на гореща вода се осъществява с помощта на стандартни смесители. Обикновените единични кранове е по-добре да не се използват. В слънчево време температурата на водата може да достигне до 80°С – използването на такава вода директно е неудобно. По този начин смесителите ще позволят значително да се спести гореща вода.

Производителността на такъв слънчев бойлер може да се повиши чрез добавяне на допълнителни секции колектори. Конструкцията позволява да се монтират от две до неограничен брой броя.

Производителността на хелиосистемата се увеличава чрез инсталиране на по-голям брой слънчеви колектори

В основата на такъв слънчев колектор за отопление и топла вода стои принципът на парниковия ефект и така нареченият термосифонен ефект. Парниковият ефект се използва в конструкцията на нагревателния елемент.

Слънчевите лъчи безпрепятствено преминават през прозрачния материал на горната част на колектора и се преобразуват в топлинна енергия.

Топлинната енергия се оказва в затворено пространство благодарение на херметичността на кутията на секцията на колектора. Термосифонният ефект се използва в хидравличната система, когато нагрятият топлоносител се издига нагоре, като при това измества студения топлоносител и го кара да се движи към зоната на нагряване.

Благодарение на термосифонния ефект в системата се осъществява стабилна и непрекъсната естествена циркулация на топлоносителя.

Производителност на слънчевия колектор

Основният критерий, който влияе върху производителността на хелиосистемите, е интензивността на слънчевото излъчване. Количеството падащо върху определена територия потенциално полезно слънчево излъчване се нарича инсолация.

Величината на инсолацията в различни точки на земното кълбо варира в доста широки граници. За определяне на средните стойности на тази величина съществуват специални таблици. Те отразяват средната величина на слънчевата инсолация за даден регион.

Данни за слънчевата инсолация в определен регион могат да се получат от специални карти и таблици (+)

Освен величината на инсолацията върху производителността на системата влияят площта и материалът на топлообменника. Друг фактор, влияещ върху производителността на системата, е обемът на акумулаторния резервоар. Оптималният капацитет на резервоара се изчислява, въз основа на площта на адсорберите на колектора.

В случай на плосък колектор това е общата площ на тръбите, които се намират в кутията на колектора. Тази стойност, в средна стойност, се равнява на 75 литра обем на резервоара на един м² площ на тръбите на колектора. Акумулаторният капацитет е своеобразен топлинен акумулатор.

Цени на заводските уреди

Лъвският дял от финансовите разходи за изграждане на подобна система се пада върху изработването на колекторите. Това не е изненадващо, дори в промишлени образци на хелиосистеми около 60% от стойността се пада върху този конструктивен елемент. Финансовите разходи ще зависят от избора на един или друг материал.

Трябва да се отбележи, че подобна система не е в състояние да отопли помещението, тя само ще помогне да се спестят разходи, като помага за подгряване на водата в отоплителната система. Имайки предвид доста големите разходи на енергия, които се изразходват за нагряване на вода, слънчевият колектор, интегриран в отоплителната система, значително намалява подобни разходи.

Слънчевият колектор доста лесно се интегрира в отоплителната система и системата за топла вода (+)

За нейното изработване се използват доста прости и достъпни материали. Освен това подобна конструкция е напълно енергонезависима и не се нуждае от техническо обслужване. Грижата за системата се свежда до периодичен преглед и почистване на стъклото на колектора от замърсявания.

Допълнителна информация за организацията на слънчевото отопление в дома е представена в тази статия.

Изводи и полезно видео по темата

Процес на изработване на елементарен слънчев колектор:

Как да сглобите и въведете в експлоатация хелиосистемата:

Естествено, самостоятелно изработеният слънчев колектор няма да може да се конкурира с промишлените модели. С помощта на подръчни материали е доста трудно да се постигне висок КПД, какъвто притежават промишлените образци. Но и финансовите разходи ще бъдат много по-малки в сравнение със закупуването на готови инсталации.

Въпреки това, самоделната слънчева отоплителна система значително ще повиши нивото на комфорт и ще намали разходите за енергия, която се произвежда от традиционни източници.

Имате ли опит в изграждането на слънчев колектор? Или са останали въпроси по изложения материал? Моля, споделете информацията с нашите читатели. Можете да оставяте коментари във формата по-долу.