Использование бесплатной солнечной энергии — хороший способ сэкономить топливо и электроэнергию для отопления частного дома. Массовому использованию систем солнечного отопления препятствует высокая стоимость теплообменников и сопутствующих устройств — накопительного бака, циркуляционного насоса, электронного контроллера и другой арматуры. Единственный способ снизить затраты — самостоятельно изготовить солнечный коллектор из недорогих материалов и собрать стандартную схему подключения.
Принцип работы солнечных нагревателей
Прежде чем делать домашнюю солнечную установку, стоит познакомиться с устройством заводских солнечных коллекторов — воздушных и водяных. Первые используются для непосредственного обогрева зданий, вторые как водонагреватели или как охлаждающая жидкость незамерзающая — антифриз.
Ссылка. Воздушные агрегаты не очень популярны из-за ограниченной функциональности. Солнечные водонагреватели становятся все более популярными, потому что они могут обеспечивать отопление, горячую воду и повышать температуру в открытых плавательных бассейнах.
Основным элементом солнечной установки является сам солнечный коллектор, который доступен в 3-х вариантах:
- Плоский водонагреватель. Это герметичный ящик, изолированный снизу. Внутри находится теплообменник (поглотитель) из листового металла, на котором крепится медный змеевик. Этот элемент сверху покрыт прочным стеклом.
- Конструкция воздухотеплового коллектора аналогична предыдущей версии, с той разницей, что вместо охлаждающей среды через вентилятор циркулирует воздух.
- Конструкция трубчатого вакуумного коллектора принципиально отличается от плоских моделей. Аппарат состоит из прочных стеклянных колб с медными трубками. Их концы подключаются к 2-м линиям подачи и возврата, и из колб удаляется воздух.
Дополнительный. Существует еще один тип вакуумных водонагревателей, в которых стеклянные колбы плотно закрыты и заполнены специальным материалом, который испаряется при низкой температуре. Во время испарения газ поглощает большое количество тепла, которое передается воде. В процессе теплопередачи это вещество снова конденсируется и стекает на дно колбы, как показано на рисунке.
Конструкция вакуумной трубки для прямого нагрева (слева) и колбы по принципу испарения / конденсации
Типы коллекторов, упомянутые выше, используют принцип прямой передачи солнечного тепла (также известного как солнечный свет) протекающей жидкости или воздуху. Плоский водонагреватель работает так:
- Вода или антифриз протекает через медный теплообменник со скоростью 0,3-0,8 м / с, нагнетаемый циркуляционным насосом (хотя гравитационные модели также доступны для внешних душей).
- Солнечные лучи нагревают пластину поглотителя и тесно соединенную трубку змеевика. Температура протекающей охлаждающей жидкости повышается на 15-80 градусов в зависимости от сезона, времени суток и погоды на улице.
- Для предотвращения теплопотерь дно и борта кожуха утеплены пенополиуретаном или экструдированным пенополистиролом.
- Прозрачная верхняя панель выполняет три функции: защищает селективное покрытие абсорбера, предотвращает продувание змеевика ветром и создает герметичную камеру, сохраняющую тепло.
- Горячий теплоноситель поступает в теплообменник накопительного бака — буферную емкость или водонагреватель косвенного нагрева.
Поскольку температура воды в контуре устройства меняется в зависимости от времени года и суточных изменений, солнечный коллектор нельзя использовать напрямую для отопления и горячего водоснабжения. Энергия, полученная от солнца, передается первичному теплоносителю через змеевик накопительного бака (бойлера).
Исключение составляют солнечные системы для бассейнов, которые нагревают воду в баке напрямую или с помощью простого теплообменника.
Эффективность трубчатых блоков повышается за счет вакуума и внутренней отражающей стенки в каждом пузыре. Солнечные лучи свободно проходят через безвоздушный слой и нагревают медную трубку антифриза, но тепло не может преодолеть вакуум и уйти, поэтому потери минимальны. Другая часть излучения попадает в отражатель и фокусируется на ватерлинии. По заявлению производителей, КПД системы составляет до 80%.
Когда вода в баке нагревается до необходимой температуры, солнечные теплообменники переключаются на бассейн с помощью трехходового клапана.
Изготавливаем водяной коллектор
Водонагреватель вакуумного типа сделать в домашних условиях не представляется возможным по понятным причинам. Поэтому решение представляет собой плоскую конструкцию с теплообменником и поглотителем, собирающим солнечные лучи. Лучше всего рассчитать площадь абсорбера и температуру воды на выходе, которая зависит от многих факторов:
- регион проживания и уровень инсоляции;
- температура окружающей среды, особенно зимой;
- площадь поверхности теплопередачи, которая принимает солнечное излучение;
- материал рулона и покрытие;
- температура теплоносителя на входе;
- угол наклона панели по отношению к солнечным лучам;
- скорость потока воды по трубкам теплообменника.
Найти в Интернете расчеты КПД солнечного коллектора несложно, но будьте осторожны — они очень неточные.
Пример. На самом деле предполагается, что в ясный день на 1 м² площади приходится 500-800 Вт солнечной энергии. Затем мы используем школьную формулу m = Q / 1,163 x Δt, чтобы определить массу воды, нагретой до 40 ° C с помощью теплообменника 1 м²: 500 / 1,163 x 40 = 10,7 литра в час. Инсоляция мощностью 800 Вт / м² нагревает 17,2 литра в час. Однако черт кроется в деталях: изначально заявленное значение 0,5 — 0,8 кВт на квадратный метр — очень приблизительное значение.
Теплоприемник из труб ПНД (слева) и змеевиков садового шланга, помещенных внутри оконных рам (справа)
Предлагаем упрощенный подход к этому вопросу, включенный в пошаговую инструкцию:
- Определите пространство и площадь, от которых вы готовы отказаться в пользу коллекционера.
- Исходя из цен на материалы, выберите подходящий вариант теплообменника и корпуса в сборе.
- Сделайте прототип и подключите его к системе отопления или водоснабжения согласно соответствующей схеме. Мы покажем вам, как его установить в следующих разделах этой статьи.
- Протестируйте отопительный контур дома и сделайте дальнейшие выводы по поводу увеличения / уменьшения мощности, изменения конструкции и т. д.
Теперь давайте рассмотрим каждый шаг отдельно, акцентируя внимание на подводных камнях.
Размещение тепловой установки
Фактически существует всего два варианта расположения домашнего коллектора: на крыше здания или на открытом пространстве садового участка. Выбирая локацию, руководствуйтесь такими простыми правилами:
- Днем территория должна быть полностью освещена, не покрыта деревьями и другими хозяйственными постройками.
- Для установки на крыше выберите более пологий уклон, куда всегда доходят солнечные лучи. Очевидно, что крутая часть скатной мансардной крыши не подходит.
- Водонагреватель для отопления или ГВС не следует устанавливать далеко от квартиры. Это увеличивает длину подводящих линий, теплопотери и затраты на установку.
- Наземный коллектор следует расположить так, чтобы солнце, оптически движущееся с востока на запад, постоянно освещало коллектор тепла. Угол установки панели составляет 60 ± 15 °.
Внимание. Эффективность нагревательного элемента может быть увеличена за счет использования параболического солнечного концентратора, который собирает лучи в единый луч, направленный на поглотитель. Конструкция и сборка вогнутого зеркала показаны на видео.
На крыше этого здания установлены солнечные батареи, подключенные самотеком для нагрева воды в летний душ. Оборудование для подогрева бассейна размещается рядом с бассейном.
Выбор материалов
Мы сделали подборку комплектующих для производства солнечных водонагревателей своими руками, основываясь на отзывах и темах популярного форума Forumhouse. Таким образом, прямоугольную ствольную коробку чаще всего делают из деревянных балок или сборных рам старых окон. Задняя стенка ящика утепляется базальтовой ватой, пенополистиролом или экструдированным пенополистиролом.
Кончик. Дно ящика может быть выполнено из пластикового утеплителя, покрытого фольгой. Металлический слой будет служить поглотителем — дополнительный лист класть не нужно.
Теплообменники изготавливаются домашними мастерами из различных труб:
- черный полиэтилен (HDPE);
- гофрированная нержавеющая сталь;
- медь и алюминий;
- полипропилен и металлопластик;
- сшитый полиэтилен;
- стальные пластинчатые радиаторы.
Примеры самодельных теплообменников из медных и стальных профильных труб
Ради эффективности и долговечности лучше использовать трубы из алюминия, меди и нержавеющей стали, которые имеют лучшую теплопроводность. Недостаток этого материала — высокая цена.
Пластиковые трубы намного дешевле металлических и их проще установить. Однако при использовании полимеров следует учитывать ряд нюансов:
- Под воздействием УФ-излучения все пластмассы постепенно портятся;
- Стенки полипропиленовых труб слишком толстые и плохо проводят тепло;
- Пластик хорошего качества слишком дорог для наших целей, а дешевый имеет свойство расслаиваться на изгибах и быстро портиться на солнце;
- Сшитый полиэтилен «запоминает» первоначальный изгиб катушки, из него удобно делать круглую катушку, а распрямить ее непросто;
- Трубы ПНД следует приобретать из пищевой серии (с синей полосой), они лучше защищены от ультрафиолета.
Ссылка. Самый простой вариант теплообменника для бассейна — черный садовый шланг, проложенный «шнеком». Недостатком материала является растрескивание резины от длительного воздействия солнечных лучей.
Вода, нагретая солнцем, может проникнуть через сотовый поликарбонат. К концу листа припаивается коллектор — полимерная трубка.
Тонкостенные трубы ПНД — отличный выбор по соотношению цена-качество. Черная поверхность хорошо поглощает солнечное тепло, а соединительные элементы стоят недорого. Труба крепится к поглотителю с помощью пластиковых хомутов или металлической планки на саморезах.
Абсорбирующий лист можно использовать как абсорбирующий лист или из нержавеющей стали, окрашенный в черный цвет. Идеальное решение — алюминиевый или медный лист.
Верх коробки закрыт следующими прозрачными материалами по вашему выбору:
- обычное или армированное стекло;
- прозрачная полиэтиленовая пленка;
- тонкий сотовый поликарбонат.
Фольга — самый дешевый вариант покрытия. Одна проблема: тонкие полиэтиленовые трещины на морозе
Кончик. Сборное стекло из пластиковых окон не должно использоваться в качестве прозрачного элемента. Зимой стеклопакет не выдержит больших перепадов температур наружного воздуха и закрытой коллекторной камеры и потрескается.
Рекомендации по сборке
Процесс изготовления солнечного коллектора настолько очевиден, что нет смысла описывать его пошагово. Задача — сделать камеру максимально герметичной, установив теплообменник внутри металлического поглотителя. Вот лишь несколько советов, которые помогут вам не ошибиться:
- Трубки теплообменника могут быть расположены продольно или по спирали (улитка). Промежутки между соседними линиями (витками) должны быть как можно меньше — от 1 до 4 см.
-
Герметичность корпуса достигается за счет покрытия стыков силиконовым герметиком или путем установки резиновых прокладок.
- Крепятся трубы к основанию любым удобным способом — пластиковыми хомутами, металлической полосой или просто фиксируются по бокам саморезами.
- Вся внутренняя полость окрашена термостойкой эмалью черного цвета (выпускается в виде аэрозольного баллончика).
- Толщина слоя теплоизоляции на тыльной стороне водонагревателя не менее 50 мм.
-
Проще всего положить сверху прозрачную фольгу — это лучший вариант для прототипа. Позже их легко заменить стеклом.
Еще одна рекомендация. Деревянные детали необходимо обработать антисептиком. Загрунтовать сварные стальные профили и покрасить каркас в 2 слоя светлой краски.
После установки наполните пластину коллектора водой и проверьте на герметичность. Затем протестируйте солнечный коллектор — подсоедините трубы к резервуару, поместите панель на солнце и периодически измеряйте температуру воды с учетом времени нагрева. Исходя из реальных значений, определить КПД водонагревателя несложно.
Смотрите на видео процесс изготовления самодельного коллектора с медным теплообменником:
Схема подключения
Коллектор для нагрева воды в душе подключается к резервуару с помощью самотечного контура. Важное требование: солнечная установка должна быть размещена под основным резервуаром, чтобы более холодная, менее плотная горячая вода текла вверх по трубе и вытесняла холодную воду. Эта система изображена на рисунке.
В сочетании с бойлером или тепловым аккумулятором солнечный коллектор является полноценным источником тепла. Производители солнечных установок предлагают использовать двухтрубную напорную систему, включающую в себя необходимые компоненты:
- циркуляционный насос с давлением 0,4 бар;
- расширительный бак диафрагменного типа;
- автоматическая подача воздуха;
- предохранительный клапан, рассчитанный на работу при давлении 2 бара;
- манометр;
- термометр;
- закрыть клапан; подпиточный клапан;
- регулятор с двумя датчиками температуры;
- Теплоизоляция для вертикальных труб.
Важная заметка. Если к буферной емкости подключено несколько коллекторов, необходимо увеличить эффективность насоса и объем расширительного бака. Минимальная емкость мембранного бака составляет 10% от количества теплоносителя в контуре.
Схема работает следующим образом:
- Коллектор тепла подключен к нижнему змеевику буферной емкости, где вода более прохладная.
- Контроллер использует датчики для сравнения температуры воды (антифриза) в линии подачи и в буферной емкости.
- Электронный блок останавливает насос, когда температура воды в буферном баке равна или превышает температуру подаваемой воды.
- Циркуляционный воздух удаляется автоматическим клапаном, установленным в самой высокой точке системы.
- В случае перегрева теплоносителя из-за остановки насоса (потому что солнце нельзя выключить) предохранительный клапан сбросит избыточное давление.
Самый дорогой элемент системы — электронный блок управления. Как можно обойтись без контроллера:
- купите на Алиэкспресс термостат подешевле, который срабатывает по перепаду температур;
- установите дневной / ночной таймер и механический термостат, который останавливает насос, когда буферная емкость достигает максимальной температуры.
Как работает дешевый китайский коммутатор (цена — 15 злотых), смотрите в этом видеообзоре:
Отопление воздушной гелиосистемой
Блок воздушного отопления выполнен аналогично, только теплообменник выполнен из труб большего диаметра, а подача осуществляется вентилятором. Приемник излучения изготовлен мастерами из следующих материалов:
- алюминиевая гофра вентиляционных отверстий;
- пластиковые бутылки, заправленные друг в друга;
- пивные банки с вырезанным дном.
В ящике проделываются два отверстия для воздуховодов, а внутри помещается мелкая сетка, защищающая от насекомых. На одном из отверстий установлен вентилятор — компьютерный кулер, часть теплообмена окрашена в черный цвет. Линии подачи изолированы и выведены в отапливаемое помещение. Алгоритм сборки воздухосборника представлен на видео:
Заключение
Привлекательность солнечных коллекторов обусловлена ростом цен на энергию. Хотя эффективность водонагревателей зимой снижается, солнечное тепло обеспечивает заметную экономию топлива от основного источника — бойлера.Если вы хотите максимально обогреть свой загородный дом бесплатной солнечной энергией, стоит задуматься об установке зеркальных концентраторов.Эти чрезвычайно мощные устройства широко используются в Европе и Америке.
