Как сделать отопление дома солнечными батареями – теория и практика

Многие владельцы недвижимости задумываются о том, как можно сэкономить, поскольку из года в год растут цены на горячее водоснабжение и отопление. Дополнительное использование энергии солнца позволяет сокращать расходы, а иногда и свести их почти к нулю. Солнечные отопительные коллекторы являются источником экологически чистой энергии.

Как использовать энергию Солнца

Солнечные батареи и солнечные коллекторы для отопления дома представляют собой совершенно разные устройства. Первые можно использовать не только в качестве источника тепла. С их помощью производится накопление энергии Солнца и ее преобразование в электрическую, накапливаемую в аккумуляторах. Далее ее можно направить на разные нужды: питание электроприборов, подогрев воды или теплоносителя в отопительной системе и прочих. Можно самостоятельно сделать такие устройства, однако потребуется купить фотоэлементы, которые являются источниками энергии для всей системы. Основная задача мастера после этого будет состоять в том, чтобы соединить в цепь фотоэлементы, зафиксировать их в специальном корпусе, а потом установить на выбранные места.

Отопление частного дома солнечными коллекторами предполагает непосредственное использование тепловой энергии. Вода подогревается солнечными лучами, после чего она подается в систему отопления. Те люди, которые уже опробовали такой метод, говорят, что эту же воду можно использовать и для организации горячего водоснабжения. Можно сделать солнечные коллекторы для отопления своими руками. Уже не первый год умельцы создают подобные решения из подручных материалов.

Как работает коллектор в системе отопления

Чаще всего гелиосистемы используют для своей работы обычную воду, а так же антифриз. Если по сравнению с коллектором температура воды в нижней части ниже, включается обогрев. Вода перемещается по системе благодаря встроенному насосу. Нагрев воды в накопителе происходит через теплообменник, обычно коллекторы нагреваются только до определённой температуры.

При необходимости направление воды в системе меняется благодаря смесителю. Таким образом, остывающая и тёплая вода время от времени сменяют друг друга. За счёт расширения тёплой воды происходит замена жидкости в системах с естественной циркуляцией. При нагреве тёплая вода поднимается вверх, холодная выталкивается в нагревательный бак.

Обязательно наличие теплоизоляционного слоя толщиной как минимум 25−30 сантиметров, иначе система не сможет работать стабильно. Что касается резервуара, то лучше всего использовать прямоугольную форму. При соблюдении этого условия вода будет равномерно распределяться по всем имеющимся участкам. Так что работа системы в целом станет более полноценной.

Эффективность коллекторов для солнечного отопления дома

Сейчас наиболее часто встречается система отопления частных домов солнечными коллекторами. При этом обычная батарея показывает уровень эффективности до 18 %, а коллектор — 95%. При выборе данного устройства необходимо учитывать преимущества каждого вида:

Эффективность коллекторов для солнечного отопления дома
  • Плоские установки более прочные и надежные;
  • При ремонте вакуумного коллектора проще заменить детали;
  • В пасмурную погоду выработка энергии вакуумными установками больше;
  • Плоские устройства быстрее нагревают воду на 30 градусов.

Шаг 2: Готовим основание

Возьмите светильник и сделайте следующее:

  • Удалите старые лампы.
  • Снимите крепления ламп.
  • Удалите остальные внутренности.
  • Скрепите углы корпуса светильника с помощью саморезов.
  • Промажьте герметиком углы, а также все щели и отверстия в светильнике.
  • Залепите все большие отверстия алюминиевым скотчем.
  • Перед тем, как начать красить каркас черной краской, дайте силикону высохнуть в течение ночи.
Читайте также:  Дымоход из асбестовой трубы — рассмотрим все нюансы

Шаг 3: Красим

Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание

Покраска каркасов проводится в следующем порядке:

Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание
  • Наденьте одежду, которую не жалко испортить краской.
  • Наденьте защитные перчатки.
  • Накройте газетой предметы и поверхности, чтобы защитить их от попадания краски.
  • Очистите и помойте водой с мылом все корпуса светильников и затем просушите их.
  • Покрасьте светильники со всех сторон и дайте им высохнуть в течение ночи.
Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание
Шаг 2: Готовим основание

Варианты конструктивного исполнения

Различают основные два типа конструкций:

Варианты конструктивного исполнения
  • плоский солнечный коллектор;
  • более сложное устройство с применением теплового барьера в виде вакуума, который по этой причине и называется вакуумным.

Образец конструкции плоского коллектора представлен на изображении:

Варианты конструктивного исполнения

В качестве утеплителя используется обычно минеральная вата. В зимних условиях, когда градиент температур наружного воздуха и внутреннего пространства коллектора достигает значительной величины, такая теплоизоляция не спасает от больших непроизводительных потерь тепла.

Для того, чтобы солнечный коллектор эффективно работал и в любых условиях применяют вакуумный солнечный коллектор. Конструктивным элементом, отличающим от других видов теплогенераторов, являются стеклянные трубки с воссозданным внутри их вакуумным пространством. Трубки объединяются в единую конструкцию с помощью специальных соединительных устройств и представляют собой вакуумный солнечный коллектор, вариант которого на изображении:

Варианты конструктивного исполнения

Принцип работы коллектора с тепловыми трубками, работающими по технологии heat pipe:

В технологии heat pipe трубка заполняется легкоиспаряющимся веществом, которое в условиях закрытой трубы, при нагревании нижней части испаряясь, поднимается вверх. В верхней части располагается теплообменник, в котором вещество трубки конденсируется, отдавая тепло, например, если вы решили установить солнечный водонагреватель, то воде все тепло передастся воде.

Варианты конструктивного исполнения

Альтернативой технологии heat pipe по типу передачи тепла в вакуумных трубках широко используется прямоточный U-образный тепловой канал. В корпусе с вакуумным пространством монтируется изогнутая медная трубка, концы которой имеют раздельное подключение к системам теплообменника, отвечающим за холодный и горячий потоки.

Такая трубка имеет высокую производительность в передачи тепла, однако заменить одну неисправную трубку такая конструкция не позволит. Придется менять весь блок вместе с приемным теплообменником.

Солнечный коллектор — устройство и принцип работы

Устройство данного типа может эффективно применяться для обеспечения горячего водоснабжения и отопления дома. Целесообразно монтировать панели солнечные для отопления в регионах с высоким количеством ясных дней.

При этом стоит учитывать тот факт, что при экстремально низких температурах теплоноситель может замерзнуть из-за нехватки мощности коллектора, поэтому необходимо предусмотреть возможность слива воды или применять незамерзающие технические жидкости (масло и другое).

Принцип действия солнечного коллектора достаточно прост. Под воздействием энергии солнечного света происходит нагрев теплоносителя в батарее коллектора. Разность плотности холодной и горячей воды (или другого теплоносителя) обеспечивает его естественную циркуляцию в системе, в большинстве случаев установка насоса для создания подпора не требуется.

Сделать солнечный коллектор самостоятельно несложно, основными узлами установки считаются:

Солнечный коллектор — устройство и принцип работы

Принцип работы солнечного коллектора

  • Батарея (непосредственно коллектор) представляет собой радиатор, размещенный в утепленном коробе. Именно объем коллектора и протяженность труб, входящих в него и определяет тепловую мощность установки.
  • Накопительный бак предназначен для обеспечения запаса воды, предназначенной для обеспечения нужд отопления и горячего водоснабжения. В его нижнюю часть врезан трубопровод обратки из системы отопление (подается остывшая вода), а отбор горячей воды осуществляется из верхней части.
  • Аванкамера (расширительный бак) предназначена для обеспечения постоянного уровня воды в системе, благодаря ей предотвращается возможность завоздушивания магистралей и обеспечивается циркуляция теплоносителя.
Читайте также:  Как сделать камин из кирпича своими руками

Помимо этих элементов солнечное отопление частного дома включает в себя систему трубопроводов, запорную арматуру для регулировки потоков, слива теплоносителя, отопительные приборы.

Реально ли смонтировать солнечный коллектор самостоятельно?

Панель солнечного коллектора представляет собой систему соединенных между собой труб, помещенную в утепленный короб. Для изготовления панели можно применять трубы различного диаметра, при этом больший основные элементы соединяются между собой перемычками меньшего сечения (подобную конструкцию имеет отопительный регистр).

Солнечный коллектор своими руками

Устройство солнечного коллектора предполагает размещение теплообменного радиатора в утепленный короб. Для его монтажа могут применяться различные материалы (от фанеры и OSB до обычных досок), утепление можно выполнить пенопластом или минеральной ваты достаточной для региона толщины. Для увеличения эффективности установки внутренняя часть короба и сам радиатор красят черной краской, которая обеспечит увеличение поглощения солнечного света и позволит увеличить тепловую мощность установки.

Солнечный коллектор — устройство и принцип работы

Устанавливать панель коллектора необходимо с южной стороны строения, при этом угол наклона к горизонту должен составлять 30-45 градусов, это обеспечит более устойчивую циркуляцию теплоносителя.

Накопительный бак должен иметь объем, позволяющий обеспечить потребность всех потребителей. Обычно его емкость составляет 300-500 литров (если бак такого объема подобрать сложно, можно соединить между собой несколько отдельных емкостей). Необходимо предусмотреть мероприятия по утеплению этого устройства, это позволит снизить неэффективные потери тепловой энергии, что обеспечит более качественное отопление дома. По уровню расположения накопительный бак должен быть несколько выше, чем солнечная панель, минимальное расстояние между ними составляет 0,7-1 метр.

В верхней точке системы устанавливается аванкамера емкостью до 40-50 литров. Он оснащается краном поплавкового типа и дренажным трубопроводом. Эти элементы обеспечат подпитку системы из подключенного трубопровода холодного водоснабжения при снижении уровня теплоносителя.

Плоские коллекторы

Конструкция плоского коллектора предполагает наличие абсорбера, корпуса, прозрачного покрытия и теплоизоляции. Для прозрачного покрытия чаще всего используют безосколочное стекло, обладающее высоким коэффициентом пропуска коротковолновых солнечных лучей. Одновременно с этим снижается отражение с поверхности стеклянного слоя. Ко всему прозрачное покрытие коллектора способствует отводу тепла через процесс конвекцию.

Типичный плоский коллектор

Таким образом, прозрачное покрытие вместе с корпусом способно защитить абсорбер от неблагоприятных погодных и природных условий. Достаточно часто в производстве корпусов применяют оцинкованную сталь или алюминий, а в некоторых случаях – даже синтетические материалы. За счет наличия на обратной стороне и стенках абсорбера теплоизоляционного слоя существенно сокращаются потери тепла. В основном роль изоляционного материала играет минеральная вата или пена из полиуретана, изредка можно встретить минеральное волокно, куда относят стеклопластик, стекловату, стекловолокно и т.д.

Плоские коллекторы

Плоские солнечные коллекторы для отопления дома всегда отличались прекрасными показателями соотношения мощности и цены. Кроме этого, они предлагают большой выбор способа установки, ведь можно заказать себе отдельно стоящие коллекторы, можно встроенные в крышу, а можно и расположенные над кровлей.

Для сокращения потерь от процесса конвекции внутри корпуса коллектора используется множество способов, один из которых предполагает откачку теплого воздуха из коллектора в помещение. Такой коллектор называется вакуумным, и особенностью его является то, что процедуру вакуумирования он должен проходить регулярно каждые 1-3 года.

Коллектор из поликарбоната

Изготавливают из сотовых панелей, отличающихся хорошими теплоизоляционными свойствами. Толщина листов от 4 до 30 мм. Выбор толщины поликарбоната зависит от необходимой теплоотдачи. Чем толще лист и ячейки в нем, тем больше воды сможет нагреть установка.

Читайте также:  Как правильно топить котел дровами – рекомендации от специалиста

Чтобы самому сделать гелиосистему, в частности самодельный солнечный водонагреватель из поликарбоната, понадобятся следующие материалы:

  • две штанги с нарезанной резьбой;
  • пропиленовые уголки, на фитингах должно быть наружное резьбовое соединение;
  • пластиковые трубы ПВХ: 2 шт, длина 1,5 м, диаметр 32;
  • 2 заглушки.

Трубы укладывают в корпус параллельно. Подключают к ГВС через отсекающие краны. Вдоль трубы делают тонкий надрез, в который можно вставить лист поликарбоната. Благодаря принципу термосифона вода будет самостоятельно поступать в желобки (ячейки) листа, нагреваться и уходить в накопитель, расположенный вверху всей системы нагрева. Для герметизации и фиксации листов, вставленных в трубу, используют силикон, стойкий к термическому воздействию.

Чтобы увеличить теплоэффективность коллектора из сотового поликарбоната, лист покрывают любой селективной краской. Нагрев воды после нанесения селективного покрытия ускоряется приблизительно в два раза.

Принцип обогрева и его эффективность

Абсорберы воздушных коллекторов делают черного цвета, для увеличения интенсивности нагрева под воздействием солнечного излучения. Температура воздуха в коллекторе достигает 70-80°С. Тепла с избытком хватает для полноценного обогрева помещений небольшой площади.

Принцип действия воздухонагревателя следующий:

  • воздух закачивается с улицы в корпус коллектора принудительным способом;
  • внутри блока установлены абсорберы, отражающие тепло, поднимающие температуру внутри ящика до 70-80°С;
  • происходит нагрев воздуха;
  • разогретые воздушные массы принудительно нагнетаются в отапливаемые помещения.

В заводских моделях обеспечение циркуляции воздуха осуществляется при помощи вентиляторов, подключенных к солнечным батареям. Как только ультрафиолетовое излучение становится достаточно интенсивным, чтобы выработать некоторое количество электроэнергии, турбины включаются. Коллекторы начинают работать на обогрев. Зимой интенсивность излучения Солнца снижается.

Дом не сможет полностью функционировать на солнечном воздушном отоплении. Воздухонагреватели используются как дополнительный источник тепла. При правильных расчетах одна установка (данные взяты из технических характеристик воздушных солнечных коллекторов Solar Fox) обеспечит следующую экономию, за отопительный сезон:

  • газ до 315 м³;
  • дрова до 3,9 м³.

Система солнечного воздушного обогрева компенсирует около 30% необходимого для здания тепла. Полная окупаемость достигается в течение 2-3 лет. Если учесть, что принцип работы связан с использованием установки и для кондиционирования воздуха, а в течение года вырабатывается около 4000 кВт, целесообразность использования становится еще очевиднее.

В странах ЕС широкое распространение получило конструкторское решение «солнечная стена». Конструкция заключается в следующем:

  • в здании одна из стен изготавливается из аккумулирующего материала;
  • перед панелью устанавливается стеклянная перегородка;
  • в течение дня тепло аккумулируется, после чего отдается в помещение ночью.

Для усиления конвекции, солнечный коллектор делается не во всю стену. Вверху и внизу предусматривают раздвижные шторки.

Подведение итогов

С учетом эффективности солнечных коллекторов становится ясно, что обогрев дома только с их использованием, будет стоить дорого по сравнению с другими способами теплоснабжения жилья. Более выгодным получится отопление с применением инверторных кондиционеров, таких как тепловые насосы, которые на каждый киловатт мощности способны перекачать в здание около 5 киловатт тепла.

Источниками энергии для них являются грунт, воздух на улице и вода из никогда не замерзающих водоемов. Можно задействовать солнечный коллектор в качестве отопительного оборудования при отсутствии магистрального газоснабжения.