Гелиосистема для горячего водоснабжения: принцип работы и устройство, типы, особенности монтажа

Востребованы ли гелиосистемы

Уже сейчас установлено более 160 млн.м2 этих панелей во всем мире. Лидируют Китай и Япония. Не отстают и некоторые европейские страны, где выработка тепла такими системами составляет около 5% от всей необходимой.

Пройдет не много лет и многие страны откажутся от газа и угля совсем. К примеру, в Украине, где тарифы достаточно высокие, такие системы устанавливают в больших количествах. Единоразовое вложение денег позволит получить энергонезависимость, пусть даже и частичную. И дело не только в экономии, такие установки экологически чисты и не загрязняют окружающую среду.

Преимущества этих систем

Альтернативных источников энергии сейчас много, это и солнечные панели, ветрогенераторы, тепловые насосы и тд. Однако именно солнечные коллекторы набирают все большую популярность, этому есть ряд причин:

• Стоимость системы самая низкая из всех альтернативных источников
  , это обусловлено несложной технологией изготовления и монтажа.
• Несложный монтаж
  , который можно сделать даже самому, обладая определенными знаниями и навыками.
• Легкость в эксплуатации
  , не нужно никаких особых навыков чтобы следить за ними.
• Низкая стоимость ремонта
  , все детали системы недорогие. Нет крупных узлов, требующих замены целиком. Ремонт можно выполнить самостоятельно, предварительно немного изучив устройство.
• Универсальность
  . Гелиосистему можно использовать для нагрева воды и отопления, без дополнительных циклов преобразования энергии. Подобрать количество панелей можно исходя их конкретной необходимости.

Немного о недостатках

Однако, это все относительно. Большее количество панелей и аккумулирующие баки большей емкости увеличат этот %. Но, дополнительное оборудование увеличит и стоимость системы.

Конструкция своими руками

Конструкция солнечных установок не настолько сложна, чтобы люди, обладающие некоторой подготовкой, были не в состоянии самостоятельно изготовить и запустить их в своих домах. Гелиосистема для отопления дома 100 кв м своими руками — это вполне воплотимый замысел, который поможет существенно сэкономить на приобретении и ремонтных работах. Рассмотрим возможные варианты.

Термосифонная гелиосистема

Термосифонные гелиосистемы — это трубчатые коллекторы, которые были рассмотрены выше. Существуют безнапорные и напорные конструкции, различающиеся способом циркуляции теплоносителя. Безнапорные работают на естественном перемещении жидкости и не нуждаются в электроэнергии, состав комплекса намного проще и дешевле. Напорные способны обеспечить заданный режим циркуляции и позволяют получить максимальную эффективность. Наиболее активная работа таких систем — период с апреля по октябрь, чем севернее регион, тем короче срок наибольшей активности установок.

Воздушная гелиосистема

Воздушные коллекторы — это установки, использующие в качестве теплоносителя воздух. Они обогревают дом вентиляционным методом, что позволяет серьезно экономить на создании отопительных контуров и пользоваться системой круглый год.

Коллектор представляет собой полый черный ящик, в котором от солнечного тепла нагревается воздух. Теплый воздух направляют в помещение, а остывший — в коллектор на подогрев. Для снижения теплопотерь ящик устанавливается в прозрачную герметичную емкость, защищающую от внешних воздействий — ветра, низкой температуры и т. п. Вход и выход размещают в разных помещениях для увеличения разницы давления и организации самостоятельно циркуляции потоков.

Требования к отопительным приборам

Частым заблуждением является предположение, что использование солнечной энергии для поддержки системы отопления возможно только для систем напольного отопления (теплых полов). Такое предположение ошибочно. Производительность гелиосистемы при радиаторном отоплении в среднем за год всего лишь немного меньше. Причина этого – более высокая температура на входе в солнечную систему, которая всегда определяется температурой в обратном трубопроводе отопительного контура. При сравнении различных отопительных приборов необходимо иметь в виду, что в переходный период тепловую нагрузку системы отопления должна покрывать в основном гелиосистема. Однако в это время отопительные приборы работают не в диапазоне расчетных температур, а обратный трубопровод может иметь более низкую температуру.

Очень важно обеспечить правильное гидравлическое уравнивание отопительных контуров радиаторов!

Как выбрать гелиоустановку

Выбор вида гелиоустановки и ее мощности зависит от того назначения, для которого она предназначена и района проживания: количество солнечных дней в году и минимальная температура воздуха зимой. Так как в наших широтах зимой имеют место отрицательные температуры, то лучшим выбором будут двухконтурные установки с теплоносителем в виде незамерзающей жидкости.

Если с помощью гелиосистемы будет осуществляться только горячее водоснабжение дома, тогда потребуется установка меньшей мощности и соответственно меньшая площадь солнечного коллектора. Если же с помощью солнечной энергии предполагается и отапливать дом, то здесь мощность установки и площадь коллекторов должна быть значительно большей. Так площади солнечного коллектора 4-6 м2 будет достаточно, чтобы обеспечить на 50-70% горячее водоснабжение в доме. Площади 10-12 м2 уже должно полностью хватать для горячего водоснабжения и частично – для отопления.

Полное обеспечение дома тепловой энергией возможно только при площади солнечного коллектора больше 12 м2 . Хотя это зависит еще и от размеров самого дома и насколько эффективно он утеплен. Если же солнечной энергии, в какой-то период для отопления будет недостаточно, например при значительном похолодании или отсутствии солнечной погоды, то для этого в отопительный контур параллельно подключают резервный котел: электрический, газовый или другой, в зависимости от доступности того или иного вида топлива.

Установка и ориентация

Солнечные коллекторы на крыше дома и перед бассейном

Солнечные коллекторы, в зависимости от их вида и площади, можно установить как на крыше дома, так и на открытой площадке возле дома, обязательно с южной стороны. Очень важное значение имеет и угол их наклона. Чем он ближе к значению 90° по отношению к солнечным лучам, тем лучше будет нагреваться теплоноситель в них. Наилучшим вариантом здесь были бы системы с автоматическим регулированием угла наклона. Но такие гелиосистемы имеют большую стоимость. Если же коллекторы закрепляются неподвижно, то они должны быть ориентированы на юг или максимально близко к этому направлению.

Срок окупаемости

Окупаемость гелиосистем зависит, как от самой их стоимости, так и он цены на традиционный виды энергии, которые используются для отопления в той или иной местности. Для Европы, где гелиоустановки пользуются наибольшей популярностью, срок окупаемости, в среднем, составляет до 5 лет. Для средней полосы России, а также сопредельных стран он будет, как минимум, в два раза больше. Хотя, учитывая постоянный рост цен на энергоносители, со временем, он будет сокращаться. При этом, необходимо учитывать, что даже используя гелиоустановки, как дополнительное отопление или для горячего водоснабжения можно экономить от 40 до 70% топлива других, традиционных видов.

Видео по теме:

Принцип работы и виды гелиосистем

Принцип их работы основан на нагревании солнечными лучами теплоносителя, который циркулирует в солнечном коллекторе с последующей подачей его в бак-аккумулятор, откуда тепло подается в систему отопления или горячего водоснабжения дома.

Солнечный коллектор представляет собой панель с теплообменными элементами в виде пластин или вакуумных трубок. Попадая на их поверхность, солнечная энергия поглощается ими, тем самым нагревая теплоноситель до 90-110°С, который подается в накопительный бак емкостью 250-300 литров. Он по своей конструкции очень похож на бойлер, также имеет внутренний теплообменник (один или два – в зависимости от количества контуров). Иногда в него дополнительно монтируют электрический нагревательный элемент, который включается, если количества тепловой энергии, получаемой от солнца, недостаточно.

Количество контуров и способы циркуляции теплоносителя

Гелиосистемы могут быть:

• одно- или двухконтурными;
• с естественной или принудительной циркуляцией.

В одноконтурных установках (рис. 1) вода в систему водоснабжения или отопления подается непосредственно из бака-аккумулятора. Она же нагревается и циркулирует в солнечном коллекторе. Такая система достаточно проста и имеет высокий КПД. Но имеет и существенные недостатки. Для нормальной ее работы необходима качественная мягкая вода, если в систему подается жесткая вода, а она очень часто бывает именно такой в скважинах и колодцах, то это значительно сокращает эффективность и срок службы оборудования. Кроме того, если в коллекторе циркулирует обычная вода, то в холодное время года она может просто замерзнуть.

Рис. 1 Одноконтурная гелиоустановка с естественной циркуляцией теплоносителя

Двухконтурные гелиосистемы (рис. 2) предполагают наличие двух контуров.

Рис. 2 Двухконтурная гелиоустановка с принудительной циркуляцией для отопления и горячего водоснабжения дома

В одном циркулирует теплоноситель, получающий энергию в коллекторе (это обычно незамерзающая жидкость) и, через теплообменник в накопительном баке, отдающий ее воде, которая нагреваясь таким образом поступает в систему горячего водоснабжения или отопления дома. Такие системы имеют несколько меньший КПД, но зато могут эксплуатироваться при отрицательных температурах наружного воздуха, да и специальный теплоноситель не будет вызывать коррозии коллектора и не происходит отложение солей жесткости, как в случае использования в качестве теплоносителя воды из колодца или скважины.

Естественная и принудительная циркуляция теплоносителя

В гелиосистемах с естественной циркуляцией (рис. 1), она осуществляется за счет конвекции, то есть за счет того, что более теплая вода имеет меньшую плотность и поднимается вверх, а на место ее поступает более плотная – холодная. Чаще всего по такой схеме работают одноконтурные системы. Преимуществом таких систем является их независимость от наличия электроэнергии.

В системах с принудительной циркуляцией (рис. 2), для ее поддержания используется циркуляционный насос или, чаще всего — насосная станция, которая кроме самого насоса включает автоматику, регулирующую и запорную арматуру, воздушный клапан и расширительный бак. Двухконтурные гелиосистемы, чаще всего, используют именно этот способ циркуляции. Хотя принудительная циркуляция является более эффективной по сравнению с естественной, но требует наличия электроэнергии для работы насоса.

Сколько энергии дает солнце

Из вышесказанного ясно, что эффективней всего гелиосистема будет работать летом, когда солнце высоко и солнечного света больше.

В цифрах энергия солнечного света характеризуется для 52 параллели и южнее как: Для июня — около 600 Вт энергии с метра кв. нагреваемой площади за один час.

Зимой же – чуть ли не в десять раз меньше. Для декабря – 80 Вт/м кв. за час.

В межсезонье, что-то среднее – октябрь, апрель – 300 – 350 Вт/м кв.

Но это, как указывалось, — для южных широт. Севернее солнца все меньше, и получаемой энергии значительно меньше.

Что же это значит с практической точки зрения, — что можно нагреть?

Дополнительные расходы, связанные с эксплуатацией

Использование этого не подразумевает какого либо ухода или обслуживания, кроме как периодической чистки от загрязнения и снега зимой (если сам не оттает). Однако будут и некоторые попутные расходы:

• Ремонт, все что можно поменять по гарантии, производитель без проблем заменить, важно покупать официального дилера и иметь гарантийные документы.
• Электричество, его расходуется совсем немного на насос и контроллер. Для первого можно поставить всего 1 солнечную панель на 300 Вт и ее вполне будет достаточно (подойдет даже без аккумуляторная система).
• Промывка змеевиков, ее нужно будет делать один раз в 5-7 несколько лет. Все зависит от качества воды (если она используется как теплоноситель).

Советы по эксплуатации

Эксплуатация гелиоустановок производится в соответствии с особенностями конструкции. Основной задачей владельца является поддержание чистоты, удаление пыли или снега. В некоторых случаях требуется периодически изменять положение панелей в соответствии с сезонным изменением расположения Солнца. Ремонт или замена отдельных элементов производится по мере возникновения необходимости, все работы можно выполнять как самостоятельно, так и с помощью привлеченных специалистов.

Как установить солнечный коллектор

Установить эту систему можно и самостоятельно. Для этого необходимо понимать главный принцип установки – максимум солнечного света.

1. Выбираем место
   . Оно должно быть с солнечной стороны. Для этого достаточно понаблюдать несколько дней какой место на участке солнце освещает максимально долго (нужно избегать попадания тени от деревьев или построек). Выбрать начальную точку и конечную, солнечный коллектор направить по центру этих точек. Так мы получим максимальный охват теплового излучения.
2. Угол наклона
   . Это важный этап установки, от которого зависит ее эффективность. Как правило такие данные дает производитель систем, но, в среднем это 45 градусов. Нельзя устанавливать под большим или меньшим углом, так как тогда снизится поглощающая площадь.
3. Подключаем остальное оборудование
   . Это насосная группа с контроллером, накопительный бак и соединительные трубки. Это все подключается согласно инструкции. Ничего сложно здесь нет, так как принцип устройства достаточно простой.

Рекомендации по установке

В этом списке мы перечислим те моменты, к которым монтажники должны подойти со всей ответственностью.

Итак, важны такие нюансы:

1. Площадь гелиополя. То есть позаботьтесь проверить, достаточное ли количество панелей вы приобрели. Также часто случается так, что магазин в погоне за прибылью продает слишком большое количество изделий.
2. Угол наклона коллекторов.

Исходные данные для вычисления оптимального угла наклона прибора

1. Объем накопительного бака.

Во всех случаях самым лучшим решением будет взять консультацию у независимого специалиста и уже с этими расчетами идти в магазин.

На этом наш обзор завершен, и можно перейти к итогам.

Как рассчитывается мощность

Гелиосистемы на солнечных панелях при использовании в частном секторе могут обладать высокой производительностью. Для расчёта мощности оборудования необходимо учесть площадь поглощения коллектора, величину инсоляции для региона и коэффициент полезного действия коллектора.

К примеру:

• коллектор занимает площадь 1 м2;

• оборудование имеет семь трубочек, площадь поглощения каждой составляет 0,15 м2.

Инсоляция 1173,7 (Московская обл.) умножается на 0,15 м2 и снова множится на 0,67 (коэффициент полезного действия). Получается 117,95 кВт•час/кв. м, что в перерасчёте на суточный показатель даёт 0,325 кВт•час. В летние дни при активном солнце система будет вырабатывать 0,545 кВт•час.

Стоимость установки для частного дома

На стоимость гелиосистемы для частного дома влияют следующие факторы:

• тип отопления дома, количество разводок под горячее водоснабжение;

• сложность конструкции оборудования;

• мощность;

• производитель.

Для дач и коттеджей установка мощностью 2 кВт•ч обойдётся более 165 000 рублей (базовая комплектация). Если потребуются дополнительные узлы и элементы, расходы увеличатся. Более мощный вариант гелиосистемы будет стоить свыше 270 000 рублей.

Средний срок окупаемости оборудования от 2 до 7 лет, в зависимости от режима эксплуатации.

Особенности монтажа

Помимо правильного выбора оборудования и грамотного проектирования для безупречной работы системы необходим квалифицированный монтаж. Существует много тонкостей, применение которых поможет увеличить срок эксплуатации всех элементов коллектора.

Первый нюанс касается термостатического клапана, который служит защитой от ожогов. В стандартных системах теплоснабжения этот элемент монтируют редко ввиду того, что температуру горячей воды можно регулировать на генераторе. Поэтому при проектировании гелиосистемы про клапан зачастую забывают. В регуляторе солнечной системы также можно установить ограничитель нагрева воды, но тогда эффективность оборудования будет существенно снижена. Нагретый до максимальной температуры бак обеспечит горячей водой даже в пасмурные дни.

Чтобы клапан работал правильно, его устанавливают немного дальше от водонагревателя. Близкое расположение провоцирует перегрев узла, в результате чего горячая вода перестаёт поступать в трубопровод.

Второй нюанс касается ёмкости аккумулятора ГВС. Он устанавливается в просторном месте. Это важно для беспрепятственного доступа к бачку для его обслуживания и ремонта. Нередко для бака подбирают часть помещения под лестницей или подвал. В таком случае необходимо учесть высоту потолка. Наверху водонагревателя расположен магниевый анод. Для его замены потребуется пространство над баком не менее 60 см. Если высота не позволяет производить ремонтные работы, то на этапе монтажа системы следует установить активный электрический анод.

Третий нюанс касается монтажа расширительного бачка, который компенсирует весь теплоноситель, вытесняемый из коллекторов при стагнации. При этом учитывается температурное расширение жидкости. Корректное функционирование бачка обеспечивает его правильное расположение. Монтаж производится ниже уровня насосной группы. Если расположить ёмкость выше насосов, то мембрана станет уязвимой перед воздействием высоких температур, в результате чего на ней образуется воздушный пузырь. Он подсушивает резину, ухудшая её эластичность и другие физические свойства. Это приводит к быстрому изнашиванию мембраны.

Четвёртый нюанс касается подключения гелиоконтура к баку аккумулятору. Из-за того, что тепло всегда устремляется вверх, нужно делать подключение снизу, создавая преграду на пути тёплого потока. Это достигается путём подсоединения труб к водонагревателю с созданием, так называемой петли (термопетли). При игнорировании рекомендации температура воды в баке за ночь снизится минимум на 2-8 градусов.

Пятый нюанс касается обратного клапана. При его отсутствии всё тепло, накопленное за день в гелиоконтуре, рассеется через коллекторы в ночное время суток. Для предотвращения нерационального использования ресурсов рекомендуется в нижнем подключении бака аккумулятора устанавливать обратный клапан.

Коллекторы из подручных материалов

Собрать солнечный коллектор для отопления дома своими руками и дешевле и интереснее, ведь изготовить его можно из различных подручных материалов.

Из металлических труб

Этот вариант сборки походит на коллектор Станилова. При сборке солнечного коллектора из медных труб своими руками, из труб варится радиатор и помешается в деревянный короб, проложенный изнутри теплоизоляцией.

Наиболее эффективными будут медные трубы, алюминиевые тоже можно использовать, но их тяжело варить, а вот стальные – наиболее удачный вариант.

Такой самодельный коллектор не должен быть чересчур большим, чтобы его было легко собрать и монтировать. Диаметр труб на солнечные коллектора для сварки радиатора должен быть меньше, чем у труб для ввода и вывода теплоносителя.

Из пластиковых и металлопластиковых труб

Как сделать солнечный коллектор своими руками, имея в домашнем арсенале пластиковые трубы? Они менее эффективны в качестве теплонакопителя, однако в разы дешевле меди и не коррозируют как сталь.

Трубы выкладываются в короб по спирали и закрепляются хомутами. Их можно покрыть черной или селективной краской для большей эффективности.

С укладкой труб можно экспериментировать. Так как трубы плохо гнутся, их можно укладывать не только по спирали, а и зигзагом. Среди преимуществ, пластиковые трубы легко и быстро поддаются пайке.

Из шланга

Чтобы сделать солнечный коллектор для душа своими руками понадобится резиновый шланг. Вода в нем нагревается очень быстро, поэтому его тоже можно использовать в качестве теплообменника. Это самый экономичный вариант при изготовлении коллектора своими руками. Шланг или полиэтиленовая труба укладывается в короб и прикрепляется хомутами.

Так как шланг скручен по спирали, в нем не будет происходить естественная циркуляция воды. Чтобы использовать в данной системе ёмкость для накопления воды, необходимо оснастить её циркуляционным насосом. Если это дачный участок и горячей воды уходит немного, то того её количества, которое буде поступать в трубу, может оказаться достаточно.

Из банок

Теплоносителем солнечного коллектора из алюминиевых банок выступает воздух. Банки соединяются между собой, образуя трубу. Чтобы сделать солнечный коллектор из пивных банок нужно обрезать днище и верх каждой банки, состыковать их между собой и склеить герметиком. Готовые трубы помещаются в деревянный короб и накрываются стеклом.

В основном, воздушный солнечный коллектор из пивных банок используют для устранения сырости в подвале или для обогрева теплицы. В качестве теплонакопителя можно использовать не только пивные банки, а и пластиковые бутылки.

Из холодильника

Солнечные водогрейные панели своими руками можно соорудить из непригодного холодильника или радиатора старого авто. Конденсатор, извлеченный из холодильника, надо хорошо промыть. Горячую воду, полученную таким способом, лучше использовать только для технических целей.

На дно короба расстилается фольга и резиновый коврик, потом на них укладывается конденсатор и закрепляется. Для этого можно применить ремни, хомуты, либо то крепление, которым он был прикреплен в холодильнике. Для создания давления в системе не помешает установить над баком насос или аквакамеру.

Подключим горячее водоснабжение?

В дополнение к отоплению, к коллекторной солнечной системе можно подключить горячее водоснабжение. Для этого подсчитаем, сколько тепловой энергии вам необходимо тратить каждый день. Формула расчета солнечного коллектора для ГВС проста:

Pw = 1,163 x V x (T – t) / 24

Обозначения:

• Pw – количество тепла, необходимое для подогрева воды;
• V – средний объем горячей воды, расходуемый за сутки;
• T – температура, до которой нужно подогреть воду;
• t – температура, с которой вода поступает в систему.

Чтобы рассчитать необходимое количество дополнительных коллекторов для ГВС – разделите это значение на производительность солнечного коллектора P, полученное по последней формуле.

Рабочая площадь

Производительность коллектора зависит от площади его рабочего поля и степени освещения. Площадь определяется на основе летней нагрузки: затраты на горячее водоснабжение, поддержку системы, предотвращающую конденсацию, и так далее. Расчеты можно выполнить своими руками: для этого проще всего воспользоваться онлайн-услугой, указав количество обитателей, уровень потребления горячей воды и угол наклона, под которым возможно разместить панель.

Для отопления в зимний период гелиополе – рабочая площадь аппарата, должно быть в 2– 2,5 раза больше. Более точное значение может установить специалист, учитывающий степень утепления, особенности здания и тому подобное.

Как выбрать гелиоустановку для отопления и горячего водоснабжения жилого дома?

Выбор гелиосистемы является важным шагом, определяющим эффективность ее работы и вложения денег. Надо определить, какая нужна гелиосистема, цена и размер, тип солнечных коллекторов и прочие параметры комплекса.

Необходимо подобрать конструкцию и комплектацию системы, руководствуясь следующим критериями:

• уровень солнечной активности в регионе;
• количество тепловой энергии, необходимое для обогрева дома;
• установить приоритет солнечной энергии в отоплении дома — либо гелиоустановка служит в качестве основной системы, либо как дополнение.

Определившись с главными факторами, можно приступать к выбору оптимального варианта конструкции и объема системы.

До 100 м2

Гелиосистема для отопления дома 100 кв. м. может служить основным источником тепловой энергии. Основной задачей станет правильный выбор конструкции солнечных коллекторов, чтобы имелась возможность получать максимальное количество тепла.

Необходимо произвести расчет с учетом этажности и конфигурации дома, количества солнечных дней в году, параметров теплоносителя в системе. Гелиосистема для отопления дома 100 кв. м., цена которой может составлять от 18 тыс. руб. до 180 тыс. руб. и выше, вполне способна обеспечить обогрев дома, если будут соблюдены все необходимые условия.

До 200 м2

Для дома площадью 200 м 2 гелиосистема может стать только дополнительным источником обогрева. Обычно пик использования таких установок приходится на осенний и весенний период, когда солнечного тепла достаточно, но потребность в обогреве дома существует.

Конструкционных отличий для таких систем практически не имеется, только накопительный бак является общим с основной отопительной линией дома. Специалисты утверждают, что использование гелиоустановок в весенний и осенний периоды позволяет снизить нагрузку на отопительные системы примерно на 30-40%.

Тепловые коллекторы для отопления: преимущества

Развитие технологий привело к широкому применению гелиосистем для отопления. Использование таких систем снижает тепловую нагрузку на здание, к тому же становится ощутимым вклад энергии солнца. Гелиосистемы обязаны своей популярностью тем, то они позволяют экономить на оплате за пользование традиционными энергоносителями.

Использование солнечных систем отопления позволяют заботиться об окружающей среде, снижая уровень вредных выбросов.

Самый распространенный на сегодня вид гелиосистем – устройства суточного аккумулирования тепловой энергии. Их недостаток – невозможность сделать то-либо с излишками тепла в летний период. Выход – следование методу сезонного аккумулирования.

Преимущества системы:

• Экологичность;
• Экономичность;
• Эффективность;
• Легкий монтаж и использование.

Солнечные водяные системы отопления можно подключить самостоятельно, если есть схема подключения и понимание процесса. Установку можно выполнить с помощью профессионального мастера, который также поможет выбрать эффективную систему. Установка такой системы экономически оправданна, так как расчет электроэнергии значительно изменятся.