Тепловой коллектор для отопления дома


Как сделать солнечный коллектор

Содержание:

  • Как работает солнечный коллектор?
  • Конструкция плоского коллектора
  • Устройство вакуумного коллектора
  • Как изготовить солнечный коллектор?
  • Заключение

Различные солнечные коллекторы появились на рынке достаточно давно. Это устройства, использующие энергию солнца для нагрева воды на домашние нужды. Но приобрести популярность среди пользователей им мешает высокая стоимость, это беда всех альтернативных источников энергии. Например, общие затраты на приобретение и монтаж установки, что обеспечит нужды средней семьи, составят 5000$. Но выход есть: можно сделать солнечный коллектор своими руками из доступных по цене материалов. Какими способами это реализовать, будет рассказано в данном материале.

Как работает солнечный коллектор?

Принцип действия коллектора основан на поглощении (абсорбции) тепловой энергии солнца специальным приемным устройством и передачей его с минимальными потерями теплоносителю. В качестве приемника используются медные или стеклянные трубки, окрашенные в черный цвет.

Ведь известно, что лучше всего абсорбируют тепло предметы, имеющие темную или черную окраску. Теплоносителем чаще всего выступает вода, иногда – воздух. По конструкции солнечные коллекторы для отопления дома и горячего водоснабжения бывают таких видов:

  • воздушные;
  • водяные плоские;
  • водяные вакуумные.

Среди прочих воздушный солнечный коллектор отличается простотой конструкции и, соответственно, самой низкой ценой. Он представляет собой панель – приемник солнечной радиации из металла, заключенный в герметичный корпус. Стальной лист для лучшей теплоотдачи снабжен с задней стороны ребрами и уложен на дно с тепловой изоляцией. Спереди установлено прозрачное стекло, а по бокам корпуса имеются проемы с фланцами для подключения воздуховодов или других панелей, как показано на схеме:

Воздух, поступающий через проем с одной стороны, проходит между стальными ребрами и, получив от них тепло, выходит с другой.

Надо сказать, что установка солнечных коллекторов с нагревом воздуха имеет свои особенности. Из-за их невысокой эффективности для обогрева помещений нужно применять несколько подобных панелей, объединенных в батарею. Кроме того, обязательно понадобится вентилятор, поскольку нагретый воздух из коллекторов, находящихся на кровле, самостоятельно вниз не пойдет. Принципиальная схема воздушной системы показана ниже на рисунке:

Простое устройство и принцип работы позволяют выполнять изготовление коллекторов воздушного типа своими руками. Но потребуется много материала для нескольких коллекторов, а подогреть воду с их помощью все равно не получится. По этим причинам домашние умельцы предпочитают заниматься водяными нагревателями.

Конструкция плоского коллектора

Для самостоятельного изготовления наибольший интерес представляют плоские солнечные коллекторы, предназначенные для нагрева воды. В корпусе из металла или алюминиевого сплава прямоугольной формы размещен тепловой приемник — пластина с запрессованным в ней змеевиком из медной трубки. Приемник выполняется из алюминия или меди, покрытой абсорбционным слоем черного цвета. Как и в предыдущем варианте, снизу пластина отделена от дна слоем теплоизоляционного материала, а роль крышки играет прочное стекло или поликарбонат. Ниже на рисунке изображено устройство солнечного коллектора:

Пластина черного цвета поглощает тепло и передает его теплоносителю, движущемуся по трубкам (вода или антифриз). Стекло выполняет 2 функции: пропускает к теплообменнику солнечную радиацию и служит защитой от осадков и ветра, снижающих производительность нагревателя. Все соединения выполнены герметично, чтобы внутрь не попадала пыль и стекло не теряло прозрачности. Опять же, тепло солнечных лучей не должно выветриваться наружным воздухом через щели, от этого зависит эффективная работа солнечного коллектора.

Данный вид – самый популярный среди покупателей из-за оптимального соотношения цена — качество, а среди домашних мастеров — по причине относительно несложной конструкции. Но применять такой коллектор для отопления можно лишь в южных регионах, с понижением температуры наружного воздуха его производительность значительно падает из-за высоких тепловых потерь через корпус.

Устройство вакуумного коллектора

Еще один вид водяных солнечных нагревателей изготавливается с применением современных технологий и передовых технических решений, а потому относится к высокой ценовой категории. Таких решений в коллекторе реализовано два:

  • тепловая изоляция с помощью вакуума;
  • использование энергии парообразования и конденсации вещества, кипящего при низкой температуре.

Идеальный вариант защитить абсорбер для коллектора от тепловых потерь – это заключить его в вакуум. Медная трубка, наполненная хладагентом и покрытая абсорбирующим слоем, помещена внутрь колбы из прочного стекла, воздух из пространства между ними откачан. Концы медной трубки входят в трубу, через которую протекает теплоноситель. Что происходит: хладагент под воздействием солнечных лучей закипает и обращается в пар, он поднимается по трубке вверх и от соприкосновения с теплоносителем сквозь тонкую стенку снова переходит в жидкость. Ниже показана рабочая схема коллектора:

Фокус в том, что в процессе превращения в пар вещество поглощает гораздо больше тепловой энергии, чем при обычном нагреве. Удельная теплота парообразования любой жидкости выше, нежели ее удельная теплоемкость, а потому вакуумные солнечные коллекторы весьма эффективны. Конденсируясь в трубе с проточным теплоносителем, хладагент передает ему всю теплоту, а сам стекает вниз за новой порцией энергии солнца.

Благодаря своему устройству вакуумные нагреватели не боятся низких температур и сохраняют свою работоспособность даже на морозе, а потому могут применяться в северных регионах. Интенсивность нагрева воды в этом случае ниже, чем летом, так как зимой на землю поступает меньше тепла от солнца, часто мешает облачность. Понятно, что изготовить стеклянную колбу с откачанным воздухом в домашних условиях просто нереально.

Примечание. Существуют вакуумные трубки для коллектора, заполняемые напрямую теплоносителем. Их недостаток – последовательное подключение, при выходе из строя одной колбы придется менять весь водонагреватель.

Как изготовить солнечный коллектор?

Прежде чем приступить к работе, следует определиться с габаритами будущего водогрейного аппарата. Произвести точный расчет площади теплообмена непросто, многое зависит от интенсивности солнечного излучения в данном регионе, расположения дома, материала нагревательного контура и так далее. Правильным будет сказать, что чем больше тепловой коллектор, тем лучше. Однако, его размеры наверняка ограничиваются местом, где планируется его устанавливать. Значит, надо исходить из площади этого места.

Корпус проще всего изготовить из древесины, проложив на дно слой пенопласта или минеральной ваты. Также для этой цели удобно использовать створки старых деревянных окон, где сохранилось хотя бы одно стекло. Выбор материала для приемника тепла неожиданно широк, чего только не используют мастера-умельцы, чтобы собрать коллектор. Вот перечень популярных вариантов:

  • тонкостенные  медные трубки;
  • различные полимерные трубы с тонкими стенками, желательно черного цвета. Хорошо подойдет полиэтиленовая РЕХ труба для водопровода;
  • наружный теплообменник старого холодильника;
  • трубки из алюминия. Правда, соединять их сложнее, чем медные;
  • стальные панельные радиаторы;
  • черный садовый шланг.

Примечание. Кроме перечисленных, существует масса экзотических версий. Например,воздушный солнечный коллектор из пивных банок или пластиковых бутылок. Подобные прототипы отличаются оригинальностью, но требуют значительного вложения труда при сомнительной отдаче.

В собранный деревянный корпус или старую оконную створку с приделанным дном и уложенным утеплителем надо поместить металлический лист, накрывающий всю площадь будущего нагревателя. Хорошо, если найдется лист алюминия, но подойдет и тонкая сталь. Ее необходимо окрасить в черный цвет, а затем уложить трубы в виде змеевика.

Без сомнения, коллектор для нагрева воды лучше всего получится из медных труб, они отлично передают тепло и прослужат долгие годы.Змеевик плотно прикрепляется к металлическому экрану скобами или любым другим доступным способом, наружу выводятся 2 штуцера для подачи воды.

Поскольку это плоский, а не вакуумный коллектор, то поглотитель тепла нужно закрыть сверху светопрозрачной конструкцией – стеклом или поликарбонатом. Последний легче обрабатывается и надежнее в эксплуатации, не разобьется от ударов града.

После сборки солнечный коллектор надо установить на место и подключить к накопительному баку для воды. Когда позволяют условия монтажа, то можно организовать естественную циркуляцию воды между баком и нагревателем, в противном случае в систему включается циркуляционный насос.

Заключение

Осуществлять отопление дома солнечными коллекторами, сделанными своими руками, – привлекательная перспектива для многих домовладельцев. Жителям южных районов этот вариант более доступен, только придется заполнить систему антифризом и как следует утеплить корпус. На севере самодельный коллектор поможет нагреть воду на хозяйственные нужды, но для обогрева дома его не хватит. Сказывается холод и короткий световой день.

cotlix.com

Тепловой насос для отопления дома: принцип работы и примеры расчета

Давно и весьма успешно тепловые насосы используются в бытовых и промышленных холодильниках и кондиционерах.

Сегодня эти устройства стали применять и для выполнения функции противоположного характера – обогрева жилища в период холодов.

Давайте же посмотрим, как используются тепловые насосы для отопления частных домов и что нужно знать, чтобы правильно рассчитать все его компоненты.

Тепловой насос. Конструкция обогрева дома

В системе отопления дома тепловой насос (ТН) играет ту же роль, что и котел, то есть является теплогенератором.

Разница состоит только в том, что котел сжигает топливо, а ТН «выкачивает» тепловую энергию из источников, которые, на первый взгляд, совсем ею не богаты.

Грунт и речная вода с температурой 5 – 7 градусов, или даже морозный зимний воздух, температура которого вообще оказалась ниже нуля.

Такие источники называются низкопотенциальными, и хотя с понятием тепла они никак не ассоциируются, ТН умудряется «выжать» из них внушительный объем живительной энергии. К этому следует добавить тепло, выделяемое электродвигателем компрессора ТН: здесь, в отличие от холодильника и кондиционера, оно не пропадает даром.

В остальном система отопления на базе ТН ничем не отличается от обычной: используется теплоноситель – вода или воздух, который нагревается, протекая через теплообменник, а затем разносит тепло по всему дому. Циркуляцию обеспечивает насос (для водяного отопления) или вентилятор (для воздушного). Точно также, как и традиционный теплогенератор, ТН можно одновременно подключить к контуру горячего водоснабжения (ГВС) как с накопительной емкостью (бойлером), так и без нее.

Принцип работы тепловых насосов

В любом ТН имеется рабочая среда, именуемая хладагентом. Обычно в этом качестве выступает фреон, реже – аммиак. Само устройство состоит всего из трех компонентов:

  • испаритель;
  • компрессор;
  • конденсатор.

Испаритель и конденсатор – это два резервуара, имеющие вид длинных изогнутых трубок – змеевиков. Конденсатор одним концом присоединяется к выходному патрубку компрессора, а испаритель — ко входному. Концы змеевиков стыкуются и в месте соединения между ними устанавливается редукционный клапан. Испаритель контактирует – непосредственно или косвенно – со средой-источником, а конденсатор – с системой отопления или ГВС.

Принцип работы теплового насоса

Работа ТН основана на взаимозависимости объема, давления и температуры газа. Вот что происходит внутри агрегата:

  1. Аммиак, фреон или другой хладагент, двигаясь по испарителю, нагревается от среды-источника, допустим, до температуры +5 градусов.
  2. Пройдя испаритель, газ достигает компрессора, который перекачивает его в конденсатор.
  3. Нагнетаемый компрессором хладагент удерживается в конденсаторе редукционным клапаном, поэтому его давление здесь выше, чем в испарителе. Как известно, с ростом давления температура любого газа увеличивается. Именно это происходит с хладагентом – он разогревается до 60 – 70 градусов. Поскольку конденсатор омывается циркулирующим в системе отопления теплоносителем, последний также нагревается.
  4. Через редукционный клапан хладагент небольшими порциями сбрасывается в испаритель, где его давление снова падает. Газ расширяется и остывает, а поскольку часть внутренней энергии была потеряна им в результате теплообмена на предыдущем этапе, его температура опускается ниже изначальных +5 градусов. Следуя по испарителю, он снова нагревается, далее закачивается в конденсатор компрессором – и так по кругу. По-научному этот процесс называется циклом Карно.
Главная особенность ТН состоит в том, что тепловая энергия берется из окружающей среды буквально даром. Правда, для ее добычи необходимо потратить некоторое количество электроэнергии (для компрессора и циркуляционного насоса/вентилятора).

Но ТН все-равно остается очень выгодным: за каждый потраченный кВт*ч электроэнергии удается получить от 3 до 5 кВт*ч тепла.

Виды конструкций тепловых насосов

Тип ТН принято обозначать словосочетанием, указывающим на среду-источник и теплоноситель системы отопления.

Существуют следующие разновидности:

  • ТН «воздух — воздух»;
  • ТН «воздух — вода»;
  • ТН «грунт — вода»;
  • ТН «вода — вода».

Самый первый вариант – это обычная сплит-система, работающая в режиме обогрева. Испаритель монтируется на улице, а внутри дома устанавливается блок с конденсатором. Последний обдувается вентилятором, благодаря чему в помещение подается теплая воздушная масса.

Если такую систему оснастить специальным теплообменником с патрубками, получится ТН типа «воздух — вода». Он подключается к водяной системе отопления.

Испаритель ТН типа «воздух — воздух» или «воздух — вода» можно разместить не на улице, а в канале вытяжной вентиляции (она должна быть принудительной). В этом случае эффективность ТН будет увеличена в несколько раз.

Теплонасосы типа «вода — вода» и «грунт – вода» для отбора тепла используют так называемый наружный теплообменник или, как его еще называют, коллектор.

Принципиальная схема работы теплового насоса

Это длинная закольцованная труба, как правило, пластиковая, по которой циркулирует жидкая среда, омывающая испаритель. Обе разновидности ТН представляют собой одно и то же устройство: в одном случае коллектор погружается на дно поверхностного водоема, а во втором – в грунт. Конденсатор такого ТН расположен в теплообменнике, подключаемом к системе водяного отопления.

Подключение ТН по схеме «вода — вода» является гораздо менее трудоемким, чем «грунт — вода», поскольку отпадает необходимость в проведении земляных работ. На дно водоема труба укладывается в виде спирали. Разумеется, для данной схемы подойдет только такой водоем, который зимой не промерзает до дна.

Укладку коллектора в грунт можно произвести тремя способами.

Горизонтальный вариант

Трубы укладываются в траншеи «змейкой» на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (в среднем – от 1 до 1,5 м).

Для такого коллектора потребуется участок земли достаточно большой площади, но зато его может построить любой домовладелец – никаких навыков, кроме умения работать лопатой, не понадобится.

Следует, правда, учесть, что сооружение теплообменника ручным способом – довольно трудоемкий процесс.

Вертикальный вариант

Трубы коллектора в виде петель, имеющих форму литеры «U», погружаются в скважины глубиной от 20 до 100 м. При необходимости можно построить несколько таких скважин. После установки труб скважины заливают цементным раствором.

Достоинство вертикального коллектора состоит в том, что для его строительства нужен совсем небольшой участок. Однако, пробурить скважины глубиной более 20 м самостоятельно нет никакой возможности – придется нанимать бригаду бурильщиков.

Комбинированный вариант

Этот коллектор можно считать разновидностью горизонтального, но для его строительства потребуется гораздо меньше места.

На участке выкапывается круглый колодец глубиной от 2-х м.

Трубы теплообменника укладываются спиралью, так что контур представляет собой как бы вертикально установленную пружину.

По завершении монтажных работ колодец засыпают. Как и в случае с горизонтальным теплообменником, весь необходимый объем работ можно произвести своими руками.

Коллектор заполняется антифризом – тосолом или раствором этиленгликоля. Для обеспечения его циркуляции в контур врезается специальный насос. Вобрав в себя тепло грунта, антифриз поступает к испарителю, где происходит теплообмен между ним и хладагентом.

Следует учесть, что неограниченный отбор тепла из грунта, особенно при вертикальном расположении коллектора, может привести к нежелательным последствиям для геологии и экологии участка. Поэтому в летний период ТН типа «грунт — вода» весьма желательно эксплуатировать в реверсивном режиме — кондиционирование.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Эффективность горизонтального коллектора зависит от температуры среды, в которую он погружен, ее теплопроводности, а также площади контакта с поверхностью трубы. Методика расчета достаточно сложна, поэтому в большинстве случаев пользуются усредненными данными.

Считается, что каждый метр теплообменника обеспечивает ТН следующую тепловую мощность:

  • 10 Вт – при заглублении в сухой песчаный или каменистый грунт;
  • 20 Вт – в сухом глинистом грунте;
  • 25 Вт – во влажном глинистом грунте;
  • 35 Вт – в очень сыром глинистом грунте.

Таким образом, для расчета длины коллектора (L) следует потребную тепловую мощность (Q) разделить на теплотворную способность грунта (p):

L = Q / p.

Приведенные значения можно считать действительными только при соблюдении следующих условий:

  • Участок земли над коллектором не застроен, не затенен и не засажен деревьями или кустами.
  • Расстояние между соседними витками спирали или участками «змейки» составляет не менее 0,7 м.

При расчете коллектора следует учитывать, что температура грунта после первого года эксплуатации понижается на несколько градусов.

Пример расчета теплового насоса

Подберем ТН для системы отопления одноэтажного дома общей площадью 70 кв. м со стандартной высотой потолка (2,5 м), рациональной архитектурой и теплоизоляцией ограждающих конструкций, соответствующей требованиям современных строительных норм. На обогрев 1-го кв. м такого объекта по общепринятым нормам приходится тратить 100 Вт тепла. Таким образом, для отопления всего дома понадобится:

Q = 70 х 100 = 7000 Вт = 7 кВт тепловой энергии.

Выбираем тепловой насос марки «ТеплоДаром» (модель L-024-WLC) с тепловой мощностью W = 7,7 кВт. Компрессор агрегата потребляет N = 2,5 кВт электроэнергии.

Расчет коллектора

Грунт на отведенном под строительство коллектора участке – глинистый, уровень грунтовых вод высокий (принимаем теплотворную способность p = 35 Вт/м).

Мощность коллектора определяем по формуле:

Qk = W – N = 7,7 – 2,5 = 5,2 кВт.

Определяем длину трубы коллектора:

L = 5200 / 35 = 148.5 м (приблизительно).

Исходя из того факта, что укладывать контур длиной более 100 м нерационально из-за чрезмерно высокого гидравлического сопротивления, принимаем следующее: коллектор теплового насоса будет состоять из двух контуров — длиной 100 м и 50 м.

Площадь участка, который необходимо будет отвести под коллектор, определим по формуле:

S = L x A,

Где А – шаг между соседними участками контура. Принимаем: А = 0,8 м.

Тогда S = 150 x 0.8 = 120 кв. м.

Расчет вертикального коллектора

На глубине свыше 15 м температура грунта стабильно держится на отметке +10 градусов круглый год. Поэтому эффективность вертикального коллектора является более высокой – в среднем с метрового участка удается снимать до 50 Вт тепла. Для расчета длины теплообменника также необходимо учитывать тип среды. Так, с 1-го метра трубы удается получить такую тепловую мощность:

  • 20 Вт – при погружении в осадочный грунт (сухой);
  • 50 Вт – в каменистом либо влажном осадочном грунте;
  • 70 Вт – твердые породы (камень);
  • 80 Вт – подземные воды.

Применение вертикального зонда для теплового насоса

При строительстве скважин следует соблюдать условие: расстояние между ними должно составлять не менее 5 м.

Для работы теплового насоса из вышеприведенного примера понадобится коллектор длиной L = 5200 / 50 = 140 м.

Следовательно, для обустройства коллектора потребуется пробурить две скважины глубиной 70 м. В каждой из них нужно будет установить по две U-образные петли, для чего необходимо будет закупить 4х140 = 560 м труб.

Поделиться:

Нет комментариев

microklimat.pro

Солнечный коллектор — водонагреватель для дома, бассейна

Солнечную энергию для дома можно получать почти бесплатно и в довольно больших количествах. Почему не даром? Потому что, платить все же придется, но не Cолнцу, а производителям и монтажникам солнечных коллекторов. 

Использование энергии Солнца в системах отопления и горячего водоснабжения частного дома, а также для нагрева воды в бассейне, по мере быстрого роста стоимости энергоносителей, становится все более выгодным. Срок окупаемости солнечного оборудования дома с каждым годом оказывается все меньше.

В странах Евросоюза установка солнечных коллекторов в новых домах является обязательной.

Чем дальше от экватора, чем больше пасмурных дней в году, чем выше загрязнение воздуха, тем меньше солнечной энергии падает на Землю. 

Интенсивность солнечного излучения в южных регионах России, на территории Украины, южнее 52о с.ш., составляет от 1000 до 1350 кВт*ч/м2/год.

В наших южных широтах наибольшая интенсивность солнечного излучения приходится на период с марта по октябрь. В это время потребность в отоплении дома минимальна. Поэтому солнечную энергию в основном используют для нагрева воды в системе горячего водоснабжения дома и для подогрева воды в бассейне.

В системах отопления частного дома солнечные коллекторы применяют реже — только как вспомогательные нагреватели к котлу. Расчеты и практика применения показывают, что использование солнечных коллекторов в системах отопления в наших широтах в большинстве случаев не окупает затраты на их установку.

Следует заметить, что срок окупаемости установок солнечного нагрева очень сильно зависит от стоимости топлива, которое используется в доме для отопления и нагрева воды в системе ГВС. Например, за 1 кВт*час энергии, поступающей из электрической сети, хозяин дома заплатит примерно в 10 раз больше, чем за такое же количество, полученной от котла на природном газе.

В домах, где для отопления или нагрева воды используется электроэнергия, или работают котлы на дорогих видах топлива, установка солнечных коллекторов будет наиболее выгодна.

Оснащение систем отопления и ГВС солнечным коллектором обойдется дешевле, если их установку предусмотреть сразу, на стадии проектирования и строительства дома. Переделки всегда обходятся дороже.

Солнечный коллектор для дома, бассейна

Солнечный коллектор — это аппарат, в котором энергия солнечных лучей преобразуется в тепловую энергию теплоносителя. Теплоноситель переносит тепло от солнечного коллектора к нагревателям систем горячего водоснабжения и отопления. В качестве теплоносителя используют воду или не замерзающие жидкости.

Солнечный коллектор может иметь разную конструкцию. Существуют три принципиальных схемы устройства солнечного коллектора.

Плоский солнечный коллектор

Солнечный плоский коллектор представляет собой металлическую пластину — абсорбер, которая поглощает падающее на неё солнечное излучение. К пластине прикреплены медные трубки, по которым течет теплоноситель.

Пластину абсорбера покрывают слоем никеля, черной меди или другим материалом с высоким коэффициентом поглощения солнечных лучей, но с низким коэффициентом тепловых излучения. Такое покрытие называют селективным.

Некоторые производители выпускают адсорберы из двух сложенных вместе металлических листов. В листах выдавлены канавки, из которых при соединении листов формируются трубки коллектора.

Солнечные лучи нагревает абсорбер, от него тепло передается теплоносителю, температура которого увеличивается.

Абсорбер с трубками устанавливают в теплоизолированный плоский корпус. Сверху корпус коллектора закрывают стеклом. Для улучшения теплоизоляции обычно устанавливают стеклопакет с двойным или тройным остеклением. Стекло должно выдерживать удары града.

Чтобы остекление и поверхность адсорбера не запотевали, в корпусе коллектора оставляют отверстия для вентиляции.

Пластина абсорбера в плоском коллекторе со стеклопакетом может нагреваться до 190 оС.

Панель солнечного водонагревателя с параллельным расположением труб

В плоском солнечном коллекторе трубы, по которым циркулирует теплоноситель, обычно располагают вертикально. Применяют две схемы разводки труб — параллельную и змейкой.

Параллельная схема расположения труб имеет маленькое гидравлическое сопротивление. Коллекторы с параллельными трубами применяют в схемах подогрева воды с естественной циркуляцией теплоносителя.

Панель солнечного водонагревателя с расположением труб змейкой

Укладка труб змейкой позволяет получить чуть больший тепловой эффект, но при этом резко увеличивается гидравлическое сопротивление системы. 

Трубчатый вакуумный солнечный коллектор

Солнечный трубчатый вакуумный коллектор устанавливают на южном скате крыши

Солнечный вакуумный трубчатый коллектор может состоять из нескольких десятков стеклянных труб, в которых создан вакуум. Внутри вакуумных труб находятся трубки с теплоносителем.

На нижнюю часть поверхности труб нанесено зеркальное покрытие, фокусирующее солнечные лучи. А верхняя часть труб покрыта селективным слоем, который пропускает солнечные лучи внутрь, но задерживает отраженное тепловое излучение изнутри стеклянной трубы. 

Наличие вакуума значительно уменьшает тепловые потери, а зеркальное и селективное покрытия еще больше увеличивают эффективность коллектора.

Солнечный коллектор с тепловыми трубками

Солнечный коллектор с тепловыми трубками внешне похож на вакуумный трубчатый, показанный на рисунке выше. Отличия находятся внутри стеклянных вакуумных труб.

В каждой стеклянной трубе коллектора имеется другая, герметично закрытая со всех сторон трубка с легко испаряющейся жидкостью — тепловая трубка. Верхний конец тепловой трубки является частью теплообменника, в котором циркулирует теплоноситель контура солнечного коллектора.

При нагреве солнечными лучами жидкость в тепловой трубке испаряется. Пары поднимаются вверх и конденсируются на поверхности трубки, прикрепленной верхним концом к теплообменнику. Процесс конденсации сопровождается передачей тепла теплоносителю.

Конденсат в тепловой трубке стекает вниз, снова нагревается, испаряется — процесс повторяется и идет непрерывно.

В солнечном коллекторе с тепловыми трубками каждая стеклянная вакуумная труба может быть легко отсоединена и, при необходимости, заменена на новую.

Схемы подключения солнечного коллектора

В схемах отопления и ГВС с солнечным коллектором обязательно должна быть накопительная емкость — аккумулятор тепла. Связано это с тем, что процесс поступления тепла от солнечного коллектора не совпадает по времени и количеству с расходом тепловой энергии потребителями в доме. Солнечную энергию сначала накапливают в аккумуляторе тепла, а затем расходуют по мере необходимости.

Для накопления энергии, получаемой от солнечного коллектора, выгодно использовать накопительный бойлер системы ГВС или буферную емкость системы отопления. Для этого, устанавливают бойлер и буферную емкость с дополнительным теплообменником, к которому и подключают солнечный коллектор.

Теплоноситель в системе нагрева с солнечным коллектором

В системе нагрева с солнечным коллектором, которая работает только летом, в качестве теплоносителя используют воду. Системы на воде подходят для дачных домов сезонного проживания или летних бассейнов.

Для систем отопления и ГВС жилого дома, работающих круглый год, в качестве теплоносителя приходится использовать незамерзающие жидкости — антифриз на основе пропиленгликоля или минеральное масло.

Все жидкости — теплоносители при нагревании расширяются. Поэтому контур нагрева солнечного коллектора обязательно оборудуют расширительным баком.

В контуре с солнечным коллектором существует также опасность закипания жидкости — необходима защита от перегрева и установка предохранительного клапана.

Защита от перегрева контура солнечного коллектора обычно осуществляется путем выбора накопительного бака достаточно большого объема, способного поглотить излишки тепла.

Для удаления воздуха из контура коллектора устанавливают автоматический воздухоотводчик.

Для предотвращения опорожнения накопительного бака трубопровод холодной воды оснащают обратным клапаном.

Расширительный бак, воздухоотводчик, предохранительный клапан контура коллектора аналогичны тем приборам, которые устанавливаются на отопительном котле в доме. 

Схема нагрева воды солнечным коллектором для дачного дома

Схема ГВС с естественной циркуляцией теплоносителя в контуре солнечного коллектора и с электрическим нагревателем в накопительном баке.

Для возникновения в контуре естественной и достаточно интенсивной циркуляции необходимо, чтобы дно накопительного бака было выше солнечного коллектора минимум на 0,5м. (чем больше — тем лучше). Кроме того, стараются уменьшить гидравлическое сопротивление в контуре солнечного коллектора. Для этого увеличивают диаметр труб и сокращают их длину.

В качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость.

Для подогрева воды в пасмурные дни накопительный бак имеет электрический нагреватель.

С целью уменьшения потерь тепла накопительный бак и трубопроводы защищают теплоизоляцией толщиной 50 мм.

Если бак устанавливают на холодном чердаке, то толщину теплоизоляции бака следует увеличить до 100 -150 мм. а трубопроводы с водой разместить под теплоизоляцией бака.

Для дачного дома с сезонным проживанием, только летом, можно контур солнечного коллектора выполнить без теплообменника в баке. В контур коллектора вода будет поступать из нижней части бака, нагреваться и накапливаться в верхней части бака. С наступлением холодов систему необходимо опорожнять от воды.

Эта простая и не дорогая система ГВС подойдет для дачных домов и небольших частных домов с отоплением твердотопливным котлом или печами.

Схема ГВС с солнечным коллектором и бойлером косвенного нагрева 

Схема подключения солнечного коллектора к системе ГВС с накопительным бойлером косвенного нагрева и отопительным котлом с контуром ГВС.

Для подключения солнечного коллектора к системе ГВС с бойлером косвенного нагрева необходимо установить в доме бойлер с двумя теплообменниками.

К нижнему теплообменнику подключают нагревательный контур солнечного коллектора, а к верхнему — контур ГВС отопительного котла.

Если тепла от солнечного коллектора не хватает для нагрева воды, то включается в работу контур ГВС отопительного котла.

Установка циркуляционного насоса в контур солнечного коллектора позволяет установить коллектор в любое положение относительно бойлера, а также уменьшить диаметр трубопроводов.

Схему с бойлером косвенного нагрева удобно применять при отоплении дома газовым котлом.

Схема отопления и ГВС с солнечным коллектором и буферным баком — аккумулятором тепла

Схема подключения солнечного коллектора к системе отопления и ГВС с буферным баком — аккумулятором тепла и отопительным одноконтурным котлом.

Прочитайте статью «Схема отопления и ГВС с буферным баком — аккумулятором тепла» для того, чтобы узнать преимущества, особенности устройства и работы этой системы.

Солнечный коллектор присоединяют к теплообменнику, установленному в буферном баке — аккумуляторе тепла. К буферному баку подключают и контур отопительных приборов дома (на схеме не показан).

Тепловая энергия от всех источников — солнечного коллектора и отопительного котла, аккумулируется в буферном баке. Из буферного бака тепло расходуется и на подогрев воды в системе ГВС, и подается в контур отопления помещений дома.

Схема с буферным баком позволяет использовать солнечную энергию и для отопления, и для горячего водоснабжения.

Схема ГВС с солнечным коллектором и двумя накопительными баками

Схему ГВС с двумя накопительными баками используют при подключении солнечного коллектора к уже работающему оборудованию системы горячего водоснабжения в доме. Когда в уже установленном бойлере отсутствует теплообменник для подключения солнечного коллектора.

Покупка нового бойлера ГВС с двумя теплообменниками и замена старого часто не выгодна. Дешевле приобрести новый бойлер небольшого объема только для контура солнечного коллектора.

Схема подогрева воды для бассейна

Подогрев воды в бассейне можно производить по любой из первых трех схем, которые приведены выше.

Холодная вода со дна бассейна подается циркуляционным насосом по трубопроводу холодной воды в накопительный бак, бойлер или буферную емкость. Горячая вода возвращается обратно в бассейн.

Принудительная циркуляция воды в контуре бассейна обеспечивает перемешивание воды и равномерное распределение температуры по глубине бассейна.

Для бассейнов, работающих только летом, накопительный бак можно исключить из схемы подогрева. Роль накопительного бака может выполнять ванна бассейна.

Автоматизация систем отопления и ГВС с солнечным коллектором

Системы отопления и ГВС с солнечным коллектором обязательно оснащают приборами автоматики.

Автоматика необходима для согласованного управления работой нескольких источников энергии — солнечного коллектора, котла, электрического нагревателя, а также циркуляционных насосов.

Датчики измеряют температуру теплоносителя у источников нагрева, температуру воды в накопительном баке. Блок управления по заданной программе анализирует показатели датчиков и выдает команды  на включение или отключение тех или иных источников нагрева, насосов и клапанов.

Человек имеет возможность задавать параметры регулирования — например, устанавливать максимальную температуру горячей воды. 

Какой солнечный коллектор лучше выбрать

У каждого вида солнечных коллекторов имеется свой минимальный порог интенсивности солнечного излучения, при котором они начинают нагревать теплоноситель.

Плоский солнечный коллектор начинает греть при мощности солнечного излучения 70-90 Вт/м2. Для сравнения — если плоский коллектор не закрыт стеклом, то он начнет греть при мощности излучения более 200 Вт/м2.

Трубчатые солнечные коллекторы с вакуумными трубками начинают греть теплоноситель при мощности излучения более 20 Вт/м2.

Солнечный коллектор поглощает как прямое, так и рассеяное излучение Солнца. Общая интенсивность и соотношение разных видов излучения меняется в зависимости от времени года и суток, состояния облачности.

Например, в наших южных широтах максимальная мощность излучения в декабре около 80 Вт/м2, в апреле и сентябре 350 Вт/м2, а в июне 600 Вт/м2. Причем, летом доля прямого излучения составляет примерно 54%, а зимой только 30%.

Из приведенных выше данных можно сделать вывод, что для того, чтобы солнечный коллектор приносил в дом тепло круглый год, необходим трубчатый солнечный коллектор.

КПД плоского и трубчатого солнечных коллекторов

Мерой эффективности солнечного коллектора является его тепловой коэффициент полезного действия. КПД солнечного коллектора определяется как отношение количества полезной энергии, забираемой теплоносителем, к количеству энергии солнечного излучения, которое падает на поверхность коллектора.

КПД — коэффициент полезного действия для трех конструкций плоского и одного трубчатого солнечных коллекторов

На рисунке показаны графики зависимости коэффициента полезного действия — КПД, для трех конструкций плоского и одного трубчатого коллекторов. Это примерные характеристики при плотности потока солнечного излучения G=700 Вт/м2. По горизонтальной оси редуцированная (приведенная) температура, равная =dT/G, К*м2/Вт., где dT — разность между средней температурой теплоносителя коллектора и наружной температурой воздуха окружающей среды.

Анализируя графики, можно сделать следующие выводы:

Солнечный коллектор работает с максимальным КПД при маленьких значениях редуцированной температуры dT, в режиме с минимально необходимой температурой теплоносителя.

Причем, при малых значениях редуцированной температуры КПД у разных конструкций плоских коллекторов практически одинаков.

Плоский солнечный коллектор, который характеризуется графиком КПД с меньшим углом наклона  к горизонту (линия I на рисунке),  обеспечит нагрев воды при невысокой плотности лучистой энергии и довольно низкой температуре наружного воздуха — весной, осенью.

Плоский коллектор в летнее время, в условиях интенсивного солнечного излучения, имеет более высокий КПД, чем трубчатый. Для систем ГВС, работающих только в теплый сезон выгодно использовать плоские солнечные коллекторы. К тому же, плоский коллектор значительно дешевле трубчатого.

В условиях малой интенсивности солнечного излучения КПД трубчатого коллектора выше, чем плоского. Установка трубчатого коллектора может быть выгодна только для круглогодичного подогрева воды в системах отопления и ГВС, а также в северных широтах. Учитывая высокую стоимость трубчатого коллектора, его установка окупается далеко не всегда.

Выбираем солнечный коллектор для бассейна

С учетом сделанных выше выводов, для подогрева воды в летнем бассейне буквально на несколько градусов, можно выбрать любую конструкцию плоского коллектора. Эффективность при маленькой величине dT будет у всех конструкций плоских коллекторов примерно одинакова.

Выгодно использовать самые дешевые плоские коллекторы с пластиковыми абсорберами, которые могут вообще не иметь остекления.

Поскольку температура теплоносителя в коллекторе будет не намного отличаться от температуры наружного воздуха, то потери тепла при отсутствии стекла будут незначительными. Кроме того, из-за отсутствия стекла немного увеличится количество солнечной энергии, попадающей на адсорбер. Стекло всегда задерживает некоторую часть солнечных лучей.

Расчет размера солнечного коллектора

Из-за неравномерного поступления тепла от солнечного коллектора, в системах ГВС и отопления дома обязательно устанавливают еще один источник нагрева.

Производительность солнечного коллектора рекомендуется выбирать такой, чтобы от него получать не более 2/3 тепловой энергии, необходимой для горячего водоснабжения в доме. Использовать более производительные аппараты не выгодно — не окупятся. 

Для горячего водоснабжения в доме достаточно выбрать солнечный коллектор площадью 1-1,5 м2 в расчете на одного члена семьи.

Солнечный коллектор в системе отопления выбирают так, чтобы получать от него 20-30% тепловой энергии, необходимой для отопления. Размеры солнечного коллектора для целей отопления выбирают из расчета 0,3-0,5 м2 площади коллектора на 1м2 отапливаемой площади дома.

Для закрытого бассейна площадь солнечного коллектора может составлять 40% площади зеркала воды в нем.

В открытом бассейне воду нагревают солнечным коллектором площадью 70% от площади зеркала воды.

Пример расчета размеров площади солнечного коллектора 

Выполним расчет размера солнечных коллекторов для дома с отапливаемой площадью 200 м2, в котором проживают 5 человек. В доме имеется крытый бассейн с площадью воды 30 м2.

Площадь солнечных коллекторов составит:

  • Для нагрева воды в системе ГВС —    5-7,5 м2
  • Для системы отопления дома —         60-100 м2
  • Для подогрева воды в крытом бассейне —      12 м2

Где можно установить солнечный коллектор

Солнечный коллектор можно установить в любом месте — на крыше, на стене, на земле. Важно только установить его под определенным углом к горизонту и на солнечном месте.

Но чаще всего коллектор устанавливают на крыше. Коллектор на крыше не занимает места на участке и получает больше солнечных лучей — там его ничто не затеняет.

На крыше коллектор устанавливают над кровлей. Существуют конструкции коллекторов, которые встраивают в покрытие крыши.

При установке в любом месте следует иметь ввиду, что аппарат требует обслуживания. Поэтому, необходимо продумать, как облегчить доступ к нему.

Кроме того, коллектор достаточно тяжелое устройство. поэтому стропила крыши или стена дома могут потребовать усиления их конструкции.

Лучше всего, установку солнечного коллектора предусмотреть сразу, на стадии проектирования и строительства дома.

Ориентация поверхности солнечного коллектора

Максимальное количество солнечной энергии коллектор будет получать, если его поверхность будет перпендикулярна направлению на солнце.

Направление на солнце постоянно меняется в зависимости от времени года и суток. Поэтому, коллектор устанавливают под некоторым углом к горизонту, который позволяет получать максимум солнечной энергии без изменения положения коллектора.

Солнечный коллектор, который будет работать круглый год устанавливают под углом к горизонту, величина которого примерно равна географической широте местности.

В зимний период, если есть возможность, лучше увеличивать угол наклона еще примерно на 15о.

Если солнечный коллектор будет работать только летом, то угол наклона следует уменьшить до: географическая широта местности минус 15о.

Плоскость солнечного коллектора должна смотреть по направлению на юг с точностью плюс-минус 15о.

Трубчатые вакуумные коллекторы допускают большее отклонение от направления на юг. Они должны освещаться солнцем не менее шести часов в сутки.

Статьи на эту тему:

domekonom.su

Отопление дома солнечными коллекторами — принцип работы, виды и особенности выбора

Отопление частного дома » Другие варианты отопления

Солнечные коллекторы используют энергию солнца

Возможность использования энергии солнца в бытовых и производственных целях интересует человека вот уже несколько столетий. В этом направлении инженеры создали множество проектов и продолжают поиски более выгодных вариантов. И небезуспешно. Технологии, реализованные в солнечных коллекторах для отопления дома, позволяют освоить до 95% поглощаемой энергии солнца. Для сравнения — этот показатель для аналогичных устройств на фотоэлементах составляет всего 18%.

Принцип работы

Основная задача приборов — захват излучаемой светилом энергии, ее аккумуляция и перенаправление для нужд человека. Этому подчинены все основные узлы системы:

  1. Коллектор. Вся площадь принимающей поверхности установки пронизана магистралями с теплоносителем. Они отбирают лишнюю тепловую энергию от накопительных элементов и транспортируют ее к резервуару с водой.
  2. Тепловой аккумулятор. За столь изощренным названием спрятан обыкновенный водяной бак. Он получает тепловую энергию от магистралей теплообмена. Нагретая в резервуаре вода может быть использована для хозяйственных нужд или отопления здания. Емкость хорошо изолирована от потерь тепла.
  3. Контур обмена тепловой энергии. Это основная и единственная магистраль, предназначенная для передачи тепла от коллектора к тепловому аккумулятору.

Вода или иной теплоноситель в системе могут циркулировать естественно или же принудительно. Последний вариант требует установки насосного оборудования. Эффективность работы коллектора от этого только выигрывает. Производители дополнительно устанавливают в резервуар для воды электрический нагреватель. Он используется для поддержания заданной температуры в пасмурную погоду. За работой ТЭНа следит автоматика.

Виды и особенности

Перед началом проектирования необходимо определиться с типом системы обогрева на солнечных элементах. К числу наиболее востребованных относятся два вида конструкций — плоские и вакуумные. Менее популярны воздушные коллекторы.

Устройства характеризуются следующими особенностями работы и эксплуатации:

  1. Вакуумные коллекторы. Генерирующий тепло элемент системы представляет собой не остекленную панель, а секцию выполненных из стекла трубок. Они имеют приличные габариты и внутри полые. Воздух из этих магистралей выкачан. В вакуумной среде проходит одна или несколько меньших по диаметру магистралей для циркуляции теплоносителя. Другими словами, наружная часть системы трубопроводов играет роль защитного кожуха. А вакуум является отличным теплоизолятором.
  2. Плоские варианты. Отопление дома солнечными коллекторами чаще всего организуется с помощью именно этих схем. Приемное устройство представляет собой короб со стеклом, под которым находится специальный абсорбирующий теплослой. Он контактирует с трубами, по которым циркулирует вода или иной теплоноситель (к примеру, пропиленгликоль). Тепловая энергия аккумулируется и передается магистралями для обогрева воды в резервуаре.
  3. Воздушный коллектор. Он характеризуется невысоким коэффициентом полезного действия и применяется намного реже других аналогов. Физические свойства воздуха как проводника тепла намного ниже по сравнению с жидкостью, что и обуславливает невысокие эксплуатационные характеристики. Конструкция представляет собой короб большой площади. В нем воздух контактирует с абсорбирующим тепло элементом, прогревается и при помощи вентилятора подается в помещение.

Вопросы выбора

Основа всех солнечных установок

В вопросах приобретения коллектора мнения специалистов расходятся. Покупатель вынужден самостоятельно принимать решение, опираясь на характеристики конкретного вида устройств.

Вакуумные модели, несмотря на низкий КПД, не боятся морозов. Им не грозит замерзание теплоносителя. Это существенный нюанс, который аргументирует выбор покупателей этого вида установок.

Плоские модели отличаются простотой конструкции. Отсутствие сложных механизмов делает их предпочтительными для тех, кто ценит надежность и прочность.

Вакуумные устройства более хрупки, но они обеспечивают отличное отопление на солнечных коллекторах в домах, где нужно нагреть теплоноситель до высоких температур. Дело в том, что плоские модели эффективно работают при условии, что разница температур внутри помещения и снаружи колеблется в диапазоне 20-40 градусов Цельсия. Другими словами, их использование в зимний период довольно проблематично. При слишком низких температурах за окном вряд ли удастся достичь комфортного микроклимата в доме.

К тому же при пасмурной погоде вакуумные аналоги выработают значительно больше тепла по сравнению с плоскими. С другой стороны, срок их службы несколько ниже, чем у конкурентов (средний составляет 15-30 лет). Однако в их пользу говорит и тот факт, что оборудование удобно в обслуживании. При повреждении вакуумного коллектора достаточно заменить вышедший из строя элемент, тогда как в плоском аналоге придется восстанавливать всю абсорбирующую систему.

Особенности вакуумных коллекторов

Особенности вакуумных коллекторов

В силу разных причин наметился существенный рост продаж вакуумного оборудования для организации отопления от солнечной энергии. Для тех, кто решил устанавливать именно эти системы, важно знать некоторые особенности:

  • Величина трубок напрямую влияет на производительность оборудования. Чем больше диаметр магистралей, тем больше тепловой энергии солнца может получить потребитель. Специалисты в данной области утверждают, что оптимальной считается стеклянная трубка диаметром 58 мм при условии, что ее длина варьирует в диапазоне 1,2-2,1 метра.
  • Кроме стеклянных коллекторы комплектуются и медными нагревательными магистралями. Некоторые модели имеют U-образные магистрали отбора тепла, которые размещены внутри стеклянных кожухов. Эти разработки на сегодняшний день считаются самыми эффективными.
Похожие записи

Комментарии и отзывы к материалу

gidotopleniya.ru


Смотрите также