Гелиосистемы для нагрева воды: что это такое
Солнечные водонагреватели на техническом языке красиво называются гелиоколлекторами. Они позволяют превратить солнечную энергию в тепловую и нагреть воду для хозяйства. Главный плюс этих устройств – низкие расходы на эксплуатацию, ведь солнце совершенно бесплатное. Вложений потребует только покупка и установка системы, а в процессе ее использования нужно будет платить только за электричество для насоса и за периодическую смену теплоносителя, если система двухонтурная. Это в любом случае выгоднее, чем нагрев воды электричеством, а газ в частном доме есть далеко не всегда.
Строго говоря, простейший солнечный коллектор для дачного душа – пластиковый бак или бочка черного цвета, установленные на крышу дома или в верхней части душевой кабины. Это, конечно, «дешево и сердито», но у такой системы много недостатков. Она хорошо работает только в жаркий летний день, вода в емкости остывает быстро, а нагревается долго, заливать ее нужно вручную.
Современные водяные солнечные коллекторы устроены не так, как «черная бочка», поэтому эффективность у них куда выше, температура воды стабильнее, а пользоваться можно даже в пасмурную погоду, а иногда и зимой.
Источник фото st1.stpulcen.ru
Как работает солнечный коллектор
Принцип действия солнечного коллектора сходен с тем, как работают солнечные батареи. Покрытие из высокотехнологичного материала поглощает солнечное излучение и преобразует его в энергию, только не электрическую, а тепловую – для нагрева воды. Свойства покрытия таковы, что оно способно «переработать» в тепло около 95% энергии солнца, в том числе в невидимом спектре – ультрафиолетовом и инфракрасном.
Заметим в скобках, что даже в облачные и холодные дни до поверхности земли доходит очень много ультрафиолетового и инфракрасного излучения, так что гелиосистемы могут работать при низких температурах и в плохую погоду.
Солнечные тепловые коллекторы бывают двух типов: плоские и вакуумные.
- Плоский солнечный коллектор представляет собой тонкую «коробку» с прозрачной верней панелью и слоем теплопоглощающего материала на «дне». Между ними проложены трубки с теплоносителем. Солнечный свет проникает через прозрачный материал и разогревает подложку, которая уже непосредственно нагревает теплоноситель в трубках. По причинам, связанным с физикой процесса, такая технология эффективна только в регионах с теплым климатом и большим количеством солнца. Из минусов специалисты отмечают не самый простой монтаж и высокий риск срыва панели сильным ветром из-за эффекта парусности. В целом плоские коллекторы не рекомендованы для средней полосы России и более северных широт.
- Вакуумный солнечный коллектор для нагрева воды устроен иначе. Он представляет собой систему трубок и накопительный бак для воды – встроенный или выносной. Трубки изготавливаются из высокопрочного боросиликатного стекла и устроены очень интересно. Каждая из них двухслойная, то есть в трубке большого диаметра проходит вторая, более тонкая. Между ними создан технический вакуум, который служит теплоизолятором. Внутренняя трубка имеет либо покрытие, способное поглощать солнечное излучение, либо специальные пластины с аналогичными свойствами. Так или иначе, вакуумная трубка способна преобразовать излучение в тепло с эффективностью более 90%. Накопительный бак тоже двухслойный, между его стенками проложен теплоизолятор—пенополиуретан, каменная вата или другой материал, поэтому вода в баке может долго оставаться горячей.
Примечательно, что система нагрева воды в вакуумных солнечных коллекторах может быть реализована по-разному. В самых простых и бюджетных устройствах вода заливается непосредственно в трубки, нагревается и поднимается в бак «самоходом», за счет эффекта конвекции. Такая схема работы называется одноконтурной. У двухконтурных гелиоколлекторов в вакуумных трубках находится еще одна трубка, в которую закачана инертная жидкость (по сути – антифриз) с низкой температурой перехода в пар. При нагреве вакуумной трубки пар поднимается в ее верхнюю часть и конденсируется на теплообменнике, который, в свою очередь, нагревает воду в баке. После конденсации жидкость возвращается в «исходное положение», и цикл повторяется. Двухонтурные системы дороже, но считаются более надежными по двум причинам.
- В воде из скважин и колодцев обычно много минеральных примесей, чаще всего это известь и железо. При нагревании они переходят в нерастворимую форму и создают твердый осадок – проще говоря, накипь – на стенках трубок. В результате трубки одноконтурных систем со временем «зарастают» и могут выйти из строя, а отремонтировать их нельзя – только замена. У двухконтурных систем трубки не контактируют с водой.
- В холодное время года вода в одноконтурной системе может замерзать по ночам. Это тоже чревато поломками трубок.
Степень «автоматизации» системы может быть разной – в зависимости от ее сложности и потребностей хозяйства. Самые простые солнечные водонагреватели для сезонного использования на даче имеют поплавковый датчик уровня воды, который может автоматически запускать насос, если бак опустел, и выносной датчик температуры воды в баке.
Двухконтурные солнечные коллекторы при прочих равных рекомендованы для частных домов с постоянным проживанием, одноконтурные – для сезонных дач. Для консервации одноконтурного вакуумного гелиоколлектора на зиму из него достаточно просто слить воду.
Подача воды из гелиоколлектора может быть напорной или безнапорной. В первом случае в систему встроен насос, который принудительно создает циркуляцию воды, во втором она движется «самотеком», за счет все той же конвекции. Напорные системы более стабильны в работе, особенно при низких температурах нагрева воды: чем меньше разница температуры воды «на входе» и «на выходе», тем медленнее естественная конвекционная циркуляция.
Источник фото solnechnye.ru
Насколько эффективны солнечные водонагреватели для дома?
По результатам исследований Объединенного института высоких температур Российской академии наук, климат большей части России позволяет использовать солнечные нагреватели с вакуумными трубами по крайней мере в теплое время года, примерно с мая по сентябрь. Количество солнечного излучения в это время в среднем достаточное, чтобы нагреть 100 л воды с помощью гелиоколлектора площадью около 2 кв. м.
Заметим опять-таки, что способность вакуумного солнечного коллектора нагревать воду зависит не от температуры воздуха, а от интенсивности солнечного света. Поэтому использование гелиоколлекторов для нагрева воды вполне возможно, например, в Приморье, на юге и востоке Сибири и на Дальнем Востоке, где климат в целом не очень теплый, но достаточно солнечный.
По подсчетам инженеров, которые занимаются проектировкой солнечных коллекторов для ГВС, системе с вакуумными трубами достаточно в среднем 5 часов летнего солнца, чтобы нагреть воду в баке 100 л примерно до 70 градусов. В пасмурный день за то же время вода прогреется примерно до 40-50 градусов, что в любом случае достаточно для бытовых потребностей. Проблему недостатка солнечного света в северных регионах можно решить установкой гелиоколлектора с увеличенным сечением трубок: чем больше площадь поглощения солнечной энергии, тем лучше прогревается вода.
Как устанавливается солнечный водонагреватель для дома
Вакуумный солнечный коллектор с интегрированным баком-накопителем – устройство в целом очень простое, поэтому установка его тоже несложна. Устройство крепится к кровле под углом не менее 15 и не более 75 градусов на специальных кронштейнах. Его желательно устанавливать на солнечной стороне и регулировать наклон так, чтобы солнечные лучи падали на трубки как можно более отвесно. Бояться эффекта парусности здесь не стоит: поскольку поверхность коллектора не сплошная, а диаметр труб невелик, сопротивление ветру у конструкции очень невысокое.
Источник фото svoevse.ru
Как выбрать объем бака солнечного коллектора для ГВС
Для 4 человек, типичных точек водоразбора (душ, мойка, рукомойник) и экономного использования горячей воды считается достаточным 100-литровый бак. На случай большой потребности в воде, приезда гостей или долгой пасмурной погоды, когда вода прогревается не сильно, лучше брать систему «с запасом» - с баком 120-150 литров. Бака на 200 л хватит на 5-6 человек, если не принимать ванну.
Источник фото на обложке Freepik.com
