Солнечное отопление частного дома своими руками

Безопасность лучистых систем отопления

Существует разница между излучением солнца и похожим эффектом от систем лучистого нагрева. Солнце значительно горячее, а температура поверхности объекта излучения является фактором, определяющим доминирование длин волн электромагнитного спектра.

Очевидно: чем выше температура поверхности, тем выше доля коротковолнового излучения. Поскольку солнце имеет очень высокую температуру поверхности, выдаётся значительное количество вредных ультрафиолетовых и коротковолновых инфракрасных волн. Поэтому врачи не рекомендуют много времени находиться под лучами солнца.

Однако если температура поверхности источника ниже 100ºC, как в случае систем лучистого отопления, длинноволновый инфракрасный луч доминирует в теплопередающем потоке. При этом длинноволновое инфракрасное излучение не способно проникать сквозь кожу и считается безвредным.

Тем не менее, камины, дровяные печи и коротковолновые лучистые обогреватели, температура которых выше температуры изразцовых печей, инфракрасных панелей или нагретых строительных поверхностей, теоретически считаются опасными. Эти объекты излучают коротковолновую радиацию, а потому могут создавать последствия для здоровья.

Пример – «Erythema ab igne» – инфракрасная эритема, рассматривается состоянием кожи, вызванным повторным и продолжительным воздействием источника тепла. В принципе, доброкачественный дерматит, пятна от которого обычно исчезают спустя некоторое время после окончания теплового воздействия.

Последствия долговременного нагрева

Однако если нагрев продолжается долгое время, заболевание кожи грозит перерасти в хронический вид. В конечном итоге не исключён рак кожи. Правда, такие варианты встречались крайне редко. Основная проблема – косметический эффект, достаточно впечатляющий, напоминающий татуировку.

Вот такими казусами может завершаться процедура приёма лучистого тепла, если пребывание под источником осуществляется бесконтрольно

Дефект «Erythema ab igne», вызванный источником лучистого тепла, традиционно встречается у поваров и пекарей (на руках), а также у ювелиров, серебряников и стеклодувов (на лице). Квалифицируется как профессиональное заболевание.

Медицинские случаи, вызванные слишком близким расположением людей у коротковолновых лучистых источников тепла, регистрируются достаточно часто. А вот сообщений о том, что дефект «Erythema ab igne» вызван длинноволновыми источниками лучистого тепла – никогда не фиксировалось.

Тем не менее, конструкции современных кондуктивных источников тепла выглядят рискованными элементами. Электрические и гидравлические нагревательные элементы с низкой температурой поверхности встраиваются в столы, стулья, скамейки.

Нередко такие конструкции используются в качестве переносных нагревательных модулей. Технологии устройства не ограничиваются мебелью или одеждой. Примерами выступают нагревающие браслеты или вещи гардероба с электрическим подогревом.

Недавние сообщения показывают, что дефект «Erythema ab igne» может проявляться после использования нагревательных модулей, обогревателей автомобильных сидений, нагревающих одеял, бутылок с горячей водой и даже ноутбуков, горячих ванн и душевых кабин.

Справедливости ради стоит отметить: большая часть случаев — это следствие чрезмерного использования кондуктивного нагрева. Например, использование источника тепла внутри автомобиля (сиденье с подогревом) в течение 2-4 часов в день. Очевидно: кондуктивные системы отопления способны воздействовать на кожу человека

Поэтому рекомендуется соблюдать осторожность

Устройство и принцип работы панельного коллектора

Ультрафиолетовые лучи попадая в атмосферу прогревают твердые поверхности, которые разогреваясь отдают тепло окружающей среде: воздуху, воде. Принцип работы и устройство плоского коллектора основан на этом физическом свойстве. Фактически панель представляет небольшой парник с прозрачной поверхностью и абсорбирующим основанием. Лучи солнца разогревают поверхность до 250-300°С.

Тепло аккумулируется и направляется в накопительную емкость. В обвязке гелиопанелей предусмотрен небольшой бак, эффективно борющийся против закипания теплоносителя.

Внутренняя конструкция солнечной панели

В устройстве панельного солнечного коллектора присутствует несколько важных компонентов, увеличивающих эффективность преобразования ультрафиолетового излучения в тепловую мощность. Солнечные водонагревательные панели состоят из:

• Верхнее покрытие — в зависимости от модели используется обычное или закаленное стекло, либо поликарбонат. Коэффициент спектрального интервала находится в пределах 0,4-1, 8 мкм.Чтобы обеспечить необходимый нагрев, проницаемость солнечных лучей должна достигать 95%. С этой целью используют матовые стекла. Глянцевая поверхность пропускает ультрафиолет хуже на 10-15%. В зависимости от стоимости изделия верхний слой изготавливают из:
  1. обычного или закаленного стекла;
• антирефлексного стекла, с слоем, элиминирующим отражение солнечного света;

полярного или самоочищающегося стекла.

Корпус — конструкция коллектора изготавливается из металла устойчивого к нагреву и воздействию внешних факторов. В модулях европейских и российских производителей обычно используется анодированный алюминий.

Абсорбер коллектора — это медная пластина с селективным покрытием. Для отвода тепла к теплообменнику припаян проточный трубопровод, располагаемый внутри конструкции двумя схемами «арфа» и «меандр».Сам абсорбер для увеличения теплопоглощения вмонтирован между двух стекол. На верхнюю поверхность наносится специальное высокоселективное покрытие. Нижняя часть защищается слоем теплоизоляционного материала.

Комплектующие, тип раскладки медного теплообменника абсорбера могут отличаться в зависимости от производителя, стоимости гелиоколлектора и необходимых дополнительных функций.

Чем покрывают солнечные коллекторы

От эффективности работы абсорбера зависит КПД гелиопанели. Чтобы увеличить аккумуляцию тепла, медный или алюминиевый сердечник покрывается теплопоглощающей краской для солнечных коллекторов. ЛКМ обычно темного или черного цвета. Основу составляет:

• черный никель;

оксид титана.

К селективной краске для солнечных коллекторов предъявляются высокие требования: стойкость к выгоранию, устойчивость к высоким температурам. Нанесенный слой должен иметь хорошую адгезию к медной или алюминиевой пластине. Селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора на основе цинка в большей мере соответствует предъявляемым требованиям.

Как аккумулируется и хранится тепло

Плоский солнечный водонагреватель устроен как парник, только с тем различием, что накопленная тепловая энергия не остается во внутреннем пространстве, а перенаправляется в накопительную емкость. Коллекторы не работают самостоятельно и требуют обязательного подключения к накопительному баку косвенного нагрева.

Процесс аккумуляции и перенаправления тепловой энергии происходит следующим образом:

• абсорбер для солнечного коллектора накапливает тепло;

металлический сердечник подсоединен к проточному трубопроводу;

жидкий теплоноситель снимает излишки тепла и направляет его в бойлер косвенного нагрева.

По принципу хранения тепла различают несколько типов плоских коллекторов:

• моноблочный солнечный водонагреватель — накопительная емкость присоединена к панелям;

блок косвенного нагрева — предусмотрено подключение к отдельно стоящему бойлеру, установленному внутри здания.

Моноблочные системы эффективны в летнее время года, на нагрев ГВС. Один м² панели обеспечит приблизительно 50 л воды, с температурой 60°С. С коллектором панельного типа, работающим по принципу косвенного нагрева можно компенсировать часть тепла необходимого для отопления здания в зимнее время года. Вместо воды в проточном трубопроводе циркулирует антифриз. Гелиоколлекторы продолжают работать до температуры –50°С.

Расчет энергоэффективности солнечных батарей

При расчете необходимой площади солнечных батарей необходимо учитывать, что один квадратный метр такого оборудования даст в вашу сеть около 120 ватт. А теперь пройдитесь по своему дому и прикиньте, какую мощность имеют имеющиеся у вас бытовые электрические приборы и оборудование. Разумно будет также прикинуть, какую экономию электричества может дать замена некоторых устройств на энергоэффективные. После этого вы можете приступать к расчетам необходимого количества и площади солнечных батарей, стараясь учитывать время солнечной активности в вашей местности.

 Отопление частного дома от солнечной энергии

Кроме добычи электроэнергии из солнечной энергии – наше светило вполне может и обогреть ваш дом. Конечно, можно воспользоваться самым простым способом и подключить электрическую систему отопления к солнечным батареям. Но скорее всего это будет довольно неэффективно, особенно учитывая не очень большое количество солнечных дней в году на наших широтах.

Лучше всего будет комбинировать систему добычи электричества с помощью солнечных батарей и систему автономного отопления, основанную на нагреве солнечным теплом жидкости, поступающей затем в радиаторы отопления вашего дома.

 Принцип работы отопления на солнечной энергии

Ключевым звеном такой автономной системы солнечного отопления будут являться нагревательные коллекторы. Это специализированные устройства, которые с минимальными потерями передают солнечную лучистую энергию на теплоноситель, в качестве которого может выступать вода или специальный антифриз.

схема солнечного нагревателя

Немаловажным преимуществом такого высокотехнологичного подхода является то, что такая система будет эффективно работать даже в самых суровых климатических условиях, ее коэффициент полезного действия не снижается даже при низких отрицательных температурах на улице.

Такие системы, называемые также солнечными коллекторами отлично зарекомендовали себя, например, в северных районах Китая – в местности с весьма суровым климатом. При этом в тех регионах они устанавливаются даже на многоквартирных домах.

После нагрева в коллекторе теплоноситель обычно попадает в аккумулирующих бак, оснащенный отличной теплоизоляцией. Температура жидкости в таком баке сохраняется довольно продолжительное время. В случае, если в качестве теплоносителя используется обычная водопроводная вода, то, помимо отопления – такую жидкость также можно использовать для бытовых целей, например, для умывания или мытья посуды.

Солнечные тепловые коллекторы с вакуумной трубкой:

Это наиболее распространенный тип солнечного теплового коллектора, который вы, вероятно, увидите на крыше дома. Сама панель коллектора чаще всего состоит из стеклянных трубок, которые содержат медные трубки в своих ядрах, с затемненной пластиной, закрывающей трубку для поглощения тепла. Стеклянные трубки герметично закрыты с помощью всего лишь медного крепежа, и каждая трубка устанавливается в коллектор отдельно.

Это облегчает замену трубки, если вакуумное уплотнение повреждено; это может также предложить преимущество для установки. Вместо того, чтобы перевозить один тяжелый блок на крышу, будучи модульной системой, его можно разобрать по частям.

Герметичный воздух обеспечивает отличную изоляцию и практически не влияет на коллектор из-за температуры наружного воздуха зимой. Даже в летнюю жару вы могли бы дотронуться до трубок голой рукой, хотя труба внутри вас сразу бы отругала.

Совмещенная система – экспертное мнение

Можно совместить отопление радиаторами и теплым полом. Во многих случаях так будет удобнее и экономичнее по нескольким причинам.

Если у вас двухэтажный дом или квартира, то имеет смысл сделать теплые полы на первом этаже, а на втором и последующих установить радиаторы. Нагретый воздух с первого этажа будет прогревать перекрытия между ним и вторым. За счет этого для отопления верхнего этажа не потребуется больших затрат на отопление.

Рабочая температура водяного теплого пола составляет 30-35 °С, а радиаторов 55-90 градусов. Можно сделать интересную схему подключения теплого пола и радиаторов. Если простыми словами – пустить воду сначала через радиаторы, а потом, остывшую – на теплый пол. Как это все реализовать – смотрите схему.

Схема подключения теплых полов и радиаторов в одной системе.

В одноэтажном доме или квартире имеет смысл сделать отдельно радиаторы и теплые полы. Согласитесь, когда вы выходите из душа, гораздо приятнее наступать босыми ногами на прогретую плитку, а не на холодную?

Также имеет смысл оборудовать теплыми полами детскую. Вашему ребенку будет комфортно играть с игрушками на полу.

А вот на кухне имеет смысл оставить радиаторное отопление. Вы проводите там не так много времени, к тому же, не стоите на месте. Да и электроприборы излучают тепло, в особенности плита и духовка. Поэтому бесполезно тратиться на дорогой теплый пол, который будет попусту тратить ваш бюджет.

Как подключить солнечную батарею

Прежде чем начать подключение солнечных батарей к отопительной системе, необходимо определиться с типом циркуляции теплоносителя по трубным магистралям:

• Принудительная
• Естественная

Наиболее востребованной считается система с принудительной циркуляцией. Ее обустройство обойдется дороже за счет приобретения дополнительного оборудования и автоматики. Однако многие владельцы собственных домов ставят превыше комфорт и практичность.

Клик для увеличения

Классическая схема подключения солнечной батареи к потребителю выглядит следующим образом:

1. Вначале по всем правилам на крыше размещают закупленные солнечные элементы и соединяют их друг с другом
2. В отведенном помещении необходимо установить контроллер, который будет следить, сколько энергии производится в данный момент
3. За контроллером должны идти аккумуляторы, которые будут накапливать в себе лишнюю энергию и снабжать ею в тех ситуациях, когда солнечные модули не справляются со своей задачей
4. За аккумуляторами устанавливается инвертор, который служит для преобразования электрической энергии к требуемым характеристикам
5. За инвертором располагаются потребители, роль которых может выполнять электрический котел отопления, накопительные баки с Тэнами, обогреватели и прочие греющие установки

Если солнечная батарея подключается к водяному отоплению с принудительной циркуляцией, на выход коллектора, обратку и бак-накопитель устанавливают датчики температуры (термостаты), которые подсоединяются к автоматике. Последняя в свою очередь будет управлять работой всей системы, при определенных условиях включать или выключать ее.

Наиболее просто осуществляется подключение солнечных модулей к отоплению с естественной циркуляцией. Однако автоматизировать ее будет очень сложно. Необходимо придерживаться следующих правил:

• Накопительный бак располагают выше уровня коллектора
• Нижний вывод подключается к обратке
• Верхний вывод подключается ко входу разогретого теплоносителя

Прочие нюансы подключения

Предусмотреть солнечные батареи для отопления дома необходимо на этапе проектирования или строительства дома, чтобы избежать лишних хлопот. Нужно придерживаться нескольких важных правил:

1. Установка батарей должна вестись преимущественно на южной стороне. Перед модулями не должно располагаться деревьев или более высоких построек, которые будут преграждать путь свету или отбрасывать на них свою тень – это существенно снизит эффективность
2. Необходимо убедиться, что стропильная система обладает достаточным запасом прочности. Она должна выдерживать не только закрепленные модули, но и снежный покров в зимний период, иначе может произойти обрушение кровли

1. Оптимальный угол ската крыши – в интервале 30-45 градусов в зависимости от того, как высоко поднимается на протяжении суток солнце
2. Чтобы увеличить эффективность отопительной системы или распараллелить несколько контуров, иногда ставят более одного накопительного коллектора
3. К гелиосистемам рекомендуется подключать отопительные контуры с более низкой температурой циркулирующего теплоносителя (панельные змеевики, водяные теплые полы и т. д.)

В заключении

Решившись установить солнечные батареи для отопления дома, необходимо быть готовым к большим первоначальным затратам. Стоимость требуемого оборудования и проводимых работ обойдется от 30 тыс. и выше в зависимости от сложности отопительной системы, выбранных модулей и их количества.

Окупаемость также зависит от большого числа факторов. Если зимы холодные, солнечные и продолжительные, сэкономить затраченные средства удастся через 2-3 года при эксплуатационном сроке до 30 лет. Однако не стоит торопиться, узнав подробнее о других альтернативных методах отопления.

Устройство и принцип работы

Солнечное отопление частного дома — инновационная технология, о которой пока еще не все имеют четкое представление. Между тем, все возможности для установки и использования соответствующих комплексов имеются практически у любого домовладельца. Необходимость финансовых вложений существует только для приобретения аппаратуры или оборудования, все остальное он получит бесплатно.

Существует два варианта организации солнечного отопления:

1. Солнечные батареи;
2. Солнечные коллекторы.

Использование солнечных батарей — более затратный метод, требующий присутствия большого количества оборудования. Используются фотоэлектрические элементы, расположенные на открытой площадке под нужным углом для максимально перпендикулярного падения солнечных лучей. Они вырабатывают электрический ток, который накапливается в аккумуляторных батареях, преобразуется в переменный ток со стандартными параметрами, после чего направляется на отопительные приборы.

Отопление от солнечных батарей в частном доме дает массу дополнительных возможностей. Такой способ имеет значительное преимущество —электрический ток, который вырабатывают солнечные батареи, можно использовать не только на обогрев дома, но и на питание любых приборов, на освещение или иные надобности.

Солнечные коллекторы действуют по другому принципу. Они не вырабатывают, а получают от Солнца тепловую энергию, которая нагревает теплоноситель в емкостях или трубках. В принципе, коллектором можно считать любую емкость с водой, выставленную на солнце, но имеются специальные конструкции, способные продемонстрировать наибольшую эффективность. Такой вариант системы значительно проще, дешевле и доступен для самостоятельного изготовления.

Полученное тепло сразу реализуется в повышении температуры теплоносителя, который аккумулируется в накопительной емкости, откуда распределяется по отопительным контурам дома. Оптимальным способом обогрева является использование низкотемпературных систем, таких как теплый пол. Они не нуждаются в сильном нагреве, что соответствует возможностям солнечных коллекторов. В ночное время расходуется теплоноситель, нагретый за день.

Устройство и принцип действия

Система геотермального отопления состоит из трех контуров и теплового насоса, который поддерживает циркуляцию среды в контурах и теплообмен между ними. По размерам тепловой насос похож на современную стиральную машинку. Рассмотрим каждый из контуров подробнее.

Внешний контур

Посредством внешнего контура вся система воспринимает тепловую энергию грунта или водоема, в котором данный контур размещается.

Обязательное условие – контур должен находиться ниже глубины промерзания, характерной для данного региона.

Внутри контура циркулирует теплоноситель – рассол или другая незамерзающая жидкость. Накопленная тепловая энергия через теплообменник, установленный в тепловом насосе, передается фреону, содержащемуся во втором контуре.

Контур фреона

Этот контур полностью размещен в корпусе теплового насоса и наполнен фреоном. Характерной особенностью фреона является низкая температура кипения, в процессе которого фреон испаряется, превращаясь в газ.

Внутренний контур

Это, собственно, контур отопления, состоящий из труб и отопительных радиаторов. В более сложном варианте внутренний контур может подразделяться на контуры отопления, горячего водоснабжения, подогрева крыльца (антиобледенитель) и т.п.

Традиционно внутренний контур заполняется водой, но могут применяться и другие виды теплоносителей.

Как это работает

Принцип действия системы геотермального отопления выглядит следующим образом:

1. Находящемуся во внешнем контуре рассолу сообщается тепловая энергия грунта или воды, отчего его температура увеличивается примерно на 5 градусов и становится равной, к примеру, +3 градуса.
2. Внутри теплового насоса рассол прокачивается через теплообменник, в котором часть его тепловой энергии передается фреону. Остывший после этого рассол снова поступает во внешний контур.
3. Получив некоторое тепло от рассола, фреон, находящийся во втором контуре, испаряется. Получившийся таким образом газ поступает в компрессор, где происходит его сжатие. В результате температура фреона поднимается до 100 градусов. Горячий газ подается в теплообменник, в котором отдает часть своей тепловой энергии теплоносителю третьего – внутреннего – контура.
4. Подогретый до температуры в 50-70 градусов теплоноситель внутреннего контура подается в радиаторы отопления, благодаря чему в доме поддерживается комфортная температура. Фреон, температура которого в результате теплообмена понижается до 70 градусов, поступает в расширительный экран, где его давление и температура падают до первоначальных значений.
5. Весь цикл повторяется снова.

Солнечные коллекторы для отопления дома: разновидности установок

По конструктивному исполнению солнечные коллекторы могут быть плоскими или вакуумными. Последний вариант является более распространенным типом, который характеризуется простотой монтажа, высокой эффективностью, способностью обеспечить необходимым количеством тепла весь дом. Вакуумный солнечный коллектор для отопления дома, цена которого превышает стоимость плоского изделия, представлен сложной конструкцией, которую можно использовать для полноценного обогрева помещения и нагрева воды в любой сезон года.

Существует особый тип установки, который называется коллектор-концентратор. Он представляет собой систему параболических отражателей, которые располагаются на одной криволинейной поверхности, где концентрируется в определенных точках солнечный свет. Для получения максимального эффекта необходимо изменять вслед за движением солнца положение устройства, которое может находиться в двух плоскостях.

В зависимости от теплоносителя различают жидкостные и воздушные конструкции. В первом случае используется дистиллированная вода или антифриз, а во втором – нагретый воздух.

Вакуумные солнечные коллекторы

По варианту применения теплоносителя различают пассивные и активные системы. В первом варианте солнечный коллектор используется совместно с баком накопителем. Такая система приемлема для горячего водоснабжения и не комплектуется дополнительными инженерными элементами. Активный вариант предполагает установку солнечного коллектора и других технических устройств, таких как насос, бак-накопитель, защитные клапаны, дополнительные приборы нагрева теплоносителя. Такая система может применяться и для горячего водоснабжения, и для отопления дома.

Активный солнечный коллектор для подогрева воды

Способ передачи тепла может быть косвенным или прямым. Первый вариант предполагает наличие аккумулирующего бака, в котором выполняется передача тепловой энергии, полученной наружным контуром от солнечного излучения, внутреннему контуру, циркулирующему в системах отопления и ГВС. В прямоточных системах, которые применяются для горячего водоснабжения, циркуляция воды в контуре коллектора происходит под воздействием разности температур и благодаря наличию дополнительных элементов в виде клапанов и кранов.

Классификация солнечных коллекторов для отопления по температуре нагрева теплоносителя

Воздушные или водяные солнечные коллекторы для отопления дома можно классифицировать по степени нагревания его рабочих органов и теплоносителя. В зависимости от этого критерия различают низко-, средне- и высокотемпературные установки. Низкотемпературные варианты способны обеспечить нагрев теплоносителя до 50 °С. Такие тепловые коллекторы используются для подогревания воды в душевых летом, в емкостях для полива, для создания комфортных условий в прохладные весенне-осенние вечера.

Среднетемпературные системы обеспечивают нагрев теплоносителя до 80 °С. Такие установки употребляются для обогрева помещений, для бассейнов. Солнечные коллекторы данной категории наиболее целесообразно устанавливать при обустройстве частного дома. Высокотемпературные системы способны нагреть теплоноситель до температуры 250-300 °С. Такие устройства рекомендуется использовать в промышленных масштабах. Их применяют для обогрева коммерческих зданий, производственных цехов и других технологических помещений.

Высокотемпературные системы предполагают сложный процесс преобразования и передачи тепловой энергии. Конструкции имеют внушительные габариты, требующие много свободного пространства для их монтажа. Процесс изготовления системы является весьма трудоемким и затратным, что связано с использованием специализированного оборудования. Самостоятельно выполнить такой вариант не удастся.

Установка солнечного отопительного коллектора

Солнечный отопительный коллектор вместе с системой аккумуляции тепла и теплообменным контуром в сборе представляет собой довольно сложную технологическую систему. Комплекты такого оборудования оснащаются подробными инструкциями по установке, также в сети Интернет можно найти подробные видеоуроки. Но перед покупкой и установкой солнечного коллектора необходимо составление проекта отопительной системы. В этот процесс обязательно нужно привлекать специалиста, который произведет необходимые расчеты материалов и оборудования.

Использование альтернативных источников энергии может существенно снизить затраты на содержание вашего дома, более того, оно может сделать вас независимыми от поставщиков традиционной энергии.