Солнечное отопление частного дома: обзор лучших конструкций

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.

Выгодно ли это

Определить, выгодно ли использовать солнечные коллекторы, каждый определяет для себя индивидуально, в зависимости от региона проживания, потребности в тепловой энергии и в зависимости от финансовых возможностей.
Регион проживания – это важный критерий, при определении эффективности использования устройств, служащих для преобразования энергии солнца в другие виды энергии. Солнечная активность (продолжительность солнечного сияния), в разных регионах нашей страны разная, что видно на приведенной ниже схеме.
Из данной схемы видно, что наиболее благоприятные регионы, для использования солнечной энергии, с продолжительностью солнечной активности более 2000,0 часов в год, расположены в южных районах страны. В этих районах также не бывает холодных и продолжительных зим, что определяет возможность успешного использования солнечных коллекторов в системах отопления и горячего водоснабжения, именно в этих областях России.

При необходимости создать абсолютно автономную систему, от внешних, традиционных поставщиков тепловой энергии, следует помнить, что, установив только коллектор, создать подобную систему не получится, т. к. для создания циркуляции теплоносителя, работы системы автоматики, необходима электрическая энергия. Поэтому, для полной автономии, необходимо проработать вопрос по независимому электроснабжению подключаемого объекта. Следовательно, для того, чтобы сделать абсолютно независимую систему, потребуются дополнительные финансовые затраты, что увеличит срок окупаемости оборудования.

Плюсы и минусы

Как у любого технического устройства, так и у солнечного коллектора, есть свои плюсы и минусы, как по возможности использования и эксплуатации, так и по иным параметрам и показателям. В зависимости от конструкции устройства, плюсы и минусы, разнятся, поэтому необходимо их рассмотреть в отдельности друг от друга.

Плоские солнечные коллекторы.

Достоинства использования:

При использовании в южных регионах с теплым климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
При осадках в виде снега, имеют способность к самоочищению;
Обладают высоким КПД, при использовании в летний период;
Относительно низкая стоимость, в сравнении с аналогами другой конструкции.

Недостатками являются:

Значительные тепловые потери, вызванные конструктивными особенностями устройства;
Низкий КПД при работе в осенне-весенний период;
Сложность транспортировки и монтажа готовых изделий;
Высокая парусность конструкции, создает опасность повреждения ее элементов, в процессе эксплуатации;
Сложность и трудозатратность выполнения ремонтных работ.

Вакуумные солнечные коллекторы.

Достоинства использования:

При использовании в регионах с холодным и умеренным климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
Незначительные тепловые потери, в процессе эксплуатации, в сравнении с аналогами другой конструкции;
Способность работать при низких и отрицательных температурах окружающего воздуха;
Способность работать при низкой солнечной активности в утренние и вечерние часы, а также при отсутствии прямых солнечных лучей (пасмурная погода);
Легкий и удобный монтаж, транспортабельность конструкций;
Надежность в процессе эксплуатации.

Недостатками являются:

Относительно высокая стоимость;
Жесткие требования к монтажу, определяющие расположение коллектора в пространстве по отношению к поверхности земли.

Применение гелиоустановок

Солнечные коллектора в большинстве используются для двух целей:

получение горячей воды для бытовых нужд;
отопление помещений.

Кроме этого, возможны варианты для подогрева воды в бассейнах, отопления теплиц, сушки сельскохозяйственной продукции.

Если для горячей воды достаточно относительно небольших по площади коллекторов, то для отопления дома понадобятся конструкции в несколько десятков квадратных метров, что вызовет технические вопросы по их установке.

Монтируют, как правило, приёмники солнечного света по трём вариантам:

установка на крыше;
фиксация на стене;
монтаж на уровне земли.

Самое сложное – это кровельный вариант, связанный с работой на высоте. Осложнение вносит и вес конструкций, которых туда надо аккуратно, не повредив, поднять.

Крепление к стене потребует применение специальных прочных кронштейнов, рассверливание отверстий под подводящие и отводящие трубы. Если крепление будет осуществляться выше человеческого роста, то понадобятся подмости или строительные леса.

Для расположения на земле необходимо найти место, где ничто не будет затенять в течение светового дня, коллектор. Потребуется выполнить небольшой опорный фундамент или силовую конструкцию, на которой осуществляют монтаж теплового приёмника.

Трубы, проходящие к дому, необходимо теплоизолировать. При эксплуатации в зимнее время надо периодически проводить работы по очистке конструкции от возможных снежных заносов.

Что такое солнечные батареи?

Солнечные батареи – это высокотехнологичный прибор, которые преобразует неиссякаемую энергию солнца в электрическую энергию. Такие устройства широко используются уже несколько десятков лет и успешно работают во многих бытовых приборах, например в часах или в микрокалькуляторах. Современное производство позволило сделать изготовление солнечных батарей достаточно дешевым, что позволило не только запитывать от них миниатюрные устройства, но и создавать на основе солнечной энергии автономные системы сравнительно больших размеров для отопления загородных домов и обеспечения в них устойчивого энергоснабжения.

Преимущества солнечных батарей

Несмотря на довольно высокую стартовую стоимость оборудования частного дома полноценным пакетом солнечных батарей – общая эксплутационная стоимость такого оборудования является сравнительно низкой, так как в итоге цена киловатт-часа будет состоять только из стартовых расходов на покупку и цены необходимых регламентных работ. Разделенная на довольно долгий срок службы такого оборудования – итоговая цена киловатт часа будет стремительно падать.

Использование гелиоколлекторов в Европе и России

Жители Европы давно пришли к выводу, что использовать гелиосистемы — это выгодно, комфортно и экологично. Абсолютный лидер в области европейского прогресса — Германия, за ней идет Греция, в Австрии 15% частных домов оборудованы коллекторами для ГВС. В Европе солнечные коллекторы работают везде — в частных домах, школах, детсадах, больницах, на фермах. В Португалии, Израиле и Испании установка солнечных коллекторов, нагревающих воду, обязательна при строительстве новых домов.

Площади, которые занимают гелиосистемы в странах Европы, Америке, Японии, Китае, — миллионы квадратных км, тогда как в России эта цифра составляет 30000 км2. Причин несколько — плохая осведомленность людей и низкий уровень достатка.

Сегодня наряду с немецкими, австрийскими и швейцарскими производителями на рынок стран СНГ выходят российские машиностроительные заводы, а также белорусские и украинские производители, которые продают гелиоустановки по ценам ниже зарубежных аналогов.

Возможности современных технологий

Поверхность земли получает различное количество солнечной энергии, все зависит от расположения территории относительно экватора и времени года. К примеру, в Заполярье солнца намного меньше, чем в экваториальной части. Кроме того летом солнечное излучение интенсивнее, чем в зимний период. При расчетах средних значений специалисты определили, что за один час квадратный метр поверхности земли получает около 160 Вт солнечной энергии. Современные системы отличаются высокой продуктивностью, благодаря чему появилась возможность использовать энергию солнечного излучения практически в любом месте.

Для получения максимального КПД при использовании солнечной энергии применяются два способа:

Прямое нагревание тепловых коллекторов. Прямые солнечные лучи нагревают тепловые коллекторы, они в свою очередь передают тепло жидкости в отопительном контуре и системе горячего водоснабжения. Тепловые коллекторы могут быть открытого и закрытого типа, могут иметь плоскую или сферическую форму. Тепловую энергию, получаемую с коллекторов можно использовать для нагревания рабочей среды в системе водоснабжения и теплоносителя в отопительной системе.
Применение солнечных батарей. В этом случае происходит преобразование солнечной энергии в электричество, которое в последствие передается потребителю через специальную систему.

Отопление от солнца: за и против

Если говорить об использовании солнечной энергии для отопления, то нужно иметь в виду, что существуют два разных устройства для преобразования солнечной энергии:

Солнечные батареи. Они вырабатывают исключительно электрический ток. А вот его уже вы можете использовать для обеспечения работоспособности любого электрооборудования, в том числе и не работу отопительных приборов.
Солнечные коллекторы. Эти устройства нагревают жидкость (теплоноситель) и их можно напрямую подключать к системе отопления, а также с их помощью греть воду для бытовых нужд.

Так можно обеспечить дом горячей водой и частично отоплением при помощи солнечной энергии

Оба варианта имеют свои особенности. Хотя сразу нужно сказать, какой бы из их вы ни выбрали, не спешите отказываться от той системы отопления, которая у вас есть. Солнце встает, конечно, каждое утро, но вот не всегда на ваши солнечные элементы будет попадать достаточно света. Самое разумное решение — сделать комбинированную систему. Когда энергии солнца достаточно, второй источник тепла работать не будет. Этим вы и обезопасите себя, и жить будете в комфортных условиях, и сэкономите.

Если желания или возможности ставить две системы нет, ваше солнечное отопление должно иметь, как минимум, двукратный запас по мощности. Тогда точно можно сказать, что тепло у вас будет в любом случае.

Достоинства использования солнечной энергии для отопления:

Безопасный и абсолютно «чистый» источник энергии.
Снижение затрат на отопление и ГВС.
Вы независимы от состояния экономики: солнце светит всегда, и в кризис, и в период расцвета.
Денег солнце за свою энергию не требует. Другое дело, что государство может обложить налогами владельцев гелиоустановок. Но пока такого не случилось — солнечная энергия бесплатна.

Солнце постоянно посылает на землю тепло. И им можно воспользоваться для обогрева дома

Недостатки:

Зависимость количества поступающего тепла от погоды и региона.
Для гарантированного отопления потребуется система, которая может работать параллельно с гелиосистемой отопления. Многие производители отопительного оборудования предусматривают такую возможность. В частности европейские производители настенных газовых котлов предусматривают совместную работу с солнечным отоплением (например, котлы Baxi). Даже если у вас установлено оборудование, у которого такой возможности нет, можно согласовать работу отопительной системы при помощи контролера.
Солидные финансовые вложения на стартовом.
Периодичное обслуживание: трубки и панели нужно очищать от налипшего мусора и мыть от пыли.
Некоторые из жидкостных солнечных коллекторов не могут работать при очень низких температурах. В преддверии сильных морозов жидкость приходится сливать. Но это касается не всех моделей и не всех жидкостей.

Теперь рассмотрим подробнее каждый из типов солнечных нагревательных элементов.

Устройство самодельного солнечного коллектора

Для уверенного в своих силах мастера собрать тепловой коллектор не составит труда. Можно начать с небольшого устройства для обеспечения горячей воды на даче, а в случае успешного эксперимента перейти к созданию полноценной солнечной станции.

Плоский солнечный коллектор из металлических труб

Самый простой в исполнении коллектор – плоский. Для его устройства понадобится:

сварочный аппарат;
трубы из нержавеющей стали или меди;
стальной лист;
закаленное стекло или поликарбонат;
деревянные доски для рамы;
негорючий утеплитель, способный выдержать нагретый до 200 градусов металл;
черная матовая краска, устойчивая к высоким температурам.

Сборка солнечного коллектора довольно проста:

Трубы свариваются в решетку – две горизонтальные большего диаметра, по которым будет подаваться теплоноситель, а между ними вертикальные меньшего диаметра – по которым теплоноситель будет циркулировать в процессе нагревания.</li>

Собирается рама из досок по размеру сваренной решетки.

</li>Трубы привариваются к стальному листу – он выступает в роли адсорбера солнечной энергии, поэтому прилегание труб должно быть максимально плотным. Все красится в матовый черный цвет.

</li>На лист с трубами кладется рама так, чтобы трубы оказались с внутренней стороны. Просверливаются отверстия для входа и выхода труб. Укладывается утеплитель. Если используется гигроскопичный материал, нужно позаботиться о гидроизоляции – ведь намокших утеплитель больше не будет защищать трубы от охлаждения.

</li>Утеплитель фиксируется листом ОСБ, все стыки заполняются герметиком.</li>Со стороны адсорбера кладется прозрачное стекло или поликарбонат с небольшим воздушным зазором. Оно служит для предотвращения остывание стального листа.</li>Фиксировать стекло можно с помощью деревянных оконных штапиков, предварительно проложив герметик. Он предотвратит попадание холодного воздуха и защитит стекло от сжатия рамы при нагревании и охлаждении.

Для полноценного функционирования коллектора понадобится накопительный бак. Его можно сделать из пластиковой бочки, утепленной снаружи, в которой спиралью уложен теплообменник, соединенный с солнечным коллектором. Вход нагретой воды должен располагаться сверху, а выход холодной – снизу.

Важно правильно разместить бак и коллектор. Чтобы обеспечить естественную циркуляцию воды, бак должен находиться выше коллектора, а трубы – иметь постоянный наклон

Если же солнечный коллектор расположен на крыше дома, придется включить в систему насос, который обеспечит движение воды.

Солнечный нагреватель из подручных материалов

Если со сварочным аппаратом дружбу свести так и не удалось, можно сделать простой солнечный нагреватель из того, что под рукой. Например, из жестяных банок. Для этого в дне делаются отверстия, сами банки скрепляются друг с другом герметиком, на него же садятся в местах соединения с ПВХ-трубами. Красятся в черный цвет и укладываются в раму под стекло также, как и обычные трубы.

А вот работать с пластиковыми бутылками еще проще – достаточно нанизать их на покрашенные в черный цвет ПВХ-трубы.

Для улучшения нагревания в каждую бутылку вкладывается черная подложка, сами же бутылки создают парниковый эффект, так что не требуют накрывания стеклом.

Фасад дома из солнечных батарей

Почему бы вместо обычного сайдинга не отделать дом чем-то полезным? Например, сделав с южной стороны на всю стену солнечный нагреватель.

Такое решение позволит оптимизировать расходы на отопление сразу по двум направлениям – снизить затраты на энергоноситель и существенно сократить теплопотери за счет дополнительного утепления фасада.

Устройство просто до безобразия и не требует специальных инструментов:

на утеплитель уложен окрашенный оцинкованный лист;
поверх уложена нержавеющая гофрированная труба, также выкрашенная в черный;
все прикрыто листами поликарбоната и зафиксировано алюминиевыми уголками.

Если же и этот способ кажется сложным, на видео представлен вариант из жести, полипропиленовых труб и пленки. Куда уж проще!

</li>

1 Принцип работы

Современный технический прогресс позволяет использовать тепловые коллекторы для отопления. Они представляют собой климатическую технику с возобновляемым ресурсом энергии. Потратиться придётся только на приобретение оборудования (или его составных частей, если делать аппарат самостоятельно).

Принцип работы солнечных тепловых коллекторов почти ничем не отличается от функционирования обычных бытовых водонагревателей. Энергия воздействует на тепловой элемент, тем самым повышая температуру жидкости внутри: вода, антифриз или воздух.

Подобное совместное функционирование применяется чаще, чем автономное. Однако в регионах, где количество солнечных дней значительно превышает количество пасмурных, не исключается полное переключение на энергию природы без задействования электричества. Чтобы использовать её максимально, нужно учесть этот вариант ещё на этапе постройки здания и грамотно его теплоизолировать.

Типы отопительных солнечных коллекторов для дома

Современная промышленность освоила выпуск различных типов солнечных отопительных коллекторов. Для того, чтобы понять, какой из них может подойти для монтажа системы домашнего отопления или горячего контура водоснабжения в вашем доме – необходимо ознакомиться с их разновидностями. Основных типов насчитывается два: плоские и вакуумные, менее широко распространены воздушные коллекторы.

Плоский светопоглощающий

Плоский отопительный солнечный коллектор представляет собой тонкую коробку, внутри которой находится особое вещество, активно аккумулирующее, адсорбирующее тепло. Сверху коробка закрыта стеклом, которое пропускает солнечные лучи. Внутри адсорбирующего слоя, собирающего тепло расположена система трубопроводов, внутри которых перемещается теплоносителя. В качестве теплоносителя в таких системах, как правило используется пропилен-гликоль.

плоский коллектор в разрезе

Вакуумный

Внутри вакуумного отопительного коллектора на месте единственной плоской коробки находятся полые стеклянные или кварцевые трубки, из которых откачан воздух, то есть создан вакуум. А вот уже внутри таких полых трубок располагаются трубки с веществом, адсорбирующем солнечную тепловую энергию. Соответственно трубопроводы с теплоносителем находятся внутри трубок с адсорбером. Солнечные лучи легко проникают сквозь вакуум в промежутке между трубами и нагревают теплоноситель. Однако этот же вакуум препятствует обратной утечки тепловой энергии из адсорбера в окружающее пространство, выступая в роли теплоизолятора.

вакуумный коллектор

Воздушный

Как уже понятно из названия – такие устройства не имеют теплоизолирующего вакуумного слоя. Следовательно КПД их действия будет ниже, чем у вакуумных коллекторов. Такие устройства рекомендуется устанавливать в местности с большим количеством солнечных дней. Более того, в таких коллекторах теплоносителем является обычный воздух. Он переносится в отапливаемое помещение вентилятором или естественной конвекцией. Работа вентилятора при перемещении воздушных потоков также требует отдельного источника питания Это дополнительная причина того, что данная система имеет более низкий КПД, чем плоские или вакуумные коллекторы. Конечно же, ни о каком горячем водоснабжении в такой конструкции не может быть и речи.

5 Правила выбора

У всех видов таких устройств есть свои достоинства и недостатки

Выбирая подходящий для конкретных нужд коллектор, нужно обращать внимание на следующие нюансы:

Выгоднее всего размещать панели на южной стороне дома или с отклонением от неё на 30 градусов или менее. Если планируется круглогодичное пользование тепловым отоплением, лучше подобрать угол установки, равный географической широте местности.
Если поставить устройство вертикально, с него не придётся счищать снег, но КПД может значительно понизиться.
Перед тем как коллектор приобретён, нужно составить проект всей схемы отопления, а также предусмотреть оптимальный способ крепления к крыше. Нередко для этого требуются дополнительные каркасы. Желательно предоставить все работы по составлению планов специалистам в этой области.
Использование плоских моделей не всегда оправдано. Они куда более прочны, чем прочие разновидности, но при поломке их нужно менять целиком. Этот тип коллекторов может нагревать воду на 20−40 градусов выше температуры за окном.
Вакуумные коллекторы куда более хрупкие, чем плоские: отдельные трубки повреждаются довольно легко. Но, заменив одну колбу, можно полностью вернуть функциональность всему устройству, именно поэтому их ремонт требует меньших финансовых затрат. Зимой они куда эффективнее плоских, так как лучше собирают солнечную энергию и дольше её сохраняют.
Коллекторы с воздухом в качестве теплоносителя куда хуже прогревают дом, чем остальные варианты. Однако они отличаются долгим сроком службы и куда реже выходят из строя, практически не требуя ремонта.
У вакуумных коллекторов количество энергии, преобразованной в тепло, прямо пропорционально размерам их трубок. Лучше использовать трубки с шириной 6 сантиметров и длиной 2 метра. Если они будут уже и короче, это увеличит расход энергии. Чтобы производство тепла было более эффективным, внутри должна быть специальная вставка — прямая или в виде буквы U.

Следует также учесть, что мощность, указанная производителем, является номинальной и рассчитывается при ярком солнце, находящемся в зените. Ранним утром и вечером она будет падать, а ночью должна использоваться энергия, накопленная за день. Поэтому важна и мощность всей системы, и количество тепла, которое она сохраняет. Особенно это существенно для моделей с водой в качестве теплоносителя.

Водяные солнечные коллекторы

В противном случае вода просто замёрзнет. Имеет смысл рассматривать антифризные варианты – они нагревают ёмкости, стоящие внутри дома, и циркуляция будет происходить благодаря естественному процессу. Всего видов водяных солнечных коллекторов 4. Рассмотрим их более подробно:

Вакуумный. Такой тип не даёт теплопотерь – вакуум находится между трубками с носителем и коробом.
Плоский. Представляет собой прозрачную панель, снабжённую с обратной стороны теплоизолирующим материалом.
Воздушный. Предназначен для нагрева массы воздуха. КПД у него небольшой. Может использоваться как система отопления небольшой дачи в период межсезонья.
Трубчатый. Внутри короба расположены трубки с носителем, который благодаря закону физики о вытеснении горячих масс холодными заставляет циркулировать систему, доставляя тепло.

У всех вышеперечисленных вариантов нет преимуществ перед солнечными батареями – накопленное водяными системами тепло обладает меньшим КПД, в сравнении с электричеством. Поэтому владельцам стоит прикинуть полезность каждого, прежде чем приступать к самостоятельной сборке или приобретению дорогостоящей системы.

Как и из чего сделать воздушный коллектор

Главное достоинство солнечных воздухонагревателей, в простоте конструкции. При желании можно сделать самодельное солнечное воздушное отопление частного дома, затратив на это минимум средств.

Для начала потребуется сделать расчеты производительности, затем подобрать тип конструкции и выбрать материалы для изготовления. Корпус и абсорберы можно изготовить из подручных средств, существенно сэкономив бюджет.

Как сделать расчёты коллектора

Вычисления выполняются следующим образом:

каждый м² от площади коллектора даст 1,5 кВт/час тепловой энергии, при условии, что будет солнечная погода;

для полноценного обогрева помещения требуется 1 кВт тепловой энергии на 10 м².

Приблизительный расчет мощности покажет, что для отопления жилого дома на 100 м² необходимо установить коллекторы общей площадью 7-8 м².

Для обеспечения максимальной производительности надо определить сторону дома с максимальной интенсивностью ультрафиолетового излучения. Практика показывает, что оптимальное место для установки — это скат кровли или южная стена здания.

Типы конструкции коллектора

Классификация осуществляется по различиям корпуса коллекторов. Заводской воздухонагреватель обычно имеет надувной каркас, с двумя съемными панелями. При необходимости модуль легко демонтируется, разбирается и переносится на другое место. Сделать своими руками конструкцию надувного типа навряд ли получится.

В домашних условиях выполняют сборку неразборного корпуса. Это деревянный ящик с абсорбером, радиатором и верхним прозрачным экраном. При изготовлении используют подручные средства: профнастил, алюминиевые пивные банки, обычное стекло.

Материалы для изготовления коллектора

Для изготовления модулей для нагрева жилого или хозяйственного здания потребуются несколько комплектующих:

Внешний блок — собирается из фанеры, ДСП и деревянных брусков. По внешнему виду напоминает обыкновенный коробок.

Дно — изготавливают из профнастила. Лист металла обрабатывают специальной черной краской с высоким коэффициентом светопоглащения. Абсорбирующую поверхность можно сделать из разрезанных алюминиевых банок. Дно обшивают изоляционным материалом, чтобы избежать тепловых потерь.

Ребра радиатора — используются для лучшей абсорбции тепла. При изготовлении используют тонкие листы алюминия, меди. Можно установить уже готовый радиатор из старого холодильника.

Крышка коллектора — делается из сотового поликарбоната, отличающегося хорошей светопропускной способностью и одновременно удерживающая тепло внутри коллектора. Чтобы сэкономить, в качестве покрытия можно использовать обычное стекло. Теплоэффективность при этом будет нижем чем у коллекторов, закрытых поликарбонатом.

Теплоизоляция корпуса — по периметру каркас обшивают пенополистиролом.

Для нагнетания воздуха в отапливаемые помещения устанавливают 2-4 вентилятора. Подойдут кулеры, снятые со старого компьютера.