Реально ли обеспечить свой дом солнечной тепловой энергией? Сегодня мы обсудим перспективу использования гелиосистем в качестве основного источника отопления, рассмотрим вопрос экономической оправданности и эффективности работы солнечных коллекторов.
Основные узлы системы отопления
Источником нагрева гелиосистемы служат солнечные коллекторы, целью которых является максимально эффективная передача теплоносителю энергии инфракрасного спектра солнечного излучения. Тепловой диапазон солнечного света составляет 40–45% от общего радиационного потока, в конкретных цифрах это 200–500 Вт/м2 в зависимости от широты, времени года и суток.
В принципе, для построения простейшей гелиосистемы достаточно одних только коллекторов. По их каналам может циркулировать обычная вода, используемая для хозяйственных нужд и обогрева жилья. Однако такой подход недостаточно эффективен по ряду причин, первая из которых — отсутствие восполнения энергопотерь в течение полных суток. Поэтому одним из важнейших элементов системы солнечного отопления служит тепловой аккумулятор — ёмкость с водой.
Схема отопления дома солнечными коллекторами: 1 — подача холодной воды; 2 — теплообменник; 3 — теплоаккумулятор; 4 — датчик температуры; 5 — контур теплоносителя; 6 — насосная станция; 7 — контроллер; 8 — расширительный бак; 9 — горячая вода; 10 — трёхходовой кран; 11 — солнечный коллектор
Также своеобразным ограничением выступает техническое устройство солнечного коллектора. Его каналы имеют довольно малое проходное сечение, из-за чего возникает риск засорения механическими примесями. Также существует высокая вероятность замерзания теплоносителя в ночное время, верхняя же граница диапазона рабочих температур составляет 200–300 °С. Коллекторы рассчитаны на быструю непрерывную циркуляцию теплоносителя, который поступает с низкой температурой, быстро нагревается солнечным светом и так же быстро отдаёт тепло аккумулятору.
Трубки вакуумного U-образного солнечного коллектора
По этим причинам для непосредственного нагрева в тепловых трубках принято использовать пропиленгликоль с набором специальных присадок. Итак, третий обязательный элемент нагревательной гелиосистемы — специальный теплоноситель и обменный контур, который зачастую конструкционно включён в состав теплоаккумулятора, либо может быть частью самого коллектора.
Разновидности и отличия коллекторов
Если не вдаваться в технические тонкости устройства, основное различие между плоскими и вакуумными коллекторами заключено в целесообразности их использования в разных климатических зонах. Плоские коллекторы лучше использовать в южных широтах с преобладающими температурами выше нуля, вакуумные — ближе к северным.
Конструкция плоского солнечного коллектора: 1 — выход теплоносителя; 2 — рама коллектора; 3 — структурированное градостойкое стекло; 4 — абсорбер; 5 — медные трубки; 6 — теплоизоляция; 7 — вход теплоносителя
Целесообразность применения отдельных разновидностей солнечных коллекторов обусловлена рядом особенностей:
- неспособностью вакуумных коллекторов самостоятельно очищаться от снега;
- высокими теплопотерями плоских солнечных коллекторов, растущими вместе с разницей температур;
- низкой устойчивостью плоских коллекторов к ветровым нагрузкам;
- высокой стоимостью проекта на вакуумных солнечных коллекторах;
- низким температурным диапазоном эффективного применения плоских коллекторов.
Конструкция вакуумного коллектора с косвенной теплопередачей: 1 — вход охлаждённого теплоносителя; 2 — теплообменник (коллектор); 3 — герметичная пробка; 4 — вакуумная трубка; 5 — алюминиевая пластина (абсорбер); 6 — тепловая трубка; 7 — рабочая жидкость; 8 — выход нагретого теплоносителя; 9 — корпус теплосъёмника; 10 — конденсатор тепловой трубки; 11 — изоляция
Одно из важнейших отличий кроется в процессе монтажа. Плоские коллекторы требуют доставки на крышу в собранном виде, в то время как вакуумные могут собираться по месту. Также плоские коллекторы обычно не имеют собственного теплоаккумулятора и обменного контура.
Проблемы солнечной энергетики
Нагревательные солнечные системы не лишены минусов, из них самый главный — непостоянство источника энергии. В ночное время нагрев системы не происходит, а при затяжной пасмурной погоде ожидать ясного неба, чтобы нагреть дом — удовольствие ниже среднего. Если аккумулятор при достаточно большом объёме способен сохранить нужное количество теплоты хотя бы до утра, то на несколько суток автономной работы в условиях недостаточной освещённости можно рассчитывать только при существенном расширении солнечной фермы. Это, в свою очередь, вызывает обратную проблему: при выходе на режим максимальной мощности (например, в весенний ясный день) такая гелиосистема потребует более интенсивного теплосъёма или временного отключения нескольких абсорберов с их затенением.
Важно понимать, что гелиосистемы в реалиях российского климата не могут использоваться как единственный или основной источник отопления. Однако они способны существенно снизить расход энергоносителей в отопительный период. Особенно эффективно работают гибридные коллекторы, в которых нагреватели совмещены с фотоэлементами. Если облачность задерживает большинство ИК излучения, то потери фотоэлектрической части спектра не столь значительны.
Другой минус солнечных коллекторов заключён в необходимости принудительной циркуляции теплоносителя в системе коллектор-аккумулятор. Некоторые вакуумные коллекторы оснащают баком, рассчитанным на естественную циркуляцию и расположенным выше поглотителя. Такие установки обычно используют в системах горячего водоснабжения с забором воды под давлением холодного водопровода. Но способы наладить совместную работу таких солнечных коллекторов с отопительной системой всё же имеются.
Вакуумный солнечный коллектор с баком
Интеграция в систему отопления
Есть два пути совмещения солнечных коллекторов со сколь угодно сложной системой отопления на жидком теплоносителе. Основным источником энергии может выступать либо газ, либо электричество — существенной разницы в том нет.
Первый вариант — нагрев общего суточного аккумулятора. Накопитель связывается с котлом совместно и последовательно, при недостаточно высокой температуре последний включается в работу и подогревает жидкость. Правильно спроектированная система такого рода может эффективно работать даже без принудительной циркуляции.
1 — контур отопления; 2 — греющая жидкость; 3 — датчик температуры; 4 — насосная станция; 5 — контроллер; 6 — насос; 7 — расширительный бак; 8 — санитарная вода; 9 — холодная вода; 10 — ГВС; 11 — солнечный коллектор; 12 — отопительный котёл
Второй тип совмещения подразумевает использование теплового аккумулятора с двумя контурами. Через один осуществляется съём тепла от коллектора, через второй — нагрев теплоносителя в системе, вода из аккумулятора служит источником ГВС. Поскольку контуры изолированы друг от друга, в отопительной системе и цикле теплообмена от солнечного коллектора можно использовать более теплоёмкие жидкости или антифриз. Основной недостаток — энергозависимость системы, ведь в обоих контурах циркуляция осуществляется принудительно.
1 — подача холодной воды; 2 — датчик температуры; 3 — теплообменник солнечного коллектора; 4 — теплообменник котла; 5 — контур теплоносителя коллектора; 6 — насосная станция; 7 — контроллер; 8 — расширительный бак; 9 — циркуляционный насос; 10 — выход горячей воды; 11 — отопительный котёл; 12 — солнечный коллектор
Расчёт мощности и этапы монтажа
Переход на солнечную энергетику не приемлет спешки и поверхностного подхода. Зачастую выводы о целесообразности установки гелиосистемы можно сделать только через несколько лет наблюдений и расчётов.
К сожалению, полагаться на инсоляционные карты не имеет особого смысла, ибо местные погодные условия могут сильно искажать среднестатистические показатели. Поэтому первое, что нужно сделать — самостоятельно составить отчёт по интенсивности солнечной радиации в месте установки коллекторов. Для измерений используют пиранометры, в пределах 5 тысяч рублей можно приобрести бюджетный прибор с достаточным набором функций.
Пиранометр
Измерения следует проводить в разное время суток с периодичностью около недели в течение всего года. В процессе замеров нужно учитывать угол наклона и ориентацию коллекторов. Полученные данные в итоге сверяются со статистикой гидрометцентра о процентном содержании пасмурных дней в году.
Чтобы обеспечить высокую эффективность работы гелиоустановки, следует рассматривать самый негативный сценарий, то есть принимать за точку отсчёта наиболее продолжительный период с самой низкой освещённостью. В идеале можно сделать поправку на вероятность возникновения ещё более неблагоприятных погодных условий, пользуясь метеорологической статистикой за последние 15–20 лет. Полученные данные о поступающей солнечной энергии помогут установить необходимую общую площадь абсорбционного поля и определиться с количеством коллекторов, которые необходимо приобрести.
Как упоминалось, коллекторы очень редко используют как основной источник нагрева, обычно они играют вспомогательную роль. Но долю участия рассчитать можно, она указывается в виде процентной части от совокупной мощности энергосистемы дома или его теплопотерь. Получив требуемое количество киловатт, его умножают на оптический КПД абсорберов, добавляют несколько коэффициентов — поправок на ориентацию, наклон, температурный режим, а также запас надёжности.
По «чистому» значению генерируемой мощности подбирается:
- нужное число коллекторов определённой модели и в среднем по одному резервному солнечному коллектору на 10–15 находящихся в работе;
- система трубопроводов с рекомендуемой производителем пропускной способностью и термостойкостью;
- циркуляционная группа, запорная арматура, прочие вспомогательные устройства;
- объём и место размещения аккумуляторного бака. В системах с суточным накопителем или мощностью теплового отбора более 20 кВт имеет смысл строить изолированные бетонные резервуары объёмом от 15–20 м3.
Для самостоятельного монтажа и обслуживания необходимо составить проект системы, выделить место для размещения вспомогательных устройств и закрепить солнечный коллектор на южном (для северного полушария) склоне кровли с учётом рекомендаций поставщика техники по части ветровых нагрузок. Не забывайте, что приобретая полный комплекс оборудования у одного дистрибьютора, вы получаете возможность бесплатно составить если не проект отопительной гелиосистемы, то как минимум список хорошо совместимого оборудования и комплектующих.
Нужен ли тепловой насос
Один из основных недостатков солнечных отопительных систем — это высокая стоимость. В то время как технология производства плоских коллекторов хорошо освоена, вакуумные абсорберы остаются дорогими, а ведь при определённых погодных условиях с успехом получится эксплуатировать только их. Но есть и другая альтернатива — коллекторы воздушного типа.
Солнечный коллектор воздушного типа
Ввиду более простого устройства их стоимость меньше, плюс имеется возможность автономной работы. Эффективность воздушных коллекторов повышается с установкой нагнетающего вентилятора, питающегося от встроенной солнечной панели. За счёт ускоренного, но пропорционального нагреву охлаждения каналов обратные теплопотери через коллектор сводятся к минимуму. Ограничение мощности можно обеспечить управлением скоростью вентилятора или простым перекрытием протока — теплового удара воздушные коллекторы не боятся, к тому же легко настроить естественную рециркуляцию.
Недостаток воздушных систем в малой степени нагрева теплоносителя. Теплоёмкость воздуха меньше, плюс практически всегда абсорбер греется без фокусировки. Чтобы получить возможность интеграции в отопительную систему (что наиболее часто необходимо из-за невозможности проложить вентканал в обогреваемое помещение) тепловой насос или сплит-система действительно нужны.
Но воздушные тепловые насосы можно применять и для прироста эффективности кондиционирования воздуха. С ними скорость циркуляции удаётся поднять до значений, не приемлемых в бытовых вентиляционных системах, что даёт 2–3 кратный прирост выработки за счёт высокой разницы температур. В ночное время коллектор также будет обладать малой долей выработки при рабочем диапазоне температур.
Используемый как теплоноситель воздух можно подвергнуть осушению или заменить на углекислоту или другой более теплоёмкий газ. Однако тепловые насосы с водяным первичным контуром использовать не имеет смысла: они изначально рассчитаны на работу с высокой разницей температур и потому прироста мощности оказывается недостаточно для обоснования стоимости установки.
Стоимость солнечной отопительной установки
За удовольствие от пользования чистой энергией вообще приходится платить достаточно дорого, по крайней мере, на сегодняшний день. Справедливости ради, есть и позитивные новости: за последние пять лет стоимость производства плоских коллекторов упала в 2–2,5 раза, подобного можно вскоре ожидать и от устройств с вакуумными абсорберами.
Стоимость плоских и вакуумных коллекторов определяется объёмом выработки — значением солнечной радиации в идеальных условиях освещения, то есть удельной мощностью. В среднем за 1 кВт гелиоколлекторов плоского типа придётся выложить порядка $350–500, а за комплектную установку с внешним аккумулятором — около $800–1000. Стоимость вакуумных солнечных коллекторов колеблется в более высоком диапазоне — от $600 до $1000–1200 за комплекс в зависимости от качества исполнения, материала трубок, изоляции теплообменника и прочих особенностей.
Для ёмкостных коллекторов действует норма измерения в литрах воды, нагретой на максимально возможную температуру. Вычислить количество вырабатываемой электроэнергии можно либо по общей площади абсорбера, либо выразив через удельную теплоёмкость воды. В зависимости от сложности системы стоимость сильно разнится, цена одного из примеров из среднего сегмента рынка достигает $1500 за 300 литров (на 4–5 жильцов) с разницей температур около 50 °С, что эквивалентно 2,5 кВт удельной мощности.
Присоединяйтесь к нам на канале Яндекс.Дзен
