С наступлением холодного периода года каждый владелец частного дома невольно задумывается о том, как повысить эффективность отопления и при этом сэкономить на расходах. На выход в этой ситуации приходят современные технологии, использующие энергию солнечного света для выработки тепла. Разберем, что собой представляет вакуумный солнечный коллектор, каково его устройство, принцип работы и сфера применения, какими плюсами и минусами обладает, какие разновидности прибора существуют, а также каковы критерии его выбора и правила размещения.
Солнечный коллектор – что это такое, устройство, принцип работы
Климатическое оборудование, напрямую преобразующее энергию солнечного света в тепло, в технической терминологии называется солнечным коллектором. Прибор не вырабатывает электричество, как классическая солнечная батарея, а только собирает, концентрирует и передает тепло в систему отопления. В качестве теплоносителя выступает вода, незамерзающая жидкость или воздух.
По конструкционным признакам и связанным с ними принципом действия солнечные коллекторы, применяемые для отопления дома, в том числе в зимнее время, подразделяются на 3 основные вида – плоские, вакуумные и воздушные. Структурно прибор представляет собой набор последовательно соединенных трубок в форме змеевика, связанных с подающей и обратной магистралью. Внутри них циркулирует теплоноситель – вода, антифриз или воздух.
Любая модель вакуумного коллектора содержит в составе следующий набор основных узлов:
- Внешняя большая прозрачная труба без воздуха.
- Внутренняя малая трубка, внутри которой циркулирует теплоноситель.
- Сборник-распределитель с подсоединенными большими трубами, внутри которых находятся трубки меньшего диаметра.
Схематично такая конструкция является аналогом прозрачного термоса с максимальной теплоизоляцией. Благодаря этому малые трубки хорошо прогреваются и передают тепло циркулирующему внутри них теплоносителю.
Принцип действия коллектора основан на естественных законах изменения свойств веществ под температурным воздействием – движущей силой, заставляющей теплоноситель циркулировать внутри системы трубок, являются такие природные процессы, как изменение плотности вещества, конвекция, сжатие-расширение и проч.
При этом для усиления интенсивности поглощения тепловой энергии от солнца применяются специальные адсорбенты, например, металлические пластины с зачерненным покрытием. И наоборот, для максимального прохода солнечного света верхняя часть установки изготавливается из материала с высокими светопропускными способностями.
Применение
Установка солнечный коллектора для обеспечения нужд частного дома позволяет решить не только проблемы отопления, но также дополнительный ряд вопросов:
- Производство бытовой горячей воды – для душа, ванны, стирки, уборки, мытья посуды.
- Поддержание эксплуатационных норм бассейна.
- Обогревание парников, теплиц, оранжерей.
- Создание альтернативной дежурной системы отопления на случай аварии действующей.
- Оптимизация, снижение расходов на работу традиционной системы обогрева.
- Приготовление технической горячей воды.
Обратите внимание! Эффективность солнечного коллектора настолько высока, что его можно использовать для отопления дома даже зимой – но при условии, что будет установлена модель вакуумного типа. Объясняется это прежде всего конструкционными особенностями оборудования и спецификой их работы в условиях холода. В отличие от плоских аналогов его трубки не засыпаются снегом, прочности материала хватает, чтобы выдержать даже крупный град, а устройство по принципу термоса, позволяет довести воду внутри до кипения при сильном морозе снаружи.
Плюсы и минусы
В зависимости от того, какую конструкцию имеет солнечно-коллекторное оборудование, система отопления обладает определенным рядом плюсов и минусов. Так, достоинства плоских разновидностей проявляются в следующем:
- Наиболее выгодное соотношение «цены оборудования – производства тепла» для регионов с умеренным климатом.
- Полная автономность отопления и производства горячей воды.
- Максимальный КПД в период наивысшей солнечной активности в сравнении с солнечными батареями и ветрогенераторами.
- Независимость от стандартных энергоресурсов и постоянного роста цен на них.
- Средний срок окупаемости – 3-5 лет.
- Срок службы – не менее 30 лет.
- Функция самоочищения от снега, града.
- Легкое подключение к системе отопления.
- Абсолютная безвредность для окружающей среды.
Плоский солнечный коллектор, применяемый для нагрева теплоносителя системы отопления, не лишен некоторых недостатков:
- Высокая стоимость оборудования, необходимость затрат на установку и внедрение в систему отопления.
- Наличие парусных характеристик прибора, что создает вероятность повреждения при сильном ветре.
- Низкий КПД при пасмурной погоде, а также в период холодов.
- Большие тепловые потери из-за несовершенства устройства конструкции.
Вакуумные разновидности отличаются от плоских в лучшую сторону с точки зрения производительности, а также в силу следующих положительных особенностей:
- Широкий диапазон рабочей температуры, в том числе в мороз до -30-500С.
- Минимальные параметры парусности и вероятность повреждения ветром.
- Расширенные производительные способности ввиду способности поглощать излучение невидимой части спектра солнечного света.
- Незначительные тепловые потери из корпуса.
- Высокая надежность в эксплуатации.
- Ремонтопригодность – при неисправности требуется заменить один или несколько рабочих элементов, а не всю конструкцию.
- Возможность разогрева теплоносителя до 3000С.
- Нечувствительность конструкции к атмосферным осадкам.
Негативные свойства вакуумных моделей связаны прежде всего с высокой стоимостью оборудования и строгими требованиями по монтажу.
Важно! Эффективность солнечных коллекторов зависит далеко не только от погоды, но также условий установки, рельефа ландшафта и продолжительности солнечного сияния. Все эти факторы в существенной степени влияют и на время окупаемости.
Разновидности
Современные солнечные коллекторы бывают водяными и воздушными. У первых в качестве теплоносителя используется вода, антифриз или иная жидкость с подходящими свойства. Циркулируя по внутренним трубкам, она передает тепло в теплообменник системы отопления. Внутри воздушной модификации аналогичным образом нагревается поток воздуха, который затем поступает на нужды обогрева.
По особенностям конструкции приборы различаются на 2 основных типа:
- Плоские. Имеют форму невысокой вытянутой коробки, нижняя часть которой выложена теплоизоляционным слоем, а верх закрыт светопропускающей оболочкой, как правило, прочным стеклом. Внутри находится хорошо поглощающий тепло материал, в массу которого внедрены трубки с циркулирующим теплоносителем. Устройства характеризуются низкой себестоимостью.
- Вакуумные. Представляют собой набор отдельных трубок-термосов, внутри которых располагается теплопоглощающий наполнитель и трубки с теплоносителем. Приборы отличаются большой рабочей поверхностью и максимальной производительностью.
По температуре теплоносителя и соответствующей сфере применения оборудование подразделяется на 3 разновидности:
- Низкотемпературные. Нагрев теплоносителя до 50-600С. Находят применение для разогревания воды для душа, бассейна, орошения растений, а также отопления весной или осенью.
- Среднетемпературные. Нагревают теплоноситель до 80-900С. К данному сегменту относится большинство самодельных солнечных коллекторов на базе ПНД-труб и других доступных материалов. Применяются для отопления домов.
- Высокотемпературные. Температура теплоносителя достигает 3000С. Основная сфера применения – промышленный обогрев больших площадей и территорий ангаров, цехов, торговых центров и проч.
По способу применения гелео-установки классифицируются на 2 категории:
- Пассивные. Используются без дополнительного оборудования. Подсоединяются к бойлеру косвенного нагрева для производства бытовой горячей воды.
- Активные. Система работает с участием сопутствующих приборов – циркуляционного насоса, клапанов, накопительного бака, дополнительными нагревателями и проч. Используется для отопления и нагрева воды.
По схеме передачи тепловой энергии коллекторы делятся на 2 типа:
- Косвенные. В схеме задействуется аккумуляторный резервуар, в котором тепло от внешнего контура передается внутреннему.
- Прямые. Тепло от установки напрямую передается приемнику.
Рекомендация! Для поддержки эффективности работы в морозы система отопления на солнечном коллекторе сопрягается с дополнительным источником энергии. Для этого в бак-аккумулятор внедряется ТЭН, а параметры его работы контролируется автоматика на базе терморегулятора.
Критерии выбора
При выборе солнечного теплового коллектора необходимо заострить внимание на следующем ряде критериев:
- Модели плоского типа отличаются максимальной прочностью, однако при поломке требуют полной замены, что подразумевают максимальные финансовые затраты.
- Вакуумные экземпляры более эффективны для зимы, так как сильнее разогревают теплоноситель, но отличаются хрупкостью трубок. Однако при поломке дают возможность менять отдельные элементы.
- Воздушные модификации благодаря простоте устройства дольше служат и не требуют особого обслуживания. Главный их недостаток – недостаточная выработка тепла в холодное время года.
- Количество вырабатываемого вакуумным прибором тепла напрямую зависит от размера трубок. Оптимальными считаются модели с несколькими трубками, протяженностью не менее 2 м и диаметром от 6 см.
- Показатель мощности оборудования характеризует количество вырабатываемого тепла, выражаемого в кВт, при условии расположения солнца в зените и полной безоблачности.
На заметку! Солнечный коллектор эффективно работает только днем. Для поддержки тепла в помещении ночью обязательно требуется установка теплового аккумулятора. Днем он будет накапливать тепло, а ночью отдавать.
Правила размещения
Для того чтобы солнечный коллектор эффективно обеспечивал дом теплом, в том числе зимой, необходимо при его размещении учесть следующие правила:
- Рабочая поверхность прибора должна быть обращена на южную часть небосклона, и не отклоняться более, чем на 30 град.
- На светопоглощающую панель не должна падать тень от рядом расположенных объектов – домов, деревьев, труб, забора и проч.
- При размещении прибора на крыше дома требуется заранее спроектировать для него крепление.
- Во избежание скопления осадков на рабочей поверхности прибор необходимо установить как можно ближе к вертикальной плоскости, но с минимальным ущербом для улавливания солнечного света.
- Для оптимальной работы на протяжении всего года прибор нужно установить на южную сторону с углом, равным географической широте местности.
Справка! Создать абсолютно автономную систему отопления на базе гелео-коллектора не удастся. Так как для обеспечения максимальной эффективности потребуется оснащение схемы циркуляционным насосом, автоматикой и другим оборудованием, работающим на электричестве. Однако существенно снизить расход основного энергоресурса – газа, электротока, угля – с его помощью вполне посильная задача.
О главном
Солнечный коллектор представляет собой климатический прибор для сбора и передачи тепла солнечной энергии теплоносителю системы отопления. Приборы такого типа бывают жидкостными и воздушными, плоскими и вакуумными. Общая схема их работы сводится к тому, что теплоноситель, расположенный во внутренних трубках, нагревается теплом солнечного света, а затем поступает в теплообменник и передает энергию на отопление или горячее водоснабжение.
Тепловой коллектор может применяться для различных целей – нагрева воды для бытовых нужд, обогрева дома, теплиц и подсобных помещений, поддержки теплового режима резервуаров, создания альтернативной системы отопления, снижения расходов основной системы обогрева. Плюсы оборудования – выгодное производство тепла, независимость от внешних источников энергии, большой КПД, быстрая окупаемость, долговечность, работа в морозы, безвредность. Недостатки – высокая стоимость оборудования и монтажа, возможность повреждения ветром, вероятность теплопотерь.
Солнечные коллекторы классифицируются по ряду признаков:
- Конструкции – плоские, вакуумные.
- Уровню нагрева теплоносителя – низко-, средне- и высокотемпературные.
- Способу применения – активные и пассивные.
- Схеме теплопередачи – прямые и косвенные.
Выбирать и устанавливать оборудование необходимо, исходя из специальных правил, рекомендаций и конкретных условий применения.
