Гелиосистемы для отопления дома своими руками

Эффективным источником энергии и тепла для загородного и дачного дома, особенно для тех, в непосредственной близости от которых инженерные коммуникации отсутствуют, может быть солнечное тепло. Немаловажно и то, что солнечная энергия не только не иссякает, но и не требует оплаты. Для солнечной энергетики введен специальный термин — гелиоэнергетика, Спектр гелиоустановок применения весьма широк. Это нагревание и охлаждение воды в том числе для целей отопления и кондиционирования, опреснение воды, выработка электрической энергии (для этого гелиосистемы снабжаются фотоэлементами) и пр.

Сейчас в мировом масштабе эксплуатируются 160 млн м² солнечных коллекторов, из них по 10 млн м² приходится на Китай и США, 8 млн м² — на Японию, 6,2 млн м² — на Германию и т. д. Достаточно сказать, что в Европе к 2020 г. планируется 70 % жилого фонда перевести на солнечную энергию. В нашей же стране картина не столь радужная, скорее удручающая. В России площадь водонагревательных установок, функционирующих на основе солнечной энергии, составляет лишь 20 000 м²! Может быть, нам не интересны экологически чистые источники энергии? Или у нас неисчерпаемые запасы углеводородов? Наверное, это тоже имеет место быть, хотя не исключаются и другие причины, в частности различного рода заблуждения о гелиотехнике.

К разряду мифов следует отнести мнение о том, что на тех широтах, на которых лежит наше отечество, мало солнца и поэтому гелиосистемы вряд ли смогут быть эффективными. По количеству солнечной энергии Московская область ничем не отличается от Германии, однако там ее используют, а у нас нет, хотя есть технологии.

Высокая стоимость гелиосистем — еще одно препятствие на пути повсеместного их распространения. Но так было в период их первого появления. В настоящее время очевидной становится тенденция к повышению мощности установок при одновременном уменьшении их цены. Сейчас затраты на приобретение и монтаж гелиосистем сопоставим с теми, которые требуются для устройства традиционных отопительных систем. Однако экономия, которая при этом обеспечивается, значительная. Имеющиеся данные показывают, что 1 м² гелиоколлектора в среднем за год вырабатывает 600-800 кВт/ч (максимальный показатель — 1050 кВт/ч), что покрывает 40-60 % нужд индивидуальных потребителей в тепле; снижает расход органического топлива (1 м² дает экономию в 100 кг, а 30 м² — 7,8 т угля) и выброс углекислого газа.

Бытует и такой взгляд: гелиосистема — это сложное устройство, доступное для понимания лишь единицам. Чтобы опровергнуть этот миф, достаточно разобраться в том, как устроена и как работает гелиосистема.

Ее главным элементом является солнечный коллектор, или гелиоколлектор.

Главная деталь плоского гелиоколлектора — медная или алюминиевая прямоугольная пластина (абсорбер), обработанная с лицевой стороны по особой технологии. Она покрыта чернением, благодаря чему имеет способность поглощать требуемый спектр солнечного излучения, причем эта поверхность всегда бывает только матовой.

Если камин сложен на верхнем этаже, то надо позаботиться о защите деревянного междуэтажного перекрытия от высоких температур. Удачным представляется решение устроить под основанием камина полости, в которой будет циркулировать воздух.

К обратной стороне пластины посредством сварки или высокотемпературной пайки (это необходимо для того, чтобы контакт пластины и трубок был максимально надежным по всей площади коллектора) прикреплены медные трубки, по которым циркулирует теплоноситель (вода или антифриз) и транспортирует тепло. Пластина помещена в теплоизолированный термостойкой минеральной шерстью корпус, защищенный закаленным стеклом толщиной 3 мм с пониженным содержанием металлов, которое, с одной стороны, препятствует повреждению конструкции градом, мелкими камешками и др., пропускает соответствующие спектры солнечного излучения, а с другой — не позволяет отраженной части спектра вернуться наружу. Пространство между стеклом и абсорбером заполнено инертным газом, что снижает теплопотери. Для отвода и подведения теплоносителя предназначено несколько патрубков. Температура воды, нагреваемой коллектором, может доходить до 200 °С.

Вакуумный гелиоколлектор представляет собой систему вакуумных трубок, в которых происходит процесс преобразования солнечной энергии в тепловую. Материалом для трубок служит высокопрочное стекло. Конструктивно они состоят из трубок диаметром 47 мм, которые помещены в трубки диаметром 58 мм. Они спаяны, между ним создан вакуум, т. е. откачан воздух, вследствие чего теплопотери практически сведены к нулю. Таким образом, фактически вакуумный коллектор — это своеобразный термос. На поверхность внутренней трубки посредством двенадцатиступенчатой технологии напыления нанесено абсорбционное покрытие, благодаря чему происходят поглощение солнечной энергии и постепенное нагревание боросиликатного стекла. Эффективность такого устройства доходит до 97 %, а с учетом низкого коэффициента отражения солнечного излучения температура внутри колбы достигает 380 °С.

Вакуумный гелиоколлектор работает эффективно независимо от температуры окружающего воздуха и даже тогда, когда солнце скрыто облаками (даже при минусовых температурах вода нагревается до температуры кипения). Неслучайно выбрана именно цилиндрическая форма трубок — за счет этого солнечные лучи на протяжении всего светового дня освещают поверхность, одинаковую по площади, т. е. такую конструкцию можно рассматривать как систему пассивного слежения за светилом, благодаря которой коллектор функционирует весь день с максимальной производительностью. Кроме того, на трубках не скапливается грязь, они омываются дождем и успешно противостоят даже граду размером до 25 мм.

Принцип работы тепловые трубки (термотрубки) с низкой теплоемкостью состоит в следующем: в закрытых трубках, выполненных из меди, находится жидкость (неорганическая и нетоксичная), которая при повышении температуры легко закипает (это возможно даже при температуре -30 °С, так как в трубке вакуум), переходит в газообразное состояние на конденсаторе, — на наконечнике тепловой трубки, нагревает теплоноситель, затем конденсируется на холодном конце, стекает вниз, и цикл возобновляется.

Таким образом, плоские коллекторы имеют более простую конструкцию, поэтому стоят дешевле и в нынешнем виде их эффективность достигла максимума возможного.

Вакуумные агрегаты более сложно устроены, стоят дороже, но обладают высоким КПД, особенно в зимнее время года (при отрицательных температурах вакуумные гелиоколлекторы вне конкуренции — они функционируют и при -35 °С, ведь вакуум — отличный теплоизолятор) и когда пасмурно, поскольку вакуумные трубы поглощают энергию инфракрасных лучей, для которых тучи не являются препятствием.

Трубы в вакуумном коллекторе расположены параллельно, ориентированы с севера на юг, благодаря чему весь день они оказываются в зоне солнечного излучения, и в зависимости от географической широты должны стоять под определенным утлом.

Гелиоколлектор практически не требует обслуживания. Если возникает необходимость замены отдельной трубки, для этого не требуется останавливать работу всего устройства. Кроме того, количество трубок можно изменять — увеличивать, если возникает дефицит тепла, или уменьшать, если наблюдается его избыток.

О состоянии вакуума в трубках свидетельствует слой чистого бария, которым покрыт нижний конец трубки. Если вакуум исчезает, серебристый бариевый слой превращается в белый. Благодаря такому визуальному индикатору легко определяют целостность трубы.

Удельный объем водонагревателя на 1 м² площади гелиополя должен составлять 50-70 и 70-90 л для плоского и ваккумного гелиоколлектора соответственно, чтобы летом в случае короткого периода плохой погоды покрыть потребности системы горячего водоснабжения.

Плюсы и минусы гелиоколлекторов

Вакуумный гелиоколлектор

Как правило, коллекторы размещают на крыше, где инсоляция выше и нет тени от других объектов. При этом плоские коллекторы кладут на поверхность, а вакуумные устанавливают на опоры, причем угол наклона должен составлять 60° (это немного больше того, что требуется для гелиосистем, установленных только для горячего водоснабжения, но зато дает меньше избыточного тепла летом, утилизация которого является достаточно серьезной проблемой).

Насос и бак-аккумулятор при естественной циркуляции должны находиться как можно ниже, при наличии же насоса их положение не имеет значения. Вместо воды в качестве теплоносителя рекомендуют применять антифриз, поскольку зимой вода замерзнет и сделает невозможным использование солнечного обогрева.

Помимо солнечного коллектора (плоского или вакуумного), в гелиосистему входит система управления, циркуляционный насос (их может быть и несколько, если того требует тепловая схема), благодаря которому обеспечивается перемещение коллекторной жидкости (теплоносителя) между коллектором и баком-аккумулятором (последний служит теплообменником), вспомогательное оборудование (контроллер, электрический тэн). Если гелиосистема не отличается большим размером, то перемещение теплоносителя происходит посредством естественной циркуляции, возможной благодаря перепаду температур, т. е. в соответствии с термосифонным принципом.

Рассчитывая и монтируя гелиоколлекторы для отопления, необходимо соблюдать ряд условий. Первое и наиболее важное из них это то, что гелиосистему нельзя рассматривать в качестве автономной отопительной системы — она является дополнительной к той, которая существует как основная. Более того, сделать последнюю менее мощной, предполагая, что остальное обеспечит солнце, не удастся. Отопительная система и без применения солнечной энергии должна на 100 % покрывать нужды потребителя в тепловой мощности, т. е. гелиоколлектор — это вспомогательный источник нагрева в отопительной системе.

Представляется целесообразным, чтобы гелиосистема отопления покрывала примерно 30-40 % годовых затрат на цели отопления (увеличение покрытия вызовет значительное удорожание гелиосистемы и утратит экономический смысл), причем большая их часть должна приходится на период межсезонья — весну и осень, когда отопительный сезон либо еще не наступил, либо уже завершился, а солнечных дней уже или еще вполне достаточно.

Для отопительной системы требуется больше гелиоколлекторов, чем для горячего водоснабжения. В среднем один солнечный коллектор должен приходиться на 10-15 м² отапливаемой площади.

Летом неизбежно встанет проблема, где найти применение избыточному теплу. Дело в том, что 8-12 гелиоколлекторов, смонтированных для поддержки отопительной системы дома площадью 150 м², в течение летнего периода будут ежесуточно нагревать 1 т воды. Есть несколько вариантов для ее использования, чтобы не допустить закипания системы, которое является штатным, но нежелательным режимом, поскольку сказывается на долговечности расширительного бака и антифриза.

Если для обогрева дома используется тепловой насос, то избыточное тепло можно направлять в скважину, в которой установлен гелиоконтур теплового насоса, чтобы повысить ее температуру перед началом отопительного сезона.

Если на участке есть бассейн соответствующей вместимости, то автоматика переключит систему на подогрев воды в бассейне, когда нужды горячего водоснабжения будут удовлетворены. В отсутствие бассейна часть воды может пойти на полив растений, хотя следует признать, что такого ее объема хватит на небольшое фермерское хозяйство, а не просто на приусадебный участок. Можно зашторить часть коллектора на лето, но тогда есть ли смысл устанавливать оборудование, которое во время наибольшей солнечной активности окажется невостребованным.

Эффективно отопительные гелиосистемы работают в комбинации как с водяным теплым полом, для который температура теплоносителя 30-40 °С, которую гелиосистема легко обеспечит, вполне достаточна (ср. в радиаторной системой, в которую нужно подавать теплоноситель, нагретый до 50-90 °С), так и с радиаторным отоплением. В последнем случае ее производительность в среднем за год уступает незначительно.

Подводя итог сказанному, заметим, что:

1. оптимальным объектом для гелиосистем, установленных для поддержки основной отопительной системы, является дом небольшой по площади и имеющий качественную теплоизоляцию;
2. гелиосистема должна покрывать не более 40 % нагрузки на отопление;
3. в систему теплоснабжения дома обязательно должен входить традиционный теплогенератор — котел;
4. гелиоколлекторы сочетаются с радиаторной системой отопления и с системой напольного отопления.
5. для поддержки отопительной системы требуется, чтобы площадь гелиосистемы была в 2-2,5 раза больше той, что необходимо только для обеспечения горячего водоснабжения;