Солнечные системы отопления: разбор технологий обустройства отопления на базе гелиосистем

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.

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.

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.

Виды систем отопления с гравитационной циркуляцией

Несмотря на простое устройство системы водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя, существует как минимум четыре, пользующихся популярностью, схемы монтажа. Выбор типа разводки зависит от характеристик самого здания и ожидаемой производительности.

Чтобы определить, какая схема будет работоспособной, в каждом отдельном случае требуется выполнить гидравлический расчет системы, учесть характеристики отопительного агрегата, рассчитать диаметр трубы и т.п. При выполнении вычислений может потребоваться помощь профессионала.

Закрытая система с самотечной циркуляцией

В остальном, системы закрытого типа, работают, как и остальные схемы отопления с естественной циркуляцией. В качестве минусов можно выделить зависимость от объема расширительного бака. Для помещений с большой отапливаемой площадью, потребуется установить вместительную емкость, что не всегда целесообразно.

Открытая система с самотечной циркуляцией

Система отопления открытого типа отличается от предыдущего типа только конструкцией расширительного бака. Данная схема чаще всего использовалась в старых зданиях. Преимуществами открытой системы является возможность самостоятельного изготовления емкости из подручных материалов. Бачок, обычно имеет скромные габариты и устанавливается на кровле или под потолком жилой комнаты.

Главным недостатком открытых конструкций является попадание воздуха в трубы и радиаторы отопления, что приводит к усилению коррозии и быстрому выходу из строя греющих элементов. Завоздушивание системы также частый «гость» в схемах открытого типа. Поэтому, радиаторы устанавливаются под углом, обязательно предусматриваются краны Маевского, для стравливания воздуха.

Однотрубная система с самоциркуляцией

Нагретый теплоноситель поступает в верхний патрубок батареи и выводится через нижний отвод. После этого тепло поступает к следующему узлу отопления и так до последней точки. От крайней батареи к котлу возвращается обратка.

Преимуществ у данного решения несколько:

1. Отсутствует парный трубопровод под потолком и над уровнем пола.
2. Экономятся средства на монтаж системы.

Недостатки такого решения очевидны. Теплоотдача радиаторов отопления и интенсивность их нагрева снижается по мере отдаленности от котла. Как показывает практика, однотрубная система отопления двухэтажного дома с естественной циркуляцией, даже при соблюдении всех уклонов и подбора правильного диаметра труб, зачастую переделывается (посредством монтажа насосного оборудования).

Монтаж системы отопления

Обустройство эффективно работающего автономного отопления – непростая задача. Можно, конечно, обратиться за помощью к специалистам, которые смонтируют трубную разводку, подключат к ней радиаторы и установят обогревательный котел. Однако монтаж отопления своими руками доступен домашним мастерам.

Пошаговая инструкция устройства отопления, как правильно сделать монтаж:

1. Установка нагревательного котла. Для него выбирается наиболее удобное место, упрощающее прокладку трубопровода и подключения к источнику топлива.
2. Монтаж радиаторов отопления. Обычно батареи устанавливают под оконными проемами, что положительно влияет на воздухообмен в помещении. Расстояние от подоконника до радиатора составляет 100 мм, от пола – 60 мм.
3. Устройство трубной разводки. Трубы с фитингами прокладывают закрытым (в конструкции пола) или открытым способом, поверх финишного напольного покрытия.

Трубы подключаются к радиаторам отопления, устанавливается запорная арматура, монтируются расширительные баки, циркуляционный насос, автоматические приборы безопасности и другое оборудование.

Какие требования предъявляются к автономному отоплению

Требований к автономным водяным системам отопления предъявляется немного. Отметим доступность используемого топлива, экономичность в эксплуатации и надежность системы. Компактность тоже не на последнем месте. Отопление должно выполнять  функции с высоким процентом коэффициента полезного действия.

Правильно смонтированная схема обеспечит комфортную температуру в жилище

Переведем на простой язык. Топливо, используемое для нагрева теплоносителя (воды) должно быть дешевле, чем другие виды. Для каждого региона оно разное. В одной деревне доступнее дрова, в другой уголь, а в третьей подведен природный газ. Какие нюансы стоит учесть:

1. Экономичность в эксплуатации. Возвращаемся к утеплению стен дома: нет утечек тепла – на лицо экономия топлива.
2. Надежность отопительной системы. Если циркуляция прекращается, нужно время для ее запуска. Теплоноситель остывает, а нагрев ведет к перерасходу дров, газа, угля.
3. Компактность. При монтаже водяного отопления рассчитывают «золотую середину». Теплоносителя слишком мало – система не прогреет дом. В обратном случае – перерасход топлива и медленный нагрев.

Разводка труб отопительных систем может быть довольно сложной

На какой схеме лучше всего остановить свой выбор?

Разнообразие схем домашнего отопления вызывает у владельца дома резонный вопрос о выборе самой эффективной системы отопления для своего дома. В настоящее время однотрубные и самотечные системы практически не применяют. Обычно данные схемы рекомендованы для местности с нестабильной подачей электричества.

В современных городах, поселках городского типа и даже в сельской местности уже не существует каких-то проблем с энергоресурсами. Поэтому самотечные системы применяются только в отдаленных от цивилизации местах, например, далеко расположенных дачных участках.

Для частных домов, где планируется обогревать помещения радиаторами отопления, самые лучшие результаты показывает двухтрубная или лучевая схема обустройства обогревательной сети. Хотя оба варианта отличаются схемой трубной разводки, их объединяет возможность отключения и замены потекшего радиатора без отключения основного отопления.

Варианты реализации гелиосистемы для поддержки отопления

Гелиосистема для отопления дома состоит из солнечных коллекторов, труб гелиоконтура и  бака аккумулятора. Такие баки могут быть комбинированными с отдельным встроенным внутренним баком для ГВС или отдельными.

Варианты схем реализации гелиосистемы с поддержкой отопления с суточным аккумулированием энергии

Объем таких баков аккумуляторов рассчитывается исходя из количества гелиоколлекторов, и ни в коем случае не определяется от объема теплоносителя в отопительной системе. В среднем это значение равно 75 л на один метр квадратный площади абсорбера солнечных коллекторов.

Следует так же отметить, что для максимального эффекта применения гелиосистемы для отопления, необходимо использовать низкотемпературные отопительные приборы такие как тёплый пол и т.д. Чем ниже рабочая температура гелиосистемы, тем выше её КПД.

Зависимость КПД гелиосистемы от типа системы отопления
Оптимальный рабочий диапазон для системы теплоснабжения 30–40 °C, что соответствует температурному графику теплых полов.

Пример: гелиосистема для отопления дома 200 м² в г. Киев

Рассмотрим пример, когда гелиосистема для отопления устанавливаются в доме с площадью 200 м². Контур распределения энергии комбинированный: радиаторы и теплые полы. Все расчеты горячего водоснабжения проводятся с учетом потребностью 200 литров воды с температурой 55 °С в сутки.

Количество затраченного тепла сильно зависит от качества утепления дома. К примеру для энергопассивного дома необходимо затратить всего 30 кВт*ч тепловой энергии на один метр квадратный площади за отопительный сезон. А для слабо утепленного дома может понадобиться более 200 кВт*ч тепла на один метр квадратный площади дома за сезон.

Типичные удельные теплопотери жилого дома в зависимости от утепления

Предположим, что дом построен по современным технологиям и отвечает требованиям по энергосбережению. Средние затраты энергии на теплоснабжение за сезон — 100 кВт*ч/ м². Соответственно в среднем за отопительный сезон для системы теплоснабжения дома понадобится приблизительно =  200 м² * 100 кВт*ч/ м² = 20 000 кВт*ч тепла.

Для расчетов были выбраны плоские солнечные коллекторы фирмы Vaillant auroTHERM VFK 145V со следующими параметрами:

•  Площадь абсорбера – 2,35 м²;
•  Оптический КПД – 0,79;
•  Коэффициент тепловых потерь К₁ — 2,41 Вт/м²К;
•  Коэффициент тепловых потерь К₂ — 0,049 Вт/м²К.

Внешний вид солнечных коллекторов Vaillant

Рассмотрим три варианта гелиосистем. В первом варианте установлено 5 солнечных коллекторов с общей площадью абсорбера 11,75 м², во втором 10 коллекторов (23,5 м²) и 3-й вариант с 15 коллекторами суммарной площадью 35,25 м². Расчеты приведены для г. Киев с учетом усредненной базы данных солнечного излучения и окружающей температуры для соответствующей климатической зоны.

График выработки тепловой энергии гелиосистемой на отопление дома

Очевидно, что максимальная выработка солнечной энергии приходится в летний период года. Энергия, выработанная гелиосистемой для отопления, лишь частично покрывает потребности в тепле и практически полностью покрывает нагрузку по горячему водоснабжению.

Максимальная экономия приходится на межсезонье и незначительна в зимние месяцы года. Чем больше общая полезная площадь солнечных коллекторов, тем больше значение экономии энергоресурсов.

Диаграмма покрытия отопительной нагрузки за счет гелиосистемы

В каждом из вариантов гелиосистемы вырабатывают для отопления различное количество тепловой энергии в процентном соотношении относительно общей потребности в тепле. Основной задачей проектирования таких солнечных систем является подбор оптимального значения замещения (экономии) основного источника энергии с учетом капитальных затрат.  Для этого необходимо сопоставить затраты на установку гелиосистемы и затраты на энергоносители.

Теплоноситель и его свойства

Идеального теплоносителя не существует. У каждого варианта есть допустимый диапазон температурного режима и технические параметры, при нарушении которых можно испортить систему отопления. Замена оборудования будет весьма затратна.

Основные характеристики теплоносителя, которые нужно учитывать при выборе:

• температурный режим;
• вязкость;
• антикоррозийные свойства;
• токсичность при нагревании.

Лучший теплоноситель – это очищенная вода и антифриз.

Основные преимущества антифриза перед водой представлены в таблице. Особенно рекомендовано его применение в домах с сезонным или периодическим проживанием.

Теплоноситель	t замерзания, °С	Вязкость,мм²/с при 40°С	Пожароопасность, критическая температура, °С
Очищенная вода	0,9	да
Промышленные масла	-15 (-18)	10÷40	140÷190
Солевые составы	-55	1	нет
Спиртовые составы	-40	0,7	да
Антифриз	-40	3,1	нет

На время отъезда его сливать из системы не нужно. По возвращении просто включить котел. Если температура упадет ниже предельной границы, состав превратится в вязкую жидкость – гель, при этом его физические характеристики не изменятся. После того как температура поднимется до требуемой отметки, он снова приобретет жидкую форму с сохранением первоначального объема.

Специальное средство для системы — антифризантифриз для отопления

Несмотря на все достоинства антифриза, многие делают свой выбор в пользу воды. Она безопасна, в ней нет химических примесей, особенно, если вырыта своя скважина. Единственный негативный момент – минеральные соли в составе, которые вызывают коррозию. Для ее предупреждения можно использовать кипяченую или талую воду. Или в качестве альтернативы, применять систему предварительной очистки.

Заполнение антифризом системы отопления

Монтаж

Монтаж отопления от солнечных батарей можно сделать своими руками, но лучше обратиться к специалистам – солнечные батареи дорогостоящи, а от правильности установки зависит ее долговечность и эффективность.

Сам солнечный коллектор размещают на хорошо освещаемой солнцем стороне с отклонением от юга максимум на 30° на восток или запад. Накопительную систему можно установить в подвале дома: она разбирается на детали и монтируется прямо в том помещении, где планируется ее поставить. Часто установка монтируется из нескольких небольших накопителей.

При этом лучше выбирать панельный тип отопления в сочетании с хорошим утеплением дома.

Разновидности

В самом широком понимании термин «солнечная батарея» означает некоторое устройство, которое позволяет преобразовывать излучаемую Солнцем энергию в удобную форму с целью последующего использования в различных сферах человеческой жизнедеятельности. Для обогрева домов используются два типа солнечных батарей.

Фотоэлектрические элементы

Батареи этого класса часто называют преобразователями, поскольку с их помощью энергия солнечного излучения преобразуется в электрическую. Такое превращение стало возможным благодаря свойствам полупроводников. Ячейка фотоэлемента состоит из двух материалов, один из которых обладает дырочной проводимостью, а другой – электронной.

Фотоэлектрические элементы

Поток фотонов, из которых состоит солнечный свет, заставляет электроны покинуть свои орбиты и мигрировать через Pn-переход, что и является, собственно, электротоком.

По виду используемых материалов различают три вида фотоэлектрических батарей: кремниевые, пленочные и концентраторные.

Кремниевые

К этому типу относится более трех четвертей выпускаемых сегодня солнечных электробатарей. Это обусловлено распространенностью кремния в земной коре, а также тем, что большинство технологий в сфере производства полупроводниковой электроники было ориентировано на работу именно с этим материалом.

В свою очередь элементы на базе кремния делятся на две разновидности:

• монокристаллические: наиболее дорогой вариант, КПД составляет 19% – 24%;
• поликристаллические: более доступны, но имеют КПД в пределах 14% – 18%.

Пленочные

При производстве фотоэлементов данной группы используются полупроводники, имеющие более высокий, чем у моно- и поликристаллического кремния, коэффициент поглощения света. Это позволило на порядок уменьшить толщину элементов, что положительно отразилось на их стоимости. Применяются следующие материалы:

• теллурид кадмия (КПД – 15% – 17%);
• аморфный кремний (КПД – 11% – 13%).

Концентраторные

Эти батареи имеют многослойную структуру и характеризуются самой высокой эффективностью – около 44%. Основным материалом при их производстве является арсенид галлия.

Комплектация отопительной системы

Отопительная система на базе фотоэлектрических батарей состоит из следующих компонентов:

• собственно батареи;
• аккумулятор;
• контроллер: управляет процессом зарядки аккумулятора;
• инвертор: преобразует постоянный ток от батареи или аккумулятора в переменный с напряжением 220 В;
• конвектор, водогрейный котел или любой другой тип электрообогревателя.

Сетевая фотоэлектрическая система

Солнечные коллекторы

Батареи данной разновидности состоят из нескольких выкрашенных в черный цвет трубок, через которые перекачивается циркулирующий в системе отопления теплоноситель. При этом тепловая энергия солнечного излучения без всякого преобразования усваивается рабочей средой. В большинстве случаев в ее качестве используется смесь на основе пропиленгликоля (имеет свойства антифриза), но существуют и коллекторы, ориентированные на работу с воздухом. Последний после подогрева подается прямо в отапливаемое помещение.

Солнечные коллекторы

В самом простом исполнении солнечный коллектор называется плоским. Он выполняется в виде бокса из стекла с темным покрытием, которое находится в контакте с проходящим по трубкам теплоносителем. Более сложное устройство имеют вакуумные коллекторы. В таких батареях трубки с теплоносителем помещены в герметичный стеклянный корпус, из которого откачивается воздух. Таким образом, содержащие рабочую среду трубки окружаются вакуумом, который исключает потери тепла от контакта с воздухом.

Очевидно, что изготовление солнечных коллекторов основывается на более простых технологиях, чем производство фотоэлементов. Соответственно, и стоимость они имеют более низкую. При этом КПД таких установок достигает 80% – 95%.

Комплектация гелиосистемы

Основными элементами гелиосистемы (системы солнечных батарей для дома) являются:

• солнечный коллектор;
• циркуляционный насос (в системах с естественной циркуляцией теплоносителя он может отсутствовать, но они являются малоэффективными);
• емкость с водой, играющая роль теплового аккумулятора;
• контур водяного отопления, состоящий из труб и радиаторов.

Схема реализации гелиосистемы с поддержкой отопления с суточным аккумулированием энергии

Вариант #1 — котел на биотопливе

Чтобы отказаться от газа и заменить его другим энергоносителем, достаточно сменить котел. Самые популярные варианты: электрический и твердотопливный. Но подогрев энергоносителя с помощью электричества не всегда бывает экономически выгодным.

Интересным вариантом может стать использование котлов на биотопливе. Для их работы используются специальные брикеты и пеллеты, но подойдут и такие материалы, как:

• древесные гранулы и щепа;
• гранулированный торф;
• гранулы из соломы и т. п.

Использование брикетов позволяет сделать подачу топлива в котел автоматической, уже не нужно будет заботиться об этом. Однако следует отметить, что стоимость такого котла может в десять раз превышать цены на газовые аналоги, брикеты также стоят достаточно дорого.

Обратите внимание, что  правильно устроенный камин — неплохая альтернатива современным способам отопления. Он вполне способен эффективно обогреть небольшой коттедж

Выбор солнечного коллектора и его монтаж

Перед домовладельцем, решившим создать солнечное отопление частного дома своими руками, встает задача выбрать наиболее подходящий тип коллектора. Этот вопрос достаточно сложен, но разобраться в нем необходимо.

Открытые коллекторы не подойдут из-за низких возможностей, поэтому о них нет смысла говорить. Обычно выбор производится между трубчатыми и плоскими видами. Первым и самым значимым критерием выбора обычно становится соотношение цены и качества изделий.

Такой подход оправдан, но нельзя не учитывать ремонтопригодность. Так, вакуумные трубки можно менять далеко не во всех видах коллекторов, что делает выбор рискованным. При выходе из строя одной из них у некоторых видов коллекторов придется менять всю панель, что потребует расходов. Вообще, все вакуумные устройства — довольно рискованное приобретение, так как любое механическое воздействие грозит потерей источника тепловой энергии.

Выбрав оптимальный вариант, приступают к монтажу. Для него надо выбрать подходящую площадку, расположенную неподалеку от дома

Это важно, поскольку транспортировка теплоносителя на большие расстояния потребует качественного утепления и установки циркуляционного насоса. Обычно коллекторы устанавливают на крышу, чтобы получить возможность циркуляции самотеком

Единственной проблемой становится расположение скатов относительно положения солнца на небе — иногда приходится устанавливать трекинг-систему для поворота панелей. Это дорого и требует использования гибких трубок, но эффект в результате получается значительно выше.