Солнечная энергия для горячего водоснабжения

Исторически Советские, а позже и Российские граждане были вынуждены закаляться "как сталь" отчасти в связи с хроническим отсутствием горячей воды, даже в больших городах. Тем не менее, на дворе 21 век и обеспечить себя горячим водоснабжением довольно просто, не прибегая к помощи водоканала и энергетических компаний. Солнечная энергия, которой вполне достаточно на поверхности земли, может эффективно использоваться для нагрева воды, необходимой для бытовых нужд.

Солнечные батареи или солнечные коллектора (СК)

Существует два основных мнения о том, каким образом получать горячую воду в автономном здании. Первое мнение гласит о том, что для нагрева воды можно использовать солнечные батареи. Разумное зерно в таком подходе, безусловно, есть, ведь любой автономный дом уже оборудован солнечной электростанцией и ничего не мешает заложить мощность солнечного массива с учетом электрического бойлера, к тому же цена на солнечные фотоэлектрические модули стремительно снижается в последние годы. Несмотря на очевидные преимущества, данный метод годится, если потребность в горячей воде не велика (50-100 литров/сутки), так как КПД солнечных батарей не велик (13-20%), к тому же существуют потери энергии в самой солнечной электростанции.

Для нагрева большого количества воды (150 литров/сутки и более) целесообразно использовать устройства для прямого нагрева жидкости от солнечного излучения - солнечные коллектора, КПД которых достигает 90%. Существуют два основных типа солнечных водонагревателей:

  • плоские солнечные коллекторы;
  • коллекторы с вакуумными трубками.

В плоских коллекторах теплоизоляция жидкости от окружающей среды осуществляется за счет селективных покрытий стекла и теплоизоляционных материалов. В вакуумных солнечных коллекторах нагрев происходит в вакуумных трубках, служащих идеальным теплоизолятором.

Варианты применения солнечных коллекторов в системах ГВС

Приведем различные теплотехнические схемы систем ГВС с применением солнечных коллекторов.

Одноконтурная схема с естественной циркуляцией. Холодная вода поступает в нижнюю часть бойлера. Горячая вода забирается из верхней точки бойлера. Солнечный коллектор подключается между нижней и средней точкой бойлера. Циркуляция возникает за счет разности плотностей нагретой и холодной воды. Данная схема применима только в летний период.


Рис.1 Одноконтурная схема с естественной циркуляцией.

В двухконтурной системе с естественной циркуляцией уже можно использовать в качестве теплоносителя антифриз и эксплуатировать систему круглый год. Принцип работы тот же, что и в предыдущей схеме за исключением того, что используется бойлер с косвенным нагревом.


Рис.2 Двухконтурная схема с естественной циркуляцией.

Как наиболее эффективная чаще всего применяется двухконтурная схема с принудительной циркуляцией, когда теплоноситель перекачивается циркуляционным насосом. Такая схема не накладывает ограничений на размещение оборудования и позволяет снизить диаметр трубопроводов. Однако для нормальной работы системы требуется блок автоматики с двумя термодатчиками (температура в бойлере и температура в солнечном коллекторе). Задача автоматики - управлять насосом с целью предотвращения перегрева бойлера и сброса тепла в окружающую среду через солнечный коллектор.


Рис.3 Двухконтурная схема с принудительной циркуляцией.

Если первые две простейшие схемы подключения коллектора в наших широтах годятся для ГВС только в теплое время года (дача, баня), то двухконтурная схема с принудительной циркуляцией может быть использована для круглогодичного ГВС дома.

Плоский солнечный коллектор имеет наиболее простую конструкцию и отлично подходит для использования в жарком климате с большим количеством солнечных дней и соответствующим уровнем инсоляции. Он состоит из слоя абсорбера, покрытого стеклом, который преобразовывает и передает уже тепловую энергию теплоносителю (последний циркулирует в трубках - тепловом контуре).

В регионах с холодным климатом более эффективно использование вакуумного коллектора, особенностью конструкции которого является использование для нагрева вакуумных трубок. Стеклянные трубки, благодаря своей цилиндрической форме, способны улавливать солнечные лучи более длительный промежуток времени (лучше использовать солнечный день), а используемое в их конструкции селективное покрытие улавливает даже рассеянное солнечное излучение. Благодаря этому они имеют большую эффективность в работе при установке в большинстве регионов нашей огромной страны.

График годовой производительности плоских коллекторов (зелёный график)
и вакуумных коллекторов (синий график) в течение года.


В летнее время года, когда значения солнечной инсоляции достигают своего пика, работа солнечного коллектора дает ощутимый результат вне зависимости от того, какой солнечный коллектор используется - плоский или вакуумный.

В это время года в качестве теплоносителя можно смело использовать воду (это также относится к регионам с "мягкой" зимой), которая нагревается полученной от абсорбера энергией и подымается по трубам вверх, поступая в бак-аккумулятор. Бак подключен к кранам вывода воды, поэтому при открытии вентиля горячая вода из бака выходит и замещается холодной. Вода более низкой температуры скапливается в нижней части бака и выходит в контур системы через соответствующую трубу. Она вновь нагревается от полученной энергии и поступает в бак. В самом накопителе труба забора, через которую происходит подача горячей воды для пользования, должна быть расположена у верхней части бака (из-за меньшей плотности теплая вода подымается вверх).

Такой водный бак-аккумулятор можно располагать как на улице, так и в помещении. Наиболее распространенный и простой вариант в первом случае - водяной душ. Окрашенный в черную краску бак самостоятельно притягивает тепло и еще больше нагревает воду. Чтобы избежать теплопотерь в ночное время, бак необходимо теплоизолировать.

Такая простейшая схема подключения солнечного коллектора обеспечивает лишь естественную (и не всегда достаточную) циркуляцию теплоносителя. Увеличить продуктивность работы системы можно с помощью циркуляционного насоса.

Повышаем эффективность работы солнечного коллектора в холодную пору.

Использование простой системы для отопления и горячего водоснабжения в зимнее время возможно, если в качестве теплоносителя применяется антифриз, а бак-накопитель дополнен вспомогательным обогревательным элементом (например, ТЭНом). При использовании антифриза изменяется конструкция бака - в него монтируется змеевик (чаще всего медный), благодаря которому происходит циркуляции теплоносителя в баке. Хорошая проводимость металла позволяет отдавать тепло антифриза воде в баке.

В конструкцию рекомендуется включить циркуляционный насос и расширительный бак. Иногда для разделения воды, которая используется для отопления (техническая) и личного использования (питьевая) в бак монтируют внутренний резервуар. Он располагается в верхней части бака (где собирается горячая вода) и подключен к системе водоснабжения (с помощью вентиля забирается горячая вода, а резервуар заполняется холодной жидкостью). При этом система отопления подключена к основному баку.

В зависимости от внешней температуры, площади коллектора, географической точки, времени года, типа коллектора, и множества других факторов колеблется и эффективность работы системы (т.е. стабильность вырабатываемого уровня энергии).

Кроме более привычных пользователям устройств, существует и воздушный солнечный коллектор, схема работы которого предполагает, что теплоносителем в системе является воздух, который нагревается от абсорбера и подается в отапливаемое помещение с помощью вентилятора.

Солнечный коллектор для дома

Главное в подборе солнечных коллекторов для дома это:

- Регион нахождения объекта. Определяет солнечное излучение, приходящееся на квадратный метр поверхности по месяцам в течение года. Соответственно располагая данными по энергетике, необходимой для нашего дома (затраты на отопление + ГВС), можно понять - сколько квадратных метров коллекторов для дома нам необходимо иметь;

- Количество постоянно проживающих. Определяет объем бака-накопителя исходя из норм потребления горячей воды на одного человека. Реально один человек в день расходует 50-100 литров горячей воды. Соответственно для семьи из трех человек можно рекомендовать бак-аккумулятор на 200-300 литров. Лучше брать с превышением требований для того, чтобы иметь резерв мощности. Обычно между объемом бака-накопителя и прилагающимися к нему в комплекте солнечными коллекторами для дома существует определенное среднее по эффективности соотношение для целей ГВС. На 10 литров бака-накопителя должно приходится 1,2 трубки. Таким образом, бак на 300 литров должен сопровождаться солнечными коллекторами на 36 трубок. Этого количества трубок хватит для того, чтобы обеспечить Вас горячей водой. А вот с отоплением задача сложнее. Зимой солнечное излучение минимальное по году. Уже в феврале оно увеличивается по сравнению с январем в 2,5 раза (для Московского региона), а в марте еще в 2 раза по сравнению с февралем. Таким образом, солнечное излучение (а значит и получаемое тепло) в Московском регионе увеличивается в 5 раз с января по март. Это говорит о том, что подбирать оборудование исходя из потребностей "плохих" месяцев - НЕЛЬЗЯ. В противном случае Вы столкнетесь с проблемой излишней энергии в более солнечный дни. Наши рекомендации - подбирать солнечное оборудование так, чтобы компенсировать порядка 30% затрат на отопление за весь зимний период. Недостаток энергии необходимо добавлять за счет других источников.


ООО "Энерготрейд МСК" © 2017 г.