Среди разновидностей альтернативной энергетики воздушное солнечное отопление индивидуального жилья занимает особое место. Вам не потребуются сложные монтажные работы или разрешение региональной энергетической инспекции. Всё, что нужно — это как можно больше солнца и неиспользуемой площади кровли/стен. Остальное доступно для изготовления своими руками.
Общие принципы нагрева воздуха ультрафиолетовыми солнечными лучами
Солнечное отопление относится к возобновляемой энергетической системе, которая собирает энергию от солнца в форме тепла, а не использует её для производства электроэнергии, например, при помощи солнечных фотоэлектрических элементов.
Такие нагревательные системы используются для местного подогрева воды и воздуха. Технологии обогрева обеспечивают циркуляцию нагретого воздуха или жидкости в системе лучистого отопления через трубопроводы в стенах или полах, чтобы тепло могло естественным образом обогреть внутренние помещения.
Известны два типа систем, использующих энергию ультрафиолетовых солнечных лучей:
- Активные нагреватели. Здесь энергия Солнца используется для привода тепловых насосов, которые, в свою очередь, обеспечивают циркуляцию воды или иного теплоносителя. Такие нагреватели конструктивно более сложные, поскольку предполагают наличие механических подвижных узлов;
- Пассивные нагреватели. Нагревая наружный воздух, который затем циркулирует в помещениях, эти системы обеспечивают обогрев комнат дома с использованием возобновляемых источников энергии. В пассивных солнечных отопительных системах механических частей нет.
Пассивные нагреватели могут иметь два варианта исполнений — коллекторы и пластины. Пластины генерируют энергию при помощи фотополупроводниковых элементов, которая используется для привода насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя. Воздушный солнечный коллектор нагревает воздух в трубах, откуда он за счёт разницы в объёмах перемещается в теплообменник и бак. Далее нагретый воздух естественным или принудительным путём поступает в помещения.
Прочитайте о том как устроен обогрев бассейны, солнечные коллекторы, которые можно для этого использовать и как собрать всю конструкцию.
Установка системы
Устанавливать коллекторную систему необходимо еще на стадии проектирования и строительства частного дома. Поскольку после укладки финишного напольного покрытия монтирование этой системы крайне нецелесообразно и трудоемко. Единственный способ установки — открытый монтаж.
Монтаж гребенки
При горизонтальной разводке отопительной системы для установки регулировочного оборудования, циркуляционного насоса и распределительного узла потребуется коллекторный шкаф. Его размещают в нишах помещений, которые защищены от влаги. Как правило, для этого оборудуют место в кладовке, гардеробной или прихожей.
Во время организации отопления двухэтажного дома необходимо разместить несколько коллекторных групп, по одной на этаж. Дополнительные распределительные гребенки дадут возможность создать примерно одинаковую длину контура.
В качестве варианта можно выбрать схему, когда первая группа отвечает за подачу теплоносителя по отдельным контурам, а другая является основным элементом во время устройства «теплого пола».
Число входов и выходов распределительного узла всегда должно равняться количеству находящихся на этаже отопительных приборов. Для каждого помещения необходимо проложить свою ветку, которая, соединив собой несколько радиаторов, сможет реализовать тупиковую либо попутную систему.
Чтобы снизить затраты на подсоединение отопительных батарей, используют «проходную» систему. Во время установки этой схемы несколько последовательно соединенных между собой радиаторов воспринимаются как единый элемент.
Способы укладки
Во время коллекторной разводки, как правило, используют способ монтажа трубопровода в цементную стяжку. При этом толщина стяжки делается в районе 60−70 мм, этого вполне хватает для «замоноличивания» разводки. Однако с учетом СНиП монтировать в цементное основание можно лишь цельные соединения, для чего зачастую применяют металлопластиковые трубы сечением 15 мм. Благодаря тому, что они эластичны, трубопровод можно с легкостью укладывать под полом.
Если решено после запрессовки системы залить трубопровод стяжкой, то нужно перед этим обернуть трубы теплоизоляцией. Эта прослойка даст возможность минимизировать риск повреждения трубопровода под воздействием теплового расширения, так как трубы начнут «тереться» не о цементную стяжку, а о теплоизоляцию. Поверх стяжки необходимо уложить фанеру, а после сделать финишное напольное покрытие.
Также трубопровод может проводиться к батареям отопления сверху, к примеру, под подвесным потолком. Некоторые специалисты часто укладывают трубы наружным методом, устанавливая их вдоль стен и маскируя декоративными плинтусами. Однако этот вариант укладки неминуемо повлечет увеличение длины трубопроводной магистрали.
Трубы не советуют проводить под проемами дверей: в процессе монтажа дверного порога во время сверления труба может повредиться. Если трубы необходимо прокладывать сквозь стены, то, чтобы не допустить их деформации во время усадки дома, в отверстия вставляют гильзы.
На каждую выходящую от гребенки распределительную цепь отдельно нужно установить запорную арматуру. Чтобы можно было спускать скопившийся воздух, устанавливают:
- на батареях отопления — краны Маевского;
- на гребенке — воздуховыпускные вентили.
За счет того, что выходящая после распределительного узла каждая отопительная цепь является независимой системой, ее удобно применять во время организации «теплых полов».
Коллекторная схема отопления идеальна в плане эффективности. Автономная подача подогретой от котла воды в каждую батарею дает возможность создать комфортный микроклимат в каждом отдельном помещении. Высокая, в отличие от традиционных систем отопления, цена немного сдерживает популярность этого вида обогрева дома, но если деньги позволяют, то отопление с помощью коллекторной системы — это наилучший вариант.
Как рассчитать тепловую эффективность солнечного воздушного коллектора
Очевидно, что блок из воздушных солнечных коллекторов компактнее солнечных панелей, и характеризуется меньшими потерями, которые возникают при конвертации одного вида энергии в другой.
Рентабельным данный вид «зелёной» энергетики становится тогда, когда отношение собираемой солнечной энергии к доступной в данной местности максимально.
Общее количество энергии выражается в кВт×ч / (м²×день). Считается, что в ясный солнечный день среднее количество прямой солнечной энергии, доступной на 1 м² площади в час, должно быть не менее 1 кВт. Но коллектор — это тонкая труба, изготовленная из металла с высокой теплопроводностью, поэтому тепловые потери в самом коллекторе минимальны. Следовательно, эффективность воздушного коллектора будет зависеть от:
- Активной площади коллектора (той, которая подвергается воздействию солнечных лучей).
- Количества коллекторных труб.
- Расположения коллекторов относительно главного направления лучей.
- Длины и сложности трассы транспортирования нагретого воздуха.
В случае самостоятельного обустройства воздушного коллекторного отопления измерить эффективность коллектора можно только при помощи высокотемпературного термометра. Далее (поскольку рискованно надеяться на самопроизвольное вытеснение разогретого воздуха с увеличенным объёмом в помещения) потребуется вентилятор. Поскольку система будет иметь разомкнутый контур, то собираемое коллектором в единицу тепло будет прямо пропорционально разнице температур и теплоёмкости воздуха времени. Умножив это значение на продолжительность работы коллектора и пренебрегая потерями излучения от скользящего действия лучей, получим суммарное значение плотности теплового потока. Сравнив его с номинальным (1 кВт), выясним эффективность работы коллектора.
Теперь всё, что нам нужно – это пиранометр для проверки интенсивности солнечного света. Наличие этого прибора избавит от трудоёмких измерений эффективности коллектора в различных погодных условиях. Наиболее удобны пиранометры типа ICB200-03, которые можно приобрести или арендовать.
Технические параметры
Конструкция, несмотря на простоту, показывает хорошие результаты: если температура на улице +10-12 °С, то воздух, поступающий в помещение, нагреется до +54-57 °С. Данные актуальны только для солнечной погоды. Если же внешняя температура будет около 5 °С, то воздух прогреется до 34-46 °С.
Солнечный коллектор из профнастила — это бюджетное приспособление, которое поможет без лишних денежных затрат отопить жилое помещение или склад. Причем в процессе сборки нет ничего сложного, а большинство материалов можно найти в собственном гараже.
Из чего состоит солнечный коллектор
Разработано и запатентовано ряд конструкций:
- Плоские.
- Трубчатые.
- Вакуумные трубки.
- Термосифоны.
Солнечный коллектор своими руками проще всего изготовить в плоском или трубчатом исполнении.
Рекомендуем к прочтению: что такое вакуумные солнечные коллекторы, принципы их работы и разновидности.
Как собрать установку? Один коллекторный блок (их количество уже примерно известно из расчётов, выполненных по вышеприведенной методике) состоит из следующих элементов:
- Набора медных или алюминиевых трубчатых элементов;
- Абсорбирующей пластины;
- Герметичного термоизолированного корпуса;
- Крышки, которую можно изготовить из прозрачного термостойкого полимера или закалённого стекла.
Эффективность изоляции определяет КПД коллектора. Его можно повысить, если предусмотреть в схеме накопительный контур, который сможет обеспечивать тепло в пасмурные дни или для работы систем охлаждения.
Процесс изготовления и последующего монтажа солнечных коллекторов возможен не только для крыши, но и для южных стен здания. В этом случае корпуса снабжают перфорационными отверстиями, облегчающими поступление воздуха. Когда нагретый воздух поднимется к верхней части стены, он направится в вентиляционные каналы здания для последующего распределения.
Преимущества лучевой системы теплоснабжения
При сравнении лучевой системы (когда используется промышленный или самодельный коллектор отопления) с классическими аналогами ее преимущества выглядят следующим образом:
- имеется возможность выполнить скрытый монтаж различных элементов оборудования для теплоснабжения строения;
- отсутствуют места соединений на участке, где произведен монтаж коллектора отопления и вплоть до радиаторов отопления;
- несложные работы по установке составляющих элементов, в результате чего работу можно выполнить самостоятельно, не имея соответствующих навыков. В процессе монтажа число соединений минимально и сборка выполняется в кратчайшие сроки;
- стабильная работа системы обусловлена невозможностью гидравлических ударов, что актуально для хозяев, решивших установить дорогие отопительные приборы;
- быстрая замена пришедших в негодность элементов, например, трубопроводов, без проведения сложных монтажных работ и разрушения поверхности бетонной стяжки. Достаточно будет отключить луч, нуждающийся в ремонте, и устранить появившийся дефект, не отключая системы теплоснабжения;
- доступная стоимость оборудования и комплектующих изделий;
- упрощенный монтаж;
- проектировка системы выполняется в кратчайшие сроки на основе вычислений ее параметров, включая расчет коллектора отопления;
- совместимость с другими источниками тепловой энергии, в том числе альтернативными.
О самостоятельном монтаже коллектора для отопления на видео:
Изготовление и монтаж
Ниже рассматривается бюджетный вариант получения солнечного нагревательного коллектора, с применением микровентилятора, пустых банок от пепси-колы, металлических корпусов отработанных осветительных приборов (лучше всего от люминесцентных ламп), закалённого стекла и чёрной краски. Потребуются также стеклорез, силиконовый герметик (с пистолетом), алюминиевая лента, термометр с температурным датчиком, ножницы по металлу, саморезы, электродрель, молоток, отвёртка и маркёр. Собирать и изготавливать узлы надо в защитных перчатках. Потребуется всего 7 этапов:
- Изготовление корпуса: коробку светильника разрезаем по предварительно установленному размеру и обматываем её алюминиевой лентой.
- Герметизация корпуса: скрепляем углы саморезами и тщательно герметизируем силиконом все щели, пазы и возможные трещины. Всю конструкцию окрашиваем в чёрный цвет.
- Размечаем маркёром и вырезаем предохранительные стёкла (можно вместо стекла использовать подходящий по прозрачности полимерный листовой материал).
- Обрезаем и устанавливаем банки в корпус, соединяем между собой и герметизируем. Торцы труб выводим за герметизированный корпус, согласовав при этом способ подключения входных отверстий микровентилятора. Окрашиваем банки чёрной краской.
- С противоположной стороны корпуса получаем вентиляционные отверстия. Предусматриваем возможность сделать дополнительные отверстия, если тестировании коллектора покажет недоработку. Расположение отверстий должно учитывать габаритные размеры вентилятора.
- Герметизируем щели между защитным стеклом и корпусом.
- Присоединяем микровентилятор к задним отверстиям корпуса. Перед этим необходимо убедиться в том, что подключение вентилятора правильное, и он будет работать на всасывание.
- Проверяем эффективность собранного коллектора. Для этого располагаем незакреплённый блок на выбранном участке стены или на крыше, включаем (через некоторое время) вентилятор и, используя термометр, выясняем температуру нагреваемого солнцем воздуха.
Испытания проводят на протяжении всего светового дня, через равные промежутки времени (летом, например, от 9.00 до 17.00, через каждый час). Если регистрируемые датчиком температуры воздуха составляют от 45 °С до 70 °С, то коллектор изготовлен верно, в противном случае количество блоков следует увеличить. Готовую конструкцию устанавливают вблизи вентиляционных отверстий дома.
На что следует обратить внимание
Любые гелиоустановки характеризуются номинальной мощностью, которая обозначается в киловаттах. Это количество энергии, которое вырабатывается при ярком солнце в зените. Это означает, что эффективность системы будет снижаться утром и вечером. Ночью, скорее всего, можно будет использовать горячую воду только из бойлера, где вода копилась на протяжении целого дня.
Выбирая модель коллектора, обратите внимание на то, можно ли его использовать в зимний период. И на то, какая мощность должна быть у системы, к которой коллектор подключается. Установка коллекторов обычно осуществляется на крышу или на каркас, который монтируется отдельно.
Классификация по температурным критериям
Существует достаточно большое количество критериев, по которым классифицируют те или иные конструкции гелиосистем. Однако для приборов которые можно сделать своими руками и использовать для горячего водоснабжения и отопления, наиболее рациональным будет разделение по виду теплоносителя.
Так, системы могут быть жидкостными и воздушными. Первый вид чаще применим.
Галерея изображений
Фото из
Шаг 1: Сборка коллектора из гофрированной трубы
Шаг 2: Окрашивание солнечного прибора в черный цвет
Шаг 3: Установка подводов для воздуха
Шаг 4: Изготовление крышки для солнечного прибора
Кроме этого часто используют классификацию по температуре, до которой могут нагреваться рабочие узлы коллектора:
- Низкотемпературные. Варианты, способные нагревать теплоноситель до 50ºС. Применяются для подогрева воды в емкостях для полива, в ванных и душевых в летнее время и для повышения комфортных условий в прохладные весенне-осенние вечера.
- Среднетемпературные. Обеспечивают температуру теплоносителя в 80ºС. Их можно использовать для обогрева помещений. Эти варианты наиболее подходят для обустройства частных домов.
- Высокотемпературные. Температура теплоносителя в таких установках может доходить до 200-300ºС. Используются в промышленных масштабах, устанавливаются для обогрева производственных цехов, коммерческих зданий и др.
В высокотемпературных гелиосистемах используется довольно сложный процесс передачи тепловой энергии. К тому же они занимают внушительное пространство, чего не может позволить себе большинство наших любителей загородной жизни.
Процесс изготовления их трудоемок, реализация требует специализированного оборудования. Самостоятельно сделать подобный вариант гелиосистемы практически невозможно.
Высокотемпературные солнечные батареи на фотоэлектрических преобразователях в домашних условиях сделать довольно сложно
