Воздушный солнечный коллектор для отопления дома

Оглавление

Период окупаемости гелиосистемы

Понять, как быстро окупаются дорогостоящие солнечные коллекторы, поможет несложный расчет. Например, это будет плоское устройство площадью 2 «квадрата» суточной производительностью 6,4 кВт·ч тепла.

Когда главным источником тепловой энергии является электрокотел, то выработанный им киловатт-час обойдется в 5 рублей (согласно ценам 2017 года), а это означает, что ежесуточно экономия на электропитании при эксплуатации плоского устройства составит 6,4х5=32 рубля, а срок окупаемости при цене устройства 20 тысяч – 625 дней (20000:32=625).

Когда основной источник тепла – газовый агрегат, киловатт-час энергии будет стоить 0,7 рубля, а суточная экономия — 6,4х0,7 = 4,48 рубля. Период окупаемости увеличится до 4464 дней или 12 лет. Если учесть, что средний срок эксплуатации коллектора составляет не больше 15 лет, то можно сделать вывод, что в данном случае гелиосистема не окупится никогда.

Устройство коллектора и принцип действия

Непосредственная функция коллектора в системе водоснабжения — распределение одного водяного потока на несколько одинаковых по давлению потоков.

В продаже есть гребенки с двумя, тремя и четырьмя выходами. При необходимости большего количества ответвлений, распределители соединяются между собой. Таким образом собирается коллектор водоснабжения на необходимое количество отводов.

Коллектор подключается непосредственно к стояку. На двух противоположных сторонах устройства предусмотрено резьбовое соединение (с одной стороны внутренняя резьба, с другой — наружная) для подключения к магистрали и соединения гребёнок между собой.

На свободный конец коллектора устанавливается заглушка или дополнительный сантехнический прибор, например, мембранный гаситель гидроударов.

Диаметр вводного отверстия на 20-40% больше, чем выходных. Например, на стандартном коллекторе, для монтажа водопровода в квартире, диаметр вводного отверстия — 3/4 дюйма, выходных — 1/2 дюйма.

1. Коллектор с вентилями.2. Коллектор с шаровыми кранами.

На выходных отверстиях могут быть установлены как шаровые краны, так и вентиля, позволяющие не только открывать и закрывать водяной поток, но и регулировать мощность потока на этом участке.

Что такое солнечные коллекторы

Данные приборы также называют гелиосистемами. Они предназначаются для аккумулирования энергии Солнца, используемой для подогрева воды. Применение солнечных коллекторов предоставляет возможность получения дополнительного обогрева. В результате их обладатели имеют горячее водоснабжение и теплоснабжение.

Солнечные коллекторы для отопления являются несложными установками, которые для нагрева воды задействуют видимый свет, и ИК излучение от небесного светила. Принцип их функционирования основан на поглощении тепловой энергии поверхностью, имеющей низкую отражающую способность.

Отличаются коллекторы от фотоэлектрических солнечных батарей более высокой эффективностью. Дело в том, что фотоэлектрические элементы способны преобразовать в электричество всего 15% энергии Солнца, а коллекторы утилизируют около 80%.

Главной проблемой, которая препятствует их использованию в качестве главного источника тепловой энергии для жилья, является непостоянная мощность данных устройств, что объясняется:

Суточными изменениями степени освещенности, ведь в ночное время выработка тепловой энергии снижается до нулевой отметки. Кроме этого, для поддержания плюсовой температуры жидкости, перемещающейся через коллектор, нужны дополнительные затраты тепла.
Различными погодными условиями. Если наблюдается плотная облачность, тепловая производительность устройств понижается.

Из чего можно сделать гелиосистему самостоятельно

Для начала следует разобраться в том, какой принцип работы использует солнечный водонагреватель. Во внутреннем устройстве блока присутствуют следующие узлы:

корпус;
абсорбер;
теплообменник, внутри которого будет циркулировать теплоноситель;
отражатели для фокусировки солнечных лучей.

Заводской коллектор для нагрева воды от солнца работает следующим образом:

Абсорбция тепла — солнечные лучи проходят сквозь стекло, расположенное поверх корпуса, либо через вакуумные трубки. Внутренний абсорбирующий слой, контактирующий с теплообменником окрашен селективной краской. При попадании солнечных лучей на абсорбер выделяется большое количество тепла, которое собирается и используется для нагрева воды.
Теплопередача — абсорбер расположен в тесном контакте с теплообменником. Аккумулируемое абсорбером и передаваемое теплообменнику тепло нагревает жидкость, движущуюся по трубкам к змеевику внутри бака теплонакопителя. Циркуляция воды в водонагревателе осуществляется принудительным или естественным способом.
ГВС — используется два принципа подогрева горячей воды:
1. Прямой нагрев — горячая вода после нагрева попросту сбрасывается в теплоизолированную емкость. В моноблочной гелиосистеме в качестве теплоносителя используется обычная бытовая вода.
2. Второй вариант — обеспечение ГВС с пассивным водонагревателем по принципу косвенного нагрева. Теплоноситель (часто антифриз) под давлением направляется в теплообменник гелиоколлектора. После нагрева разогретая жидкость подается в накопительный бак, внутри которого встроен змеевик (играющий роль нагревательного элемента), окруженный водой для системы горячего водоснабжения. Теплоноситель разогревает змеевик, посредством чего и передает тепло воде, находящейся в емкости. При открытии крана нагретая вода из теплоаккумулирующей ёмкости поступает к точке водоразбора. Особенность гелиосистемы с косвенным нагревом в способности работать в течение всего года.

Принцип работы, используемый в дорогостоящих заводских гелиосистемах, копируется и повторяется в коллекторах, изготавливаемых своими руками.

Рабочие конструкции солнечных водонагревателей имеют схожее устройство. Только изготавливаются из подручных материалов. Существуют схемы производства коллекторов из:

поликарбоната;
вакуумных трубок;
ПЭТ бутылок;
пивных банок;
радиатора холодильника;
медных трубок;
ПНД и ПВХ труб.

Судя по схемам, современные «Кулибины» отдают предпочтение самодельным системам с естественной циркуляцией, термосифонного типа. Особенность решения в том, что накопительную емкость располагают в верхней точке ГВС. Вода самотеком циркулирует в системе и подается потребителю.

Изготовление устройств своими руками

Можно обустроить горячее водоснабжение и отопление при помощи солнечных коллекторов, сделанных собственноручно. Их простейшая конструкция будет состоять из полиэтиленовой трубы для водоснабжения, уложенной в форме спирали, которую помещают в деревянную раму и накрывают пленкой из полиэтилена.

Но такой самодельный коллектор имеет недостатки:

небольшой КПД по причине того, что теплообменник не имеет контакта по всей площади подложки, в результате чего много тепла тратится бесполезно;
энергозависимость;
недостаточная защищенность от воздействия ветра и механических повреждений.

Если имеется желание собрать прибор, который прослужит продолжительное время и обеспечит отопление дома солнечными коллекторами зимой, можно воспользоваться пошаговой инструкцией:

Каналы для нагретой жидкости сваривают с нижним и верхним коллектором. Для этого желательно применять профильную трубную продукцию, имеющую размер от 20 х 20 миллиметров – она за счет плоской кромки способна обеспечить тепловой контакт с подложкой абсорбера. К коллекторам приваривают патрубки с резьбой 1/2-3/4 дюйма, предназначенные для вывода жидкости.
К трубкам методом сварки прикрепляют подложку из стального 3-миллиметрового стального листа. Промежуток между прихватками не должен превышать 20 сантиметров. Такое расстояние позволяет исключить прогиб листа и избежать нарушения контакта с трубками.
Вокруг абсорбера сооружают деревянную раму. Между листом абсорбера и краями рамки оставляют зазоры, необходимые для установки стекла и укладки теплоизоляционного материала. Древесину нужно предварительно обработать антисептиком.
В раме просверливают отверстия под патрубки, выводящие теплоноситель.
Абсорбер утепляют минватой с тыльной стороны. Потом теплоизоляционный материал зашивают досками, листами фанеры или ОСП.
Далее абсорбер окрашивают черной кремнийорганической жароустойчивой краской, поскольку обычные красящие составы для наружного использования в данных условиях эксплуатации начинают шелушиться. Кромки рамы после этого проклеивают резиновым оконным уплотнителем и накрывают обычным 4-миллиметровым стеклом. Если остекление формируется из нескольких листов, тогда нужно герметизировать стыки при помощи силиконового герметика.
Стекло прижимают к раме, используя алюминиевый или оцинкованный уголок, заранее проклеив его фронтальную сторону уплотнителем для окон.

Каким должен быть самодельный солнечный коллектор?

Из-за невысокой эффективности воздушных коллекторов домашние мастера отдают предпочтение водяным устройствам, которые бывают вакуумными или плоскими, с замкнутой или открытой системой теплообмена.

Плоский коллектор – довольно простой для самостоятельного изготовления прибор. Состоит из металлического корпуса прямоугольной формы, внутрь которого интегрирован теплоприемник, чаще всего в виде медного или алюминиевого трубчатого змеевика.

Для лучшего поглощения солнечных лучей (абсорбции) его покрывают селективной краской черного цвета. Снизу обязательно укладывается слой теплоизоляционного материала или резины, а сверху конструкция накрывается крышкой, для изготовления которой используется стекло или, например, поликарбонат, хотя возможно применение и других светопропускающих материалов.

Принцип работы плоского коллектора довольно простой: поглощенное тепло передается теплоносителю (в данном случае жидкости), циркулирующему по змеевику.

Прозрачная крышка выполняет одновременно несколько функций: защищает теплообменник от негативных природных явлений (осадков, ветра), а также грязи и пыли, при этом свободно пропускает солнечные лучи.

Герметичность конструкции исключает возможность попадания грязи под стекло на теплоприемник и не допускает выветривания накопленного тепла через естественные щели.

Наиболее эффективен данный вид коллекторов при эксплуатации в теплое или межсезонное время года, зимой его КПД значительно снижается.

Проблема потери тепла решена в вакуумном коллекторе. В нем трубки помещаются в светопрозрачные стеклянные колбы, из которых предварительно выкачивается воздух. Трубки в этой конструкции обязательно имеют абсорбционное покрытие и дополнительно заполняются хладагентом.

Непосредственно трубки соединяются своими концами с магистралью, по которой движется теплоноситель. Под воздействием солнечных лучей хладагент закипает и превращается в пар, который, по законам физики, поднимается вверх по трубке и при контакте с теплоносителем остужается, отдавая накопленное тепло.

Следует отметить: вакуумный солнечный коллектор в сравнении с плоскими более эффективен за счет того, что удельная теплота вещества в парообразном состоянии выше, чем в жидком.

Именно из-за такой особенности вакуумные коллекторы эффективны и в зимнее время, при минусовых температурах, хотя их КПД может несколько снизиться за счет уменьшения светового дня и увеличения пасмурности.

Вариантом вакуумного коллектора можно считать и конструкции, в которых трубки сразу заполняются теплоносителем. Но они обладают одним существенным недостатком – сложностью проведения ремонтных работ. В этом случае, если из строя вышла какая-либо из трубок, потребуется полная замена всей конструкции.

Виды коллекторов в системе отопления

Коллектор для систем отопления может быть следующих видов:

Распределительный — представляет он из себя трубу круглого или квадратного сечения с отводами. Отводы имеют различный диаметр резьбы.

К отводам большего диаметра подключается котел, а к отводам меньшего диаметра приборы отопления.

Один такой коллектор устанавливается на подающую трубу, второй на обратную. Смотрим на фото

Гребенка для отопления распределительный коллектор

Балансировочный — объединяет в себе два распределительных коллектора и гидрострелку (гидравлический разделитель).

Это уже готовое к установке в систему изделие, к которому остается только присоединить все остальное оборудование.

Выглядит это все следующим образом:

Балансировочный распределительный коллектор системы отопления

Теперь рассмотрим внимательнее их внутреннее устройство.

Принцип работы коллекторной системы

Коллектор, это металлическая гребенка с выводами для подключения труб и приборов. Коллекторная система отопления является двухтрубной. Через одну гребенку подается горячая вода, а к другой — подключаются трубы, собирающие остывшую воду (обратку).

Эта система отопления работает следующим образом. Вода от источника отопления поступает в подающую гребенку (распределительный коллектор подачи), а оттуда по трубам доносит тепло к каждому радиатору и напольному отоплению. Остывшая вода из радиаторов через обратную гребенку (коллектор обратки) поступает обратно в отопительный котел.

В коллекторной системе отопления имеется закрытый расширительный бак и циркуляционный насос, который движет теплоноситель. Минимальный объем расширительного бака равен не менее 10% суммарного объема всех отопительных приборов. Насос устанавливается на любом из трубопроводов, идущих к коллекторам.

Коллекторы устанавливаются в специальные шкафы, которые монтируют в нишах стен или в отдельном помещении. Шкафы коллекторов должны располагаться примерно на одинаковом расстоянии от каждого отопительного прибора. Трубы могут подводиться к радиаторам сверху, с боку и снизу. Наибольшее распространение получила нижняя подводка труб к радиаторам. Этот вариант дает наилучшую возможность скрыть трубы в полу. На каждую гидравлическую цепь, идущую от коллектора, устанавливается запорная арматура, что дает возможность отключать любой радиатор, не нарушая работу отопительной системы. На каждый радиатор устанавливают кран для выпуска накопившегося воздуха — кран Маевского, или же на коллектор — воздуховыпускные клапаны. Также на коллектор могут быть установлены счетчики тепла и водосливные краны.

Каждая гидравлическая цепь, размещенная после коллекторов, является самостоятельной системой. Это дало возможность создания теплых полов. Это полы, в конструкции которых укладываются трубы параллельно или в виде спиралей, которые обогревают поверхность пола. Трубы укладывают на теплоизоляционную прокладку, подключают к коллектору и после проверки герметичности трубопроводов заливают их бетоном. Высота стяжки не должна превышать 7 см. Шаг укладки и диаметр труб определяется расчетом. Длина одного отопительной спирали не должна превышать 90 м. В основном для теплого пола применяются металлопластиковые трубы, которые легко принимают любую кривизну.

При работе отопления теплого пола понижение температуры происходит по высоте помещения, а при установке радиаторов — наоборот, чем выше, тем теплее.

Изготавливаем коллектор распределения

Проводим расчет материала, необходимого для изготовления коллектора. Легче всего это сделать в электронных таблицах Excel. Заодно в этой программе можно рассчитать и стоимость материалов, потребных для изготовления устройства. Приобретаем необходимый исходный материал и готовим инструменты для самостоятельного изготовления.

готовим инструменты

Исходными материалами для основных частей коллектора будут служить трубы обычные или квадратного сечения. Производим на них необходимую разметку, используя штангенциркуль, линейку и керн.

Производим необходимую разметку

С использованием газового резака делаем отверстия под патрубки.

делаем отверстия под патрубки

Вставляем патрубки (отрезки труб с резьбой) в посадочные места.

Вставляем патрубки

Фиксируем патрубки сваркой. Сначала начерно, а потом обвариваем по всему периметру.

Фиксируем патрубки сваркой

Также привариваем к корпусу кронштейны для крепления на стену.

привариваем к корпусу кронштейны

Зачищаем места сварки от окалины и ржавчины.

Зачищаем места сварки

Всю конструкцию обрабатываем обезжиривающим составом, покрываем краской и лаком.

обрабатываем обезжиривающим составом, покрываем краской и лаком

Краска полностью схватывается через два-три дня и нашем распоряжении оказывается самостоятельно изготовленный распределительный коллектор. Теперь осталось только установить его на место и подсоединить к нему все входящие и исходящие контуры.

готовый самодельный распределительный коллектор

Система с распределительным коллектором будет работать намного эффективнее, чем простое нагромождение отопительных труб

Для того, чтобы поймать все нюансы самостоятельного изготовления распределительного коллектора и область его применения – рекомендуем вам посмотреть обучающее видео.

Схемы подключения солнечного коллектора

При установке солнечного водонагревателя или системы отопления к устройству обязательно подключают накопительный бак. Он нужен из-за непропорционального расхода энергии и распределения генерируемого тепла. Со временем бак заполняется водой, которой владельцы системы используют по своему усмотрению.

Рекомендуется устанавливать стандартный бойлер или буферную емкость. Рационально построенная конструкция представляет собой соединение коллектора с теплопроводником, который сообщается с бойлером.

Для отопления дома

В северо-восточных регионах России осенью и зимой отсутствует максимальная солнечная активность. Гелиоустановки используются в качестве вспомогательного энергоисточника для подогрева. Схема подключения представлена на рисунке ниже.

Солнечный коллектор подключают к водопроводу и циркулярному насосу. Энергию используют для косвенного нагрева помещения.

Для горячего водоснабжения

Существует 2 варианта использования: для лета и зимы.

Первый подходит для дачников. Они нагревают воду только летом. Поэтому такая установка имеет минимальную инерционность. Нужно установить солнечный коллектор ниже уровня бака-накопителя, чтобы вода циркулировала естественным путем.

Зимой в качестве жидкости-теплоносителя используют антифриз, который вливают в аккумулирующую емкость со змеевиком. За счет его непрерывной циркуляции вода постоянно нагревается до оптимальной температуры.

Отопление + ГВС

Суть схемы подключения – объединение процессов отопления и ГВС. Применяется двухконтурная теплоаккумулирующая емкость с внутренним резервуаром. Это помогает отделить техническую воду от питьевой. Для автоматизации включают в схему контроллер СК для предупреждения перерасхода.

Для подогрева бассейна

Для прогрева переносного или стационарного бассейна используют погружную помпу. Ее можно заменить на автоматизированную насосную станцию, которая будет осуществлять циркуляцию холодной воды из бассейна, а нагретой – из СК.

Принципы составления схем разводки

Единых стандартов планировки при составлении схем разводки коллекторной системы не существует. Оборудование подбирается под конкретные задачи.

Но специалисты сходятся в одном авторитетном мнении, что такая система никак не подходит для отопления квартир. Это обусловлено сложностью реализации проекта за счет того, что в жилое помещение обычно подведено два или более стояков.

А одним из обязательных условий реализации схемы является необходимость подключения всех батарей к одному стояку.

Вам также может быть полезна информация о том, как подключить радиатор отопления.

Чтобы воплотить в квартире схему коллекторной разводки, придется оставить лишь один канал тепла, предварительно заварив остальные – он возьмет на себя всю нагрузку

Если же заварить все остальные каналы подачи воды с тем, чтобы один стояк взял на себя всю нагрузку, образуется замкнутая гидравлическая цепь в пределах одной квартиры. Все расположенные выше по стояку отопительные приборы буду отрезаны от системы и не получат желаемого тепла.

Жильцы, живущие сверху, рано или поздно выявят причину такого явления, и схему придется повторно переделывать в принудительном порядке, выложив при этом немаленькую сумму.

Коллекторную разводку отопления допускается устанавливать в многоквартирных домах новой постройки при условии, что еще на этапе строительства в них установили дополнительные вентили для подключения контуров различной конфигурации.

При обустройстве коллекторной системы следует учитывать ряд ключевых моментов, которые свойственны и для других типов систем

Коллекторная система как нельзя лучше подходит для частных домов.

Главное – при проектировании разводки придерживаться основных рекомендаций профессионалов:

Наличие воздухоотводчика. Автоматизированный клапан размещают непосредственно на коллекторах подачи и обратки.
Наличие расширительного бака. Показатель его объема должен составлять как минимум 3% относительно суммарного объема теплоносителя. Но допускается использовать и устройства и с большим объемом.
Место размещения расширительного бака. Его устанавливают на «обратке», размещая перед циркуляционным насосом по ходу воды. Подробнее о его установке рассказано в другой нашей статье.
Установка циркуляционных насосов на каждом контуре. Место их расположения непринципиально, но максимальную эффективность из-за низкой рабочей температуры они проявляют на «обратке».

При необходимости задействования гребенки, оснащенной гидравлическим компенсатором, расширительный бак устанавливают перед основным насосом, призванным обеспечивать передвижение воды в малом контуре.

Благодаря размещению расширительного бака перед насосом можно существенно снизить риск повреждения устройства под действием турбулентности воды

Циркуляционный насос фиксируют таким образом, чтобы вал находился строго горизонтально. В противном случае первая же воздушная пробка оставит агрегат без смазки и охлаждения.

Если в системе отопления присутствуют дополнительные распределительные узлы – они не должны быть сообщающимися.

Плюсы и минусы коллекторно-лучевой системы

Среди неоспоримых достоинств установки коллекторной системы стоит выделить:

Удобство эксплуатации. Благодаря тому, что каждый элемент управляется независимо, потребитель имеет возможность задавать температуру в любой точке дома. А по мере необходимости легко отключать один или группу отопительных приборов в комнате. При этом температура в других помещениях сохранится прежней.
Возможность задействовать трубы малого диаметра. Поскольку каждая ведущая от коллектора ветка питает лишь один прибор, для ее прокладки можно использовать трубы малого диаметра, которые легко спрятать в стяжке.
Ремонтопригодность. В случае обнаружения неполадок легко будет отключить любой участок трубопровода, не прерывая при этом работы всей системы.

Чтобы сформировать несколько контуров, имеющих разные параметры, например: перепады давления или разную температуру носителя, задействуют распределительные гребенки с функцией гидравлического компенсатора.

Гидрострелка представляет собой вместительную трубу, к выходам которой подключено ряд контуров с независимой циркуляцией.

Подогретая котлом вода поступает внутрь гидрострелки. Циркулируя внутри устройства, вода на разном расстоянии от врезок отбирается и перераспределяется по контурам.

В местах врезки каждого контура после гидрострелки будут выставлены свои значения перепада давления и температуры носителя

За счет того, что разогретый теплоноситель с меньшими потерями доносит тепло до батарей, коэффициент полезного действия системы повышается. Это дает возможность снижать мощность котла и экономить при этом расход топлива.

Система отопления, основным элементом которой выступает коллектор, не лишена недостатков.

К числу таковых стоит отнести:

Расход трубы. Если сравнивать с последовательным подключением, то расход трубы при прокладке коллекторной системы выше в два/три раза. Разница в затратах определяется размером задействованной площади.
Необходимость задействования циркуляционных насосов. Установка независимых контуров не обходится без монтажа циркуляционных насосов. Это влечет дополнительные затраты.

Слабым звеном коллекторной системы является ее энергозависимость. Так что даже при работающем котле в случае отключения электроэнергии трубы будут оставаться холодными. По этой причине такие системы не рекомендуется применять в районах, где перебои электроснабжения – нередкое явление.

Циркуляционный насос обеспечивает принудительное передвижение теплоносителя в системе, выполненной из труб с малым диаметром, в которой суммарное гидравлическое сопротивление имеет высокий показатель

При укладке контуров в стяжку пола стоит учитывать, что любое соединение является потенциальным место протечки. И в случае возникновения дефекта для его устранения придется вскрывать монолитный бетон. А это уже весьма хлопотное и затратное мероприятие.

Поэтому соединения сетей коллекторной системы располагают исключительно над уровнем пола. Чаще всего они приурочены к коллекторному шкафу.