Вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома зимой

Солнечный коллектор зимой

В этой статье: Работает ли зимой солнечный коллектор? Сравнение эффективности работы зимой вакуумного и плоского солнечного коллектора. Плюсы и минусы гелиосистемы. Отзыв владельца. Видео по теме.

Солнечный коллектор зимой.

Эффективность использования плоского и вакуумного коллектора зимой.

В последнее время альтернативные источники энергии вызывают все более живой интерес со стороны наших соотечественников. Наиболее простыми из них в устройстве являются солнечные коллекторы, благодаря чему их доля в нетрадиционной энергетике, особенно бытовой, чрезвычайно велика. Данная статья поможет найти ответ на вопрос: насколько эффективным является солнечный коллектор зимой?

Как свидетельствует статистика (данные приведены в Википедии), на 1 тыс. россиян приходится примерно 0,2 кв. м применяемых у нас солнечных коллекторов, тогда как в Германии этот показатель составляет 140 кв. м, а в Австрии – целых 450 кв. м. на 1 тыс. жителей.

Столь значительную разницу нельзя объяснить одними только климатическими условиями. Ведь на большей части России за день поверхности земли достигает такое же количество солнечной энергии, как и на юге Германии – в теплое время эта величина составляет от 4 до 5 кВт*ч/кв. м.

Чем же вызвано наше отставание? Отчасти оно обусловлено сравнительно низкими доходами россиян (гелиоустановки являются пока довольно дорогим удовольствием), отчасти – наличием собственных крупных газовых месторождений и, как следствие, доступностью голубого топлива.

Но немалую роль сыграло и предвзятое отношение со стороны многих потенциальных пользователей, считающих установку солнечного коллектора нецелесообразной. Дескать, летом и так тепло, а зимой от подобной системы мало проку.

Вот какие аргументы выдвигают скептики касательно эксплуатации гелиоустановок зимой:

Установку постоянно засыпает снегом, так что солнечное излучение достигает её не так уж часто. Если, конечно, владелец не дежурит постоянно на крыше с веником или щеткой.

Холодный морозный воздух отбирает почти все тепло, накапливаемое коллектором.

Часто упоминают и всесезонный поражающий фактор – град, который может разнести гелиоустановку вдребезги.

Чтобы понять, насколько справедливы эти доводы, рассмотрим устройство различных видов солнечных коллекторов.

Устройство и область применения в быту.

На сегодняшний день наибольшее распространение нашли плоские и вакуумные солнечные коллекторы.

Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя.

Абсорбер связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрной краской либо специальным селективным покрытием (обычно чёрный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурат). Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются из сшитого полиэтилена либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней заделываются силиконовым герметикой.

При отсутствии забора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть теплоноситель до 190—210°C. Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре, эффективность которого может составлять около 95%. Стандартным решением повышения эффективности коллектора стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности, поскольку применение меди против алюминия даёт выигрыш 4 % (хотя теплопроводность алюминия вдвое меньше, что означает значительное превышение «запаса мощности» по теплопередаче), что незначительно в сравнении с ценой). Также высокая эффективность достигается увеличением площади контакта трубки и медного листа: у формованного листа и паянного соединение она максимальна, у соединения ультразвуковой сваркой — меньше. Используется также алюминиевый экран.

Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.

Фактически солнечная вакуумная труба имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95 % улавливаемой тепловой энергии.

Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение медные тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При воздействии на коллектор солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору.

Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.

Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.

В быту гелиоустановки применяются для приготовления горячей воды, в том числе для бань, подогрева бассейна либо в качестве дополнительного источника тепла для системы отопления.

В промышленности сфера применения таких систем является более широкой: на их основе сооружают опреснители воды, парогенераторы (пар приводит в движение различные машины) и даже электростанции.

Эффективно ли отопление дома солнечными коллекторами зимой? Ну что же, теперь посмотрим, как различные виды солнечных коллекторов работают в условиях зимы. Напомним, что противники внедрения таких установок выдвигают следующие аргументы:

Засыпание панели снегом: данная проблема актуальна только для плоско-пластинчатых коллекторов. На трубках вакуумных установок, как показала практика, снег задерживается только в тех редких случаях, когда в силу особых погодных условий на их поверхности образуется изморозь. Если же во время снегопада дует хотя бы слабый ветер (от 3 м/с), панель точно останется чистой.

Из-за того, что коллектор окружен холодным воздухом, все тепло с коллектора улетучивается: этот аргумент опять же справедлив только в отношении плоско-пластинчатых коллекторов. Действительно, зимой производительность такой установки в сравнении с летней уменьшается пятикратно. В более совершенных вакуумных моделях прослойка вакуума позволяет сберечь до 95% усвоенного тепла. Самые современные модели даже в сильный мороз способны довести воду до кипения.

Коллектор легко может быть поврежден градом: в заводских условиях коллекторы изготавливаются из высокопрочных материалов. Посмотрите видеоролик, снятый во время испытаний вакуумной трубки на ударную прочность.

Трубка выполнена из чрезвычайно крепкого боросиликатного стекла которое выдерживает удары града который падает со скоростью 18 м/с и имеет 35 мм диаметре.

Плюсы и минусы гелиосистемы

Им присущ более высокий КПД по сравнению с фотоэлектрическими элементами и ветрогенераторами.

Усваиваемая с их помощью энергия является абсолютно бесплатной.

Работа солнечного коллектора полностью безвредна для экологии: используемый ресурс – солнечное тепло — является неисчерпаемым и усваивается напрямую, без сжигания чего-либо и загрязнения окружающей среды.

Теперь укажем слабые места гелиоустановок:

Коллекторы стоят пока сравнительно дорого

Из-за переменчивости погодных условий производительность коллектора не стабильна.

Систему приходится оснащать довольно вместительным баком-накопителем с хорошей теплоизоляцией.

Отзыв владельца о работе солнечного коллектора зимой.

Видео о работе солнечной сплит-системы SH-200-24 торговой марки «АНДИ Групп»

Предлагаем Вашему вниманию всесезонные солнечные коллекторы торговой марки АНДИ Групп

Система на основе вакумного солнечного коллектора: (объём бака от 200 до 1000л)

Система на основе вакумного солнечного коллектора: (объём бака от 100 до 500л)

Количество трубок в коллекторе: 12,15,18,20,24,30 (в зависимости о модели)

Количество трубок в коллекторе: 15,20,24,30 (в зависимости о модели)

Источник

Вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома и ГВС

Альтернативные источники энергии пользуются огромной популярностью. Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы для отопления дома и горячего водоснабжения позволяют снизить затраты на оплату коммунальных услуг, обеспечивают достаточным количеством дополнительного дешёвого тепла.

Чтобы определить теплоэффективность гелиосистем, следует разобраться как работают солнечные водонагреватели, а также правильно рассчитать их мощность.

Как работает вакуумный коллектор

Классические гелиосистемы используют принцип преобразования тепла в электричество (солнечные батареи). Вакуумные солнечные коллекторы работают как обычные водонагреватели.

При поглощении ультрафиолетового излучения продуцируется достаточное количество тепла, чтобы обеспечить потребности ГВС. Можно подогреть воду для бассейна, душа. В зимнее время года коллекторы обеспечат некоторым количеством тепловой энергии для обогрева дома.

Существует два типа вакуумных трубок. Устройства отличаются принципом нагрева и хранения воды:

«Мокрая трубка» — особенность внутреннего устройства в том, что накопительный бак установлен непосредственно на краях блока. Вода нагреваясь поступает в бак, холодная стекает в трубки. Второе название — солнечный коллектор на вакуумных трубках прямого нагрева.

Конструкция U-образного типа, heat-pipe — в этом случае накопительная емкость не соединена непосредственно с ёмкостью. Бак может устанавливаться в любом месте дома, подключаясь к системам водоснабжения и отопления.
В последнее время получили распространение перьевые солнечные водонагревательные коллекторы с вакуумными трубками, своеобразный гибрид системы heat-pipe и плоского абсорбера. Все перечисленные типы водонагревателей используют режим косвенного нагрева.

Независимо от принципа теплопередачи устройство вакуумных трубок остается практически без изменений. Используется идентичный способ абсорбции.

Устройство вакуумных трубок

Внутренняя конструкция схожа для всех типов гелиоколлекторов. Трубка вакуумного солнечного водонагревателя устроена следующим образом:

прозрачная стеклянная колба, из которой полностью выкачан воздух;

медная трубка, расположенная внутри коллектора, с газообразным или жидким теплоносителем;

один или два сборных распределителя;

отражатели, фокусирующие излучение на колбы.

Вакуумные трубки солнечного коллектора изготавливают из прочного боросиликата. Дополнительно внутренняя поверхность обработана специальным поглощающим слоем. Покрытие трубок выполнено с использованием бариевого газопоглотителя. В исправном состоянии цвет колбы серый, при разгерметизации становится белым. Трехслойное покрытие обеспечивает максимальную абсорбцию и моментальную теплопередачу. Эффективность поглощения тепла не менее 70%.

Солнечный коллектор на вакуумных трубках работает следующим образом:

при попадании прямых солнечных лучей происходит абсорбция тепла и передача его медной сердцевине;

теплоноситель в трубке закипает и испаряясь поднимается вверх к конденсатору;

пар отдает энергию возвращаясь в первоначальное состояние;

жидкость стекает обратно в медную трубку, играющую роль теплообменника.

В устройстве вакуумных коллекторов обязательно присутствует накопительная емкость. В режиме косвенной теплопередачи конденсатор соединен с магистралью, отводящей энергию в буферный бак, установленный внутри дома. В режиме прямой теплоотдачи вакуумные трубки соединены с накопительным баком, подключаемым непосредственно к точке водоразбора.

Система водоснабжения работает:

Под давлением — при открытии крана ГВС горячую воду из емкости вытесняет холодная. В систему обязательно устанавливают циркуляционный насос. Рабочее давление 0,6 Мпа. Решение применяется в коммерческих целях. Оптимальный вариант для нагрева воды в кемпингах, гостиницах и пансионатах.

Без давления — вода к точкам разбора сбегает самотеком. Второе название гелиосистемы: термосифонная или работающая с использованием естественной конвекции.

Технические характеристики коллекторов во многом зависят от принципа передачи тепловой энергии конечному потребителю.

Работа в режиме прямой теплоотдачи

В системах прямой передачей тепла бак соединен с абсорбирующими колбами. Принцип работы вакуумной трубки солнечного коллектора прямого нагрева следующий:

бак объемом до 200 л, подсоединен к колбам коллектора;

нагретый до состояния пара теплоноситель подается в медный змеевик, выполняющий функции теплообменника и расположенный внутри накопительной емкости;

разогретый теплообменник отдает тепло воде, окружающей его;

после охлаждения теплоноситель возвращается обратно внутрь колбы.

Циркуляция осуществляется при помощи естественной конвекции. Баки с прямой теплопередачей способны разогреть до 300 л. воды в сутки, с номинальной температурой до 60°C. Система предназначена исключительно для сезонного использования, с апреля до сентября (период зависит от территориального расположения вакуумного коллектора).

Режим косвенной теплопередачи

Косвенный принцип работы вакуумного солнечного коллектора отличается тем, что полученное тепло направляется в буферную емкость, расположенную в доме. Максимальный объем бойлера косвенного нагрева указывается в технической документации.

Преимущество систем с БКН в том, что их можно использовать вне зависимости от времени года. Зимой солнечный водонагреватель продолжает работать, абсорбируя дополнительную тепловую энергию, направляемую в систему отопления дома. Максимальная температура нагрева теплоносителя в вакуумных трубках достигает 250-300°, чего более чем достаточно для подогрева воды.

Медный теплообменник расположенный в вакуумных колбах заполняют антифризом, что дает возможность коллектору работать даже при температуре до –50°C.

Работа системы в зимний период

Для зимы используется всесезонная гелиосистема с косвенной теплопередачей. Интенсивность солнечного излучения снижается в течении зимы. Для отопления дома зимой одних только коллекторов будет недостаточно. Гелиосистемы используют исключительно в качестве дополнительного источника тепла, подключая их через буферную емкость к системе отопления. При условии правильных расчетов вакуумные гелиоколлекторы способны компенсировать до 53% всех теплозатрат здания.

Для зимы, как видно из графиков, способны удовлетворить около 15-20% тепловых затрат:

Плюсы и минусы коллекторов с вакуумными трубками

Опыт использования гелиоустановок на территории РФ достаточно продолжительный, что позволяет увидеть реальную картину теплоэффективности систем. При описании достоинств и недостатков учитывают возможности работы в режиме отопления и горячего водоснабжения, технические характеристики и реальные отзывы о вакуумных коллекторах.

Для определения рентабельности важно принимать в расчет сроки окупаемости гелиоустановок, с учетом существующих законов, действующих на территории Российской Федерации.

Об эффективности в режиме отопления

Важно помнить, что коллекторы не используются в качестве основного источника тепла в доме. Цель подключения компенсировать определенные энергозатраты. Причем изначально в отапливаемом здании должен быть установлен котел, способный полностью обогреть здание.

Эффективность гелиоустановки определяется тем, на сколько процентов система с солнечными вакуумными коллекторами способна компенсировать затраты на отопление дома. Максимальные показатели достигают 40-50%.

За время эксплуатации в регионах с холодным и средним климатом были выявлены следующие преимущества вакуумного коллектора, по сравнению с плоскими гелиоколлекторами:

оптимальное соотношение стоимости и теплоотдачи;

теплопотери минимальны, 75% абсорбируемой энергии передается в буферную емкость;

трубчатая гелиосистема способна работать при отрицательных температурах и при низком ультрафиолетовом излучении, что делает возможным всесезонное солнечное отопление с использованием вакуумных коллекторов;

простая установка и демонтаж.

Практика показывает, что в зимнее время года аккумулируемого тепла достаточно для полноценного отопления системой теплых полов. Даже при низкой солнечной активности теплоноситель будет прогреваться до температуры 30-40°C. Водяные полы соответственно будут нагреваться до комфортных 26-35°C.

Отопление частного дома солнечными вакуумными коллекторами имеет несколько недостатков:

высокая стоимость — необходимость первоначальных вложений;

жесткие требования к монтажу, при неправильном угле наклона, относительно земли теплоэффективность резко снижается;

обслуживание — еще один недостаток вакуумных коллекторов: в зимнее время года трубки, нередко заметает снегом, их приходится чистить.

В зимнее время года работают исключительно коллекторы с выносным баком. Буферная емкость к которой подключаются вакуумные трубки, используется для обеспечения многовалентных систем отопления.

Использование для горячей воды

Солнечные коллекторы применяются в качестве основного водонагревателя летом и дополнительного в зимнее время года. Система ГВС на вакуумных коллекторах, с апреля по сентябрь, стабильно обеспечивает высокую температуру подогрева жидкости. Установка с прямой теплоотдачей на 30 трубок, способна подогреть около 300 л. воды в течение одного дня, чего более чем достаточно для принятия душа 4-5 человек.

Зимой для нагрева воды мощности может быть недостаточно. В внешних накопительных баках дополнительно устанавливают электроТЭН, предназначенный компенсировать недостаток нагрева. Существуют решения, в которых для подогрева воды гелиосистемы работают одновременно с бойлером.

Горячее водоснабжение от солнечных вакуумных коллекторов, также, как и аналогичная система отопления, требует значительных первоначальных вложений, что и остается главным недостатком. Рентабельность применения достигается при коммерческом использовании гелиоводонагревателей. В гостиницах, кемпингах, отелях окупаемость систем достигается через 3-4 года.

Как выбрать коллектор вакуумного типа

Для начала следует определиться для какой цели выбирается гелиосистема. Для удовлетворения потребностей в ГВС в течение дачного сезона, подойдет моноблочный водонагреватель. Объем накопительного бака до 200 л.

Чтобы отапливать помещение используются исключительно вакуумные коллекторы с внешним баком косвенного нагрева. Следует ознакомиться со следующими техническими характеристиками:

коэффициент тепловых потерь;

параметры оптического КПД;

По указанным параметрам можно определить производительность вакуумного коллектора и в конечном счете высчитать окупаемость системы.

Как рассчитать мощность гелиоколлектора

Подбор гелиосистемы по производительности осуществляется в индивидуальном порядке. Во время расчетов вакуумных солнечных коллекторов учитывают: территориальное размещение, количество необходимой нагретой воды и т.д. Точные вычисления требуют наличия инженерных навыков.

Для приблизительных расчетов потребуется:

определить коэффициент инсоляции (для Московской обл. равен 1137,7);

узнать активную площадь абсорбции вакуумной трубки (в среднем 0,15 м²);

с помощью технической документации узнать КПД коллектора (0,67).

Имея перечисленные данные можно высчитать мощность одной вакуумной трубки. Для этого умножаем все числители между собой. В итоге получаем, что в течение года одна колба способна произвести 117,95 кВт/час, что равняется 0,325 кВт/час в течение одного дня. Дальнейшие расчеты не представляют сложности. Умножаем полученную производительность на количество вакуумных колб:

15 трубок = 4,8 кВт/час;

20 трубок = 6,5 кВт/час;

Оптимальный расход теплоносителя высчитывается в согласии с средней нормой тепловой энергии для обеспечения потребностей ГВС в день. Для удовлетворения нужд в горячем водоснабжении, на одного человека требуется от 2 до 4 кВт.

Годовая инсоляция одного квадратного метра горизонтальной площадки в разных городах России в мегаваттах

Источник