Солнечные коллекторы для отопления: какой лучше

• Плоские коллекторы
• Трубчатые гелионагреватели
• Теплоноситель в коллекторах
• Воздушные коллекторы
• Какой лучше
• Итоги

Солнечные коллекторы — системы сбора тепла, поступающего от солнца. Именно эти устройства удобнее использовать для водяного отопления:  в них нагревается теплоноситель. Затем он может подаваться в систему отопления (лучше — в теплый пол)  или горячего водоснабжения.  

Конструктивно любая установка состоит из самой солнечной панели и резервуара для нагретой воды (баки бывают с теплообменником при использовании в качестве теплоносителя антифриза). В местностях с небольшим количеством солнечных дней в бак для воды может быть установлен резервный нагреватель. Чаще всего это ТЭН. Но нужно помнить, что подключать второй источник нужно не параллельно, а последовательно. Только тогда он будет работать лишь в том случае, если солнечной энергии для нагрева до заданных температур не хватает.  В этом случае система будет экономно расходовать платные источники энергии.

Принципиальная схема отопления дома с солнечными коллекторами

По строению солнечные коллекторы для отопления бывают:

• плоские;
• трубчатые;
• воздушные.

Есть еще коллекторы концентраторы, но это уже системы промышленного типа, состоящие из множества параболических зеркал, установленных на подвижных опорах. Положение зеркал регулируется системой слежения, которая дает команды сервомоторам, изменяющим положение зеркал вслед за движением солнца. Такие системы способны нагревать теплоноситель до 120-250oC, но крайне сложны и дороги. Для бытового отопления подходят мало.

Плоские коллекторы

Плоские гелиоколлекторы — это металлическая рама, на которой, если смотреть снизу-вверх, закреплены:

Схема плоского коллектора

• пластина корпуса;
• слой термоизоляции;
• светоотражающий слой (присутствует не во всех моделях) ;
• пластина теплосборника (теплопоглотителя или еще называют адсорбирующая пластина), к которой припаяны теплообменные трубки;
• прозрачная светопропускающая крышка (закаленное стекло с 95% коэффициентом пропускания света или не менее прозрачный поликарбонат).

Также на корпусе имеется выпускной и впускной патрубок — через них циркулирует теплоноситель.

Есть модели открытые — без крышки. Единственное их достоинство — низкая цена, но они очень неэффективны и совершенно неработоспособны при отрицательных температурах. Из-за того, что крышки нет, абсорбционное покрытие быстро разрушается, так что служат открытые коллекторы несколько сезонов, а из-за своих особенностей могут использоваться для подогрева воды в бассейне или в душе. Для отопления они бесполезны.

Внешний вид плоского коллектора

Принцип работы плоского солнечного коллектора следующий: солнечные лучи почти полностью проходят через верхнее защитное стекло. От этих лучей нагревается теплопоглотитель. Тепло, понятное дело излучается, но наружу почти не выходит: прозрачное для солнечных лучей стекло, тепло не пропускает (позиция «в» на диаграммах). Получается, что тепловая энергия не рассеивается, а сохраняется внутри панели. От этого тепла нагреваются теплообменные трубки, а от них тепло передается циркулирующему по ним теплоносителю.

Правила расположения плоских коллекторов

Коллекторы этого типа должны располагаться под углом 90o по отношению к падающим лучам света. Чем точнее выставлен этот угол, тем больше тепла собирает система. Понятно, что на неподвижной крыше постоянно выдерживать этот угол нереально, но расположить панель нужно так, чтобы на нее как можно больше времени падал свет. Есть довольно дорогие устройства, которые изменяют положение панели по отношению к солнцу, поддерживая оптимальный угол падения солнечных лучей. Они называются системами слежения.

Гелиоустановки показывают большую эффективность, если лучи солнца падают под прямым углом

От чего зависит цена

Цена плоского коллектора во многом зависит от использованных материалов. Так корпус может быть алюминиевый или из оцинкованной стали. Корпус из алюминия предпочтительнее, но стоит дороже. Бывают еще корпуса из полимера. Они характеризуются высокой прочностью и надежностью.

Большое влияние на эффективность оказывают  теплообменные трубки и материал пластины-теплосборника. Они бывают алюминиевыми (такие панели стоят дешевле) и медными. Медные более дорогие, но и более долговечные, также они имеют более высокий КПД. Для России, даже для южных ее регионов,  использовать желательно именно их. Так как инсоляция даже на юге редко бывает чрезмерной, скорее ее не всегда хватает для отопления.

Цена на плоский коллектор зависит от материалов, из которых он сделан

Важно также покрытие пластины теплосборника: чем ближе к абсолютному черному цвету оно будет, тем меньше отразится лучей и больше получится в результате тепла. Потому технологи постоянно работают над усовершенствованием этого покрытия. В первых моделях это была обычная черная краска, сегодня же  — напыление черного никеля.

Пластиковые коллекторы

В отдельный вид можно выделить пластиковые солнечные коллекторы. В простейшем варианте это две панели из поликарбоната, которые закреплены на раме из алюминия. Между ними наварены или наплавлены ребра, создающие в панели лабиринт для тока воды. В верхней части панели расположено впускное отверстие, в нижней — выпускное. В верхнее заливается холодная вода, которая, проходя по лабиринту, нагревается и выходит с более высокой температурой через нижнее. Система применяется для нагрева воды в летний период. Из-за малого гидравлического сопротивления очень хорошо функционирует в самотечной системе. Такой вид солнечного водонагревателя — идеальный вариант снабжения горячей водой дачи в огородный сезон.

Пластиковые коллекторы служат для нагрева воды. Отличный вариант для летнего домика или дачи

Но иногда пластиковыми солнечными коллекторами называют полноценные коллекторы для отопления. Просто в них верхняя крышка выполнена не из стекла, а из того же поликарбоната или другого пластика, хорошо пропускающего солнечные лучи. Такие модели меньше подвержены риску: пластики более прочные, чем стекло (даже закаленное).

Трубчатые гелионагреватели

В системах нагрева одна из первостепенных задач — обеспечить сохранность тепла и не допустить его потерь. Для этого используются разные утеплители и среды, предупреждающие рассеивание тепловой энергии. Самый эффективный теплоизолятор — вакуум. Этот принцип и использован в трубчатых или, как их еще называют, вакуумных солнечных коллекторах. Но вакуумные гелиоколлекторы могут быть четырех модификаций. Они имеют разный тип стеклянной трубки и разные тепловые каналы.

Так выглядят трубчатые гелиоустановки

Типы трубок

Сегодня в основном используются два типа трубок: коаксиальная (труба в трубе) или перьевая. Коаксиальная трубка по строению напоминает термос: две колбы герметично спаяны между собой одним из концов, между стенками — разреженное пространство — вакуум. На стенку второй колбы нанесен поглощающий слой. В нем солнечные лучи преобразуются в тепловую энергию. Внутренняя стенка колбы нагревается, от нее нагревается воздух внутри колбы, а от него в свою очередь нагревается теплоноситель, который циркулирует по тепловому каналу. Из-за сложной системы передачи тепла нагреватели с такими трубками имеют не очень высокий КПД.  Но используются они чаще. По тому причине, что работать могут в любое время, даже в сильные морозы и имеют небольшие теплопотери (из-за вакуума), что улучшает их эффективность.

Коаксиальная трубка

Перьевая трубка — это всего одна колба, но с большей толщиной стенки. Внутрь вставляют тепловой канал, который для улучшения теплоотдачи снабжают плоской или чуть извилистой пластиной из адсорбирующего материала.  После чего трубка вакуумируется. Этот тип имеет более высокий КПД, но стоит намного дороже коаксиальных. К тому же более сложная замена при выходе трубки из строя.

Перьевая трубка — внутри пластина, напоминающая перо

Виды тепловых каналов

Сегодня распространены два типа тепловых каналов:

• Heat-pipe
• U-type или прямоточный канал.

Схема работы теплового канала Heat-pipe

Система Heat-pipe — это полая трубка с массивным наконечником на одном конце. Это наконечник изготовлен из материала с хорошей теплоотдачей (чаще всего медь). Наконечники соединяются в единую шину — манифолд (manifold). Их тепло отбирает циркулирующий через манифолд теплоноситель. Причем циркуляция теплоносителя может быть организована по одной или двум трубам.

Внутри трубки находится легко кипящее вещество. Пока температура невысокая, оно находится в жидком состоянии в нижней части теплового канала. По мере нагрева начинается его кипение, часть вещества переходит в газообразное состояние, поднимается вверх. Разогретый газ отдает тепло металлу массивного наконечника, охлаждается, переходит в жидкое состояние и по стенке стекает вниз. Затем он снова нагревается и т.д.

В трубчатых коллекторах с прямоточным каналом используется более привычная схема теплообмена: имеется U-образная трубка, по которой движется теплоноситель. Проходя по ней, он нагревается.

Теплообменники U-типа показывают лучшую производительность, но их главный недостаток — они являются неделимой частью системы. И при повреждении одной трубки в солнечной панели менять придется всю ее полностью.

Теплообменники Heat-pipe типа  менее эффективны, но используются намного чаще из-за того, что система получается модульной и любая поврежденная трубка меняется очень просто. Просто из манифолда достается одна, на ее место ставится другая. Как это происходит, вы можете увидеть в видео. Как ни странно, но так собирается вакуумная трубка для солнечных коллекторов. И противоречия тут нет. Просто использована коаксиальная колба и вакуум находится между ее стенками, а не вокруг теплового канала.

Отдельным видом солнечных трубчатых коллекторов являются установки прямого нагрева. Их еще называют «мокрой трубкой». В этой конструкции между двумя колбами циркулирует вода, она и нагревается от их стенок, затем поступает в резервуар. Эти установки просты и дешевы, но не могут работать под повышенным давлением или при отрицательных температурах (вода замерзает и разрывает колбы). Этот вариант для отопления непригоден, можно использовать для нагрева воды в теплый сезон.

Теплоноситель в коллекторах

По внутренним теплообменным трубкам может циркулировать как вода, так и антифриз. Использовать воду можно в регионах, в которых минусовых температур не бывает или предполагается эксплуатация системы исключительно в теплое время года (на дачах, например). Но при сезонном использовании перед консервацией на зиму с панелей необходимо слить всю воду. Во всех остальных случаях и регионах требуется заливка антифриза или его водного раствора (зависит от минимальных температур в регионе).

Нужно помнить, что при использовании антифриза в баке-аккумуляторе будет находиться змеевик, а циркуляция теплоносителя будет обеспечиваться насосом. Такая система называется «замкнутой»: по гелиосистеме движется теплоноситель по замкнутому контуру.

Если через коллектор протекает антифриз, в баке стоит теплообменник

Многих пугает зависимость от наличия электричества. Стоит сказать, что есть модели плоских солнечных коллекторов с естественной циркуляцией. Их КПД ниже из-за меньшей скорости продвижения теплоносителя, но они вполне работоспособны. Правда, для организации полноценного отопления потребуются значительные площади.

Для тех, кого не устраивает снижение эффективности, есть другой выход: обеспечение резервного питания. В самом простом варианте это источник бесперебойного питания с несколькими автомобильными аккумуляторами. Это даст несколько часов работы без электричества в сети. Для  более продолжительной работы потребуется  уже генератор. Есть и третий вариант: насосы, работающие от солнечной энергии. Но они пока редкость. И четвертый способ: поставить солнечную батарею и аккумуляторы, которые и будут резервным источником питания.

При использовании воды в качестве теплоносителя, она из накопительного бака поступает на гелиоколлектор, где нагревается. Нагретая возвращается в резервуар, и затем напрямую идет в систему отопления и горячего водоснабжения. Так как из системы вода расходуется, то она называется «открытой». Вода при такой системе безопасна в бактериальном и биологическом плане: в теплообменных трубках она нагревается до высоких температур, так что погибают все микробы.

Воздушные коллекторы

Не всегда есть возможность или желание устраивать полноценную систему отопления, частью которой являются все гелиосистемы, о которых речь шла выше. Но сэкономить на отоплении помещения можно без устройства системы. И помогут в этом воздушные коллекторы. Полностью заменить традиционное отопление они не в состоянии, но снизить расходы могут.

Принцип отопления воздушными конвекторами

В самом простом случае воздушный солнечный коллектор — это две пластины, между которыми устроен лабиринт, по которому проходит воздух. Наружная пластина имеет отверстия (перфорацию) в которые проходит холодный воздух. Проходя по лабиринту, он нагревается и затем через отверстие в стене дома попадает внутрь. Работать система может с использованием вентилятора (принудительная циркуляция) или без него. Все зависит от конфигурации.

Устанавливается такой солнечный нагреватель воздуха чаще на южной стене (возможна естественная циркуляция за счет восходящих потоков теплого воздуха), но можно сделать и на крыше (с вентилятором).

Еще один вариант отопления с использованием воздушного гелиоколлектора

Сильного нагрева вы в таких устройствах не получите: КПД у них совсем небольшой, но до 30-45oCв прохладные дни или до 50oC в жаркие дни воздух нагреть можно. Только для получения хорошего эффекта воздушные коллекторы должны иметь более чем приличные размеры. Для увеличения КПД вторую стенку делают из теплопоглощающего материала, который используется в плоских коллекторах. Также заднюю стенку утепляют, предупреждая рассеивание тепла. Но эффективность все равно остается низкой: воздух в 4000 раз менее теплоемкий по сравнению с водой.

Какой лучше

Плоские коллекторы применимы в областях с большим количеством солнечных дней и небольшими перепадами ночных температур. Они малоэффективны в облачную или ветреную погоду: велики потери тепла с большой поверхности. Хоть современные плоские гелиоколлекторы и стараются делать герметичными, а некоторые даже вакуумируют, но при отрицательных температурах все равно более эффективными остаются трубчатые солнечные нагреватели.

Самые популярные трубки в разрезе выглядят так

Трубчатые установки имеют более низкую производительность. Но потери тепла при этом небольшие. Плюсом является также их способности улавливать рассеянный солнечный свет, а даже некоторые другие части спектра солнечного света: они немного греются даже ночью. В результате для северных регионов они оказываются более эффективными. Ведь греют даже ночью, не говоря уже о пасмурном дне. Потому однозначно: для центральных, и, тем более, северных регионов, солнечные коллекторы для отопления дома выбирайте только трубчатые. А вот которые — это решайте сами.

Самые эффективные солнечные коллекторы для отопления дома — с перьевой трубкой и U-образным тепловым каналом. Но они — самые дорогие, и ремонту не подлежат. Меняется только вся панель целиком.

Эта трубка более эффективна, но если хоть одна в панели повреждена, приходится менять всю панель

Чуть хуже по эффективности те же перьевые трубки, но  с системой Heat-pipe. Но они все еще дороги, и при выходе из строя нагревателя придется менять трубку целиком, а это недешево.

Итоги

Самые популярные коаксиальные трубки теплообменником Heat-pipe: они стоят меньше, просто меняются, да еще и могут быть отремонтированы. Если повредился теплообменник, его просто достают, устанавливают новый, и трубка после сборки (пара движение) снова готова к работе. Аналогично поступают при повреждении колбы: меняют только ее. В общем, хоть и не самая производительная система (все другие типы имеют большие КПД), но самая ремонтопригодная.