Солнечное отопление частного дома — что нужно знать?

Обновлено: 16 января 2021

Солнечное отопление

Постоянный рост тарифов и ветхое состояние коммуникаций вынуждают владельцев частных домов активно искать альтернативные способы обогрева. Одним из мощных и неиссякаемых источников является Солнце, ежедневно поставляющее огромное количество киловатт бесплатной энергии. Необходимо установить соответствующее оборудование, и зависимость от поставщиков сетевых ресурсов останется в прошлом.

Солнечная энергия имеется всегда, хоть и зависит от погодных условий или времени суток. Для регионов, где климатические и погодные условия позволяют получать достаточное количество киловатт для обогрева, такой вариант становится оптимальным. Солнечное отопление предоставляет массу возможностей и преимуществ, о которых следует поговорить подробнее.

Устройство и принцип работы

Солнечное отопление частного дома — инновационная технология, о которой пока еще не все имеют четкое представление. Между тем, все возможности для установки и использования соответствующих комплексов имеются практически у любого домовладельца. Необходимость финансовых вложений существует только для приобретения аппаратуры или оборудования, все остальное он получит бесплатно.

Существует два варианта организации солнечного отопления:

Использование солнечных батарей — более затратный метод, требующий присутствия большого количества оборудования. Используются фотоэлектрические элементы, расположенные на открытой площадке под нужным углом для максимально перпендикулярного падения солнечных лучей. Они вырабатывают электрический ток, который накапливается в аккумуляторных батареях, преобразуется в переменный ток со стандартными параметрами, после чего направляется на отопительные приборы.

Отопление от солнечных батарей в частном доме дает массу дополнительных возможностей. Такой способ имеет значительное преимущество —электрический ток, который вырабатывают солнечные батареи, можно использовать не только на обогрев дома, но и на питание любых приборов, на освещение или иные надобности.

Солнечные батареи для дома для отопления, стоимость которых довольно высока, могут оказаться невыгодны с финансовой точки зрения.

Солнечные коллекторы действуют по другому принципу. Они не вырабатывают, а получают от Солнца тепловую энергию, которая нагревает теплоноситель в емкостях или трубках. В принципе, коллектором можно считать любую емкость с водой, выставленную на солнце, но имеются специальные конструкции, способные продемонстрировать наибольшую эффективность. Такой вариант системы значительно проще, дешевле и доступен для самостоятельного изготовления.

Полученное тепло сразу реализуется в повышении температуры теплоносителя, который аккумулируется в накопительной емкости, откуда распределяется по отопительным контурам дома. Оптимальным способом обогрева является использование низкотемпературных систем, таких как теплый пол. Они не нуждаются в сильном нагреве, что соответствует возможностям солнечных коллекторов. В ночное время расходуется теплоноситель, нагретый за день.

Для максимальной солнечных коллекторов эффективности необходимо качественно утеплять накопительную емкость.

Преимущества

Основное преимущество состоит в том, что Солнце — постоянный и неиссякаемый источник, стабильный и полностью предсказуемый. В отличие от ветрогенераторов, которые могут простаивать неделями, солнечная энергия подается в заранее известные временные интервалы. Единственным недостатком является возможность пасмурной или холодной погоды, когда эффективность работы батарей и коллекторов падает. Однако, современные конструкции позволяют получать минимальное количество даже в самых сложных условиях, поэтому при правильном расчете никакие неожиданности системе обогрева не угрожают.

Кроме того, нельзя забывать, что солнечная энергия достается совершенно бесплатно. Если при отоплении дома газовыми или электрическими котлами надо приобретать само оборудование и потом постоянно оплачивать энергию или топливо, то солнечная энергия не оплачивается, что значительно изменяет уровень рентабельности аппаратуры и всей системы в целом.

Однако, не следует забывать, что солнечное отопление частного дома, цена и трудозатраты на монтаж которого нередко становятся основной проблемой, выгодно только в регионах с подходящими климатическими и погодными условиями.

Дополнительным преимуществом является высокая ремонтопригодность системы и возможность наращивания ее производительности. В данном вопросе никаких ограничений нет — сколько установлено панелей или коллекторов, столько энергии и будет получено. Если установленный комплект оказался неспособен к эффективному обогреву дома, его всегда можно усилить добавлением нужного количества оборудования. Это удобно при необходимости перестроить или расширить дом, сделать пристройку и т.д. Необходимости покупать новую систему полностью это не возникает.

Виды отопления

Фотоэлектрические элементы не работают исключительно на обогрев, который является частным случаем их использования, тогда как солнечные коллекторы служат только источниками питания отопительных контуров. Поэтому рассмотрим именно коллекторы, обеспечивающие отопление на солнечных батареях, цена которого значительно ниже, чем у фотоэлектрических элементов.

Существует несколько конструкций солнечных коллекторов:

Эти конструкции обладают разными возможностями и применяются для решения задач, соответствующих их эффективности. Рассмотрим их внимательнее:

Открытые солнечные коллекторы

Открытые конструкции являются наиболее простыми и даже примитивными. Они представляют собой емкости, обычно черные узкие продолговатые пластиковые лотки, наполненные водой. Они ничем не накрыты, вода находится на открытом воздухе (отсюда и название).

Такие конструкции имеют массу недостатков:

• возможность давать положительный эффект только при плюсовых температурах;
• необходим относительно небольшой перепад температур в коллекторе и внешней среде;
• долговечность таких установок низка — как правило, один сезон;
• как следствие вышесказанному — крайне низкий КПД.

Для решения серьезных задач подобные установки использовать невозможно, поэтому они применяются для подогрева воды в открытых или передвижных бассейнах, летнем душе и т.п. однако, есть и достоинства — подобные устройства очень просты. Обогреватель от солнечной батареи легко может быть изготовлен самостоятельно, а в регионах с подходящими климатическими условиями его возможности заметно расширяются.

Трубчатые коллекторные разновидности

Трубчатые вакуумные коллекторы относятся к более серьезным устройствам, способным обогревать жилье или иные помещения. Они состоят из следующих элементов:

• корпус, покрытый черной краской и имеющий форму плоского ящика;
• распределитель (или, как его иногда называют, manifold, манифольд) — трубка с несколькими присоединительными патрубкам по бокам;
• вакуумные трубки, изготовленные из стекла.

Эффективность устройства обеспечивает наличие вакуума, теплопроводность которого практически отсутствует и позволяет исключить потери.

Существует несколько видов трубчатых коллекторов, различающихся по конструкции распределителя и трубок:

1. Коаксиальные трубки прямого нагрева. Подготовка теплоносителя происходит при непосредственном контакте с поглощающей поверхностью
2. Система heat-pipe. Трубки соединяются с распределителем через специальные гнезда и отдают через них нагретый теплоноситель. Конструкция удобна из-за высокой ремонтопригодности.
3. Система U-type. Трубки имеют двойную длину и согнуты пополам. Начало соединено с одним распределителем, а конец — с другим. Такая схема позволяет увеличить время контакта с солнечным теплом, за счет чего повышается эффективность нагрева.
4. Перьевые системы. Представляют собой модификацию системы heat-pipe, накрытую прозрачной пластиной с вакуумом под ней. Дают повышенную эффективность, но имеют высокую цену и низкую ремонтопригодность.

Монтаж трубчатых коллекторов, как правило, производят на кровлю дома.

Плоские закрытые системы

Солнечное отопление дома с помощью плоских систем позволяет получить высокую эффективность при относительно низких затратах. Конструкция базируется на специальной утепленной металлической пластине с поглощающим покрытием, которая называется адсорбер. На пластину зигзагами напаяна трубка с теплоносителем. Лицевая сторона накрыта прозрачной крышкой, из-под которой выкачан воздух. Солнечный обогреватель такого типа способен работать даже при отрицательных температурах. Это позволяет обеспечивать отопление дома солнечными батареями зимой, отзывы пользователей позволяют делать достаточно оптимистичные прогнозы о будущем такого способа обогрева.

Существуют более простые виды плоских коллекторов, где не имеется вакуума. Они менее эффективны, но стоимость и ремонтопригодность значительно выше. Отопление на солнечных батареях плоского типа безвакуумной конструкции обойдется значительно дешевле, а возможность восстановления панелей увеличивает срок их службы.

Выбор солнечного коллектора и его монтаж

Перед домовладельцем, решившим создать солнечное отопление частного дома своими руками, встает задача выбрать наиболее подходящий тип коллектора. Этот вопрос достаточно сложен, но разобраться в нем необходимо.

Открытые коллекторы не подойдут из-за низких возможностей, поэтому о них нет смысла говорить. Обычно выбор производится между трубчатыми и плоскими видами. Первым и самым значимым критерием выбора обычно становится соотношение цены и качества изделий.

Такой подход оправдан, но нельзя не учитывать ремонтопригодность. Так, вакуумные трубки можно менять далеко не во всех видах коллекторов, что делает выбор рискованным. При выходе из строя одной из них у некоторых видов коллекторов придется менять всю панель, что потребует расходов. Вообще, все вакуумные устройства — довольно рискованное приобретение, так как любое механическое воздействие грозит потерей источника тепловой энергии.

Выбрав оптимальный вариант, приступают к монтажу. Для него надо выбрать подходящую площадку, расположенную неподалеку от дома. Это важно, поскольку транспортировка теплоносителя на большие расстояния потребует качественного утепления и установки циркуляционного насоса. Обычно коллекторы устанавливают на крышу, чтобы получить возможность циркуляции самотеком. Единственной проблемой становится расположение скатов относительно положения солнца на небе — иногда приходится устанавливать трекинг-систему для поворота панелей. Это дорого и требует использования гибких трубок, но эффект в результате получается значительно выше.

Схемы подключения к системе отопления

Солнечное отопление своими руками необходимо окончательно реализовать, подключив его к отопительной системе. Оптимальным способом станет использование теплого пола, температура теплоносителя для которого не превышает 55 градусов. Рассмотрим схемы подключения, обеспечивающие обогрев дома солнечной энергией:

С водяным коллектором

Водяные коллекторы непосредственно подключаются к отопительному контуру дома. Существует два варианта присоединения: летний и зимний.

Летний вариант, как правило, используется для подачи нагретой воды в душ или для иных надобностей, поскольку обогрев дома летом не нужен. Схема самая простая — коллектор устанавливается на открытой площадке, вода, нагреваясь, поднимается в накопительный бак, установленный уровнем выше. По мере разбора, емкость пустеет, поэтому в нее постоянно подается подпитка, поступающая в коллектор и получающая в нем тепловую энергию. Этот способ несложен и может быть без проблем реализован своими руками.

Зимний вариант сложнее. Коллектор, установленный на открытой площадке, подает нагретый теплоноситель (рекомендуется использовать антифриз) в змеевик теплообменника. Он представляет собой вертикально установленную емкость со змеевиком внутри. Возникает две петли — в одной циркулирует антифриз (по кругу коллектор-теплообменник), в другой циркулирует теплоноситель (из теплообменника в отопительный контур и обратно). Циркуляцию антифриза необходимо обеспечить с помощью циркуляционного насоса, иначе система работать не будет. Циркуляцию теплоносителя можно организовать как естественным способом, так и принудительно, с помощью насоса. Оптимальный вариант отопительного контура — система теплого пола, позволяющая получить максимальный эффект как в дневное, так и в ночное время суток.

С солнечной батареей

Отопление от солнца своими руками, созданное на базе солнечных батарей, осуществляется путем установки электрического нагревателя. В данном случае фотоэлектрические элементы лишь обеспечивают питание ТЭНов, установленных в электробойлере, не имея непосредственного отношения к отопительному контуру.

Система отопления и солнечные батареи со всем комплексом аппаратуры монтируются отдельно. Способ соединения выбирается произвольно, исходя из особенностей обеих систем. Подключение бойлера, насоса и прочих устройств выполняется обычным способом, никаких специфических требование не имеется.

Отопление частного дома солнечными батареями

Ускоренное развитие альтернативной энергетики обычно связывают с заботой о состоянии окружающей среды. Однако у возобновляемых источников энергии – прежде всего таких, как солнечные электростанции – есть и другое важная роль. За пределами городов, особенно в местностях с нестабильной работой или отсутствием электросетей, теоретически возможно организовать даже отопление от солнечных батарей.

Насколько реально отопление частного дома солнечными батареями?

Такой способ отопления дорогой и неэффективный, для решения задачи потребуется отопительная система и автономный постоянный источник энергии для неё. В качестве первой можно использовать:

• электрокотел и набор батарей с циркулирующей по замкнутому трубному контуру жидкостью (водой или специальным составом);
• «теплые полы»;
• классические навесные обогреватели;
• инфракрасные настенные, напольные либо плинтусные керамические панели.

Важно! Следует отметить, что для максимальной экономии наиболее эффективно применять метод независимой терморегуляции для каждого помещения отдельно.

Солнечные батареи для отопления частного дома – расчет мощности потребления и сравнительная таблица.

Рассмотрим относительно небольшой трехкомнатный частный дом площадью 85м2. Отапливать понадобится:

• спальню и гостиную по 20м2 – 1,0 кВт на каждую;
• детскую 15 м2 – 0,75 кВт; • кухню 10 м2 – 0,5 кВт;
• коридор 10 м2 – 0,35 кВт;
• ванную комнату и туалет 5+5м2 – 0,35 кВт.

Итого: 1,0 + 1,0 + 0,75 + 0,5 + 0,35 + 0,35 = 3,95 кВт, или приблизительно 4 кВт.

В зависимости от выбранного варианта отопительной системы суточная потребляемая мощность составит:

	Время работы в сутки (ч)	Суточный расход энергии (кВт*ч)
Электрокотел и водяной контур	14-16	56-64
«Теплый пол»	12-14	48-52
Тепловые конвекторы	12-14	48-52
Керамические ИК – панели	7-10	32-40

Отопление с помощью солнечных батарей – расчет требуемой мощности СЭС в зависимости от региона.

Рассчитывая обеспечения такого количества энергии автономной СЭС необходимо учесть, что генерация солнечных панелей минимальна именно в зимние месяцы. Для наглядности продемонстрируем помесячный график выработки станцией мощностью 1 кВт в большинстве регионов средней полосы России.

График производительности солнечных батарей:

По регионам России видим следующие данные по инсоляции— интенсивности облучения поверхностей солнечным светом (солнечной радиацией).

Таким образом, примерно на 15-20% ниже генерация будет на северо-западе, на 15-20% выше – в южных регионах. Следовательно, даже при самом оптимальном варианте для отопления загородного дома средних размеров понадобится автономная станция мощностью от 30-40 кВт.

Отопление солнечными батареями – оборудование и его стоимость.

Для полностью независимой СЭС такой производительности потребуется закупить следующий комплект оборудования:

Примерная комплектация автономной солнечной электростанции на 30 кВт, базовый вариант с качественным оборудованием.

Оборудование, тип и количество	Цена за единицу	Сумма
Солнечные панели: Delta BST 300-24M PERC (монокристаллические, Tier1) — 100 шт.	130$	13000$
Многофункциональный инвертор: Schneider Electric Conext XW+8548 — 1 шт.	3100$	3100 $
Панель управления: XW SCP — 1 шт.	350$	350$
Контроллер заряда: Schneider Electric XW MPPT 80-600 — 6шт.	1800$	10800$
Аккумуляторные батареи: DELTA GEL 12-200 — 24 шт.	460$	11040$
Кабель солнечный: «PV cable» 6 мм2 — 200 м.	1.1$	220$
Система защиты: автоматы защиты, плавкие вставки, УЗИПы, электрические щитки, кабели, периферия — 1 комплект.	800$	800$
	ОБЩАЯ СУММА:	39310$

В базовую комплектацию могут быть внесены изменения – например, выбраны более или менее мощные панели, оборудование других производителей и т.д. К стоимости комплекта солнечных батарей для отопления дома необходимо добавить расходы на монтажные и пуско-наладку, составляющие 10-15% от стоимости. Также стоит прибавить стоимость металлоконструкций для крепления солнечных батарей и стеллажи для АКБ. В итоге полностью автономная станция обойдется примерно в 45 000 долларов. Причем более трети расходов уйдет на накопители дневной генерации, для возможности обогрева частного дома и ночью.

Место под солнечную электростанцию – как и где устанавливать?

Если Вы твердо приняли решение приобрести СЭС такой мощности, необходимо будет выделить место для её установки. Для этого потребуется немалая площадь, поскольку каждая панель займет около 1,3-2м2 при установке «впритык» на кровле дома и на земле. Если приходится размещать модули в не только рядов на земле и плоской кровле (с минимальным уклоном), есть правило — при установке панелей под углом, между рядами панелей необходимо делать отступ, чтобы тень от передних рядов не падала на задние, в таком случае, необходимая площадь для установки будет больше в 2-5 раз. Длина отступа зависит от длины и угла наклона панелей.

Сколько нужно солнечных батарей для отопления?

Проведем расчет требуемого количества, а также пространства на установку СЭС на 30кВт, исходя из мощности выбранных панелей.

Мощность панели, Ватт	Количество панелей для СЭС 30кВт, шт.	Монтаж впритык, м2	Монтаж с отступом, м2
200	150	200	400-1000
250	120	200	400-1000
300	100	160	320-800
380	79	160	320-800
450	67	150	300-750

Очевидно, что даже для фотоэлектрических модулей на 450 Вт каждый, места на крыше с южной стороны, у типового дома, наверняка не хватит. Следовательно, панели можно будет установить только возле дома, на участке с минимальной площадью примерно от 150 квадратных метров.

В этом случае основная конструкция примет примерно такой вид:

Интеграция СЭС в общее электроснабжение дома и другие возможные варианты установок

Но даже если купить солнечные батареи для отопления в таком количестве хватит денег, что делать с выработкой весной, летом и осенью? Ведь генерация СЭС на 30 кВт составляет в такие месяцы 100-180 кВт*ч в сутки, тогда как для полного потребления дома в это время достаточно 25 кВт*ч.

Даже такой объем позволит снабжать энергией следующий примерный набор устройств:

Электроприборы	Мощность, Вт	Количество	Время применения (часов в сутки)	Потребление (кВт*ч в сутки)
Внутреннее и внешнее освещение	10	20	5	1
Зарядки для телефонов	5	2	1	0,01
Телевизоры	80	2	3	0,48
Компьютеры и ноутбуки	150	2	12	3,6
Фен	1000	1	0,5	0,5
Холодильник	50	1	24	1,2
Электрочайник	2000	1	0,2	0,4
Микроволновая печка	800	1	0,3	0,24
Электроплита	2000	1	3	6
Электрокотел для подогрева воды	2500	1	2	5
Кондиционер	800	1	3	2,4
Стиральная машина	1500	1	2	3
ИТОГО:	23,83

Куда использовать остальные 40-100 кВт? И существует ли вариант «сброса» излишков в централизованную сеть? Рассмотрим эти вопросы подробно.

Основным недостатком солнечной станции, установленной исключительно для автономного отопления дома солнечными батареями в зимний период, является её неэффективное использование. Ведь в остальное время года, когда ежемесячная генерация намного выше, будет много излишек электроэнергии. В этом нет ничего критичного для оборудования, оно само снизит генерацию и ничего с этим делать не нужно. Вопрос в другом, куда можно потратить эту лишнюю энергию во благо?

Ситуацию могла бы исправить установка не полностью автономной, а гибридной или сетевой версии, при условии наличия стабильной центральной электросети. Но и это не панацея, ведь, при ныне действующем российском законодательстве, такие варианты не дадут быструю окупаемость.

Более того мы рассчитали станцию на 30кВт, а продавать энергию в централизованную сеть на договорных условиях для частных станций мощностью более 15 кВт запрещено, нужно будет ограничивать продажу (в настройках системы) до 15кВт. Сетевая или гибридная модификация меньшей мощности может помочь решить вопрос, но излишки пришлось бы реализовывать по оптовой цене для региона – т.е. в среднем по 2 руб. за 1 кВт*ч. Учитывая стоимость оборудования, затраченную на СЭС для отопления солнечными батареями, подобный выход (при наличии стабильной центральной сети), финансово абсолютно нецелесообразен.

Интеграция СЭС в существующие системы отопления

Последний, вполне приемлемый вариант – использовать солнечные панели для обеспечения электроэнергией отдельных элементов уже существующих отопительных систем дома.

1. Газовый и твердотопливный котлы. В таких отопительных системах необходимо снабжать электроэнергией только двухконтурный котел (или насос, если он технически не интегрирован в котел). Его потребление – не более 60-100 Вт/час, или 0,1 х 24 = 2,4 кВт*ч/сутки. В этом случае достаточно будет электростанции на 2,5-3 кВт, стоимостью не более $2500-3000 из 8-10 панелей, которые поместятся на любой крыше. А в летнее время года, такой системы будет достаточно чтобы снабжать электричеством весь дом. 2.
2. Тепловые насосы. Следующий способ отопления солнечными батареями – обеспечить э/э тепловые насосы. Для частного дома площадью 80м2 расчет потребления электроэнергии при таком виде отопления довольно сложный и зависит от многих субъективных факторов. Для тепловых насосов необходимой мощности может понадобится СЭС мощнее, чем для газового отопления той же площади – на 5-8 кВт.

Заключение

Приведенные расчеты и соображения позволяют сделать следующие выводы.

1. Установка для отопления в частном доме полностью автономной солнечной электростанции вполне возможна. Однако стоимость её составит около $ 45 000, а для размещения оборудования понадобится от 150 квадратных метров площади.
2. Наиболее выгодным вариантом представляется интеграция «солнечного» отопления в общее энергоснабжение дома и/или вспомогательное снабжение энергией отдельных элементов уже существующие системы обогрева. Это позволит использовать станцию для отопления дома солнечными батареями максимально рационально. А заодно на порядок уменьшить её стоимость, мощность и площадь для монтажа.
3. Главным преимуществом монтажа фотоэлектрической системы является е абсолютная независимость от внешних источников. Именно поэтому в отдаленных регионах России (например, Якутии) такие СЭС представляют собой не только выгодный, но и наиболее надежный способ получения электроэнергии.