Как сделать плоский солнечный коллектор для отопления

Использование бесплатной энергии солнца – хороший метод сэкономить топливо и электричество, расходуемое на отопление частного дома. Массовому применению гелиосистем мешает высокая цена теплоприемников и сопутствующего оборудования – накопительного бака, циркуляционного насоса, электронного блока управления и прочей арматуры. Единственный способ снизить затраты – сделать солнечный коллектор своими руками из недорогих материалов и собрать стандартную схему обвязки.

Принцип работы солнечных нагревателей

Прежде чем браться за изготовление самодельной гелиосистемы, стоит изучить устройство солнечных коллекторов заводского изготовления – воздушных и водяных. Первые используются для прямого отопления помещений, вторые применяются в качестве нагревателей воды либо незамерзающего теплоносителя — антифриза.

Справка. Воздушные установки не слишком популярны из-за ограниченной функциональности. Водонагревательные гелиоколлекторы более востребованы, поскольку могут обеспечивать работу отопления, ГВС, поднимать температуру в открытых бассейнах.

Главный элемент гелиосистемы – сам солнечный коллектор, предлагаемый в 3 вариантах исполнения:

1. Плоский водяной нагреватель. Представляет собой герметичный короб, утепленный снизу. Внутри расположен тепловой приемник (абсорбер) из металлического листа, на котором закреплен медный змеевик. Сверху элемент закрыт прочным стеклом.
2. Конструкция воздухонагревательного коллектора аналогична предыдущему варианту, только по трубкам вместо теплоносителя циркулирует воздух, нагнетаемый вентилятором.
3. Устройство трубчатого вакуумного коллектора кардинально отличается от плоских моделей. Аппарат состоит из прочных стеклянных колб, куда помещены медные трубки. Их концы подсоединяются к 2 магистралям – подающей и обратной, воздух из колб откачан.

Дополнение. Существует и другая разновидность вакуумных водяных нагревателей, где стеклянные колбы наглухо запаяны и наполнены специальным веществом, испаряющимся при невысокой температуре. При испарении газ поглощает большое количество теплоты, передаваемое воде. В процессе теплообмена вещество снова конденсируется и стекает на дно колбы, как показано на картинке.

Устройство вакуумной трубки прямого нагрева (слева) и колбы, работающей за счет испарения / конденсации жидкости

Перечисленные типы коллекторов используют принцип прямой передачи теплоты солнечного облучения (иначе – инсоляции) протекающей жидкости или воздуху. Плоский водонагреватель работает так:

1. Через медный теплообменник со скоростью 0.3—0.8 м/с движется вода либо антифриз, прокачиваемый циркуляционным насосом (хотя бывают и самотечные модели для уличного душа).
2. Лучи солнца разогревают абсорбирующий лист и плотно соединенную с ним трубу змеевика. Температура протекающего теплоносителя поднимается на 15—80 градусов в зависимости от сезона, времени суток и уличной погоды.
3. Чтобы исключить тепловые потери, дно и боковые поверхности корпуса утеплены пенополиуретаном либо экструзионным пенополистиролом.
4. Прозрачное верхнее стекло выполняет 3 функции: защищает селективное покрытие абсорбера, не позволяет ветру обдувать змеевик и создает герметичную воздушную прослойку, удерживающую тепло.
5. Горячий теплоноситель поступает в теплообменник накопительного бака – буферной емкости или бойлера косвенного нагрева.

Поскольку температура воды в контуре аппарата колеблется вместе с изменением времен года и суток, солнечный коллектор не может использоваться для отопления и ГВС напрямую. Полученная от солнца энергия передается основному теплоносителю через змеевик бака — аккумулятора (бойлера).

Исключение – гелиоустановки для бассейнов, нагревающие воду резервуара напрямую либо через простой теплообменник.

Эффективность трубчатых аппаратов повышена за счет вакуума и внутренней отражающей стенки в каждой колбе. Лучи солнца свободно проходят сквозь безвоздушную прослойку и греют медную трубку с антифризом, но тепло не может преодолеть вакуум и выйти наружу, поэтому потери минимальны. Другая часть излучения попадает в отражатель и фокусируется на водяной магистрали. По заверениям производителей, КПД установки достигает 80%.

Когда вода в баке нагрета до нужной температуры, солнечные теплообменники переключаются на бассейн с помощью трехходового клапана

Изготавливаем водяной коллектор

Водонагреватель вакуумного типа сделать в домашних условиях не выйдет по понятным причинам. Поэтому беремся за плоскую конструкцию с теплообменником и собирающим солнечные лучи абсорбером. В идеале нужно рассчитать площадь приемника и температуру воды на выходе, зависящую от многих факторов:

• регион проживания и уровень инсоляции;
• температура окружающей среды, особенно в зимний период;
• площадь теплообменной поверхности, воспринимающей облучение солнцем;
• материал и покрытие змеевика;
• температура теплоносителя на входе;
• угол наклона панели по отношению к солнечным лучам;
• скорость течения воды по трубам теплообменника.

В интернете нетрудно отыскать расчеты производительности солнечного коллектора, но предупреждаем — вычисления весьма неточные.

Пример. За основу принимается факт: в ясный день на 1 м² поверхности попадает 500—800 Вт энергии солнца. Дальше по школьной формуле m = Q / 1.163 х Δt определяем массу воды, нагретую на 40 °С теплообменником 1 м²: 500 / 1,163 х 40 = 10.7 литра в час. При инсоляции 800 Вт/м² удастся нагреть 17.2 л/ч. Но дьявол кроется в деталях: изначальный показатель 0.5—0.8 кВт на квадратный метр – цифра очень приблизительная.

Приемник тепла из ПНД труб (слева) и бухт садового шланга, помещенных внутрь оконных рам (справа)

Мы предлагаем упрощенный подход к вопросу, изложенный в пошаговой инструкции:

1. Определите место и площадь, которую вы готовы отдать под коллектор.
2. Ориентируясь по ценам на материалы, выберите подходящий вариант для сборки змеевика и корпуса.
3. Изготовьте опытный образец, подключите к отоплению либо водоснабжению по правильной схеме. Способы обвязки мы покажем в следующих разделах данной статьи.
4. Испытайте греющий контур в домашних условиях и сделайте дальнейшие выводы о наращивании / уменьшении мощности, изменении конструкции и так далее.

Теперь пройдем каждый этап по отдельности, заостряя внимание на подводных камнях.

Размещение тепловой установки

Собственно, вариантов расположения самодельного коллектора всего два: на крыше здания либо открытой площадке придомового участка. Выбирая место, соблюдайте простые правила:

1. Площадка должна быть максимально освещена в течение дня, не затеняться деревьями и другими хозяйственными постройками.
2. При установке на крышу выбирается более пологий скат, куда всегда попадает солнечное излучение. Понятно, что крутая часть ломаной мансардной кровли не подойдет.
3. Водогрейную установку, предназначенную для отопления либо горячего водоснабжения, не относите далеко от жилища. Увеличится длина подающих трубопроводов, теплопотери и стоимость монтажа.
4. Наземный коллектор ориентируйте таким образом, чтобы солнце, визуально движущееся с востока на запад, постоянно освещало теплоприемник. Угол установки панели – 60±15°.

Примечание. Эффективность греющего элемента можно повысить с помощью параболического солнечного концентратора, собирающего лучи в единый пучок, который направляется на абсорбер. Конструкция и способы сборки вогнутого зеркала показаны на видео.

Солнечные установки, рассчитанные на подогрев воды в летнем душе, располагаются на крыше этого строения и присоединяются по самотечной схеме. Устройства для нагрева бассейнов размещаются рядом с чашей резервуара.

Выбор материалов

Подборку комплектующих для изготовления солнечных водонагревателей своими руками мы сделали на основании отзывов и тем, обсуждаемых на популярном форуме Forumhouse. Итак, прямоугольный короб приемника обычно делается из деревянного бруса либо готовых рам старых окон. Задняя стенка корпуса утепляется базальтовой ватой, пенопластом или экструдированным пенополистиролом.

Совет. Дно короба можно сделать из фольгированного полимерного утеплителя. Металлический слой послужит абсорбером – ставить дополнительный лист не придется.

Теплообменники домашние умельцы изготавливают из разнообразных труб:

• полиэтиленовые черные (ПНД);
• гофрированная нержавейка;
• медные и алюминиевые;
• полипропилен и металлопластик;
• сшитый полиэтилен;
• панельные стальные радиаторы.

Примеры самодельных теплоприемников из медных и стальных профильных труб

С точки зрения эффективности и долговечности лучше применять трубки из алюминия, меди и нержавеющей стали, обладающие наилучшей теплопроводностью. Недостаток материала – высокая цена.

Пластиковые трубы значительно дешевле металлических и проще в монтаже. Но при использовании полимеров нужно учитывать ряд нюансов:

• любые пластмассы постепенно разрушаются под воздействием ультрафиолетового излучения;
• стенки труб ППР слишком толстые, плохо проводят тепло;
• качественный металлопластик слишком дорог для наших целей, а дешевый нередко расслаивается на изгибах и быстро разрушается на солнце;
• сшитый полиэтилен «запоминает» первоначальный изгиб в бухте, из него удобно делать кольцевой змеевик, а выпрямить непросто;
• трубы ПНД нужно покупать пищевой серии (с синей полосой), она лучше защищена от ультрафиолета.

Справка. Простейший вариант теплообменника для бассейна – черный садовый шланг, уложенный «улиткой». Минус материала – растрескивание резины от длительного воздействия солнца.

Тонкостенные трубы ПНД – отличный выбор по соотношению цена/качество. Черная поверхность хорошо поглощает солнечное тепло, соединительные фитинги стоят недорого. К абсорберу трубопровод крепится пластиковыми хомутами либо жестяной полосой на саморезах.

В качестве абсорбирующего листа можно применить обычную или нержавеющую сталь, окрашенную в черный цвет. Идеальный вариант – листовой алюминий либо медь.

Верх короба закрывается следующими прозрачными материалами на выбор:

• обычное или армированное стекло;
• прозрачная полиэтиленовая пленка;
• тонкий сотовый поликарбонат.

Пленка — самый дешевый вариант покрытия. Одна беда: тонкий полиэтилен разрушается на морозе

Совет. Не применяйте в качестве светопрозрачного элемента готовые стеклопакеты от пластиковых окон. Зимой при большом перепаде температур между уличным воздухом и закрытой камерой коллектора двухслойный пакет не выдерживает и трескается.

Рекомендации по сборке

Процесс изготовления солнечного коллектора настолько очевиден, что расписывать пошаговые инструкции не имеет смысла. Задача – смастерить максимально герметичную камеру, установив внутри теплообменник на металлическом абсорбере. Мы просто дадим ряд советов, дабы уберечь вас от ошибок:

1. Трубы теплообменника можно укладывать продольно либо спиралью (улиткой). Расстояние между соседними линиями (витками) делайте небольшим – от 1 до 4 см.
2. Воздухонепроницаемость корпуса достигается промазыванием стыков силиконовым герметиком либо прокладыванием резиновых уплотнителей.
3. Трубки крепятся к основанию любым удобным способом – пластмассовыми хомутиками, металлической полосой либо просто фиксируются по бокам саморезами.
4. Вся внутренняя полость окрашивается термостойкой эмалью черного цвета (продается в аэрозольных баллончиках).
5. Толщина теплоизоляционного слоя на задней стенке водонагревателя – минимум 50 мм.
6. Сверху проще всего натянуть прозрачную пленку — это лучший вариант для опытного экземпляра. Впоследствии ее нетрудно заменить стеклом.

Еще рекомендация. Деревянные детали стоит обработать антисептиком. Раму, сваренную из стальных профилей, покройте грунтовкой и 2 слоями светлой краски.

После сборки панели теплоприемника заполните змеевик водой и проверьте на герметичность. Затем проведите испытания солнечного коллектора — подключите вывода к баку, установите панель на солнце и периодически измеряйте температуру воды, учитывая время нагрева. На основе реальных показателей несложно выяснить производительность водонагревателя.

Процесс изготовления самодельного коллектора с медным теплообменником смотрите на видео:

Схема подключения

Коллектор, предназначенный для подогрева воды в душе, подсоединяется к накопительному баку по самотечной схеме. Важное условие: гелиоустановка должна располагаться ниже основной емкости, чтобы горячая вода меньшей плотности поднималась по трубе и вытесняла холодную. Конструкция такой системы показана на чертеже.

При подключении к бойлеру либо теплоаккумулятору солнечный коллектор выступает как полноценный источник тепла. Производители гелиосистем предлагают использовать двухтрубную напорную схему, включающую обязательные элементы обвязки:

• циркуляционный насос, развивающий давление 0.4 Бар;
• расширительный бак мембранного типа;
• автоматический воздухоотводчик;
• клапан предохранительный, рассчитанный на срабатывание при давлении 2 Бар;
• манометр;
• термометр;
• запорная арматура, вентиль подпитки;
• контроллер с двумя датчиками температуры;
• теплоизоляция для подводящих трубопроводов.

Важный момент. Если к буферной емкости подключается батарея из нескольких коллекторов, производительность насоса и объем расширительного бачка нужно увеличить. Минимальная вместительность мембранного резервуара – 10% от общего количества теплоносителя в контуре.

Схема функционирует так:

1. Теплоприемник присоединяется к нижнему змеевику буферной емкости, где вода холоднее.
2. Контроллер посредством датчиков сравнивает температуру воды (антифриза) в подающей трубе и теплоаккумуляторе.
3. Электронный блок останавливает насос, когда температура воды в резервуаре равна либо превышает температуру теплоносителя на подаче.
4. Попадающий в контур воздух сбрасывается через автоматический клапан, установленный в верхней точке системы.
5. В случае перегрева теплоносителя из-за остановки насоса (ведь солнце выключить невозможно) сработает предохранительный клапан и стравит лишнее давление.

Самый дорогой элемент схемы – электронный блок управления. Как можно обойтись без контроллера:

• купить на Aliexpress более дешевый термостат, срабатывающий по разнице температур;
• установить таймер день–ночь и механический термостат, отключающий насос при максимальном нагреве буферной емкости.

Как работает дешевый китайский блок управления (цена — 15 у. е.), смотрите в видеообзоре:

Отопление воздушной гелиосистемой

Установка подогрева воздуха делается аналогичным образом, только теплообменник выполняется из труб большего диаметра, а нагнетание обеспечивает вентилятор. Приемник излучения умельцы изготавливают из таких материалов:

• алюминиевая гофра для вентиляции;
• пластиковые бутылки, вставленные одна в другую;
• пивные банки с вырезанным дном.

В коробе выполняется 2 отверстия под воздушные трубы, внутри прокладывается мелкая сетка, исключающая попадание насекомых. Вентилятор – кулер от компьютера – устанавливается на одном из отверстий, теплообменная часть окрашивается в черный цвет. Подводящие трубы утепляются и прокладываются в обогреваемое помещение. Алгоритм сборки воздушного коллектора показан в видеосюжете:

Заключение

Привлекательность солнечных коллекторов обусловлена ростом цен на энергоносители. Хотя зимой производительность водонагревателей снижается, солнечное тепло дает заметную экономию по расходу топлива основным источником — котлом. Если вы хотите максимально обогревать свой загородный дом бесплатной энергией солнца, советуем обратить внимание на установки с зеркальными концентраторами. Эти крайне эффективные устройства широко применяются в странах Европы и Америки.