Коллекторные гелиосистемы: как с их помощью организовать отопление и водоснабжение дома?

Отопление и нагрев воды с помощью солнечной энергии вполне возможны и в нашей малосолнечной стране. Рассказываем, что такое гелиосистемы и как правильно подобрать их для коттеджа.
Коллекторные гелиосистемы: как с их помощью организовать отопление и водоснабжение дома?

ShutterStock/Fotodom.ru

Идея солнечного коллектора очень простая — солнечные лучи нагревают жидкость, протекающую по трубкам, которые сделаны из материала, хорошо поглощающего тепло. Таким способом можно достаточно эффективно получать горячую воду для бытовых дачных нужд. Особенно успешно подобные гелиосистемы работают летом. В это время с ролью гелиосистемы для получения горячей воды может справиться и обычный пластиковый бак чёрного цвета, чем многие дачники и пользуются, сооружая, например, из таких баков импровизированный душ. Но солнечная энергия может использоваться и более эффективно.

Как устроена коллекторная гелиосистема?

Современная коллекторная гелиосистема устроена следующим образом. Солнечные лучи нагревают в коллекторе жидкость-теплоноситель. Эта жидкость циркулирует от коллектора к теплообменнику в нагревательном устройстве — бойлере с водой. Циркуляция осуществляется с помощью насоса. Также в состав гелиосистемы входит блок управления (контроллер), регулирующий работу насоса, включающий защиту от перегрева и выполняющий некоторые другие задачи.

Типы коллекторов-гелиопанелей

Наиболее важным узлом являются коллекторы-гелиопанели. На них приходится большая часть стоимости системы. Существует несколько вариантов устройства гелиопанелей, которые можно свести к двум типам. У каждого из этих типов есть свои преимущества и недостатки, определяющие их сферу применения.

Плоские

В них трубки с жидкостью-теплоносителем помещены под пластину-абсорбер из меди и заключены в общий корпус. Сверху пластина-абсорбер закрыта защитным стеклом, снизу под трубками расположен слой теплоизоляции. 

Плоские коллекторы на 20-30 % дешевле и менее эффективны, так как у трубок с теплоносителем хуже теплоизоляция (часть тепла уходит в атмосферу). Парадоксально, но этот недостаток оборачивается достоинством, например, при снегопаде.

Трубчатые

В них каждая трубка с теплоносителем смонтирована в отдельном цилиндрическом стеклянном корпусе с отражающим покрытием. Воздух из корпуса откачан, отсюда и название — «вакуумные коллекторы».

Трубчатые коллекторы за счёт вакуума практически не нагреваются, и снег на них не тает. Хуже трубки переносят и град, они более хрупкие. В общем, трубчатые коллекторы хороши в условиях идеального климата, там, где редко бывает град и не случаются снегопады. Трубчатые коллекторы обеспечивают почти постоянный приток тепла в течение дня, это связано с тем, что солнечные лучи одинаково освещают поверхность стеклянного цилиндра вне зависимости от расположения солнца на небе. 

Трубопроводы гелиосистемы пр...
ShutterStock/Fotodom.ru
Трубопроводы гелиосистемы прокладываются таким образом, чтобы было обеспечено полное удаление воздуха.

Сравнение свойств плоских и трубчатых коллекторов

Свойство Плоские Трубчатые
Работа в течение дня КПД сильно меняется в течение дня в зависимости от угла падения солнечных лучей КПД практически постоянный в течение дня
Воздействие снегопада Снег на панели тает сам за счёт частичной утечки тепла Снег не тает, его нужно чистить
Прочность, устойчивость к ударам Высокая Средняя
Парусность Высокая (необходимо более прочное основание) Средняя

Критерии выбора коллектора

При выборе коллектора обращайте внимание на качество гелиопанелей, комплектующие системы и срок эксплуатации абсорбера (поверхности, находящейся под воздействием солнечных лучей). 

Стоимость гелиосистемы зависит от её производительности, которая определяется площадью коллектора, географической широтой, временем года и рядом других характеристик. Наиболее дешёвые — китайские, немецкие панели дороже, но и срок службы у них, как правило, выше, и их можно рекомендовать для ответственных задач, например круглогодичного горячего водоснабжения.

Точный расчёт системы должен делать опытный специалист. Упрощённо можно считать, например, что система с коллектором с полезной площадью 3 м² в условиях средней полосы и в зимнее время за 2-3 ч может обеспечить приготовление примерно 150 л горячей воды (с температурой около 50 °С). Практика показывает, что для небольшой семьи (два-три человека) хватает гелиосистемы с коллектором площадью 2–4 м² и бойлером вместительностью 200-300 л. Такая система обойдётся примерно в 100-300 тыс. руб. Стоимость одного модуля (площадью примерно 2 м²) коллектора составляет от 20-25 тыс. руб. (китайские производители) до 50-60 тыс. руб. (Ariston, Buderus, Viessmann и другие европейские производители); ещё 40-60 тыс. руб. придётся отдать за бойлер и 10-20 тыс. руб. за контроллер, насос и материалы, необходимые для монтажа.

В небольшом доме солнечная энергия даёт возможность обеспечения до 60 % энергии, необходимой для получения горячей воды.

Как правильно установить коллектор

Гелиополе должно располагаться на незатенённой стороне: выходить на южную сторону или с расположением запад — восток. В случае, если такое расположение невозможно, в расчёты вносится поправочный коэффициент. Желательно также, чтобы поблизости от него не было высоких деревьев. Угол наклона коллекторов относительно горизонтальной поверхности выбирается согласно географической широте и климатическим условиям, оптимальный угол — в зависимости от сезона пикового использования. Если, например, проектировать гелиосистему для приготовления горячей воды в коттедже на побережье Чёрного моря с сезонностью май-сентябрь, данный угол будет составлять 20-25°. Но если возникает необходимость в поддержке отопления с помощью данной гелиосистемы, угол должен быть 40–45°.

Гелиосистемы размещаются на к&#...
Viessmann
Гелиосистемы размещаются на крыше таким образом, чтобы максимально использовать энергию солнца для нагрева жидкоститеплоносителя. Для Северного полушария это будет южная сторона склона крыши.

Панели солнечных коллекторов размещаются в наклонной плоскости так, чтобы в течение дня на них обеспечивался угол падения лучей солнца, максимально близкий к прямому. Оптимальный наклон плоскости коллектора соответствует географической широте местности и составляет, например, для Москвы 57°. Направление, куда смотрит панель, в Северном полушарии должно быть южное. И конечно, солнечный коллектор не должен загораживаться от солнца другими предметами. Выдержать все условия удаётся не всегда, поэтому при монтаже коллекторов широко используются сборные или сварные металлические конструкции, которые могут крепиться как на крыше, так и на отдельно стоящих стендах.

Выбор бойлера для гелиосистемы

Для гелиосистем используются специальные бойлеры со встроенным теплообменником, не путайте их с привычными накопительными водонагревателями. Так как выработка горячей воды гелиосистемой производится неравномерно в зависимости от времени суток, эти бойлеры выбирают с запасом по вместительности, чтобы с их помощью аккумулировать тепло. Поэтому нередко используют ёмкости объёмом 300 л и более. Подобные бивалентные баки-водонагреватели есть в ассортименте Ariston, Buderus, Viessmann и других производителей. Помимо гелиотермического приготовления горячей воды, в этих бойлерах обычно предусматривается возможность дополнительного нагрева от отопительного котла.

Не забывайте, что если тепло не отводится на нагрев воды в бойлере, то необходимо предусмотреть способ каким-то образом сбросить излишек тепла.

Как избежать перегрева

Серьёзной проблемой при нерегулярном использовании гелиосистем становится перегрев коллектора. Бороться с перегревом можно несколькими способами. Самый простой вариант — использовать в качестве теплоносителя воду. При закипании воды пар сбрасывается через специальный клапан, а затем недостаток воды добирается из системы водоснабжения. Такой способ плох тем, что вода замерзает, поэтому его можно использовать только там, где морозы бывают редко (система в этом случае дополняется защитой от замерзания с принудительным подогревом теплоносителя).

Другой вариант — слив теплоносителя и заполнение коллектора воздухом при отключении насоса (система Drain Back) — требует грамотного расчёта системы, уклонов и объёмов труб. Существует также возможность регулировки температуры теплоносителя с помощью изменения контроллером режимов работы системы. Например, контроллер запускает ночью насос, который прокачивает разогретый теплоноситель через плоский коллектор; система работает как бы в обратном порядке. Такой способ хорош при наличии плоского коллектора (трубчатые не годятся) и вместительного бойлера. Ещё одну интересную разработку предложила компания Viessmann. В её коллекторах используется материал с изменяемой отражающей способностью. При повышении температуры (скажем, выше 90 °С) поглощающая способность материала уменьшается в несколько раз, и теплоноситель перестаёт нагреваться. 

О неисправности гелиосистемы в некоторых случаях можно догадаться по внешнему виду коллектора. Так, появление инея на трубчатом коллекторе свидетельствует о нарушении герметичности стеклянного цилиндра. В нём отсутствует теплоизоляция, и этот участок коллектора производит очень мало тепла.