Изготовление и применение солнечного водонагревателя

Солнечный коллектор – это устройство для преобразования энергии Солнца в тепловую энергию. Используется в системах отопления, горячего водоснабжения, подогрева бассейнов и т.д. Солнечный коллектор для нагрева воды можно собрать самостоятельно, чтобы создать экологический и экономный водонагреватель. «Сантехник Портал» расскажет, как сделать жидкостной гелиоколлектор своими руками из простых материалов.

Преимущества использования гелиоколлектора

Поскольку лучи Солнца освещают поверхность Земли круглый год в течение дня, хотя интенсивность излучения больше летом и зимой, то этот факт позволяет использовать энергию небесного светила все 365 дней в году.

Так, для средней полосы РФ суточное количество энергии зимой достигает 3 кВт*ч на 1 кв.м, а с марта по октябрь данная величина составляет от 4 до 8 кВт*ч/м2. Если же говорить о южных широтах, то показатели увеличиваются от 20% до 40%. Здесь использование солнечных установок наиболее рационально.

Поэтому эффективность гелиоколлектора зависит от региона проживания, однако даже в северных регионах РФ солнечный обогреватель способен обеспечить запасами горячей воды. Главное, чтобы тучи на небе появлялись не слишком часто. В южной и средней полосе мощная конструкция на 15-20 кв м, работающая от излучения Солнца, способна заменить бойлер и даже котел системы отопления.

Солнечный водонагреватель обладает следующими достоинствами:

• относительная простота конструкции;
• высокая степень надежности;
• эффективный обогрев;
• долгий срок эксплуатации;
• позволяет экономить газ и электроэнергию;
• не требуется разрешение для установки оборудования;
• небольшой вес;
• простой монтаж;
• безопасность для окружающей среды;
• полная автономность.

Касаемо отрицательных моментов стоит отметить зависимость КПД от погодных условий, времени года и географического положения, а также высокую хрупкость панели, которую может разбить град. Еще одним минусом является высокая цена оборудования и элементов для монтажа установки. Поэтому многие умельцы, чтобы уменьшить себестоимость конструкции, собирают ее сами из материалов, которые можно купить в обычном строительном магазине.

Рассматривая преимущества и недостатки использования солнечных коллекторов для нагрева воды, стоит отметить, что работа подобных устройств являются экологически чистой и абсолютно безопасна для окружающей среды и здоровья человека.

Разновидности жидкостных коллекторов

В зависимости от величины нагрева солнечные нагреватели делятся на:

• низкотемпературные — для подогрева теплоносителя до 50 °C;
• среднетемпературные — для нагрева жидкости до 80 °C;
• высокотемпературные — подогрев воды до температуры кипения.

Самостоятельно изготовить можно только конструкции первого и второго типа. Для сборки установки высоких температур потребуется промышленное оборудование, применение новых технологий и дорогостоящих материалов.

По типу конструкции все жидкостные коллекторы делятся на:

• плоские устройства;
• вакуумные термосифонные;
• гелиоконцентраторы.

Плоский гелиоколлектор состоит из невысокого теплоизолированного короба, в который вмонтирована светопоглощающая панель и трубчатый контур. Поглощающая свет пластина (абсорбер) обладает повышенной теплопроводностью, что позволяет добиться максимальной передачи энергии теплоносителю, который циркулирует по контуру водонагревателя. Отличается простотой конструкции, легкостью монтажа и эффективностью.

Принцип действия вакуумных приборов основан на эффекте термоса. Конструкция представляет собой множество сдвоенных стеклянных колб. Внешняя колба сделана из ударопрочного, закалённого стекла, противостоящего граду. На внутреннюю колбу нанесено специальное напыление, которое повышает светопоглощение. Из пространства между двумя колбами воздух выкачивается, чтобы снизить тепловые потери.

По центру вакуумной установки проходит тепловой контур из медных трубок, заполненных фреоном или антифризом. В процессе эксплуатации теплоноситель испаряется, передавая энергию тепла рабочей жидкости главного контура. Система функционирует даже при низких температурах – до -50 °C. Самостоятельно собрать такую конструкцию хоть и возможно, но очень сложно.

В основе конструкции гелиоконцентратора — сферическое зеркало, которое фокусирует солнечную энергию в одной точке. Нагрев теплоносителя осуществляется в спиралевидном металлическом контуре, размещенному в фокусе устройства. Главное преимущество гелиоконцентраторов – способность нагрева до высоких температур. Однако необходимость оснащения системой слежения за Солнцем сделало ее менее популярной для изготовления своими руками.

Для домашнего изготовления лучше всего подходит сборка плоского солнечного водонагревателя своими руками из термоизоляционных материалов, оконного стекла и медных абсорберов.

Конструкция и принцип действия плоского нагревателя

Самодельный плоский гелиоколлектор состоит из деревянного короба с глухой задней стенкой. На дне рамы расположено сердце установки — абсорбер. Обычно его изготавливают из листа металла, который прикрепляется к трубчатому контуру. От контакта абсорбера с теплообменными трубками зависит эффективность передачи энергии, поэтому данные элементы привариваются непрерывным швом.

Сам жидкостный контур представляет собой множество вертикально размещенных трубок. Снизу и сверху они соединяются с горизонтальными трубами большего диаметра, которые используются для подачи и забора теплоносителя. Входное и выходное отверстие расположены друг от друга по диагонали, благодаря чему происходит полный теплообмен. В качестве теплоносителя применяется антифриз и другие незамерзающие жидкости для систем отопления.

Абсорбер покрывают светопоглощающей краской, сверху кладут прозрачное стекло, а короб защищают теплоизоляцией. Чтобы было проще монтировать, можно поделить площадь остекления на части и установить стеклопакеты, которые также повышают производительность установки. Закрытый стеклопакет создает эффект термоса и предотвращает тепловые потери из-за дождя, сильного ветра и прочих внешних факторов.

Солнечный водонагреватель плоского типа работает следующим образом:

1. Нагретый незамерзающий раствор, поднимаясь трубкам через ветку забора теплоносителя, оказывается в теплоаккумулирующем резервуаре.
2. Циркулируя по теплообменнику, который установлен внутри бака-аккумулятора, антифриз передает тепло воде.
3. Охлажденный рабочий реагент попадает в нижнюю часть контура солнечной установки.
4. Вода, нагретая в баке, поднимается для забора потребителем. Заполняется резервуар из водопровода, который подключен к нижней части конструкции.
5. Если коллектор используется в качестве нагревателя системы отопления, то для циркуляции воды в замкнутом вторичном контуре применяется насос.

Постоянное перемещение жидкости и наличие теплового аккумулятора позволяют накапливать солнечную энергию в дневное время, когда светит Солнце, и постепенно расходовать ее в ночное время.

Как рассчитать производительность гелиоколлектора?

Рассчитать производительность солнечного нагревателя можно, исходя из того, что на 1 кв. м. прибора в ясный день приходится от 800 до 1 000 Вт тепловой энергии. Потери тепла на обратной стороне и стенках конструкции рассчитывают по коэффициенту теплоизоляции применяемого утеплителя.

Если использован пенополистирол, то его коэффициент теплопотерь составляет 0,05 Вт/м × °C. При толщине материала в 10 см и разности температур внутри и снаружи конструкции 50 °C потери тепла равняются 0,05/0,1 × 50 = 25 Вт. Учитывая боковые стенки и трубы, данная величина удваивается.

Получается, что количество потерь тепловой энергии в сумме составит 50 Вт с 1 кв.м. поверхности гелиоколлектора.

Для подогрева 1 л воды на один градус понадобится 1,16 Вт тепловой энергии, поэтому для солнечной панели площадью 1 кв.м и температурного перепада 50 °C получится условный коэффициент производительности 800/1,16 = 689,65/кг × °C. Данный показатель демонстрирует, что конструкция площадью 1 кв.м в течение часа нагреет 20 литров воды на 35 °C.

Расчёт производительности солнечного водонагревателя вычисляется по формуле:

 W = Q × V × δT, где:

 Q — теплоёмкость воды (1,16 Вт/кг × °C); V — объём, л; δT — разность температур на входе и выходе из установки.

В среднем один взрослый человек расходует 50 л горячей воды в течение суток. Так для обеспечения горячего водоснабжения достаточно повысить температуру воды на 40 °C. Используя формулу, получается, что потребуются затраты энергии W = 1,16 × 50 × 40 = 2,3 кВт. Чтобы узнать площадь установки, данное значение необходимо разделить на количество солнечной энергии, которая приходится на 1 кв.м поверхности в данной географической широте.

Способы изготовления солнечного коллектора

Особенностью солнечных водонагревателей, построенных своими руками, является то, что практически все устройства имеют одинаковую конструкцию теплоизолированного короба. Часто каркас собирается из пиломатериалов и покрывается минеральной ватой и теплоотражающей плёнкой. Что же касается абсорбера, то для его производства используют металлические и пластиковые трубы, а также готовые узлы от ненужного бытового оборудования.

1. Из садового шланга. Сложенный улиткой садовый шланг или водопроводная ПВХ-труба имеет большую площадь поверхности, что позволяет применять такой контур в качестве водонагревателя для летнего душа, кухни или подогрева бассейна. Лучше выбрать шланг черного цвета и обязательно использовать накопительный резервуар, иначе в пик летней жары абсорбер будет перегреваться.

2. Из конденсатора старого холодильника. Внешний теплообменник отслужившего свой срок холодильного оборудования является готовым абсорбером. Остается только дооборудовать его теплопоглощающим листом и поместить в корпус. Производительность такой конструкции невысокая, но в тёплое время года перекроет потребности в горячей воде небольшого загородного дома или дачи.
3. Из плоского радиатора системы отопления. Здесь не требуется даже монтажа абсорбирующего полотна. Достаточно покрыть радиатор чёрной жаростойкой краской и установить его в герметичный кожух. Производительности достаточно для системы горячего водоснабжения. Если собрать несколько контуров, то можно сэкономить на отоплении дома, гаража, теплицы в холодную солнечную погоду.
4. Из полипропиленовых или pex труб. Полимерные трубы, фитинги и приспособления для их монтажа позволяют строить контуры гелиосистем любой площади и конфигурации. Такие установки обладают хорошей производительностью и используются для обогрева помещений и получения горячей воды для кухни, душа и пр.
5. Из медных трубок. Такие абсорберы отличаются самой высокой теплоотдачей, поэтому с успехом используются для подогрева теплоносителя отопительных систем и в горячем водоснабжении. К недостаткам коллекторов из меди относятся большие трудозатраты и стоимость материалов.

На последнем варианте остановимся подробнее.

Гелиоустановка из медных трубок своими руками

Редакция сайта santehnikportal.ru предлагает собрать гелиоколлектор своими руками, который в солнечный день зимой способен разогреть воду до температуры выше 90 °C, а в пасмурный день — до 40 °С. Этого достаточно для горячего водоснабжения дома, в котором проживают 3-4 человека. Если вы планируете использовать солнечную энергию для отопления жилища, то площадь коллектора необходимо увеличить в несколько раз.

Для сборки солнечного водонагревателя потребуются:

• листовая медь толщиной не менее 0,2 мм размерами 0,98×2 м;
• медная трубка Ø10 мм длиной 20 м;
• медная трубка Ø22 мм длиной 2,5 м;
• резьба ¾˝ — 2 шт;
• заглушка ¾˝ — 2 шт;
• припой мягкий SANHA или ПОС-40 — 0,5 кг;
• флюс;
• химреактивы для чернения абсорбера;
• плита OSB толщиной 10 мм;
• уголки мебельные — 32 шт;
• базальтовая вата толщиной 50 мм;
• листовой теплоотражающий утеплитель толщиной 20 мм;
• рейка 20×30 — 10м;
• дверной или оконный уплотнитель — 6 м;
• оконное стекло толщиной 4 мм или стеклопакет 0,98×2,01 м;
• саморезы;
• респиратор;
• малярная кисть;
• краска.

Кроме этого, понадобятся некоторые инструменты: дрель, свёрла по металлу, фреза для дерева на Ø20 мм, труборез, газовая горелка, отвёртки или шуруповёрт и электрический лобзик. Для опрессовки контура также потребуется компрессор и манометр с давлением до 10 атмосфер.

Инструкция по ходу работ:

1. С помощью трубореза нарежьте на отрезки медную трубку, чтобы получилось два куска Ø22 мм длиной 1,25 м и 10 частей Ø10 мм длиной 2 м.
2. В толстых трубках, отступив от края 150 мм, проделайте по 10 сверлений Ø10 мм через каждые 100 мм. В полученные отверстия вставьте тонкие трубки так, чтобы они выступали внутрь не более чем на 1-2 мм. Иначе образуется лишнее гидравлическое сопротивление.
3. При помощи газовой горелки, термофена и припоя, все части соедините. По диагоналям к трубам ¾˝ попарно припаяйте заглушки и резьбы. Закрыв выходную резьбу заглушкой, на вход собранного коллектора навинтите штуцер и подсоедините компрессор.
4. Поместите конструкцию в резервуар с водой и компрессором создайте давление 7–8 атм. Так проверяется герметичность. Обсушите и обезжирьте установку.
5. Затем припаяйте медный лист к трубкам сплошным швом по всей длине каждого элемента медного контура.
6. Поскольку абсорбер сделан из меди, то вместо покраски можно сделать химическое чернение. Для этого в резервуар с водой добавьте нагретый химический раствор (едкого натрий 60 г и персульфат калия или надсернокислый аммоний 16 г растворите в 1 литре воды) и опустите полотно абсорбера лицевой стороной вниз. В процессе реакции поддерживайте температуру реактивов, к примеру, с помощью кипятильника.
7. Обязательно используйте средства защиты — респиратор, очки и резиновые перчатки, а сами работы проводите на открытом воздухе или в хорошо вентилируемом помещении.
8. Далее из листа OSB вырежьте детали для сборки корпуса — днище 1×2 м, боковые стороны 0,16×2 м, верхнюю 0,18×1 м и нижнюю 0,17×1 м панели, а также 2 опорные перегородки 0,13×0,98 м. Рейку 20×30 мм нарежьте на части: 1,94 м — 4 шт. и 0,98 м — 2 шт.
9. В боковых стенках проделайте отверстия Ø20 мм для входного и выходного патрубков, а в нижней части коллектора сделайте 3–4 сверления Ø8 мм для микровентиляции.
10. В перегородках сделайте вырезы под трубки абсорбера. Из реек 20×30 мм соберите опорную раму. Воспользовавшись мебельными уголками и саморезами, раму обшейте панелями OSB. При этом боковые стенки должны опираться на днище — это позволит предотвратить прогиб корпуса.
11. Нижнюю панель опустите на 10 мм ниже от остальных, чтобы перекрыть ее стеклом. Это не даст осадкам попадать внутрь рамы. Установите внутренние перегородки.
12. Днище и бока корпуса утеплите минеральной ватой с влагоотталкивающей пропиткой и укройте рулонным теплоотражающим материалом.
13. Абсорбер уложите на подготовленное пространство. Для этого демонтируйте одну из боковых панелей, которую затем поставьте на место.
14. На расстоянии 1 см от верхнего края короба внутренний периметр сооружения обшейте деревянной рейкой 20×30 мм так, чтобы стенок касалась ее широкая сторона. По периметру проклейте уплотнительную резинку.
15. Уложите стекло или стеклопакет, контур которого также обклейте оконным уплотнителем. Прижмите конструкцию алюминиевым уголком, в котором предварительно просверлите отверстия для саморезов. На этом этапе сборка коллектора считается завершенной.

В собранном виде толщина солнечного водонагревателя составляет примерно 17 см. Чтобы не допустить проникновения влаги и утечку тепла, на всех этапах стыки и места соединения элементов обрабатывайте силиконовым герметиком. Чтобы защитить конструкцию от влияния осадков, деревянные детали покройте специальным составом и покрасьте эмалью.

Монтаж и эксплуатация

Для установки гелиоколлектора выберите просторное место, которое не затеняется весь световой день. Монтажный кронштейн или подрамник сделайте из деревянных реек или металла так, чтобы наклон изделия регулировался в пределах от 45 до 60 градусов от вертикальной оси.

Используя резьбовые фитинги и медные, металлопластиковые или многослойные полипропиленовые трубы, подключите конструкцию к тепловому аккумулятору. Покройте магистрали теплоизоляцией.

Чтобы уменьшить потери тепла, разместите накопительный бак как можно ближе к устройству. В зависимости от условий организуйте естественную или принудительную циркуляцию теплоносителя. В последнем случае используйте контроллер с термодатчиком, врезав его в выходной патрубок. Прокачка рабочей жидкости по контуру будет включаться, когда её температура достигнет запрограммированного значения.

Сезонно-работающую систему заправьте водой, тогда как для круглогодичного использования гелио водонагревателя контур заправьте незамерзающей жидкостью. Идеальный вариант –применение специального антифриза для гелиосистем, но для экономии можно залить незамерзайку для автомобильных радиаторов или системы отопления.

Таким образом, солнечный коллектор для нагрева воды в процессе эксплуатации значительно сэкономит бюджет. Собрать установку, работающую на энергии Солнца, можно своими руками, но важно соблюдать технологию изготовления и правильно разместить конструкцию, чтобы КПД гелиоколлектора был высоким. Среди заводских изделий стоит отметить продукцию от фирм DUALEX, SSI Solar, SUNRAIN.