Саморобні сонячні нагрівачі - Гаряча вода від сонця

Стаття на тему сонячний колекторів для нагріву води своїми руками.

Гаряча вода за допомогою нагрівального бака

Найпростішою системою для сонячного водопостачання будинку є нагрівальний бак. Це просто ємність для води, яка гріється днем ??сонячними променями. Тим не менш, такий найпростіший сонячний нагрівач дуже ефективний для постачання теплою водою в літній час і отримав широке застосування для так званого «літнього душа».



Якщо нагрівальний бак укомплектувати резервуаром для зберігання теплої води, то можна отримати ще більш ефективну сонячну нагрівальну установку, яка буде постачати Вас теплою водою влітку і окупиться за пару сезонів. Розглянемо такий сонячний водонагрівач докладніше.

Найважливішою частиною сонячної системи, звичайно, є сам нагрівальний бак. Це може бути будь-яка ємність для води, наприклад, сталевий куб, бочка або кілька труб великого діаметру.

Краще всього використовувати для цієї мети спеціальний бак для літнього душа з поліетилену об'ємом 200-300 літрів. Такий бак має раціональну для нагріву плоску форму, не іржавіє, пофарбований в чорний колір для кращого теплопоглинання і зважаючи невеликої ваги легко монтується на дах.



Якщо такий бак просто покласти під прямі сонячні промені, то в спекотний сонячний день вода в ньому нагрівається до кінця дня до 40-45 ? С, чого цілком достатньо для побутових потреб. Але якщо теплу воду не витратити ввечері, то за ніч, до ранку вона охолоне. Таким чином, теплу воду неможливо використовувати цілодобово. Очевидно, для усунення цього недоліку потрібно «зупинити» втрати тепла від нагрітої води. Це можна зробити або утепленням нагрівального бака в кінці дня, або зливом теплої води в утеплену ємність.

Враховуючи, що більшість приватних домашніх господарств використовують газові та електричні бойлери, то вигідно використовувати їх для зберігання теплої води з нагрівального бака. Так само на відміну від утеплення нагрівального бака, процес зливу менш трудомісткий, не потрібно підніматися до місця установки бака. Більше того, оскільки в похмурий день вода в нагрівальному баку нагрівається лише до 25-30 градусів, її в будь-якому випадку доведеться підігрівати.



На малюнку зображена схема роботи найпростішої системи для підігріву води сонцем, яку можна зібрати своїми руками. Водонагрівальна система складається з нагрівального бака, бойлера, а так же водопроводу з трьома кранами. Спочатку закривається кран (3), кран (1) і (2) відкриті. Вода з напірного водопроводу (синій колір) подається в нагрівальний бак. Після наповнення бака, напірний водогін закривається краном (1). В кінці дня, коли вода в нагрівальному баку нагріється і її потрібно буде злити в бойлер, для цього відкривається кран (3). Якщо ж нагрівальний бак не потрібно використовувати, то можна просто закрити кран (2) і бойлер використовується в звичайному режимі.



Ступінь наповнення бака зручно контролювати датчиком рівня води, який можна закріпити на кришці бака. Для водопроводу добре підійдуть металопластикові або поліпропіленові труби для холодної води (оскільки в системі низький тиск).

Такий спосіб підігріву води надзвичайно простий, але у нього є два серйозні недоліки:
- Необхідно щодня наповнювати і зливати нагрівальний бак;
- Отримати підігріту воду можна тільки при теплій погоді, при температурі повітря вище +20 градусів С.

ДСТУ Б В.2.5-30:2006

Пасивний сонячний водонагрівач

Щоб підігрівати воду сонячним теплом не тільки в теплу погоду, але і в більш прохолодне міжсезоння (березень, квітень, вересень, жовтень), нагрівальний бак не може бути використаний через занадто високих тепловтрат. Для цього його доведеться замінити більш ефективним сонячним колектором. В інтернеті можна знайти чимало описів ефективних активних сонячних систем, що вимагають використання автоматики. Але розглянемо максимально просту і зручну пасивну систему сонячного водонагрівача, тобто таку, яка працює сама по собі без використання насоса.



Перш за все, потрібно зробити сонячний колектор. Якщо проаналізувати безліч відомих конструкцій сонячних колекторів, то можна прийти до висновку, що визначальним фактором для надійності, вартості і простоти складання сонячного колектора є матеріал його теплообмінника. Найбільш надійними вважаються металеві труби, наприклад, тонкостінні мідні або сталеві, але вони коштують дорого, а їх збірка трудомістка. До того ж теплообмінник з металевими трубами відзначається значною вагою, що потребує міцного короба і ускладнює установку. При встановленні такого колектора на покрівлю необхідно переконатися, що конструкція витримає додаткове навантаження відповідно до віючих ДБН.



Більш зручні і дешеві теплообмінники з поліпропіленових і металопластикових труб, але термічні деформації при нагріванні сонцем і велика кількість сполук, збільшує ймовірність протікання і так само підвищує трудомісткість при складанні.

Всіх цих недоліків позбавлений теплообмінник з садового шланга. Його збірка полягає лише в тому, що шланг потрібно скрутити у вигляді спіралі. Відсутність з'єднань і гнучкість шланга гарантує відсутність протікання, а довжина шлангу дозволяє підвести воду безпосередньо від колектора до трубопроводу всередині будинку без додаткових з'єднань.

Найпростіший сонячний водонагрівач своїми руками із садового шлангу зображений на малюнку. Він складається з віконного скла (1), шланга (2) і пінопласту в якості теплоізоляції та основи (3). Принцип його роботи дуже простий - короткохвильове сонячне випромінювання проходить через скло, нагріває шланг з водою. Від нагрітого шланга починається випромінювання вже довгохвильового спектра, яке значно відбивається склом. Таким чином, сонячні промені потрапляють у так звану «теплову пастку». При установці сонячного колектора оптимальний кут нахилу буде 35 градусів влітку і 40 градусів навесні-восени.

На малюнку зображена схема підключення сонячного колектора до бойлера. Перед початком нагрівання води сонячним колектором необхідно заповнити шлангу водою і витіснити з нього повітря. Для цього закривається кран (2) і для зливу води відкривається гарячий кран сантехнічного приладу (6). Вода з напірного водопроводу (1) починає надходити в сонячний колектор (4). Після того як в зливний воді перестануть підмішувати бульбашки повітря, значить - в колекторі повітряних пробок немає. Далі відкривається кран 2 і холодна вода з бойлера під дією термосифонного ефекту (при нагріванні колектора сонцем) починає перетікати в колектор. Для відключення сонячного колектора та використання нагрітої води або роботи бойлера в звичайному режимі потрібно закрити кран (3).



Як бачимо, робота цього бойлера не вимагає складного і дорого обладнання, єдиний мінус такої простої системи це те, що потрібно періодично включати і відключати подачу води в сонячний колектор краном (3). При похмурій погоді нагрів води таким сонячним колектором відбувається частково, решту буде «догріває» бойлер, що все одно дає економію. Враховуйте при цьому, що при похмурій погоді або в міжсезоння бойлер повинен буде включатися на нагрів в кінці дня, тобто коли вода в колекторі вже не нагрівається. Інакше при нагріванні води в колекторі ТЕН'ом вона перестане циркулювати.

Для розрахунку необхідної продуктивності сонячного нагрівача потрібно враховувати, що 1 метр шланга зовнішнім діаметром 25 мм ясним днем при +25 градусів С нагріває 3,5 літра гарячої (до + 45 градусів С) води. А при +32 градусів С нагріває 3,5 літра гарячої до + 50 градусів С. Кількість середніх сонячних годин протягом року для м. Київ вказано в таблиці 1.
 

Наприклад, при довжині шланга в колекторі 10 м у травні продуктивність сонячного колектора складе 3,5 л * 10м * 8ч = 280 літрів гарячої води в день.

Нижня межа зовнішньої температури повітря, при якій спостерігається економія при ясній погоді, буде +5 до +8 градусів С. При заморозках воду з колектора найкраще злити, хоча дана конструкція стійка до заморожування.

Шланг для такого сонячного водонагрівача підійде гумовий або армований з ПВХ. Внутрішній діаметр шланга не повинен бути менше 19 мм, можна і більше. Але якщо діаметр буде менше, то значно підвищується гідравлічний опір системи, що уповільнює природне перемішування води за рахунок термосифонного ефекту. Так само, не бажано вибирати шланг з товщиною стінки менше 2,5 мм, так як шланг з тонкими стінками погано тримає форму і часто перегинається. Садовий шланг не доріг. Так, армований шланг з ПВХ з внутрішнім діаметром 19 мм і товщиною стінки 3 мм в залежності від виробника коштує від $ 2 до $ 3 за метр.

Переважно вибирати шлаг чорного кольору або темних тонів для кращого теплозасвоєння. Різниця, правда, не сильно велика. Наприклад, білий шланг засвоює сонячне тепло приблизно на 5% гірше, ніж чорний. Але додаткові 5% зайвими не будуть.

Для перемішування води за допомогою термосифонного ефекту сама форма шланга не має значення, оскільки вода в шлангу рівномірно прогріта, важлива різниця рівнів між холодною водою в бойлері і гарячою водою в колекторі. Тому для виникнення стійкого термосифонного ефекту бойлер повинен бути піднятий над верхньою частиною сонячного колектора не менше ніж на 60 см. Так само потрібно намагатися максимально зменшити довжину підвідного трубопроводу, оскільки, чим довше труби, тим більше сила тертя, яка перешкоджає перетіканню води з колектора в накопичувач (бойлер).



Щоб знизити тепловтрати конвенцією, задня частина шланга утеплена пінопластом. Так само треба загерметизувати зазор між склом і пінопластом. Для цього можна підкласти між склом і пінопластом м'яку прокладку з поролону або склеїти скло і пінопласт клеєм на водній основі (клеї з органічним розчинником можуть розчинити пінопласт). Наприклад, можна використовувати клей для пінопласту або клей ПВА.

Для фіксування форми шланга сонячного нагрівача у вигляді спіралі, він прив'язується до якоїсь трубці або бруска. Щоб закріпити його на пінопласт його досить просто прив'язати.

Скло обов'язково потрібно використовувати віконне. Органічне скло або полімерна плівка не підійдуть, тому що вони дуже погано затримують довгохвильове випромінювання. Між склом і поверхнею шланга повинен бути зазор 12-20 мм. На склі не повинно бути відображають селективних покриттів (i-скло), таке скло відбиває значну частину сонячного випромінювання.

Що стосується вибору між одинарним і подвійним склінням, то тут потрібно враховувати два фактори. При подвійному склінні менше тепловтрати, але більше коефіцієнт відбиття сонячного світла. А оскільки чим вище температура навколишнього повітря, тим менше тепловтрати, то виходить:
- Якщо сонячний нагрівач буде використовуватися переважно в теплу пору року, то краще одинарне скління;
- Якщо ж в прохолодне, то тоді вигідніше стає подвійне. Всегда в наличии солнечные коллекторы для частного дома.

Висновки шланга, які виходять назовні, для зниження тепловтрат потрібно теплоізолювати. Для теплоізоляції всередині опалювального приміщення і при впродовж водопроводів не більше 3 м досить використовувати звичайну м'яку теплоізоляцію з пінополіетилену для труб відповідно до ДСТУ.

Для більш протяжних ділянок, а так само для теплоізоляції зовнішніх трубопроводів потрібно використовувати більш потужну жорстку теплоізоляцію для труб з фольгованого пінополіуретану.

Приєднувати шланг до трубопроводу можна за допомогою хомута для гумових труб, для цього шланг туго надівається на трубу і затискається хомутом. Оптимально, щоб внутрішній діаметр шланга дорівнював діаметру труби, на яку він буде вдягатися.

Описана конструкція пасивного сонячного нагрівача з колектором може заощадити до 80% енергії для гарячого водопостачання влітку і до 40% навесні і восени, що за рік складе близько 400 кВт * год зекономленої енергії на одну людину.