Вакуумный солнечный коллектор для отопления дома и горячего водоснабжения

Альтернативные источники энергии находятся в высоком положении в популярности. Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы используемые для отопления дома и получения горячей воды позволяют уменьшить затраты на коммунальные услуги, а также предоставляют достаточное количество дополнительного тепла. Чтобы оценить эффективность солнечной системы, необходимо изучить работу солнечных водонагревателей и правильно рассчитать их мощность.

Содержание:

• Как работает вакуумный коллектор
  • Устройство вакуумных трубок
  • Работа в режиме прямой теплоотдачи
  • Режим косвенной теплопередачи
  • Работа системы в зимний период
• Плюсы и минусы коллекторов с вакуумными трубками
  • Об эффективности в режиме отопления
  • Использование для горячей воды
• Как выбрать коллектор вакуумного типа
  • Как рассчитать мощность гелиоколлектора
  • Какой бренд выбрать и стоимость
• Как установить вакуумный коллектор

Как работает вакуумный коллектор

Классические гелиосистемы используют принцип преобразования тепла в электричество (солнечные батареи). Вакуумные солнечные коллекторы работают как обычные водонагреватели.

При поглощении ультрафиолетового излучения продуцируется достаточное количество тепла, чтобы обеспечить потребности ГВС. Можно подогреть воду для бассейна, душа. В зимнее время года коллекторы обеспечат некоторым количеством тепловой энергии для обогрева дома.

Существует два типа вакуумных трубок. Устройства отличаются принципом нагрева и хранения воды:

• «Мокрая трубка» — особенность внутреннего устройства в том, что накопительный бак установлен непосредственно на краях блока. Вода нагреваясь поступает в бак, холодная стекает в трубки. Второе название — солнечный коллектор на вакуумных трубках прямого нагрева.
• Конструкция U-образного типа, heat-pipe — в этом случае накопительная емкость не соединена непосредственно с ёмкостью. Бак может устанавливаться в любом месте дома, подключаясь к системам водоснабжения и отопления.В последнее время получили распространение перьевые солнечные водонагревательные коллекторы с вакуумными трубками, своеобразный гибрид системы heat-pipe и плоского абсорбера. Все перечисленные типы водонагревателей используют режим косвенного нагрева.

Независимо от принципа теплопередачи устройство вакуумных трубок остается практически без изменений. Используется идентичный способ абсорбции.

Устройство вакуумных трубок

Внутренняя конструкция схожа для всех типов гелиоколлекторов. Трубка вакуумного солнечного водонагревателя устроена следующим образом:

• прозрачная стеклянная колба, из которой полностью выкачан воздух;
• медная трубка, расположенная внутри коллектора, с газообразным или жидким теплоносителем;
• один или два сборных распределителя;
• отражатели, фокусирующие излучение на колбы.

Вакуумные трубки солнечного коллектора изготавливают из прочного боросиликата. Дополнительно внутренняя поверхность обработана специальным поглощающим слоем. Покрытие трубок выполнено с использованием бариевого газопоглотителя. В исправном состоянии цвет колбы серый, при разгерметизации становится белым. Трехслойное покрытие обеспечивает максимальную абсорбцию и моментальную теплопередачу. Эффективность поглощения тепла не менее 70%.

Солнечный коллектор на вакуумных трубках работает следующим образом:

• при попадании прямых солнечных лучей происходит абсорбция тепла и передача его медной сердцевине;
• теплоноситель в трубке закипает и испаряясь поднимается вверх к конденсатору;
• пар отдает энергию возвращаясь в первоначальное состояние;
• жидкость стекает обратно в медную трубку, играющую роль теплообменника.

В устройстве вакуумных коллекторов обязательно присутствует накопительная емкость. В режиме косвенной теплопередачи конденсатор соединен с магистралью, отводящей энергию в буферный бак, установленный внутри дома. В режиме прямой теплоотдачи вакуумные трубки соединены с накопительным баком, подключаемым непосредственно к точке водоразбора.

Система водоснабжения работает:

• Под давлением — при открытии крана ГВС горячую воду из емкости вытесняет холодная. В систему обязательно устанавливают циркуляционный насос. Рабочее давление 0,6 Мпа. Решение применяется в коммерческих целях. Оптимальный вариант для нагрева воды в кемпингах, гостиницах и пансионатах.
• Без давления — вода к точкам разбора сбегает самотеком. Второе название гелиосистемы: термосифонная или работающая с использованием естественной конвекции.

Технические характеристики коллекторов во многом зависят от принципа передачи тепловой энергии конечному потребителю.

Работа в режиме прямой теплоотдачи

В системах прямой передачей тепла бак соединен с абсорбирующими колбами. Принцип работы вакуумной трубки солнечного коллектора прямого нагрева следующий:

• бак объемом до 200 л, подсоединен к колбам коллектора;
• нагретый до состояния пара теплоноситель подается в медный змеевик, выполняющий функции теплообменника и расположенный внутри накопительной емкости;
• разогретый теплообменник отдает тепло воде, окружающей его;
• после охлаждения теплоноситель возвращается обратно внутрь колбы.

Циркуляция осуществляется при помощи естественной конвекции. Баки с прямой теплопередачей способны разогреть до 300 л. воды в сутки, с номинальной температурой до 60°C. Система предназначена исключительно для сезонного использования, с апреля до сентября (период зависит от территориального расположения вакуумного коллектора).

Режим косвенной теплопередачи

Косвенный принцип работы вакуумного солнечного коллектора отличается тем, что полученное тепло направляется в буферную емкость, расположенную в доме. Максимальный объем бойлера косвенного нагрева указывается в технической документации.

Преимущество систем с БКН в том, что их можно использовать вне зависимости от времени года. Зимой солнечный водонагреватель продолжает работать, абсорбируя дополнительную тепловую энергию, направляемую в систему отопления дома. Максимальная температура нагрева теплоносителя в вакуумных трубках достигает 250-300°, чего более чем достаточно для подогрева воды.

Медный теплообменник расположенный в вакуумных колбах заполняют антифризом, что дает возможность коллектору работать даже при температуре до –50°C.

Работа системы в зимний период

Для зимы используется всесезонная гелиосистема с косвенной теплопередачей. Интенсивность солнечного излучения снижается в течении зимы. Для отопления дома зимой одних только коллекторов будет недостаточно. Гелиосистемы используют исключительно в качестве дополнительного источника тепла, подключая их через буферную емкость к системе отопления. При условии правильных расчетов вакуумные гелиоколлекторы способны компенсировать до 53% всех теплозатрат здания.

Для зимы, как видно из графиков, способны удовлетворить около 15-20% тепловых затрат:

Плюсы и минусы коллекторов с вакуумными трубками

Опыт использования гелиоустановок на территории РФ достаточно продолжительный, что позволяет увидеть реальную картину теплоэффективности систем. При описании достоинств и недостатков учитывают возможности работы в режиме отопления и горячего водоснабжения, технические характеристики и реальные отзывы о вакуумных коллекторах.

Для определения рентабельности важно принимать в расчет сроки окупаемости гелиоустановок, с учетом существующих законов, действующих на территории Российской Федерации.

Об эффективности в режиме отопления

Важно помнить, что коллекторы не используются в качестве основного источника тепла в доме. Цель подключения компенсировать определенные энергозатраты. Причем изначально в отапливаемом здании должен быть установлен котел, способный полностью обогреть здание.

Эффективность гелиоустановки определяется тем, на сколько процентов система с солнечными вакуумными коллекторами способна компенсировать затраты на отопление дома. Максимальные показатели достигают 40-50%.

За время эксплуатации в регионах с холодным и средним климатом были выявлены следующие преимущества вакуумного коллектора, по сравнению с плоскими гелиоколлекторами:

• оптимальное соотношение стоимости и теплоотдачи;
• теплопотери минимальны, 75% абсорбируемой энергии передается в буферную емкость;
• трубчатая гелиосистема способна работать при отрицательных температурах и при низком ультрафиолетовом излучении, что делает возможным всесезонное солнечное отопление с использованием вакуумных коллекторов;
• простая установка и демонтаж.

Практика показывает, что в зимнее время года аккумулируемого тепла достаточно для полноценного отопления системой теплых полов. Даже при низкой солнечной активности теплоноситель будет прогреваться до температуры 30-40°C. Водяные полы соответственно будут нагреваться до комфортных 26-35°C.

Отопление частного дома солнечными вакуумными коллекторами имеет несколько недостатков:

• высокая стоимость — необходимость первоначальных вложений;
• жесткие требования к монтажу, при неправильном угле наклона, относительно земли теплоэффективность резко снижается;
• обслуживание — еще один недостаток вакуумных коллекторов: в зимнее время года трубки, нередко заметает снегом, их приходится чистить.

В зимнее время года работают исключительно коллекторы с выносным баком. Буферная емкость к которой подключаются вакуумные трубки, используется для обеспечения многовалентных систем отопления.

Использование для горячей воды

Солнечные коллекторы применяются в качестве основного водонагревателя летом и дополнительного в зимнее время года. Система ГВС на вакуумных коллекторах, с апреля по сентябрь, стабильно обеспечивает высокую температуру подогрева жидкости. Установка с прямой теплоотдачей на 30 трубок, способна подогреть около 300 л. воды в течение одного дня, чего более чем достаточно для принятия душа 4-5 человек.

Зимой для нагрева воды мощности может быть недостаточно. В внешних накопительных баках дополнительно устанавливают электроТЭН, предназначенный компенсировать недостаток нагрева. Существуют решения, в которых для подогрева воды гелиосистемы работают одновременно с бойлером.

Горячее водоснабжение от солнечных вакуумных коллекторов, также, как и аналогичная система отопления, требует значительных первоначальных вложений, что и остается главным недостатком. Рентабельность применения достигается при коммерческом использовании гелиоводонагревателей. В гостиницах, кемпингах, отелях окупаемость систем достигается через 3-4 года.

Как выбрать коллектор вакуумного типа

Для начала следует определиться для какой цели выбирается гелиосистема. Для удовлетворения потребностей в ГВС в течение дачного сезона, подойдет моноблочный водонагреватель. Объем накопительного бака до 200 л.

Чтобы отапливать помещение используются исключительно вакуумные коллекторы с внешним баком косвенного нагрева. Следует ознакомиться со следующими техническими характеристиками:

• коэффициент тепловых потерь;
• параметры оптического КПД;
• площадь установки.

По указанным параметрам можно определить производительность вакуумного коллектора и в конечном счете высчитать окупаемость системы.

Как рассчитать мощность гелиоколлектора

Подбор гелиосистемы по производительности осуществляется в индивидуальном порядке. Во время расчетов вакуумных солнечных коллекторов учитывают: территориальное размещение, количество необходимой нагретой воды и т.д. Точные вычисления требуют наличия инженерных навыков.

Для приблизительных расчетов потребуется:

• определить коэффициент инсоляции (для Московской обл. равен 1137,7);
• узнать активную площадь абсорбции вакуумной трубки (в среднем 0,15 м²);
• с помощью технической документации узнать КПД коллектора (0,67).

Имея перечисленные данные можно высчитать мощность одной вакуумной трубки. Для этого умножаем все числители между собой. В итоге получаем, что в течение года одна колба способна произвести 117,95 кВт/час, что равняется 0,325 кВт/час в течение одного дня. Дальнейшие расчеты не представляют сложности. Умножаем полученную производительность на количество вакуумных колб:

• 15 трубок = 4,8 кВт/час;
• 20 трубок = 6,5 кВт/час;
• 30 трубок = 9,75 кВт/час.

Оптимальный расход теплоносителя высчитывается в согласии с средней нормой тепловой энергии для обеспечения потребностей ГВС в день. Для удовлетворения нужд в горячем водоснабжении, на одного человека требуется от 2 до 4 кВт.

Годовая инсоляция одного квадратного метра горизонтальной площадки в разных городах России в мегаваттах
Архангельск 0.85	Новосибирск 1.14	Петербург 0.93
Москва 1.01	Омск 1.26	Ростов-на-Дону 1.29
Екатеринбург 1.1	Астрахань 1.38	Махачкала 1,35

Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт*ч/м².
Астрахань, широта 46.4	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	32,4	52,9	95,5							81.7	45.0	26.6
Вертикальная панель	62.1	75.9	99.5		97.1	92.0	91.8				86.4	52.7
Наклон панели 35.0°	56.1	77.9									80.2	46.9
Вращение вокруг полярной оси	69.4	96.0							229			57,3
Владивосток, широта 43.1	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	72.7	93.2								94.3	64.6	57.8
Вертикальная панель				90.2	74. 9	64.4	66.9	79.0
Наклон панели — 50.0°
Вращение вокруг полярной оси
Москва, широта 55.7	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	16.4	34.6	79.4						82.9	41.4	18.6	11.7
Вертикальная панель	21.3	57.9		93.5					86.5	58.1	38.7	25.8
Наклон панели — 40.0°	20.6	53.0								60.7	34.8	22.0
Вращение вокруг полярной оси	21.7	62.3								71.6	42.2	26.0
Петрозаводск, широта 61	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	7.1	19,9	66,7						56,5	23.0	8.2	2.4
Вертикальная панель	20.0	41.3						98,1	67,6	36	14.4	2.8
Наклон панели — 45.0°	16,8	36.9							77.3	36.7	13.5	2.8
Вращение вокруг полярной оси	19.9	44.6							96.4	42.7	15.0	2.9	1463
Петропавловск-Камчатский, широта 53.3	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	30.2	49.6	94.3						91.0	64.4	33.6	23.3
Вертикальная панель	77.7	99.7			96.5	90.3	91.3	99.5	97.1		86.8	78.5
Наклон панели » 50.0°	70.6	95.9									81.6	69.8
Вращение вокруг полярной оси	80.2		181. 5								95.9	80.2
Сочи, широта 43.6	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	37.0	55.2	84.0							95.4	54.2	34.7
Вертикальная панель	65.8	76.5	78.1	80.0	86.9	86.2	95.7				97.6	67.6
Наклон панели — 35.0°	62.0	80.2									92.8	61.7
Вращение вокруг полярной оси	76.0	99.1										75.6
Южно-Сахалинск, широта 47	янв	февр	март	апр	май	июнь	июль	авг	сент	окт	нояб	дек	год
Горизонтальная панель	50.9	77.1								79.4	49.7	41.7
Вертикальная панель					90.3	81.9	82.9	87.3	99.5		97.9	97.7
Наклон панели 45.0°											94.8	87.2
Вращение вокруг полярной оси												99.9

Дневная сумма солнечной радиации, кВт*ч/м² горизонтальная площадка
Город	Янв	Фев	Март	Апр	Май	Июнь	Июль	Авг	Сент	Окт	Нояб	Дек	За год
Санкт-Петербург	0,35	1,08	2,36	3,98	5,46	5,78	5,61	4,31	2,6	1,23	0,5	0,2	2,8
Москва	0,5	0,94	2,63	3,07	4,69	5,44	5,51	4,26	2,34	1,08	0,56	0,36	2,63
Казань	0,68	1,44	2,82	4,29	5,52	5,93	5,72	4,49	2,86	1,51	0,83	0,54	3,06
Ростов-на-Дону	1,27	2,09	2,98	4,09	5,53	5,76	5,86	5,17	3,85	2,38	1,31	1	3,45
Нижний Новгород	0,64	1,45	2,75	3,95	5,34	5,6	5,5	4,27	2,69	1,45	0,75	0,45	2,91
Екатеринбург	0,64	1,5	2,94	4,11	5,11	5,72	5,22	4,06	2,56	1,36	0,72	0,44	2,87
Новосибирск	0,69	1,37	3,02	4,08	5,05	5,48	5,01	4,29	2,93	1,44	0,8	0,62	2,91
Хабаровск	1,64	2,72	4,11	4,61	5,39	5,86	5,42	4,53	3,81	2,56	1,72	1,28	3,64

Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт*ч/м². Оптимальный наклон площадки
Город	Январь	Февраль	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь	Ноябрь	Декабрь	В год
Москва	20,6	53				163		145		60,7	34,8	22
Воронеж	30,7	60,1	117	129	169	166	176	151	120	81,8	50,3	37,1	1245
Краснодар	42,8	77,8	127	147	178	171	194	172	148	123	81,7	55,6	1433
Махачкала	48,2	77	128	168	200	190	208	196	161	132	93	77,2	1581
Рязань	21,2	55	109	130	168	165	169	147	106	62,3	35,2	23	1174

Среднесуточное значение солнечной освещенности в Европе в кВт*ч/м² в день (наклон к югу, угол наклона к горизонту 30 градусов)
Месяц	Южная Европа	Центральная Европа	Северная Европа
Январь	2,6	1,7	0,8
Февраль	3,9	3,2	1,5
Март	4,6	3,6	2,6
Апрель	5,9	4,7	3,4
Май	6,3	5,3	4,2
Июнь	6,9	5,9	5
Июль	7,5	6	4,4
Август	6,6	5,3	4
Сентябрь	5,5	4,4	3,3
Октябрь	4,5	3,3	2,1
Ноябрь	3	2,1	1,2
Декабрь	2,7	1,7	0,8
За год	5	3,9	2,8

В солнечные летние дни температура в вакуумной трубке увеличивается до 300°С. Теплоотдача одной трубки увеличивается до 0,545 кВт/час, соответственно производительность блока прямого нагрева на 15 трубок, поднимается до 8 кВт/час.

Какой бренд выбрать и стоимость

На цену влияет несколько факторов:

• раскрученность бренда;
• территориальная принадлежность производителя;
• мощность гелиосистемы;
• сложность подключения.

В среднем цена за блок на 15 трубок обойдется порядка 50-90 тыс. руб. в зависимости от марки. Точную стоимость вакуумного солнечного коллектора рассчитывают в индивидуальном порядке.На отечественном рынке представлены коллекторы российского производства. Существует возможность выбрать продукцию европейских производителей. Судя по отзывам покупателей особой популярностью и востребованностью пользуются следующие модели:

1. Россия:
   • Атмосфера СВК-Nano
   • Сокол-Эффект
2. Европа:
   • Sunrain
   • Elecro Thermecro
   • Azuro
   • Vaillant auroTHERM exclusiv
   • Viessman Vitosol
   • Hummel HVC
   • Ecosystem
   • Sidite SCH

В сериях оборудования указанных производителей есть вакуумные коллекторы для бытового и коммерческого применения, работающие только летом и внесезонные модели.

Как установить вакуумный коллектор

Рекомендуется чтобы монтаж осуществляли специалисты компании, продавшей солнечный водонагреватель. Во время установки учитывают необходимый угол наклона коллектора, ветровую нагрузку. Принимается решение как лучше всего подключить блоки:

• встроить в кровлю;
• расположить на скате крыши;
• смонтировать на специальной рамной конструкции.

Установка моноблока не требует особого умения. Достаточно выбрать место под монтаж, способное выдержать нагрузку бака до 200 л. Что касается сборных систем, то работы выполняются в следующем порядке:

• Устанавливаются крепления для коллектора — конструкция повторяет формы черепицы или иного кровельного покрытия. Подходит для установки на керамическую, металлическую и битумную кровлю. Анкера входят в базовую комплектацию;
• На раму монтируют первый коллектор, после чего фиксируют специальными зажимными механизмами с четырех боков.
• Коллекторы собираются в единый блок при помощи специальных ниппелей. Чтобы избежать изменения в давлении и сбоев в работе вакуумного коллектора, допускается подсоединение панелей с равным количеством трубок.
• После затягивания всех гидравлических соединений, проводится проверка герметичности.

Основной принцип монтажа вакуумных солнечных коллекторов — тщательно соблюдать письменные указания и рекомендации, приложенные производителем.

В самом конце установки солнечных коллекторов выставляется оптимальный угол наклона с помощью рамы. В зимнее и летнее время года крен будет разным. Высчитывается угол по формуле:

• для лета — (широта (широта — 22,5 градуса)) ÷ 2;
• для зимы — (широта (широта 22,5 градуса)) ÷ 2.

Для всесезонных систем менять угол наклона придется каждые полгода, поэтому место установки выбирают с учетом доступности обслуживания коллекторов.

Согласно указу РФ №600 от 17.06.2015 при установке солнечных коллекторов полагается компенсация 30% стоимости за счет государства. При правильных расчетах и интенсивной эксплуатации гелиосистема окупится уже через 3-4 года. Если учесть, что средний срок службы вакуумных коллекторов 15 лет, выгода становится еще более очевидной.