Як використовувати сонячну енергію, практичні поради

03.02.2015 8271 0
 Як використовувати сонячну енергію, практичні поради

Поки енергоресурси нестримно дорожчають, сонце гріє землю щодня і абсолютно безкоштовно. Простий розрахунок показує, що при місячній витраті води для миття 100 літрів на одну людину, то на її підігрівання треба витратити близько 90 кВт*година в місяць або 1080 кВт*годин за рік. При цьому літнім днем в Києві при ясній погоді на майданчик площею 1 м2 сонце за годину посилає 1 кВт*годину енергії або в середньому 8 кВт*година за день. Очевидно, що якщо зуміти використовувати хоч би частину цієї безкоштовної сонячної енергії для гарячого водопостачання, то можна отримати значну економію.

Гаряча вода за допомогою нагрівального бака 

Найпростішою системою для сонячного водопостачання будинку є нагрівальний бак. Це просто місткість для води, яка гріється вдень сонячними променями. Проте, такий простий сонячний нагрівач дуже ефективний для постачання теплою водою в літній час і отримав широке застосування для так званого «літнього душу». 

Якщо нагрівальний бак укомплектувати резервуаром для зберігання теплої води, то можна отримати ще ефективнішу сонячну нагрівальну установку, яка забезпечуватиме Вас теплою водою влітку і окупиться за кілька сезонів. Розглянемо такий сонячний водонагрівач детальніше. 
  
Найважливішою частиною сонячної системи, звичайно, є сам нагрівальний бак. Це може бути будь-яка місткість для води, наприклад, сталевий куб, бочка або декілька труб великого діаметру. 

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

 

Сталеві труби для нагрівання води сонцемСталеві труби для нагрівання води сонцем

 

Поліетиленовий нагрівальний бак для літнього душуПоліетиленовий нагрівальний бак для літнього душу

Якщо такий бак просто покласти під прямі сонячні промені, то в жаркий сонячний день вода в ньому нагрівається до кінця дня до 40-45 º цього, цілком вистачає для побутових потреб. Але якщо теплу воду не витратити увечері, 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 у кінці дня, або зливом теплої води в утеплювальну 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 треба підніматися до місця установки бака. Більше того, оскільки в похмурий день вода в нагрівальному баку нагрівається лише до 25-30 ºС, її у будь-якому випадку доведеться догрівати. 

Схема роботи простого сонячного водонагрівачаСхема роботи простого сонячного водонагрівача

На малюнку зображена схема роботи простої системи для підігріву води сонцем, яку можна зібрати своїми руками. Водонагрівальна система складається з нагрівального бака, бойлера, а також з 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 водопровід закривається краном (1). У кінці дня, коли вода в нагрівальному баку нагріється і її треба буде злити в бойлер, для цього відкривається кран (3). Якщо ж нагрівальний бак не треба використовувати, то можна просто закрити кран (2) і бойлер використовується в звичайному режимі. 

Датчик рівня водиДатчик рівня води

Датчик рівня води

Міру наповнення бака зручно контролювати датчиком рівня води, який можна закріпити на кришці бака. Для водопроводу добре підійдуть металопластикові або поліпропіленві труби для холодної води (оскільки в системі низький тиск). Про зборку трубопроводу з поліпропіленових труб можна дізнатися із статті Монтаж поліпропіленових труб

Такий спосіб підігрівання 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 ºС. 

Сонячний колектор із металопластикових трубСонячний колектор із металопластикових труб

Пасивний сонячний водонагрівач 

Щоб підігрівати воду сонячним теплом не лише в теплу погоду, але і в прохолодніше міжсезоння (березень, квітень, вересень, жовтень), нагрівальний бак не може бути використаний через занадто високі тепловтрати. Для цього його доведеться замінити ефективнішим сонячним колектором. У інтернеті можна знайти немало описів ефективних активних сонячних систем, які вимагають використання автоматики. Але розглянемо максимально просту та зручну пасивну систему сонячного водонагрівача, тобто таку, яка працює сама по собі без використання насоса. 

Передусім, треба зробити сонячний колектор. Якщо проаналізувати безліч відомих конструкцій сонячних колекторів, то можна дійти висновку, що визначальним чинником для надійності, вартості та простоти збірки сонячного колектора є матеріал його теплообмінника. Найнадійнішими вважаються металеві труби, наприклад, тонкостінні мідні або сталеві, але вони коштують дорого, а їх збір трудомісткий. До того ж теплообмінник із металевими трубами має значну вагу, що вимагає міцного короба та ускладнює установку. 

Садовий шланг можна використовувати для сонячного колектораСадовий шланг можна використовувати для сонячного колектора
Сонячний колектор із гумового шлангаСонячний колектор із гумового шланга

Зручніші та дешевші теплообмінники з поліпропіленових і металопластикових труб, але термічні деформації при нагріванні сонцем і велика кількість з'єднань, збільшує вірогідність протікання і так само підвищує трудомісткість при збірці. 

Усіх цих недоліків позбавлений теплообмінник із садового шланга. Його збірка полягає лише в тому, що шланг треба викрутити у вигляді спіралі. Відсутність з'єднань та гнучкість шланга гарантує відсутність протікання, а довжина шланга дозволяє підвести воду безпосередньо від колектора до трубопроводу всередині будинку без проміжних з'єднань. 

Простий сонячний колектор із садового шланга зображений на малюнку. Він складається з шибки (1), шланга (2) та пінопласту як теплоізоляції та основи (3). Принцип його роботи дуже простий – короткохвильове сонячне випромінювання проходить через скло, нагріває шланг із водою. Від нагрітого шланга починається випромінювання вже довгохвильового спектру, яке значно відбивається склом. Таким чином, сонячні промені потрапляють в так звану «теплову пастку». При установці сонячного колектора оптимальний кут нахилу буде 35º влітку і 40º весною-восени. 

Схема роботи сонячного водонагрівача з колектором із гумового шлангаСхема роботи сонячного водонагрівача з колектором із гумового шланга

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 зливній воді перестануть підмішуватися бульбашки повітря, означає – у 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 і використання нагрітої води або роботи бойлера в звичайному режимі треба закрити кран (3). 

Як бачимо, робота цього бойлера не вимагає складного та дорого устаткування, єдиний мінус такої простої системи це те, що треба періодично включати і відключати подачу води в сонячний колектор краном (3). При похмурій погоді нагрів води таким сонячним колектором відбувається частково, іншу частину потрібно буде «догрівати» бойлером, що все одно дає економію. Враховуйте при цьому, що при похмурій погоді або в міжсезонні бойлер повинен буде включатися на нагрів у 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 треба враховувати, що 1 метр шланга зовнішнім діаметром 25 мм ясним днем при +25 ºС нагріває 3,5 літри гарячої (до + 45 ºС) води. А при +32 ºС нагріває 3,5 літри гарячіше до + 50 ºС. Кількість середніх сонячних годин протягом року для м. Київ вказаний в таблиці 1. 

Таблиця 1. Кількість середніх сонячних годин для м. Київ
Місяць
Години
Місяць
Години
Місяць
Години
Січень
2
Травень
8
Вересень
6
Лютий
3
Червень
8
Жовтень
4
Березень
5
Липень
8
Листопад
2
Квітень
6
Серпень
7
Грудень
1


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

Нижня межа зовнішньої температури повітря, при якій спостерігається економія при ясній погоді, буде +5 до +8 ºС. При заморозках воду з колектора краще всього злити, хоча ця конструкція стійка до заморожування. 

Основні матеріали для сонячного колектора з гумового шлангаОсновні матеріали для сонячного колектора з гумового шланга

  
Шланг для такого сонячного водонагрівача підійде з гуми або армований із ПВХ. Внутрішній діаметр шланга не має бути менше 19 мм, можна і більше. Але якщо діаметр буде меншим, то значно підвищується гідравлічний опір системи, що сповільнює природне перемішування води за рахунок термосифонного ефекту. Так само, пише iBud.ua, не бажано вибирати шланг із товщиною стінки менше 2,5 мм, оскільки шланг із тонкими стінками погано тримає форму і часто перегинається. Садовий шланг не дорогий. Так, армований шланг із ПВХ з внутрішнім діаметром 19 мм і завтовшки стінки 3 мм залежно 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 ефекта сама форма шланга не має значення, оскільки вода в шланзі рівномірно прогріта, важлива різниця рівнів між холодною водою в бойлері та гарячою водою в колекторі. Тому для виникнення стійкого термосифонного ефекту бойлер має бути підведений над верхньою частиною сонячного колектора по крайній мірі на 60 см Так само треба прагнути максимально зменшити довжину підвідного трубопроводу, оскільки, чим довші труби, тим більша сила тертя, яка перешкоджає перетіканню води з колектора в накопичувач (бойлер). 

Закріплення гумового шланга у вигляді спіралі для сонячного колектораЗакріплення гумового шланга у вигляді спіралі для сонячного колектора

Щоб понизити тепловтрати конвекцією, задня частина шланга утеплюється пінопластом. Так само потрібно загерметизувати проміжок між склом та пінопластом. Для цього можна підкласти між склом і пінопластом м'яке прокладення з поролону або склеїти скло і пінопласт клеєм на водній основі (клей з органічним розчинником може розчинити пінопласт). Наприклад, можна використовувати клей для пінопласту або клей ПВА. 

Для фіксації форми шланга сонячного нагрівача у вигляді спіралі, він прив'язується до будь-якої трубки або бруска. Щоб закріпити його на пінопласті його досить просто прив'язати. 

Скло обов'язково треба використовувати віконне. Органічне скло або полімерна плівка не підійдуть, оскільки вони дуже погано затримують довгохвильове випромінювання. Між склом та поверхнею шланга має бути проміжок 12-20 мм. На склі не має бути відбиваючих селективних покриттів (i -скло), таке скло відбиває значну частину сонячного випромінювання. 

М'яка пінополіетиленова теплоізоляція для трубМ'яка пінополіетиленова теплоізоляція для труб Жорстка теплоізоляція для труб із пінополіуретана фольгірованаЖорстка теплоізоляція для труб із пінополіуретана фольгірована

Що стосується вибору між одинарним та подвійним склінням, то тут треба враховувати два чинники. При подвійному склінні менші тепловтрати, але більший коефіцієнт віддзеркалення сонячного світла. А оскільки чим вища температура навколишнього повітря, тим менші тепловтрати, то виходить: 

– якщо сонячний нагрівач використовуватиметься переважно в теплу пору року, то краще одинарне скління; 

– якщо ж в прохолодне, то тоді вигідніше стає подвійне. 

Хомут для гумових трубХомут для гумових труб

Висновки шланг, який виходять назовні, для зниження тепловтрат треба теплоізолювати. Для теплоізоляції всередині опалювального приміщення і при протязі водопроводів не більше 3 м досить використовувати звичайну м'яку теплоізоляцію з пінополіетилена для труб. 

Для протяжніших ділянок, а так само для теплоізоляції зовнішніх трубопроводів треба використовувати потужнішу жорстку теплоізоляцію для труб із фольгірованого пінополіуретана. 

Під'єднувати 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 надіватиметься. 

Описана конструкція пасивного сонячного нагрівача з колектором може заощадити до 80% енергії для гарячого водопостачання влітку і до 40% весни та осені, що за рік складе близько 400 кВт*година заощадженої енергії на одну людину.

Джерело "iBud.ua"