Солнечный коллектор, его устройство и эксплуатация

Отопление дома, горячее водоснабжение — пожалуй, наиболее трудоёмкое и дорогостоящее дело в домашнем хозяйстве. Задачу можно существенно упростить за счёт использования солнечной энергии посредством так называемой солнечной архитектуры. Принципы такой архитектуры сформулировал ещё Сократ, и они широко использовались в древности: дом должен быть обращён высоким фасадом на юг, а северный фасад должен быть ниже, чтобы уменьшить влияние холодных северных ветров; южный фасад должен иметь открытый портик, глубина которого должна быть достаточной для укрытия стен фасада от жаркого высокостоящего летнего солнца; зимой же низкие солнечные лучи свободно проникают в портик, принося тепло и свет.

В мировой практике строительства, в том числе и в северных странах, за последние десятилетия практически воплощено множество различных проектов солнечных домов. Тепловой режим в них изменяется таким образом, что позволяет за счёт солнечной энергии иметь минимальные теплопотери здания зимой и минимально вредные тепловые поступления летом. В солнечных домах теплоснабжающие гелиосистемы окупаются за минимальный срок, имеют высокую тепловую эффективность. Как правило, солнечные дома отличаются свежестью интерьера, являются открытыми для солнца круглый год.

Как показывают исследования, использование солнечной энергии в этих целях эффективно и в условиях Беларуси. Дело в том, что здесь преобладает рассеянное излучение от небосвода и отражённое — от поверхности земли, общая интенсивность которых может в несколько раз превышать интенсивность прямого излучения. Поэтому суммарное излучение (прямое, рассеянное и отражённое) можно с успехом использовать для нагрева воды и отопления здания. Как же сделать это практически?

Солнечный коллектор.Основным методом преобразования солнечного излучения в тепловую энергию является так называемый «парниковый эффект», создаваемый обыкновенным оконным стеклом, которое пропускает практически всю энергетическую часть солнечного излучения, не пропуская обратно тепловое излучение от нагретых солнцем тепловоспринимающих элементов гелиосистемы. Непосредственное восприятие солнечного излучения осуществляется с помощью солнечного коллектора, который конструируется по принципу «тёплого ящика» (его наиболее простая конструкция показана на рис. 77).

Рис. 77. Солнце в отоплении дома. А. Солнечные коллекторы: а — общий вид (конструкция) простого водяного плоского солнечного коллектора (а1 — вид в разрезе, 1 — шланг полиэтиленовый или резиновый, 2 — стекло, 3 — деревянный корпус, 4 — теплоизоляция из пенопласта, соломы и т.п., 5 — холодная вода, 6 — нагретая вода); 6 — общий вид (конструкция) водяного солнечного коллектора (61, 62, 63 — разрезы с различными вариантами тепловоспринимающих элементов, 1 — стекло, 2 — медная или латунная трубка диаметром 10—15 мм, 3 — сварка или пайка, 4 — стальной зачернённый лист толщиной 0,7—1 мм, 5 — теплоизоляция, 6 — корпус, 7 — металлические полосы с профилем для трубки, 8 — холодная вода, 9 — нагретая вода);

в — водонагревательные гелиоустановки с естественной циркуляцией воды (в1 — при непрерывной подпитке от водопровода, В2 — при периодическом наполнении установки, 1 — солнечный коллектор, 2 — бак-аккумулятор, 3 — крышка, 4 — теплоизоляция, 5 — водопровод, 6 — поплавковый клапан, 7 — шланг, 8 — отстойник, 9 — кран для спуска воды, 10 — перегородка, 11 — поплавок, 12 — водозаборный наконечник, 13 — отверстие для залива воды, 14 — резиновый шланг (15 отверстий, перегородки); г — зависимость оптимального угла установки (а₀) коллектора от времени года; д — ориентировочная зависимость полученной гелиосистемой полезной теплоты (q) за сутки и средней полезной мощности (W) от 1 м солнечного коллектора: W₀ — при установке коллектора под углом а₀, W_b q_в — для вертикального коллектора. Б. Гелиосистема воздушного отопления и вентиляции, пристроенная к существующему неотапливаемому зданию: а — общий вид (а1, а2, аз — вид в разрезе); б — схема работы гелиосистемы (1 — стекло, 2 — полиэтиленовая плёнка, 3 — бетонная стена цокольного этажа, 4 — тепловоспринимающая поверхность, покрытая ламповой сажей, 5 — вытяжной воздуховод, 6 — приточный воздуховод,

7 — клапан приточного воздуха, 8 — клапан режима вентиляции, У — непрозрачное покрытие, 10 — остекление парника); в — гелиосистема воздушного отопления, пристроенная к существующему массивному зданию (в 1 — вид южного фасада в разрезе 1 — 1); г — разрез гелиосистемы; д — схема гелиосистемы (1 — стекло, 2 — полиэтиленовая плёнка, 3 — нагревательные элементы из кровельной стали), 4 — кирпичная стена, 5 — каналы многопустотного железобетонного покрытия, 6 — сборный воздушный канал, 7 — вертикальный канал для предотвращения обратной циркуляции в ночное время, 8 — приточный канал, 9 — воздушный нижний канал коллектора, 10 — воздушный распределительный канал).

Тепловоспринимающим элементом здесь является скрученный в виде плоской спирали чёрный полиэтиленовый или резиновый шланг. Интенсивность облучения коллектора максимальна при перпендикулярном расположении плоскости коллектора к солнечным лучам. Но солнце находится в постоянном движении, а коллектор установлен неподвижно относительно земли. Поэтому обеспечить максимальный тепловой поток на коллектор в течение светового дня невозможно. Из анализа климатических характеристик района можно определить оптимальные углы установки солнечного коллектора относительно горизонта для различных периодов года, которые для условий Беларуси приведены на рис. 77Агд.

Такие коллекторы входят в состав водонагревательных гелиосистем, весьма эффективных в летний период. Гелиоустановки горячего водоснабжения могут быть отдельно стоящими (например, в виде душевых) либо совмещаться с горячим водоснабжением дома. Эффективная и в то же время доступная для самостоятельного изготовления конструкция водяного коллектора приведена на рис. 77А6. Для его изготовления нежелательно применять стальные трубки, так как они подвергаются интенсивной коррозии под действием кислорода воздуха, выделяющегося из холодной воды при её нагревании. Обязательным элементом системы является водяной бак-аккумулятор, из верхней зоны которого отбирается вода потребителем.

Именно в верхней зоне собирается наиболее горячая вода, поэтому для получения значительного расслоения температуры воды по высоте бака рекомендуется изготавливать его удлинённым по вертикали с ориентировочным соотношением ширины к высоте 1:2. Рабочий объём бака можно принимать из расчёта 50—100 л на 1 м2 поверхности солнечного коллектора. На рис. 77Ав предлагаются две простые и эффективные гелиоустановки с естественной циркуляцией воды между коллектором и баком. Они могут быть использованы для отдельно стоящих душевых или для ванных комнат жилых домов.

В последнем случае бак удобнее располагать в объёме чердака. Одна из установок (рис. 77Ав) работает при постоянном уровне воды в баке, который поддерживается от водопровода (5) с помощью поплавкового клапана (6). При отсутствии водопровода можно использовать установку с периодическим наполнением бака, уровень воды в котором уменьшается при водоразборе (рис. 77АВ2). В крышке (3) должно предусматриваться отверстие для выхода пара в случае вскипания воды.