Як зробити сонячний колектор для опалення своїми руками

Використання безкоштовної енергії сонця – вдалий спосіб заощадити паливо і електрику, які витрачаються на опалення приватного будинку. Масовому застосуванню геліосистем заважає висока ціна теплоприймачів і супутнього устаткування – накопичувального бака, циркуляційного насоса, електронного блока управління та іншої арматури. Єдиний спосіб знизити витрати – зробити сонячний колектор своїми руками з недорогих матеріалів і змонтувати стандартну схему обв’язки.

Принцип роботи сонячних нагрівачів

Перш ніж братися за виготовлення саморобної геліосистеми, варто вивчити будову заводських сонячних колекторів – повітряних та водяних. Перші використовуються для прямого опалення приміщень, другі застосовуються як нагрівачі води чи незамерзаючого теплоносія – антифризу.

Довідка. Повітряні установки не дуже популярні через обмежену функціональність. Водонагрівальні геліоколектори цікавіші, оскільки можуть забезпечувати роботу опалення, ГВП, піднімати температуру у відкритих басейнах.

Головний елемент геліосистеми – сам сонячний колектор, існує 3 різновиди таких пристроїв:

1. Плаский водяний нагрівач – це герметичний короб, утеплений знизу. В ньому розташований тепловий приймач (абсорбер) з металевого листа, на якому закріплений мідний змійовик. Зверху теплообмінник закритий міцним склом.
2. Конструкція повітряного колектора схожа на попередній варіант, тільки по трубках замість теплоносія циркулює повітря, що нагнітається вентилятором.
3. Будова вакуумного сонячного колектора кардинально відрізняється від пласких моделей. Апарат складається з міцних скляних колб з мідними трубками всередині. Їх кінці приєднані до 2 магістралей – прямої та зворотної, повітря з колб відкачане.

Доповнення. Існує й інший різновид вакуумних водяних нагрівачів, де скляні колби наглухо запаяні і наповнені спеціальною речовиною, вона випаровується за невисокої температури. При випаровуванні газ поглинає велику кількість теплоти сонця та передає її воді. Під час теплообміну речовина знову конденсується і стікає на дно колби, як показано на схемі.

Вказані типи колекторів використовують принцип прямої передачі теплоти сонячного опромінення (інакше – інсоляції) рідині чи повітрю. Плаский водонагрівач працює так:

1. Через мідний теплообмінник зі швидкістю 0.3–0.8 м/с рухається вода або антифриз, що прокачується циркуляційним насосом (хоча є і самопливні моделі для вуличного душа).
2. Промені сонця розігрівають абсорбуючий лист та щільно з’єднану з ним трубу змійовика. Температура теплоносія піднімається на 15–80 градусів залежно від сезону, часу доби і погоди надворі.
3. Щоб виключити теплові втрати, дно і бічні поверхні корпусу утеплені пінополіуретаном чи екструзійним пінополістиролом.
4. Прозоре верхнє скло виконує 3 функції: захищає селективне покриття абсорбера, не дозволяє вітру обдувати змійовик та створює герметичний повітряний прошарок, який утримує тепло.
5. Гарячий теплоносій з сонячного колектора надходить до теплообмінника накопичувального бака – буферної ємності чи бойлера непрямого нагріву.

Оскільки температура води в контурі нагрівача коливається разом зі зміною погоди і часу доби, сонячний колектор не може використовуватися для опалення та ГВП напряму. Отримана від сонця енергія передається основному теплоносієві через змійовик бака-акумулятора (бойлера).

Виняток – геліоустановки для басейнів, що нагрівають воду резервуара безпосередньо або через простий теплообмінник.

Ефективність трубчастих апаратів підвищена за рахунок вакууму і внутрішньої відбивної стінки у кожній колбі. Промені сонця вільно проходять крізь безповітряний прошарок та гріють мідну трубку з антифризом. Тепло не може подолати вакуум і вийти назовні, тому втрати мінімальні. Інша частина випромінювання потрапляє на відбивач і фокусується на водяній магістралі. За даними виробників, ККД установки сягає 80%.

Виготовляємо водяний колектор

Водонагрівач вакуумного типу зробити в домашніх умовах не вийде зі зрозумілих причин. Тому беремося за пласку конструкцію з теплообмінником і абсорбером, який збиратиме сонячні промені. В ідеалі треба розрахувати площу приймача і температуру води на виході, залежну від багатьох чинників:

• регіон проживання та рівень інсоляції;
• температура навколишнього середовища, особливо взимку;
• площа теплообмінної поверхні, що сприймає опромінення сонцем;
• матеріал і покриття змійовика;
• температура теплоносія на вході;
• кут нахилу панелі по відношенню до сонячних променів;
• швидкість течії води по трубах теплообмінника.

В інтернеті неважко відшукати розрахунки продуктивності сонячного колектора, але попереджаємо: обчислення дуже неточні.

Приклад. За основу приймається факт: в ясний день на 1 м² поверхні потрапляє 500–800 Вт енергії сонця. Далі за шкільною формулою m = Q / 1.163 х Δt визначаємо масу води, нагріту на 40 °C теплообмінником 1 м²: 500 / 1,163 х 40 = 10.7 літри на годину. При інсоляції 800 Вт/м² вдасться нагріти 17.2 л/ч. Та диявол криється в деталях: початковий показник 0.5–0.8 кВт на квадратний метр – цифра дуже приблизна.

Ми пропонуємо спрощений підхід, викладений у покроковій інструкції:

1. Визначте місце і площу, яку ви готові віддати під саморобний колектор.
2. Орієнтуючись за цінами на матеріали, виберіть відповідний варіант для виготовлення змійовика і корпусу.
3. Зробіть дослідний зразок, підключіть до опалення або водопостачання за правильною схемою. Способи підключення ми покажемо в наступних розділах статті.
4. Випробуйте нагрівальний контур і зробіть подальші висновки щодо нарощування/зменшенні потужності, зміни конструкції та інших моментів.

Тепер пройдемо кожен етап окремо, загострюючи увагу на підводних каменях.

Розміщення теплової установки

Власне, варіантів розташування саморобного колектора всього два: на даху будівлі або на відкритому майданчику прибудинкової ділянки. Вибираючи місце, дотримуйтеся простих правил:

1. Площадка має бути максимально освітлена протягом дня, не затінена деревами чи іншими господарськими будівлями.
2. Для встановлення на дах вибирається пологий скат, куди завжди потрапляє сонячне випромінювання. Зрозуміло, що крута частина ламаної мансардної покрівлі не підійде.
3. Сонячний колектор, призначений для опалення або гарячого водопостачання, не віддаляйте від будинку. Інакше збільшиться довжина подавальних трубопроводів, тепловтрати і вартість монтажу.
4. Наземний колектор орієнтуйте таким чином, щоб сонце, яке рухається зі сходу на захід, постійно освітлювало теплоприймач. Кут встановлення панелі – 60 ± 15°.

Примітка. Ефективність нагрівального елемента можна підвищити за допомогою параболічного сонячного концентратора, що збирає промені в єдиний пучок і направляє його на абсорбер. Конструкція і способи виготовлення увігнутого дзеркала показані на відео.

Сонячні установки, розраховані на підігрів води в літньому душі, розташовуються на даху цієї будівлі та приєднуються за самопливною схемою. Пристрої для нагріву басейнів розміщуються поруч з чашею резервуара.

Вибір матеріалів

Добірку комплектуючих для виготовлення сонячних водонагрівачів своїми руками ми зробили за відгуками на популярному форумі Forumhouse. Отже, прямокутний короб приймача зазвичай робиться з дерев’яного бруса чи готових рам старих вікон. Задня стінка корпусу утеплюється базальтовою ватою, пінопластом або екструзійним пінополістиролом.

Порада. Дно короба можна зробити з фольгованого полімерного утеплювача. Металевий шар послужить абсорбером – ставити додатковий сталевий лист не доведеться.

Теплообмінники домашні умільці виготовляють з різноманітних труб:

• поліетиленові чорні (ПНД);
• гофрована нержавіюча сталь;
• мідні та алюмінієві;
• поліпропілен, металопластик;
• зшитий поліетилен;
• панельні сталеві радіатори старого зразка.

З точки зору ефективності та довговічності краще застосовувати трубки з алюмінію, міді та нержавіючої сталі, що мають ліпшу теплопровідність. Недолік матеріалу – висока ціна.

Пластикові труби значно дешевші металевих та простіші в монтажі. Але при використанні полімерів треба враховувати ряд нюансів:

• будь-які пластмаси поступово руйнуються під впливом ультрафіолетового випромінювання;
• стінки труб ППР занадто товсті, погано проводять тепло;
• якісний металопластик занадто дорогий для наших цілей, а дешевий нерідко розшаровується на вигинах і швидко руйнується на сонці;
• зшитий поліетилен «запам’ятовує» початковий вигин в бухті, з нього зручно робити кільцевий змійовик, а випрямити непросто;
• труби ПНД треба купувати харчові (з синьою смугою), вони краще захищені від ультрафіолету.

Довідка. Найпростіший варіант теплообмінника для басейну – чорний садовий шланг, покладений «равликом». Мінус матеріалу – розтріскування гуми від тривалого впливу сонця.

Тонкостінні труби ПНД – вдалий вибір за співвідношенням ціна/якість. Чорна поверхня добре поглинає сонячне тепло, з’єднувальні фітинги коштують недорого. До абсорбера трубопровід кріпиться пластиковими хомутами або жерстяною смугою на саморізах.

Для абсорбуючого листа можна застосувати звичайну або нержавіючу сталь, забарвлену в чорний колір. Ідеальний варіант – листовий алюміній чи мідь.

Верх короба закривається будь-яким прозорим матеріалом на вибір:

• звичайне або армоване скло;
• прозора поліетиленова плівка;
• тонкий стільниковий полікарбонат.

Порада. Для світлопрозорого елемента не застосовуйте готові склопакети від пластикових вікон. Взимку при великому перепаді температур між вуличним повітрям і закритою камерою колектора двошаровий пакет не витримує і тріскається.

Рекомендації з виготовлення колектора

Процес виготовлення сонячного колектора настільки очевидний, що розписувати покрокові інструкції не має сенсу. Задача – змайструвати максимально герметичну камеру, встановивши всередині теплообмінник на металевому абсорбері. Дамо кілька порад, щоб уберегти вас від помилок:

1. Труби теплообмінника можна укладати поздовжньо або спіраллю (равликом). Відстань між сусідніми лініями (витками) робіть невеликою – 1…4 см.
2. Герметичність корпусу досягається промазуванням стиків силіконовим герметиком чи прокладанням гумових ущільнювачів.
3. Трубки кріпляться до основи будь-яким зручним способом – пластмасовими хомутиками, металевою смугою або просто фіксуються з боків саморізами.
4. Вся внутрішня порожнина забарвлюється термостійкою емаллю чорного кольору (продається в аерозольних балончиках).
5. Товщина теплоізоляційного шару на задній стінці водонагрівача – мінімум 50 мм.
6. Зверху найпростіше натягнути прозору плівку – це кращий варіант для дослідного екземпляра. Згодом її неважко замінити на скло.

Ще рекомендація. Дерев’яні деталі треба обробити антисептиком. Раму, зварену з сталевих профілів, покрийте грунтовкою і 2 шарами світлої фарби.

Після складання панелі теплоприймача заповніть змійовик водою і перевірте на герметичність. Потім проведіть випробування сонячного колектора – підключіть підводки до бака, встановіть панель на сонці та періодично вимірюйте температуру води, враховуючи час нагрівання. На основі реальних показників нескладно з’ясувати продуктивність водонагрівача.

Процес виготовлення саморобного колектора з мідним теплообмінником дивіться на відео:

Схема підключення

Колектор, призначений для підігріву води в душі, під’єднується до накопичувального бака за самопливною схемою. Важлива умова: геліоустановка має стояти нижче основної ємності, щоб гаряча вода меншої щільності піднімалася трубою та витісняла холодну. Конструкція такої системи показана на кресленні.

При підключенні до бойлера чи теплоакумулятора сонячний колектор виступає як повноцінне джерело тепла. Виробники геліосистем пропонують використовувати двотрубну напірну схему, до якої входять обов’язкові елементи обв’язки:

• циркуляційний насос, що розвиває тиск 0.4 Бар;
• розширювальний бак мембранного типу;
• автоматичний розповітрювач;
• клапан запобіжний, розрахований на спрацьовування від тиску 2 Бар;
• манометр;
• термометр;
• запірна арматура, вентиль підживлення;
• контролер з двома датчиками температури;
• теплоізоляція для підвідних трубопроводів.

Важливий момент. Якщо до буферної ємності підключається батарея з декількох колекторів, продуктивність насоса і об’єм розширювального бачка треба збільшити. Мінімальна місткість мембранного резервуара – 10% від загальної кількості теплоносія в контурі.

Схема функціонує так:

1. Теплоприймач приєднується до нижнього змійовика буферної ємності, де вода холодніша.
2. Контролер за допомогою датчиків порівнює температуру води (антифризу) в подавальній трубі і теплоакумуляторі.
3. Електронний блок зупинить насос, коли температура води в резервуарі дорівнюватиме або перевищуватиме температуру теплоносія на подачі.
4. Повітря скидається через автоматичний клапан, встановлений у верхній точці системи.
5. У разі перегріву теплоносія через зупинку насоса (адже сонце вимкнути неможливо) спрацює запобіжний клапан і стравить зайвий тиск.

Найдорожчий елемент схеми – електронний блок управління. Як можна обійтися без контролера:

• купити на Aliexpress дешевий термостат, що спрацьовує за різницею температур;
• встановити таймер день-ніч та механічний термостат, що відключатиме насос при максимальному нагріві буферної ємності.

Як працює дешевий китайський блок управління (ціна 15 у. о.), дивіться на відео:

Опалення повітряною геліосистемою

Установка підігріву повітря робиться аналогічно, тільки теплообмінник виготовляється з труб більшого діаметру, а нагнітання забезпечує вентилятор. Приймач сонячного повітряного колектора умільці складають з таких матеріалів:

• алюмінієва гофра для вентиляції;
• пластикові пляшки, вставлені одна в іншу;
• пивні банки з вирізаним дном.

В коробі робиться 2 отвори під повітряні труби, всередині прокладається дрібна сітка, що виключає потрапляння комах. Вентилятор – кулер від комп’ютера – встановлюється на одному з отворів, теплообмінна частина забарвлюється в чорний колір. Підвідні труби утеплюються та прокладаються в опалюване приміщення. Алгоритм складання повітряного колектора показаний у відеосюжеті:

Заключний висновок

Привабливість сонячних колекторів обумовлена ​​зростанням цін на енергоносії. Хоча взимку продуктивність водонагрівачів знижується, сонячне тепло дає помітну економію по витраті палива основним джерелом – котлом. Якщо ви хочете максимально обігрівати свій заміський будинок безкоштовною енергією сонця, радимо звернути увагу на установки з дзеркальними концентраторами. Ці вкрай ефективні пристрої широко застосовуються в країнах Європи і Америки.