Назначение гелиоколлектора, его достоинства и недостатки

Солнечный водонагреватель (жидкостной гелиоколлектор) — это устройство, которое с помощью энергии Солнца нагревает теплоноситель. Он применяется для отопления помещений, организации горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах и т. д.

Гелиоколлектор, установленный на крыше здания

Солнечный коллектор обеспечит дом горячей водой и теплом

Предпосылками для использования экологичного водонагревателя является тот факт, что солнечное излучение падает на Землю круглый год, хоть и отличается интенсивностью зимой и летом. Так, для средних широт суточное количество энергии в холодное время года достигает 1–3 кВт*ч на 1 кв.м, тогда как в период с марта по октябрь эта величина варьируется от 4 до 8 кВт*ч/м2. Если же говорить о южных регионах, то цифры можно смело увеличивать на 20–40%.

Как видно, эффективность работы установки зависит от региона, но даже на севере нашей страны гелиоколлектор обеспечит потребность в горячей воде — главное, чтобы на небе было поменьше туч. Если же говорить о средней полосе и южных областях, то работающая от Солнца установка сможет заменить бойлер и перекрыть потребности теплоносителя отопительной системы в зимнее время. Разумеется, речь идёт о производительных водонагревателях в несколько десятков квадратных метров.

На основе чего будет работать

Помимо решения вопроса о целесообразности, нужно также определиться, какое топливо будет использоваться. Существуют следующие варианты:

  • Газ;
  • Твердое топливо (дрова, уголь, брекеты);
  • Электричество.

Как сделать накопительный водонагреватель своими руками

Следует отметить, что самостоятельно работать с газом крайне опасно и запрещено. Такой водонагреватель соответствующие службы врядли воспримут с восторгом. Плюс, наказания за несоблюдение норм пожарной безопасности в этом случае не избежать.

Использовать твердое топливо – один из оптимальных вариантов в частном доме, но не в реалиях городской квартиры. В последнем случае – использование электричества для работы нагревающих элементов не лучшая, но самая безопасная основа для последующей работы собранного своими руками водонагревателя. Да и проводить ремонт такого устройства будет намного легче!

Виды солнечных водонагревателей: выбор конструкции для самостоятельного изготовления

В зависимости от температуры, которую развивают гелионагреватели, различают:

  • низкотемпературные устройства — рассчитанные на подогрев жидкости до 50 °C;
  • среднетемпературные гелиоколлекторы — повышают температуру воды на выходе до 80 °C;
  • высокотемпературные установки — нагревают теплоноситель до температуры кипения.

В домашних условиях можно построить солнечный водонагреватель первого или второго типа. Для изготовления коллектора высоких температур понадобится промышленное оборудование, новые технологии и дорогостоящие материалы.

По конструкции все жидкостные гелиоколлекторы разделяются на три вида:

  • плоские водонагреватели;
  • вакуумные термосифонные устройства;
  • гелиоконцентраторы.

Как сделать накопительный водонагреватель своими руками

Плоский солнечный коллектор представляет собой невысокий теплоизолированный короб. Внутри установлена светопоглощающая пластина и трубчатый контур. Поглощающая панель (абсорбер) имеет повышенную теплопроводность. За счёт этого удаётся достичь максимальной передачи энергии теплоносителю, циркулирующему по контуру водонагревателя. Простота и эффективность плоских установок нашла отражение в многочисленных конструкциях, разработанных народными умельцами.

Конструкция плоского гелиоколлектора

Внутри плоского гелиоколлектора — светопоглощающая пластина и трубчатый контур

Принцип действия вакуумных солнечных водонагревателей основан на эффекте термоса. В основе конструкции лежат десятки двойных стеклянных колб. Внешняя трубка изготавливается из ударопрочного, закалённого стекла, которое противостоит граду и ветру. Внутренняя трубка имеет специальное напыление для увеличения светопоглощающей способности.

Предлагаем ознакомиться  Как сделать каркас для труб в туалете

Из пространства между элементами колбы откачан воздух, что позволяет избежать тепловых потерь. В центре конструкции проходит медный тепловой контур, заполненный легкокипящим теплоносителем (фреоном) – он и является нагревателем вакуумного гелиоколлектора. В процессе технологическая жидкость испаряется и передаёт тепловую энергию рабочей жидкости главного контура.

Принцип работы вакуумного гелиоколлектора

В основе конструкции вакуумного гелиоколлектора — множество двойных стеклянных колб

Гелиоконцентратор в основе имеет сферическое зеркало, способное фокусировать солнечное излучение в точку. Нагрев жидкости происходит в спиральном металлическом контуре, который размещают в фокусе установки. Достоинством гелиоконцентраторов является способность развивать высокую температуру, но необходимость в системе слежения за Солнцем снижает их популярность у самодельщиков.

Гелиоконцентратор

Построить производительный гелиоконцентратор в домашних условиях — задача непростая

Для изготовления в домашних условиях лучше всего подходят плоские солнечные нагреватели, построенные с использованием теплоизоляционных материалов, стекла с высокой пропускающей способностью и медных абсорберов.

Предварительные приготовления

Перед тем как заниматься проектированием, расчетами и покупкой комплектующих, нужно определиться, каким будет водонагреватель – проточным или накопительным. Если проточным, то нужно позаботиться о том, чтобы в частном доме не было перебоев с поставками воды. Когда эти вопросы решены, будет достаточно грамотно подключить устройство к крану, душу или мойке.

С накопительным водонагревателем все намного проще – нужно смонтировать и подвесить его на стену так, чтобы горячая вода в процессе использования вытекала из бака под собственным весом или под свежим напором.

Перед тем как перейти к рассмотрению пошаговой инструкции по изготовлению и установке водонагревателя нужно запастись всем необходимым.

Устройство и принцип действия плоского гелиоколлектора

Самодельный солнечный водонагреватель состоит из плоской деревянной рамы (короба) с глухой задней стенкой. На дне размещается главный элемент устройства — абсорбер. Чаще всего он изготавливается из металлического листа, присоединённого к трубчатому коллектору. От контакта пластины абсорбера с трубами теплообменника зависит эффективность передачи энергии, поэтому эти детали приваривают или припаивают непрерывным швом.

Сам жидкостной контур представляет собой массив из вертикально установленных трубок. В верхней и нижней части они присоединяются к горизонтальным трубам увеличенного диаметра, которые предназначаются для подачи и отбора теплоносителя. Входное и выходное отверстие для жидкости располагают диагонально — за счёт этого обеспечивается полный отъём тепла от элементов теплообменника. В качестве теплоносителя используется антифриз для систем отопления или другие незамерзающие растворы.

Абсорбер покрывается светопоглощающей краской, сверху кладут стекло, а короб защищают слоем теплоизоляции. Для упрощения задачи площадь остекления делят на части, а чтобы увеличить производительность, применяют стеклопакеты. Закрытая конструкция создаёт в гелиоколлекторе эффект термоса и одновременно предотвращает потери тепла из-за ветра, дождя и других внешних факторов.

Оборудование и материалы

Для сборки накопительного водонагревателя нам понадобится:

  • Сварочный аппарат;
  • Газовый баллон (новый, без вентиля или старый, ранее использованный);
  • Метчик;
  • Гайка (32 мм);
  • Плашка;
  • Дрель и сверла по металлу;
  • Нагревающий элемент (ТЭН) с регулятором температуры;
  • Газовый ключ;
  • Пакля или защитная смазка (ею будем покрывать ТЭН);
  • Набор отверток;
  • Пластиковые водопроводные трубы;
  • Шаровые краны;
  • Провода, зажимы, клеммы для подключения к электросети;
  • Обратный клапан;
  • Крепежные детали для фиксации на стене.

Назначение гелиоколлектора, его достоинства и недостатки

Безусловно, напорные самодельные накопительные водонагреватели, сконструированные своими руками, будут удобнее в эксплуатации. Но для их сборки требуются дополнительные вложения и знания. Такие системы должны оснащаться циркуляционным насосом, чтобы поддерживать давление в 1 атм или подключаться к уже проведенной в дом системе водопровода.

Предлагаем ознакомиться  Гидроизоляция пола в ванной под плитку своими руками

Если же бюджет ограничен и нет возможности приобретать подобное дополнительное оборудование, или вообще отсутствует система водоснабжения в доме, стоит обратить внимание на безнапорный вариант. Такой водонагреватель своими руками можно сделать из обычного ведра или кастрюли большой емкости. Главное — монтировать такое устройство повыше, чтобы вода выбегала из него под действием силы притяжения. Но придется все время следить за наполнением накопительного резервуара и температурой воды.

Особенностью солнечных водонагревателей, построенных своими руками, является то, что практически все устройства имеют одинаковую конструкцию теплоизолированного короба. Часто каркас собирается из пиломатериалов и покрывается минеральной ватой и теплоотражающей плёнкой. Что же касается абсорбера, то для его производства используют металлические и пластиковые трубы, а также готовые узлы от ненужного бытового оборудования.

Из садового шланга

Сложенный улиткой садовый шланг или водопроводная ПВХ-труба имеет большую площадь поверхности, что позволяет использовать подобный контур в качестве водонагревателя для нужд летнего душа, кухни или подогрева бассейна. Разумеется, для этих целей лучше брать материалы чёрного цвета и обязательно использовать накопительную ёмкость, иначе в пик летней жары абсорбер будет перегреваться.

Солнечный коллектор из шланга

Плоский коллектор из садового шланга — простейший способ подогревать воду в бассейне

Внешний теплообменник отслужившего свой срок холодильника или морозильной камеры является готовым абсорбером гелиоколлектора. Всё, что остаётся сделать — дооборудовать его теплопоглощающим листом и установить в корпус. Конечно, производительность такой системы будет маленькой, но в тёплое время года водонагреватель из деталей холодильного оборудования перекроет потребности в горячей воде небольшого загородного дома или дачи.

Коллектор из холодильника

Теплообменник старого холодильника представляет собой практически готовый абсорбер для небольшого гелионагревателя

Изготовление гелиоколлектора из стального радиатора не потребует даже монтажа абсорбирующей пластины. Достаточно покрыть устройство чёрной жаростойкой краской и смонтировать его в герметичный кожух. Производительности одной установки с лихвой хватит для системы горячего водоснабжения. Если же сделать несколько водонагревателей, то можно сэкономить на отоплении дома в холодную солнечную погоду. К слову, собранная из радиаторов гелиоустановка обогреет подсобные помещения, гараж или теплицу.

Коллектор из радиатора

Стальной радиатор системы отопления послужит основой для постройки экологичного водонагревателя

Трубы из металлопластика, полиэтилена и полипропилена, а также фитинги и приспособления для их монтажа позволяют строить контуры гелиосистем любой площади и конфигурации. Такие установки обладают хорошей производительностью и используются для обогрева помещений и получения горячей воды на хозяйственные нужды (кухня, ванная и т. д.).

Коллектор из полипропилена

Достоинство гелиоколлектора из пластиковых труб — невысокая стоимость и простота монтажа

Из медных трубок

Как сделать накопительный водонагреватель своими руками

Абсорберы, построенные из медных пластин и трубок, обладают самой высокой теплоотдачей, поэтому с успехом применяются для подогрева теплоносителя отопительных систем и в горячем водоснабжении. К недостаткам коллекторов из меди относятся большие трудозатраты и стоимость материалов.

Медный гелиоколлектор

Применение медных труб и пластин для изготовления абсорбера гарантирует высокую производительность гелиоустановки

Расчёт производительности солнечного гелиоколлектора ведут исходя из того, что на 1 кв.м установки в ясный день приходится от 800 до 1 тыс. Вт тепловой энергии. Потери этого тепла на обратной стороне и стенках сооружения рассчитываются по коэффициенту теплоизоляции используемого утеплителя. Если применять пенополистирол, то для него коэффициент теплопотерь равняется 0,05 Вт/м × °C.

Предлагаем ознакомиться  Системы воздушного отопления: как устроить своими руками

При толщине материала в 10 см и разности температур внутри и снаружи конструкции 50 °C потери тепловой энергии составляют 0,05/0,1 × 50 = 25 Вт. С учётом боковых стенок и труб эту величину удваивают. Таким образом, суммарное количество уходящей энергии составит 50 Вт с 1 кв.м поверхности солнечного нагревателя.

Для нагрева 1 л воды на один градус потребуется 1,16 Вт тепловой энергии, поэтому для нашей модели гелиоколлектора площадью 1 кв.м и температурного перепада 50 °C удастся получить условный коэффициент производительности 800/1,16 = 689,65/кг × °C. Эта величина показывает, что установка площадью 1 кв.

Расчёт необходимой производительности солнечного водонагревателя ведут по формуле W = Q × V × δT, где Q — теплоёмкость воды (1,16 Вт/кг × °C); V — объём, л; δT — разность температур на входе и выходе из установки.

Статистика говорит, что для одного взрослого человека требуется 50 л горячей воды в сутки. В среднем, для горячего водоснабжения достаточно поднять температуру воды на 40 °C, что при расчёте по этой формуле требует затрат энергии W = 1,16 × 50 × 40 = 2,3 кВт. Чтобы узнать площадь гелиоколлектора, это значение нужно разделить на количество солнечной энергии, приходящееся на 1 кв.м поверхности на данной географической широте.

Инфографика для расчёта параметров гелиоколлектора

Расчёт требуемых параметров гелиоустановки

Для размещения гелиоколлектора выбирают просторное место, которое не затеняется весь световой день. Монтажный кронштейн или подрамник изготавливают из деревянных реек или металла с таким расчётом, чтобы наклон водонагревателя регулировался в пределах от 45 до 60 градусов от вертикальной оси.

Установка гелиоколлектора

Для установки солнечного водонагревателя собирают опорную раму

Подключение к бойлеру косвенного нагрева или тепловому аккумулятору выполняют с использованием резьбовых фитингов и медных, металлопластиковых или многослойных полипропиленовых труб. Их укрывают слоем теплоизоляции.

Схема подключения гелиоколлектора

Схема подключения гелионагревателя в системе с принудительным движением теплоносителя

Как сделать накопительный водонагреватель своими руками

Накопительный бак для уменьшения тепловых потерь размещают как можно ближе к установке. В зависимости от условий организуют естественную или принудительную циркуляцию теплоносителя. В последнем случае используют контроллер с термодатчиком, врезанным в выходной патрубок. Прокачка рабочей жидкости по контуру будет включаться, когда её температура достигнет запрограммированного значения.

Сезонно-работающую систему заправляют водой, тогда как круглогодичное использование солнечного водонагревателя требует применения незамерзающей жидкости. Идеальный вариант -специальный антифриз для гелиосистем, но для экономии используют и жидкости, предназначенные для автомобильных радиаторов или бытовых отопительных систем.

Пошаговая инструкция для изготовления водонагревателя своими руками

Используем б/у баллон в качестве бака, обрабатываем нитрогрунтовкой его внутреннюю поверхность. Для этого сначала разрезаем сваркой его пополам, после проведенных процедур вновь тщательно спаиваем. Если этого не сделать, то вода будет пахнуть газом.

С помощью дрели просверливаем 2 отверстия: для подачи холодной (нижняя часть баллона) и оттока горячей воды (сверху). Нарезаем метчиком резьбу, устанавливаем шаровые краны.

Включаем в схему обратный клапан на вводе холодной, воды, чтобы она не вытекала обратно. В месте крепления вентиля баллона привариваем гайку. Устанавливаем (вкручиваем по резьбе) ТЭН.

На холодном водоотводе (на одном из его концов) делаем рассекатель. Для ограничения теплопотерь, изолируем всю конструкцию (используем подложку с фольгою под ламинат). Крепим полученное устройство для нагрева воды к стене.

Дальше остается лишь правильно подключить водонагреватель к электросети. То, как это будет сделано – непринципиально. Можно смонтировать рядом розетку и использовать штепсельную вилку, когда его нужно включить. Или предварительно сделать нужную разводку с использованием автоматического выключателя и реле напряжения. Схемы подключения – различны, Но – ничего сложного в них нет.

Что касается проточных водонагревателей, то они в силу высокой мощности потребления тока малоприменимы в частном доме. Наиболее популярен выше рассмотренный тип устройства, который намного легче сделать своими руками без каких-либо сложностей.

https://www.youtube.com/video/YB68GhPBYBQ

Если уж сильно хочется иметь проточный водонагреватель в своем частном доме, то его конструкцию можно включить в цепь автономного отопления и использовать нагревательные элементы такой нагрузки, которую выдерживает бытовая сеть без горения изоляции и выбивания предохранителей.