Солнечные коллекторы: плоские и вакуумно-трубчатые. Проблемы закипания. Расчёт и монтаж. Выбор теплоносителя

Солнце — самый мощный источник энергии в доступных нам пределах. Неудивительно, что, когда перед человечеством забрезжила проблема энергоресурсов, оно стало одной из перспективных альтернатив газу, углю, нефти и другим невозобновляемым ресурсам. И уже много лет энергию ближайшей к Земле звезды можно эффективно использовать для нагрева воды в системах отопления и ГВС — с помощью специально созданных для этих целей солнечных коллекторов.

Попытки использовать солнечную энергию в бытовых целях совершались и ранее. Примитивные прообразы солнечных коллекторов, выполненные в виде металлических ёмкостей с водой (бочек, баков и т. д.), выставленных на крышах построек, до сих пор можно встретить в богатых солнцем регионах России и зарубежья. Но КПД подобных решений оставляет желать лучшего — не изолированные от окружающей среды, они, нагреваясь, сами начинают излучать тепло обратно в атмосферу. И даже окраска поверхностей в чёрный цвет, что тоже активно практикуется, не помогает.

Современные солнечные коллекторы — совсем иное дело. Их конструкция разработана таким образом, чтобы получать максимально возможное количество тепла из солнечного излучения. Установленные в них пластины­ абсорберы тоже чёрные, но в данном случае цветом они обязаны не просто краске, а особому селективному покрытию, которое увеличивает теплопоглощение поверхности. Пластины изготавливают из материала с хорошей теплопередачей — меди или алюминия. Окружающее абсорберы пространство тщательно теплоизолируют. И даже стёкла в них применяются не обычные, а со специальными добавками, уменьшающими отражающую способность стекла. Проще говоря, в гелиоколлекторах предусмотрены все меры, чтобы внутрь них поступало как можно больше солнечной энергии, а терялось как можно меньше.

Для эффективной работы солнечному коллектору требуется прямой контакт с солнечными лучами — его всегда размещают на открытом пространстве. Поэтому при изготовлении этого оборудования ответственные производители применяют материалы, устойчивые к воздействию осадков (снега и дождя), ветра, низких и высоких температур.

СОЛНЕЧНЫЙ ФАКТОР

В силу того, что источником энергии для нагрева воды в гелиоколлекторах служит солнечный свет, их применение имеет свою специфику. Интенсивность солнечного излучения непостоянна. Она меняется в зависимости от климата региона, продолжительности светового дня и т. д. Панели высокоэффективны летом в ясную погоду, но их производительность существенно снижается в зимнее время. При этом в зависимости от принципа работы гелиоколлектора (а их по меньшей мере три основных вида) его КПД при разных условиях освещения и температуры воздуха может быть неодинаков.

Время суток тоже влияет на работу приборов: в полдень, в пик солнечной активности, они получают максимум тепла, но с наступлением темноты поток бесплатной энергии исчезает. Поэтому коллекторы будут работать на нагрев не круглые сутки (в отличие от котла или, например, теплового насоса), а лишь часть дня. Чтобы использовать полученное ими тепло ночью, утром или вечером (то есть в периоды, когда солнечного света поступает немного или нет вовсе), его нужно накапливать.

Эффективность работы солнечного коллектора напрямую зависит от количества полученной им от солнца энергии. Соответственно, играет роль территориальный фактор: в одних регионах страны солнечной энергии за год поступает очень много, в других — значительно меньше, а потому и коллекторы в первом случае будут работать с высокой производительностью, во втором — с более низкой. Принято считать, что использование гелиоколлекторов рационально в тех регионах, где на 1 м2 за год приходит свыше 1 МВт солнечной энергии. Впрочем, учитывать стоит не только годовые показатели, но и сезонные — по месяцам. В России наиболее благоприятны для использования солнечных коллекторов Краснодарский и Алтайский края, некоторые области Дальнего Востока. В средней полосе они также могут применяться, но их эффективность будет больше зависеть от времени года.

Все эти факторы нужно учитывать при проектировании системы водоснабжения или отопления, в которой будут применяться солнечные коллекторы.

Полученное тепло может использоваться для горячего водоснабжения, отопления, нагрева воды в бассейнах и т. д. В летний период гелиоколлекторы наиболее эффективны для обеспечения нагрева воды для системы ГВС. В богатых солнцем южных регионах они также послужат для подготовки горячей воды весной и осенью. Кроме того, в жаркий летний сезон они могут подогревать воду в бассейнах.

В межсезонье коллекторы востребованы также для поддержки систем отопления — полученное ими тепло позволит частично снять нагрузку с котла. В некоторых случаях коллекторы применяются в системах отопления и зимой, однако такая возможность зависит от региона и от вида самого коллектора.

Солнечные коллекторы принято располагать под углом. На скатных крышах возможно использовать для этого наклон самой кровли.  Для горизонтальных поверхностей применяют специальные монтажные конструкции. Фото: Ariston

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

В настоящее время распространены три основных вида гелиогелиоколлекторов, каждый из которых отличается конструкцией и свойствами. Это плоские коллекторы и два вида вакуумно­трубчатых– прямоточные и с «тепловой трубой».

Плоские солнечные коллекторы

Плоские (или, как их также называют, плоскопанельные) представлены на рынке наиболее широко. Причина тому — относительно невысокая (по сравнению с моделями других типов) стоимость и простая конструкция.

В основе плоского солнечного коллектора — «змеевик» из медной трубки, к виткам которого приварены пластины­абсорберы из меди или алюминия. Тыльная сторона пластины, обращённая к солнцу, обработана селективным покрытием — оно увеличивает степень поглощения солнечной энергии абсобрером. Пластина быстро нагревается и передаёт тепло медной трубке «змеевика», а от неё уже греется циркулирующий по трубке теплоноситель.

Поскольку горячая пластина, как и любое нагретое тело, и сама начинает излучать ИК­волны, теряя, таким образом, часть накопленной энергии, в солнечном коллекторе предусмотрены меры по сохранению тепла. «Змеевик» с пластинами установлен в прямоугольном корпусе с теплоизолированным дном. Сверху короб закрыт стеклом, которое пропускает солнечные лучи, но не даёт коллектору терять тепло из­за нагрева окружающего его воздуха. Стекло выполняет и защитные функции — препятствует попаданию внутрь коллектора пыли, мусора, влаги и снега. Это важно, ведь загрязнённые участки пластин не будут поглощать солнечную энергию с расчётной эффективностью. Некоторые производители выпускают полностью герметичные коллекторы, заполненные внутри инертными газами. В отличие от воздуха в таком газе отсутствует кислород и водяной пар, поэтому внутренние металлические части коллектора не подвергаются окислению и коррозии, а стёкла не запотевают изнутри.

Однако, несмотря на хорошую теплоизоляцию, плоские коллекторы всё же теряют долю полученного тепла, и чем выше разница температур внутри коллектора и снаружи, тем больше теплопотери. Из­за этого при расчёте эффективности коллектора при работе в течение года степень использования плоскопанельных моделей (рассчитывается как отношение количества тепловой солнечной энергии, переданной системе теплоснабжения, к количеству энергии солнечного излучения на поверхность коллекторов) не очень высока и составляет около 30 %. Поэтому плоские модели хорошо подходят для установки в южных регионах, где количество солнечных дней велико, а среднегодовая температура выше. При работе в средней полосе эффективность солнечных коллекторов снижается — по мере наступления холодов солнечной энергии в него поступает всё меньше (особенно при рассеянном освещении), а потери тепла возрастают.

Чтобы увеличить эффективность плоских коллекторов и продлить сезон их эксплуатации, некоторые производители применяют различные технологии, позволяющие коллекторам получить и сохранить больше солнечной энергии. Примером тому может служить использование не обычного стекла, а особого — особо «чистого», очень гладкого, прочного (выдерживает удары градин большого диаметра), с низким содержанием железа (что позволяет уменьшить потери на отражение). Антибликовое покрытие также позволяет собрать больше света, так как меньше лучей будет отражаться от его поверхности. Эти меры, конечно, влияют и на стоимость коллекторов — модели со специальными стёклами, качественной и усиленной теплоизоляцией, хорошей герметизацией корпуса дороже, чем коллекторы с обычными стёклами, но, с другой стороны, они и намного эффективнее последних.

Кстати, в Германии уже не редкость коллектор, установленный на вращающейся тарелке, которая оснащена специальными датчиками и благодаря автоматике поворачивает панель к солнцу. Таким образом немецкие жители собирают все «солнечные крохи».

	Схема строения плоского солнечного коллектора на примере солнечной панели Meibes
	Схема строения вакуумного трубчатого коллектора на примере гелиоколлектора Viessmann Vitosol 200‑T

Прямоточные вакуумно­трубчатые солнечные коллекторы

Коллекторы этого типа имеют конструкцию совершенно иного рода, чем у плоскопанельных. У них нет единого корпуса, а пластины абсорберов расположены каждый в отдельной стеклянной вакуумной трубке. Отсутствие воздуха или других газов внутри трубки исключает возникновение конвекции и, как следствие, передачи тепла от абсорбера стеклу. Вакуум обеспечивает теплоизоляцию коллектора. Для подачи теплоносителя внутрь вакуумных труб к абсорберам применяются специальные коаксиальные медные трубки. По внутренней стороне такой трубки течёт холодный теплоноситель, достигая её конца, он перетекает во внешнюю часть, уже соединённую с абсорбером. Там теплоноситель нагревается и, покинув вакуумную трубку, попадает в общую собирающую трубу контура.

По сравнению с плоскопанельными коллекторами у прямоточных вакуумных моделей значительно более высокая степень использования системы — около 60 %. Это связано с тем, что такие гелиоколлекторы способны получать тепло и из рассеянного света. Некоторые производители предусматривают возможность при монтаже коллекторов поворачивать трубки вокруг своей оси, чтобы они находились в более выгодном относительно солнца положении и получали больше света.

Поскольку теплоизоляция трубки коллектора обеспечивается только вакуумом, её герметичность приобретает особое значение. Даже лёгкое повреждение трубки может привести к заполнению её воздухом и снижению эффективности работы этого сегмента коллектора. Так как и воздух, и вакуум для человеческого глаза одинаково прозрачны, определить «на глазок», что с трубкой что­то не в порядке, сложно. Для таких ситуаций разработана особая технология, которая уже применяется некоторыми производителями вакуумных гелиоколлекторов. Она основана на свойстве некоторых химических веществ‑газопоглотителей (или, иначе говоря, геттеров) изменять цвет при контакте с воздухом. В коллекторах обычно в качестве такого «индикатора» применяют бариевый геттер. Находясь в безвоздушной среде, геттер выглядит, как покрытие металлического цвета (обычно его наносят на внутреннюю часть трубки в торце, чтобы покрытие не мешало проникновению в коллектор солнечных лучей). Но если в трубку попадает воздух, барий вступает с ним в контакт и белеет — становится видно, что трубка разгерметизировалась.

Ремонт прямоточных вакуумно­трубчатых коллекторов зависит от их конструкции. В некоторых моделях для замены трубки требуется опорожнять систему. Но в современных коллекторах всё чаще предусматривают возможность замены трубки без слива теплоносителя из контура.

Вакуумно­трубчатые солнечные коллекторы с принципом «тепловой трубы»

Внешне эти коллекторы отчасти схожи с прямоточными вакуумно­трубчатыми моделями — у них тоже есть вакуумные трубки. Вот только принцип работы таких моделей совсем иной. В каждой из этих трубок создана отдельная независимая система. Там располагается тонкая трубка, внутри которой содержится небольшое количество теплоносителя. Давление в трубке ниже, чем в атмосферном воздухе, а значит, жидкость закипает при значительно более низких температурах, чем в обычных условиях. Образовавшийся пар поднимается в верхнюю часть трубки — конденсатор, который через теплообменник контактирует с собирающей трубой основного контура гелиосистемы. Труба контура имеет особую форму — она изогнута таким образом, чтобы плотно охватывать конденсатор с максимально возможной площадью соприкосновения — ведь от неё зависит эффективность теплообмена. Теплоноситель в собирающей трубе нагревается, в то время как пар в тепловой трубке остывает и конденсируется обратно в жидкость. Цикл повторяется снова и снова.

Независимая конструкция трубок даёт коллектору определённые преимущества. В частности, такие модели очень просто монтировать — сначала устанавливают шины для фиксации трубок и собирающую часть коллектора, а затем в теплообменники по очереди вставляют конденсаторы всех трубок. Чтобы сделать эту процедуру ещё удобнее, производители снабжают конденсаторы гибкой подводкой. При монтаже возможно повернуть трубки так, чтобы на них попадало больше солнечных лучей в течение дня. В случае повреждения любую трубку легко заменить — достаточно вынуть вышедшую из строя и установить на её место новую, целую.

У ряда моделей вакуумно­трубчатых коллекторов с «тепловой трубой» существует ограничение на угол монтажа — их нужно располагать в пространстве под углом не менее 20 градусов. Это обусловлено тем, что пар в тепловых трубках должен подниматься вверх, к теплообменнику, а конденсат — стекать естественным образом вниз. Но сейчас на рынке уже есть коллекторы этого типа, допускающие горизонтальный монтаж — например такие модели есть в ассортименте Viessmann.

Коллекторы с «тепловыми трубами» более адаптированы к суровым климатическим условиям, чем плоские и даже прямоточные вакуумно­трубчатые. Они не требуют подготовки к морозам — в трубке так мало жидкости, что даже если она замёрзнет, то ничего не сможет повредить.

Гелиоколлекторы с «тепловыми трубами», как и прямоточные вакуумно­трубчатые коллекторы, могут получать тепловую энергию и от рассеянного солнечного света. Это позволяет им работать на обогрев и в облачную погоду, и в межсезонье, и зимой. Такие коллекторы наиболее эффективны при использовании на протяжении всего года, но и по стоимости они превосходят и плоскопанельные, и прямоточные вакуумно­трубчатые коллекторы.

ЗАКИПАНИЕ — НЕ ПРОБЛЕМА

Одна из специфических проблем солнечных коллекторов — стагнация системы. Этим термином обозначают состояние системы, при котором останавливается процесс передачи тепла от теплоносителя к жидкости в накопителе, из­за чего теплоноситель продолжает нагреваться всё больше и больше и в конечном счёте закипает. Чаще всего эта ситуация возникает при избытке тепла в накопителе, когда заполняющая его жидкость настолько прогрелась, что уже не в силах забирать тепло. Также стагнация может наступить при внезапной остановке насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя в контуре. Кипение теплоносителя влечёт за собой разные негативные последствия. Во‑первых, пар не способен получать и отдавать тепло с той же эффективностью, что и жидкость, и до момента его конденсации в жидкое состояние контур работать не будет. Во‑вторых, после нескольких закипаний теплоноситель на основе незамерзающей жидкости придёт в негодность или даже загустеет, что приведёт к необходимости очистки контура гелиосистемы.

В случае нагрева теплоносителя котлом в такой ситуации сработала бы автоматика котла: подача топлива в котёл прекратится, нагрев теплоносителя остановится. Но солнце — не котёл, его нельзя заставить прекратить излучать тепло. Поэтому меры по предотвращению перегрева теплоносителя должны быть направлены только на компоненты системы. Производители решают проблему по­разному.

Один из вариантов защиты системы от перегрева заключается в создании дополнительного нагревательного контура. Этот вариант подходит для решения проблемы избытка тепла в основном контуре, когда вода в накопителе уже нагрета до предела. В этом случае поток теплоносителя из контура солнечного коллектора перенаправляется в другой контур, оснащённый собственным накопителем, и уже новая порция воды принимает тепло. Этот способ, помимо прочего, позволяет создавать дополнительные запасы горячей воды. Если в доме или возле него есть бассейн, он тоже может стать потребителем излишков тепла — в нём очень много воды, и она не достигнет той температуры, когда уже не сможет забирать тепло. Но нужно сказать, что такие схемы защиты от перегрева возможны только при исправно работающем насосе.

Другой вариант решения проблемы — автоматический слив теплоносителя из контура при остановке насоса. Подобное решение предлагает, в частности, немецкая компания Vaillant. При этом теплоноситель сливается в специальную ёмкость, откуда посредством второго насоса возвращается обратно в контур. Контур в этой системе разделён на две независимые части: нагретый теплоноситель из гелиоколлектора попадает в теплообменник и отдаёт тепло жидкости из второй части контура, которая, в свою очередь, течёт далее к буферному накопителю. Объём контура гелиосистемы невелик, поэтому и ёмкость, куда сливается теплоноситель при остановке насоса, имеет небольшой
объём.

Если заранее известно, что коллектором не будут пользоваться определённое время, лучше накрыть его на время простоя во избежание перегрева.

	Пример установки коллектора на скатной кровле. Фото: Bosch
	Коллектор Viessmann Vitosol 200T (Тип SD2A) в качестве навеса

КОЛЛЕКТОР И КОМПАНИЯ

Солнечный коллектор служит источником тепла для нагрева теплоносителя, однако функционирующая гелиосистема включает и другие элементы, каждый из которых играет свою, не менее важную роль.

Жидкость, циркулирующая по трубкам коллектора, — не та же самая, что течёт в системе отопления или тем более ГВС. Контур гелиосистемы независим и заполнен, как правило, незамерзающим теплоносителем. Некоторые производители коллекторов рекомендуют использовать для этих целей теплоноситель их собственной марки. Вода также может выполнять эту функцию, но у неё есть недостаток — низкая температура замерзания. Из­за этого перед наступлением холодов воду из системы придётся сливать, в противном случае образовавшийся в морозы лёд может разорвать трубы и серьёзно повредить коллекторы.

Для передачи тепла из контура коллекторов в систему ГВС или отопления, а также его аккумуляции применяются теплообменники и специальные накопители. В зависимости от функций коллектора в системе в роли накопителей могут выступать ёмкостные водонагреватели или буферные ёмкости.

Ёмкостный водонагреватель чаще всего используется для подготовки и хранения воды для системы ГВС. Это ёмкость большого объёма, в которую встроен теплообменник в виде медного «змеевика», куда и поступает теплоноситель из коллекторного контура. Вода в ёмкости нагревается от «змеевика», её температура постепенно растёт, а остывший теплоноситель возвращается обратно в коллектор. Водонагреватель снабжён хорошей теплоизоляцией, поэтому жидкость в нём нагревается до высоких температур. Кроме того, теплоизоляция позволяет сохранять тепло в ёмкости и в тёмное время суток, когда коллектор бездействует — так что даже ночью у потребителей будет запас горячей воды для бытовых нужд. Вода из накопителя поступает непосредственно в систему ГВС.

Тем не менее, поскольку коллектор работает не круглосуточно и зависит от состояния погоды, ёмкостному водонагревателю может потребоваться дополнительный источник тепла для подогрева воды. Поэтому в систему часто включают водонагреватель не с одним встроенным теплообменником, а с двумя (бивалентный) или даже с несколькими (мультивалентный). В этом случае вода в ёмкости может нагреваться от контура котла, бойлера или теплового насоса.

В некоторых случаях (например, в системах, где гелиоколлекторы служат для поддержки системы отопления) применяются не ёмкостные водонагреватели, а буферные накопители, где встроенных теплообменников нет. Передача тепла от контура коллекторов к теплоносителю системы отопления здесь происходит в теплообменнике насосной группы.

Необходимый объём накопителя для системы ГВС или отопления вычисляют исходя из площади солнечных коллекторов в контуре. Принято считать, что на 1 м2 площади апертуры коллектора требуется от 50 л жидкости, которая будет накапливать тепло. При меньшем запасе жидкости возрастёт риск перегрева контура. Если ёмкость применяется для хранения запаса воды для ГВС, учитывают также и нормы потребления воды людьми — рассчитывают, сколько воды требуется в сутки для всех жильцов, и полученную цифру увеличивают в 1,5­2 раза, чтобы создать запас.

Циркуляцию теплоносителя в контуре коллекторов обеспечивает насосная группа. Если для аккумуляции тепла в системе используется буферная ёмкость, группу выбирают с теплообменником (обычно применяется медный пластинчатый), для систем с водонагревателями в качестве накопителей достаточно установить прямоточную группу без теплообменника. Работой насос­ ной группы управляет контроллер, который анализирует информацию о температуре теплоносителя в контуре и жидкости в накопителе. Датчики, передающие ему эту информацию, устанавливают в коллекторах (производители предусматривают в конструкции моделей гильзы для монтажа датчиков). Другие датчики располагают под кожухом накопителя. Если в аккумулирующей ёмкости температура жидкости ниже, чем в контуре коллектора, теплоноситель будет циркулировать по «змеевику», чтобы нагревать воду. Если же, напротив, в контуре гелиоколлектора теплоноситель холоднее (например, ночью или в пасмурную погоду), контроллер выключит насос, иначе в накопителе начнётся обратный процесс — вода будет греть солнечные коллекторы. Сами контроллеры могут различаться по стоимости и функциональности. Самые простые модели управляют работой контура с одним накопителем, опираясь только на разность температур. Модели с расширенным функционалом могут управлять системами с несколькими ёмкостями, учитывать при анализе информации данные о погоде, работать в связке с другим оборудованием (котлом, тепловым насосом и т. д.) и обеспечивать донагрев воды.

Также контур солнечного коллектора включает систему трубопроводов (в ней применяются металлические трубы и фитинги, выдерживающие высокие температуры), расширительный бак, воздухоотводчики и ряд других вспомогательных элементов.

Все вышеперечисленные элементы системы реально приобрести по отдельности. Но некоторые производители предлагают уже готовые пакетные решения, включающие собственно коллектор, накопитель, насосную группу и контроллер. Такие решения позволяют сэкономить средства и время на поиск подходящего друг к другу оборудования.

Подключение солнечного коллектора Buderus. Схема

РАСЧЁТ И МОНТАЖ

При подборе площади коллекторов стоит учитывать несколько факторов. Важно определиться, для чего их планируется использовать (ГВС, поддержка отопления, комбинированное использование, нагрев бассейна и т. д.), так как в зависимости от назначения коллекторы должны будут показывать максимальную производительность в разные месяцы (например, в летний период в отоплении нет необходимости, оно востребовано в межсезонье и зимой). Зная ориентировочное количество солнечной энергии, которое коллектор может получить, располагаясь в данном регионе и находясь под определённым углом к горизонту и ориентацией по азимуту (всю информацию легко найти в справочных материалах производителей панелей), рассчитывают его производительность. Потребность системы ГВС или отопления в тепле также поддаётся расчёту. Исходя из этих данных вычисляют необходимую площадь апертуры коллекторов в системе.

Чаще всего солнечные коллекторы монтируют на крыше — это более удобный способ, так как кровля обычно не входит в число «полезной площади» для человеческого быта. Установленный там коллектор не будет мешать, его сложнее повредить. Гелиоколлекторы хорошо крепить на скатных крышах, так как в этом случае кровля обеспечивает наклон, который часто необходим коллектору для эффективного поглощения солнечных лучей. Организовать монтаж гелиоколлекторов на плоской крыше тоже несложно — производители предлагают специальные виды крепежа с несущими конструкциями, которые позволяют смонтировать коллектор на горизонтальной поверхности. Некоторые модели коллекторов допускают установку на фасадах домов, балконах и даже на земле (опять же при помощи несущих конструкций).

На территории России плоскость коллектора должна быть направлена в южную сторону. Впрочем, если условия не позволяют смонтировать коллектор именно таким образом (например, если склон крыши развернут не строго на юг), возможен монтаж с небольшими отклонениями в сторону запада или востока (но не более 45 градусов). Оптимальный угол наклона к горизонту зависит от того, в каком направлении в итоге будет размещён коллектор (на юг или с отклонениями в какую­либо сторону), от региона и от того, в какое время года предполагается его использовать. Например, в южных регионах коллекторы устанавливают под небольшим углом (30–35 градусов), а в средней полосе угол уже должен быть больше — 40 градусов и выше (так, для Москвы оптимальным считается угол порядка 50 градусов). При установке коллектора также следует учитывать климатические условия (например, угол наклона должен быть достаточным для того, чтобы на коллекторе снег не скапливался, а скатывался естественным образом). Наконец, важно соблюсти и требования производителей: для каждого коллектора рассчитаны допустимые границы угла наклона.

Солнечные коллекторы зачастую применяют не по одиночке, а устанавливая сразу несколько приборов в ряд и создавая так называемые гелиополя. Для упрощения монтажа производители оснащают устройства быстроразъёмными соединительными элементами.

Статья опубликована в летнем выпуске журнала «Потребитель. Всё для стройки и ремонта» ЛЕТО 2014