Самодельные солнечные водонагреватели

Принцип действия солнечного водонагревателя

Для того чтобы изготовить работающий солнечный водонагреватель, нужно понять его принцип работы. Лучше всего рассмотреть схему работы водонагревателя на примере вакуумного водонагревателя промышленного изготовления. Такое устройство может подогревать воду даже в зимнее время при умеренных морозах. Всё, что для него нужно, это солнце.

Это необходимо для того, чтобы избежать потери тепла и исключить воздействие окружающей среды.

Функционирование  вакуумного солнечного водонагревателя состоит из следующих этапов:

• Рабочее вещество во внутренней трубке под действием солнечного тепла переходит в парообразное состояние. Пар поднимается в верхнюю часть;
• Через стенки этой трубки рабочее вещество контактирует с водой, которая проходит по медному коллектору в верхней части водонагревателя. В результате рабочее вещество нагревает воду в коллекторе;
• Рабочее вещество охлаждается, переходит в жидкое состояние и стекает вниз трубки;
• После этого цикл повторяется;
• Вода, которая была нагрета в медном коллекторе, проходит по змеевику бойлера и подогревает воду во внутреннем контуре. И эта вода уже используется для отопления или ГВС.

На изображении ниже показана схема работы вакуумного солнечного водонагревателя.

Принцип работы вакуумного водонагревателя

Медную трубку змеевика чаще всего припаивают к пластине из меди (или другого металла с высокой теплопроводностью) или запрессовывают в неё. Эта пластина вместе со змеевиком выкрашивается в чёрный цвет, чтобы лучше собирать солнечное тепло. Лицевая сторона плоского коллектора защищена прочным стеклом. Все стыки должны быть промазаны термостойким герметиком.

Плоский солнечный водонагреватель

Он эффективно работает только в летнее время года и в безоблачную погоду. Такая конструкция может быть собрана своими руками.

Принцип действия

Изготовленные на заводе коллекторы могут нагревать воду даже зимой. Чтобы собрать аналог такого устройства дома необходимо понимать принцип его работы. Изготовленные в заводских условиях конструкции имеют презентабельный внешний вид.

Само устройство фактически является батареей – собирается оно из большого количества трубок. Обычно для сборки применяется кварц. Внутри каждого цилиндрического контейнера присутствует ещё один – окрашенный в черный цвет, наполненный веществом меняющим свое агрегатное состояние на газообразное при низких температурах

Из пространства между двумя стеклянными цилиндрами откачан воздух, создается вакуум. Таким способом удается решить сразу две задачи:

· избежать потери тепловой энергии;

· снизить влияние окружающей среды.

Стороны стеклянных трубок зафиксированы внутри коллектора имеющего горизонтальное расположение. По ним протекает вода. Под воздействием солнечного света трубы быстро, эффективно поглощают тепло. После чего энергия передается воде за счет испарения и обратного процесса – конденсации.

Алгоритм работы конструкции, изготовленной в заводских условиях, следующий:

1. происходит нагревание рабочего тела, вещество переходит в газообразное состояние;

2. пар становится легче воздуха, поднимается в верхнюю часть стеклянных цилиндров;

3. накопленная энергия передается воде, происходит нагрев;

4. пар становится жидкостью, возвращается в свое первоначальное состояние.

Водонагреватели часто подключаются к змеевику – косвенного нагрева. Это позволит нагреть теплоноситель для системы отопления дома.

Важная особенность кварцевого стекла – оно пропускает ультрафиолетовое излучение. Именно это позволяет добиться высокого КПД работы, преобразовывать свет в любую погоду (солнечную, пасмурную). Самостоятельно изготовить кварцевые цилиндры, откачать из них воздух в бытовых условиях практически невозможно.

Однако солнечный нагреватель воды своими руками сделать возможно. Необходимо лишь выбрать подходящее техническое решение. Наиболее простое – безнапорный водонагреватель с передачей тепла напрямую. Изготавливается корпус прямоугольной формы, его задняя стенка хорошо утепляется (можно использовать пенопласт). Рабочей поверхностью будет являться медный змеевик – он соединяется с накопительным баком.

Циркуляция жидкости в контуре происходит естественным образом. Теплоноситель нагревается напрямую. Температура возрастает постепенно. Такая конструкция в разы дешевле коллектора вакуумного типа, изготовить её не составит труда дома. Однако эффективность ниже в несколько раз.

Более дорогостоящая альтернатива – использовать обычный водонагреватель, запитанный солнечными батареями. Однако экономическое обоснование такого решения сомнительно.

Типы солнечных водонагревателей и их характеристики

Солнечные водонагреватели представляют собой комплект оборудования для нагрева воды с помощью солнечной энергии. Другое название этих устройств — солнечные коллекторы. В отличие от фотоэлектрических панелей, использующих для производства электроэнергии солнечный свет, солнечные нагреватели сразу получают тепловую энергию, которую передают теплоносителю (воде, антифризу и т.п.).

Они образуют целую систему, состоящую из следующих элементов:

• Коллектор. Панель, принимающая тепловую энергию и передающая ее теплоносителю.
• Накопительный бак. Емкость, в которой аккумулируется нагретая вода и происходит замещение остывшего теплоносителя только что нагретым потоком.
• Отопительный контур. Обычная радиаторная система или теплый пол, реализующие энергию теплоносителя. В некоторых типах системы отопительный контур не входит в объем системы коллектора, получая энергию в накопительном баке, который в данном случае является теплообменником.

По типу циркуляции

Циркуляция теплоносителя позволяет получать тепловую энергию взамен отданной во внутреннюю атмосферу дома. Существует два вида:

1. Естественная. Используется перемещение нагретых слоев жидкости вверх с замещением их более холодными слоями. Не требует никаких устройств или использования электроэнергии, но зависит от множества факторов — взаимного расположения коллектора, накопителя и остальных элементов системы, температуры и т.д. Перемещение жидкости нестабильное, способное усиливаться и ослабляться.
2. Принудительная. Потоки направляются с помощью циркуляционного насоса. Возникает стабильный режим с постоянной скоростью потока, что позволяет обеспечить устойчивый режим обогрева дома.

По типу коллектора

Существуют конструкции коллекторов, обладающие разной эффективностью, возможностями и способом передачи тепла. В их числе:

1. Открытые. Плоские длинные лотки или желоба из черного пластика, в которых циркулирует вода. КПД открытых коллекторов очень низок, но простота и дешевизна способствуют их популярности. Используются для нагрева воды для летнего душа или бассейна.
2. Трубчатые (термосифонные). Основной элемент — коаксиальная трубка с вакуумной прослойкой между внешними слоями, которая надежно теплоизолирует содержимое трубок. Конструкция эффективная, но дорогая и не поддающаяся ремонту.
3. Плоские. Это закрытые емкости с прозрачной верхней панелью. Внутренняя поверхность покрыта слоем приемника тепловой энергии, отдающего ее воде, которая перемещается внутри припаянных к приемнику трубок. Простая и эффективная конструкция, в которой для большего эффекта иногда создают вакуум для теплоизоляции.

По типу контура циркуляции

1. Разомкнутый – применяется для обеспечения горячей водой жилого помещения. Теплоносителем в этом случае выступает вода, которую используют для различных бытовых нужд и, соответственно, она уже не попадает обратно в контур.
2. Система с одним контуром – используют для отопления дома. Нагретый таким способом теплоноситель используют как добавку к теплоносителю, который подогрели традиционным методом. В этом случае нагретый теплоноситель переходит в отопительную систему, после которой опять переносится в приемный резервуар и в коллектор.
3. Двухконтурнаянагревательная система – самая универсальная. Есть возможность использования таковой для отопления зимой или для водоснабжения.

Двухконтурная система водоснабжения и отопления

Также можно выбрать один из возможных теплоносителей – вода, масло или антифриз. После коллектора теплоноситель проходит теплообменник, в котором происходит теплоотдача на второй контур. Второй используемый теплоноситель уже идет по назначению – для отопления или водоснабжения.

Теплоноситель

Для таких водонагревателей используют различные теплоносители: антифриз, смазочная жидкость и вода.

Применение

Солнечные системы постепенно приобретают популярность. С их помощью решают множество задач:

• Подогрев жидкости до требуемой температуры.
• Повышение производительности отопительной системы.
• Водонагреватель для бассейна, для летнего душа.
• Подогрев жидкости для иных потребностей.

Установка и эксплуатация

Устройство наливных водонагревателей для дачи с душем практически одинаковое. Они имеют вид емкости с горловиной заливного типа. Есть элемент нагрева и кран водоразбора. Особенности конструкции:

• наличие внешней и внутренней емкостей, между которыми располагается утеплитель или предусмотрена воздушная камера, внутреннюю часть выполняют из пластика, наружную из металла;
• воду заливают в горловину вверху бака, есть соединенные по типу сообщающихся сосудов модели, сначала вода в них заливается в отдельный отсек, откуда затекает в общую емкость бака;
• наличие терморегулятора желательно, он автоматически поддерживает заданную температуру, создает условия для безопасного использования агрегата;
• трубку слива устанавливают выше области расположения ТЭНа, в итоге элемент нагрева постоянно находится в воде;
• сливную трубку подключают к каналу водоразбора, если наливной нагреватель для дачи идет с душем, требуется наличие лейки;
• чтобы включать и выключать прибор было удобнее, на корпусе предусмотрена кнопка со световым индикаторным сигналом.

Наливные водонагреватели для моек на корпусе оборудуют дополнительными креплениями. Речь идет о навесных моделях, закрепить которые можно к любой достаточно устойчивой опоре.

Наливной водонагреватель, устанавливаемый на дачах только для душа, имеет аналогичное устройство. Главное отличие – конструкция бака, в состав которой входит только одна емкость. Удобны в использовании накопители, имеющие форму квадрата. Их на душевую кабину крепят вместо крыши.

Переносные наливные модели для дачи – решение для организации рукомойника и душа одновременно. Крепежи подвесные, в комплекте идет душевая насадка. Шланг, оснащаемый лейкой, прикручивают с применением накидной гайки, есть водоразборный кран. Самые популярные модели – наливные на 20 л с ТЭНом встроенного типа, имеющим мощность около 1,2 кВт.

Важно! В многофункциональных дорогих моделях водонагревателей для душа с лейками предусмотрены насосы, которые работают от встроенного АКБ. Такие насосы создают оптимальное давление в шланге, оснащенном лейкой.

Наливные водонагреватели – это баки объемом 10-250 л

Они идут с двойными стенками, которые обеспечивают эффект термоса. Для изготовления внешних стен применяют сталь, внутренних – ту же сталь либо пластик. Внутри емкости для воды устанавливается ТЭН. Некоторые производители делают выбор в пользу варианта, где ТЭН располагается ниже уровня слива жидкости. Удобно это не всегда, особенно для слива остатков воды перед наступлением морозов

Наливные водонагреватели – это баки объемом 10-250 л. Они идут с двойными стенками, которые обеспечивают эффект термоса. Для изготовления внешних стен применяют сталь, внутренних – ту же сталь либо пластик. Внутри емкости для воды устанавливается ТЭН. Некоторые производители делают выбор в пользу варианта, где ТЭН располагается ниже уровня слива жидкости. Удобно это не всегда, особенно для слива остатков воды перед наступлением морозов.

Нагреватели для дачи с душем и защитой от сухого включения оснащаются датчиками уровня воды. Наличие термостата обязательно, он отвечает за поддержание тепловых показателей в диапазоне 20-80 °С.

Температуру нагрева определяет внешний регулятор.

Установка накопительного водонагревателя для дачи с душем несложная, решить задачу можно своими силами. Бак незначительных объемов подвешивают на стену, крупные емкости крепят на полу. Наличие заземления обязательно. Опытные дачники не советуют делать налив воды вручную, когда ТЭН включен.

Из композитных труб

Для того, чтобы сделать самодельное нагревательное устройство из металлопластиковых труб нам понадобится:

• Брус из дерева 50*50 мм 20 м.
• Листовая фанера 15 мм 2,5 кв.м.
• Труба металлопластиковая 55 м.
• Крепежи для труб 80 шт.
• Уголок «папа-мама» 30 шт.
• Уголок «мама-мама» 31 шт.
• Переход на штуцер 53 ед.
• Выпускной клапан 1 ед.
• Тройник 3 ед.
• Кран для слива 2 ед.
• Обратный клапан 1 шт.
• Листовой металл 2,5 кв.м
• Профиль из алюминия 1300 мм 4 шт.
• Уголок металлический 65 ед.
• Стекло.
• Черная матовая краска.
• Доска 25*100 4,5 м
• Гидроизоляция 5 м.кв.
• Песок.
• Плотная уличная плитка 5 м.кв.

Выбирая место установки нагревателя воды, необходимо учесть тот факт, что расположение должно быть южным, таким образом, продолжительность нагрева жидкости днем будет максимальной. На выбранном месте снимите верхний слой почвы, и сделайте подушку из песка и гравия, утрамбуйте её, затем положите плитку.

При помощи бруса постройте каркас, соедините его металлическими уголками. Затем сбейте раму из бруса, лицевую сторону обшейте листовой фанерой, заднюю стену для надежности конструкции укрепите брусом набив его продольно и поперечно, скрепив между собой уголками. С помощью специальных уголков крепятся доски с прорезями для стекла.

Установите его на каркасе. На основание из фанеры прикрепите металлические листы, затем произведите покраску всей конструкции черной матовой краской. Сделайте разметку для труб, необходимо соблюсти расстояние 40 мм. Установите крепления и произведите сборку (трубы необходимо заранее разрезать), при помощи штуцеров и уголков собирается змеевик.

Просверлите два технологических отверстия для труб и на концах установите тройники, подсоедините полностью все схему водовода и проведите испытания. Если течи нигде не обнаружено, покройте трубы краской. В случае обнаружения течи, устраните её при помощи ленты герметика.

Коллектор Станилова: «солнечное отопление» в доме

Установки для отопления дома или решения проблем горячего водоснабжения (полного или частичного), собираемые на основе чертежей изобретателя из Болгарии С. Станилова, относятся к универсальным конструкциям, работа которых основана на парниковом эффекте.

Поэтому солнечные лучи, попадая в замкнутое и герметично изолированное пространство, не имеют выхода, что и порождает термосифонный эффект, при котором нагретая жидкость в трубках начинает свое движение вверх, вытесняя при этом жидкость с более низкой температурой к месту нагрева.

Основным преимуществом работы такой установки является то, что накопленная ей энергия не теряется, а аккумулируется и сохраняется определенное время.

Представляет собой конструкцию трубчатого типа, заключенную в специальную деревянную раму. Как правило, одновременно применяется два коллектора в союзе с накопителем и аванкамерой.

Для изготовления радиатора-коллектора используются стальные трубки, которые обязательно соединяются сваркой. Поэтому применение медных или алюминиевых изделий, особенно при изготовлении конструкции своими руками, представляется проблематичным.

Для соединения коллектора с накопительной емкостью рекомендуется использовать также стальные трубы диаметром от 3/4 до 1 дюйма.

Элементы установки и особенности монтажа

Для изготовления солнечного водонагревателя своими руками также потребуются:

1. деревянная рама;
2. стекло для изготовления светопрозрачной крышки;
3. оргалит или металлический лист для дна коллектора, который впоследствии обязательно потребуется теплоизолировать;
4. усилитель для днища, в роли которого можно использовать брус с размерами не более 30?50 мм;
5. металлические трубки, из которых будет свариваться радиатор коллектора из расчета, что для изготовления одного требуется в среднем 15 единиц при длине 1,60 м;
6. теплоотражатель, для изготовления которого вполне пригоден оцинкованный лист;
7. соединительные муфты и хомуты;
8. теплоизоляционные материалы (пенопласт, минеральная вата и любые другие).

Потребуется и накопительный бак, для которого в зависимости от потребностей и мощности самого коллектора используются емкости от 150 до 400 л. В принципе, можно установить не один бак, а несколько, суммарным объемом соответствующих расчетному.

Обязательно емкости следует теплоизолировать, например, изготовив для них специальный утепленный короб, установить который можно не только на крыше здания, но и на чердаке.

Функции аванкамеры, составного элемента данной конструкции, сводятся к созданию избыточного давления, составляющего не менее 80-100 мм рт. ст. Она представляет собой емкость объемом 30-40 л, оснащенную поплавковым клапаном, обеспечивающим ее работу в автономном режиме.

При монтаже аванкамеры обязательно должно соблюдаться условие, при котором уровень жидкости в ней превышал бы уровень воды в накопителе на 0,8-1,1 м, кроме того, располагаться они должны в непосредственной близости друг от друга.

Короб, в котором будет располагаться коллектор, должен обязательно теплоизолироваться, а для уменьшения теплопотерь внешние его стороны рекомендуется окрашивать в белый цвет, стеклянная крышка обязательно должна быть герметичной.

Сами трубы и днище должны иметь селективный слой краски для увеличения светопоглощающей способности.

Как работает солнечный коллектор?

Установку коллектора предпочтительнее выполнять на южной стороне скатной крыши, на плоской кровле его следует монтировать под углом от 35° до 45°. Далее можно приступать к заполнению системы.

После этого аванкамеру нужно соединить с водопроводным вводом и открыть кран для снижения уровня воды. Как только сработает поплавковый клапан, расходный кран закрывают. Нагретая вода поступает в верхнюю часть накопителя, откуда она уже может отбираться, а ее место заполняет новая порция холодной.

Регулирует этот процесс поплавок, который и запускает процесс долива воды в систему, как только уровень в аванкамере снизится. Для того чтобы исключить возможность обратной отдачи тепла используется вентиль, который следует перекрывать ночью или в пасмурные дни.

Непосредственно к сантехническим приборам вода подключается с обязательным использованием смесителей, так как пиковые значения температур могут достигать 70 °C и даже выше.

Бак для нагрева воды своими руками

Схема солнечных модулей.

Наиболее распространенный солнечный нагреватель — это летний душ. Сконструировать такую систему горячего водоснабжения можно своими руками. Это совершенно несложно. Основой ее является бак для воды, который нагревается солнечным излучением. Несмотря на свою примитивность, такое сооружение вполне способно удовлетворить потребность в горячей воде в теплое время года.

Самым большим недостатком такого способа нагрева является то, что, несмотря на достаточно высокую температуру воды в баке днем (порой до 45ºС), за ночь она опускается. Для того чтобы сократить потери тепла в ночное время, необходимо либо утеплять бак на ночь, либо сливать остатки горячей воды в утепленный резервуар. Таким резервуаром могут служить газовые или электрические бойлеры, широко используемые в домашних хозяйствах. Выбор бойлера в качестве накопителя является оправданным еще и потому, что в пасмурный день вода в баке не прогреется выше 30ºС, и ее в любом случае приходится подогревать.

Выбирая данный вид солнечного нагревателя, необходимо учитывать несколько его недостатков:

• необходимость ежедневно наполнять и сливать бак;
• в пасмурный день вода в баке не нагревается выше 30ºС.

Монтаж водонагревательного бака

Схема водонагревательной гелиосистемы.

Для сооружения солнечного водонагревательного бака своими руками нам понадобится:

• нагревательный резервуар;
• бойлер;
• водопровод с тремя кранами;
• датчик уровня воды.

В качестве нагревательного резервуара можно использовать любую емкость для воды: стальную бочку, куб или даже трубы большого диаметра. Однако наиболее удобным для монтажа и использования является специальный полиэтиленовый бак для летнего душа объемом до 300 л. Он имеет плоскую форму, легкий вес, окрашен в черный цвет, не ржавеет. Все это обеспечивает рациональное теплопоглощение и несложный монтаж своими руками. Для водопровода следует выбирать металлопластиковые или полипропиленовые трубы для холодной воды. Датчик уровня воды крепится на крышке бака и используется для контроля уровня его наполнения. Схема монтажа и работы данной системы изображена на рисунке.

Для наполнения нагревательного бака водой необходимо закрыть кран 3. Кран 1 и 2 остаются в открытом положении. После заполнения емкости напорный водопровод перекрывается краном 1. В конце дня подогретая вода сливается в бойлер путем открытия крана 3. Если использовать нагреватель нет необходимости, следует перекрыть кран 3 и использовать бойлер в обычном режиме.

Гелиоустановки для систем горячего водоснабжения и отопления

Большое распространение и популярность приобрели именно солнечные коллекторы, которые применяются в качестве устройства для нагрева какой-либо жидкости (чаще всего, воды) с целью ее использования в системах горячего водоснабжения или отопления.

Другой вид оборудования для преобразования энергии солнца – батареи, которые принципиально отличаются от коллекторов тем, что сначала вырабатывают и аккумулируют электрическую энергию, а в дальнейшем ее можно использовать для хозяйственных нужд.

Но данный вид получения и переработки солнечной энергии требует приобретения дорогостоящего оборудования, главными конструктивными единицами которого являются фотоэлементы, что не всегда оправданно, особенно в регионах с небольшим количеством солнечных дней в году.

В отличие от них, солнечные коллекторы для нагрева воды или отопления дома имеют быструю окупаемость, особенно если изготовить их самостоятельно, так как в этом случае расходы составят лишь стоимость материалов, в число которых дорогие фотоэлементы не входят.

Использование солнечных коллекторов имеет очевидные преимущества:

• снижение затрат на отопление и подогрев воды для системы горячего водоснабжения;
• экологичность данного вида энергии.

Чаще всего использование коллекторов оправданно для использования в системах отопления небольших коттеджей или организации горячего водоснабжения в летний период в загородном доме или на даче. Оправдан солнечный коллектор для бассейна в качестве устройства для подогрева воды.

Объясняется это относительно невысоким КПД таких установок, который может значительно уменьшаться в пасмурные дни.

Поэтому для оптимизации расходов на отопление частного дома лучше всего использовать коллекторы совместно с традиционным оборудованием, которое изначально может быть рассчитано для этого, либо имеет возможности для переоборудования или согласования параллельного функционирования двух систем теплоснабжения.

Также стоит отметить, что, кроме регулярного обслуживания и очистки поверхности коллекторов от грязи и мусора, некоторые из них не предназначены для работы при низких температурах, поэтому перед началом зимы их нужно законсервировать, предварительно слив из системы теплоноситель.

Основные разновидности солнечных коллекторов

Солнечный коллектор представляет собой устройство, главной функцией которого является превращение поглощенной солнечной энергии в тепловую с целью ее дальнейшего использования для нагрева теплоносителя в системах отопления, в том числе и в «теплых полах» и ГВС дома.

КПД коллектора напрямую зависит от двух факторов: типа устройства и его площади, поэтому нередко для его монтажа выбирается крыша здания.

Солнечные коллекторы условно можно классифицировать, используя разные критерии. Прежде всего, они делятся по типу теплоносителя на:

• водяные (жидкостные);
• воздушные.

По уровню предельных температур коллекторы бывают:

• низкотемпературными – предел до 50°C, средний показатель 35-45 °C;
• среднетемпературными до 80°C;
• высокотемпературными – более 80°C.

Последние чаще всего являются промышленными образцами, сделать их своими руками не представляется возможным.

Конструктивно солнечные нагреватели воды могут быть:

• плоскими, которые могут быть как воздушными, так и жидкостными;
• вакуумными, использующими в качестве теплоносителя воду или иной вид жидкости;
• трубчатыми – бывают и жидкостными, и воздушными;
• термосифонными, или так называемыми накопительными интегрированными коллекторами, главным отличием которых является способность не только нагревания жидкости, но и поддержания ее температуры определенное время.

Последний вариант является самым простым как по устройству, так и по сложности изготовления и представляет собой несколько теплоизолированных емкостей с водой, а нагрев жидкости происходит через стеклянные крышки баков.

Данный тип коллекторов можно считать и самым простым в обслуживании, так как для того, чтобы он работал, необходимо лишь периодически очищать крышку емкости, но использовать его в холодное время года невозможно.

Плоские воздушные коллекторы тоже довольно просты и имеют вид специальной панели в виде герметичной коробки с теплоприемником с подключенными воздуховодами, по которым движется и нагревается воздух.

Для повышения эффективности их работы требуется увеличение их площади, например, за счет использования нескольких панелей в одной системе, а также использование вентилятора.