Как выбрать водонагреватель на солнечных батареях

Традиционное отключение горячей воды в весенне-летний период, когда по всей стране центральные магистрали ставятся на ремонт и обслуживание, уже не является такой острой проблемой для жильцов квартир. Владельцы дач, загородных домов и коттеджей при желании также могут не терпеть неудобства и обеспечить себя бесперебойным водоснабжением, даже если рядом нет сетей водоканала и газоснабжения. Для этого есть автономные  водонагреватели. До недавнего времени выбор ограничивался только электрическими приборами, нагревателями косвенного нагрева и твердотопливными котлами. Теперь еще появились и водонагреватели на солнечных батареях – одно из последних достижений энергетики XXI века.

Устройство и принцип работы водонагревателя на солнечных батареях

Конструкция нагревателя воды на солнечных батареях состоит из двух основных элементов – коллектора, или приемника, и теплообменника, который также называют бойлером и гидроаккумулятором. Когда лучи солнца попадают на поверхность приемника, энергия солнца в форме излучения видимого и инфракрасного спектров преобразовывается в тепловую. Нагреваясь, коллектор передает тепло находящейся внутри него воде либо жидкому теплоносителю, в зависимости от способа нагрева.

Благодаря физическому явлению естественной конвекции нагретые слои жидкости или воды стремятся вверх, в то время как холодные, наоборот, вниз. Достигая теплообменника и концентрируясь в верхней части, подогретая вода через патрубок отбора распределяется по потребителям при прямом нагреве. В случае косвенного нагрева жидкий теплоноситель, проходя по замкнутому трубопроводу внутри теплообменника, отдает часть энергии потребляемой воде.

По мере расходования запаса из бойлера холодная вода снова заполняет его, поступает в коллектор, после чего уже подогретой возвращается обратно и уходит на одну или несколько точек водоразбора. Таким образом, весь процесс является цикличным и происходит безостановочно, пока достаточно солнечной энергии. Вмешательство человека практически не требуется, если только речь не идет о настройке и регулировке режимов работы, ручном включении и отключении, сбросе излишков горячей воды.

Прямой и косвенный способы нагрева воды в солнечных нагревателях

Солнечные водонагреватели с прямым нагревом рационально использовать, если ежесуточный средний расход горячей воды для гигиены и хозяйственных нужд составляет не менее 150 л. При грамотной организации горячего водоснабжения КПД таких приборов приближается к 90%. Вода циркулирует в открытом контуре между коллектором и теплообменником естественным способом либо принудительно. На подогрев она подается в контур через трубопровод холодного водоснабжения, а после нагревания отправляется потребителю по горячей трубе. Таким образом, потребляемая вода сама является теплоносителем.

Недостаток приборов с прямым нагревом заключается в невозможности их эксплуатации круглый год в условиях умеренного климатического пояса и небольшого среднегодового количества солнечных дней. В средней полосе такие нагреватели используют сезонно с мая по сентябрь, на юге немного больше, а в северных регионах значительно меньше. Это обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, в холодное время года солнечной энергии видимого спектра слишком мало и возможно задействовать только инфракрасное излучение. Во-вторых, при отрицательных температурах окружающего воздуха вода в контуре замерзает. Местами установки водонагревателей с прямым нагревом могут быть загородный дом, дача, автозаправка, удаленные от населенных пунктов стройплощадки, полевые сельскохозяйственные станы, объекты инфраструктуры и жилые здания в туристических зонах.

Водонагреватели косвенного нагрева имеют закрытый контур, в котором отдельно от потребляемой воды циркулирует специальная жидкость – теплоноситель с высокой теплоемкостью. Она перемещается при помощи циркуляционных насосов. Находясь в коллекторе, жидкость получает тепловую энергию в результате преобразования солнечной и таким образом нагревается. В теплообменнике прямая труба контура переходит в трубчатую спираль из меди или латуни. Это увеличивает площадь поверхности теплоотдачи. Двигаясь через теплообменник по спиральному элементу, теплоноситель отдает тепло находящейся вокруг воде, в результате чего происходит ее нагрев. Увеличение объема теплоносителя вследствие нагревания компенсирует расширительный бак.

В водонагревателях прямого нагрева коллектор и теплообменник объединены в общий блок, который размещается на улице как можно выше над зданием. Это обеспечивает беспрепятственное попадание большого количества солнечного света на поверхности коллектора. Нагреватели косвенного нагрева устроены несколько иначе: коллектор находится снаружи, а теплообменник в помещении. Благодаря этому такие приборы можно эксплуатировать круглый год. Теплоноситель не замерзает при отрицательных температурах.

Для управления нагревателем в схему включается электронный блок автоматики, а коллектор и гидроаккумулятор оснащаются высокоточными датчиками температуры. Электроника следит за температурой воды и теплоносителя и при необходимости отключает насос во избежание перегрева. Водонагреватели на солнечных батареях как прямого, так и косвенного нагрева могут оборудоваться трубчатым либо плоским коллектором.

Плоские и трубчатые коллекторы солнечных водонагревателей

Конструкция плоского коллектора более простая и представляет собой блок в корпусе из теплоизолированного материла, внутри которого расположены медные трубки. По ним циркулирует подогреваемая вода либо теплоноситель, в зависимости от способа нагрева – прямого или косвенного. Преобразование солнечной энергии в тепловую происходит благодаря абсорберу – тонкой пленке на основе металлопластика и керамики. Лицевая, то есть обращенная к солнцу сторона закрыта стеклом со специальным мультифункциональным покрытием. Плоские коллекторы лучше выбирать для южных регионов с теплым сухим климатом и большим количеством солнечных дней в году. Применительно к России это могут быть Краснодарский край, Республика Адыгея или Крым.

Трубчатый коллектор представляет собой группу трубок, выполненных из прочного стекла со специальным покрытием с низкой отражающей способностью и высокой степенью поглощения солнечной энергии. Каждая трубка состоит из двух колб, пространство между которыми вакуумное. Вакуум со значительно более низким давлением, по сравнению с нормальным атмосферным, создает эффект термоса, благодаря чему тепло сохраняется внутри трубчатого коллектора. Наружная колба служит преобразователем солнечной энергии в тепловую, а внутренняя – приемником. Именно в ней циркулирует нагреваемая и потребляемая вода либо теплоноситель. Температура нагрева может достигать 200℃.

В усовершенствованных версиях трубчатых коллекторов во внутренней колбе расположена тепловая трубка из меди. Она заполнена специальной жидкостью, которая обладает низкой температурой кипения. Как правило, это аммиак, хотя вместо него также может использоваться газ с аналогичными свойствами – например, эфир. Нагреваясь от воздействия солнечных лучей, содержимое трубки испаряется, достигает ее верхней части, где и передает тепло на контур. Затем вещество остывает, конденсируется, возвращается в первоначальное агрегатное состояние, опускается в нижнюю часть трубки, и следует новый подогрев.

Преимущество трубчатых коллекторов в том, что такие приборы можно эксплуатировать в местности с холодным климатом, короткими весенне-летними сезонами и небольшим количеством солнечных дней в году. Цилиндрическая форма трубок коллектора обеспечивает более длительное улавливание лучей солнца на протяжении светового дня. В этом ключевое отличие от плоских коллекторов. Они показывают наибольшую эффективность только при том условии, что солнце долго находится в зените и на поверхность попадает максимальное количество света.

Другие критерии выбора нагревателей на солнечных батареях

Основное правило при выборе солнечных нагревателей – чем севернее регион, тем больше должна быть площадь коллектора. За 1 час каждый квадратный метр коллектора может сгенерировать из солнечной энергии 0,7-1,4 кВт тепловой, в зависимости от погоды, времени года и продолжительности светового дня. Этого хватит для нагрева до температуры 45℃ 15-30 л воды. Если установить гидроаккумулятор на 200 л и увеличить суммарную площадь коллекторов, например, до 4 м², на нагревание всего объема воды при тех же температурных условиях понадобится примерно 1,5-3,5 часа. Конечный результат зависит от того, насколько долго солнечные лучи под прямым углом воздействуют на поверхности коллектора, а также от температуры окружающего воздуха.

Объем теплообменника выбирают с учетом среднесуточного водопотребления всеми пользователями. На одного человека ежедневно приходится около 50 л горячей воды на умывание, прием душа и хозяйственные нужды. Если предполагается прием ванны, то объем увеличивается до 100 л. Таким образом, для семьи из 3-4 человек понадобится гидроаккумулятор как минимум на 200 л. Нежелательно делать запас на так называемые «плохие» дни, когда мало солнца. Это касается как выбора объема резервуара, так и общей площади коллекторов. В жаркую погоду можно столкнуться с избытком тепловой энергии и получить проблему утилизации излишнего тепла.

В нашем Интернет-магазине продукции немецкого бренда Stiebel Eltron вы найдете большой ассортимент водонагревателей косвенного нагрева, теплообменники которых можно без ограничений подключать вместо системы отопления к солнечным коллекторам. Также в каталоге производителя есть буферные накопители серий SBP E SOL (например, модель SBP 1000 E SOL) и SBB WP SOL (например, модель Stiebel Eltron SBB 600 WP SOL), теплообменники которых можно подключить к солнечным коллекторам.