Солнечный водонагреватель своими руками

Солнечный нагреватель воды представляет собой разновидность коллектора, который аккумулирует солнечное излучение, преобразовывая его в тепло, и производит горячую воду для потребительских нужд. Идея использования солнечной энергии для подогрева воды возникла давно. Так, прототип современного солнечного водонагревателя был создан еще в XVIII веке в Швейцарии. На сегодняшний день такой способ нагрева воды достаточно популярен. Мировым лидером по применению и производству солнечных нагревателей традиционно является Китай. В этой стране солнечную энергию для нагревания воды используют 60 млн. домохозяйств. А в Израиле 85% квартир имеют солнечные нагреватели. Причем их использование регулируется законом, который действует еще с 1976 года, и обязывает строить жилье с применением таких систем.

Схема солнечной фотоэлектрической системы.

Солнечные нагреватели воды обладают несколькими преимуществами. Во-первых, они позволяют если не ликвидировать совсем, то значительно сократить расход традиционных энергоносителей, таких как газ и электроэнергия. Во-вторых, они уменьшают выбросы углекислого газа в размере, прямо пропорциональном сэкономленной энергии, сокращая таким образом парниковый эффект.

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.

Такой нагреватель, сделанный своими руками, послужит надежным и экономичным способом подогрева летом и быстро окупит себя.

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.

Система подогрева воды пассивного типа с использованием солнечного коллектора

Схема принципа работы и устройства солнечной батареи.

Если водонагревательный бак используется исключительно в теплое время года, то солнечный коллектор пассивного типа дает возможность продлить период использования солнечной энергии с марта до октября. Пассивной такая система называется потому, что в ее конструкции не используется насос. Необходимость догревать воду бойлером в данном случае тоже есть. Однако существенная экономия энергоресурсов неоспорима.

Основным элементом в такой системе водонагрева является солнечный коллектор. Для того чтобы добиться максимальных показателей эффективности этого элемента наряду с надежностью и простотой сборки, особое внимание следует уделить теплообменнику. Практика показала, что самым лучшим материалом теплообменника являются стальные или медные тонкостенные трубы. Использование металлопластиковых труб тоже допустимо, однако их минус – вероятность деформации при воздействии солнечного тепла, а также вероятность утечек воды из-за множества соединений. Если в доме есть старый, ненужный холодильник, то вместо труб можно использовать его змеевик.

Сборка и монтаж солнечного водонагревателя с применением садового шланга своими руками

Схема электросети при использовании солнечных батарей.

Для удешевления конструкции солнечного коллектора и уменьшения его веса металлические трубы можно заменить на простой садовый шланг, скрутив его по спирали своими руками. Его преимущество – отсутствие дополнительных соединений, исключающее протечку, дешевизна, возможность подведения воды от коллектора непосредственно к трубопроводу.

Для сооружения солнечного водонагревателя с коллектором из садового шланга нам понадобится:

• оконное стекло;
• садовый шланг;
• лист полипропилена или ячеистого поликарбоната для основы.

Материал шланга – резина или армированный ПВХ. Внутренний диаметр – не менее 19 мм для снижения уровня гидравлического сопротивления. Толщина стенки шланга – не менее 2,5 мм. При выборе цвета отдать предпочтение лучше черному или темным тонам для улучшения теплоусвоения. Стекло необходимо выбрать оконное, без селективных покрытий, так как полимерная пленка и органическое стекло плохо задерживают длинноволновое излучение, а так называемое i-стекло отражает коротковолновое. При выборе между одинарным и двойным остекленением следует руководствоваться правилом: если нагреватель будет использоваться чаще в теплое время года, то предпочтение лучше отдать одинарному остекленению, если в холодный сезон – двойному. Зазор между пенопластом и стеклом можно загерметизировать своими руками с помощью силикона, клея на водной основе или простой поролоновой прокладки. Расстояние между стеклом и шлангом – 1,2- 2 мм.

Принцип действия такого водонагревателя заключается в своего рода тепловой ловушке: солнечные лучи попадают сквозь стекло, нагревают шланг, который, в свою очередь, тоже отдает тепло, сохраняющееся внутри корпуса водонагревателя при условии его герметичности. В качестве основы для водонагревателя вместо листа пенопласта можно использовать деревянный каркас с прочным днищем и прослойкой между дном и коллектором в виде фольги и резинового коврика.

Монтаж солнечного водонагревателя из садового шланга изображен на схеме.

При монтаже водонагревателя своими руками следует знать, что бойлер должен находиться на уровне не менее 60 см выше верхнего края солнечного коллектора для обеспечения стабильного термосифонного эффекта. Длина подводящего трубопровода между коллектором и бойлером должна быть максимально короткой для уменьшения силы трения при перетекании воды.

Схема змеевика для бойлера.

Для снижения теплопотерь выводы шланга и трубопровод следует теплоизолировать. Для теплоизоляции внутри помещения, а также на коротких участках трубопровода можно использовать для этих целей теплоизоляцию из пенополиэтилена для труб. Для теплоизоляции внешних выводов и участков трубопровода более 3-х м лучше воспользоваться фольгированным пенополиуретаном. Для подсоединения шланга к трубопроводу используется хомут для резиновых труб.

Для начала нужно заполнить шланг водой и выпустить из него воздух: закрываем кран 2 и открываем кран горячей воды 6. Вода из напорного водопровода 1 попадает в солнечный коллектор 1. Когда в сливной воде исчезнут пузырьки воздуха, делаем вывод, что воздушных пробок в коллекторе нет. Потом открываем кран 2, и холодная вода под действием термосифонного эффекта поступает в нагреватель. Для остановки работы коллектора перекрываем кран 3. Минусом работы данного солнечного водонагревателя является необходимость периодического включения и выключения подачи воды в коллектор краном 3, а также использование бойлера для подогрева воды в конце дня в пасмурную погоду и в холодное время года. В противном случае она перестает циркулировать.

Расчет производительности пассивного водонагревателя

Для расчета производительности пассивного водонагревателя понадобятся следующие показатели:

• диаметр шланга;
• температура воздуха;
• среднее количество солнечных часов за период.

Известно, что 1 м шланга, наружный диаметр которого составляет 25 мм, при температуре воздуха +25 ºС в солнечный день нагревает 3,5 л воды до температуры +45 ºС, а при повышении температуры воздуха до +32 ºС при тех же условиях – до +50 ºС. Среднегодовой показатель количества солнечных часов для Москвы и Московской области составляет 5,5 часов с учетом пасмурных дней. Таким образом, при длине шланга 10 м в коллекторе производительность составит: 3,5*10*5,5=192,5 л нагретой воды. Нижняя граница температуры воздуха, при которой работа коллектора полезна, составляет +5 ºС. При понижении температуры воду из коллектора необходимо слить.

Эффективность использования солнечного водонагревателя

Бытует мнение о том, что Россия не подходит для использования солнечной энергии для подогрева воды из-за достаточно холодного климата. Однако это далеко не так. Для того чтобы определить, эффективны ли солнечные нагреватели в наших широтах, будем оперировать таким понятием, как инсоляция (количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли). На территории России годовой показатель инсоляции колеблется в пределах от 800 до 1900 кВт-час/м². В Московском регионе этот показатель равен 1100 кВт-час/м². Например, в Германии, с аналогичным показателем инсоляции, такие системы покрывают суммарную площадь более 6 млн. м².

Солнечные нагреватели вполне применимы в средних широтах нашей страны. Они способны сэкономить до 60% электроэнергии. По данным исследований, проведенных немецким Институтом строительной физики, среднестатистическая семья из 4-х человек потребляет в среднем 4400 кВт-час в год. Такие количество энергии могут вырабатывать солнечные модули площадью всего 34 м². И даже если солнечный нагреватель воды, сделанный своими руками, будет уступать аналогу промышленного производства, экономия энергоносителей все равно остается ощутимой.