Водяной солнечный коллектор. Солнечный водяной коллектор
Солнечный водяной коллектор. Солнечный водонагреватель. Упрощенный расчет солнечного коллектора.
При устройстве системы водоподготовки горячей воды с помощью солнечного коллектора, вам, возможно поможет простой расчет, который поможет вам определиться с площадью солнечного коллектора и его производительностью. И в зависимости от ваших потребностей правильно построить солнечный водяной коллектор.
Известно, что в солнечный день на каждый квадратный метр поверхности, установленный перпендикулярно солнечным лучам, падает от 800 до 1000 Ватт солнечной тепловой энергии (в зависимости от состояния атмосферы).
Возьмем среднюю цифру в 900 Вт/м2
Представим некий условный солнечный коллектор, площадью в 1 м2. Сторона обращенная к солнцу является черной матовой и имеет практически 100%-е поглощение тепла. Обратная (теневая сторона) имеет утепление например 10 см. пенополистирола. Подсчитаем потери тепла, происходящие на теневой стороне. Коэффициент теплопередачи пенополистирола равен 0,05 Вт/м*град. С учетом толщины и перепада температуры например в 50 градусов, получим потери равные 0,05/0,1 * 50 = 25 Вт. Примерно столько же будут излучать и торцы солнечного коллектора, трубы и пр. Итого примем теплопотери равными 50 Вт.
Атмосфера не всегда бывает прозрачной, а коллектор не всегда идеально чистым. Поэтому для расчета будет брать поток энергии равным 800 Вт/м2
Теплоемкость воды равна 4200 Дж/кг*град. Соотношение между тепловыми Ваттами и Джоулями таково:
1 Ватт = 3600 Дж.
Т.е. на нагревание 1 кг воды (1 литра) на один градус требуется примерно 1,16 Вт.
Исходя из этих величин, мы можем вывести некую условную величину для нашего условного солнечного коллектора, площадью в 1 м2.
800 / 1,16 = 689,65. Для удобства будет ее считать = 700 /Кг*град.
Формально, это соотношение, сколько килограммов воды на сколько градусов можно нагреть за 1 час в солнечном коллекторе площадью в 1 м2.
Конечно, тут не учтены все теплопотери коллектора. Ведь по мере его разогревания, он начинает излучать много конвекционного тепла и со своей лицевой (зачерненной) поверхности. Поэтому вряд ли он нагреется выше 70-90 градусов. Поэтому эту цифру 700 можно считать действительной только для низких температур, в пределах 10-60 градусов.
Итак, давайте посмотрим, что значат эти 700 /кг*град .
Это значит, что солнечный коллектор нагреет за 1 час :
100 литров на 7 градусов. Или
50 литров на 14 градусов
25 литров на 28 градусов
15 литров на 46 градусов
10 литров на 70 градусов…
Стоп! Дальше нагреть уже будет трудно. Да и не нужно.
Если учесть, что исходная температура воды примерно 15 градусов, то температура горячей будет 15 + 50 = 65 градусов. Такая вода уже гарантированно обжигает.
Если нас нужно горячая вода быстро (не за час, а за 30 минут, или даже за 15 минут, то соответственно надо уменьшить и объем коллектора в 2 или 4 раза. Объем! Но не площадь.
Получается, что солнечный коллектор должен иметь минимальный объем при максимальной площади. Т.е. быть как можно более плоским.
За 1 минуту такой солнечный коллектор нагреет до 50 градусов примерно стакан воды. Тоненькая струйка постоянно текущей горячей воды. Вернее, быстрая капель. Поэтому делать проточный солнечный водонагреватель нет никакого смысла. Либо он будет чудовищной площади. Да и не всегда нам нужна постоянно текущая горячая вода. Поэтому все солнечные водонагреватели — накопительного типа. За час он (наш условный солнечный коллектор) подготовит 15 литров. Уже душ можно принимать. Стоит напомнить, что расход горячей воды и холодной соотносятся как 1:2 – 1:3.
Накапливаем горячую воду правильно!
Подавляющее большинство солнечных водонагревателей разработано по рециркуляционной схеме. Т.е. есть некий бак (с подпиткой от напорного бака), бак термоизолирован (термос). С баку подключен солнечный коллектор. Вода из бака постоянно циркулирует через солнечный коллектор и подогревается. Простая и логичная система, казалось бы. Но вот вопрос — зачем уже нагретую воду перемешивать с еще холодной? Общая температура, несомненно повышается и вся вода сначала становится чуть теплее, потом все больше и больше и до тех пор, пока не достигнет той критической температуры. Когда она перестает нагреваться или солнце не заходит.
Если учесть, что расход воды на семью около 300-400 литров в сутки, то надо иметь запас горячей воды примерно 100 – 200 литров. Причем прямо с утра, когда солнце еще не ярко светит, литров 50. 150 литров готовится солнечным коллектором «до кондиции» за 5-6 часов! А при расходе, в бак доливается холодная вода, так же снижая общую температуру. И это тоже неправильно. Поэтому подобные системы прижились только в странах, где солнца избыток, а ночи теплые и вода даже в больших баках с плохой термоизоляцией не сильно остывает. Например, Греция, Италия и т.д. А мы живем в России.
Поэтому у нас нет времени гонять по кругу горячую воду перемешивая ее с холодной. Нагрелась — сразу используй или положи в термос. И правильный солнечный коллектор для средней полосы России должен выглядеть так.
Водонапорный бак — солнечный коллектор минимального объема (3-5 литров) — бак-термос/накопитель на 50-100 литров. Солнечный коллектор должен быть оборудован либо термоклапаном (как автомобильный термостат), либо термореле (биметаллическая пластина) с электроклапаном. Второе реализовать проще.
Процесс идет следующим образом. Вода в солнечном коллекторе нагревается за 15-20 минут до 40-60 градусов. Срабатывает реле, открывается клапан и вода сливается в термос-накопитель. Он небольших размеров (50 литров будет достаточно), дополнительно оборудован ТЭН-ом (на случай долгого ненастья) и отлично теплоизолирован. Ввиду его небольших размеров сделать это будет несложно. Фактически, через 15 минут мы уже можем пользоваться горячей водой! И она все продолжает поступать. И заметьте, не теплая, а нормальная горячая. За час- полтора у нас уже скопится 30 литров очень горячей воды.
Когда термос полностью наполнится, процесс просто остановится и вода будет по прежнему греться в коллекторе. Стоит отлить несколько литров как она тут же заполнит освободившееся пространство. Впрочем, объем термоса накопителя следует выбирать исходя из потребностей конкретной семьи и ее образа жизни.
Другим положительным моментом является то, что система со сливом в термос позволяет без проблем использовать несколько солнечных коллекторов , ориентированных под разными углами к плоскости движения Солнца. Например на юго-восток и юго-запад. Тогда с утра начнет греть воду восточный коллектор, днем будут работать оба, а во второй половине дня – западный. Так же можно сделать и в системе с рециркуляцией, скажете вы. Можно. С удвоением головной боли от трубочек, их термоизоляций и воздушных пробок в них. А они образуются очень просто, так как при нагревании воды растворимость газов в ней падает и газы начинают ее покидать в виде пузырьков, создавая воздушные пробки.
Какую систему делать – вам решать. Я просто поделился своим мнением.
Константин Тимошенко
Обсудить статью и солнечные коллекторы вообще на форуме
dom.delaysam.ru
Солнечные водонагреватели для дома, солнечный водяной коллектор
Альтернативные источники энергоснабжения сегодня приобретают все большую популярность во всем мире, как и оборудование, рассчитанное на них. К примеру, получившие уже достаточно широкое распространение солнечные водонагреватели для дома. Такие установки предлагают заметно экономить на электроэнергии, вместе с тем получая качественный и эффективный нагревательный прибор.
Рассмотрим подробнее, что представляют собой, собственно, солнечные водонагреватели и коллекторы. Это, так сказать, два основных элемента высокотехнологичной конструкции, оборудованной с учетом подпитки от солнечной энергии.
Давно уже измерено количество тепловой энергии, падающей на каждый квадратный метр освещенного солнечными лучами пространства. Данная величина держится в пределах 800-1000 Ватт. Амплитуда, конечно же, зависит от текущего состояния атмосферы.
Как рассчитать солнечный коллектор?
Для примера возьмем солнечный водяной коллектор, площадью, скажем, в один квадратный метр. К солнцу в данной ситуации обращена сторона, имеющая матовую темную поверхность, что позволяет обеспечить практически идеальное поглощение тепла. Другая же сторона обеспечена утеплительным слоем (к примеру, пенопластом толщиной 10 см). Учитывая характеристики материала, можно получить сведения о возможных потерях тепла. Отдача тепла у такого материала, как пенопласт равна 0,05 Вт/м*град. Итак, нехитрыми расчетами можем рассчитать теплопотерю всего коллектора, взяв в учет возможный температурный контраст (градусов, скажем, 50) и толщину имеющегося материала: 0,05/0,1 * 50 = 25 Вт. Итого, возможную потерю тепловой энергии можно принять в количестве 50 Вт.
Так как чистота атмосферы не всегда кристальна, а принимающая поверхность не обязательно обладает идеальной чистотой, поток энергии можно считать, примерно равным 800 Вт/м2.
Учитывая теплоемкость воды и учитывая то, что 1 Ватт равен 3600 Дж, можем сделать выводы о количестве тепла, нужном для прогревания 1 литра воды. А именно: 4200/3600 = 1,16 Вт.
Приняв в учет произведенные расчеты, можем высчитать объем воды и температуру, которые способен предоставить коллектор, взятый нами в качестве примера, а именно — с площадью в 1квадратный метр. Данные расчеты будут иметь такой вид: 800 / 1,16 = 689,65. С целью упростить дальнейший просчет, округлим эту величину до 700 кг*град.
Величина эта, конечно, не абсолютно точна, ибо потеря тепла коллектором может распространиться и на другие поверхности, учитывая зачерненную. Так что, 700 — показатель прогревания воды при сравнительно невысоких температурах коллектора, в пределах 10-60 градусов, поскольку температура коллектора редко достигает температурного уровня выше 90 градусов.
Итак, наш условный солнечный водяной коллектор, исходя из предыдущих расчетов, за час способен прогреть либо 10 литров воды на 70 градусов по Цельсию, либо же 100 литров на 7 градусов, и т. д.
При исходных 15 градусах (температура воды), горячая вода имеет примерную температуру около 65 градусов, причем такая температура уже жжет. Логично, что, если необходимо получить воду такой температуры, но в более сжатые сроки, нужно соответственно уменьшить объем коллектора, оставив площадь максимальной.
Итак, солнечный коллектор для нагрева воды в оптимальные сроки, должен обладать достаточно большую площадь при малом объеме (быть максимально плоским). При этом, делать его проточным совсем нерационально, ибо площадь такого нагревателя будет просто огромной. К тому же, постоянное поступление горячей воды не всегда и нужно, чем и объясняется то, что нагреватели на солнечной энергии производятся исключительно накопительными.
При учете соотношения горячей и холодной воды при принятии душа около 1к2, 1к3, наш эталонный солнечный коллектор для дома за час способен подготовить вполне достаточное количество горячей воды для принятия душа — около 15 литров.
Накапливаем горячую воду нагретую солнечным водонагревателем для дома
В основе солнечных водонагревателей для дома (по крайней мере, подавляющего их большинства) лежит система рециркуляции, в процессе которой вода постоянно циркулирует между напорным баком и подключенным к нему нагревательным, на котором установлен солнечный коллектор. В результате вода постоянно нагревается. Смешивание горячей воды с холодной производится для того, чтобы конечный объем нагретой жидкости увеличился за счет теплообмена. В нашей местности данный «прогон» воды по кругу есть достаточно расточительным, поэтому правильный солнечный коллектор для российских условий выглядит приблизительно таким образом: вода из водонапорного бака поступает в небольшой нагревательный коллектор, объемом в 3-5 литров, а затем в накопитель или же бойлер для солнечного коллектора, объемом в 50-100 литров. Необходимо также оборудовать коллектор термоклапаном (по принципу термостата в автомобиле), или же термореле (биметаллической пластиной), дополненным электрическим клапаном (что несколько проще первого варианта).
Процесс работы такого агрегата выглядит примерно так: прогретая до 50 градусов (15-20 минут) в солнечном водяном коллекторе вода, после срабатывания реле, через клапан попадает в термоизолированный накопитель, объемом около 50 литров. Кроме высокого уровня теплоизоляции, такой накопитель можно оборудовать еще и нагревательным элементом, поскольку наша погода не всегда позволяет пользоваться солнечной энергией. При использовании такого устройства мы можем получить за достаточно короткий срок в час около 30 литров воды, нагретой до очень горячего состояния. При этом, пользоваться ей можно начинать уже через 15 минут.
При наполнении термоса, поступление горячей воды прекращается, но не нагрев в коллекторе, так что в любое время можно использовать воду из бака и она тут же восполнится горячей водой, поступающей из солнечного коллектора. Объем термоса и коллектора подбирается в соответствии с потребностями жильцов.
Также большим плюсом есть то, что применяя бойлер для солнечного коллектора, можно с легкостью подключить к нему сразу несколько коллекторов, расположенных под разным углом, что помогает обеспечить постоянный нагрев воды на протяжении всего светового дня. В рециркуляционной системе также можно реализовать данный вариант, но намного сложнее. Ведь в таком случае придется применять систему термоизолированных трубок, которые к тому же, известны своей проблемой с воздушными пробками, образующимися из-за выделения газов из воды в процессе нагревания.
stroy-bit.ru
Как сделать водяной солнечный коллектор
Изобилие солнечного света и тепла летом, страстное желание или потребность добиться реальной экономии в отоплении и горячем водоснабжении заставляют многочисленных умельцев придумывать и реализовывать в металле самые интересные с их точки зрения проекты солнечного водяного коллектора.
Но, как всегда, умные люди советуют – перед тем, как приниматься за изготовление водяного солнечного коллектора своими руками, познакомьтесь с готовыми конструкциями, воплощенными в реальность. Сложно сказать, достигнута ли главная цель и получен требуемый эффект преобразования солнечного тепла в водяное. Как правило, информация об этом у мастеров отсутствует.
Поэтому перед изготовлением водяного солнечного коллектора проанализируйте и ответьте сами себе на простые вопросы:
Совет! Для изготовления водяного солнечного коллектора необходимо иметь хотя бы примитивные знания о водяном солнечном коллекторе и теплопередаче на уровне выпускника советского техникума.
Стоит напомнить, что для солнечного потока максимальная падающая тепловая энергия в среднем составляет 800Вт/ч на метр в квадрате в летнее время. Для систем водяного отопления современного дома или квартиры этого явно недостаточно. Например, при отапливаемой площади в 50м2 минимальные тепловые потребности составят не менее 7-8кВт/ч, в зависимости от состояния жилья, значит, при 100% КПД устройства потребуется, как минимум, 10м2 солнечного коллектора.
А вот как альтернатива электрической бойлерной системе водяной солнечный коллектор вполне потянет. При условии наличия в системе теплоаккумулятора и водяного насоса.
Важно! Цена простейшего китайского плоского водяного коллектора тепловой мощностью в 1,1квт, нормального качества, не превышает 150 евро. Примем для проекта, что стоимость материалов и вспомогательных устройств, использованных для постройки водяного солнечного коллектора, не должна превысить 130-150 евро. В противном случае затраты не оправдывают цели.
В качестве рабочей модели используем стандартную и многократно проверенную конструкцию с использованием набора параллельных нагреваемых трубок. Самый сложный вопрос – материалы. Среди многочисленных вариантов солнечных водяных любительских конструкций можно выбрать наиболее подходящую схему, при условии:
Достаточно часто встречаются конструкции водяных коллекторов с использованием разнообразных теплообменников от старых холодильников и подобные им устройства. Сам по себе такой теплообменник, впаянный в лист меди или закрепленный на тепловом экране, даст в солнечный день максимум пол-литра кипятка в час. Более рационально использовать его медную трубку для изготовления нагреваемых трубок водяного солнечного коллектора.
Для солнечного водяного коллектора потребуется определенное количество медных трубок, флюса и оловянно-свинцового припоя, листовой меди.
Для коллектора в габаритах 200х70см необходимо:
- Трубки медной, диаметром 12-15мм — 4,2м, стоимость оценочно в 20-25дол.;
- Трубки нагреваемой, медной, диаметром 8мм – 30м, стоимость – 90дол;
- Листовой меди, шириной 100мм и толщиной 1мм – 20м, цена — до 20дол;
- Припоя ПОС-9 и спиртово-канифольного флюса 300 и 100гр соответственно -5дол.
Итог: средняя стоимость материалов оценивается в 140-150дол., что примерно сопоставимо с требованиями к себестоимости проекта водяного коллектора солнечного света.
На заметку! Значительно более низкой стоимостью будет набор алюминиевых труб, даже с учетом использования увеличенных вдвое диаметров труб подводов и нагреваемых трубок. Общая стоимость комплекта алюминиевых трубок не превысит 35дол. Но для сборки теплообменника потребуется применение аргоновой сварки, что предположительно выльется в затраты около 100дол. К тому же, выполнение сварочных работ по тонкостенному алюминию в конструкции солнечного коллектора потребует определенной квалификации сварщика.
Изготавливаем теплообменник водяного солнечного коллектора
Перед пайкой и сборкой потребуется провести разметку и раскройку материала. Места сверления отмечаем ударом остро заточенного пробойника.
Сверловку отверстий выполняем только на сверлильном станке, аккуратно снимаем заусенцы.
Перед сборкой и пайкой нагреваем места пайки газовой горелкой, обрабатываем флюсом и облуживаем припоем все места пайки. Тонкие нагреваемые трубки лудим по всей длине в местах будущего крепления экрана-поглотителя.
В процессе спаянные места оборачиваем мокрой ветошью для исключения расплавления спая из-за перегрева теплообменника.
Вторым заходом вырезаем полоски меди так, чтобы они образовали сплошной лист. Не пытайтесь припаивать один сплошной лист, это сложнее чем вы думаете, и потребует специального оборудования.
На концах подводной и отводной трубы запаивают штуцера для крепления труб, соединяющих солнечный коллектор с бойлером или водяным теплоаккумулятором.
Для исключения возможных деформаций конструкции коллектора теплообменник можно поместить в коробку или на навесную раму. Как правило, дно коробки выстилают теплоизоляционным матом и дополнительно задувают строительной пеной.
До монтажа в короб необходимо провести проверку герметичности пайки. Для этого следует один из штуцеров заглушить с помощью резьбовой пробки на уплотнительной фум-ленте. Ко второму штуцеру подводится давление от строительного или автомобильного компрессора. Каждый стык пайки последовательно обмазывается мыльным раствором, подобно проверке на утечку газа. В случае наличия пузырей брак необходимо перепаять.
Покрытие для водяного солнечного коллектора
Отдельная тема – нанесение покрытия, чем обычно козыряют все продавцы водяных солнечных коллекторов, промышленного изготовления. Для нанесения абсолютно черного покрытия использует лак в аэрозольной упаковке и кусок резины. Перед выполнением работ поверхность теплообменника необходимо обработать спиртом или ацетоном.
Все работы выполняются на открытом воздухе, на сквозняке, используя респиратор. Перед нанесением покрытия располагаем коллектор так, чтобы нагреваемые трубки стояли вертикально, и зажигаем резину. Последовательно распыляем лак, и через секунду подносим коптящее пламя резины на расстояние, обеспечивающее осаждение сажи на тонкий слой лака. Работу лучше выполнять в несколько заходов, пока не будет получено сплошное черное сажевое покрытие. После окончательного высыхания лака покрытие хорошо держится на медной поверхности. Можно в качестве эксперимента нанести повторный слой лака, но зачастую он не нужен.
Готовый водяной коллектор монтируется в короб и закрывается листом прозрачного поликарбоната. Он лучше и легче стекла, не боится тепловых перегрузок от солнечного света, ударов, благодаря специальной защитной пленке более долговечен в использовании, даже на открытом солнце. Но, в отличие от минерального стекла, поликарбонат имеет высокий коэффициент теплового расширения, примерно на 1м величина изменения составляет 3мм. Поэтому лист крепится на поверхность водяного коллектора с использованием специальных теплокомпенсирующих подкладок и шайб, герметика, устойчивого к солнечному излучению.
Перед герметичной упаковкой коллектора в корпус в нижней части можно уложить пару мешочков с силикагелем или фирменных поглотителей влаги и водяных паров.
obrawa.ru
