Пока энергоресурсы стремительно дорожают, солнце греет землю каждый день и совершенно бесплатно. Простой расчёт показывает, что при месячном расходе воды для мытья 100 литров на одного человека, то на её подогрев нужно затратить около 90 кВт*час в месяц или 1080 кВт*час за год. При этом летним днём в Киеве при ясной погоде на площадку площадью 1 м2 солнце за час посылает 1 кВт*час энергии или в среднем 8 кВт*час за день. Очевидно, что если суметь использовать хотя бы часть этой бесплатной солнечной энергии для горячего водоснабжения, то можно получить значительную экономию.

Горячая вода с помощью нагревательного бака

Самой простой системой для солнечного водоснабжения дома является нагревательный бак. Это просто ёмкость для воды, которая греется днём солнечными лучами. Тем не менее, такой простейший солнечный нагреватель очень эффективен для снабжения тёплой водой в летнее время и получил широкое применение для так называемого «летнего душа».

Стальные бочки в качестве емкости для нагревания воды

Если нагревательный бак укомплектовать резервуаром для хранения теплой воды, то можно получить ещё более эффективную солнечную нагревательную установку, которая будет снабжать Вас тёплой водой летом и окупится за пару сезонов. Рассмотрим такой солнечный водонагреватель подробнее.

Стальные трубы для нагревания воды солнцем
  
Самой важной частью солнечной системы, конечно, является сам нагревательный бак. Это может быть любая емкость для воды, например, стальной куб, бочка или несколько труб большого диаметра.

Полиэтиленовый нагревательный бак для летнего душа

Лучше всего использовать для этой цели специальный бак для летнего душа из полиэтилена объёмом 140-300 литров. Такой бак имеет рациональную для нагрева плоскую форму, не ржавеет, окрашен в чёрный цвет для лучшего теплопоглощения и ввиду небольшого веса (9-16 кг) легко монтируется на крышу.

Если такой бак просто положить под прямые солнечные лучи, то в жаркий солнечный день вода в нём нагревается к концу дня до 40-45 ºС, чего вполне достаточно для бытовых нужд. Но если теплую воду не израсходовать вечером, то за ночь, к утру она остынет. Таким образом, тёплую воду невозможно использовать круглосуточно. Очевидно, для устранения этого недостатка нужно «остановить» потери тепла от нагретой воды. Это можно сделать либо утеплением нагревательного бака в конце дня, либо сливом тёплой воды в утеплённую ёмкость.

Учитывая, что большинство частных домашних хозяйств используют газовые и электрические бойлеры, то выгодно использовать их для хранения тёплой воды из нагревательного бака. Так же в отличие от утепления нагревательного бака, процесс слива менее трудоёмкий, не нужно подниматься к месту установки бака. Более того, поскольку в пасмурный день вода в нагревательном баке нагревается лишь до 25-30 ºС, её в любом случае придётся догревать.

Схема работы простейшего солнечного водонагревателя

На рисунке изображена схема работы простейшей системы для подогрева воды солнцем, которую можно собрать своими руками. Водонагревательная система состоит из нагревательного бака, бойлера, а так же водопровода с тремя кранами. Сначала закрывается кран (3), кран (1) и (2) открыты. Вода из напорного водопровода (синий цвет) подаётся в нагревательный бак. После наполнения бака, напорный водопровод закрывается краном (1). В конце дня, когда вода в нагревательном баке нагреется и её нужно будет слить в бойлер, для этого открывается кран (3). Если же нагревательный бак не нужно использовать, то можно просто закрыть кран (2) и бойлер используется в обычном режиме.

Датчик уровня воды

Степень наполнения бака удобно контролировать датчиком уровня воды, который можно закрепить на крышке бака. Для водопровода хорошо подойдут металлопластиковые или полипропиленовые трубы для холодной воды (поскольку в системе низкое давление). 

Такой способ подогрева воды чрезвычайно прост, но у него есть два серьёзных недостатка:

– необходимо ежедневно наполнять и сливать нагревательный бак;
– получить подогретую воду можно только при тёплой погоде, при температуре воздуха выше +20 ºС.

Пассивный солнечный водонагреватель

Чтобы подогревать воду солнечным теплом не только в теплую погоду, но и в более прохладное межсезонье (март, апрель, сентябрь, октябрь), нагревательный бак не может быть использован из-за слишком высоких теплопотерь. Для этого его придётся заменить более эффективным солнечным коллектором. В интернете можно найти немало описаний эффективных активных солнечных систем, требующие использования автоматики. Но рассмотрим максимально простую и удобную пассивную систему солнечного водонагревателя, то есть такую, которая работает сама по себе без использования насоса.

Солнечный коллектор из металлопластиковых труб

Прежде всего, нужно сделать солнечный коллектор. Если проанализировать множество известных конструкций солнечных коллекторов, то можно прийти к выводу, что определяющим фактором для надёжности, стоимости и простоты сборки солнечного коллектора является материал его теплообменника. Самыми надёжными считаются металлические трубы, например, тонкостенные медные или стальные, но они стоят дорого, а их сборка трудоёмка. К тому же теплообменник с металлическими трубами обладает значительным весом, что требует прочного короба и усложняет установку.

Более удобны и дешевы теплообменники из полипропиленовых и металлопластиковых труб, но термические деформации при нагревании солнцем и большое количество соединений, увеличивает вероятность протечки и так же повышает трудоёмкость при сборке.

Садовый шланг можно использовать для солнечного коллектора

Всех этих недостатков лишен теплообменник из садового шланга. Его сборка заключается лишь в том, что шланг нужно скурить в виде спирали. Отсутствие соединений и гибкость шланга гарантирует отсутствие протечек, а длина шланг позволяет подвести воду непосредственно от коллектора к трубопроводу внутри дома без промежуточных соединений.

Солнечный коллектор из резинового шланга

Простейший солнечный коллектор из садового шланга изображен на рисунке. Он состоит из оконного стекла (1), шланга (2) и пенопласта в качестве теплоизоляции и основы (3). Принцип его работы очень прост – коротковолновое солнечное излучение проходит через стекло, нагревает шланг с водой. От нагретого шланга начинается излучение уже длинноволнового спектра, которое значительно отражается стеклом. Таким образом, солнечные лучи попадают в так называемую «тепловую ловушку». При установке солнечного коллектора оптимальный угол наклона будет 35º летом и 40º весной-осенью.

Схема работы солнечного водонагревателя с коллектором из резинового шланга

На рисунке изображена схема подключения солнечного коллектора к бойлеру. Перед началом нагревания воды солнечным коллектором необходимо заполнить шлангу водой и вытеснить из него воздух. Для этого закрывается кран (2) и для слива воды открывается горячий кран сантехнического прибора (6). Вода из напорного водопровода (1) начинает поступать в солнечный коллектор (4). После того как в сливной воде перестанут подмешиваться пузырьки воздуха, значит – в коллекторе воздушных пробок нет. Далее открывается кран 2 и холодная вода из бойлера под действием термосифонного эффекта (при нагревании коллектора солнцем) начинает перетекать в коллектор. Для отключения солнечного коллектора и использования нагретой воды или работы бойлера в обычном режиме нужно закрыть кран (3).

Как видим, работа этого бойлера не требует сложного и дорого оборудования, единственный минус такой простой системы это то, что нужно периодически включать и отключать подачу воды в солнечный коллектор краном (3). При пасмурной погоде нагрев воды таким солнечным коллектором происходит частично, остальную часть будет «догревать» бойлер, что всё равно даёт экономию. Учитывайте при этом, что при пасмурной погоде или в межсезонье бойлер должен будет включаться на нагрев в конце дня, то есть когда вода в коллекторе уже не нагревается. Иначе при нагревании воды в коллекторе ТЭН’ом она перестанет циркулировать.

Для расчёта необходимой производительности солнечного нагревателя нужно учитывать, что 1 метр шланга наружным диаметром 25 мм ясным днём при +25 ºС нагревает 3,5 литра горячей (до + 45 ºС) воды. А при +32 ºС нагревает 3,5 литра горячей до + 50 ºС. Количество средних солнечных часов на протяжении года для г. Киев указанно в таблице 1.

Например, при длине шланга в коллекторе 10 м в мае производительность солнечного коллектора составит 3,5л*10м*8ч=280 литров горячей воды в день.

Нижняя граница наружной температуры воздуха, при которой наблюдается экономия при ясной погоде, будет +5 до +8 ºС. При заморозках воду из коллектора лучше всего слить, хотя данная конструкция устойчива к замораживанию.

Основные материалы для солнечного коллектора из резинового шланга

Шланг для такого солнечного водонагревателя подойдёт из резины или армированный из ПВХ. Внутренний диаметр шланга не должен быть менее 19 мм, можно и больше. Но если диаметр будет меньше, то значительно повышается гидравлическое сопротивление системы, что замедляет естественное перемешивание воды за счёт термосифонного эффекта. Так же, пишет iBud.ua, не желательно выбирать шланг с толщиной стенки менее 2,5 мм, так как шланг с тонкими стенками плохо держит форму и часто перегибается. Садовый шланг не дорог. Так, армированный шланг из ПВХ с внутренним диаметром 19 мм и толщиной стенки 3 мм в зависимости от производителя стоит от $2 до $3 за метр.

Предпочтительно выбирать шлаг черного цвета или темных тонов для лучшего теплоусвоения. Разница, правда, не сильно большая. Например, белый шланг усваивает солнечное тепло примерно на 5% хуже, чем черный. Но дополнительные 5% лишними не будут.

Для перемешивания воды с помощью термосифонного эффекта сама форма шланга не имеет значения, поскольку вода в шланге равномерно прогрета, важна разница уровней между холодной водой в бойлере и горячей водой в коллекторе. Поэтому для возникновения устойчивого термосифонного эффекта бойлер должен быть приподнят над верхней частью солнечного коллектора по крайне мере на 60 см. Так же нужно стараться максимально уменьшить длину подводящего трубопровода, поскольку, чем длиннее трубы, тем больше сила трения, которая препятствует перетеканию воды из коллектора в накопитель (бойлер).

Закрепление резинового шланга в виде спирали для солнечного коллектора

Чтобы снизить теплопотери конвенцией, задняя часть шланга утеплена пенопластом. Так же надо загерметизировать зазор между стеклом и пенопластом. Для этого можно подложить между стеклом и пенопластом мягкую прокладку из поролона или склеить стекло и пенопласт клеем на водной основе (клеи с органическим растворителем могут растворить пенопласт). Например, можно использовать клей для пенопласта или клей ПВА.

Для фиксирования формы шланга солнечного нагревателя в виде спирали, он привязывается к какой либо трубке или бруску. Чтобы закрепить его на пенопласте его достаточно просто привязать.

Стекло обязательно нужно использовать оконное. Органическое стекло или полимерная плёнка не подойдут, так как они очень плохо задерживают длинноволновое излучение. Между стеклом и поверхностью шланга должен быть зазор 12-20 мм. На стекле не должно быть отражающих селективных покрытий (i-стекло), такое стекло отражает значительную часть солнечного излучения.

Мягкая пенополиэтиленовая теплоизоляция для труб

Жесткая теплоизоляция для труб из пенополиуретана фольгированная

Что касается выбора между одинарным и двойным остеклением, то тут нужно учитывать два фактора. При двойном остеклении меньше теплопотери, но больше коэффициент отражения солнечного света. А поскольку чем выше температура окружающего воздуха, тем меньше теплопотери, то получается:

– если солнечный нагреватель будет использоваться преимущественно в тёплое время года, то лучше одинарное остекления;

– если же в прохладное, то тогда выгоднее становится двойное.

Выводы шланга, которые выходят наружу, для снижения теплопотерь нужно теплоизолировать. Для теплоизоляции внутри отапливаемого помещения и при протяжении водопроводов не более 3 м достаточно использовать обычную мягкую теплоизоляцию из пенополиэтилена для труб.

Для более протяженных участков, а так же для теплоизоляции наружных трубопроводов нужно использовать более мощную жесткую теплоизоляцию для труб из фольгированного пенополиуретана.

Хомут для резиновых труб

Подсоединять шланг к трубопроводу можно с помощью хомута для резиновых труб, для этого шланг туго надевается на трубу и зажимается хомутом. Оптимально, чтобы внутренний диаметр шланга был равен диаметру трубы, на которую он будет надеваться.

Описанная конструкция пассивного солнечного нагревателя с коллектором может сэкономить до 80% энергии для горячего водоснабжения летом и до 40% весной и осенью, что за год составит около 400 кВт*час сэкономленной энергии на одного человека.

Игорь Соларов