Солнечный коллектор зимой — Есть ли толк? (Оценка эффективности)

Постоянно растущая стоимость отопления в зимний период заставляет многих домовладельцев искать альтернативный источники энергии для горячего водоснабжения и отопительных систем. Для этой цели подходят твердотопливные котлы и тепловые насосы, но первым требуется топливо, а вторым электроэнергия, что не позволяет создать полностью автономную сеть обогрева воды. Есть ли третий вариант? 

Как обеспечить нагрев воды от солнца в зимний период

Наиболее экологически чистую и полностью бесплатную тепловую энергию обеспечивают солнечные коллекторы. Но у многих возникает вопрос, насколько эффективно отопление от солнца зимой и не возникнет ли с гелиоколлектором дополнительных проблем в наших климатических условиях? Разберем этот вопрос подробнее. 

Стоит ли использовать солнечное отопление зимой

Гелиосистемы, как и солнечные батареи работают за счет энергии солнечного света, поэтому монтируются на улице, в местах прямого (или почти прямого) падения лучей. Однако если на фотоэлектрическую трансформацию температура и окружающая среда практически не оказывают воздействия, то с солнечными коллекторами возможен ряд проблем. Больше всего покупателей беспокоят вопросы:

• Снега;
• Града;
• Мороза. 

Развеем несколько мифов, касающихся влияния этих факторов на эффективность гелиоколлектора. 

Снег и солнечные коллекторы: отзывы, воздействие

Снег является основным врагом гелиосистем, поскольку преграждает доступ солнечных лучей к поверхности коллектора, из-за чего эффективность последнего значительно снижается. Как у вакуумных, так и у плоских моделей наблюдается падение производимой мощности от 3 до 5 раз, в зависимости от толщины снежного покрытия. 

Однако тут нужно добавить, что трубчатые коллекторы при небольших снегопадах и в условиях отсутствия мороза быстро самоочищаются за счет своей формы. Но наиболее эффективно противостоят снегу плоские модели, поскольку: 

• Основная теплопотеря системы происходит через верхнюю панель и во время работы коллектор как-бы непроизвольно подогревает снежный пласт над собой;
• В некоторых плоских моделях есть функция оттаивания, которая переводит часть аккумулированного тепла на повышение температуры верхней панели, что приводит к тому же результату, только быстрее. 

Да, снег сильно снижает КПД гелиосистем, но инженеры вводят всё новые способы решения этой проблемы. 

Может ли град повредить солнечные коллекторы зимой

Опасения по-поводу града напрасны для владельцев качественных трубчатых и плоских коллекторов, так как:

• Качественные трубки производятся из закаленного стекла (в некоторых случаях - с дополнительным усилением), прочность которого на порядок выше, чем обычного;
• Прозрачные панели плоских моделей делаются из армированного стекла или композитных материалов - пластика, стеклопластика (конкретные параметры защиты зависят от производителя).

Такие системы могут легко выдержать град различной интенсивности и величины, вплоть до среднего диаметра осадков 3-5 см. Многие производители демонстрируют видео обстрела своих коллекторов металлическими или каменными шариками, имитирующими град в качестве доказательства прочности. 

Как работает солнечный коллектор в мороз

Вторым серьезным фактором, влияющим на КПД гелиосистем является температура окружающей среды, но снижение эффективности в мороз характерно только для плоских коллекторов. Это вызвано тем, что сеть трубок с теплоагентом контактирует с внешней панелью, через которую уходит тепло. Чтобы снизить этот эффект, многие производители начали устанавливать изоляционный слой между прозрачной панелью и трубками. 

В трубчатых, между трубкой с теплоагентом и внешним прозрачным кожухом образовывается вакуум, который является плохим проводником тепла. Поэтому трубчатые модели демонстрируют минимум теплопотерь даже в мороз. 

Тут стоит отметить, что мороз может сыграть злую шутку с трубчатыми коллекторами при повышенной влажности и затянуть внешний стеклянный кожух изморозью, а это снизит число проникающих солнечных лучей. Но опасаться подобных ситуаций не стоит, поскольку: 

1. Прозрачность изморози на несколько порядков выше, чем снега и она очень несущественно влияет на производительность.
2. Изморозь уходит за несколько часов солнечной погоды, поэтому если на небосводе появится яркое солнце - оно быстро ее растопит, а если солнца нет, то КПД коллектора снизится вне зависимости от намерзшего слоя. 

Нужен ли водонагреватель от солнца зимой?

Если резюмировать влияние погодных факторов в условиях нашего климатического пояса: 

• Количество солнечных дней зимой резко снижается;
• Поверхность коллектора может покрываться снегом или изморозью; 
• Плоские модели будут отдавать существенную часть тепла через внешние панели, особенно при сильных морозах.

Однако в холодное время года, можем отметить, что:

• Коллекторы легко переносят перепады температур и осадки;
• Их сложно повредить градом или льдом;
• За полученное тепло не нужно платить;
• При достаточном количестве солнца, КПД системы падает незначительно.

Если учесть, что у плоских коллекторов есть механизм для самоочищения от снега, то на их КПД влияет только количество солнечных дней и температура окружающей среды. В целом такая система будет выполнять нагрев воды солнцем, но ее эффективность в зимнее время падает в 3-4 раза.

Если для горячего водоснабжения можно рассчитать необходимый запас мощности и установить дополнительные модели, то применение солнечных нагревателей в отопительных системах возможно только в качестве дополнительного источника подогрева воды. 

Отопление солнечными коллекторами: зарубежный опыт

В странах Западной Европы, в частности Швейцарии и Германии (в регионах, расположенных примерно в той же широте, что и Украина) научились минимизировать падение КПД на отопительную систему дома за счет предварительного накапливания энергии. 

Эта технология используется в хорошо утепленных домах с предварительным инженерным планированием и предусматривает:

• Монтаж в стенах и под полом системы отопительных труб;
• Установку сети солнечных коллекторов и солнечных батарей;
• Установку резервуара с большим водоизмещением (42 тонны или больше) на чердаке.

Дальше в межсезонный период, когда температура только начинает падать, а отопление еще не работает (август-сентябрь) система направляет всю энергию на подогрев воды в резервуаре до максимально возможной температуры. В дальнейшем эта вода будет использоваться для поддержания стабильной работы отопительной сети в пасмурные и холодные дни, когда эффективность коллекторов падает. 

Такая технология не является панацеей от падения КПД, но существенно продлевает срок автономной работы отопления и снижает расходы владельца. Правда, обходится такое оборудование недешево и в Украине подобные проекты пока не реализовывались. 

Как работает отопление дома солнцем в зимний период 

Солнечный водонагреватель зимой тоже используется для отопления дома (для этого даже разработаны специальные модели с незамерзающим теплоагентом). Это обусловлено процессом преобразования солнечной энергии в тепловую, включающим несколько этапов:

1. Солнечные лучи проходят через внешнюю прозрачную панель/трубку и попадают на покрытие-абсорбатор;
2. Абсорбатор активно вбирает прямые и рассеянные солнечные лучи даже в облачную погоду и передает преобразованное тепло на трубку с теплоагентом;
3. Теплоагент (во всесезонных моделях - незамерзающий) закипает и проходит по змеевику в расширительный бак системы;
4. В баке он передает полученное от абсорбера тепло воде и конденсируется, возвращаясь по змеевику в трубку под абсорбером.
5. Цикл повторяется. 

Как можно видеть, этот механизм не зависит от температуры окружающей среды, поэтому может использоваться даже в холодное время года. На эффективность системы влияет количество и продолжительность солнечных дней, а в нашем климатическом поясе эти показатели хоть и сокращаются, но не падают до нуля, поэтому даже самой холодной зимой коллекторы будут работать (пусть и с пониженным КПД).

Насколько эффективен подогрев воды солнечной энергией зимой

Мощность работы солнечного коллектора рассчитывается в Вт на м² и напрямую зависит от солнечной активности в регионе и КПД самого устройства. Соответственно мощность вычисляется по формуле: м = а*к/100.

Где:

• м - мощность;
• а - солнечная активность;
• к - коэффициент полезного действия. 

Количество солнечной энергии в широтах Украины составляет 1000-1200 Вт на м². Узнать КПД коллектора можно из его технического паспорта (хотя нужно учитывать, что фактический может отличаться от номинального). 

Если у нас есть плоский коллектор с КПД в 80%, то его мощность = 1200*80/100, то есть 960 Вт на м² площади. 

Так вот в зимний период (в зависимости от региона и погодных условий) из-за облачности и осадков солнечная активность над территорией Украины падает от 3 до 5 раз, то есть до 400-250 Вт. При таких условиях мощность того же коллектора будет составлять 360-200 Вт на м². И это при отсутствии длительного снежного покрова на поверхности коллектора. 

Фактически для бесперебойной работы системы зимой владельцу нужно обеспечить пятикратный запас мощности, что затруднительно, учитывая общую площадь и стоимость такого гелиоколлектора. 

Так есть ли смысл покупать солнечный коллектор на зиму?

Учитывая вышеизложенное, можем сделать вывод, что гелиоколлекторы хоть технически и способны работать в условиях зимы в нашем регионе, без существенных проблем для владельца, но не выдают достаточный КПД для полноценного отопления или обеспечения дома горячей водой. 

Это не значит, что солнечный водонагреватель бесполезен - летом такая установка может полностью нагреть воду солнцем, покрыть теплопотребности дома, а в зимнее время стать дополнительным источником энергии, снижая общую нагрузку на основную теплосеть. Эффективно обеспечить домохозяйство горячей водой для потребления и отопления в зимний период могут другие источники альтернативной энергии:

• Тепловой насос;
• Твердотопливный котел.

Подключение любого из них к сети, совместно с солнечным коллектором позволит существенно сэкономить на твердом топливе или электричестве, а в летний период установки можно полностью отключить, перейдя на полностью бесплатную энергию солнца.