Солнечный водонагреватель своими руками

История написания: После запуска описанной конструкции в опытную эксплуатацию, знакомый узбек сказал: "Нарисуй мне чертеж. У себя делать буду!" Рисовать мне было лень, я решил, что в интернете найду подходящие рисунки и распечатаю. Не тут-то было! Просмотрев с полсотни ссылок, обнаружил в наличии всего 4 варианта конструкции, далеко не идеальных. Понял, что увы - придется рисовать и писать самому :( Раз уж все равно рисовать и писать - сделать это так, чтоб пригодилось кому-то еще.

Постановка задачи

Требуется создать самый простой и дешевый нагреватель воды солнечным излучением. Точнее - найти самое выгодное соотношение затраты/результат. В "затратах" учитываем как прямые денежные расходы, так и собственную работу по поиску деталей и их сборке. Итоговые "затраты" можно выражать как в рублях, так и в часах потраченного времени.

Принцип работы

Вообще говоря, действительно САМЫЙ простой солнечный водонагреватель представляет из себя просто бочку с водой, выставленную на солнце. Недостатки: работоспособен только в жаркий солнечный день, без солнца вода остывает очень быстро, КПД использования солнечной энергии очень мал. Потому мы его упомянули, но рассматривать всерьез не будем.

Чуть более сложная конструкция представляет из себя теплоизолированную бочку и собственно коллектор солнечной энергии, соединенный с бочкой двумя трубками, расположенный НИЖЕ бочки. (В простейшем случае, коллектор представляет из себя плоский стальной радиатор отопления, покрашенный с одной стороны в черный цвет)

Расположение коллектора ниже дна бочки имеет принципиальное значение: в этом случае циркуляция воды через коллектор происходит благодаря конвекции - вода, нагревшаяся в коллекторе поднимается в бочку, а со дна бочки более холодная вода поступает в коллектор. После захода солнца конвекция прекращается; вода в коллекторе быстро остывает до температуры воздуха, но нагретая вода из бочки не будет поступать в коллектор, а поскольку бочка покрыта теплоизоляцией, остывать она будет медленно.

Если расположить коллектор на одном уровне с бочкой, то в одну из трубок следует вставить клапан, препятствующий движению воды в обратном направлении (либо вентиль, закрываемый на ночь вручную). Если этого не сделать, ночью нагретая вода будет поступать из бочки в коллектор, и в коллекторе остывать, обогревая окружающую среду. Клапан усложняет конструкцию и создает значительное сопротивление току воды через коллектор, отчего КПД конструкции заметно падает.

Если местные особенности требуют расположения коллектора ВЫШЕ бочки - необходимо применение циркуляционного насоса.

Расположение коллектора ниже дна бочки позволяет обойтись без клапана и без насоса. По идее, чем ниже относительно бочки находится коллектор, тем выше "давление", создаваемое конвекцией, выше скорость перемешивания, выше КПД установки. Но при этом также растет и длина соединительных трубок; для компенсации роста сопртивления, при увеличении их длины, желательно увеличивать также сечение. При этом также растут теплопотери через стенки трубок, т.е. необходимо применять более толстую теплоизоляцию. В общем, пусть каждый находит для себя разумный компромис.

Детали конкретной конструкции

Для удобства пользования, следует предусмотреть подачу в бочку холодной воды (из водопровода, либо другой, "холодной" бочки) и отбор воды нагретой.

Для подачи холодной воды, в верхней части бочки установлен обычный поплавковый клапан от унитаза. Поплавок, представляющий из себя полиэтиленовый резервуар, заменен куском твердого пенопласта, который надвинут до горизонтальной части рычага. Это сделано с целью уменьшения неиспользуемого объема в верхней части бочки. К выходному отверстию поплавкового клапана подсоединен отрезок шланга, идущий до дна бочки - для того чтобы холодная вода поступала ближе ко дну, а не смешивалась с нагретой водой в верхней части.

Отбор нагретой воды желательно делать с верхнего слоя. Если подача холодной воды осуществляется постоянно и под достаточным давлением, то уровень воды в бочке будет примерно постоянным, и тогда отверстие для отбора воды можно сделать в верхней части, в нескольких сантиметрах ниже минимально возможного уровня.

В моем случае подача холодной воды осуществляется периодически, то-есть, уровень воды в бочке колеблется от максимального до нулевого. Отбор воды из верхнего слоя осуществляется следующим образом: отверстие для отбора воды расположено в нижней части бочки; внутри бочки к этому отверстию прикреплен отрезок шланга, свернутый в кольцо; на открытый конец этого отрезка шланга надет поплавок из пенопласта, поддерживающий его на поверхности воды, и загибающий этот конец вниз, на 1-2 см ниже уровня воды.

В нижней части этого отрезка шланга проделано маленькое отверстие (0.5-1мм). Назначение этого отверстия - обеспечить начальное заполнение заборного шланга водой. Без этого отверстия возможна ситуация когда середина незаполненного водой шланга всплывает выше чем его конец, в результате шланг не может "засосать" первую порцию воды.

Пожалуй, заборный шланг с поплавком - самая сложная для отладки часть конструкции :)

Прочие детали, влияющие на эффективность.

1. Теплоизоляция. Теплоизолировать следует саму бочку, обе трубки от бочки к коллектору и трубку для отбора нагретой воды. Любыми теплоизоляционными материалами, которые есть под рукой, чем больше - тем лучше :) На глаз, достаточно эффективной будет толщина слоя теплоизоляции от 5 до 10 сантиметров. Желательно под слоем теплоизоляции проложить слой алюминиевой фольги, если не используются специальные теплоизоляционные материалы, со "встроенным" слоем фольги. Не забывать про теплоизоляцию дна и крышки бочки!

2. Диаметр трубок между бочкой и коллектором - чем больше, тем лучше. В первой версии своей конструкции я использовал шланг 1/2", сейчас полагаю, что следует заменить на 3/4". Тонкие трубки создают высокое сопротивление протеканию воды (тогда как "давление", создаваемое конвекцией весьма невелико), что ухудшает перенос тепла из коллектора в бочку, снижает КПД установки. Длину этих трубок также следует минимизировать. (При использовании циркуляционного насоса, диаметр трубок серьезного значения не имеет) При наличии подходящего термометра полезно замерить разность температур на входе в коллектор и на выходе из него. Если эта разность существенна - значит циркуляция затруднена, сечение трубок желательно увеличить.

Устройство коллектора - разбор вариантов

Коллектор - самая важная, "центральная" часть установки. От него в первую очередь завивит эффективность установки и в конечном счете - степень удовлетворенности пользователя. Поэтому устройство коллектора будет посвящено так много внимания. В интернете встречается несколько вариантов устройства коллектора. Все они работоспособны в принципе, но обладают различными недостатками.

1. Коллектор на основе змеевика от старого холодильника.

Недостатки: во-первых, площадь поглощения излучения ничтожно мала по сравнению с площадью занимаемой, во-вторых, трубка слишком тонкая и длинная, эффективная конвекция невозможна. Для экспериментов, как доказательство того, что "оно работает" - годится, практически - неэффективно.

Если уж в вашем распоряжении оказался ненужный холодильник, который хочется использовать - разумно попробовать использовать испаритель морозильной камеры, который представляет из себя пару алюминиевых листов с каналами для фреона между ними.

Обычно он свернута в прямоугольную "трубу" - следует разрезать шов (стараясь не задеть внутренние каналы) и развернуть ее до плоского состояния. И обязательно покрасить одну сторону в черный цвет. Конечно, из-за малого сечения канала, сопротивление потоку будет высоким - этот недостаток неустраним. Но площадь поглощения будет высокой, а по теплопроводности алюминий уступает только меди.

2. Длинный змеевик из относительно толстых трубок (используемый автором для подогрева бассейна).

Первый недостаток - высокое сопротивление потоку из-за большой длины, из-за чего конвекция не может быть эффективной. В оригинальной конструкции этот недостаток не имеет значения, т.к. автор использует циркуляционный насос (без него никак - ведь коллектор расположен выше накопительной емкости) Другой недостаток - относительно высокая стоимость.

3. Из стальных водопроводных труб: между двумя горизонтальными трубами вварено много соединяющих их вертикальных, т.е. конструкция очень похожа на отопительный радиатор.

Имеет низкое сопротивление потоку, и близка к идеальной. Недостатки - большой вес, но главное - сложность изготовления - много сварочных работ, для относительно высокой квалификации сварщика. Привлечение сварщика со стороны сразу повышает стоимость изделия.

4. Змеевик из толстй медной трубки, припаянный к алюминиевой подложке. (Вариант: как в предыдущем пункте - две толстые горизонтальные трубки, между которыми впаяны несколько вертикальных трубок потоньше, опять же на алюминиевой подложке)

Недостатки: относительно высокая стоимость и сложность изготовления. Для высокой эффективности необходимо обеспечить хороший тепловой контакт медной трубки с алюминиевой подложкой, для чего их следует спаять. Обеспечить спайку меди с алюминием в таких объемах в домашних условиях почти нереально. Простое механическое прижатие хомутами или проволокой - не обеспечит хорошего теплового контакта, т.е. площадь поглощения будет равна только площади трубки, а не площади подложки. Как вариант, можно попробовать использовать механическое прижатие с теплопроводной пастой, которой намазывают процессор компьютера для лучшего теплового контакта с радиатором. При заказе из Китая, такая паста стоит порядка $3 за шприц 10мл. На весь коллектор, "на глазок" понадобится их с десяток...

5. ТЕОРЕТИЧЕСКИ интересный вариант - использование сотового поликарбоната, по каналам которого протекает вода.

"Теоретически" - потому что автор идеи не смог довести ее до практически работающей конструкции. Основная проблема, как она видится мне - высокий коэффициент теплового расширения поликарбоната. Поскольку "нормальным" следует считать диапазон температур от 10 до 90 градусов, поликарбонат неизбежно будет "гулять" в местах соединений с другими элементами конструкции, нарушая герметизацию. Использование автором термоклея для герметизации - идея изначально бредовая. На мой взгляд, можно попробовать добиться успеха при использовании силиконового герметика. В качестве "торцевых" трубок - использовать стальные водопроводные. Другой вариант - с торцов выпилить внутренние перегородки на глубину порядка 2-3см, затем заглушить торцы тем самым "торцевым профилем", который продается вместе с листами поликарбоната, таким образом получить горизонтальные "трубки". (Поскольку сечение таких "трубок" получится небольшим, порядка 1см**2, не следует брать большие куски поликарбоната, лучше набрать коллектор из нескольких кусков размером порядка 0.5м**2) Не следует никак прикреплять поликарбонат к подложке - он должен "стоять", опираясь на нижний край, чтоб верхний край мог свободно елозить по гладкой подложке. В случае удачи - есть шанс получить САМЫЙ легкий, тонкий и дешевый самодельный коллектор. ОСОБЫЙ ИНТЕРЕС представляет вариант когда такой коллектор используется в двухконтурной схеме, и в теплоноситель (это может быть и не вода) добавлен черный пигмент, обеспечивающий поглощение излучения по всему объему теплоносителя. Эффективность поглощения в этом случае может оказаться заметно выше, чем у черной краски, нанесенной на поверхность коллектора, при этом отсутствует тепловое сопротивление между поверхностью коллектора и теплоносителем. Короче, вариант очень перспективный, я обязательно его попробую в будущем.

6. САМЫЙ ПРОСТОЙ вариант - для ленивых, к коим отношусь я сам. Плоский стальной радиатор отопления был подобран на помойке :)

При осмотре на нем обнаружены следы течи. Место течи зачищено шкуркой, затем заварено электродом, "плевком" продолжительностью 3 секунды. Примечание: риск повторной течи в этом же месте был бы недопустимо высок, если б этот радиатор использовался в качестве отопительного, подвергая постоянной угрозе соседей снизу :) Но в качестве коллектрора солнечной энергии на даче, при невысоком давлении - почему нет ? Протечет - и фиг с ним, заварим заново. Зато халява. Далее, одна сторона радиатора была выкрашена черной грунтовкой, другая сторона - серебрянкой. На крышу бани уложено 2 слоя упаковочного материала похожего на поролон (забыл название), на них уложен радиатор, черной стороной вверх, зафиксирован проволокой за трубу чтобы не сползал, И в таком виде запущен в опытную эксплуатацию :) Очевидно, что для повышения эффективности необходимо поместить радиатор в ящик со стеклом, это дело ближайшего будущего. Пока же результаты таковы: в солнечный день на широте СПб бочка около 60литров воды нагревается до температуры "терпимо, но уже горячо". (Вымылся под душем, не особо экономя, просто не лил на землю - истратил 1/3 бочки) При этом, радиатор ориентирован не очень удачно - на юго-восток, там где солнце находится примерно в 9 часов астрономического времени, угол наклона крыши - около 40 градусов. К следующему утру вода оставалась еще достаточно теплой для комфортного душа.

Тонкость для радиатора с помойки: желательно удалить внутренний слой ржавчины, для чего радиатор следует высушить, обстучать молотком по всей площади и продуть сжатым воздухом. Хотя, работать будет и так :)

7. Радиатор из п.6 был вторым, а первым был змеевик из металлопластиковой трубы 16мм, покрашенный черной краской и уложенный в зачерненный изнутри деревянный ящик, закрытый стеклом. Результат разочаровал: к вечеру вода в бочке была чуть выше температуры тела, хотя стекло ящика на ощупь было горячим. Очевидно, причиной низкой эффективности явилась низкая теплопроводность стенок металлопластиковой трубы. Вывод: металлопластиковую трубу в коллекторе использовать не стоит. "Летает, но низко-низко" (С)

Повышение эффективности коллектора

С самого начала было очевидно, что коллектор должен быть помещен в ящик под стекло; это не было сделано сразу только потому, что в теплый солнечный и безветренный день оно и так работает (а результат хотелось побыстрей) Но при снижении температуры воздуха, либо в ветренную погоду, сразу же ощущается снижение эффективности. Таким образом, назначение ящика - беспрепятственно пропускать к коллектору солнечное излучение, где оно вызовет нагрев всех черных поверхностей, и изолировать коллектор от холодного наружного воздуха. Для этого ящик должен быть без щелей, задняя и боковые стенки изнутри покрыты теплоизоляцией - пенопласт и алюминиевая фольга. Т.е., через заднюю и боковые стенки вообще ничего не должно проходить - ни тепло, ни излучение. Таким образом, основные теплопотери будут происходить через стекло, закрывающее ящик сверху.

В качестве "стекла" рассматривалось 2 варианта: оконное стекло и сотовый поликарбонат. Очевидно, что теплопроводность листа сотового поликарбоната значительно ниже, чем оконного стекла, т.е., изолирует от холодного воздуха он лучше. В то же время, "на глаз" (измерения не проводились) он отражает значительно большую часть излучения солнца, чем оконное стекло, и явно требует более "прямой" ориентации на солнце.

Как только будет время, я исследую этот вопрос подробней, но пока возникло предположение следующее: в летнее время (при относительно теплом наружном воздухе) бОльшую эффективность обеспечит оконное стекло; в осенне-весеннее время, при низких температурах воздуха, поверх оконного стекла следует устанавливать лист поликарбоната.

Для высокой эффективности коллектора существенное значение имеет его "правильная" ориентация. Немного поразмыслив над возможностью создать следящую систему, я отказался от этой идеи. Во-первых, с учетом направления движения теплоносителя в коллекторе и возможности образования воздушных пузырей, обойтись вращением по одной наклонной оси не удастся - необходимо две оси - вертикальная и горизонтальная. Конструкция обладает высокой парусностью, что предъявляет серьезные требования к механизмам вращения. Иными словами, реализация слежения за солнцем обойдется нам примерно в стоимость мопеда :) И за это мы получим всего лишь примерно двукратное увеличение поглощения излучения, по сравнению с фиксированной ориентацией на "среднее" положение солнца. Очевидно, овчинка выделки не стоит. Вместо этого можно рекомендовать: а) возможность ручного поворота на 3 фиксированных положения - утро, день, вечер; б) фиксированную установку ДВУХ одинаковых коллекторов, из которых один ориентирован на юго-восток, второй на юго-запад.

При установке двух (или более) коллекторов разной конструкции, либо различно ориентированных, их входные и выходные трубки следует объединять ближе к бочке, а не экономить на длине трубок. В противном случае, "холодный" коллектор может начать "отбирать" тепло у "горячего" и рассеивать в окружающую среду.

Двухконтурная система - "зимний вариант"

Проходит лето. Днем солнце еще достаточно яркое для нагревания воды, но начинающиеся ночные заморозки могут разрушить милый нашему сердцу коллектор, заморозив находящуюся в нем воду (бочке-то не страшно - у ней теплоемкость высокая, и теплоизоляция хорошая) Остается - слить воду из системы и ждать следующего лета ? Но потребность в теплой воде как раз выросла...

Единственный выход - "двухконтурная система". В нижнюю часть бочки помещается спираль из медной трубки, концы этой спирали подсоединяются к коллектору (добавим еще "расширительный бачок"), и этот контур заполняется незамерзающей жидкостью, в простейшем случае - тосолом. Вода в бочке будет нагреваться от контакта со спиралью, по которой циркулирует нагретый тосол. Такая система дороже "одноконтурной" и несколько менее эффективна (т.к. дополнительные потери на теплообмене между тосолом в спирали и водой), зато она может работать при отрицательных температурах воздуха! Лишь бы энергии солнечного излучения хватило на поддержание плюсовой температуры в бочке. Понятно, что за этим надо внимательно следить, чтобы вовремя слить воду, если этой если этой энергии перестанет хватать. Понятно также, что требования к качеству и толщине теплоизоляции будут значительно выше, чем для "летнего" варианта.

Проблемы, обнаруженные при эксплуатации

Двухлетний опыт эксплуатаци простейшей одноконтурной системы, с коллектором из двух плоских радиаторов отопления, выявил следующие ее недостатки (несмертельные, но неприятные) :

1. Вода, циркулирующая по железным радиаторам отопления, приобретает ржавый оттенок. К тому же, образование новой ржавчины внутри радиаторов приводит к зарастанию каналов - т.е., требуется периодическая (раз в 1-2 года) их чистка (я для этого использую сжатый воздух). А еще на одном из радиаторов образовалась новая протечка, которая была ликвидирована сваркой, но для этого пришлось радиатор снимать, сушить, ставить назад.
Устранение: очевидно, эти проблемы уйдут при переходе на двухконтурную схему, с заменой воды в первом контуре на тосол.

2. В весенние и осенние месяцы, а также в пасмурные дни, вода нагревается слабо - до температуры 30-40 градусов; такая чуть теплая вода расходуется для душа значительно меньше чем вода с температурой 50-60, в результате она застаивается в накопительной бочке на 3-4 дня и в ней происходит интенсивное размножение микроорганизмов (при 50 градусах им "горячо", а 30-40 как раз для размножения комфортно) ; вода приобретает неприятный запах и, по-видимому, становится небезопасной для здоровья.
Устранение: собираюсь опробовать погружение в воду нескольких пластин из технического серебра, обладающего бактерицидными свойствами. Теоретически, можно устроть обеззараживание при помощи ультрафиолета, но представляется, что овчинка не стоит выделки. Во всяком случае, следует раз в пару дней сливать неизрасходованную недогретую воду.

3. В особо жаркие июльские дни, вода способна нагеваться до температуры намного выше "расчетной" - до 80-90С. Такая температура способна вызвать деформацию пластмассовых деталей конструкции и соскакивание со штуцеров размягчившихся низкотемпературных шлангов, что может привести к ожогам находящихся внизу людей и животных.
Устранение: внимание к используемым материалам, тщательный контроль креплений шлангов, либо регулярный слив перегретой воды.

4. Пенопласт, используемый для теплоизоляции, находясь в условиях повышенной влажности, под действием суточных колебаний температуры, напитывается водой. В результате, его теплоизолирующие свойства ухудшаются, что заметно снижает температуру воды в бочке.
Устранение: ? пока не придумал.

(C) 2013 sl@sl.spb.su
Последнее изменение: Tuesday, 16-Sep-2014 20:33:30 MSK
Оригинал находится здесь http://sl.spb.su/sl/se/solarheater.shtml