Солнечный коллектор-отапливаем баню... солнцем :)

Случайно и меня занесло в «зеленую энергетику» ;)
Ниже эксперименты строительства/монтажа системы и использования солнечной энергии в «мирных целях»

Написал этот пост потому, что в процессе постройки своего «агрегата» столкнулся с некоторым дефицитом информации о работе, настройках и особенно самостоятельной установке подобных устройств. Создалось впечатление что это прерогатива исключительно отдельных компаний и по большей части информация скрыта от рядового пользователя.

Начну, как всегда, с того -нафиг оно мне понадобилось, понятно же (надеюсь) что это не влияние Греты Тунберг? ;)

Есть у меня на даче отдельно вынесенная банька с душевой кабинкой, и если летом с с ней все понятно (пришел/включил обогреватель/искупался, а иногда и в просто прохладной воде) то в межсезонье все несколько сложнее…
Топить ее постоянно электричеством не вижу смысла и наверное дорого, а в парилку (на дровах) охота не всегда и лишние заморочки с ее растапливанием лишь для того чтобы принять душ напрягают. Еще и зима вносит свои коррективы-отдельные морозные дни и ночи требуют поддержания внутри некоторой небольшой плюсовой температуры, чтобы не разморозить воду, ну или регулярно ее сливать/заливать, что еще более хлопотно.
Выкручивался понемногу, как мог, и в какой-то момент пришла идея, что в моем (южном и солнечном) регионе просто глупо не использовать халявную энергию солнца :)

Так и вышел я на солнечные коллектора, разновидностей которых оказалось прилично, а нюансов и информации в сети недостаточно (в основном реклама, определения назначения работы, типы, предложения купить с установкой… и конский ценник).
Ниже на фото пара основных распространенных направлений типов коллекторов, посчитать их все возможные вариации даже не стал пробовать-их очень много!Особенно не хватало удобоваримой конкретики по количеству вырабатываемого тепла, хотя бы для приблизительной оценки (только рекламные, которым верить- себя не уважать) :(

Осознавая, что окупить «проект» вряд ли получиться, а результат эксперимента очень непредсказуемый — жаба душила прилично. На момент покупки «недокомплекта» (на авито) разбирался в них еще плохо, просмотрел прилично дорогих вариантов, поэтому когда наткнулся на относительно бюджетный за 20 тыс.руб., почти сразу поехал забирать его.

По факту попался вариант без рамы. Как мне пытались объяснить- рама «необязательный элемент» и отличается в зависимости от типа крыши, где он будет устанавливаться, ну и типа я ничего не теряю.
Это не совсем верно, и впоследствии меня сильно напрягло и притормозило проект как минимум на несколько месяцев (я правда никуда и не торопился ;).
Проще переделать раму, рассматривая КАК оно задумано было быть (имея размеры, крепления и пр.), чем разыскивать картинки в интернете, чтобы по ним сначала прикинуть как оно МОГЛО быть, а потом предполагаемое переделывать «под себя»

Уже после покупки узнал, что купленный вариант относится к сезонным безнапорным термосифонным солнечным коллекторам.

Вообще, как уже упоминал выше, их очень много вариантов различающихся теплоносителями (воздух, вода, антифриз), принципом нагревания, формой и т.п. Даже подобных моему имеется несколько разновидностей. Поэтому даже отсутствие медных сердечников для передачи тепла из трубок коллекторов сначала меня напрягло, думал их тоже не хватает в комплекте — на тот момент я еще не знал, что бывают варианты с прямой передачей тепла :)

Так выглядит система с медными сердечниками моя же имеет все те же трубки, но без начинки-вода нагревается непосредственно от трубок, без промежуточного теплоносителя

То что купленный коллектор задуман для нагревания воды (а не обогревания помещения) понимал, но идея и была попробовать использовать его именно не совсем по прямому назначению.
В купленной разновидности есть и свои плюсы (выше КПД, проще устройство) и заметные для меня минусы — не рекомендуется использовать в сети водопровода (система без давления) и принцип заполнения бака как у бачка унитаза.
В любом случае, на момент покупки вариант был выгодный! На текущий момент стоимость одной трубки (у нас) 1 т.р., а купленный мною имел в комплекте 20шт трубок, 200 литровый бак и небольшой бачок для заполнения водой.

На хранении (перед установкой) упаковки с трубками-термосами в комнате отдыха в бане, справа вверху синеет бачок для заполнения основного бака водой. Сам накопительный бак на 200л уже готовится к монтажу, поэтому не попал на фото-размеры его коробки больше пары упаковок с трубками.

Как видите, места даже в упакованном состоянии занимается прилично.

Главный элемент моей системы солнечного коллектора- вакуумные трубки.
Внутри вся трубка «состоит из солнца» :)
Размеры трубок Такая длинная… и хрупкаяЦелостность трубки (наличие вакуума) можно определить по внешнему виду, как и в простой электронной лампе. На фото поврежденная трубка- вместо зеркальной поверхности наконечник имеет белый цвет.
Уже установленная в системе зашипела, когда я устанавливал другие. Предположительно запаянный кончик неудачно касался крепления и под нагрузкой обломился.Надо сказать, что она и при этом остается работоспособной, просто КПД уменьшается за счет потерь.

Вот небольшой эксперимент с этой неисправной трубкой.

Налил воды, вставил датчик температуры. На улице относительно прохладно, порядка 10 градусов тепла. Переменная облачность. Начальное измерение показало температуру воды порядка 15 градусов (возможно уже успела нагреться, в начальный момент нагрев идет довольно интенсивно)через полчаса температура уже 25 градусов
Далее скорость нагрева несколько снизилась, возможно из-за облаков. Еще через полчаса показало 27.5Когда-то попадалось видео, в подобной трубке при хорошем минусе воду кипятили… правда на ИСПРАВНОЙ

*Кстати, в одну трубку помещается примерно 2.5л жидкости, так что 20 штук содержат в себе дополнительные 50л, которые впрочем невозможно использовать в процессе эксплуатации.

Бачок, необходимый для заполнения основного накопительного бака
Имеет несколько патрубков, для входа/выхода воды и вероятно переливнаяВнутри, как я упоминал уже, устройство подобное сливному бачку унитаза.

Устанавливать его пока не стал (наверное и не буду), для упрощения конструкции, уменьшение потерь тепла и из-за опасений возможности замерзания этой системы в отдельном бачке. У меня планировалась относительно замкнутая система, как таковой необходимости в этом бачке нет, ниже немного расскажу об идее использования.

Кроме самого расширительного бачка, в комплекте имеется прокладка для его установки. На фото так же попали уплотнительные кольца и пластиковые крепления для монтажа вакуумных трубок (которые заменил другими, более удобной конструкции).

Основной бак 200л
Присутствуют 4 не заглушенных патрубка (некоторое время гадал для чего столько).
Из информации найденной в интернете: два патрубка слева и один справа (используются в любой конфигурации) для входа/выхода воды и подключения автоматикиСверху патрубок, для монтажа дополнительного расширительного/заливного бачка (возможно использовать для установки клапана сброса давления и воздуха)20 отверстий для монтажа вакуумных трубок. Перед установкой в бак концы трубок рекомендуется смазывать мылом (жидким или раствором). Глубина ввода, как я понял, не оговорена-я вставлял см 5 после прохождения силиконового уплотнителя
Да, снизу есть еще заглушенная сливная пробка, для полного слива теплоносителя из системы, ее же можно приспособить для установки элемента нагревателя (при использовании автоматики).
У меня она уже «спрятана» пенопластом, для уменьшения теплопотерь

Примерный принцип работы

Поскольку рамы в комплекте у меня не было, надо было строить самодельную. Задача была построить «на глаз» чтобы все подходило по размерам и углам наклона, с учетом того, что вакуумные трубки для примерки вставлять было нельзя из-за их хрупкости и нежелательного выноса их на солнце (наслушался о возможном перегреве и повреждениях стекла-ерунда все это), а бак приличных размеров и веса можно замерить, но сложно «примерить» :). Непонятна была глубина ввода трубок в бак, принцип крепления хрупких трубок к раме и еще много-много мелочей… поэтому строительство заняло довольно много времени и под конец уже совсем не вызывало у меня энтузиазма :(.

Для начала надо было определился с углом установки вакуумных трубок (в интернете достаточное количество информации на эту тему, поэтому углубляться в нюансы не буду). С учетом моего региона (широта 45 градусов) и предпочтительной работы в зимнее время получилось около 55 градусов- от этой цифры решил и отталкиваться.

На этом и взялся за строительство рамы и креплений под нее, на ондулиновой крыше бани.
За основу взял профильную трубу 2х2, решил что этого должно быть достаточно (с учетом использования в оригинале тонкостенного дюралюминия).
Более толстая труба имеет больший вес, и процедура поднятия конструкции на крышу обещала сильно усложниться.
Короче получилось вот такая железяка
На крыше прикрепил купленные в строительном магазине Г-образные крепления к несущим брусам и вывел их в прорезанные отверстия в ондулине. Поверх «запечатал» каучуковой мастикой.Больше всего времени ушло на разработку нижнего крепления вакуумных трубок.
Сами пластиковые крепления я купил отдельно, но как их крепить к раме с возможностью последующих передвижений в процессе настройки!? Это стало пожалуй самой большой проблемой в создании всей конструкции рамы (для меня)На первый взгляд все просто, но по факту…
Короче выкрутился закрепив все П-образным профилем (распилил трубу 2х2)После установки выглядит так:

Само крепление бака к самодельному каркасу выполнено на заводские крепления. Согнутая труба под баком, для возможности его «прокручивания» (для правильного расположения колб в процессе монтажа).

Внешнюю часть системы рассмотрели, теперь немного расскажу о внутренней...
Хотя сначала, наверное, стоит упомянуть наружную часть «водопровода». Для его теплоизоляции использовался утеплитель купленный в строительном магазине (не помню названия, что-то вспененное). Покупал два диаметра утеплителя и одевал в два слоя на трубуПоверх прошелся еще алюминиевой клейкой лентой
Сначала так и планировал оставить, но коррективы внесли горлицы… Да-да, именно эти дикие голуби, которых я имел неосторожность подкармливать на участке :) Однажды проходя мимо бани увидел, что на установленных трубах (хорошо еще не введённых в помещение) отсутствуют куски фольги, сначала не понял что это. Когда же рассмотрел-ужаснулся :(- обе трубы (проложенные по крыше) имели повреждения теплоизоляции, при чем не только фольгу, но и два слоя теплоизоляции были расклеваны до трубы на расстоянии более метра… пипец какой-то. Пришлось снимать и переделывать+подбирать внешнюю защиту трубы. Относительно неплохо подошла красная гофра для кабелей. Вот в таком виде и работает сегодня.Голубей после этого случая я не люблю :(

Внутри все выполнено тоже из таких же полипропиленовых труб (армированных, для отопления). Показывать правда пока не особо много что есть, на текущий момент система находится на стадии тестирования и собирания статистики…

Для отопления установил биметаллический радиатор.
Какая гадость Ваша заливная рыба как оказалось (или я чего-то не понимаю-ранее не сталкивался с прокладкой систем отопления)- мгновенно поперла ржавая вода, уж не знаю что в нем так активно ржавеет… пока думаю как бороться с этим, чтобы насос не запороть. Как минимум надо фильтр ставить наверное.
Насос самый простой, нет необходимости в мощном, в системе всего один радиатор и высота поднятия воды не слишком большая.
С этой точки фотографирования кажутся какими-то странными углы у труб, на самом деле все более-менее :) Система, как выше упоминал, предполагалась замкнутая, но летом отводить тепло куда-то надо… Подумалось, что имеет смысл и горячую воду использовать для того же душа, поэтому сделал отвод на будущее подключение (сверху влево уходит) и установил аж 4 крана в систему. Надо сказать получилось довольно удачно, теперь имеются довольно широкие возможности коммутации воды:
Я могу заливать/сливать бак коллектора через вход или выход воды на выбор, в одном случае это происходит через радиатор отопления. Слив воды происходит через кран расположенный на улице.
Так же возможно использовать горячую воду, например для душа… только его доделать/подключить надо :) При использовании горячей воды систему отопления можно исключить из сети и при необходимости слить из нее воду.
Единственный недостаток- имеется ограниченный объем горячей воды и после ее использования доливать ее в бак необходимо «вручную», открыв отдельный кран подключенный к водопроводу. Предполагаю это не слишком большая проблема и 200 л горячей воды вполне должно хватать для разового использования :)

После монтажа стал наблюдать за результатом работы коллектора:
Для контроля системы, временно, пару термометров вывел прямо на окно бани-так легче отслеживать/собирать статистику.
Если погода более-менее солнечная, обычная дневная температура воды в баке около 50-60 градусов. При затяжной пасмурной погоде (около недели) не опускалось ниже 30 градусов.

Пример- утренняя температура.
Правый термометр температура воды в баке. Левый термометр температура в помещении (отопление пока не задействовано, небольшую плюсовую поддерживает масляный радиатор установленный на минимум)
… вечерняяА это уже утро следующего дняи опять вечерЭтот замер производился при внешней температуре порядка 10 градусов мороза ночью, и небольшом минусе днем. Погода солнечная.

Вообще, внешняя температура относительно незначительно влияет на нагрев и остывание системы: при температуре в баке 60-70 градусов, за ночь вода остывает примерно на 10, при 35-40 на 5 градусов, практически независимо на улице +5 или минус 10.
В большей степени важно наличие солнца/облачности (в пасмурный день практически не происходит нагрева и остывания (ниже какого-то уровня)

Первое что меня интересовало (и я не знал как посчитать), насколько это много тепла в 250л кипятка.
Опытным путем, в солнечный день, выяснил- если включить насос даже на полную мощность, температура в баке не уменьшается а растет, хотя и более медленно. То есть днем, по крайней мере в солнечный день, можно включать обогрев на полную мощность.
Далее… для пробы насос подключил через таймер, с включением по 15 минут каждый час.
Вечерняя температура бака (после экспериментов) была 50 градусов, утренняя получилась уже 33.Поддержание температуры 10 градусов тепла в помещении (при уличных -10) сожрало за ночь порядка 20 градусов из 200л бака.

Утром колбы коллекторов даже инеем покрылись -не из-за этого конечно;)
К вечеру, при периодических включениях насоса таймером, опять «насобиралось» 42 градуса
За несколько последующих дней с туманом (почти без солнца), утренняя температура «зафиксировалась» чуть выше +20 (при тех же минусах ночью и около нулевой дневной). За день градусов до 30-40 набирается, через иногда выглядывавшее солнышко, за ночь на 10 уходит.
Короче надо наблюдать, искать баланс расходов и перерабатывать полученные результаты.

Если использовать онлайн-калькулятор (и я ничего не напутал :), то получается за день вырабатывается примерно 30-40 МДж энергии (если хорошая погода), что примерно равно работе 2000вт нагревателя в течении 4- 6 часов (экономия до 70 руб/сутки, если считать по затратам на электричество). Получается, если верить посчитанному, коллектор с 20 трубками примерно равен по производительности тепла 2кВт ТЭНу.

В планах, после сбора более обширной статистики и выработки логики управления отоплением- установка таймера с термостатом, для отслеживания температуры в баке и помещении для переключения/выключения насоса и дополнительного обогрева, в зависимости от времени суток и температуры в баке и бане.

Уже подобрал (и заказал) довольно любопытный термостат, позже протестирую и если он окажется действительно интересным, сделаю отдельный обзор о нем-вполне вероятно это почти готовый блок управления для моего варианта.

Ну а на этом пока и все!
======================================================================
Вердикт: рассмотренного выше коллектора не хватит для полноценного отопления даже в моем теплом климате! В межсезонье (весна и осень) думаю вполне можно использовать- время покажет.

Несмотря на мизерную площадь помещения, всего один радиатор, утепленную теплотрассу и 200+ литровый бак с 20 трубками-всего этого получается радикально мало для отопления зимой. Наверное можно только как доп.обогрев использовать, и то желательно устанавливать другой, бойлерный вариант системы с антифризом в качестве теплоносителя. В этом случае можно собирать большее количество тепла (меньше теплопотери в помещении где расположен бойлер) и нет необходимости периодически прогонять теплоноситель, для предотвращения промерзания труб ночью и в затяжную пасмурную погоду.

Для отопления помещений нужна огромная батарея из подобных коллекторов- относительно дорого и занимает много места.
Самый оптимальный сценарий работы подобной системы, это как раз его наиболее распространенное использование в качестве сезонного нагревателя воды (для душевых кабин и технической воды).
Кстати, подобной «штуковиной» довольно легко можно нагревать воду в бассейне, а у меня таковой имеется -надо подумать :)

Всем удачи и хорошего настроения! ☕