Вода, вітер і сонце — найдоступніші й невичерпні джерела енергії, які дарує природа людині. Не випадково до них останніми роками знову звертається найпильніша увага як науки та промисловості, так і ентузіастів технічної творчості, самодіяльних конструкторів. Про деякі з створюваних ними «домашніх» пристроїв з використанням вітру та сонця ми вже розповідали в наших публікаціях розділу КДМ та «Мала механізація». Сьогодні знайомимо вас із нагрівальною сонячною установкою, сконструйованою болгарським інженером Станіславом Станіловим.
Без гарячого водопостачання сьогодні обійтись важко. Чи потрібно помити посуд чи автомобіль, прийняти душ чи вимити підлогу – у всіх цих випадках потрібна тепла вода. Добре тим, хто має будинок централізовано забезпечується нею; а як бути власникам індивідуальних будиночків, дач? Можна, звичайно, спорудити піч-«котельню», проте вона вимагатиме чимало палива. Тим часом не тільки влітку, але навіть холодної пори весни та осені можна забезпечити будинок гарячою водою без витрат навіть найменших кількостей палива. Для цього достатньо зробити водонагрівач, що працює від сонця.
1 — поплавковий клапан аванкамери; 2 — дренажна труба накопичувача; 3 — трубопровід для підведення холодної води до аванкамери; 4 — теплоізоляційний короб накопичувача; 5 — труба введення холодної води; 6 — труба підведення холодної води до змішувачів; 7 – труба підведення гарячої води до змішувачів, 8 – труба для підведення гарячої води до накопичувача, 9 – сонячні колектори, 10 – зливний вентиль, 11 – вентиль для затоки системи, 12 – «гаряча» труба сонячного колектора, 13 – труба підживлення накопичувача , 14 – аванкамера, 15 – дренажна труба аванкамери.
Геліокотельна не надто складна: у конструкцію входить сонячний колектор, що складається в даному випадку з двох однакових блоків (при необхідності кількість блоків можна збільшити), накопичувач гарячої води та аванкамера.
Під час проектування сонячного водонагрівача використовувалося кілька добре відомих принципів. Так, наприклад, для самого нагрівача — «парниковий ефект», тобто властивість сонячних променів безперешкодно проходити крізь прозоре середовище в замкнутий простір і перетворюватися на теплову енергію, яка вже не здатна подолати назад прозорий «дах» установки. А в гідравлічній системі служить термосифонний ефект, тобто властивість рідини при нагріванні підніматися вгору, витісняючи при цьому холоднішу воду і змушуючи її переміщатися до місця нагрівання. Слід також відзначити, що при розробці враховувався і ефект накопичення та збереження теплової енергії: в установці «уловлена» сонячна енергія, перетворена на теплову, акумулюється та зберігається тривалий час.
Зрозуміло, основним принципом при проектуванні був «зроби сам»: всі складові елементи водонагрівача повинні бути доступні для виготовлення самотужки і з таких напівфабрикатів або сировини, матеріалів, які можна придбати у відкритому продажу або підібрати з металобрухту.
Отже, трохи про влаштування сонячного водонагрівача та принцип його роботи.
Колектор – це трубчастий радіатор, укладений у короб, одна із сторін якого засклена. Радіатор зварений зі сталевих труб, причому для підвідної та відвідної використовуються водопровідні труби на 1 або на 3/4 дюйми, а для решітки краще використовувати тонкостінні труби меншого діаметра – наприклад, труба Ø 16Х1,5 мм. Усього для однієї решітки потрібно 15 таких труб завдовжки близько 1600 мм.
Короб колектора – дерев’яний, зібраний із дощок товщиною 25…30 мм та шириною 120 мм. Днище короба – з фанери або оргаліту, воно посилене рейками перетином 30X50 мм. Короб ретельно теплоізолюється; зробити це можна за допомогою пакувального або будівельного пінопласту: він укладається на дно, поверх нього закріплюється лист білої жерсті або оцинкованого покрівельного заліза і зверху укладається радіатор. Закріплюється радіатор у коробі хомутами із сталевої смуги.
Труби радіатора та металевий лист на дні короба фарбуються чорною матовою фарбою. Покривне скло бажано герметизувати, щоб втрати тепла за рахунок конвекції були мінімальними. З зовнішнього боку короб бажано пофарбувати сріблястою, щоб зменшити втрати на тепловипромінювання.
Усі з’єднання — як зварні, так і різьбові повинні бути строго герметичними. З’єднання труб – стандартне, за допомогою муфт, трійників та куточків з герметизацією прядивом і фарбою.
Накопичувачем теплоносія може бути бак ємністю 200—300 літрів. У принципі для цієї мети годиться і будь-яка відповідна бочка. Якщо неможливо підібрати ємність потрібної місткості, використовуйте дві-три з’єднавши їх за допомогою труб в єдину систему. Накопичувач також бажано теплоізолювати. Ідеальним варіантом буде розміщення ємності (або ємностей) в дощатому або фанерному коробі з заповненням міжстінкового простору будь-яким утеплювачем – будівельним пінопластом, шлакуватою, сухою тирсою або навіть рубаною соломою або сіном. З тією ж метою саму бочку (або бочки) бажано пофарбувати зсередини та зовні сріблястою. Нею слід пофарбувати короб і зовні.
Аванкамера призначена для створення в гідросистемі постійного, не надто високого тиску – 800-1000 мм водного стовпа. Якщо провести аналогію з системою охолодження автомобіля, можна сказати, що аванкамера грає тут роль розширювального бачка. Виготовити її можна з будь-якої відповідної посудини ємністю 30-40 літрів, наприклад, великого бідона або навіть алюмінієвої каструлі тієї ж місткості. Аванкамера оснащується пристроєм, що підживлює, що дозволяє їй працювати в автоматичному режимі. Його основа – поплавковий клапан, який застосовується у побуті для зливних бачків: його можна придбати у магазинах сантехнічних виробів.
1 – сонячний колектор, 2 – «гаряча» труба сонячного колектора, 3 – забірна труба для виходу гарячої води з накопичувача, 4 – дренажна труба аванкамери, 5 – дренажна труба накопичувача, 6 – поплавковий клапан аванкамери, 7 – аванкамера підведення холодної води до аванкамери, 9 – трубопровід підживлення накопичувача, 10 – водопровідне введення, 11 – підведення холодної води до змішувачів, 12 – підведення гарячої води до змішувачів, 13 – холодна труба сонячного колектора.
Складання сонячного водонагрівача починається з розміщення на горищі будинку накопичувача в теплоізолюючому коробі і аванкамері. Маса заповненого водою накопичувача виходить значною, тому слід переконатися, що перекриття стелі у вибраному місці досить міцні та витримають вагу масивного бака.
Аванкамера розміщується поблизу накопичувача таким чином, щоб рівень води в ній перевищував рівень води в накопичувачі на 0,8-1 м.
Сонячні колектори розташовуються з південного боку будинку під кутом від 35 до 45 ° до горизонту. Розміщувати їх найкраще так, щоб ці панелі стали природною покрівлею будинку чи невеликої веранди.
Для того щоб з’єднати всі елементи сонячного водонагрівача в єдину систему, знадобляться труби двох сортаментів: «дюймові» та «напівдюймові». За допомогою останніх монтується високонапірна частина системи – від водопровідного введення до аванкамери, а також виведення нагрітої води з накопичувача: “дюймові” використовуються для низьконапірної частини нагрівача.
Слід зазначити, що працездатність системи значною мірою залежить від її герметичності та відсутності повітряних пробок, тому до монтажу трубопроводів слід поставитися особливо акуратно. Усі труби бажано також пофарбувати сріблястою і ретельно теплоізолювати – наприклад, за допомогою поролону та поліетиленової стрічки, якою смуги поролону прибинтовуються до труби. Завершивши цю операцію, краще покрити «забинтовану трубу сріблястою».
Заповнення системи водою здійснюється через дренажні вентилі в нижній частині радіаторів – у цьому випадку буде гарантія появи в системі повітряних пробок. Процес заповнення закінчується, коли з дренажної труби аванкамери ллється вода.
Тепер приєднуємо аванкамеру до водопровідного введення та відкриваємо видатковий вентиль; при цьому рівень води в аванкамері почне знижуватися доти, доки не спрацює поплавковий клапан. Підгинаючи тримач поплавця, можна досягти оптимального рівня води в аванкамері.
1 – захисне скло, 2 – рама (сталевий куточок), 3 – дно (оргаліт товщиною 5 мм), 4, 7 – стінки короба колектора (дошка перерізом 120X25 мм), 5 – сталева накладка (смуга перетином 2,5×20 мм) ), 6 – накладка-куточок, 8 – посилення днища (дерев’яний брусок перетином 30X50 мм), 9 – сполучна муфта, 10 – трубка радіатора, 11 – приймальна труба радіатора, 12 – хомут кріплення радіатора, 13 – тепловідбивач (оцинковане покрівельне залізо або біла жерсть), 14 – утеплювач (пінопласт, скло-) .
Після заповнення системи водою радіатори відразу почнуть нагрівати її — це відбувається навіть у хмарну погоду. Тепла вода підніматиметься вгору, заповнюючи собою накопичувач і витісняючи при цьому холодну, яка надійде в радіатор. Процес відбувається безперервно – до тих пір, поки температура води, що надходить у радіатор, не зрівняється з температурою води, що надходить з радіатора. При витрачанні води з накопичувача рівень її в аванкамері знизиться; тоді спрацює поплавковий клапан і долити воду в аванкамеру. Холодна вода з аванкамери надійде в нижню частину накопичувальної ємності, тому перемішування води практично не відбувається. Тепла вода забирається з самої верхньої частини накопичувача.
Слід пам’ятати, що вночі, коли температура на вулиці менша, ніж температура нагрітої води, сонячний водонагрівач за допомогою радіатора почне опалювати вулицю — термосифонний ефект працює і в цьому випадку, перекачуючи тепло у зворотному напрямку. Тому в гідросистемі має бути передбачений вентиль, що перешкоджає зворотній циркуляції води з радіаторів у накопичувач, який має сенс перекривати у вечірній та нічний час.
Підведення води до миття або душу можна зробити за допомогою стандартних змішувачів. Міра ця аж ніяк не зайва: у сонячну погоду температура води може досягати 80°, і користуватися такою водою важко. До того ж змішувачі дозволять суттєво економити гарячу воду.
Якщо продуктивність сонячного водонагрівача не влаштує вас, її можна значно збільшити, вводячи в тепловий ланцюг додаткові секції сонячних колекторів – блокова конструкція установки цілком дозволяє зробити це.