Термосифонными называются солнечные водонагревательные системы с естественной циркуляцией (конвекцией) теплоносителя, которые используются в условиях теплой зимы (при отсутствии морозов). В целом это не самые эффективные из солнечных энергосистем, но они имеют много преимуществ с точки зрения строительства жилья. Они просты в изготовлении и в большинстве своем работают без помощи электронасоса. Термосифонная циркуляция теплоносителя происходит благодаря изменению плотности воды с изменением ее температуры. Когда вода в коллекторе (обычно в плоском) нагревается, она поднимается по стояку и поступает в бак-накопитель; на ее место в коллектор со дна бака-накопителя поступает холодная вода. Поэтому необходимо располагать коллектор ниже бака-накопителя и утеплять соединительные трубы.

Термосифонным системам свойственны проблемы, связанные с замерзанием и разрывами коллекторов, что случается даже в теплых регионах, где мороз случается всего раз или два в году. Достаточно одной морозной ночи, чтобы незащищенный коллектор получил повреждения. Для защиты от замерзания иногда используют медные трубки толщиной 10 см и хорошо утепленные корпуса с двойным остеклением. Объем воды в такой системе слишком велик, что позволяет предотвратить замерзание и разрыв при небольшом морозе. Такие установки популярны в субтропических и тропических областях.

Солнечный коллектор обычно монтируют на нижнем этаже, балконе или односкатной крыше, чтобы верхний край панели находился хотя бы на 50 см ниже дна бака-накопителя. Бак же устанавливают на втором этаже, на чердаке, иногда под сводом крыши, чтобы между пластиной абсорбера и баком было не меньше 50 см разницы в высоте.

Обогрев бассейнов

Системы подогрева воды для бассейнов - весьма полезное вложение денег. Департамент энергетики США выяснил, что плавательные бассейны по всей стране потребляют колоссальное количество энергии, и признал обогрев бассейнов одним из наиболее экономически выгодных путей снижения потребления энергии. В США и Европе солнечные обогреватели для бассейнов используются практически повсеместно. Только в Соединенных Штатах свыше 200000 бассейнов обогреваются солнечной энергией. Самые старые из этих систем находятся в эксплуатации уже более 25 лет и показали себя экономичными, высоконадежными, требующими минимального ухода. Важно отметить, что они хорошо работают и экономят деньги в течение купального сезона даже в условиях северного климата. Существуют солнечные системы для закрытых бассейнов, а также для крупных городских и коммерческих бассейнов.

Несмотря на то, что стоимость такой установки меняется в зависимости от размера бассейна и других специфических условий, если солнечные системы устанавливаются с целью снижения или отказа от потребления топлива или электроэнергии, они за два-четыре года окупаются за счет экономии энергии. Более того, обогрев бассейна позволяет на несколько недель продлить купальный сезон без дополнительных затрат.

В большинстве зданий не составляет труда устроить солнечный обогреватель для бассейна. Он может сводиться к простому черному шлангу, по которому в бассейн подается вода. Для открытых бассейнов нужно всего лишь установить абсорбер. Закрытые бассейны требуют установки стандартных коллекторов, чтобы обеспечить теплую воду и зимой.

Хотя чаще всего коллекторы устанавливают на крыше, для этого подходит любое место, куда большую часть дня поступает солнечный свет. Вид крыши и материалы, из которых она сделана, не имеют значения. Площадь коллекторов для данного бассейна рассчитывается, исходя из площади самого бассейна. Правильное соотношение площади бассейна к площади солнечного коллектора будет меняться в зависимости от таких факторов, как его размещение, ориентировка относительно Солнца, количество тени, падающей на бассейн и коллектор и желаемая продолжительность купального сезона. Однако в целом площадь коллектора обычно составляет 50 -- 100% от поверхности бассейна.

Как устроена система обогрева бассейна?

Для обогрева плавательного бассейна можно напрямую подсоединить низкотемпературный коллектор к системе фильтрации. В некоторых случаях может понадобиться дополнительный насос или чуть более мощный насос для системы фильтрации. Наиболее эффективные из современных систем включают в себя автоматический отводной клапан. Фильтровальная система бассейна настраивается на работу во время наиболее интенсивного солнечного освещения. В течение этого времени, если датчики определяют, что на коллектор поступает достаточное количество тепла, они дают автоматическому отводному клапану команду направить поток воды из бассейна через солнечный коллектор, где она нагревается. Нагретая таким образом вода возвращается в бассейн. Когда коллектор остывает, вода через него не прогоняется. Таким образом, во многих системах обходятся почти без подвижных частей, благодаря чему минимизируются расходы на обслуживание и ремонт. Требуются дополнительные меры предосторожности для предотвращения коррозии в коллекторах, так как вода - довольно агрессивная среда. Возможные решения: использование низкотемпературных коллекторов, изготовление их из пластика.

Размещение системы

Солнечный нагреватель легко убрать из виду, поместив его, например, на крыше. Однако нужно соблюдать основные проектные нормы. Место размещения должно быть ровным либо иметь небольшой наклон (не более 30 градусов к горизонтали), обратный трубопровод должен располагаться выше, чем трубы подачи воды, а все шланги - постепенно подниматься по отношению друг к другу, чтобы во время работы из них вытеснялся весь воздух.
Как невозвратный клапан, так и стравливающие клапана должны размещаться на высоте более 1 метра над уровнем воды в бассейне, чтобы предотвратить обратный отток воды в бассейн и сплющивание шлангов, когда коллектор в конце каждого рабочего цикла сбрасывает воду. Все коммуникации к фильтрационной системе бассейна должны подсоединяться после фильтра, но перед любым существующим традиционным обогревателем, чтобы избежать избыточного давления в системе.

Уход и эксплуатация

Простота солнечных систем обогрева бассейнов означает минимальные требования к уходу и эксплуатации. Фактически, в большинстве случаев не требуется никаких дополнительных мер, кроме обычной чистки фильтров и закрытия на зиму. На зиму из системы сливают воду; однако иногда и этого не требуется, если система делает это автоматически. Оборудование для солнечного обогрева настолько простое, что многие производители коллекторов предоставляют гарантию на свою продукцию, срок действия которой гораздо дольше, чем у автомобилей и бытовой техники.

Отопление помещений при помощи солнечной энергии

Выше мы говорили только о нагреве воды при помощи солнечной энергии. Активная солнечная отопительная установка может не только обеспечивать горячую воду, но и дополнительное отопление через систему центрального теплоснабжения. Для обеспечения производительности такой системы температура центрального отопления должна быть минимальной (желательно около 50 оC), также необходимо аккумулировать тепло для отопления. Удачным решением является комбинация солнечной отопительной установки с подогревом пола, при котором пол является тепловым аккумулятором.

Солнечные установки для отопления помещений менее выгодны, чем водонагреватели как с экономической, так и с энергетической точки зрения, так как отопление редко требуется в летнее время. Но если летом нужно отапливать помещения (например, в горных районах), то тогда отопительные установки становятся выгодными. В Центральной Европе, например, около 20% общей тепловой нагрузки традиционного дома и приблизительно 50% дома с низким энергопотреблением можно обеспечивать за счет современной активной солнечной системы, оснащенной системой аккумулирования тепла. Оставшееся тепло должно обеспечиваться за счет дополнительной энергоустановки. Чтобы увеличить долю энергии, получаемой от Солнца, нужно увеличивать объем аккумулятора тепла.

В Швейцарии конструируют солнечные установки для частных домов с хорошо утепленными накопительными баками вместительностью 5-30м3 (так называемые, системы Дженни), но стоят они дорого, а хранение горячей воды часто непрактично. Солнечный компонент системы Дженни превышает 50% и даже достигает 100%.

Если бы вышеописанная система полностью работала за счет солнечной водонагревательной установки, то понадобился бы коллектор площадью 25 м3 и бак-накопитель объемом 85 м3 с теплоизоляцией толщиной 100 см. Увеличение теплоемкости аккумулятора энергии приводит к значительному улучшению практических возможностей аккумулирования.

Хотя отопление индивидуальных жилых домов при помощи солнечной энергии является технически возможным, более экономически выгодным на сегодняшний день является вложение средств в теплоизоляцию для сокращения потребности в отоплении.

Сезонное аккумулирование тепла

Если установить коллектор гораздо большей площади и соединить его с очень вместительным накопительным баком, можно обеспечить отопление сразу нескольких домов. Однако основная проблема солнечной энергетики связана с тем, что энергия нужна в основном зимой, когда количество солнечной радиации мало, и, напротив, большая часть летнего потенциала не используется по причине отсутствия спроса. Поэтому вложение капитала в крупные коллекторы большей производительности не имеет смысла.

Однако, есть и такие установки, которые позволяют зимой использовать тепло, накопленное летом солнечными коллекторами и сохраненное при помощи больших аккумулирующих баков (сезонное аккумулирование). Здесь проблема заключается в том, что количество жидкости, необходимое для обогрева дома, сопоставимо с объемом самого дома. Вдобавок, хранилище тепла необходимо очень хорошо изолировать. Чтобы обычный домашний бак-накопитель сохранил большую часть тепла в течение полугода, его пришлось бы обернуть в слой изоляции толщиной 4 метра. Поэтому выгодно делать объем накопительной емкости очень большим. Из-за этого снижается отношение площади поверхности к объему.

Крупные солнечные установки центрального отопления используются в Дании, Швеции, Швейцарии, Франции и США. Солнечные модули устанавливают прямо на земле. Без хранилища такая солнечная отопительная установка может покрыть около 5% годовой потребности в тепле, так как установка не должна вырабатывать больше, чем минимальное количество потребляемого тепла, включая потери в районной системе отопления (до 20% при передаче). Если есть хранение дневного тепла в ночное время, то солнечная отопительная установка может покрывать 10-12% потребности в тепле, включая потери при передаче, а с сезонным хранением тепла - до 100%. Существует также возможность комбинирования районного отопления с индивидуальными солнечными коллекторами. Районную систему отопления можно отключить на лето, когда горячее водоснабжение обеспечивается Солнцем, и нет потребности в отоплении.

Современные системы солнечного тепла

Крупные системы сезонного аккумулирования тепла в жилом секторе уже построены в нескольких странах, но по-прежнему остаются довольно дорогими. Размеры центрального хранилища варьируют от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч кубических метров. Крупнейшее в Европе хранилище такого рода расположено в городе Оулу (Финляндия). Оборудованное в гигантской каменной пещере объемом в 200 000 м3, оно будет подключено к теплоэлектроцентрали, работающей на биомассе. Эта теплоцентраль построена в рамках программы EU-Thermie, осуществляемой Европейским Союзом.

Еще один успешный проект сезонного хранения горячей воды находится в городе Люкебо (Швеция). Здесь используют скальную пещеру, наполненную водой (объемом 105 000 м3) и плоские солнечные коллекторы площадью 28 800 м2, которые поставляют 100% необходимой энергии (8500 МВт·ч/год) для горячего водоснабжения и отопления 550 домов. Все эти дома подключены к коммунальной системе районного отопления. Температура воды, подаваемой потребителям, составляет 70 градусов Цельсия, а возвратной воды - 55 градусов.

Срок окупаемости таких установок очень большой. Самый важный урок, извлеченный из опыта устройства отопительных систем, таков: нужно прежде всего вкладывать средства в энергосбережение и пассивный солнечный дизайн, а затем использовать солнечную энергию для восполнения недостающего количества энергии для отопления помещений.

Солнечная энергия в сочетании с другими возобновляемыми источниками

Хороший результат приносит комбинирование различных возобновляемых источников энергии, например, тепло Солнца в сочетании с сезонным аккумулированием тепла в виде биомассы. Либо, если оставшаяся потребность в энергии очень низка, можно использовать жидкие или газообразные виды биотоплива в сочетании с эффективными котлами в дополнение к солнечному отоплению.

Интересную комбинацию представляют собой солнечное отопление и котлы, работающие на твердой биомассе. Этим же решается и проблема сезонного хранения солнечной энергии. Использование биомассы летом не является оптимальным решением, так как КПД котлов при частичной загрузке невысок, к тому же относительно высоки потери в трубах - а в небольших системах сжигание древесины летом может причинять неудобство. В таких случаях все 100% тепловой нагрузки летом может обеспечиваться за счет солнечного отопления. Зимой, когда количество солнечной энергии незначительно, практически все тепло вырабатывается за счет сжигания биомассы.

В Центральной Европе накоплен большой опыт комбинирования солнечного отопления и сжигания биомассы для производства тепла. Обычно около 20-30% общей тепловой нагрузки покрывает солнечная система, а главная нагрузка (70-80%) обеспечивается биомассой. Это сочетание может применяться и в индивидуальных жилых домах, и в системах центрального (районного) отопления. В условиях Центральной Европы около 10 м3 биомассы (например, дров) достаточно для отопления частного дома, причем солнечная установка помогает сэкономить до 3 м3 дров в год.

Промышленное использование солнечного тепла
Не только домашние хозяйства, но и предприятия используют солнечные водонагреватели для предварительного подогрева воды перед последующим применением других методов, чтобы довести ее до кипения или испарения. Меньшая зависимость от колеблющихся цен на энергоносители - еще один фактор, делающий солнечные системы привлекательным вложением денег. Обычно, установка солнечного водонагревателя влечет за собой быструю и существенную экономию энергии. В зависимости от необходимого объема горячей воды и местного климата, предприятие может сэкономить 40-80% стоимости электричества и других энергоносителей. Например, ежедневная потребность в горячей воде в 24-этажном офисном здании Кук Джей в Сеуле (Южная Корея), обеспечивается более чем на 85% за счет солнечной водонагревательной системы. Система работает с 1984 года. Она оказалась настолько эффективной, что перекрыла плановые показатели и обеспечивает, сверх того, от 10 до 20 % годовой потребности в отоплении.

Пример отопительной системы (здание Kook Jae building).

Существует несколько разных видов солнечных водонагревательных систем. Однако, количество горячей воды, которое обычно требуется предприятию, можно обеспечить только при помощи активной системы. Активная система обычно состоит из солнечных коллекторов, установленных на южном скате крыши (в Северном полушарии) и бака-накопителя, установленного возле солнечного коллектора. Когда на панель попадает достаточно солнечной радиации, специальный регулятор приводит в действие насос, который начинает прогонять жидкость - воду или антифриз - через солнечную панель. Жидкость принимает тепло от коллектора и передает его резервуару с водой, где она хранится, пока не понадобится. Если солнечная система не нагрела воду до нужной температуры, может использоваться дополнительный источник энергии. Тип и размер системы определяются по тому же принципу, что и размер солнечного коллектора для жилого дома (см. выше). Уход за промышленными солнечными системами зависит от типа и размеров системы, однако, благодаря ее простоте, ей требуется минимальный уход.

Для многих видов коммерческой и промышленной деятельности самое большое преимущество солнечного коллектора - экономия топлива и энергии. Однако, нельзя забывать и о существенных экологических преимуществах. Выбросы в атмосферу таких загрязнителей, как сернистый газ, угарный газ и закись азота уменьшаются, когда владелец фирмы решает воспользоваться более чистым источником энергии - Солнцем.

Промышленные высокотемпературные процессы
Различные промышленные процессы требуют подачи тепла разных температур. Многие из этих процессов могут обеспечиваться при помощи солнечных коллекторов, начиная от плоских коллекторов, которые ограничены 100 градусами Цельсия, до концентраторов, при использовании которых можно получить температуру несколько сот градусов.