Делаем сами: 8 вариантов солнечного отопления частного дома

Это в 19-м веке дома отапливали дровяными печами, а в 20-м – газовыми котлами. Сейчас уже 21-й век: это век информационных технологий, высоких цен на энергоносители и борьбы с «парниковым эффектом». Уже сейчас солнечные батареи продают дешевле 1 $ за Вт мощности, хотя еще в 1977 году 1 Вт продавался в среднем за 77 $ (легко запомнить: «четыре семерки»). И всякие солнечные коллекторы (например, вакуумные трубки) тоже заметно дешевеют.

И не стоит думать, что солнечное отопление домов развивается только в Дании, Германии, Швеции или Канаде. Например, можете посмотреть видео, где человек в Одессе сам сделал 18 кв. м плоских солнечных коллекторов, и они уже второй сезон дают тепло для отопления его дома.

1) «Минимальный» вариант:

Многие думают, что можно купить небольшое количество солнечных коллекторов (максимум 10-20 кв. м), и они решат все их проблемы с отоплением дома. И кроме того все эти коллекторы можно будет расположить на крыше, т.е. должно получиться что-то подобное следующему фото:

К сожалению, этого очень мало для полноценного отопления дома (хотя это в несколько раз больше, чем нужно было бы для снабжения горячей водой душа и умывальников). Например, 10 кв. м коллекторов будут выдавать в солнечный день только 3-5 кВт мощности нагрева, чего достаточно для отопления примерно 50 кв. м помещений во время морозов. Но, очевидно, солнечного тепла не будет ночью и в пасмурные дни, т.е. больше 95 % времени в ноябре-феврале.

В октябре и марте-апреле так дом уже греть нельзя, поскольку во время солнца оно и так нагревает комнаты через окна, и часто доходит даже до того, что форточки приходится открывать, чтобы не было так жарко. И в то же время ночью дом отапливать очень нужно, поскольку температура на улице опускается до нуля и ниже. Выходом из этой ситуации является тепловой аккумулятор: это бак с водой (500 литров воды на 8-12 кв. м коллекторов), которая в солнечный день нагревается коллекторами, чтобы в ближайшую ночь отдать это тепло радиаторам отопления.

Экономический смысл использования варианта № 1 есть тогда, если стоимость солнечных коллекторов окажется меньше 50 EUR за кв. м. В этом случае можно уложиться в 300-1000 EUR за всю систему (10-20 кв. м коллекторов, тепловой аккумулятор 500-1000 литр, насосы, трубы, теплообменники, автоматика), а даст это следующее:

— Экономия около 80 куб. м газа в ноябре-феврале (это включение на протяжении 20-25 солнечных дней в этот период)

— Экономия около 120 куб. м газа во второй половине октября, а также в марте и первой половине апреля. Но это только, если будет тот тепловой аккумулятор

— Полное отопление дома в начале октября, а также в конце апреля и начале марта. Вечера и ночи в это время все-таки холодные, и поэтому можно отапливать дом в эти моменты (солнечное тепло все равно бесплатное), чтобы не ходить в свитере, не мерзнуть по ночам и не болеть

— Полное (с огромным избытком) горячее водоснабжение дома в мае-сентябре. Избытка горячей воды будет так много, что ее можно будет передавать соседям

Очевидно, для варианта № 1 очень дорогими оказываются вакуумные трубки и плоские коллекторы, которые продаются магазинами по 150-300 EUR за кв. м. Таким образом, нужно все-таки самому делать плоские коллекторы, и в Internet можно найти (но с огромным трудом) конструкции плоских коллекторов с 30-50 EUR / кв. м расходов на комплектующие. Но не всякий самодельный коллектор сможет эффективно работать зимой. Поэтому здесь нельзя принимать серьезного решения без экспериментов или совета знающего человека.

О расположении коллекторов на крыше лучше не думать: их крепление там автоматически увеличивает их стоимость на 10-30 EUR / кв. м по сравнению с расположением на земле. И обслуживать их там будет очень сложно, особенно если будет выбрана ненадежная конструкция коллектора.

Тот тепловой аккумулятор (на 500-1000 литр воды) тоже лучше изготовить самостоятельно, поскольку покупка такого в магазине обойдется примерно в 1000 EUR. И вообще, все лучше делать самому, поскольку оплата наемников не позволит уложиться в цель «300-1000 EUR за всю систему».

Но будет лучше, если использовать очень дешевые солнечные коллекторы с ценового уровня «10-20 EUR / кв. м». Пример такого коллектора:

В таком случае хозяину частного дома будет трудно сделать следующий выбор. С одной стороны, он может инвестировать 300-700 EUR в солнечную станцию с 10-20 кв. м коллекторов. Но с другой стороны, утепление стен дома (пенополистиролом) или замена его окон потребует те же 300-700 EUR. А эффект от этих инвестиций оказывается примерно одинаковый для всех этих вариантов (снижение потребления газа на 10-15 %). В таком случае придется делать выбор на основании следующих особенностей:

— Утепление дома – это «сделал и забыл», в то время как солнечная станция будет требовать присмотра и обслуживания.

— Солнечная станция будет требовать землю для своего расположения: 15 кв. м коллекторов потребуют участок 2 м х 10 м, свободный от теней.

— Солнечная станция даст еще и много бесплатного летнего тепла. Его можно использовать для горячего водоснабжения дома, производства электричества и других целей, описанных в варианте № 2.

А если дом уже имеет теплые стены и новые окна, то выбора уже не будет: нужно строить солнечную станцию.

Вариант № 1 является единственным, который не требует много земли для солнечной станции. Кроме того, он является начальным этапом для перехода к другим вариантам (Если мы хотим построить большую солнечную станцию, то начинать нужно все-таки с небольшой станции).

2) Вариант солнечной станции с лишним зимним теплом:

Этот вариант подойдет не каждому частному дому.

Например, это может быть дом с открытым бассейном. К примеру, для 50-тонного открытого бассейна рекомендуют установить 25-30 кв. м солнечных коллекторов (рекомендуют площадь солнечных коллекторов, примерно равную 70-100 % от площади открытого бассейна). И получается так, что в мае-сентябре тепло коллекторов идет на нагрев воды бассейна, а в октябре-апреле тепло коллекторов оказывается ненужным, и поэтому оно может быть направлено на отопление дома.

Бассейн может быть у хозяина соседнего участка. В этом случае можно продавать ему летнее тепло (по теплотрассе с теплообменником и тепловым счетчиком), и оплата этого тепла окупит солнечную станцию за несколько лет (а в качестве дополнительного бонуса – бесплатное зимнее тепло для отопления своего дома).

Вариант № 2 также подойдет, если рядом (не дальше 50-100 м) будет находиться иной большой потребитель летнего тепла: база отдыха, гостиница, завод и т.п.

Можно продавать горячую воду (по водосчетчику), устроив на краю своего участка душевую для завода или аграрного предприятия. Либо за пределами своего участка организовать место мойки контейнеров, животных и т.п.

Также, летнее тепло может понадобиться для бизнеса хозяина, например, сушка пиломатериалов: для высушивания 100 куб. м древесины за сезон требуется около 20 000 квт-час тепла, с чем могут справиться (на протяжении мая-сентября) около 100 кв. м коллекторов. Можно специально построить такую сушку, чтобы зарабатывать деньги на заказах от пилорам. Или можно уговорить знакомого поставить такую сушку на своем участке.

Можно сушить твердое топливо для своего дома. Например, чтобы высушить 10 тонн мокрой тырсы (до 5 тонн сухой, чтобы потом сделать из нее пеллеты), нужно потратить около 3,5 квт-час тепла за сезон (от примерно 20 кв. м коллекторов).

Вообще, можно найти много других вариантов использования летнего тепла («кто ищет, тот всегда найдет»). Главное, чтобы это было такое использование, чтобы тепло мая-сентября было максимально востребовано, а тепло ноября-марта было для этого ненужным.

Если такая солнечная станция должна иметь 30-100 кв. м коллекторов, дом получит от нее тепло, которое покроет 20-50 % его отопительной потребности.

3) Вариант «на 2 кв. м дома используется примерно 1 кв. м солнечного коллектора:

Для этого варианта потребуется 1-3 соток земли. Например, это может быть огород, причем он не пропадет, поскольку между рядами солнечных коллекторов остается достаточно места для выращивания картошки и других культур, а в тени солнечных коллекторов можно попробовать посадить лесную землянику или какие-то цветы, не переносящие солнца (там также очень хорошо растет зеленая травка, типа как на газонах). Кроме того, коллекторы можно удалять на период мая-сентября, поскольку они в это время не нужны, а такое удаление, возможно, будет продлевать их срок службы. Если своей земли нет, можно договориться с соседями, расплачиваясь с ними излишками солнечного тепла в мае-сентябре.

Тепловой аккумулятор нужен уже большой (бак с несколько тонн воды), и он должен быть окружен толстой теплоизоляцией (20-40 см), чтобы хранить тепло на протяжении нескольких дней или недель. Уменьшить толщину его теплоизоляции имеет смысл, если аккумулятор устанавливается в подвале, теплице или помещении, которое требуется отапливать; в этом случае тепловые утечки из аккумулятора оказываются даже полезными, и он, как бы, оказывается дополнительным «радиатором отопления», эквивалентным чугунной батарее с 10-20 секций. На каждый 1 кв. м коллекторов требуется 60-90 литров теплового аккумулятора. При разрядке (т.е. охлаждении с 80-100 град до 40-60 град) каждой 1 тонн воды аккумулятора освобождается тепло, эквивалентное сжиганию 5-7 куб. м газа. При самостоятельном изготовлении аккумулятора он обойдется от 100-200 EUR / тонна (если его сваривать из стального листа) до 20-40 EUR / тонна, если это будет типа показанного на видео:

Таким образом, вариант № 3 предполагает солнечную станцию, состоящую из 1-3 рядов типа показанного на следующем фото:

Стоимость материалов для каждого такого ряда (он имеет 29 кв. м зеркал) – от 250 до 300 EUR. Стоимость остальных элементов солнечной станции описана в ролике:

Очевидно, что чем ближе станция к дому, тем она дешевле будет стоить. Вообще, расходы на солнечную станцию помещаются в 400-1200 EUR (при условии ее самостоятельного изготовления), а дает она следующее (на примере станции с 60 кв. м зеркал):

— Отопление дома получит эквивалент 600-800 куб. м газа: солнечная станция (в Центральной Украине) будет полностью отапливать его в октябре и апреле, а также закроет 50-80 % отопительной потребности марта и отопит дом в солнечные периоды ноября-февраля

— Также будет эквивалент 100-200 куб. м газа для холодных ночей перед отопительным сезоном и после него: не нужно будет мерзнуть, экономя газ

— Также будет 100-200 куб. м газа тепловых утечек из теплового аккумулятора, которые можно использовать для отопления. Но если аккумулятор будет стоять на улице, это тепло потеряется (хотя можно подумать, чтобы окружить его теплицей или оранжереей)

— Солнечное тепло можно также использовать для горячего водоснабжения дома в мае-сентябре. При этом можно сэкономить порядка 100 EUR на стоимости традиционного источника горячей воды (электробойлер или газовая колонка): тот будет уже не нужен, если подключить станцию определенным образом

— Кроме этого, станция может производить много тепла в мае-сентябре (эквивалент порядка 1000 куб. м газа). Куда его можно деть – см. варианты № 2, 4, 8

4) Солнечная станция для электричества и тепла:

Пять способов производства электричества солнечными коллекторами описаны в моем 2-минутном ролике:

Это следующие способы: «паровая турбина», «фокусирование света на солнечных батареях», «элементы Пельтье», «цикл Рэнкина», «ORC». На высокое КПД рассчитывать не стоит: для производства 1 кВт-час электричества нужно будет тратить 10-30 кВт-час тепла. Если ставится цель сделать 1000 кВт-час электричества в год, потребуется солнечная станция с 100 кв. м зеркал. Можно подсчитать, что стоимость такой станции (1000-1500 EUR) оказывается дешевле, чем солнечные батареи для выработки такого же количества электроэнергии (для этого нужно около 10 кв. м солнечных батарей, а также их крепления, инверторы и др. оборудование). Но при этом:

— Есть дополнительный бонус: 100 кв. м зеркал бесплатно дадут около 1000 куб. м газа для отопления дома и его горячего водоснабжения (т.е. на производство электричества будет направляться только то тепло, которое окажется ненужным для отопления или горячего водоснабжения)

— Способы «элементы Пельтье», «цикл Рэнкина» и «ORC» производят электричество не только во время солнца, а также ночью, в несолнечные дни и т.п., поскольку они работают на тепле из теплового аккумулятора

— Практическая реализация любого из тех пяти способов может стать основой хорошего бизнеса с большими перспективами

Но реализовать это все может только человек, хорошо разбирающийся в физике. Если такого человека в круге знакомых нет, лучше забыть о варианте № 4.

5) Вариант с «сезонным тепловым аккумулятором» для 100 % солнечного отопления дома:

Многим нравится красота следующей идеи: летнее тепло солнечных коллекторов накапливать в огромном тепловом аккумуляторе, а затем использовать это тепло для отопления дома зимой. Эта идея называется «Сезонный тепловой аккумулятор». Можно набрать эти слова в Google и увидеть множество разнообразных технических решений. Но, к сожалению, все они очень далеки от финансовых возможностей обычного украинца. Например, очень часто там предлагается использовать в качестве аккумулятора земляной массив под домом, но забывают сообщить, как это сделать дешево и как затормозить утечки тепла, которое туда направляется от коллекторов. А также не говорят, как это все можно реализовать в случае уже построенного дома, причем именно обычного дома среднестатистического украинца: с обычными батареями отопления (а не «теплыми полами»), с плохой теплоизоляцией и без нужных особенностей структуры земли.

Тем не менее, вариант № 5 технически реален уже сейчас. Но его экономический смысл будет очень сомнительным: либо аккумулятор будет дорогим, либо тепловые утечки из него будут такие большие, что придется ставить много солнечных коллекторов. Стоить все это будет примерно столько же, как полная стоимость установки теплового насоса (десятки тысяч EUR), но при этом еще будет реальная экономия энергоресурсов, поскольку тепловой насос потребляет огромное количество электроэнергии. Но «сезонный тепловой аккумулятор» пока что еще не «раскрученная» технология, и поэтому украинцы предпочитают тратить деньги именно на тепловые насосы.

Экономически интересным вариант № 5 станет только, если кто-то когда-то предложит идею по уменьшению стоимости тепловых аккумуляторов до 3-5 EUR / куб. м. Тогда их будет выгодно использовать вместе с солнечными коллекторами не дороже 30-50 EUR.

6) Вариант «на 1 кв. м дома используется примерно 2 кв. м солнечного коллектора»:

Это уже большая станция даже по европейским меркам: 120-300 кв. м солнечных коллекторов. И тепловой аккумулятор нужен уже большой – порядка 10-30 тонн воды (80-100 литров воды на 1 кв. м коллектора); такое грандиозное сооружение можно расположить только на улице.

Эта станция даст дому 50-70 % его отопительной потребности и будет полностью его отапливать где-то до середины ноября и начиная с середины февраля. Но газовый котел остается еще нужным, поскольку декабрь и январь – это холодные несолнечные месяцы и тепло солнечной станции сможет покрыть только 30-50 % потребностей в это время.

Тем не менее, некоторые хозяева могут попробовать комфортно жить и в таких условиях, беря пример с некоторых наших сельских жителей или с владельцев аристократических особняков в Европе: в холодные периоды они ограничивают свое жизненное пространство несколькими комнатами (естественно, не допуская чрезмерного переохлаждения других помещений). Если так делать, то можно полностью отказаться от традиционных котлов, что дает сразу несколько преимуществ:

— Дом становится очень безопасным, поскольку традиционные котлы часто устраивают пожары или утечки газа, травят людей угарным газом, взрываются (что любят делать твердотопливные котлы), а также служат постоянным источником дровяного мусора и других неприятностей

— Стоимость дома уменьшается на несколько тысяч EUR: цена котла и его подключения, несколько кв. м котельного помещения, дымоход

— Не нужно тратить деньги на подключение дома к газовой магистрали (кухонная плита может быть электрической)

Чтобы расходы на такую большую солнечную станцию уложились в 2-3 тысяч EUR, солнечные коллекторы должны оказаться дешевле 10 EUR / кв. м, а тепловые аккумуляторы – дешевле 20-30 EUR за тонну воды. Интересно, что такие расходы окажутся заметно меньше, чем экономия, которая получается от описанного выше эффекта отказа от традиционного котла.

Земли для такой станции понадобится много: 5-10 соток. Поэтому для примерно половины украинских домов вариант № 6 будет недоступен. Хорошо быть сельским жителем: там большие огороды. Кроме того, в новых пригородах обычно много пустующих участков, где можно расположить такую солнечную станцию. Идеальный случай для варианта № 6: удаленные дома и поселки: к газовой магистрали подключиться очень дорого, а пустующей земли вокруг очень много.

Интересно, что такие солнечные станции имеют большой избыток солнечного тепла до начала ноября, а также с конца февраля. Поэтому рядом с ними можно ставить теплицу или подумать, чтобы продавать это лишнее тепло для отопления соседей.

Для интересующихся:

Есть такое заблуждение, что если количество коллекторов увеличить в N раз, то экономия газа увеличивается в N раз тоже. Но это правило работает только при небольшом количестве коллекторов (в рамках варианта № 1). Следующая таблица показывает, что происходит при переходе от варианта № 3 (это предпоследний столбец таблицы) к варианту № 6 (последний столбец) на примере дома в центральных областях Украины:

Можно заметить, что если при 50 кв. м коллекторов они охватывали 25 % отопительной потребности дома, то при увеличении их количества в 4 раза все равно 100 % отопления не получается: в декабре-январе солнечного тепла явно не хватает. Поэтому нужно выбирать: либо топить в это время традиционным котлом, либо уменьшать отапливаемую площадь дома.

7) Экономически целесообразный вариант для 100 % солнечного отопления дома:

Выше говорилось, что вариант № 5 хоть и достигает 100 % отопления, но не стоит потраченных на него денег (во много раз экономически выгоднее топить газом или дровами). Намного дешевле достичь 100 % отопления, следуя по пути наращивая количества максимально дешевых солнечных коллекторов. В этом случае солнечная станция выглядит следующим образом:

Во-первых, нужны большие тепловые аккумуляторы для хранения запаса тепла на 15-30 несолнечных дней. Это 40-100 тонн воды, и поэтому желательно, чтобы они были дешевле 15-20 EUR / тонна.

Во-вторых, нужно 200-500 кв. м солнечных коллекторов, для расположения которых потребуется 7-20 соток земли. Но больше половины этой земли потребуется только на два месяца: там солнечные коллекторы будут ставиться в конце ноября, а удаляться в начале февраля. Вариантов земли для такой временной установки коллекторов может быть достаточно много: это может быть соседский огород, незастроенный земельный участок, заливной луг, сельскохозяйственное поле, любой пустырь и др. Очевидно, что коллекторы должны быть очень дешевые (5-8 EUR / кв. м). О каких-либо претензиях к их внешнему виду лучше забыть: такое дешевое красивым быть не может. Главное, чтобы они эффективно работали, не привлекали воров или вандалов, а также легко собирались и разбирались.

Вообще, только около 50 кв. м коллекторов должны будут стоять весь отопительный сезон, для чего потребуется только 1-2 соток земли. Остальные коллекторы будут постепенно достраиваться на протяжении ноября, а удаляться в феврале-марте.

В южных областях зимы более солнечные, и поэтому там стоимость такого отопления окажется в пределах 3-4 тысяч EUR. В центральных и западных областях все это может быть выгодно только при условии учета экономии из-за отсутствия традиционного котла (т.е. цены котла и его подключения, стоимость дымохода и площади дома под котельную, цена подключения дома к газу).

8) Очень экономически выгодный вариант с 100 % солнечного отопления дома:

Это вариант для тех, кто хочет дать полное солнечное отопление своему дому и при этом грамотно вложить 5-15 тысяч EUR инвестиций.

Это очень большая станция, например, 400 кв. м коллекторов (на 12 соток земли) в южных областях или 1000 кв. м (40 соток земли) в северной или западной Украине. И эта станция должна быть подключена к нескольким частным домам. Получается что-то, что можно назвать «солнечной котельной»: это микро-аналог городского централизованного отопления.

Если такая «котельная» будет подключена как минимум к 3-5 домам, появляется возможность 100 % солнечного отопления одного из этих домов. Разумеется, это будет дом хозяина «котельной»; в него будет идти все солнечное тепло в декабре-январе. Остальные абоненты будут получать тепло «котельной» в октябре-ноябре и феврале-апреле, оплачивая его по тепловым счетчикам.

Если грамотно вести дела, расходы на строительство «солнечной котельной» окупятся за 3-5 лет, а перспективы развития бизнеса увидеть несложно – строительство сотен или тысяч таких «котельных» в своем районе или по всей стране.

Экономика такой «солнечной котельной» будет примерно следующая (все без НДС на примере 400 кв. м коллекторов для дома в Одесской обл.):

«Солнечная котельная» потребует 5 600 EUR инвестиций на следующее:

— 3200 EUR за 400 кв. м коллекторов (по 8 EUR / кв. м)

— 800 EUR за 40 тонн тепловых аккумуляторов (по 20 EUR / т)

— 600 EUR за 100-200 метров тепловых трасс к 2-4 абонентам

— 600 EUR для установки (у тех 2-4 абонентов) тепловых счетчиков и теплообменников (для передачи тепла от грязной воды «котельной» в чистую воду отопительной системы домов абонентов)

— 400 EUR расходов на подключение к дому «хозяина котельной» и другое оборудование станции (насосы и несколько мелочей)

На протяжении отопительного периода в Одесской обл. (ноябрь-март) «котельная» произведет 40 тысяч кВт-час тепла (100 кВт-час на кв. м коллектора), которое израсходуется следующим образом:

— 15 тыс. кВт-час – отопление дома «хозяина»

— 15 тыс. кВт-час – продажи тепла тем 2-4 абонентам в ноябре и январе-марте

— 10 тыс. кВт-час – тепловые утечки из теплового аккумулятора и теплотрасс

Продажи этих 15 тыс. кВт-час тем 2-4 соседям (по 2 евроцент / кВт-час = эквивалент газа по 3,5 грн / куб. м без НДС) дадут 700 EUR ежегодной выручки. Это не считая бесплатного отопления дома «хозяина котельной». Результат неплохой, но для быстрой окупаемости нужно продавать тепло, вырабатываемое станцией в апреле-октябре, а это 104 тысяч кВт-час (260 кВт-час на кв. м коллектора). Если продать хотя бы 70 тысяч кВт-час (по 1,5 евроцент / кВт-час = 40 % цены газа для коммерческих предприятий), то это будет дополнительная годовая выручка 1050 EUR. Таким образом, годовая прибыль «солнечной котельной» составит около 1300 EUR (из выручки вычтено около 500 EUR годовых эксплуатационных расходов «котельной»: замены деталей, электроэнергия, др.), т.е. вложенные инвестиции окупятся примерно за 4 года, и при этом дом хозяина будет отапливаться бесплатно.

Декабрь будет наиболее критичным для солнца месяцем, когда 400 кв. м коллекторов произведут только 3840 кВт-час тепла (по 9,6 квт-час / кв. м) при отопительной потребность того дома 3200 кВт-час.

40 тонн теплового аккумулятора хранят 1400 кВт-час при разрядке от 90 град до 55 град с потерями 14 %; это 2-недельный запас тепла для отопления дома в декабре.