Системы активного солнечного теплоснабжения бывают двух видов: с жидкостным и воздушным теплоносителем. Системы с жидкостным теплоносителем греют воду или антифриз в “жидкостном” коллекторе, а в системах с воздушным теплоносителем в коллекторе греется воздух.
Как первая, так и вторая система улавливают и поглощают солнечное излучение и передают солнечное тепло либо внутрь помещения, либо в накопительную систему, из которой осуществляется распределение тепла по помещению. Если система солнечного нагрева не обеспечивает помещение необходимым количеством тепла, вдобавок к ней используются дополнительные системы обогрева. Коллектор на жидком теплоносителе более предпочтителен тогда, когда тепло перед подачей какое-то время аккумулируется в накопителе. Кроме того, этот вариант солнечного отопления хорошо подходит для систем лучистого отопления, бойлеров и радиаторов водяного отопления, а также для абсорбционных тепловых насосов и охладителей. Как жидкостная, так и воздушная системы могут дополнять принудительные системы отопления и охлаждения.

 

Экономичность и другие преимущества активных солнечных систем теплоснабжения
Активные солнечные системы теплоснабжения наиболее эффективны при круглогодичном использовании, поэтому наилучшие результаты достигаются в холодном климате с хорошими солнечными ресурсами. Являясь альтернативой системам отопления, использующим электричество, пропан и др., солнечное отопление представляет собой весьма энергоэффективное решение теплоснабжения дома.
Использование солнечного коллектора может способствовать существенному снижению энергозатрат на отопление в зимнее время. Помимо этого, в отличие от нагревателей, использующих ископаемое топливо, солнечное отопление отличается экологичностью, так как не производит вредных выбросов в атмосферу.

Размеры тепловой установки
Размер системы солнечного отопления определяется такими факторами, как местоположение, особенности дизайна, а также уровень потребности дома в теплоснабжении.
Наиболее экономичным считается решение, при котором система солнечного отопления обеспечивает 40-80% тепла, необходимого дому. Системы, производящие менее 40% необходимого тепла, эффективными бывают редко, за исключением тех случаев, когда используется воздушный солнечный коллектор, который без предварительного накопления тепла обогревает 1-2 отдельные комнаты.
При выборе солнечной системы стоит также учитывать особенности дизайна здания: правильно спроектированному и утепленному дому, при строительстве которого были задействованы общие принципы пассивного солнечного дизайна, понадобиться гораздо более скромная и менее дорогостоящая система солнечного отопления, использование которой способно свести к минимуму применение дополнительных (не солнечных) систем теплоснабжения.
Несмотря на все преимущества системы солнечного нагрева, рекомендуется, чтобы ее дублировала другая, резервная система отопления.

Регуляторы для систем солнечного нагрева
По сравнению с традиционными отопительными системами, регуляторы для систем солнечного нагрева, как правило, более сложные, поскольку им приходится анализировать большее число сигналов и контролировать большее количество приборов (включая традиционное отопительное оборудование, используемое в дополнение к солнечному).
Регуляторы для солнечных систем включают различные датчики, переключатели и/или двигатели для управления системой. Используются также и регуляторы, предотвращающие замерзание или чрезмерное нагревание жидкости в коллекторах.
Главным элементом контроля системы солнечного нагрева является дифференциальный термостат, замеряющий разницу температур в коллекторе и баке-аккумуляторе. Когда температура среды в коллекторе на 5.6°–11°C превышает температуру жидкости в баке, термостат запускает насос, обеспечивающий циркуляцию воды или воздуха по коллектору. По мере этого, происходит либо нагревание жидкости в баке, либо непосредственное отопление помещения.
Стоимость регуляторов, действующих по разному принципу, также варьируется. Самые дорогие - сложные регуляторы с микропроцессорами, служащими для оптимизации процесса передачи тепла к накопителю и различным зонам дома.
Для электропитания низковольтного вентилятора (у воздушного коллектора) и насоса (у жидкостного коллектора) постоянного тока, можно использовать солнечную батарею. При соответствующем размере, скорость работы вентилятора и насоса обеспечивает оптимальный приток солнечного тепла к теплоносителю. В солнечную погоду вентилятор и насос работают быстрее, а в пасмурные дни темп их работы, соответственно, замедляется.

 

Установка и текущий уход за системами солнечного нагрева
Эффективность системы солнечной системы во многом зависит от ее правильного расположения и дизайна, равно как и от качества и прочности ее компонентов. Не последнюю роль играет и мастерство подрядчика, устанавливающего систему.
Учтите, что смонтированная система нуждается в текущем уходе, оптимизирующем ее работу и предотвращающем поломки. Системы различного типа нуждаются в различном уходе, однако в среднем на ремонт потребуется 8-16 часов в год.

Воздушные солнечные коллекторы
Воздушные солнечные коллекторы используют воздух в качестве рабочей среды для поглощения и передачи энергии. Помимо непосредственного обогрева отдельных комнат, воздушные коллекторы могут использоваться для предварительного нагрева воздуха, который впоследствии может либо поступать в вентилятор рекуперации, либо подаваться на змеевик воздушного теплового насоса.
Воздушные коллекторы можно использовать в более раннее и более позднее время суток по сравнению с жидкостными, что является явным преимуществом первого – в жаркий сезон воздушный коллектор производит больше энергии, чем жидкостный аналогичных размеров. Кроме того, в отличие от жидкостных, воздушная система не только не замерзает, но и избавлена от существенных проблем, которые может вызвать малейшая утечка в коллекторе и распределительных каналах (хотя утечки несколько снижают производительность). Однако воздух является худшим теплопроводником, чем жидкость, поэтому, в целом, жидкостный коллектор обладает большим КПД, чем воздушный.
В системах старого образца воздух проходил через гравийный аккумулятор, однако в последнее время этот метод не пользуется особой популярностью. Дело в том, что при использовании гравийного аккумулятора возникают проблемы с конденсацией и размножением плесневых грибков в гравии, что оказывает не самое благоприятное влияние на воздух в помещении.

Комнатные воздушные нагреватели
Для обеспечения теплом одной или нескольких комнат, воздушные коллекторы могут монтироваться на крыше или внешней (южной) стене. Хотя рынок сегодня предлагает довольно широкий спектр коллекторов, произведенных промышленным способом, некоторые владельцы все же предпочитают изготавливать коллекторы самостоятельно.
Коллектор состоит из герметичной, термоизолированной металлической рамы и черной металлической пластины, поглощающей тепло, с остекленным покрытием. Солнечное излучение нагревает пластину, которая в свою очередь нагревает воздух в коллекторе. Вентилятор, работающий на электричестве, забирает воздух из комнаты и прогоняет его через коллектор, после чего нагретый воздух возвращается обратно в комнату. Коллектору, установленному на крыше, необходимы специальные каналы, через которые воздух из комнаты достигал бы коллектор и наоборот. Между тем, коллекторы, устанавливаемые на стенах, в воздушных каналах не нуждаются - отверстия для входа и выхода воздуха проделываются непосредственно в стене.
Простые оконные коллекторы вставляются в существующий оконный проем. Они могут быть как активными (работающими при использовании вентилятора), так и пассивными. В пассивном коллекторе воздух поступает в нижнюю часть коллектора и по мере нагревания поднимается в его верхнюю часть, из которой поступает прямо в комнату. Чтобы в пасмурную погоду воздух из помещения не попадал обратно на панель коллектора, у коллектора имеется специальный воздушный клапан. Следует иметь в виду, что оконные системы, как правило, не обладающие достаточной площадью поверхности, большой теплопроизводительностью не отличаются.

Жидкостные солнечные коллекторы
Жидкостный солнечные коллекторы больше всего подходят для центрального отопления. Для отопления используются аналогичные коллекторы, как и в домашних системах солнечного водоснабжения. Самыми распространенными являются плоские, однако доступны также и вакуумные, а также концентрирующие коллекторы. Для поглощения тепла в жидкостных коллекторах используется жидкий теплоноситель: вода, антифриз (как правило, низкотоксичный пропилен гликоль) или другая жидкость. Передвижение жидкости в коллекторе осуществляется с помощью циркуляционного насоса, который в определенное время включает регулятор.
Так как по коллектору жидкость движется довольно быстро, ее температура увеличивается всего на 5.6°–11°C. При нагревании меньших объемах жидкости на большую температуру, происходит переохлаждение коллектора, что уменьшает энергопроизводительность системы. Жидкость поступает либо в бак-аккумулятор, либо в теплообменник, после чего сразу же используется. Остальные компоненты системы включают трубопровод, теплообменник, бак-аккумулятор и регуляторы.
Скорость потока жидкости в коллекторе должна составлять от 0.82 до 1.22 литра в минуту на квадратный метр коллектора. Общая скорость потока (которую необходимо знать для выбора насоса нужного размера) вычисляется умножением вышеизложенной скорости на общую площадь коллектора.

Аккумулирования тепла в жидкостных системах: баки-аккумуляторы
В жидкостных системах солнечного нагрева тепло чаще всего накапливается в баках-аккумуляторах с водой. В среднем, на 0,093 кв.метра площади бака-аккумуляторы требуется 3.8–7.6 л воды. Баки могут быть как герметизированными, так и негерметизированными – выбор того или иного вида зависит от общего дизайна системы. Перед тем как выбрать бак, вам необходимо взвесить все факторы, включая цену, размер, прочность, срок службы, а также место (в подвале или снаружи) и метод установки. Может быть, бак нужных вам размеров не пройдет через дверной проем – тогда вам придется собирать его непосредственно на месте монтажа. У баков также есть ограничения относительно температуры и давления, кроме того они должны соответствовать местным строительным, сантехническим и механическим нормам. Также стоит продумать вид теплоизоляции, предотвращающей теплопотери, а также защитное покрытие, защищающее бак от коррозии и протечек.
Для систем, нуждающихся в особо больших накопительных емкостях, специальные баки, изготавливаются, как правило, на заказ. Обычно они делаются из нержавеющей стали, стекловолокна или высокотемпературного пластика. Альтернативой являются и баки, выполненные из бетона или дерева. Каждая разновидность баков имеет как преимущества, так и недостатки. Обладая разными размерами и весом, они могут быть идеальны в одном случае и абсолютно не подходить в другом. Иногда вместо одного большого бака более практично использовать несколько маленьких. В качестве аккумулятора можно использовать и домашние водонагреватели. Они изготавливаются с учетом строительных норм относительно применения сосудов высокого давления, являются стойкими к коррозии, а кроме того к ним несложно подсоединить трубы и арматуру.

Распределение тепла в жидкостных системах

Способов распределения солнечного тепла несколько: “теплый” пол, радиаторы, центральное воздушное отопление. В системе “теплого” пола, жидкость, нагретая солнцем, циркулирует по трубкам, вмонтированным в тонкую бетонную стяжку на полу, которая потом излучает тепло по комнате. Система “теплый пол” просто идеальна для жидкостной системы солнечного нагрева, так как она способна достаточно эффективно работать даже при относительно низких температурах. Тщательно продумав систему, вы можете даже обойтись без отдельного бака-аккумулятора, необходимого другим системам для температурного контроля. Конечно, системе “теплый пол” требуется больше времени, чтобы нагреть дом из холодного состояния, чем другим системам. Тем не менее, когда нужная температура уже достигнута, система легко поддерживает ее на постоянном уровне. Не забывайте, что эффективность система в некоторой степени снижается из-за использования ковровых покрытий.
Температура воды для отопительных плинтусов и радиаторов должна составлять от 71° and 82°C. Как правило, в плоских коллекторах теплоноситель нагревается от 32° до 49°C. Таким образом, использование плинтусных обогревателей и радиаторов в сочетании с системой солнечного нагревания требует либо увеличения площади поверхности плинтусов и радиаторов, либо применения резервной системы для нагревания теплоносителя. Альтернативой является и использование среднетемпературных коллекторов (например, вакуумного).

Жидкостная система может быть интегрирована и в систему воздушного отопления. Существует несколько способов добиться этого, главный из которых заключается в оснащении системы теплообменником типа “вода-воздух” или обогревательным змеевиком, и установки в помещении воздухоотводного канала перед печью. Воздух, выходящий из жилого помещения, нагревается в теплообменнике по мере прохождения над теплоносителем, нагретым солнцем. При необходимости, для подачи дополнительного тепла используется печь. Змеевик теплообменника должен обладать достаточными размерами, чтобы передавать воздуху достаточное количество тепла при минимальной рабочей температуре.