Încălzirea solară a unei case particulare: opțiuni și scheme ale dispozitivului

Utilizarea energiei “verzi” furnizate de elementele naturale permite reducerea semnificativă a costurilor de utilități. De exemplu, instalând încălzirea solară a locuinței dumneavoastră, veți furniza agent termic practic gratuit pentru radiatoarele cu temperatură scăzută și sistemele de încălzire prin pardoseală. Recunoasteți, aceasta este deja o economie.

Totul despre “tehnologiile verzi” veți afla din articolul propus de noi. Cu ajutorul nostru, veți înțelege cu ușurință tipurile de instalații solare, modurile de amenajare a acestora și particularitățile de exploatare. Cu siguranță veți fi interesați de una dintre variantele populare care funcționează intens la nivel mondial, dar nu sunt încă prea solicitațe la noi.

În această prezentare generală sunt analizate caracteristicile constructive ale sistemelor, sunt descrise în detaliu schemele de conectare. Este oferit un exemplu de calcul al circuitului de încălzire solară pentru evaluarea realizărilor construcției lui. Pentru a ajuta meșerii amatori, sunt anexate colecții foto și videoclipuri.

“Tehnologii verzi” de obținere a căldurii

În medie, 1 m² de suprafață a Pământului primește 161 W de energie solară pe oră. Desigur, la ecuator acest indicator va fi de multe ori mai mare decât în zona polară. În plus, densitatea radiației solare depinde de anotimp.

În regiunea Moscovei, intensitatea radiației solare în decembrie-ianuarie diferă de cea din mai-iulie de peste cinci ori. Cu toate acestea, sistemele moderne sunt atât de eficiente încât pot funcționa practic oriunde pe Pământ.

Sistemele solare moderne pot funcționa eficient pe vreme înnorată și rece până la -30°C

Problema utilizării energiei radiației solare cu randament maxim se rezolvă prin două metode: încălzirea directă în colectoare termice și panourile solare fotovoltaice. Panourile solare transformă mai întâi energia razelor solare în electricitate, apoi o transmit printr-un sistem special consumatorilor, de exemplu unui cazan electric.

Colectoarele termice, încălzindu-se sub acțiunea razelor solare, încălzesc agentul termic al sistemelor de încălzire și de alimentare cu apă caldă.

Colectoarele termice sunt de mai multe tipuri, printre care sisteme deschise și închise, construcții plane și sferice, colectoare concentratoare semisferice și multe alte variante. Energia termică obținută de la colectoarele solare este utilizată pentru încălzirea apei calde sau a agentului termic al sistemului de încălzire.

Industria produce o gamă largă de sisteme de colectoare pentru includerea într-o rețea independentă de încălzire. Cu toate acestea, cea mai simplă variantă pentru o cabană poate fi realizată manual:

În ciuda progresului evident în dezvoltarea soluțiilor pentru colectarea, acumularea și utilizarea energiei solare, există avantaje și dezavantaje.

Utilizarea eficientă a energiei solare

Cel mai evident avantaj al utilizării energiei solare este accesibilitatea sa universală. De fapt, chiar și în cea mai mohorâtă și înnorată vreme, energia solară poate fi colectată și utilizată.

Al doilea avantaj – sunt emisiile zero. Practic, este cea mai ecologică și naturală formă de energie. Panourile solare și colectoarele nu produc zgomot. În majoritatea cazurilor, se montează pe acoperișurile clădirilor, fără a ocupa suprafața utilă a terenului de la țară.

Eficiența încălzirii solare la latitudinile noastre este destul de scăzută, ceea ce se explică prin numărul insuficient de zile însorite pentru funcționarea regulată a sistemului (+)

Dezavantajele legate de utilizarea energiei solare constau în inconstanța iluminării. Pe timpul nopții nu mai există ce să se colecteze, situația fiind agravată de faptul că vârful sezonului de încălzire coincide cu cele mai scurte zile luminoase din an. Este necesar să se monitorizeze curățenia optică a panourilor, o ușoară murdărie reduce drastic randamentul.

În plus, nu se poate spune că exploatarea sistemului pe energie solară este complet gratuită, există costuri constante pentru amortizarea echipamentelor, funcționarea pompei de circulație și a electronicii de control.

Un dezavantaj semnificativ al încălzirii bazate pe utilizarea colectoarelor solare constă în lipsa posibilității de a acumula energia termică. În schemă este inclus doar un vas de expansiune (+)

Colectoare solare descise

Colectorul solar deschis reprezintă un sistem de tuburi neprotejat de influențele externe, prin care circulă agentul termic încălzit direct de soare.

Ca agent termic se utilizează apă, gaz, aer, antigel. Tuburile sunt fie fixate pe panoul portant sub formă de serpentină, fie conectate în rânduri paralele la conducta de ieșire.

Colectoarele solare de tip deschis nu pot face față încălzirii unei case particulare. Din cauza lipsei izolației, agentul termic se răcește rapid. Ele sunt utilizate vara în principal pentru încălzirea apei în dușuri sau piscine.

De obicei, colectoarele deschise nu au nicio izolație. Construcția este foarte simplă, deci are un cost redus și este adesea realizată manual.

Datorită lipsei izolației, practic nu păstrează energia obținută de la soare, având un randament scăzut. Ele sunt utilizate preponderent în perioada de vară pentru încălzirea apei în piscine sau dușuri de vară.

Se instalează în regiuni însorite și calde, cu diferențe mici de temperatură între aerul ambiant și apa încălzită. Funcționează bine doar pe vreme însorită și fără vânt.

Cel mai simplu colector solar, cu un receptor termic realizat dintr-o rolă de țevi polimerice, va asigura furnizarea de apă încălzită la căsuța de vară pentru irigare și necesități casnice.

Tipuri de colectoare tubulare

Colectoarele solare tubulare sunt asamblate din tuburi individuale prin care circulă apă, gaz sau abur. Este una dintre variantele sistemelor solare de tip deschis. Totuși, agentul termic este mult mai bine protejat de factorii externi negativi. Mai ales în instalațiile vidate, construite pe principiul termosurilor.

Fiecare tub se conectează la sistem separat, în paralel unul cu celălalt. Dacă un tub se defectează, acesta poate fi ușor înlocuit cu unul nou. Întreaga construcție poate fi asamblată direct pe acoperișul clădirii, ceea ce facilitează considerabil montajul.

Colectorul tubular are o structură modulară. Elementul principal este tubul vidat, numărul de tuburi variind de la 18 la 30, ceea ce permite alegerea exactă a puterii sistemului.

Un avantaj semnificativ al colectoarelor solare tubulare constă în forma cilindrică a elementelor principale, datorită căreia radiația solară este captată pe tot parcursul zilei luminoase, fără a fi nevoie de sisteme costisitoare de urmărire a mișcării soarelui.

Acoperirea specială multistrat creează un fel de capcană optică pentru razele solare. În schemă este arătată parțial peretele exterior al tubului vidat, care reflectă razele pe pereții tubului interior (+).

După construcția tuburilor, se deosebesc colectoarele solare cu pană și cele coaxiale.

Tubul coaxial reprezintă un vas Dewar sau un termos cunoscut de toți. Este fabricat din două baloane între care aerul este evacuat. Pe suprafața interioară a balonului interior este aplicat un strat înalt selectiv care absoarbe eficient energia solară.

Datorită formei cilindrice a tubului, razele solare cad întotdeauna perpendicular pe suprafață.

Energia termică de la stratul selectiv interior se transferă către tubul termic sau către schimbătorul de căldură interior din plăci de aluminiu. În această etapă au loc pierderi de căldură nedorite.

Tubul cu pană reprezintă un cilindru de sticlă cu un absorbant tip pană introdus în interior.

Sistemul și-a primit numele de la absorbantul tip pană, care înconjoară strâns canalul termic din metal conductor de căldură.

Pentru o bună izolație termică, aerul este evacuat din tub. Transferul de căldură de la absorbant are loc fără pierderi, de aceea randamentul tuburilor cu pană este mai mare.

După modul de transfer al căldurii, există două sisteme: cu flux direct și cu termosifon (heat pipe). Termosifonul reprezintă un recipient etanș cu un lichid care se evaporă ușor.

Deoarece lichidul volatil se scurge în mod natural pe fundul tubului termic, unghiul minim de înclinare este de 20°C.

În interiorul tubului termic se află un lichid volatil care preia căldura de pe peretele interior al tubului de sticlă sau de la absorbantul cu aripioare. Sub acțiunea temperaturii, lichidul fierbe și se ridică sub formă de vapori. După ce căldura este cedată agentului termic de încălzire sau de alimentare cu apă caldă, vaporii se condensează în lichid și se scurg în jos.

Ca lichid volatil, se folosește adesea apa la presiune scăzută. În sistemul cu flux direct se utilizează un tub în formă de U, prin care circulă apă sau agentul termic al sistemului de încălzire.

O jumătate a tubului în formă de U este destinată agentului termic rece, iar cealaltă evacuează agentul încălzit. La încălzire, agentul termic se dilată și intră în rezervorul de acumulare, asigurând circulația naturală. Ca și în cazul sistemelor cu tub termic, unghiul minim de înclinare trebuie să fie de cel puțin 20°.

La conectarea în flux direct, presiunea din sistem nu poate fi ridicată, deoarece în interiorul tubului de sticlă există vid tehnic.

Sistemele cu flux direct sunt mai eficiente deoarece încălzesc imediat agentul termic. Dacă sistemele de colectoare solare sunt planificate pentru utilizare pe tot parcursul anului, atunci în ele se pompează antigeluri speciale.

Utilizarea colectoarelor solare tubulare are o serie de avantaje și dezavantaje. Construcția colectorului solar tubular constă din elemente identice, care sunt relativ ușor de înlocuit.

Avantaje:

• pierderi de căldură reduse;
• capacitatea de a funcționa la temperaturi de până la -30°C;
• performanță eficientă pe toată durata zilei;
• funcționare bună în zonele cu climă temperată și rece;
• rezistență scăzută la vânt, datorită capacității sistemelor tubulare de a lăsa masele de aer să treacă prin ele;
• posibilitatea de a produce temperaturi ridicate ale agentului termic.

Din punct de vedere constructiv, structura tubulară are o suprafață aperturală limitată.

Prezintă următoarele dezavantaje:

• nu este capabilă de autocurățare de zăpadă, gheață, chiciură;
• cost ridicat.

În ciuda costului inițial ridicat, colectoarele tubulare se amortizează mai repede. Au o durată mare de exploatare.

Colectoarele tubulare fac parte din instalațiile solare de tip deschis, de aceea nu sunt potrivite pentru utilizarea pe tot parcursul anului în sistemele de încălzire (+)

Sisteme plane închise

Colectorul plat constă dintr-un cadru din aluminiu, un strat absorbant special – absorbantul, o acoperire transparentă, conducte și izolație termică.

Ca absorbant se utilizează o folie de cupru înnegrită, caracterizată printr-o conductivitate termică ideală pentru crearea sistemelor solare. La absorbirea energiei solare de către absorbant, energia solară obținută este transferată agentului termic care circulă prin sistemul de tuburi adiacente absorbantului.

Pe partea exterioară, panoul închis este protejat de un înveliș transparent. Acesta este fabricat din sticlă călită anti-șoc, având o bandă de transmisie de 0,4-1,8 μm. Pe această gamă se află maximul radiației solare. Sticla anti-șoc oferă o bună protecție împotriva grindinei. Pe partea din spate, întregul panou este bine izolat termic.

Colectoarele solare plate se caracterizează prin performanță maximă și construcție simplă. Randamentul lor este crescut datorită utilizării absorbantului. Ele pot capta radiația solară difuză și directă.

În lista avantajelor panourilor plate închise se numără:

• simplitatea construcției;
• performanță bună în regiunile cu climă caldă;
• posibilitatea de instalare sub orice unghi, cu ajutorul dispozitivelor de modificare a unghiului de înclinare;
• capacitatea de autocurățare de zăpadă și brumă;
• preț scăzut.

Colectoarele solare plate sunt deosebit de avantajoase dacă utilizarea lor este planificată încă din faza de proiectare. Durata de viață a produselor de calitate este de 50 de ani.

Printre dezavantaje se pot enumera:

• pierderi termice mari;
• greutate mare;
• suprafață mare de captare a vântului atunci când panourile sunt amplasate în unghi față de orizont;
• limitări ale performanței la diferențe de temperatură mai mari de 40°C.

Domeniul de aplicare al colectoarelor închise este mult mai larg decât cel al instalațiilor solare de tip deschis. Vara, ele pot satisface complet nevoia de apă caldă. În zilele răcoroase, care nu sunt incluse de furnizorii de utilități în perioada de încălzire, ele pot funcționa în locul încălzitoarelor pe gaz și electrice.

Celor care doresc să realizeze un colector solar cu propriile mâini pentru amenajarea încălzirii la casa de vacanță, le propunem să se familiarizeze cu scheme verificate în practică și instrucțiuni pas cu pas pentru asamblare.

Compararea caracteristicilor colectoarelor solare

Cel mai important indicator al unui colector solar este randamentul. Performanța utilă a diferitelor tipuri de colectoare solare, în funcție de construcție, depinde de diferența de temperatură. În același timp, colectoarele plate sunt semnificativ mai ieftine decât cele tubulare.

Valorile randamentului depind de calitatea fabricării colectorului solar. Scopul graficului este de a arăta eficiența utilizării diferitelor sisteme în funcție de diferența de temperatură.

Atunci când alegeți un colector solar, trebuie să acordați atenție unei serii de parametri care arată eficiența și puterea dispozitivului.

Pentru colectoarele solare există câteva caracteristici importante:

• coeficientul de absorbție – arată raportul dintre energia absorbită și energia totală;
• coeficientul de emisie – arată raportul dintre energia transmisă și cea absorbită;
• suprafața totală și suprafața aperturală;
• randamentul.

Suprafața aperturală este suprafața activă a colectorului solar. La colectorul plat, suprafața aperturală este maximă. Suprafața aperturală este egală cu suprafața absorbantului.

Moduri de conectare la sistemul de încălzire

Deoarece dispozitivele cu energie solară nu pot asigura o alimentare stabilă și continuă cu energie, este necesar un sistem rezistent la aceste deficiențe.

Pentru zona centrală a Rusiei, dispozitivele solare nu pot garanta un flux stabil de energie, prin urmare sunt utilizate ca sistem suplimentar. Integrarea în sistemul existent de încălzire și de alimentare cu apă caldă diferă pentru colectorul solar și pentru panoul solar.

Schemă cu colector solar cu apă

În funcție de scopurile de utilizare ale colectorului termic, se aplică diferite sisteme de conectare. Pot exista mai multe variante:

1. Varianta de vară pentru alimentarea cu apă caldă
2. Varianta de iarnă pentru încălzire și alimentare cu apă caldă

Varianta de vară este cea mai simplă și poate funcționa chiar și fără pompă de circulație, utilizând circulația naturală a apei.

Apa se încălzește în colectorul solar și, datorită dilatării termice, intră în rezervorul de acumulare sau în boiler. În acest proces are loc circulația naturală: în locul apei calde din rezervor este aspirată apa rece.

Iarna, la temperaturi negative, încălzirea directă a apei nu este posibilă. Pe circuitul închis circulă un antigel special, asigurând transferul căldurii de la colector la schimbătorul de căldură din rezervor.

Ca orice sistem bazat pe circulația naturală, funcționează nu foarte eficient, necesitând respectarea pantelor necesare. În plus, rezervorul de acumulare trebuie să fie mai sus decât colectorul solar. Pentru ca apa să rămână cât mai mult timp caldă, rezervorul trebuie izolat termic cu grijă.

Dacă doriți să obțineți cu adevărat o funcționare cât mai eficientă a colectorului solar, schema de conectare se va complica.

Pentru ca noaptea colectorul să nu se transforme într-un radiator de răcire, trebuie să opriți forțat circulația apei.

Prin sistemul colectorului solar circulă un agent termic antigel. Circulația forțată este asigurată de o pompă controlată de un regulator.

Regulatorul controlează funcționarea pompei de circulație pe baza indicațiilor a cel puțin doi senzori de temperatură. Primul senzor măsoară temperatura în rezervorul de acumulare, al doilea – pe conducta de alimentare cu agent termic cald a colectorului solar.

De îndată ce temperatura din rezervor depășește temperatura agentului termic, în colector, controlerul oprește pompa de circulație, încetând circulația agentului termic prin sistem. La rândul său, atunci când temperatura din rezervorul de stocare scade sub valoarea setată, cazanul de încălzire se pornește.

O noutate și o alternativă eficientă la colectoarele solare cu agent termic au devenit sistemele cu tuburi vidate, cu al căror principiu de funcționare și construcție vă propunem să vă familiarizați.

Schemă cu panou solare

Ar fi tentant să aplicați o schemă similară de conectare a panoului solar la rețeaua electrică, așa cum este implementată în cazul colectorului solar, acumulând energia primită pe parcursul zilei. Din păcate, pentru sistemul de alimentare cu energie electrică al unei case particulare, crearea unui bloc de acumulatori de capacitate suficientă este foarte costisitoare. Prin urmare, schema de conectare arată astfel.

La reducerea puterii curentului electric de la panoul solar, blocul AVR (comutare automată de rezervă) asigură conectarea consumatorilor la rețeaua electrică generală.

De la panourile solare, încărcarea ajunge la controlerul de încărcare, care îndeplinește mai multe funcții: asigură reîncărcarea constantă a acumulatorilor și stabilizează tensiunea. Apoi, curentul electric ajunge la invertor, unde are loc conversia curentului continuu de 12V sau 24V în curent alternativ monofazat de 220V.

Din păcate, rețelele noastre electrice nu sunt concepute pentru a recepționa energie, ele pot funcționa doar într-o singură direcție, de la sursă la consumator. Din acest motiv, nu veți putea vinde energia electrică produsă sau măcar să faceți contorul să se învârtă în sens invers.

Utilizarea panourilor solare este avantajoasă prin faptul că oferă o formă mai universală de energie, dar nu pot fi comparate ca eficiență cu colectoarele solare. Cu toate acestea, acestea din urmă nu au capacitatea de a acumula energie, spre deosebire de panourile solare fotovoltaice.

Exemplu de calcul al puterii necesare

La calcularea puterii necesare a unui colector solar, se face foarte des greșeala de a efectua calculele pe baza energiei solare primite în cele mai reci luni ale anului.

Problema este că, în celelalte luni ale anului, întregul sistem se va supraîncălzi constant. Temperatura agentului termic vara la ieșirea din colectorul solar poate atinge 200°C la încălzirea aburului sau gazului, 120°C pentru antigel, 150°C pentru apă. Dacă agentul termic fierbe, se va evapora parțial. Ca urmare, va trebui înlocuit.

Producătorii recomandă să se pornească de la următoarele cifre:

• asigurarea apei calde menajere nu mai mult de 70%;
• asigurarea sistemului de încălzire nu mai mult de 30%.

Restul căldurii necesare trebuie produs de echipamentul standard de încălzire. Totuși, cu astfel de indicatori, se economisesc în medie aproximativ 40% pe an la încălzire și apă caldă menajeră.

Puterea produsă de un singur tub al sistemului vidat depinde de localizarea geografică. Indicatorul energiei solare incidente pe an pe 1 m² de sol se numește insolație.

Cunoscând lungimea și diametrul tubului, se poate calcula apertura – aria efectivă de absorbție. Rămâne să se aplice coeficienții de absorbție și emisie pentru a calcula puterea unui tub pe an.

Exemplu de calcul:

Lungimea standard a tubului este de 1800 mm, cea efectivă – 1600 mm. Diametrul 58 mm. Apertura – zona umbrită creată de tub. Astfel, aria dreptunghiului de umbră va fi:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Randamentul mediu al unui tub este de 80%, insolația solară pentru Moscova este de aproximativ 1170 kWh/m² pe an. Astfel, un tub va produce pe an:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

Trebuie menționat că acesta este un calcul foarte aproximativ. Cantitatea de energie produsă depinde de orientarea instalației, unghi, temperatura medie anuală etc.

Cu toate tipurile de surse alternative de energie și modurile de utilizare a acestora, vă puteți familiariza în articolul prezentat.

Concluzii și material video util pe această temă

Videoclip #1. Demonstrarea funcționării unui colector solar în timpul iernii:

Videoclip #2. Comparație între diferite modele de colectoare solare:

De-a lungul întregii sale existențe, umanitatea consumă din ce în ce mai multă energie în fiecare an. Încercările de a utiliza radiația solară gratuită au fost făcute de mult timp, dar abia recent a devenit posibil să se folosească eficient soarele în latitudinile noastre. Fără îndoială, viitorul aparține sistemelor helio.

Doriți să raportați particularități interesante în organizarea încălzirii solare a unei case de la țară sau a unei cabane? Vă rugăm să scrieți comentarii în blocul de mai jos. Aici puteți, de asemenea, să adresați o întrebare, să lăsați o fotografie cu demonstrația procesului de asamblare a sistemului, să împărtășiți informații utile.