Calefacció solar d'una casa particular: opcions i diagrames de disseny

L'ús d'energia "verda" subministrada per elements naturals pot reduir significativament els costos de serveis públics.Per exemple, en organitzar la calefacció solar per a una casa particular, subministraràs radiadors de baixa temperatura i sistemes de calefacció per terra radiant amb refrigerant pràcticament lliure. D'acord, això ja està estalviant diners.

Aprendràs tot sobre les "tecnologies verdes" a partir del nostre article proposat. Amb la nostra ajuda, podeu entendre fàcilment els tipus d'instal·lacions solars, els mètodes de la seva construcció i les especificitats de funcionament. Probablement us interessarà una de les opcions populars que funcionen activament al món, però que encara no tenen una gran demanda aquí.

En la revisió presentada a la vostra atenció, s'analitzen les característiques de disseny dels sistemes i es descriuen detalladament els esquemes de connexió. Es dóna un exemple de càlcul d'un circuit de calefacció solar per avaluar les realitats de la seva construcció. Per ajudar els artesans independents, s'inclouen col·leccions de fotos i vídeos.

Tecnologies de calor "verd".

Mitjana 1 m² La superfície terrestre rep 161 watts d'energia solar per hora. Per descomptat, a l'equador aquesta xifra serà moltes vegades més alta que a l'Àrtic. A més, la densitat de la radiació solar depèn de l'època de l'any.

A la regió de Moscou, la intensitat de la radiació solar al desembre-gener difereix de maig a juliol en més de cinc vegades. Tanmateix, els sistemes moderns són tan eficients que poden funcionar gairebé a qualsevol lloc de la terra.

Els sistemes solars moderns poden funcionar amb eficàcia en temps ennuvolat i fred fins a -30 °C

Tasca d'ús energia de radiació solar amb la màxima eficiència es resol de dues maneres: calefacció directa en col·lectors tèrmics i bateries solars fotovoltaiques. Els panells solars primer converteixen l'energia dels raigs solars en electricitat i després la transmeten a través d'un sistema especial als consumidors, per exemple una caldera elèctrica.

Els col·lectors tèrmics, quan s'escalfen pels raigs solars, escalfen el refrigerant dels sistemes de calefacció i subministrament d'aigua calenta.

Els col·lectors tèrmics es presenten en diversos tipus, inclosos sistemes oberts i tancats, dissenys plans i esfèrics, col·lectors de concentradors hemisfèrics i moltes altres opcions. L'energia tèrmica obtinguda dels col·lectors solars s'utilitza per escalfar aigua calenta o fluid de calefacció.

La indústria produeix una àmplia gamma de sistemes de col·lectors per incloure'ls en una xarxa de calefacció independent. Tanmateix, l'opció més senzilla per a una residència d'estiu és fàcil de fer amb les vostres pròpies mans:

Tot i que hi ha hagut un avenç clar en el desenvolupament de solucions per a la recol·lecció, l'emmagatzematge i l'ús de l'energia solar, hi ha avantatges i inconvenients.

Ús eficient de l'energia solar

L'avantatge més evident d'utilitzar l'energia solar és la seva disponibilitat universal. De fet, fins i tot en el temps més ombrívol i ennuvolat, l'energia solar es pot recollir i utilitzar.

El segon avantatge és zero emissions. De fet, és la forma d'energia més respectuosa amb el medi ambient i natural. Panells solars i els col·lectors no produeixen soroll. En la majoria dels casos, s'instal·len als terrats dels edificis, sense ocupar la superfície útil d'una zona suburbana.

L'eficiència de la calefacció solar a les nostres latituds és força baixa, la qual cosa s'explica pel nombre insuficient de dies assolellats per al funcionament regular del sistema (+)

Els desavantatges associats a l'ús de l'energia solar són la variabilitat de la il·luminació. A la nit no hi ha res a recollir, la situació s'agreuja pel fet que el pic de la temporada de calefacció es produeix durant les hores de llum més curtes de l'any. Cal controlar la neteja òptica dels panells; una lleugera contaminació redueix dràsticament l'eficiència.

A més, no es pot dir que el funcionament d'un sistema d'energia solar sigui totalment gratuït; hi ha costos constants per a l'amortització de l'equip, el funcionament de la bomba de circulació i l'electrònica de control.

Un desavantatge important de la calefacció basada en l'ús de col·lectors solars és la manca de capacitat per acumular energia tèrmica. Només el dipòsit d'expansió (+) està inclòs al circuit

Col·lectors solars oberts

Un col·lector solar obert és un sistema de tubs, desprotegits de les influències externes, per on circula el refrigerant escalfat directament pel sol.

L'aigua, el gas, l'aire i el anticongelant s'utilitzen com a refrigerants. Els tubs es fixen al panell de suport en forma de bobina o es connecten en fileres paral·leles a la canonada de sortida.

Els col·lectors solars oberts no són capaços de fer front a la calefacció d'una casa privada. A causa de la manca d'aïllament, el refrigerant es refreda ràpidament. S'utilitzen a l'estiu principalment per escalfar aigua a les dutxes o piscines.

Els col·lectors oberts no solen tenir cap aïllament. El disseny és molt senzill, per tant té un cost baix i sovint es fa de manera independent.

A causa de la manca d'aïllament, pràcticament no emmagatzemen l'energia rebuda del sol i es caracteritzen per una baixa eficiència. S'utilitzen principalment a l'estiu per escalfar aigua de piscines o dutxes d'estiu.

Instal·lat en zones assolellades i càlides, amb petites diferències de temperatura de l'aire ambient i aigua calenta. Funcionen bé només en temps assolellat i sense vent.

El col·lector solar més senzill amb un dissipador de calor fet d'una bobina de canonades de polímer proporcionarà el subministrament d'aigua calenta a la casa rural per al reg i les necessitats domèstiques.

Varietats de col·lectors tubulars

Els col·lectors solars tubulars es munten a partir de tubs individuals pels quals flueix aigua, gas o vapor. Aquest és un dels tipus de sistemes solars oberts. Tanmateix, el refrigerant ja està molt millor protegit de la negativitat externa. Especialment en instal·lacions de buit, dissenyades segons el principi dels termos.

Cada tub està connectat al sistema per separat, paral·lel entre si. Si un tub falla, és fàcil substituir-lo per un de nou. Tota l'estructura es pot muntar directament al terrat de l'edifici, la qual cosa simplifica molt la instal·lació.

El col·lector tubular té una estructura modular. L'element principal és un tub de buit; el nombre de tubs varia de 18 a 30, cosa que us permet seleccionar amb precisió la potència del sistema

Un avantatge important dels col·lectors solars tubulars és la forma cilíndrica dels elements principals, gràcies a la qual la radiació solar es capta durant tot el dia sense l'ús de sistemes cars per seguir el moviment de la lluminària.

Un recobriment especial multicapa crea una mena de trampa òptica per a la llum solar. El diagrama mostra parcialment la paret exterior del matràs de buit reflectint els raigs a les parets del matràs interior (+)

Segons el disseny dels tubs, es distingeixen els col·lectors solars de plomes i coaxials.

El tub coaxial és un recipient Diaur o un termo familiar. Fabricat a partir de dos matràs entre els quals s'evacua l'aire. S'aplica un recobriment altament selectiu a la superfície interior de la bombeta interior, absorbint eficaçment l'energia solar.

Amb un tub cilíndric, els raigs solars cauen sempre perpendiculars a la superfície

L'energia tèrmica de la capa selectiva interna es transfereix a un tub de calor o intercanviador de calor intern fet de plaques d'alumini. En aquesta etapa, es produeix una pèrdua de calor no desitjada.

El tub de plomes és un cilindre de vidre amb un absorbidor de plomes inserit a l'interior.

El sistema rep el seu nom de l'absorbidor de plomes, que s'embolica estretament al voltant d'un canal tèrmic fet de metall conductor de la calor.

Per a un bon aïllament tèrmic, s'ha evacuat l'aire del tub. La transferència de calor de l'absorbidor es produeix sense pèrdua, de manera que l'eficiència dels tubs de plomes és més alta.

Segons el mètode de transferència de calor, hi ha dos sistemes: de flux directe i amb tub de calor. El tub tèrmic és un recipient tancat amb un líquid que s'evapora fàcilment.

Atès que el líquid que s'evapora fàcilment flueix naturalment a la part inferior del tub de calor, l'angle d'inclinació mínim és de 20 ° C.

Dins del tub de calor hi ha un líquid que s'evapora fàcilment que rep calor de la paret interior del matràs o de l'absorbidor de plomes. Sota la influència de la temperatura, el líquid bull i puja en forma de vapor. Després de transferir la calor al refrigerant de la calefacció o del subministrament d'aigua calenta, el vapor es condensa en líquid i baixa.

L'aigua s'utilitza sovint com a líquid que s'evapora fàcilment a baixa pressió. Un sistema d'un sol pas utilitza un tub en forma d'U per on circula aigua o fluid de calefacció.

La meitat del tub en forma d'U està destinada al refrigerant fred, la segona elimina l'escalfat. Quan s'escalfa, el refrigerant s'expandeix i entra al dipòsit d'emmagatzematge, proporcionant una circulació natural. Igual que amb els sistemes de tubs de calor, l'angle mínim d'inclinació ha de ser d'almenys 20⁰.

Amb una connexió de flux directe, la pressió del sistema no pot ser alta, ja que hi ha un buit tècnic a l'interior del matràs.

Els sistemes de flux directe són més eficients perquè escalfen immediatament el refrigerant. Si es preveu utilitzar sistemes de col·lectors solars durant tot l'any, s'hi bombeja anticongelant especial.

L'ús de col·lectors solars tubulars té una sèrie d'avantatges i desavantatges. El disseny d'un col·lector solar tubular consta d'elements idèntics que són relativament fàcils de substituir.

Avantatges:

• baixa pèrdua de calor;
• capacitat de treballar a temperatures de fins a -30⁰С;
• rendiment eficient durant les hores de llum;
• bon rendiment en zones amb climes temperats i freds;
• baix vent, justificat per la capacitat dels sistemes tubulars de passar masses d'aire a través d'ells mateixos;
• possibilitat de produir refrigerant a alta temperatura.

Estructuralment, l'estructura tubular té una superfície d'obertura limitada.

Té els següents desavantatges:

• no és capaç d'auto-netejar-se de la neu, el gel, les gelades;
• preu elevat.

Malgrat l'alt cost inicial, els col·lectors tubulars es paguen per si mateixos més ràpidament. Tenen una llarga vida útil.

Els col·lectors tubulars són sistemes solars de tipus obert i, per tant, no són adequats per al seu ús durant tot l'any en sistemes de calefacció (+)

Sistemes tancats plans

Un col·lector de placa plana consta d'un marc d'alumini, una capa absorbent especial: un absorbent, un recobriment transparent, una canonada i un aïllament.

El coure ennegrit s'utilitza com a absorbent, que té una conductivitat tèrmica ideal per crear sistemes solars.Quan l'energia solar és absorbida per un absorbidor, l'energia solar que rep es transfereix a un refrigerant que circula a través d'un sistema de tubs adjacent a l'absorbidor.

A l'exterior, el panell tancat està protegit per un recobriment transparent. Està fet de vidre temperat a prova de cops amb una banda de transmissió de 0,4-1,8 micres. Aquest rang té en compte la màxima radiació solar. El vidre a prova de cops ofereix una bona protecció contra la calamarsa. A la part posterior, tot el panell està aïllat de manera fiable.

Els col·lectors solars de placa plana es caracteritzen pel màxim rendiment i un disseny senzill. La seva eficiència augmenta gràcies a l'ús d'un absorbidor. Són capaços de captar la radiació solar difusa i directa

La llista d'avantatges dels panells plans tancats inclou:

• senzillesa del disseny;
• bon rendiment a les regions amb climes càlids;
• la possibilitat d'instal·lar-se en qualsevol angle amb dispositius per canviar l'angle d'inclinació;
• la capacitat d'auto-netejar-se de la neu i les gelades;
• preu baix.

Els col·lectors solars de placa plana són especialment avantatjoses si el seu ús està previst en l'etapa de disseny. La vida útil dels productes de qualitat és de 50 anys.

Els desavantatges inclouen:

• alta pèrdua de calor;
• pes pesat;
• gran vent quan els panells es col·loquen en angle respecte a l'horitzontal;
• limitacions de rendiment quan els canvis de temperatura superen els 40 °C.

L'àmbit d'aplicació dels col·lectors tancats és molt més ampli que el dels sistemes solars de tipus obert. A l'estiu són capaços de satisfer plenament la necessitat d'aigua calenta. Els dies freds, quan els serveis públics no els inclouen en el període de calefacció, poden funcionar en lloc dels escalfadors de gas i elèctrics.

Per qui ho desitgi fer un col·lector solar Per construir un sistema de calefacció a la vostra casa rural amb les vostres pròpies mans, us suggerim que us familiaritzeu amb els diagrames provats per la pràctica i les instruccions de muntatge pas a pas.

Comparació de les característiques dels col·lectors solars

L'indicador més important d'un col·lector solar és l'eficiència. El rendiment útil dels col·lectors solars de diferents dissenys depèn de la diferència de temperatura. Al mateix temps, els col·lectors plans són molt més barats que els tubulars.

Els valors d'eficiència depenen de la qualitat de fabricació del col·lector solar. L'objectiu del gràfic és mostrar l'efectivitat de l'ús de diferents sistemes en funció de la diferència de temperatura

Quan escolliu un col·lector solar, heu de prestar atenció a una sèrie de paràmetres que mostren l'eficiència i la potència del dispositiu.

Hi ha diverses característiques importants per als col·lectors solars:

• coeficient d'adsorció: mostra la relació entre l'energia absorbida i el total;
• coeficient d'emissió: mostra la relació entre l'energia transmesa i l'energia absorbida;
• àrea total i d'obertura;
• Eficiència

L'àrea d'obertura és l'àrea de treball del col·lector solar. Un col·lector de placa plana té una àrea d'obertura màxima. L'àrea d'obertura és igual a l'àrea absorbent.

Mètodes de connexió al sistema de calefacció

Atès que els dispositius d'energia solar no poden proporcionar un subministrament d'energia estable durant les 24 hores del dia, cal un sistema que sigui resistent a aquestes deficiències.

Al centre de Rússia, els dispositius solars no poden garantir un flux d'energia estable, de manera que s'utilitzen com a sistema addicional. La integració en un sistema de calefacció i aigua calenta existent és diferent per a un col·lector solar i una bateria solar.

Esquema amb col·lector d'aigua

En funció de la finalitat d'utilitzar el col·lector de calor, s'utilitzen diferents sistemes de connexió. Hi pot haver diverses opcions:

1. Opció d'estiu per subministrament d'aigua calenta
2. Opció d'hivern per a calefacció i subministrament d'aigua calenta

L'opció d'estiu és la més senzilla i es pot fer fins i tot sense bomba de circulacióutilitzant la circulació natural d'aigua.

L'aigua s'escalfa al col·lector solar i, per dilatació tèrmica, entra al dipòsit d'emmagatzematge o caldera. En aquest cas, es produeix una circulació natural: s'aspira aigua freda del dipòsit en lloc d'aigua calenta.

A l'hivern, a temperatures sota zero, no és possible l'escalfament directe de l'aigua. L'anticongelant especial circula per un circuit tancat, assegurant la transferència de calor del col·lector a l'intercanviador de calor del dipòsit.

Com qualsevol sistema basat en la circulació natural, no funciona de manera molt eficient, requerint el compliment dels pendents necessaris. A més, el dipòsit d'emmagatzematge ha de ser més alt que el col·lector solar. Perquè l'aigua es mantingui calenta durant el major temps possible, el dipòsit ha d'estar completament aïllat.

Si realment voleu aconseguir el funcionament més eficient del col·lector solar, el diagrama de connexió es complicarà.

Per evitar que el col·lector es converteixi en un radiador de refrigeració a la nit, cal aturar la circulació de l'aigua a la força.

El refrigerant no congelant circula pel sistema de col·lectors solars. La circulació forçada és proporcionada per una bomba controlada per un controlador.

El controlador controla el funcionament de la bomba de circulació en funció de les lectures d'almenys dos sensors de temperatura. El primer sensor mesura la temperatura al dipòsit d'emmagatzematge, el segon a la canonada de subministrament de refrigerant calent del col·lector solar.

Tan aviat com la temperatura del dipòsit supera la temperatura del refrigerant, el controlador del col·lector apaga la bomba de circulació, aturant la circulació del refrigerant a través del sistema. Al seu torn, quan la temperatura del dipòsit d'emmagatzematge baixa per sota del valor establert, la caldera de calefacció s'encén.

Una nova paraula i una alternativa eficaç als col·lectors solars amb refrigerant s'han convertit en sistemes amb tubs de buit, el principi de funcionament i disseny del qual us suggerim familiaritzar-vos.

Esquema amb bateria solar

Seria temptador aplicar un similar diagrama de connexió de la bateria solar a la xarxa elèctrica, com s'implanta en el cas d'un col·lector solar, acumulant l'energia rebuda durant el dia. Malauradament, per al sistema d'alimentació d'una casa particular, és molt car crear una bateria de capacitat suficient. Per tant, el diagrama de connexió té aquest aspecte.

Quan la potència del corrent elèctric de la bateria solar disminueix, la unitat ATS (encesa automàtica d'una reserva) assegura la connexió dels consumidors a la xarxa elèctrica general.

Des dels panells solars, la càrrega es subministra al controlador de càrrega, que realitza diverses funcions: assegura la recàrrega constant de les bateries i estabilitza la tensió. A continuació, el corrent elèctric es subministra a l'inversor, on el corrent continu de 12V o 24V es converteix en corrent altern monofàsic de 220V.

Per desgràcia, les nostres xarxes elèctriques no són adequades per rebre energia; només poden funcionar en una direcció des de la font fins al consumidor. Per aquest motiu, no podreu vendre l'electricitat extreta o almenys fer girar el comptador en sentit contrari.

L'ús de plaques solars és avantatjós perquè proporcionen un tipus d'energia més versàtil, però al mateix temps no es poden comparar en eficiència amb els col·lectors solars. No obstant això, aquests últims no tenen la capacitat d'emmagatzemar energia, a diferència de les bateries solars fotovoltaiques.

Trobaràs tot sobre les opcions per organitzar la calefacció d'una casa privada mitjançant plaques solars. En aquest article.

Exemple de càlcul de la potència requerida

Quan es calcula la potència requerida d'un col·lector solar, els càlculs sovint es fan erròniament en funció de l'energia solar entrant durant els mesos més freds de l'any.

El fet és que durant els mesos restants de l'any tot el sistema es sobreescalfarà constantment. A l'estiu, la temperatura del refrigerant a la sortida del col·lector solar pot arribar als 200 °C en escalfar vapor o gas, 120 °C per anticongelant, 150 °C per a l'aigua. Si el refrigerant bull, s'evaporarà parcialment. Com a resultat, s'haurà de substituir.

Els fabricants recomanen procedir a partir de les xifres següents:

• subministrament d'aigua calenta no més del 70%;
• Provisió del sistema de calefacció no més del 30%.

La resta de la calor necessària s'ha de generar amb equips de calefacció estàndard. No obstant això, amb aquests indicadors, s'estalvia una mitjana del 40% anual en calefacció i subministrament d'aigua calenta.

La potència generada per un únic tub d'un sistema de buit depèn de la ubicació geogràfica. Indicador de caiguda d'energia solar per 1 m per any² de la terra s'anomena insolació.

Coneixent la longitud i el diàmetre del tub, podeu calcular l'obertura: l'àrea d'absorció efectiva. Queda per aplicar els coeficients d'absorció i emissió per calcular la potència d'un tub per any.

Exemple de càlcul:

La longitud estàndard del tub és de 1800 mm, la longitud efectiva és de 1600 mm. Diàmetre 58 mm. L'obertura és la zona ombrejada creada pel tub. Així, l'àrea del rectangle d'ombra serà:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

L'eficiència del tub mitjà és del 80%, la insolació solar per a Moscou és d'uns 1170 kWh/m² a l'any. Així, un tub produirà per any:

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

Cal tenir en compte que aquesta és una estimació molt aproximada. La quantitat d'energia generada depèn de l'orientació de la instal·lació, angle, temperatura mitjana anual, etc.

Amb tota mena fonts d'energia alternatives i maneres d'utilitzar-los podeu trobar a l'article presentat.

Conclusions i vídeo útil sobre el tema

Vídeo #1. Demostració del funcionament d'un col·lector solar a l'hivern:

Vídeo #2. Comparació de diferents models de col·lectors solars:

Al llarg de la seva existència, la humanitat consumeix cada any més energia. S'han intentat utilitzar la radiació solar lliure des de fa molt de temps, però només recentment s'ha pogut utilitzar eficaçment el sol a les nostres latituds. No hi ha dubte que els sistemes solars són el futur.

Vols informar-te de característiques interessants en l'organització de la calefacció solar per a una casa de camp o casa rural? Escriu comentaris al bloc següent. Aquí podeu fer una pregunta, deixar una foto que demostri el procés de muntatge del sistema i compartir informació útil.