Riscaldamento solare di una casa privata: opzioni e schemi di progettazione

L’uso dell’energia “verde” fornita da elementi naturali può ridurre significativamente i costi delle utenze.Ad esempio, organizzando il riscaldamento solare per una casa privata, fornirete ai radiatori a bassa temperatura e ai sistemi di riscaldamento a pavimento un refrigerante praticamente gratuito. D'accordo, questo sta già risparmiando denaro.

Imparerai tutto sulle "tecnologie verdi" dal nostro articolo proposto. Con il nostro aiuto potrai facilmente comprendere le tipologie di impianti solari, i metodi di costruzione e le specifiche di funzionamento. Probabilmente sarai interessato a una delle opzioni popolari che funzionano attivamente nel mondo, ma non sono ancora molto richieste qui.

Nella recensione presentata alla vostra attenzione, vengono analizzate le caratteristiche progettuali dei sistemi e gli schemi di collegamento sono descritti in dettaglio. Viene fornito un esempio di calcolo di un circuito di riscaldamento solare per valutare la realtà della sua costruzione. Per aiutare gli artigiani indipendenti, sono incluse raccolte di foto e video.

Tecnologie del calore “green”.

Media 1 m² La superficie terrestre riceve 161 watt di energia solare all'ora. Naturalmente, all’equatore questa cifra sarà molte volte superiore a quella dell’Artico. Inoltre, la densità della radiazione solare dipende dal periodo dell'anno.

Nella regione di Mosca, l'intensità della radiazione solare nel periodo dicembre-gennaio differisce da maggio-luglio più di cinque volte. Tuttavia, i sistemi moderni sono così efficienti che possono funzionare quasi ovunque sulla terra.

I moderni sistemi solari possono funzionare efficacemente con tempo nuvoloso e freddo fino a -30°C

Compito d'uso energia della radiazione solare con la massima efficienza si risolve in due modi: riscaldamento diretto in collettori termici e batterie solari fotovoltaiche. I pannelli solari convertono prima l'energia dei raggi solari in elettricità, quindi la trasmettono ai consumatori attraverso un sistema speciale, ad esempio una caldaia elettrica.

I collettori termici, quando riscaldati dai raggi del sole, riscaldano il liquido di raffreddamento dei sistemi di riscaldamento e di fornitura di acqua calda.

I collettori termici sono disponibili in diversi tipi, inclusi sistemi aperti e chiusi, design piatti e sferici, collettori concentrati emisferici e molte altre opzioni. L'energia termica ottenuta dai collettori solari viene utilizzata per riscaldare l'acqua calda o il fluido riscaldante.

L'industria produce un'ampia gamma di sistemi di collettori da includere in una rete di riscaldamento indipendente. Tuttavia, l'opzione più semplice per una residenza estiva è facile da realizzare con le tue mani:

Sebbene ci siano stati evidenti progressi nello sviluppo di soluzioni per la raccolta, l’immagazzinamento e l’utilizzo dell’energia solare, ci sono vantaggi e svantaggi.

Uso efficiente dell'energia solare

Il vantaggio più evidente dell’utilizzo dell’energia solare è la sua disponibilità universale. Infatti, anche nelle giornate più cupe e nuvolose, l'energia solare può essere raccolta e utilizzata.

Il secondo vantaggio sono le emissioni zero. In effetti, è la forma di energia più ecologica e naturale. Pannelli solari ed i collettori non producono rumore. Nella maggior parte dei casi vengono installati sui tetti degli edifici, senza occupare l'area utilizzabile di un'area suburbana.

L'efficienza del riscaldamento solare alle nostre latitudini è piuttosto bassa, il che si spiega con il numero insufficiente di giorni soleggiati per il regolare funzionamento del sistema (+)

Gli svantaggi associati all'utilizzo dell'energia solare sono la variabilità dell'illuminazione. Di notte non c'è nulla da raccogliere, la situazione è aggravata dal fatto che il picco della stagione di riscaldamento si verifica durante le ore diurne più corte dell'anno. È necessario monitorare la pulizia ottica dei pannelli; una leggera contaminazione riduce drasticamente l'efficienza.

Inoltre, non si può dire che il funzionamento di un sistema di energia solare sia completamente gratuito; ci sono costi costanti per l'ammortamento delle apparecchiature, il funzionamento della pompa di circolazione e l'elettronica di controllo.

Uno svantaggio significativo del riscaldamento basato sull'uso di collettori solari è la mancanza di capacità di accumulare energia termica. Nel circuito è compreso solo il vaso di espansione (+).

Collettori solari aperti

Un collettore solare aperto è un sistema di tubi, non protetto dagli influssi esterni, attraverso i quali circola il liquido di raffreddamento riscaldato direttamente dal sole.

Come refrigeranti vengono utilizzati acqua, gas, aria e antigelo. I tubi vengono fissati al pannello portante sotto forma di serpentina oppure collegati in file parallele al tubo di scarico.

I collettori solari aperti non sono in grado di far fronte al riscaldamento di una casa privata. A causa della mancanza di isolamento, il liquido di raffreddamento si raffredda rapidamente. Vengono utilizzati nel periodo estivo principalmente per riscaldare l'acqua delle docce o delle piscine.

I collettori aperti solitamente non hanno alcun isolamento. Il design è molto semplice, quindi ha un costo contenuto e spesso viene realizzato in modo indipendente.

A causa della mancanza di isolamento, praticamente non immagazzinano l'energia ricevuta dal sole e sono caratterizzati da una bassa efficienza. Vengono utilizzati soprattutto nel periodo estivo per riscaldare l'acqua delle piscine o delle docce estive.

Installato in regioni soleggiate e calde, con piccole differenze di temperatura dell'aria ambiente e dell'acqua riscaldata. Funzionano bene solo con tempo soleggiato e senza vento.

Il più semplice collettore solare con dissipatore di calore costituito da una bobina di tubi polimerici fornirà alla dacia acqua riscaldata per l'irrigazione e le necessità domestiche

Varietà a collettore tubolare

I collettori solari tubolari sono assemblati da singoli tubi attraverso i quali scorre acqua, gas o vapore. Questo è uno dei tipi di sistemi solari aperti. Tuttavia, il liquido di raffreddamento è già molto meglio protetto dalle negatività esterne. Soprattutto negli impianti sottovuoto, progettati secondo il principio dei thermos.

Ogni tubo è collegato al sistema separatamente, parallelamente tra loro. Se un tubo si guasta, è facile sostituirlo con uno nuovo. L'intera struttura può essere assemblata direttamente sul tetto dell'edificio, il che semplifica notevolmente l'installazione.

Il collettore tubolare ha una struttura modulare. L'elemento principale è un tubo a vuoto; il numero di tubi varia da 18 a 30, che consente di selezionare con precisione la potenza del sistema

Un vantaggio significativo dei collettori solari tubolari è la forma cilindrica degli elementi principali, grazie alla quale la radiazione solare viene catturata tutto il giorno senza l'uso di costosi sistemi per tracciare il movimento del luminare.

Uno speciale rivestimento multistrato crea una sorta di trappola ottica per la luce solare. Il diagramma mostra parzialmente la parete esterna del pallone da vuoto che riflette i raggi sulle pareti del pallone interno (+)

In base al disegno dei tubi si distinguono i collettori solari a piuma e coassiali.

Il tubo coassiale è una nave Diaur o un thermos familiare. Composto da due palloni tra i quali viene evacuata l'aria. Sulla superficie interna del bulbo interno viene applicato un rivestimento altamente selettivo che assorbe efficacemente l'energia solare.

Con un tubo cilindrico i raggi del sole cadono sempre perpendicolarmente alla superficie

L'energia termica dallo strato selettivo interno viene trasferita ad un tubo di calore o scambiatore di calore interno costituito da piastre di alluminio. In questa fase si verifica una perdita di calore indesiderata.

Il tubo piuma è un cilindro di vetro al cui interno è inserito un assorbitore di piume.

Il sistema prende il nome dall'assorbitore di piume, che avvolge strettamente un canale termico in metallo termoconduttore.

Per un buon isolamento termico, l'aria è stata evacuata dal tubo. Il trasferimento di calore dall'assorbitore avviene senza perdite, quindi l'efficienza dei tubi a piuma è maggiore.

Secondo il metodo di trasferimento del calore, esistono due sistemi: a flusso diretto e con un tubo di calore. Il tubo termico è un contenitore sigillato con un liquido che evapora facilmente.

Poiché il liquido che evapora facilmente scorre naturalmente verso il fondo del tubo riscaldante, l'angolo di inclinazione minimo è di 20° C

All'interno del tubo termico si trova un liquido facilmente evaporabile che riceve calore dalla parete interna della beuta o dall'assorbitore di piume. Sotto l'influenza della temperatura, il liquido bolle e sale sotto forma di vapore. Dopo che il calore è stato trasferito al liquido di raffreddamento del riscaldamento o dell'acqua calda, il vapore si condensa in liquido e scorre verso il basso.

L'acqua viene spesso utilizzata come liquido che evapora facilmente a bassa pressione. Un sistema a passaggio singolo utilizza un tubo a forma di U attraverso il quale circola l'acqua o il fluido riscaldante.

Una metà del tubo a forma di U è destinata al liquido di raffreddamento freddo, la seconda rimuove quello riscaldato. Quando riscaldato, il liquido di raffreddamento si espande ed entra nel serbatoio di stoccaggio, garantendo una circolazione naturale. Come per i sistemi a tubi di calore, l'angolo minimo di inclinazione deve essere almeno di 20⁰.

Con una connessione a flusso diretto, la pressione nel sistema non può essere elevata, poiché all'interno del pallone è presente un vuoto tecnico

I sistemi a flusso diretto sono più efficienti perché riscaldano immediatamente il liquido di raffreddamento. Se si prevede di utilizzare i sistemi di collettori solari tutto l'anno, viene pompato uno speciale antigelo.

L'uso di collettori solari tubolari presenta numerosi vantaggi e svantaggi. Il design di un collettore solare tubolare è costituito da elementi identici che sono relativamente facili da sostituire.

Vantaggi:

• bassa perdita di calore;
• capacità di lavorare a temperature fino a -30⁰С;
• prestazioni efficienti durante le ore diurne;
• buone prestazioni in zone con climi temperati e freddi;
• bassa deriva, giustificata dalla capacità dei sistemi tubolari di far passare attraverso se stessi le masse d'aria;
• possibilità di produrre liquido refrigerante ad alta temperatura.

Strutturalmente, la struttura tubolare presenta una superficie di apertura limitata.

Presenta i seguenti svantaggi:

• non in grado di autopulirsi da neve, ghiaccio, gelo;
• alto prezzo.

Nonostante l’alto costo iniziale, i collettori tubolari si ammortizzano più velocemente. Hanno una lunga durata.

I collettori tubolari sono sistemi solari di tipo aperto e quindi non sono adatti per l'uso tutto l'anno negli impianti di riscaldamento (+)

Sistemi chiusi piatti

Un collettore piano è costituito da un telaio in alluminio, uno speciale strato assorbente - un assorbitore, un rivestimento trasparente, una tubazione e un isolamento.

Come assorbitore viene utilizzata la lamiera di rame annerita, che ha una conduttività termica ideale per la creazione di sistemi solari.Quando l'energia solare viene assorbita da un assorbitore, l'energia solare che riceve viene trasferita ad un refrigerante che circola attraverso un sistema di tubi adiacente all'assorbitore.

Esternamente il pannello chiuso è protetto da un rivestimento trasparente. È realizzato in vetro temperato antiurto con banda di trasmissione di 0,4-1,8 micron. Questa gamma rappresenta la massima radiazione solare. Il vetro antiurto garantisce una buona protezione contro la grandine. Sul lato posteriore l'intero pannello è isolato in modo affidabile.

I collettori solari piani sono caratterizzati da massime prestazioni e design semplice. La loro efficienza è aumentata grazie all'uso di un assorbitore. Sono in grado di catturare la radiazione solare diffusa e diretta

L'elenco dei vantaggi dei pannelli piani chiusi comprende:

• semplicità del design;
• buone prestazioni nelle regioni con climi caldi;
• la possibilità di installare con qualsiasi angolazione con dispositivi per modificare l'angolo di inclinazione;
• la capacità di autopulirsi dalla neve e dal gelo;
• prezzo basso.

I collettori solari piani sono particolarmente vantaggiosi se il loro utilizzo è previsto in fase di progettazione. La durata dei prodotti di qualità è di 50 anni.

Gli svantaggi includono:

• elevata perdita di calore;
• peso elevato;
• elevata deriva quando i pannelli sono posizionati ad angolo rispetto all'orizzontale;
• limitazioni prestazionali quando le variazioni di temperatura superano i 40°C.

Il campo di applicazione dei collettori chiusi è molto più ampio di quello dei sistemi solari di tipo aperto. Nel periodo estivo sono in grado di soddisfare pienamente il fabbisogno di acqua calda. Nelle giornate fresche, quando le utenze non li includono nel periodo di riscaldamento, possono funzionare al posto dei riscaldatori a gas ed elettrici.

Per coloro che lo desiderano realizzare un collettore solare Per costruire un sistema di riscaldamento nella tua dacia con le tue mani, ti suggeriamo di familiarizzare con schemi testati nella pratica e istruzioni di montaggio passo passo.

Confronto delle caratteristiche dei collettori solari

L'indicatore più importante di un collettore solare è l'efficienza. La prestazione utile dei collettori solari di diversi modelli dipende dalla differenza di temperatura. Allo stesso tempo, i collettori piani sono molto più economici di quelli tubolari.

I valori di efficienza dipendono dalla qualità costruttiva del collettore solare. Lo scopo del grafico è mostrare l'efficacia dell'utilizzo di diversi sistemi a seconda della differenza di temperatura

Quando si sceglie un collettore solare, è necessario prestare attenzione a una serie di parametri che mostrano l'efficienza e la potenza del dispositivo.

Ci sono diverse caratteristiche importanti per i collettori solari:

• coefficiente di assorbimento - mostra il rapporto tra l'energia assorbita e il totale;
• coefficiente di emissione: mostra il rapporto tra l'energia trasmessa e l'energia assorbita;
• area totale e di apertura;
• Efficienza

L'area di apertura è l'area di lavoro del collettore solare. Un collettore piano ha un'area di apertura massima. L'area di apertura è uguale all'area dell'assorbitore.

Modalità di collegamento all'impianto di riscaldamento

Poiché i dispositivi ad energia solare non possono fornire una fornitura energetica stabile 24 ore su 24, è necessario un sistema resistente a queste carenze.

Nella Russia centrale i dispositivi solari non possono garantire un flusso stabile di energia, quindi vengono utilizzati come sistema aggiuntivo. L'integrazione in un sistema di riscaldamento e acqua calda esistente è diversa per un collettore solare e una batteria solare.

Schema con collettore d'acqua

A seconda dello scopo di utilizzo del collettore di calore, vengono utilizzati diversi sistemi di collegamento. Potrebbero esserci diverse opzioni:

1. Opzione estiva per la fornitura di acqua calda
2. Opzione invernale per riscaldamento e fornitura di acqua calda

L'opzione estiva è la più semplice e se ne può fare anche a meno pompa di circolazionesfruttando la circolazione naturale dell’acqua.

L'acqua viene riscaldata nel collettore solare e, a causa della dilatazione termica, entra nel serbatoio di accumulo o nella caldaia. In questo caso si verifica una circolazione naturale: dal serbatoio viene aspirata acqua fredda anziché acqua calda.

In inverno, a temperature sotto lo zero, non è possibile il riscaldamento diretto dell'acqua. Uno speciale antigelo circola attraverso un circuito chiuso, garantendo il trasferimento di calore dal collettore allo scambiatore di calore nel serbatoio

Come ogni sistema basato sulla circolazione naturale, non funziona in modo molto efficiente, richiedendo il rispetto delle pendenze necessarie. Inoltre il serbatoio di accumulo deve essere più alto del collettore solare. Affinché l'acqua rimanga calda il più a lungo possibile, il serbatoio deve essere accuratamente isolato.

Se vuoi davvero ottenere il funzionamento più efficiente del collettore solare, lo schema di collegamento diventerà più complicato.

Per evitare che durante la notte il collettore si trasformi in un radiatore di raffreddamento, è necessario interrompere forzatamente la circolazione dell'acqua

Il refrigerante non congelante circola attraverso il sistema del collettore solare. La circolazione forzata è fornita da una pompa controllata da un controller.

Il controller controlla il funzionamento della pompa di circolazione in base alle letture di almeno due sensori di temperatura. Il primo sensore misura la temperatura nel serbatoio di accumulo, il secondo sul tubo di alimentazione del liquido di raffreddamento caldo del collettore solare.

Non appena la temperatura nel serbatoio supera la temperatura del liquido di raffreddamento, il controller nel collettore spegne la pompa di circolazione, interrompendo la circolazione del liquido di raffreddamento attraverso il sistema. A sua volta, quando la temperatura nel serbatoio di accumulo scende al di sotto del valore impostato, la caldaia di riscaldamento si accende.

Una parola nuova e un'alternativa efficace ai collettori solari con refrigerante sono diventati i sistemi con tubi a vuoto, il principio di funzionamento e progettazione con cui ti suggeriamo di familiarizzare.

Schema con batteria solare

Sarebbe forte la tentazione di applicarne uno simile schema di collegamento della batteria solare alla rete elettrica, come avviene nel caso di un collettore solare, accumulando l'energia ricevuta durante la giornata. Sfortunatamente, per il sistema di alimentazione di una casa privata, creare un pacco batteria di capacità sufficiente è molto costoso. Pertanto, lo schema di collegamento è simile al seguente.

Quando la potenza della corrente elettrica proveniente dalla batteria solare diminuisce, l'unità ATS (accensione automatica di riserva) garantisce il collegamento dei consumatori alla rete elettrica generale

Dai pannelli solari la carica viene fornita al regolatore di carica, che svolge diverse funzioni: garantisce la ricarica costante delle batterie e stabilizza la tensione. Successivamente, la corrente elettrica viene fornita all'inverter, dove la corrente continua da 12 V o 24 V viene convertita in corrente alternata monofase da 220 V.

Purtroppo, le nostre reti elettriche non sono adatte a ricevere energia; possono funzionare solo in una direzione, dalla fonte al consumatore. Per questo motivo non potrai vendere l'energia elettrica estratta o almeno far girare il contatore in senso inverso.

L'uso dei pannelli solari è vantaggioso in quanto forniscono un tipo di energia più versatile, ma allo stesso tempo non possono essere paragonati in termini di efficienza ai collettori solari. Queste ultime però non hanno la capacità di immagazzinare energia, a differenza delle batterie solari fotovoltaiche.

Troverai tutto sulle opzioni per organizzare il riscaldamento di una casa privata utilizzando i pannelli solari. In questo articolo.

Esempio di calcolo della potenza richiesta

Quando si calcola la potenza necessaria di un collettore solare, spesso si calcola erroneamente l'energia solare in entrata nei mesi più freddi dell'anno.

Il fatto è che nei restanti mesi dell'anno l'intero sistema si surriscalderà costantemente. In estate, la temperatura del liquido refrigerante all'uscita del collettore solare può raggiungere i 200°C durante il riscaldamento a vapore o gas, 120°C per l'antigelo, 150°C per l'acqua. Se il liquido refrigerante bolle, evaporerà parzialmente. Di conseguenza, dovrà essere sostituito.

I produttori consigliano di procedere dalle seguenti figure:

• fornitura di acqua calda non superiore al 70%;
• fornitura dell'impianto di riscaldamento non superiore al 30%.

Il resto del calore richiesto deve essere generato da apparecchiature di riscaldamento standard. Tuttavia, con tali indicatori, si risparmia in media circa il 40% all'anno sul riscaldamento e sulla fornitura di acqua calda.

La potenza generata da un tubo di un sistema di aspirazione dipende dalla posizione geografica. Indicatore della caduta dell'energia solare per 1 m all'anno² della terra si chiama insolazione.

Conoscendo la lunghezza e il diametro del tubo, puoi calcolare l'apertura, ovvero l'area di assorbimento effettiva. Resta da applicare i coefficienti di assorbimento e di emissione per calcolare la potenza di un tubo all'anno.

Esempio di calcolo:

La lunghezza standard del tubo è 1800 mm, la lunghezza effettiva è 1600 mm. Diametro 58 mm. L'apertura è l'area ombreggiata creata dal tubo. Pertanto, l'area del rettangolo ombra sarà:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

L'efficienza del tubo centrale è dell'80%, l'irraggiamento solare per Mosca è di circa 1170 kWh/m² nell'anno. Pertanto, un tubo produrrà all’anno:

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

Va notato che si tratta di una stima molto approssimativa. La quantità di energia generata dipende dall'orientamento dell'installazione, dall'angolazione, dalla temperatura media annuale, ecc.

Con tutti i tipi risorse di energia alternativa e modi per usarli che puoi trovare nell'articolo presentato.

Conclusioni e video utile sull'argomento

Video n.1. Dimostrazione del funzionamento di un collettore solare in inverno:

Video n.2. Confronto tra diversi modelli di collettori solari:

Nel corso della sua esistenza, l’umanità consuma ogni anno sempre più energia. I tentativi di utilizzare la radiazione solare gratuita sono stati fatti per molto tempo, ma solo di recente è diventato possibile utilizzare efficacemente il sole alle nostre latitudini. Non c’è dubbio che i sistemi solari siano il futuro.

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