Aquecimento solar de uma casa particular: opções e diagramas de projeto

A utilização de energia “verde” fornecida por elementos naturais pode reduzir significativamente os custos dos serviços públicos.Por exemplo, ao organizar o aquecimento solar para uma casa particular, você fornecerá radiadores de baixa temperatura e sistemas de piso radiante com refrigerante praticamente gratuito. Concordo, isso já está economizando dinheiro.

Você aprenderá tudo sobre “tecnologias verdes” em nosso artigo proposto. Com a nossa ajuda, poderá compreender facilmente os tipos de instalações solares, os métodos de sua construção e as especificidades de funcionamento. Você provavelmente estará interessado em uma das opções populares que estão trabalhando ativamente no mundo, mas ainda não são muito procuradas aqui.

Na revisão apresentada a sua atenção, as características de projeto dos sistemas são analisadas e os diagramas de conexão são descritos detalhadamente. É dado um exemplo de cálculo de um circuito de aquecimento solar para avaliar a realidade de sua construção. Para ajudar os artesãos independentes, estão incluídas coleções de fotos e vídeos.

Tecnologias de calor "verdes"

Média 1m² A superfície da Terra recebe 161 watts de energia solar por hora. É claro que no equador este número será muitas vezes maior do que no Ártico. Além disso, a densidade da radiação solar depende da época do ano.

Na região de Moscou, a intensidade da radiação solar em dezembro-janeiro difere de maio-julho em mais de cinco vezes. No entanto, os sistemas modernos são tão eficientes que podem funcionar em praticamente qualquer lugar do planeta.

Os sistemas solares modernos podem funcionar eficazmente em tempo nublado e frio até -30°C

Tarefa de uso energia de radiação solar com máxima eficiência é resolvido de duas formas: aquecimento direto em coletores térmicos e baterias solares fotovoltaicas. Os painéis solares primeiro convertem a energia dos raios solares em eletricidade e depois a transmitem através de um sistema especial aos consumidores, por exemplo, uma caldeira elétrica.

Os coletores térmicos, quando aquecidos pelos raios solares, aquecem o refrigerante dos sistemas de aquecimento e abastecimento de água quente.

Os coletores térmicos vêm em vários tipos, incluindo sistemas abertos e fechados, designs planos e esféricos, coletores concentradores hemisféricos e muitas outras opções. A energia térmica obtida dos coletores solares é utilizada para aquecer água quente ou fluido de aquecimento.

A indústria produz uma ampla gama de sistemas coletores para inclusão em uma rede de aquecimento independente. No entanto, a opção mais simples para uma residência de verão é fácil de fazer com as próprias mãos:

Embora tenha havido um claro progresso no desenvolvimento de soluções para colheita, armazenamento e utilização de energia solar, existem vantagens e desvantagens.

Uso eficiente da energia solar

A vantagem mais óbvia do uso da energia solar é a sua disponibilidade universal. Na verdade, mesmo nos climas mais sombrios e nublados, a energia solar pode ser coletada e utilizada.

A segunda vantagem são emissões zero. Na verdade, é a forma de energia mais ecológica e natural. Painéis solares e os coletores não produzem ruído. Na maioria dos casos, são instalados nas coberturas dos edifícios, sem ocupar a área útil de uma área suburbana.

A eficiência do aquecimento solar nas nossas latitudes é bastante baixa, o que se explica pelo número insuficiente de dias de sol para o funcionamento regular do sistema (+)

As desvantagens associadas ao uso da energia solar são a variabilidade da iluminação. À noite não há nada para recolher, a situação é agravada pelo facto de o pico da estação de aquecimento ocorrer durante o menor horário de verão do ano. É necessário monitorar a limpeza óptica dos painéis, pois uma leve contaminação reduz drasticamente a eficiência.

Além disso, não se pode dizer que a operação de um sistema de energia solar seja totalmente gratuita, há custos constantes com depreciação de equipamentos, operação da bomba de circulação e eletrônica de controle.

Uma desvantagem significativa do aquecimento baseado no uso de coletores solares é a falta de capacidade de acumular energia térmica. Apenas o tanque de expansão (+) está incluído no circuito

Coletores solares abertos

Um coletor solar aberto é um sistema de tubos, desprotegido de influências externas, por onde circula o refrigerante aquecido diretamente pelo sol.

Água, gás, ar e anticongelante são usados ​​como refrigerantes. Os tubos são fixados ao painel de suporte em forma de bobina ou conectados em fileiras paralelas ao tubo de saída.

Os coletores solares abertos não são capazes de lidar com o aquecimento de uma casa particular. Devido à falta de isolamento, o refrigerante esfria rapidamente. São utilizados no verão principalmente para aquecer água de chuveiros ou piscinas.

Coletores abertos geralmente não possuem isolamento. O design é muito simples, portanto tem baixo custo e muitas vezes é feito de forma independente.

Devido à falta de isolamento, praticamente não armazenam a energia recebida do sol e caracterizam-se pela baixa eficiência. São utilizados principalmente no verão para aquecer água de piscinas ou chuveiros de verão.

Instalado em regiões ensolaradas e quentes, com pequenas diferenças de temperatura do ar ambiente e da água aquecida. Eles funcionam bem apenas em dias ensolarados e sem vento.

O coletor solar mais simples com dissipador de calor feito de uma bobina de tubos de polímero fornecerá água aquecida à dacha para irrigação e necessidades domésticas

Variedades de coletores tubulares

Os coletores solares tubulares são montados a partir de tubos individuais através dos quais flui água, gás ou vapor. Este é um dos tipos de sistemas solares abertos. No entanto, o refrigerante já está muito melhor protegido da negatividade externa. Principalmente em instalações de vácuo, projetadas segundo o princípio das garrafas térmicas.

Cada tubo é conectado ao sistema separadamente, paralelos entre si. Se um tubo falhar, é fácil substituí-lo por um novo. Toda a estrutura pode ser montada diretamente na cobertura do edifício, o que simplifica muito a instalação.

O coletor tubular possui estrutura modular. O elemento principal é um tubo de vácuo, o número de tubos varia de 18 a 30, o que permite selecionar com precisão a potência do sistema

Uma vantagem significativa dos coletores solares tubulares é a forma cilíndrica dos elementos principais, graças à qual a radiação solar é captada durante todo o dia sem a utilização de sistemas caros de rastreamento do movimento da luminária.

Um revestimento multicamadas especial cria uma espécie de armadilha óptica para a luz solar. O diagrama mostra parcialmente a parede externa do frasco a vácuo refletindo raios nas paredes do frasco interno (+)

Com base no design dos tubos, os coletores solares de penas e coaxiais são diferenciados.

O tubo coaxial é um recipiente Diaur ou uma garrafa térmica familiar. Feito de dois frascos entre os quais o ar é evacuado. Um revestimento altamente seletivo é aplicado à superfície interna do bulbo interno, absorvendo efetivamente a energia solar.

Com um tubo cilíndrico, os raios solares sempre incidem perpendicularmente à superfície

A energia térmica da camada seletiva interna é transferida para um tubo de calor ou trocador de calor interno feito de placas de alumínio. Nesta fase, ocorre perda de calor indesejada.

O tubo de penas é um cilindro de vidro com um absorvedor de penas inserido em seu interior.

O nome do sistema vem do absorvedor de penas, que envolve firmemente um canal térmico feito de metal condutor de calor.

Para um bom isolamento térmico, o ar foi evacuado do tubo. A transferência de calor do absorvedor ocorre sem perdas, portanto a eficiência dos tubos de penas é maior.

De acordo com o método de transferência de calor, existem dois sistemas: fluxo direto e com tubo de calor. O tubo térmico é um recipiente selado com um líquido de fácil evaporação.

Como o líquido de fácil evaporação flui naturalmente para o fundo do tubo de calor, o ângulo de inclinação mínimo é de 20° C

Dentro do tubo de calor existe um líquido de fácil evaporação que recebe calor da parede interna do frasco ou do absorvedor de penas. Sob a influência da temperatura, o líquido ferve e sobe na forma de vapor. Depois que o calor é transferido para o refrigerante de aquecimento ou abastecimento de água quente, o vapor se condensa em líquido e flui para baixo.

A água é frequentemente usada como um líquido de fácil evaporação a baixa pressão. Um sistema de passagem única usa um tubo em forma de U através do qual circula água ou fluido de aquecimento.

Metade do tubo em forma de U é destinada ao refrigerante frio, a segunda remove o aquecido. Quando aquecido, o refrigerante se expande e entra no tanque de armazenamento, proporcionando circulação natural. Tal como acontece com os sistemas de tubos de calor, o ângulo mínimo de inclinação deve ser de pelo menos 20⁰.

Com conexão de fluxo direto, a pressão no sistema não pode ser alta, pois existe um vácuo técnico dentro do frasco

Os sistemas de fluxo direto são mais eficientes porque aquecem imediatamente o líquido refrigerante. Se os sistemas de coletores solares forem planejados para uso durante todo o ano, um anticongelante especial será bombeado para eles.

A utilização de coletores solares tubulares apresenta uma série de vantagens e desvantagens. O projeto de um coletor solar tubular consiste em elementos idênticos que são relativamente fáceis de substituir.

Vantagens:

• baixa perda de calor;
• capacidade de trabalhar em temperaturas até -30⁰С;
• desempenho eficiente durante o dia;
• bom desempenho em áreas de clima temperado e frio;
• baixo vento, justificado pela capacidade dos sistemas tubulares de passarem massas de ar por si mesmos;
• possibilidade de produzir refrigerante de alta temperatura.

Estruturalmente, a estrutura tubular possui uma superfície de abertura limitada.

Tem as seguintes desvantagens:

• não é capaz de se autolimpar de neve, gelo, geada;
• Preço Alto.

Apesar do alto custo inicial, os coletores tubulares se pagam mais rapidamente. Eles têm uma longa vida útil.

Os coletores tubulares são sistemas solares abertos e, portanto, não são adequados para uso durante todo o ano em sistemas de aquecimento (+)

Sistemas planos fechados

Um coletor de placa plana consiste em uma moldura de alumínio, uma camada absorvente especial - um absorvente, um revestimento transparente, uma tubulação e um isolamento.

Folha de cobre enegrecida é usada como absorvente, que possui condutividade térmica ideal para a criação de sistemas solares.Quando a energia solar é absorvida por um absorvedor, a energia solar que ele recebe é transferida para um refrigerante que circula através de um sistema de tubos adjacente ao absorvedor.

Externamente, o painel fechado é protegido por um revestimento transparente. É feito de vidro temperado à prova de choque com banda de transmissão de 0,4-1,8 mícrons. Esta faixa é responsável pela radiação solar máxima. O vidro à prova de choque oferece boa proteção contra granizo. Na parte traseira, todo o painel é isolado de forma confiável.

Os coletores solares de placa plana são caracterizados pelo máximo desempenho e design simples. Sua eficiência é aumentada devido ao uso de um absorvedor. Eles são capazes de capturar radiação solar difusa e direta

A lista de vantagens dos painéis planos fechados inclui:

• simplicidade de design;
• bom desempenho em regiões de clima quente;
• a possibilidade de instalação em qualquer ângulo com dispositivos para alteração do ângulo de inclinação;
• a capacidade de autolimpeza da neve e do gelo;
• preço baixo.

Coletores solares de placa plana são especialmente vantajosos se seu uso for planejado na fase de projeto. A vida útil dos produtos de qualidade é de 50 anos.

As desvantagens incluem:

• alta perda de calor;
• peso pesado;
• vento forte quando os painéis são posicionados em ângulo com a horizontal;
• limitações de desempenho quando as mudanças de temperatura excedem 40°C.

O escopo de aplicação dos coletores fechados é muito mais amplo do que os sistemas solares abertos. No verão conseguem satisfazer plenamente a necessidade de água quente. Nos dias frios, quando as concessionárias não os incluem no período de aquecimento, eles podem funcionar no lugar dos aquecedores a gás e elétricos.

Para quem deseja faça um coletor solar Para construir um sistema de aquecimento em sua dacha com suas próprias mãos, sugerimos que você se familiarize com diagramas testados na prática e instruções de montagem passo a passo.

Comparação das características do coletor solar

O indicador mais importante de um coletor solar é a eficiência. O desempenho útil de coletores solares de diferentes designs depende da diferença de temperatura. Ao mesmo tempo, os coletores planos são muito mais baratos que os tubulares.

Os valores de eficiência dependem da qualidade de fabricação do coletor solar. O objetivo do gráfico é mostrar a eficácia do uso de diferentes sistemas dependendo da diferença de temperatura

Ao escolher um coletor solar, você deve prestar atenção a uma série de parâmetros que mostram a eficiência e a potência do dispositivo.

Existem várias características importantes para coletores solares:

• coeficiente de adsorção - mostra a relação entre a energia absorvida e a energia total;
• coeficiente de emissão - mostra a relação entre a energia transmitida e a energia absorvida;
• área total e de abertura;
• Eficiência

A área de abertura é a área de trabalho do coletor solar. Um coletor de placa plana possui uma área de abertura máxima. A área de abertura é igual à área do absorvedor.

Métodos de conexão ao sistema de aquecimento

Uma vez que os dispositivos alimentados por energia solar não podem fornecer um fornecimento de energia estável e ininterrupto, é necessário um sistema que seja resiliente a estas deficiências.

Para a Rússia central, os dispositivos solares não podem garantir um fluxo estável de energia, por isso são utilizados como um sistema adicional. A integração num sistema de aquecimento e água quente existente é diferente para um coletor solar e uma bateria solar.

Esquema com coletor de água

Dependendo da finalidade de utilização do coletor de calor, são utilizados diferentes sistemas de conexão. Pode haver várias opções:

1. Opção de verão para abastecimento de água quente
2. Opção de inverno para aquecimento e abastecimento de água quente

A opção de verão é a mais simples e pode ser feita mesmo sem Bomba de circulaçãousando circulação natural de água.

A água é aquecida no coletor solar e, devido à dilatação térmica, entra no acumulador ou caldeira. Nesse caso, ocorre a circulação natural: a água fria é sugada do tanque em vez da água quente.

No inverno, em temperaturas abaixo de zero, o aquecimento direto da água não é possível. O anticongelante especial circula em um circuito fechado, garantindo a transferência de calor do coletor para o trocador de calor no tanque

Como qualquer sistema baseado na circulação natural, não funciona de forma muito eficiente, exigindo o cumprimento das inclinações necessárias. Além disso, o tanque de armazenamento deve ser mais alto que o coletor solar. Para que a água permaneça quente o maior tempo possível, o tanque deve ser totalmente isolado.

Se você realmente deseja obter a operação mais eficiente do coletor solar, o diagrama de conexão se tornará mais complicado.

Para evitar que o coletor se transforme em radiador de resfriamento à noite, é necessário interromper à força a circulação da água

O líquido refrigerante não congelante circula pelo sistema coletor solar. A circulação forçada é fornecida por uma bomba controlada por um controlador.

O controlador controla o funcionamento da bomba de circulação com base nas leituras de pelo menos dois sensores de temperatura. O primeiro sensor mede a temperatura no tanque de armazenamento, o segundo - no tubo de alimentação do refrigerante quente do coletor solar.

Assim que a temperatura no tanque ultrapassa a temperatura do refrigerante, o controlador no coletor desliga a bomba de circulação, interrompendo a circulação do refrigerante pelo sistema. Por sua vez, quando a temperatura no acumulador desce abaixo do valor definido, a caldeira de aquecimento é ligada.

Uma nova palavra e uma alternativa eficaz aos coletores solares com refrigerante tornaram-se sistemas com tubos a vácuo, cujo princípio de funcionamento e design sugerimos que você se familiarize.

Esquema com bateria solar

Seria tentador aplicar um procedimento semelhante diagrama de conexão da bateria solar à rede elétrica, como é feito no caso de um coletor solar, acumulando a energia recebida durante o dia. Infelizmente, para o sistema de alimentação de uma residência particular, é muito caro criar uma bateria com capacidade suficiente. Portanto, o diagrama de conexão fica assim.

Quando a potência da corrente elétrica da bateria solar diminui, a unidade ATS (ligação automática de reserva) garante a ligação dos consumidores à rede elétrica geral

A partir dos painéis solares, a carga é fornecida ao controlador de carregamento, que desempenha diversas funções: garante a recarga constante das baterias e estabiliza a tensão. Em seguida, a corrente elétrica é fornecida ao inversor, onde a corrente contínua de 12V ou 24V é convertida em corrente alternada monofásica de 220V.

Infelizmente, nossas redes elétricas não são adequadas para receber energia, pois só podem funcionar em uma direção, da fonte ao consumidor. Por esse motivo, você não poderá vender a energia extraída ou pelo menos fazer o medidor girar na direção oposta.

A utilização de painéis solares é vantajosa porque fornecem um tipo de energia mais versátil, mas ao mesmo tempo não se comparam em eficiência aos coletores solares. Porém, estas últimas não têm capacidade de armazenar energia, ao contrário das baterias solares fotovoltaicas.

Encontrará tudo sobre opções para organizar o aquecimento de uma casa privada através de painéis solares. Neste artigo.

Exemplo de cálculo da potência necessária

Ao calcular a potência necessária de um coletor solar, os cálculos são muitas vezes feitos erroneamente com base na energia solar recebida nos meses mais frios do ano.

O fato é que nos demais meses do ano todo o sistema superaquecerá constantemente. No verão, a temperatura do refrigerante na saída do coletor solar pode chegar a 200°C no aquecimento a vapor ou gás, 120°C para anticongelante, 150°C para água. Se o líquido refrigerante ferver, ele evaporará parcialmente. Como resultado, ele terá que ser substituído.

Os fabricantes recomendam proceder a partir dos seguintes números:

• fornecimento de água quente não superior a 70%;
• fornecimento do sistema de aquecimento não superior a 30%.

O restante do calor necessário deve ser gerado por equipamento de aquecimento padrão. No entanto, com esses indicadores, economiza-se em média cerca de 40% por ano em aquecimento e abastecimento de água quente.

A energia gerada por um tubo de um sistema de vácuo depende da localização geográfica. Indicador de queda de 1 m de energia solar por ano² da terra é chamada de insolação.

Conhecendo o comprimento e o diâmetro do tubo, você pode calcular a abertura - a área efetiva de absorção. Resta aplicar os coeficientes de absorção e emissão para calcular a potência de um tubo por ano.

Exemplo de cálculo:

O comprimento padrão do tubo é 1800 mm, o comprimento efetivo é 1600 mm. Diâmetro 58 mm. A abertura é a área sombreada criada pelo tubo. Assim, a área do retângulo sombra será:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928m²

A eficiência do tubo intermediário é de 80%, a insolação solar para Moscou é de cerca de 1170 kWh/m² no ano. Assim, um tubo produzirá por ano:

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

Deve-se notar que esta é uma estimativa muito aproximada. A quantidade de energia gerada depende da orientação da instalação, ângulo, temperatura média anual, etc.

Com todos os tipos fontes de energia alternativa e maneiras de usá-los você pode encontrar no artigo apresentado.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo nº 1. Demonstração do funcionamento de um coletor solar no inverno:

Vídeo nº 2. Comparação de diferentes modelos de coletores solares:

Ao longo de sua existência, a humanidade consome cada vez mais energia a cada ano. As tentativas de usar a radiação solar gratuita já são feitas há muito tempo, mas só recentemente se tornou possível usar efetivamente o sol em nossas latitudes. Não há dúvida de que os sistemas solares são o futuro.

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