Riscaldamento solare a casa con i collezionisti: principio di funzionamento e prezzo

Sezioni dell’articolo

• I componenti principali del sistema di riscaldamento
• Varietà e differenze dei collezionisti
• Problemi di energia solare
• Integrazione nel sistema di riscaldamento
• Calcolo della potenza e fasi di installazione
• Ho bisogno di una pompa di calore
• Costo del sistema di riscaldamento solare

È realistico fornire energia solare termica a casa tua? Oggi discuteremo della prospettiva di utilizzare i sistemi solari come principale fonte di riscaldamento, considereremo il problema della giustificazione economica e dell’efficienza dei collettori solari.

I componenti principali del sistema di riscaldamento

I collettori solari fungono da fonte di riscaldamento del sistema solare, il cui scopo è il trasferimento più efficiente dell’energia dello spettro infrarosso della radiazione solare al refrigerante. La gamma termica della luce solare è del 40–45% del flusso radiativo totale, in cifre specifiche è di 200–500 W / m² a seconda della latitudine, del periodo dell’anno e del giorno.

In linea di principio, i soli collettori sono sufficienti per costruire il sistema solare più semplice. Attraverso i loro canali, è possibile far circolare l’acqua ordinaria, utilizzata per le necessità domestiche e il riscaldamento domestico. Tuttavia, questo approccio non è abbastanza efficace per una serie di motivi, il primo dei quali è la mancanza di rifornimento di perdite di energia per un’intera giornata. Pertanto, uno degli elementi più importanti di un sistema di riscaldamento solare è un accumulatore di calore – un contenitore con acqua.

Schema di riscaldamento della casa con collettori solari: 1 – fornitura di acqua fredda; 2 – scambiatore di calore; 3 – accumulatore di calore; 4 – sensore di temperatura; 5 – circuito di raffreddamento; 6 – stazione di pompaggio; 7 – controller; 8 – vaso di espansione; 9 – acqua calda; 10 – valvola a tre vie; 11 – collettore solare

Anche il dispositivo tecnico del collettore solare è una sorta di limitazione. I suoi canali hanno un’area di flusso piuttosto piccola, che comporta il rischio di intasamento con impurità meccaniche. Esiste anche un’alta probabilità di congelamento del refrigerante durante la notte, mentre il limite superiore dell’intervallo di temperatura di funzionamento è di 200–300 ° С. I collettori sono progettati per una rapida circolazione continua del liquido di raffreddamento, che entra a bassa temperatura, viene rapidamente riscaldato dalla luce solare e altrettanto rapidamente emette calore alla batteria.

Tubi collettori solari a forma di U sotto vuoto

Per questi motivi, è consuetudine utilizzare glicole propilenico con una serie di additivi speciali per il riscaldamento diretto nei tubi di calore. Quindi, il terzo elemento obbligatorio del sistema solare di riscaldamento è un refrigerante speciale e un circuito di scambio, che è spesso strutturalmente incluso nell’accumulatore di calore o può far parte del collettore stesso.

Varietà e differenze dei collezionisti

Senza entrare nei dettagli tecnici del dispositivo, la principale differenza tra collettori piani e sotto vuoto sta nella convenienza del loro uso in diverse zone climatiche. I collettori piani sono meglio utilizzati alle latitudini meridionali con temperature prevalenti sopra lo zero, collettori sottovuoto – più vicini a quelli settentrionali.

Design piatto del collettore solare: 1 – uscita del vettore di calore; 2 – cornice del collettore; 3 – vetro strutturato resistente alla grandine; 4 – assorbitore; 5 – tubi di rame; 6 – isolamento termico; 7 – ingresso refrigerante

L’opportunità di utilizzare determinati tipi di collettori solari è dovuta a una serie di caratteristiche:

• l’incapacità dei collettori sottovuoto di pulire da soli la neve;
• elevate perdite di calore dei collettori solari piatti, crescendo con la differenza di temperatura;
• bassa resistenza dei collettori piani ai carichi del vento;
• alto costo del progetto sui collettori solari sotto vuoto;
• gamma bassa temperatura uso efficace di collettori piani.

Il design del collettore del vuoto con trasferimento di calore indiretto: 1 – ingresso del portatore di calore raffreddato; 2 – scambiatore di calore (collettore); 3 – tappo ermetico; 4 – tubo a vuoto; 5 – piastra in alluminio (assorbitore); 6 – tubo di calore; 7 – fluido di lavoro; 8 – uscita del refrigerante riscaldato; 9 – corpo dissipatore di calore; 10 – condensatore del tubo di calore; 11 – isolamento

Una delle differenze più importanti risiede nel processo di installazione. I collettori a piastra piana richiedono una consegna pre-assemblata sul tetto, mentre i collettori sottovuoto possono essere assemblati sul posto. Inoltre, i collettori piani di solito non dispongono di un proprio accumulatore di calore e di un circuito di scambio..

Problemi di energia solare

I sistemi di riscaldamento solare non sono privi di inconvenienti, il più importante dei quali è l’incostanza della fonte di energia. Di notte, il sistema non si riscalda e, in caso di tempo nuvoloso prolungato, aspettarsi un cielo limpido per riscaldare la casa è un piacere sotto la media. Se la batteria, con un volume sufficientemente grande, è in grado di trattenere la quantità richiesta di calore almeno fino al mattino, allora ci si può aspettare diversi giorni di lavoro autonomo in condizioni di illuminazione insufficiente solo con una significativa espansione della fattoria solare. Questo, a sua volta, causa il problema opposto: quando si raggiunge la modalità di massima potenza (ad esempio, in una limpida giornata di primavera), un tale sistema solare richiederà una rimozione del calore più intensiva o l’arresto temporaneo di diversi assorbitori con la loro ombreggiatura.

È importante capire che i sistemi solari nelle realtà del clima russo non possono essere utilizzati come unica o principale fonte di riscaldamento. Tuttavia, sono in grado di ridurre significativamente il consumo di energia durante la stagione di riscaldamento. I collettori ibridi funzionano in modo particolarmente efficace, in cui i riscaldatori sono combinati con fotocellule. Se la nuvolosità ritarda la maggior parte della radiazione IR, la perdita della parte fotoelettrica dello spettro non è così significativa.

Un altro svantaggio dei collettori solari è la necessità di una circolazione forzata del liquido di raffreddamento nel sistema collettore-accumulatore. Alcuni collettori sottovuoto sono dotati di un serbatoio per la circolazione naturale e situati sopra l’assorbitore. Tali installazioni sono generalmente utilizzate in sistemi di approvvigionamento di acqua calda con presa d’acqua sotto la pressione di una fornitura di acqua fredda. Ma ci sono ancora modi per stabilire il funzionamento congiunto di tali collettori solari con un sistema di riscaldamento..

Collettore solare sottovuoto con serbatoio

Integrazione nel sistema di riscaldamento

Esistono due modi per combinare i collettori solari con un sistema di riscaldamento a liquido arbitrariamente complesso. La principale fonte di energia può essere il gas o l’elettricità, senza differenze significative.

La prima opzione è quella di riscaldare la batteria giornaliera totale. L’accumulatore comunica con la caldaia in modo congiunto e sequenziale; a temperatura insufficientemente elevata, quest’ultimo viene messo in funzione e riscalda il liquido. Un sistema adeguatamente progettato di questo tipo può funzionare efficacemente anche senza circolazione forzata..

1 – circuito di riscaldamento; 2 – liquido riscaldante; 3 – sensore di temperatura; 4 – stazione di pompaggio; 5 – controller; 6 – pompa; 7 – vaso di espansione; 8 – acqua sanitaria; 9 – acqua fredda; 10 – fornitura di acqua calda; 11 – collettore solare; 12 – caldaia di riscaldamento

Il secondo tipo di combinazione prevede l’uso di un accumulatore di calore con due circuiti. Attraverso uno, il calore viene rimosso dal collettore, attraverso il secondo – riscaldamento del liquido di raffreddamento nel sistema, l’acqua dall’accumulatore funge da fonte di approvvigionamento di acqua calda. Poiché i circuiti sono isolati l’uno dall’altro, è possibile utilizzare più fluidi che assorbono il calore o antigelo nel sistema di riscaldamento e il ciclo di scambio termico dal collettore solare. Lo svantaggio principale è la volatilità del sistema, perché in entrambi i circuiti la circolazione è forzata.

1 – fornitura di acqua fredda; 2 – sensore di temperatura; 3 – scambiatore di calore a collettore solare; 4 – scambiatore di calore della caldaia; 5 – circuito di raffreddamento del collettore; 6 – stazione di pompaggio; 7 – controller; 8 – vaso di espansione; 9 – pompa di circolazione; 10 – uscita acqua calda; 11 – caldaia di riscaldamento; 12 – collettore solare

Calcolo della potenza e fasi di installazione

Il passaggio all’energia solare non accetta la fretta e un approccio superficiale. Spesso, le conclusioni sull’opportunità di installare un sistema solare possono essere tratte solo dopo diversi anni di osservazioni e calcoli..

Sfortunatamente, non ha molto senso fare affidamento sulle mappe del sole, poiché le condizioni meteorologiche locali possono distorcere notevolmente la media. Pertanto, la prima cosa da fare è compilare in modo indipendente un rapporto sull’intensità della radiazione solare nel luogo in cui sono installati i collettori. I piranometri vengono utilizzati per le misurazioni; entro 5 mila rubli, è possibile acquistare un dispositivo economico con un set sufficiente di funzioni.

piranometro

Le misurazioni devono essere eseguite in diversi momenti della giornata con una frequenza di circa una settimana durante l’anno. Nel processo di misurazione, è necessario tenere conto dell’angolo di inclinazione e dell’orientamento dei collettori. I dati risultanti vengono infine verificati con le statistiche del centro idrometeorologico sulla percentuale di giorni nuvolosi all’anno..

Per garantire un’alta efficienza dell’impianto solare, si dovrebbe considerare lo scenario più negativo, ovvero il periodo più lungo con l’illuminazione più bassa dovrebbe essere preso come punto di riferimento. Idealmente, è possibile tenere conto della probabilità di condizioni meteorologiche ancora peggiori utilizzando le statistiche meteorologiche degli ultimi 15-20 anni. I dati ottenuti sull’energia solare in entrata aiuteranno a stabilire l’area totale richiesta del campo di assorbimento e determinare il numero di collettori che devono essere acquistati.

Come accennato, i collettori sono usati molto raramente come fonte principale di riscaldamento, di solito svolgono un ruolo ausiliario. Ma la quota di partecipazione può essere calcolata, è indicata come percentuale della potenza totale del sistema di alimentazione della casa o della sua perdita di calore. Dopo aver ricevuto il numero richiesto di chilowatt, viene moltiplicato per l’efficienza ottica degli assorbitori, vengono aggiunti diversi coefficienti: correzioni per orientamento, pendenza, condizioni di temperatura e un margine di sicurezza.

In base al valore “netto” della potenza generata, viene selezionato quanto segue:

• il numero richiesto di collettori di un certo modello e, in media, un collettore solare di riserva ogni 10-15 in funzione;
• sistema di tubazioni con capacità produttiva e resistenza al calore consigliate dal produttore;
• gruppo di circolazione, valvole di intercettazione, altri dispositivi ausiliari;
• volume e posizione del serbatoio. In sistemi con una capacità di stoccaggio o estrazione termica giornaliera superiore a 20 kW, ha senso costruire serbatoi di calcestruzzo isolati con un volume di 15-20 m3³.

Per l’autoinstallazione e la manutenzione, è necessario elaborare una progettazione del sistema, assegnare un posto per il posizionamento dei dispositivi ausiliari e fissare il collettore solare sulla pendenza del tetto meridionale (per l’emisfero nord), tenendo conto delle raccomandazioni del fornitore dell’attrezzatura in merito ai carichi del vento. Non dimenticare che acquistando una gamma completa di apparecchiature da un distributore, hai l’opportunità di redigere gratuitamente, se non un progetto di un sistema di riscaldamento solare, almeno un elenco di apparecchiature e componenti ben compatibili.

Ho bisogno di una pompa di calore

Uno dei principali svantaggi dei sistemi di riscaldamento solare è l’elevato costo. Mentre la tecnologia per la produzione di collettori piani è ben sviluppata, gli assorbitori di vuoto rimangono costosi e in determinate condizioni meteorologiche sarà possibile farli funzionare con successo. Ma c’è un’altra alternativa: i collettori di tipo aereo.

Tipo di collettore solare ad aria

Grazie al dispositivo più semplice, il loro costo è inferiore, inoltre esiste la possibilità di un funzionamento autonomo. L’efficienza dei collettori d’aria è aumentata dall’installazione di un ventilatore soffiante alimentato da un pannello solare integrato. A causa dell’accelerazione, ma proporzionale al riscaldamento, al raffreddamento dei canali, le perdite di calore di ritorno attraverso il collettore sono ridotte al minimo. La limitazione della potenza può essere raggiunta controllando la velocità della ventola o semplicemente bloccando il flusso: i collettori d’aria non temono gli shock termici, inoltre, è facile impostare un ricircolo naturale.

Mancanza di sistemi di aria in un piccolo grado di riscaldamento del liquido di raffreddamento. La capacità termica dell’aria è inferiore, inoltre l’assorbitore viene quasi sempre riscaldato senza messa a fuoco. Per essere in grado di integrarsi nel sistema di riscaldamento (che è spesso necessario a causa dell’impossibilità di posare un condotto di ventilazione in una stanza riscaldata), è davvero necessaria una pompa di calore o un sistema split.

Ma le pompe di calore ad aria possono anche essere utilizzate per aumentare l’efficienza del condizionamento dell’aria. Con essi, la velocità di circolazione può essere aumentata a valori inaccettabili nei sistemi di ventilazione domestica, il che aumenta la produzione di 2-3 volte a causa dell’alta differenza di temperatura. Di notte, il collettore avrà anche un basso tasso di produzione nell’intervallo di temperature di esercizio.

L’aria utilizzata come vettore di calore può essere deumidificata o sostituita con anidride carbonica o un altro gas che trattiene il calore. Tuttavia, non ha senso utilizzare pompe di calore con un circuito primario dell’acqua: inizialmente sono progettate per funzionare con una differenza di temperatura elevata e quindi l’aumento di potenza non è sufficiente per giustificare il costo dell’installazione.

Costo del sistema di riscaldamento solare

Il piacere di usare energia pulita ha un prezzo elevato, almeno per oggi. Ad essere onesti, ci sono alcune notizie positive: negli ultimi cinque anni, il costo di produzione di collettori piani è diminuito di 2-2,5 volte, lo stesso è prevedibile presto dai dispositivi con assorbitori di vuoto.

Il costo dei collettori piani e sotto vuoto è determinato dal volume di produzione – il valore della radiazione solare in condizioni di illuminazione ideali, ovvero la potenza specifica. In media, per 1 kW di collettori solari di tipo piatto, dovrai pagare circa $ 350-500 e per un’installazione completa con una batteria esterna – circa $ 800-1000. Il costo dei collettori solari sottovuoto oscilla in un intervallo più elevato – da $ 600 a $ 1000-1200 per complesso, a seconda della qualità delle prestazioni, del materiale del tubo, dell’isolamento dello scambiatore di calore e di altre caratteristiche.

Per i collettori capacitivi, si applica lo standard di misurazione in litri di acqua riscaldata alla massima temperatura possibile. La quantità di elettricità generata può essere calcolata dall’area totale dell’assorbitore o esprimendola attraverso la capacità termica specifica dell’acqua. A seconda della complessità del sistema, il costo varia notevolmente, il prezzo di uno degli esempi del segmento di mercato medio raggiunge $ 1.500 per 300 litri (per 4-5 residenti) con una differenza di temperatura di circa 50 ° C, che equivale a 2,5 kW di potenza specifica.

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