Слънчево отопление на частна къща: опции и схеми за проектиране

Използването на „зелена“ енергия, доставяна от природни елементи, може значително да намали разходите за комунални услуги.Например, като организирате слънчево отопление за частен дом, вие ще доставяте нискотемпературни радиатори и системи за подово отопление с практически безплатна охлаждаща течност. Съгласете се, това вече спестява пари.

Ще научите всичко за „зелените технологии“ от нашата предложена статия. С наша помощ можете лесно да разберете видовете слънчеви инсталации, методите на тяхното изграждане и спецификата на експлоатация. Вероятно ще се интересувате от една от популярните опции, които активно работят в света, но все още не са много търсени тук.

В прегледа, представен на вашето внимание, са анализирани конструктивните характеристики на системите и са описани подробно схемите на свързване. Даден е пример за изчисляване на слънчева отоплителна верига, за да се оцени реалността на нейното изграждане. В помощ на независимите занаятчии са включени колекции от снимки и видеоклипове.

„Зелени“ топлинни технологии

Средно 1м² Земната повърхност получава 161 вата слънчева енергия на час. Разбира се, на екватора тази цифра ще бъде многократно по-висока, отколкото в Арктика. В допълнение, плътността на слънчевата радиация зависи от времето на годината.

В Московска област интензивността на слънчевата радиация през декември-януари се различава от май-юли повече от пет пъти. Съвременните системи обаче са толкова ефективни, че могат да работят почти навсякъде по земята.

Съвременните соларни системи могат да работят ефективно при облачно и студено време до -30°C

Задача за използване енергия на слънчевата радиация с максимална ефективност се решава по два начина: директно отопление в термоколектори и слънчеви фотоволтаични батерии. Слънчевите панели първо преобразуват енергията на слънчевите лъчи в електричество, след което я предават чрез специална система към потребителите, например електрически бойлер.

Термичните колектори, когато се нагряват от слънчевите лъчи, загряват охлаждащата течност на системите за отопление и топла вода.

Термичните колектори се предлагат в няколко типа, включително отворени и затворени системи, плоски и сферични конструкции, полусферични концентраторни колектори и много други опции. Топлинната енергия, получена от слънчеви колектори, се използва за загряване на топла вода или отоплителна течност.

Индустрията произвежда широка гама колекторни системи за включване в независима отоплителна мрежа. Въпреки това, най-простият вариант за лятна резиденция е лесен за правене със собствените си ръце:

Въпреки че има ясен напредък в разработването на решения за събиране, съхранение и използване на слънчева енергия, има предимства и недостатъци.

Ефективно използване на слънчевата енергия

Най-очевидното предимство на използването на слънчева енергия е нейната универсална достъпност. Всъщност и в най-мрачното и облачно време слънчевата енергия може да се събира и използва.

Второто предимство е нулевите емисии. Всъщност това е най-екологичната и естествена форма на енергия. Слънчеви панели и колекторите не произвеждат шум. В повечето случаи те се монтират на покривите на сгради, без да заемат полезната площ на крайградската зона.

Ефективността на слънчевото отопление в нашите географски ширини е доста ниска, което се обяснява с недостатъчния брой слънчеви дни за нормална работа на системата (+)

Недостатъците, свързани с използването на слънчева енергия, са променливостта на осветеността. През нощта няма какво да се събира, ситуацията се утежнява от факта, че пикът на отоплителния сезон настъпва през най-краткия светъл ден в годината. Необходимо е да се следи оптичната чистота на панелите, лекото замърсяване рязко намалява ефективността.

Освен това не може да се каже, че експлоатацията на соларна система е напълно безплатна, има постоянни разходи за амортизация на оборудването, работа на циркулационна помпа и управляваща електроника.

Съществен недостатък на отоплението, базирано на използването на слънчеви колектори, е липсата на възможност за акумулиране на топлинна енергия. Във веригата е включен само разширителният резервоар (+).

Отворени слънчеви колектори

Отвореният слънчев колектор е система от тръби, незащитени от външни въздействия, през които циркулира топлоносител, нагрят директно от слънцето.

Вода, газ, въздух и антифриз се използват като охладители. Тръбите са или фиксирани към носещия панел под формата на намотка, или свързани в паралелни редове към изходящата тръба.

Отворените слънчеви колектори не са в състояние да се справят с отоплението на частен дом. Поради липсата на изолация охлаждащата течност се охлажда бързо. Използват се през лятото предимно за загряване на вода в душове или басейни.

Отворените колектори обикновено нямат никаква изолация. Дизайнът е много прост, поради което има ниска цена и често се прави самостоятелно.

Поради липсата на изолация, те практически не съхраняват получената от слънцето енергия и се характеризират с ниска ефективност. Използват се предимно през лятото за загряване на вода в басейни или летни душове.

Монтира се в слънчеви и топли райони, с малки разлики в температурата на околния въздух и нагрятата вода. Те работят добре само при слънчево, безветрено време.

Най-простият слънчев колектор с радиатор, изработен от намотка от полимерни тръби, ще осигури доставката на топла вода до дачата за напояване и битови нужди

Тръбни колекторни разновидности

Тръбните слънчеви колектори се сглобяват от отделни тръби, през които тече вода, газ или пара. Това е един от видовете отворени слънчеви системи. Въпреки това охлаждащата течност вече е много по-добре защитена от външна негативност. Особено при вакуумни инсталации, проектирани на принципа на термосите.

Всяка тръба е свързана към системата отделно, успоредно една на друга. Ако една тръба се повреди, лесно е да я замените с нова. Цялата конструкция може да се монтира директно върху покрива на сградата, което значително улеснява монтажа.

Тръбният колектор е с модулна конструкция. Основният елемент е вакуумна тръба, броят на тръбите варира от 18 до 30, което ви позволява точно да изберете мощността на системата

Съществено предимство на тръбните слънчеви колектори е цилиндричната форма на основните елементи, благодарение на която слънчевата радиация се улавя през целия ден, без да се използват скъпи системи за проследяване на движението на осветителното тяло.

Специално многослойно покритие създава един вид оптичен капан за слънчевата светлина. Диаграмата показва частично външната стена на вакуумната колба, отразяваща лъчите върху стените на вътрешната колба (+)

Въз основа на дизайна на тръбите се различават перови и коаксиални слънчеви колектори.

Коаксиалната тръба е съд Diaur или познат термос. Изработен от две колби, между които се евакуира въздух. Високо селективно покритие е нанесено върху вътрешната повърхност на вътрешната крушка, което ефективно абсорбира слънчевата енергия.

При цилиндрична тръба слънчевите лъчи винаги падат перпендикулярно на повърхността

Топлинната енергия от вътрешния селективен слой се прехвърля към топлинна тръба или вътрешен топлообменник, изработен от алуминиеви плочи. На този етап възниква нежелана загуба на топлина.

Тръбата на перото е стъклен цилиндър с вмъкнат вътре абсорбатор на перо.

Системата получава името си от перовия абсорбер, който плътно се увива около термичен канал, изработен от топлопроводим метал.

За добра топлоизолация въздухът е отстранен от тръбата. Предаването на топлина от абсорбера става без загуба, така че ефективността на перовите тръби е по-висока.

Според метода на пренос на топлина има две системи: с директен поток и с топлинна тръба. Термотръбата е запечатан контейнер с лесно изпаряваща се течност.

Тъй като лесно изпаряващата се течност естествено тече към дъното на нагревателната тръба, минималният ъгъл на наклон е 20° C

Вътре в топлинната тръба има лесно изпаряваща се течност, която получава топлина от вътрешната стена на колбата или от перовия абсорбер. Под въздействието на температурата течността кипи и се издига под формата на пара. След като топлината се прехвърли към охлаждащата течност за отопление или гореща вода, парата кондензира в течност и тече надолу.

Водата често се използва като лесно изпаряваща се течност при ниско налягане. Еднопроходната система използва U-образна тръба, през която циркулира вода или нагревателна течност.

Едната половина на U-образната тръба е предназначена за студена охлаждаща течност, втората отстранява нагрятата. При нагряване охлаждащата течност се разширява и навлиза в резервоара за съхранение, осигурявайки естествена циркулация. Както при системите с топлинни тръби, минималният ъгъл на наклон трябва да бъде най-малко 20⁰.

При връзка с директен поток налягането в системата не може да бъде високо, тъй като вътре в колбата има технически вакуум

Системите с директен поток са по-ефективни, тъй като те незабавно загряват охлаждащата течност. Ако слънчевите колекторни системи се планират да се използват през цялата година, тогава в тях се изпомпва специален антифриз.

Използването на тръбни слънчеви колектори има редица предимства и недостатъци. Конструкцията на тръбен слънчев колектор се състои от идентични елементи, които са относително лесни за подмяна.

Предимства:

• ниска загуба на топлина;
• възможност за работа при температури до -30⁰С;
• ефективна работа през светлата част на деня;
• добро представяне в райони с умерен и студен климат;
• нисък вятър, оправдан от способността на тръбните системи да преминават въздушни маси през себе си;
• възможност за производство на охлаждаща течност с висока температура.

Структурно, тръбната структура има ограничена повърхност на отвора.

Той има следните недостатъци:

• не може да се самопочиства от сняг, лед, замръзване;
• висока цена.

Въпреки първоначалната висока цена, тръбните колектори се изплащат по-бързо. Имат дълъг експлоатационен живот.

Тръбните колектори са слънчеви системи от отворен тип и поради това не са подходящи за целогодишно използване в отоплителни системи (+)

Плоски затворени системи

Плоският колектор се състои от алуминиева рамка, специален абсорбиращ слой - абсорбер, прозрачно покритие, тръбопровод и изолация.

Като абсорбер се използва черна листова мед, която има идеална топлопроводимост за създаване на слънчеви системи.Когато слънчевата енергия се абсорбира от абсорбер, слънчевата енергия, която получава, се прехвърля към охлаждаща течност, циркулираща през тръбна система, съседна на абсорбера.

Отвън затвореният панел е защитен с прозрачно покритие. Изработен е от удароустойчиво закалено стъкло с пропускателна лента 0,4-1,8 микрона. Този диапазон отчита максималната слънчева радиация. Удароустойчивото стъкло осигурява добра защита срещу градушка. От задната страна целият панел е надеждно изолиран.

Плоските слънчеви колектори се характеризират с максимална производителност и прост дизайн. Тяхната ефективност се увеличава поради използването на абсорбатор. Те са в състояние да улавят дифузна и директна слънчева радиация

Списъкът с предимствата на затворените плоски панели включва:

• простота на дизайна;
• добро представяне в региони с топъл климат;
• възможност за инсталиране под всякакъв ъгъл с устройства за промяна на ъгъла на наклон;
• способността за самопочистване от сняг и замръзване;
• ниска цена.

Плоските слънчеви колектори са особено изгодни, ако използването им е планирано на етапа на проектиране. Срокът на експлоатация на качествените продукти е 50 години.

Недостатъците включват:

• висока загуба на топлина;
• голямо тегло;
• висок вятър, когато панелите са разположени под ъгъл спрямо хоризонталата;
• ограничения на производителността, когато температурните промени надхвърлят 40°C.

Обхватът на приложение на затворените колектори е много по-широк от този на слънчевите системи от отворен тип. През лятото те са в състояние напълно да задоволят нуждата от топла вода. В хладните дни, когато комуналните услуги не ги включват в отоплителния период, те могат да работят вместо газови и електрически нагреватели.

За желаещите направи слънчев колектор За да изградите отоплителна система във вашата дача със собствените си ръце, ви предлагаме да се запознаете с тествани от практиката диаграми и инструкции стъпка по стъпка за монтаж.

Сравнение на характеристиките на слънчевия колектор

Най-важният показател за слънчевия колектор е ефективността. Полезната производителност на слънчеви колектори с различни конструкции зависи от температурната разлика. В същото време плоските колектори са много по-евтини от тръбните.

Стойностите на ефективността зависят от качеството на производство на слънчевия колектор. Целта на графиката е да покаже ефективността от използването на различни системи в зависимост от температурната разлика

Когато избирате слънчев колектор, трябва да обърнете внимание на редица параметри, показващи ефективността и мощността на устройството.

Има няколко важни характеристики на слънчевите колектори:

• коефициент на адсорбция - показва съотношението на погълнатата енергия към общата;
• емисионен коефициент - показва съотношението на предадената енергия към погълнатата енергия;
• обща и апертурна площ;
• Ефективност

Зоната на отвора е работната зона на слънчевия колектор. Плоският колектор има максимална площ на отвора. Площта на блендата е равна на площта на абсорбера.

Методи за свързване към отоплителната система

Тъй като устройствата със слънчева енергия не могат да осигурят стабилно, денонощно захранване с енергия, необходима е система, която е устойчива на тези недостатъци.

За Централна Русия слънчевите устройства не могат да гарантират стабилен поток от енергия, така че те се използват като допълнителна система. Интегрирането в съществуваща система за отопление и топла вода е различно за слънчев колектор и слънчева батерия.

Схема с воден колектор

В зависимост от целта на използване на топлинния колектор се използват различни системи за свързване. Може да има няколко опции:

1. Летен вариант за топла вода
2. Зимен вариант за отопление и топла вода

Летният вариант е най-простият и може да се мине и без него циркулационна помпаизползване на естествена циркулация на водата.

Водата се нагрява в слънчевия колектор и поради термично разширение постъпва в резервоара или бойлера. В този случай се получава естествена циркулация: студена вода се изсмуква от резервоара вместо гореща вода.

През зимата при минусови температури директното нагряване на водата не е възможно. Специален антифриз циркулира през затворена верига, осигурявайки пренос на топлина от колектора към топлообменника в резервоара

Както всяка система, базирана на естествена циркулация, тя не работи много ефективно, изисквайки спазване на необходимите наклони. Освен това резервоарът за съхранение трябва да е по-висок от слънчевия колектор. За да може водата да остане гореща възможно най-дълго, резервоарът трябва да бъде добре изолиран.

Ако наистина искате да постигнете най-ефективната работа на слънчевия колектор, схемата на свързване ще стане по-сложна.

За да предотвратите превръщането на колектора в охлаждащ радиатор през нощта, е необходимо да спрете принудително циркулацията на водата

Незамръзващата охлаждаща течност циркулира през слънчевата колекторна система. Принудителната циркулация се осигурява от помпа, управлявана от контролер.

Контролерът контролира работата на циркулационната помпа въз основа на показанията на поне два температурни сензора. Първият сензор измерва температурата в резервоара за съхранение, вторият - на тръбата за подаване на гореща охлаждаща течност на слънчевия колектор.

Веднага щом температурата в резервоара надвиши температурата на охлаждащата течност, контролерът в колектора изключва циркулационната помпа, спирайки циркулацията на охлаждащата течност през системата. От своя страна, когато температурата в резервоара падне под зададената стойност, отоплителният котел се включва.

Нова дума и ефективна алтернатива на слънчевите колектори с охлаждаща течност се превърнаха в системи с вакуумни тръби, чийто принцип на работа и дизайн предлагаме да се запознаете.

Схема със слънчева батерия

Би било изкушаващо да се приложи подобно схема на свързване на слънчева батерия към електрическата мрежа, както е приложено в случая на слънчев колектор, акумулиращ получената през деня енергия. За съжаление, за захранващата система на частен дом е много скъпо да се създаде акумулаторна батерия с достатъчен капацитет. Следователно схемата на свързване изглежда така.

Когато мощността на електрическия ток от слънчевата батерия намалее, блокът ATS (автоматично включване на резерв) осигурява свързването на потребителите към общата електрическа мрежа

От слънчевите панели зарядът се подава към контролера за зареждане, който изпълнява няколко функции: осигурява постоянно презареждане на батериите и стабилизира напрежението. След това електрическият ток се подава към инвертора, където 12V или 24V постоянен ток се преобразува в еднофазен променлив ток 220V.

Уви, нашите електрически мрежи не са подходящи за получаване на енергия, те могат да работят само в една посока от източника до потребителя. Поради тази причина няма да можете да продадете добитата електроенергия или поне да накарате брояча да се върти в обратна посока.

Използването на слънчеви панели е предимство с това, че осигуряват по-универсален вид енергия, но в същото време не могат да се сравняват по ефективност със слънчевите колектори. Последните обаче нямат способността да съхраняват енергия, за разлика от слънчевите фотоволтаични батерии.

Ще намерите всичко за възможностите за организиране на отопление на частна къща със слънчеви панели. В тази статия.

Пример за изчисляване на необходимата мощност

При изчисляване на необходимата мощност на слънчевия колектор често погрешно се правят изчисления на базата на входящата слънчева енергия през най-студените месеци от годината.

Факт е, че през останалите месеци от годината цялата система постоянно ще прегрява. През лятото температурата на охлаждащата течност на изхода на слънчевия колектор може да достигне 200°C при нагряване на пара или газ, 120°C за антифриз, 150°C за вода. Ако охлаждащата течност кипи, тя частично ще се изпари. В резултат на това ще трябва да бъде заменен.

Производителите препоръчват да се изхожда от следните цифри:

• осигуряване на топла вода не повече от 70%;
• осигуряване на отоплителната система не повече от 30%.

Останалата част от необходимата топлина трябва да се генерира от стандартно отоплително оборудване. Въпреки това, с такива показатели, средно около 40% се спестяват годишно от отопление и топла вода.

Мощността, генерирана от една тръба на вакуумна система, зависи от географското местоположение. Показател за падане на слънчева енергия на 1 m годишно² на земята се нарича инсолация.

Познавайки дължината и диаметъра на тръбата, можете да изчислите апертурата - ефективната абсорбционна площ. Остава да се приложат коефициентите на абсорбция и емисия, за да се изчисли мощността на една тръба на година.

Пример за изчисление:

Стандартната дължина на тръбата е 1800 mm, ефективната дължина е 1600 mm. Диаметър 58 мм. Блендата е сенчестата област, създадена от тръбата. Така площта на правоъгълника на сянка ще бъде:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Ефективността на средната тръба е 80%, слънчевата изолация за Москва е около 1170 kWh/m² през годината. По този начин една тръба ще произвежда на година:

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

Трябва да се отбележи, че това е много груба оценка. Количеството генерирана енергия зависи от ориентацията на инсталацията, ъгъла, средната годишна температура и др.

С всякакви видове алтернативни източници на енергия и начини за тяхното използване можете да намерите в представената статия.

Изводи и полезно видео по темата

Видео #1. Демонстрация на работа на слънчев колектор през зимата:

Видео #2. Сравнение на различни модели слънчеви колектори:

През цялото си съществуване човечеството консумира все повече и повече енергия всяка година. Опитите за използване на безплатна слънчева радиация се правят отдавна, но едва наскоро стана възможно ефективното използване на слънцето в нашите географски ширини. Няма съмнение, че слънчевите системи са бъдещето.

Искате ли да съобщите за интересни функции при организирането на слънчево отопление за селска къща или вила? Моля, напишете коментари в блока по-долу. Тук можете да зададете въпрос, да оставите снимка, демонстрираща процеса на сглобяване на системата, и да споделите полезна информация.