Calefacción solar de una casa particular: opciones y diagramas de diseño.

El uso de energía "verde" suministrada por elementos naturales puede reducir significativamente los costos de servicios públicos.Por ejemplo, al instalar una calefacción solar en una casa privada, los radiadores de baja temperatura y los sistemas de calefacción por suelo radiante se abastecerán de refrigerante prácticamente gratis. De acuerdo, esto ya es un ahorro de dinero.

Aprenderá todo sobre las "tecnologías verdes" en nuestro artículo propuesto. Con nuestra ayuda, podrá comprender fácilmente los tipos de instalaciones solares, los métodos de construcción y las características específicas de su funcionamiento. Probablemente le interese una de las opciones populares que funcionan activamente en el mundo, pero que aún no tienen una gran demanda aquí.

En la revisión que se le presenta, se analizan las características de diseño de los sistemas y se describen en detalle los diagramas de conexión. Se da un ejemplo de cálculo de un circuito de calefacción solar para evaluar las realidades de su construcción. Para ayudar a los artesanos independientes, se incluyen colecciones de fotografías y vídeos.

Tecnologías de calor "verdes"

Promedio 1 metro² La superficie terrestre recibe 161 vatios de energía solar por hora. Por supuesto, en el ecuador esta cifra será muchas veces mayor que en el Ártico. Además, la densidad de la radiación solar depende de la época del año.

En la región de Moscú, la intensidad de la radiación solar en diciembre-enero difiere de mayo-julio en más de cinco veces. Sin embargo, los sistemas modernos son tan eficientes que pueden funcionar en casi cualquier lugar del mundo.

Los sistemas solares modernos pueden funcionar eficazmente en climas nublados y fríos de hasta -30°C

Tarea de uso energía de radiación solar con la máxima eficiencia se soluciona de dos formas: calentamiento directo en captadores térmicos y baterías solares fotovoltaicas. Los paneles solares primero convierten la energía de los rayos del sol en electricidad y luego la transmiten a través de un sistema especial a los consumidores, por ejemplo una caldera eléctrica.

Los colectores térmicos, cuando se calientan con los rayos del sol, calientan el refrigerante de los sistemas de calefacción y suministro de agua caliente.

Los colectores térmicos vienen en varios tipos, incluidos sistemas abiertos y cerrados, diseños planos y esféricos, colectores concentradores hemisféricos y muchas otras opciones. La energía térmica obtenida de los colectores solares se utiliza para calentar agua caliente o fluido calefactor.

La industria produce una amplia gama de sistemas colectores para su inclusión en una red de calefacción independiente. Sin embargo, la opción más sencilla para una residencia de verano es fácil de hacer con tus propias manos:

Aunque ha habido un claro progreso en el desarrollo de soluciones para recolectar, almacenar y utilizar energía solar, existen ventajas y desventajas.

Uso eficiente de la energía solar.

La ventaja más obvia del uso de la energía solar es su disponibilidad universal. De hecho, incluso en el clima más sombrío y nublado, se puede recolectar y utilizar la energía solar.

La segunda ventaja son las cero emisiones. De hecho, es la forma de energía más natural y respetuosa con el medio ambiente. Paneles solares y los colectores no producen ruido. En la mayoría de los casos, se instalan en los tejados de los edificios sin ocupar la superficie útil de una zona suburbana.

La eficiencia de la calefacción solar en nuestras latitudes es bastante baja, lo que se explica por el número insuficiente de días soleados para el funcionamiento regular del sistema (+)

Las desventajas asociadas al uso de energía solar son la variabilidad de la iluminación. Por la noche no hay nada que recolectar, la situación se ve agravada por el hecho de que el pico de la temporada de calefacción ocurre durante las horas de luz más cortas del año. Es necesario controlar la limpieza óptica de los paneles; una ligera contaminación reduce drásticamente la eficiencia.

Además, no se puede decir que el funcionamiento de un sistema de energía solar sea completamente gratuito, existen costes constantes por la depreciación del equipo, el funcionamiento de la bomba de circulación y la electrónica de control.

Una desventaja importante de la calefacción basada en el uso de colectores solares es la incapacidad de acumular energía térmica. Sólo el depósito de expansión (+) está incluido en el circuito.

Colectores solares abiertos

Un colector solar abierto es un sistema de tubos, desprotegidos de las influencias externas, por los que circula refrigerante calentado directamente por el sol.

Como refrigerantes se utilizan agua, gas, aire y anticongelante. Los tubos se fijan al panel de soporte en forma de espiral o se conectan en filas paralelas al tubo de salida.

Los colectores solares abiertos no son capaces de hacer frente a la calefacción de una casa privada. Debido a la falta de aislamiento, el refrigerante se enfría rápidamente. Se utilizan en verano principalmente para calentar el agua de duchas o piscinas.

Los colectores abiertos normalmente no tienen aislamiento. El diseño es muy simple, por lo que tiene un bajo costo y, a menudo, se fabrica usted mismo.

Debido a la falta de aislamiento, prácticamente no almacenan la energía recibida del sol y se caracterizan por una baja eficiencia. Se utilizan principalmente en verano para calentar el agua de piscinas o duchas de verano.

Instalado en regiones soleadas y cálidas, con pequeñas diferencias de temperatura del aire ambiente y del agua calentada. Funcionan bien sólo en un clima soleado y sin viento.

El colector solar más simple con disipador de calor hecho de una bobina de tubos de polímero proporcionará agua caliente a la casa de campo para el riego y las necesidades domésticas.

Variedades de colectores tubulares.

Los colectores solares tubulares se ensamblan a partir de tubos individuales por los que fluye agua, gas o vapor. Este es uno de los tipos de sistemas solares abiertos. Sin embargo, el refrigerante ya está mucho mejor protegido de la negatividad externa. Especialmente en instalaciones de vacío, diseñadas según el principio de los termos.

Cada tubo está conectado al sistema por separado, en paralelo entre sí. Si un tubo falla, es fácil reemplazarlo por uno nuevo. Toda la estructura se puede montar directamente sobre el tejado del edificio, lo que simplifica enormemente la instalación.

El colector tubular tiene una estructura modular. El elemento principal es un tubo de vacío; el número de tubos varía de 18 a 30, lo que permite seleccionar con precisión la potencia del sistema.

Una ventaja importante de los colectores solares tubulares es la forma cilíndrica de los elementos principales, gracias a la cual se capta la radiación solar durante todo el día sin necesidad de utilizar costosos sistemas de seguimiento del movimiento de la luminaria.

Un revestimiento multicapa especial crea una especie de trampa óptica para la luz solar. El diagrama muestra parcialmente la pared exterior del matraz de vacío reflejando los rayos en las paredes del matraz interior (+)

Según el diseño de los tubos, se distinguen los colectores solares de pluma y coaxiales.

El tubo coaxial es un recipiente Diaur o un termo familiar. Formado por dos matraces entre los cuales se evacúa el aire. Se aplica un recubrimiento altamente selectivo a la superficie interior de la bombilla interior, absorbiendo eficazmente la energía solar.

Con un tubo cilíndrico, los rayos del sol siempre caen perpendiculares a la superficie.

La energía térmica de la capa selectiva interna se transfiere a un tubo de calor o intercambiador de calor interno hecho de placas de aluminio. En esta etapa se produce una pérdida de calor no deseada.

El tubo de plumas es un cilindro de vidrio con un absorbente de plumas insertado en su interior.

El sistema debe su nombre al absorbente de plumas, que se enrolla firmemente alrededor de un canal térmico de metal conductor de calor.

Para un buen aislamiento térmico se ha evacuado el aire del tubo. La transferencia de calor desde el absorbente se produce sin pérdidas, por lo que la eficiencia de los tubos de plumas es mayor.

Según el método de transferencia de calor, existen dos sistemas: de flujo directo y con tubo de calor. El tubo térmico es un recipiente sellado con un líquido que se evapora fácilmente.

Dado que el líquido que se evapora fácilmente fluye naturalmente hacia el fondo del tubo calefactor, el ángulo de inclinación mínimo es de 20° C.

Dentro del tubo calefactor hay un líquido que se evapora fácilmente y que recibe calor de la pared interior del matraz o del absorbente de plumas. Bajo la influencia de la temperatura, el líquido hierve y se eleva en forma de vapor. Después de que el calor se transfiere al refrigerante de calefacción o suministro de agua caliente, el vapor se condensa en líquido y fluye hacia abajo.

El agua se utiliza a menudo como un líquido que se evapora fácilmente a baja presión. Un sistema de paso único utiliza un tubo en forma de U a través del cual circula agua o fluido calefactor.

La mitad del tubo en forma de U está destinada al refrigerante frío, la segunda retira el calentado. Cuando se calienta, el refrigerante se expande y entra al tanque de almacenamiento, proporcionando una circulación natural. Al igual que con los sistemas de tubos térmicos, el ángulo mínimo de inclinación debe ser de al menos 20⁰.

Con una conexión de flujo directo, la presión en el sistema no puede ser alta, ya que hay un vacío técnico dentro del matraz.

Los sistemas de flujo directo son más eficientes porque calientan inmediatamente el refrigerante. Si se planea utilizar los sistemas de colectores solares durante todo el año, se les bombea anticongelante especial.

El uso de colectores solares tubulares tiene una serie de ventajas y desventajas. El diseño de un colector solar tubular consta de elementos idénticos que son relativamente fáciles de reemplazar.

Ventajas:

• baja pérdida de calor;
• capacidad para trabajar a temperaturas de hasta -30⁰С;
• rendimiento eficiente durante las horas del día;
• buen desempeño en zonas con climas templados y fríos;
• baja resistencia al viento, justificada por la capacidad de los sistemas tubulares para hacer pasar masas de aire a través de sí mismos;
• Posibilidad de producir refrigerante a alta temperatura.

Estructuralmente, la estructura tubular tiene una superficie de apertura limitada.

Tiene las siguientes desventajas:

• no capaz de autolimpiarse de la nieve, el hielo o las heladas;
• precio alto.

A pesar del elevado coste inicial, los colectores tubulares se amortizan más rápidamente. Tienen una larga vida útil.

Los colectores tubulares son sistemas solares de tipo abierto y, por tanto, no son adecuados para su uso durante todo el año en sistemas de calefacción (+)

Sistemas cerrados planos

Un colector de placa plana consta de un marco de aluminio, una capa absorbente especial: un absorbente, un revestimiento transparente, una tubería y un aislamiento.

Como absorbente se utiliza láminas de cobre ennegrecido, que tiene una conductividad térmica ideal para la creación de sistemas solares.Cuando un absorbente absorbe la energía solar, la energía solar que recibe se transfiere a un refrigerante que circula a través de un sistema de tubos adyacente al absorbente.

En el exterior, el panel cerrado está protegido por un revestimiento transparente. Está fabricado en vidrio templado a prueba de golpes con una banda de transmisión de 0,4-1,8 micras. Este rango representa la radiación solar máxima. El vidrio a prueba de golpes proporciona una buena protección contra el granizo. En la parte trasera, todo el panel está aislado de forma fiable.

Los colectores solares de placa plana se caracterizan por su máximo rendimiento y su diseño sencillo. Su eficiencia aumenta mediante el uso de un absorbente. Son capaces de captar la radiación solar difusa y directa.

La lista de ventajas de los paneles planos cerrados incluye:

• simplicidad de diseño;
• buen desempeño en regiones con climas cálidos;
• la capacidad de instalar dispositivos para cambiar el ángulo de inclinación en cualquier ángulo;
• la capacidad de autolimpiarse de la nieve y las heladas;
• precio bajo.

Los colectores solares de placa plana son especialmente ventajosos si su uso se planifica en la fase de diseño. La vida útil de los productos de calidad es de 50 años.

Las desventajas incluyen:

• alta pérdida de calor;
• peso pesado;
• alta resistencia al viento cuando los paneles se colocan en ángulo con la horizontal;
• limitaciones de rendimiento cuando los cambios de temperatura superan los 40°C.

El ámbito de aplicación de los colectores cerrados es mucho más amplio que el de los sistemas solares de tipo abierto. En verano son capaces de satisfacer plenamente la necesidad de agua caliente. En los días fríos, cuando los servicios públicos no los incluyen en el período de calefacción, pueden funcionar en lugar de calentadores de gas y eléctricos.

Para aquellos que deseen hacer un colector solar Para construir un sistema de calefacción en su casa de campo con sus propias manos, le sugerimos que se familiarice con los diagramas probados en la práctica y las instrucciones de montaje paso a paso.

Comparación de las características del colector solar.

El indicador más importante de un colector solar es la eficiencia. El rendimiento útil de los colectores solares de diferentes diseños depende de la diferencia de temperatura. Al mismo tiempo, los colectores planos son mucho más económicos que los tubulares.

Los valores de eficiencia dependen de la calidad de fabricación del colector solar. El objetivo del gráfico es mostrar la eficacia de utilizar diferentes sistemas en función de la diferencia de temperatura.

Al elegir un colector solar, se debe prestar atención a una serie de parámetros que muestran la eficiencia y potencia del dispositivo.

Hay varias características importantes para los colectores solares:

• coeficiente de adsorción: muestra la relación entre la energía absorbida y la total;
• coeficiente de emisión: muestra la relación entre la energía transmitida y la energía absorbida;
• área total y de apertura;
• Eficiencia

El área de apertura es el área de trabajo del colector solar. Un colector de placa plana tiene un área de apertura máxima. El área de apertura es igual al área del absorbente.

Métodos para conectarse al sistema de calefacción.

Dado que los dispositivos que funcionan con energía solar no pueden proporcionar un suministro de energía estable las 24 horas del día, se necesita un sistema que sea resistente a estas deficiencias.

Para Rusia central, los dispositivos solares no pueden garantizar un flujo estable de energía, por lo que se utilizan como un sistema adicional. La integración en un sistema de calefacción y agua caliente existente es diferente para un colector solar y una batería solar.

Esquema con colector de agua.

Dependiendo del propósito de uso del colector de calor, se utilizan diferentes sistemas de conexión. Puede haber varias opciones:

1. Opción de verano para suministro de agua caliente.
2. Opción de invierno para calefacción y suministro de agua caliente.

La opción de verano es la más sencilla y se puede realizar incluso sin bomba de circulaciónutilizando la circulación natural del agua.

El agua se calienta en el colector solar y, debido a la expansión térmica, ingresa al tanque de almacenamiento o caldera. En este caso, se produce una circulación natural: se aspira agua fría del tanque en lugar de agua caliente.

En invierno, a temperaturas bajo cero, no es posible calentar el agua directamente. Un anticongelante especial circula a través de un circuito cerrado, asegurando la transferencia de calor desde el colector al intercambiador de calor en el tanque.

Como todo sistema basado en la circulación natural, su funcionamiento no es muy eficiente, exigiendo el cumplimiento de las pendientes necesarias. Además, el depósito de almacenamiento debe estar más alto que el colector solar. Para que el agua permanezca caliente el mayor tiempo posible, el depósito debe estar bien aislado.

Si realmente desea lograr el funcionamiento más eficiente del colector solar, el diagrama de conexión será más complicado.

Para evitar que el colector se convierta por la noche en un radiador de refrigeración, es necesario detener a la fuerza la circulación del agua.

El refrigerante no congelante circula a través del sistema colector solar. La circulación forzada es proporcionada por una bomba controlada por un controlador.

El controlador controla el funcionamiento de la bomba de circulación basándose en las lecturas de al menos dos sensores de temperatura. El primer sensor mide la temperatura en el tanque de almacenamiento, el segundo, en la tubería de suministro de refrigerante caliente al colector solar.

Tan pronto como la temperatura en el tanque excede la temperatura del refrigerante, el controlador en el colector apaga la bomba de circulación, deteniendo la circulación del refrigerante a través del sistema. A su vez, cuando la temperatura en el tanque de almacenamiento desciende por debajo del valor establecido, se enciende la caldera de calefacción.

Una palabra nueva y una alternativa eficaz a los colectores solares con refrigerante son los sistemas con tubos de vacio, cuyo principio de funcionamiento y diseño le sugerimos que se familiarice.

Esquema con batería solar.

Sería tentador aplicar un método similar. diagrama de conexión de la batería solar a la red eléctrica, como se implementa en el caso de un colector solar, acumulando la energía recibida durante el día. Desafortunadamente, para el sistema de suministro de energía de una casa privada, crear una batería con capacidad suficiente resulta muy costoso. Por tanto, el diagrama de conexión se ve así.

Cuando disminuye la potencia de la corriente eléctrica de la batería solar, la unidad ATS (encendido automático de una reserva) asegura la conexión de los consumidores a la red eléctrica general.

Desde los paneles solares, la carga se suministra al controlador de carga, que realiza varias funciones: asegura la recarga constante de las baterías y estabiliza el voltaje. A continuación, la corriente eléctrica se suministra al inversor, donde la corriente continua de 12 V o 24 V se convierte en corriente alterna monofásica de 220 V.

Lamentablemente, nuestras redes eléctricas no son aptas para recibir energía, solo pueden funcionar en una dirección desde la fuente hasta el consumidor. Por este motivo, no podrás vender la electricidad extraída o al menos hacer girar el contador en sentido contrario.

El uso de paneles solares tiene la ventaja de que proporcionan un tipo de energía más versátil, pero al mismo tiempo no pueden compararse en eficiencia con los colectores solares. Sin embargo, estas últimas no tienen la capacidad de almacenar energía, a diferencia de las baterías solares fotovoltaicas.

Encontrará todo sobre las opciones para organizar la calefacción de una casa privada mediante paneles solares. En este articulo.

Ejemplo de cálculo de la potencia requerida.

Al calcular la potencia necesaria de un colector solar, a menudo se hacen cálculos por error basándose en la energía solar entrante en los meses más fríos del año.

El caso es que en los meses restantes del año todo el sistema se sobrecalentará constantemente. En verano, la temperatura del refrigerante a la salida del colector solar puede alcanzar los 200°C cuando se calienta con vapor o gas, 120°C con anticongelante y 150°C con agua. Si el refrigerante hierve, se evaporará parcialmente. Como resultado, será necesario reemplazarlo.

Los fabricantes recomiendan partir de las siguientes cifras:

• provisión de suministro de agua caliente no más del 70%;
• provisión del sistema de calefacción no más del 30%.

El resto del calor necesario debe generarse mediante equipos de calefacción estándar. Sin embargo, con tales indicadores, se ahorra una media de alrededor del 40% al año en calefacción y suministro de agua caliente.

La energía generada por un solo tubo de un sistema de vacío depende de la ubicación geográfica. Indicador de caída de energía solar por 1 m por año.² de la tierra se llama insolación.

Conociendo la longitud y el diámetro del tubo, se puede calcular la apertura, el área de absorción efectiva. Queda por aplicar los coeficientes de absorción y emisión para calcular la potencia de un tubo por año.

Ejemplo de cálculo:

La longitud del tubo estándar es de 1800 mm, la longitud efectiva es de 1600 mm. Diámetro 58 mm. La apertura es el área sombreada creada por el tubo. Así, el área del rectángulo de sombra será:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928m²

La eficiencia del tubo intermedio es del 80%, la insolación solar en Moscú es de aproximadamente 1170 kWh/m² en el año. Así, un tubo producirá al año:

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

Cabe señalar que se trata de una estimación muy aproximada. La cantidad de energía generada depende de la orientación de la instalación, ángulo, temperatura media anual, etc.

con todo tipo fuentes de energía alternativas y las formas de utilizarlos se pueden encontrar en el artículo presentado.

Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.

Vídeo #1. Demostración del funcionamiento de un colector solar en invierno:

Vídeo #2. Comparación de diferentes modelos de colectores solares:

A lo largo de su existencia, la humanidad consume cada año más energía. Durante mucho tiempo se han realizado intentos de utilizar la radiación solar gratuita, pero sólo recientemente ha sido posible utilizar eficazmente el sol en nuestras latitudes. No hay duda de que los sistemas solares son el futuro.

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