Soluppvärmning av privatbostad: alternativ och konstruktionsscheman

Användning av “grön” energi från naturens krafter gör det möjligt att avsevärt minska kostnaderna för hushållsel. Genom att installera soluppvärmning i ditt enfamiljshus kan du till exempel förse lågtemperaturradiatorer och golvvärmesystem med i princip gratis värmebärare. Visst är det en besparing.

Allt om “grön teknik” får du veta i den här artikeln. Med vår hjälp kommer du enkelt att förstå olika typer av solvärmesystem, hur de installeras och hur de fungerar. Du kommer säkert att intressera dig för ett av de populära alternativ som används flitigt i världen men ännu inte är särskilt efterfrågade här.

I den här översikten analyserar vi systemens konstruktionsegenskaper och ger detaljerade anslutningsscheman. Ett exempel på beräkning av en solvärmekrets ges för att bedöma vad som krävs för att bygga den. För gör-det-själv-entusiaster finns fotogallerier och videor.

“Grön” teknik för värmeproduktion

I genomsnitt får 1 m² av jordens yta 161 W solenergi per timme. Naturligtvis är detta värde många gånger högre vid ekvatorn än i Arktis. Dessutom beror solinstrålningens intensitet på årstiden.

I Moskvaområdet är solinstrålningens intensitet i december–januari mer än fem gånger lägre än i maj–juli. Men moderna system är så effektiva att de kan fungera nästan överallt på jorden.

Moderna solsystem kan fungera effektivt i mulet och kallt väder ner till -30°C

Uppgiften att använda solstrålningsenergi med maximal verkningsgrad löses på två sätt: direkt uppvärmning i termiska solfångare och solceller (fotovoltaiska paneler). Solceller omvandlar först solstrålarnas energi till elektricitet och överför den sedan via ett särskilt system till förbrukarna, till exempel en elpanna.

Termiska solfångare värms upp av solstrålarna och värmer i sin tur värmebäraren i värme- och varmvattensystemen.

Värmekollektorer finns i flera varianter, bland annat öppna och slutna system, plana och sfäriska konstruktioner, halvsfäriska koncentratorer och många andra alternativ. Den termiska energin som erhålls från solfångare används för att värma varmvatten eller värmebäraren i värmesystemet.

Industrin tillverkar ett brett sortiment av kollektorsystem för att integreras i ett oberoende värmesystem. Men det enklaste alternativet för en sommarstuga är inte svårt att göra själv:

Trots tydliga framsteg i utvecklingen av lösningar för insamling, lagring och användning av solenergi finns det både fördelar och nackdelar.

Effektiv användning av solenergi

Den mest uppenbara fördelen med att använda solenergi är dess allmänna tillgänglighet. I själva verket kan solenergi samlas in och användas även i det mest molniga och gråa vädret.

Den andra fördelen är noll utsläpp. I grunden är det den mest miljövänliga och naturliga energiformen. Solpaneler och solfångare är tysta. I de flesta fall installeras de på byggnaders tak och tar inte upp användbar yta på tomten.

Effektiviteten av solvärme på våra breddgrader är ganska låg, vilket förklaras av ett otillräckligt antal soldagar för regelbunden drift av systemet.

Nackdelarna med att använda solenergi ligger i den oregelbundna belysningen. Under den mörka tiden på dygnet finns det inget att samla in, situationen förvärras av att värmesäsongens topp infaller under årets kortaste ljusa dagar. Man måste hålla koll på panelernas optiska renhet, en liten smutsmängd minskar kraftigt verkningsgraden.

Dessutom kan man inte säga att driften av ett solenergisystem är helt gratis, det finns löpande kostnader för avskrivning av utrustning, drift av cirkulationspump och styrelektronik.

En betydande nackdel med uppvärmning baserad på solfångare är avsaknaden av möjlighet att lagra termisk energi. Endast en expansionsbehållare ingår i systemet.

Öppna solfångare

En öppen solfångare är ett system av rör som inte är skyddat från yttre påverkan, genom vilka en värmebärare som värms direkt av solen cirkulerar.

Som värmebärare används vatten, gas, luft, frostskyddsmedel. Rör fästs antingen på en bärpanel som en slinga eller ansluts i parallella rader till utloppsstosen.

Öppna solfångare klarar inte av att värma ett privat hus. På grund av brist på isolering kyls värmebäraren snabbt ned. De används på sommaren främst för att värma vatten i duschar eller pooler.

Öppna solfångare har vanligtvis ingen isolering alls. Konstruktionen är mycket enkel, så den har låg kostnad och tillverkas ofta själv.

På grund av bristen på isolering bevarar de knappast den energi som erhålls från solen och har låg verkningsgrad. De används främst på sommaren för uppvärmning av vatten i pooler eller utomhusduschar.

De installeras i soliga och varma regioner, med små temperaturvariationer i omgivande luft och uppvärmt vatten. De fungerar bra endast i soligt, vindstilla väder.

Den enklaste solfångaren med en värmeabsorbator gjord av en rulle polymerrör kommer att leverera uppvärmt vatten på landet för bevattning och hushållsbehov.

Rörformade solfångarvarianter

Rörformade solfångare består av separata rör som cirkulerar vatten, gas eller ånga. Detta är en typ av öppna solsystem. Värmebäraren är dock mycket bättre skyddad från yttre påverkan, särskilt i vakuumanläggningar som fungerar enligt termospricipen.

Varje rör ansluts separat till systemet, parallellt med varandra. Om ett rör går sönder är det lätt att byta ut det mot ett nytt. Hela konstruktionen kan monteras direkt på byggnadens tak, vilket underlättar installationen.

En rörformad solfångare har en modulär struktur. Huvudelementet är ett vakuumrör, antalet rör varierar från 18 till 30, vilket gör att man kan anpassa systemets effekt exakt.

En stor fördel med rörformade solfångare är de cylindriska huvudelementen, som fångar upp solstrålning under hela ljusa dagen utan att dyra system för att följa solens rörelse behövs.

En speciell flerskiktsbeläggning skapar en optisk fälla för solstrålarna. Schemat visar delvis ytterväggen på vakuumkolven som reflekterar strålarna mot innerkolvens väggar (+).

Efter rörkonstruktion skiljer man på fjäder- och koaxiala solfångare.

Ett koaxialrör är en Dewarkärl eller en välkänd termos. Den är tillverkad av två kolvar mellan vilka luften har pumpats ut. Innerkolvens insida har en högselektiv beläggning som effektivt absorberar solenergi.

Med en cylindrisk rörform faller solstrålarna alltid vinkelrätt mot ytan

Värmeenergin från det inre selektiva skiktet överförs till ett värmeledningsrör eller en inre värmeväxlare av aluminiumplåtar. Oönskade värmeförluster uppstår i detta steg.

Fjäderröret är en glascylinder med en fjäderabsorber insatt inuti.

Systemet har fått sitt namn från fjäderabsorbern som omsluter värmekanalen av värmeledande metall

För bra värmeisolering har luften pumpats ut ur röret. Värmeöverföringen från absorbern sker utan förluster, så verkningsgraden hos fjäderrör är högre.

Efter värmeöverföringssätt finns det två system: direktgenomströmning och med värmeledningsrör (heat pipe). Ett värmeledningsrör är en försluten behållare med en lättavdunstande vätska.

Eftersom den flyktiga vätskan naturligt rinner till botten av värmepipen, är den minsta lutningsvinkeln 20° C.

Inuti värmepipen finns en flyktig vätska som tar emot värme från kolvens innervägg eller från fjäderabsorbern. Under temperaturpåverkan kokar vätskan och stiger upp som ånga. Efter att värmen har överförts till värme- eller varmvattenbäraren kondenserar ångan till vätska och rinner ner.

Som flyktig vätska används ofta vatten vid lågt tryck. I ett direktflödessystem används ett U-format rör där vatten eller värmevätska från värmesystemet cirkulerar.

Ena halvan av U-röret är avsedd för kall värmevätska, den andra leder bort den uppvärmda. Vid uppvärmning expanderar värmevätskan och går in i ackumulatortanken, vilket ger naturlig cirkulation. Precis som i system med värmepip måste den minsta lutningsvinkeln vara minst 20⁰.

Vid direktflödesanslutning kan trycket i systemet inte vara högt eftersom det är tekniskt vakuum inuti kolven.

Direktflödessystem är effektivare eftersom de värmer upp värmevätskan direkt. Om solfångarsystemen är planerade för året runt-användning fylls de med speciella frostskyddsmedel.

Användning av rörformiga solfångare har flera för- och nackdelar. Konstruktionen består av identiska element som är relativt lätta att byta ut.

Fördelar:

• låga värmeförluster;
• förmåga att arbeta vid temperaturer ner till -30°C;
• effektiv prestanda under hela dagen;
• god funktion i områden med tempererat och kallt klimat;
• låg vindpåverkan, på grund av att rörsystemen låter luftmassor passera genom sig;
• möjlighet att producera hög temperatur på värmevätskan.

Konstruktionsmässigt har rörkonstruktionen en begränsad aperturyta.

Har följande nackdelar:

• kan inte självrengöras från snö, is, frost;
• hög kostnad.

Trots den initialt höga kostnaden betalar rörformiga solfångare sig snabbare. De har lång livslängd.

Rörformiga solfångare tillhör solvärmeanläggningar av öppen typ, så de är inte lämpliga för året runt-användning i värmesystem (+)

Platta slutna system

En platt solfångare består av en aluminiumram, ett speciellt absorberande skikt – en absorbator, en genomskinlig täckning, rörledning och isolering.

Som absorbator används svärtad kopparplåt, som har en värmeledningsförmåga som är idealisk för solvärmesystem. När absorbatorn absorberar solenergi överförs den erhållna solenergin till värmebäraren som cirkulerar i rörsystemet som är anslutet till absorbatorn.

På utsidan är den slutna panelen skyddad av en transparent beläggning. Den är tillverkad av slagtåligt härdat glas med en transmissionsband på 0,4-1,8 µm. Detta intervall täcker maximal solstrålning. Det slagtåliga glaset ger bra skydd mot hagel. Baksidan av hela panelen är ordentligt isolerad.

Plana solfångare utmärker sig med maximal prestanda och enkel konstruktion. Deras verkningsgrad ökas genom användning av absorbator. De kan fånga upp både diffus och direkt solstrålning.

I listan över fördelar med slutna plana paneler finns:

• enkel konstruktion;
• bra prestanda i regioner med varmt klimat;
• möjlighet att installera i valfri vinkel med hjälp av anordningar för att ändra lutningsvinkel;
• förmåga att självrengöra sig från snö och frost;
• lågt pris.

Plana solfångare är särskilt fördelaktiga om deras användning planeras redan i projekteringsstadiet. Livslängden för kvalitetsprodukter är 50 år.

Till nackdelarna kan räknas:

• höga värmeförluster;
• hög vikt;
• hög vindbelastning vid placering av panelerna i vinkel mot horisonten;
• begränsningar i prestanda vid temperaturskillnader över 40°C.

Användningsområdet för slutna solfångare är betydligt bredare än för öppna solanläggningar. På sommaren kan de helt täcka behovet av varmvatten. På svala dagar, som inte ingår i uppvärmningsperioden enligt kommunala planer, kan de fungera istället för gas- och elvärmare.

Den som vill bygga en solfångare själv för uppvärmning av fritidshuset rekommenderar vi att bekanta sig med beprövade scheman och steg-för-steg-monteringsinstruktioner.

Jämförelse av solfångares egenskaper

Den viktigaste parametern för en solfångare är verkningsgraden. Nyttoprestandan för olika konstruktioner av solfångare beror på temperaturskillnaden. Samtidigt är plana solfångare betydligt billigare än rörformade.

Verkningsgradsvärdena beror på tillverkningskvaliteten hos solfångaren. Syftet med diagrammet är att visa effektiviteten hos olika system beroende på temperaturskillnad.

Vid val av solfångare bör man uppmärksamma ett antal parametrar som visar apparatens effektivitet och effekt.

För solfångare finns det flera viktiga egenskaper:

• absorptionskoefficient – visar förhållandet mellan absorberad energi och total energi;
• emissionskoefficient – visar förhållandet mellan överförd energi och absorberad energi;
• total och aperturyta;
• Verkningsgrad.

Aperturyta är solfångarens arbetsyta. För en plan solfångare är aperturytan maximal. Aperturytan är lika med absorbatorns yta.

Anslutningsmetoder till värmesystemet

Eftersom solenergianordningar inte kan garantera en stabil och kontinuerlig energitillförsel, behövs ett system som är motståndskraftigt mot dessa brister.

För Rysslands mellanbreddgrader kan solenergianordningar inte garantera ett stabilt energiflöde, så de används som ett tilläggssystem. Integreringen i befintliga värme- och varmvattensystem skiljer sig för solfångare och solpanel.

Schema med vattenburen solfångare

Beroende på användningsändamålet för värmekollektorn används olika anslutningssystem. Det kan finnas flera alternativ:

1. Sommaralternativ för varmvattenförsörjning
2. Vinteralternativ för uppvärmning och varmvattenförsörjning

Sommaralternativet är enklast och kan fungera även utan cirkulationspump, med hjälp av naturlig vattencirkulation.

Vattnet värms upp i solfångaren och stiger på grund av termisk expansion till en ackumulatortank eller varmvattenberedare. Samtidigt sker en naturlig cirkulation: kallt vatten sugs in från tanken i stället för det varma vattnet.

På vintern vid minusgrader är direkt uppvärmning av vatten inte möjlig. I en sluten krets cirkulerar en speciell frostskyddsvätska som överför värme från kollektorn till värmeväxlaren i tanken.

Som alla system baserade på naturlig cirkulation fungerar det inte särskilt effektivt och kräver korrekta lutningar. Dessutom måste ackumulatortanken vara högre än solfångaren. För att vattnet ska hålla sig varmt så länge som möjligt måste tanken isoleras noggrant.

Om du verkligen vill uppnå maximal effektivitet från solfångaren blir anslutningsschemat mer komplext.

För att solfångaren inte ska bli en kylradiator på natten måste vattencirkulationen stoppas tvångsmässigt.

I solfångarsystemet cirkulerar en frostskyddad värmevätska. Tvångscirkulationen säkerställs av en pump som styrs av en kontroller.

Kontrollern styr cirkulationspumpens drift baserat på avläsningar från minst två temperatursensorer. Den första sensorn mäter temperaturen i ackumulatortanken, den andra – på tillförselröret för solfångarens varma värmevätska.

Så snart temperaturen i tanken överstiger värmebärarens temperatur, stänger styrenheten av cirkulationspumpen i solfångaren och stoppar cirkulationen av värmebärare i systemet. När temperaturen i lagringstanken sjunker under den inställda temperaturen startar värmepannan.

Ett nytt och effektivt alternativ till solfångare med värmebärare är system med vakuumrör, vars funktionsprincip och konstruktion vi föreslår att du bekantar dig med.

Schema med solpanel

Det vore lockande att använda ett liknande kopplingschema för solpanel till elnätet, som det är implementerat för solfångare, genom att lagra den energi som kommit under dagen. Tyvärr är det mycket dyrt att skapa ett batteripaket med tillräcklig kapacitet för ett enfamiljshuss elsystem. Därför ser kopplingsschemat ut på följande sätt.

När den elektriska strömmen från solpanelen minskar, säkerställer ATS-enheten (automatisk reservomkopplare) att konsumenterna ansluts till det allmänna elnätet.

Från solpanelerna går laddningen till laddningsregulatorn, som utför flera funktioner: den säkerställer kontinuerlig laddning av batterierna och stabiliserar spänningen. Därefter går den elektriska strömmen till växelriktaren, där likström på 12V eller 24V omvandlas till växelström på 220V (enfas).

Tyvärr är våra elnät inte anpassade för att ta emot energi; de kan bara arbeta i en riktning från källa till konsument. Av den anledningen kan du inte sälja den producerade elektriciteten eller ens få mätaren att snurra åt andra hållet.

Användning av solpaneler är fördelaktig eftersom de ger en mer universell form av energi, men de kan inte jämföras i effektivitet med solfångare. De senare har dock inte möjlighet att lagra energi, till skillnad från solceller (fotovoltaiska paneler).

Exempel på beräkning av erforderlig effekt

Vid beräkning av erforderlig effekt för solfångare gör man ofta misstaget att utgå från den inkommande solenergin under årets kallaste månader.

Problemet är att under resten av året kommer hela systemet att ständigt överhettas. Temperaturen på värmebäraren på sommaren vid utloppet från solfångaren kan nå 200°C vid uppvärmning av ånga eller gas, 120°C för frostskyddsmedel, 150°C för vatten. Om värmebäraren kokar, kommer den delvis att avdunsta. Då måste den bytas ut.

Tillverkarna rekommenderar att utgå från följande siffror:

• täckning av varmvattenförsörjning högst 70%;
• täckning av värmesystem högst 30%.

Resterande nödvändig värme måste produceras av standardvärmeutrustning. Trots detta sparas i genomsnitt cirka 40% per år på uppvärmning och varmvattenförsörjning.

Effekten som genereras av ett rör i ett vakuumsystem beror på den geografiska platsen. Måttet på solenergi som infaller per år på 1 m² mark kallas insolation.

Genom att känna till rörets längd och diameter kan man beräkna aperturen – den effektiva absorptionsarean. Sedan återstår att tillämpa absorptions- och emissionskoefficienter för att beräkna effekten för ett rör per år.

Räkneexempel:

Standardlängden på röret är 1800 mm, den effektiva – 1600 mm. Diameter 58 mm. Apertur – det skuggade område som skapas av röret. Således blir rektangelns skuggyta:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928m²

Verkningsgraden för ett genomsnittligt rör är 80%, solinsolationen för Moskva är cirka 1170 kWh/m² per år. Således kommer ett rör att producera per år:

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

Det bör noteras att detta är en mycket ungefärlig beräkning. Mängden producerad energi beror på installationens orientering, vinkel, genomsnittlig årstemperatur osv.

Med alla typer av alternativa energikällor och sätt att använda dem kan du bekanta dig i den presenterade artikeln.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Video #1. Demonstration av solfångarens funktion på vintern:

Video #2. Jämförelse av olika modeller av solfångare:

Under hela sin existens förbrukar mänskligheten varje år allt mer energi. Försök att använda gratis solstrålning har gjorts länge, men först på senare tid har det blivit möjligt att effektivt använda solen på våra breddgrader. Utan tvekan tillhör framtiden solenergisystemen.

Vill du berätta om intressanta detaljer vid organisering av soluppvärmning av ett hus eller sommarstuga? Skriv gärna kommentarer i blocket nedan. Här kan du även ställa en fråga, lämna ett foto som visar monteringsprocessen, dela användbar information.