É realista fornecer energia solar térmica para sua casa? Hoje vamos discutir a perspectiva do uso de sistemas solares como principal fonte de aquecimento, considerando a questão da justificativa econômica e da eficiência dos coletores solares.
Os principais componentes do sistema de aquecimento
Os coletores solares servem como fonte de aquecimento do sistema solar, cujo objetivo é a transferência mais eficiente da energia do espectro infravermelho da radiação solar para o refrigerante. A faixa térmica da luz solar é de 40-45% do fluxo total de radiação, em números específicos é de 200-500 W / m2 dependendo da latitude, época do ano e dia.
Em princípio, apenas os coletores são suficientes para construir o sistema solar mais simples. Por meio de seus canais, pode circular água comum, usada para as necessidades domésticas e para o aquecimento de habitações. No entanto, essa abordagem não é eficaz o suficiente por uma série de razões, a primeira delas é a falta de reposição das perdas de energia para um dia inteiro. Portanto, um dos elementos mais importantes de um sistema de aquecimento solar é um acumulador de calor – um recipiente com água.
Esquema de aquecimento da casa com colectores solares: 1 – abastecimento de água fria; 2 – trocador de calor; 3 – acumulador de calor; 4 – sensor de temperatura; 5 – circuito de refrigeração; 6 – estação de bombeamento; 7 – controlador; 8 – tanque de expansão; 9 – água quente; 10 – válvula de três vias; 11 – coletor solar
O dispositivo técnico do coletor solar também é uma espécie de limitação. Seus canais têm uma área de fluxo bastante pequena, o que acarreta risco de entupimento com impurezas mecânicas. Também existe uma grande probabilidade de congelamento do líquido de arrefecimento à noite, enquanto o limite superior da faixa de temperatura operacional é de 200–300 ° С. Os coletores são projetados para a rápida circulação contínua do refrigerante, que chega em uma temperatura baixa, é rapidamente aquecido pela luz solar e transfere calor para a bateria com a mesma rapidez.
Tubos coletores solares de vácuo em forma de U
Por estes motivos, costuma-se utilizar propilenoglicol com um conjunto de aditivos especiais para aquecimento direto em tubos de calor. Assim, o terceiro elemento obrigatório do sistema solar de aquecimento é um refrigerante especial e um circuito de troca, que muitas vezes está estruturalmente incluído no acumulador de calor, ou pode fazer parte do próprio coletor.
Variedades e diferenças de colecionadores
Sem entrar nos detalhes técnicos do dispositivo, a principal diferença entre os coletores planos e a vácuo está na conveniência de seu uso em diferentes zonas climáticas. Os coletores planos são mais usados em latitudes ao sul com temperaturas prevalecentes acima de zero, os de vácuo mais próximos aos do norte.
Projeto do coletor solar plano: 1 – saída do refrigerante; 2 – quadro coletor; 3 – vidro estruturado resistente a granizo; 4 – absorvedor; 5 – tubos de cobre; 6 – isolamento térmico; 7 – entrada de refrigerante
A viabilidade de usar certos tipos de coletores solares se deve a uma série de características:
- a incapacidade dos coletores de vácuo de se limparem da neve por conta própria;
- altas perdas de calor de coletores solares planos, que crescem com a diferença de temperatura;
- baixa resistência dos coletores planos às cargas de vento;
- alto custo do projeto em coletores solares a vácuo;
- uso eficaz de coletores planos de baixa temperatura.
O projeto do manifold a vácuo com transferência indireta de calor: 1 – entrada do portador de calor resfriado; 2 – trocador de calor (coletor); 3 – um plugue selado; 4 – tubo de vácuo; 5 – placa de alumínio (absorvedor); 6 – tubo de calor; 7 – fluido de trabalho; 8 – saída de refrigerante aquecida; 9 – corpo do dissipador de calor; 10 – condensador de tubo de calor; 11 – isolamento
Uma das diferenças mais importantes está no processo de instalação. Os coletores planos precisam ser entregues no telhado totalmente montados, enquanto os coletores a vácuo podem ser montados no local. Além disso, os coletores planos geralmente não têm seu próprio acumulador de calor e circuito de troca..
Problemas de energia solar
Os sistemas de aquecimento solar apresentam desvantagens, sendo a mais importante a inconstância da fonte de energia. À noite, o sistema não aquece, e em um tempo nublado prolongado, esperar um céu claro para aquecer a casa é um prazer abaixo da média. Se a bateria, com um volume suficientemente grande, é capaz de reter a quantidade necessária de calor pelo menos até a manhã, então vários dias de trabalho autônomo em condições de iluminação insuficiente só podem ser esperados com uma expansão significativa do parque solar. Isso, por sua vez, causa o problema oposto: ao atingir o modo de potência máxima (por exemplo, em um dia claro de primavera), tal sistema solar exigirá uma remoção de calor mais intensiva ou desligamento temporário de vários absorvedores com seu sombreamento.
É importante entender que os sistemas solares nas realidades do clima russo não podem ser usados como a única ou principal fonte de aquecimento. No entanto, eles podem reduzir significativamente o consumo de energia durante a estação de aquecimento. Os coletores híbridos funcionam de forma especialmente eficaz, nos quais os aquecedores são combinados com fotocélulas. Se a nebulosidade retarda a maior parte da radiação IR, a perda da parte fotoelétrica do espectro não é tão significativa.
Outra desvantagem dos coletores solares é a necessidade de circulação forçada do refrigerante no sistema coletor-acumulador. Alguns coletores de vácuo são equipados com tanque para circulação natural e localizado acima do absorvedor. Essas instalações são normalmente utilizadas em sistemas de abastecimento de água quente com entrada de água sob a pressão de um abastecimento de água fria. Mas ainda há maneiras de estabelecer a operação conjunta desses coletores solares com um sistema de aquecimento..
Coletor solar a vácuo com tanque
Integração no sistema de aquecimento
Existem duas maneiras de combinar coletores solares com um sistema de aquecimento líquido arbitrariamente complexo. A principal fonte de energia pode ser gás ou eletricidade – não há diferença significativa.
A primeira opção é aquecer a bateria diária total. O acumulador comunica-se com a caldeira de forma conjunta e sequencial: em temperatura insuficientemente alta, esta liga e aquece o líquido. Um sistema deste tipo adequadamente projetado pode funcionar com eficácia mesmo sem circulação forçada..
1 – circuito de aquecimento; 2 – líquido de aquecimento; 3 – sensor de temperatura; 4 – estação de bombeamento; 5 – controlador; 6 – bomba; 7 – tanque de expansão; 8 – água sanitária; 9 – água fria; 10 – abastecimento de água quente; 11 – coletor solar; 12 – caldeira de aquecimento
O segundo tipo de combinação envolve o uso de um acumulador de calor com dois circuitos. Através de um, o calor é retirado do coletor, através do segundo – aquecimento do refrigerante no sistema, a água da bateria serve como fonte de abastecimento de água quente. Uma vez que os circuitos são isolados uns dos outros, mais fluidos absorventes de calor ou anticongelantes podem ser usados no sistema de aquecimento e no ciclo de troca de calor do coletor solar. A principal desvantagem é a volatilidade do sistema, pois em ambos os circuitos a circulação é forçada.
1 – abastecimento de água fria; 2 – sensor de temperatura; 3 – trocador de calor por coletor solar; 4 – trocador de calor da caldeira; 5 – circuito de refrigeração do coletor; 6 – estação de bombeamento; 7 – controlador; 8 – tanque de expansão; 9 – bomba de circulação; 10 – saída de água quente; 11 – caldeira de aquecimento; 12 – coletor solar
Etapas de cálculo e instalação de energia
A transição para a energia solar não aceita pressa e uma abordagem superficial. Freqüentemente, as conclusões sobre a conveniência de instalar um sistema solar só podem ser tiradas após vários anos de observações e cálculos..
Infelizmente, não faz muito sentido depender de mapas solares, já que as condições climáticas locais podem distorcer muito a média. Portanto, a primeira coisa a fazer é compilar de forma independente um relatório sobre a intensidade da radiação solar no local onde estão instalados os coletores. Piranômetros são usados para medições; dentro de 5 mil rublos, você pode comprar um dispositivo econômico com um conjunto suficiente de funções.
Piranômetro
As medições devem ser realizadas em horários diferentes do dia, com uma frequência de cerca de uma semana ao longo do ano. No processo de medição, o ângulo de inclinação e orientação dos coletores devem ser levados em consideração. Os dados resultantes são eventualmente verificados com as estatísticas do centro hidrometeorológico sobre a percentagem de dias nublados por ano..
Para garantir alta eficiência da planta solar, deve-se considerar o cenário mais negativo, ou seja, deve-se tomar como referência o período mais longo com a menor iluminação. Idealmente, você pode fazer concessões para a probabilidade de condições climáticas ainda piores usando estatísticas meteorológicas dos últimos 15-20 anos. Os dados obtidos sobre a entrada de energia solar ajudarão a estabelecer a área total necessária do campo de absorção e determinar o número de coletores que precisam ser adquiridos.
Como mencionado, os coletores são muito raramente usados como fonte principal de aquecimento, geralmente desempenham um papel auxiliar. Mas a parcela de participação pode ser calculada, é indicada como um percentual da potência total do sistema elétrico da casa ou sua perda de calor. Tendo recebido o número necessário de quilowatts, ele é multiplicado pela eficiência óptica dos absorvedores, vários coeficientes são adicionados – correções de orientação, inclinação, condições de temperatura, bem como uma margem de segurança.
De acordo com o valor “líquido” da energia gerada, o seguinte é selecionado:
- o número necessário de coletores de um determinado modelo e, em média, um coletor solar reserva para cada 10-15 em operação;
- sistema de tubulação com capacidade e resistência à temperatura recomendadas pelo fabricante;
- grupo de circulação, válvulas de corte e outros dispositivos auxiliares;
- volume e localização do tanque de armazenamento. Em sistemas com armazenamento diário ou capacidade de extração de calor de mais de 20 kW, faz sentido construir tanques de concreto isolados com um volume de 15–20 m3.
Para a auto-instalação e manutenção, é necessário traçar um sistema, alocar um local para colocação de dispositivos auxiliares e fixar o coletor solar na encosta sul (para o hemisfério norte) do telhado, levando em consideração as recomendações do fornecedor do equipamento quanto às cargas eólicas. Não se esqueça que ao adquirir uma gama completa de equipamentos de um distribuidor, você tem a oportunidade de elaborar gratuitamente, se não um projeto de um sistema solar de aquecimento, pelo menos uma lista de equipamentos e componentes bem compatíveis.
Eu preciso de uma bomba de calor
Uma das principais desvantagens dos sistemas de aquecimento solar é o alto custo. Embora a tecnologia para a produção de coletores planos seja bem dominada, os absorvedores de vácuo continuam caros e, em certas condições climáticas, será possível operar com sucesso apenas eles. Mas há outra alternativa – coletores de ar.
Coletor solar tipo ar
Devido ao dispositivo mais simples, seu custo é menor, além da possibilidade de operação autônoma. A eficiência dos coletores de ar é aumentada com a instalação de um ventilador acionado por um painel solar integrado. Devido ao aquecimento acelerado mas proporcional do resfriamento dos canais, as perdas de calor de retorno através do coletor são minimizadas. A limitação de potência pode ser alcançada controlando a velocidade do ventilador ou simplesmente bloqueando o fluxo – os coletores de ar não têm medo de choque térmico, além disso, é fácil configurar a recirculação natural.
Falta de sistemas de ar em um pequeno grau de aquecimento do refrigerante. A capacidade de calor do ar é menor, mais o absorvedor quase sempre é aquecido sem foco. Para ser capaz de se integrar no sistema de aquecimento (o que muitas vezes é necessário devido à impossibilidade de colocar um duto de ventilação em uma sala aquecida), uma bomba de calor ou um sistema de divisão é realmente necessário.
No entanto, as bombas de calor de fonte de ar também podem ser usadas para aumentar a eficiência do ar condicionado. Com eles, a taxa de circulação pode ser aumentada para valores que não são aceitáveis em sistemas de ventilação domésticos, o que dá um aumento de 2 a 3 vezes na produção devido à alta diferença de temperatura. À noite, o coletor também terá uma baixa taxa de produção na faixa de temperatura de operação.
O ar usado como transportador de calor pode ser desumidificado ou substituído por dióxido de carbono ou outro gás mais retentor de calor. No entanto, não faz sentido utilizar bombas de calor com circuito primário de água: inicialmente são concebidas para funcionar com elevada diferença de temperatura e por isso o aumento de potência não é suficiente para justificar o custo da instalação.
Custo do sistema de aquecimento solar
O prazer de usar energia limpa tem um custo alto, pelo menos por hoje. Para ser justo, há algumas notícias positivas: nos últimos cinco anos, o custo de produção de coletores planos caiu de 2 a 2,5 vezes, o mesmo pode ser esperado em breve de dispositivos com absorvedores de vácuo.
O custo dos coletores planos e a vácuo é determinado pelo volume de produção – o valor da radiação solar em condições ideais de iluminação, ou seja, a potência específica. Em média, por 1 kW de coletores solares planos, você terá que pagar cerca de US $ 350-500, e por uma instalação completa com bateria externa – cerca de US $ 800-1000. O custo dos coletores solares a vácuo varia em uma faixa mais alta – de $ 600 a $ 1000-1200 por complexo, dependendo da qualidade do desempenho, material do tubo, isolamento do trocador de calor e outros recursos.
Para coletores capacitivos, o padrão de medição é em litros de água aquecida à temperatura mais alta possível. Você pode calcular a quantidade de eletricidade gerada pela área total do absorvedor ou expressando-a através do calor específico da água. Dependendo da complexidade do sistema, o custo varia muito, o preço de um dos exemplos do segmento de middle market chega a US $ 1.500 por 300 litros (para 4-5 residentes) com uma diferença de temperatura de cerca de 50 ° C, o que equivale a 2,5 kW de potência específica.
Aquecimento solar em casa com coletores: princípio de funcionamento e preço
Aquecimento solar em casa é a solução para quem quer economizar energia. Com coletores de luz solar, utilizando a radiação solar, a água é aquecida e armazenada em reservatórios, tornando-a disponível para uso em casa. Os benefícios do sistema são muitos: economiza energia, reduz o custo de manutenção e ainda garante a segurança por meio de seu sistema de fechamento de válvulas. Com um investimento inicial baixo, você pode desfrutar das vantagens da energia solar em casa.
Sistemas de engenharia
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Gostaria de saber qual é o princípio de funcionamento do aquecimento solar em casa com coletores e qual é o preço médio desse sistema? Estou considerando instalá-lo na minha residência, mas gostaria de ter uma ideia dos custos envolvidos. Agradeço desde já pela ajuda!
Gostaria de saber qual é o princípio de funcionamento do aquecimento solar em casa com coletores e também, se possível, qual é o preço médio desse sistema. Estou interessado em investir nessa tecnologia, mas gostaria de entender melhor como funciona e se é viável financeiramente. Desde já, agradeço pela atenção!