Слънчево отопление у дома с колектори: принцип на работа и цена

Съдържанието на статията

• Основните компоненти на отоплителната система
• Разновидности и разлики на колекционерите
• Проблеми със слънчевата енергия
• Интеграция в отоплителната система
• Етапи на изчисление и инсталация
• Имам ли нужда от термопомпа
• Цената на слънчевата отоплителна система

Реалистично ли е да осигурите на дома си слънчева топлинна енергия? Днес ще обсъдим перспективата за използване на слънчевите системи като основен източник на отопление, ще разгледаме въпроса за икономическата обосновка и ефективността на слънчевите колектори.

Основните компоненти на отоплителната система

Слънчевите колектори служат като източник на отопление на слънчевата система, чиято цел е най-ефективното прехвърляне на енергията от инфрачервения спектър на слънчевата радиация към охлаждащата течност. Термичният обхват на слънчевата светлина е 40–45% от общия излъчващ поток, в конкретни цифри е 200–500 W / m² в зависимост от географската ширина, времето на годината и деня.

По принцип само колекторите са достатъчни за изграждането на най-простата слънчева система. По техните канали може да се циркулира обикновена вода, използвана за битови нужди и отопление на дома. Този подход обаче не е достатъчно ефективен по редица причини, първата от които е липсата на попълване на загубите на енергия за цял ден. Следователно един от най-важните елементи на слънчевата отоплителна система е топлинен акумулатор – контейнер с вода.

Схема за отопление на къщата със слънчеви колектори: 1 – захранване със студена вода; 2 – топлообменник; 3 – акумулатор на топлина; 4 – сензор за температура; 5 – верига на охлаждащата течност; 6 – помпена станция; 7 – контролер; 8 – разширителен резервоар; 9 – топла вода; 10 – трипътен клапан; 11 – слънчев колектор

Техническото устройство на слънчевия колектор също е вид ограничение. Нейните канали имат доста малка площ на потока, което води до риск от запушване с механични примеси. Също така съществува голяма вероятност охлаждащата течност да замръзне през нощта, докато горната граница на диапазона на работната температура е 200–300 ° С. Колекторите са проектирани за бърза непрекъсната циркулация на охлаждащата течност, която влиза при ниска температура, бързо се нагрява от слънчева светлина и също толкова бързо отделя топлина на батерията.

Вакуумни U-образни слънчеви колекторни тръби

Поради тези причини е обичайно да се използва пропилен гликол с набор от специални добавки за директно нагряване в топлинните тръби. И така, третият задължителен елемент от слънчевата система за отопление е специална охлаждаща течност и обменна верига, която често е структурно включена в акумулатора на топлина или може да бъде част от самия колектор.

Разновидности и разлики на колекционерите

Без да навлизате в техническите детайли на устройството, основната разлика между плоските и вакуумните колектори се състои в целесъобразността на използването им в различни климатични зони. Плоските колектори се използват най-добре в южните ширини с преобладаващи температури над нулата, вакуумните колектори по-близо до северните.

Дизайнът на плосък слънчев колектор: 1 – изход за охлаждаща течност; 2 – колекторна рамка; 3 – структурирано стъкло, устойчиво на градушка; 4 – абсорбатор; 5 – медни тръби; 6 – топлоизолация; 7 – вход на охлаждащата течност

Възможността за използване на някои видове слънчеви колектори се дължи на редица характеристики:

• невъзможността на вакуумните колектори да изчистват независимо снега;
• големи топлинни загуби на плоски слънчеви колектори, нарастващи с разликата в температурата;
• ниско съпротивление на плоските колектори срещу натоварвания от вятъра;
• висока цена на проекта за вакуумни слънчеви колектори;
• нискотемпературен диапазон ефективно използване на плоски колектори.

Конструкцията на вакуумния колектор с непряк топлопредаване: 1 – вход на охладения топлоносител; 2 – топлообменник (колектор); 3 – херметична тапа; 4 – вакуумна тръба; 5 – алуминиева плоча (абсорбатор); 6 – топлинна тръба; 7 – работна течност; 8 – изход за отопление на охлаждащата течност; 9 – тяло на радиатора; 10 – кондензатор за топлинна тръба; 11 – изолация

Една от най-важните разлики се крие в процеса на инсталиране. Колекторите с плоски плочи изискват предварително монтирана доставка до покрива, докато вакуумните колектори могат да се сглобяват на място. Също така, плоските колектори обикновено нямат собствен акумулатор и обменна верига..

Проблеми със слънчевата енергия

Слънчевите отоплителни системи не са без недостатъци, най-важният от които е несъстоятелността на енергийния източник. През нощта системата не се загрява и при продължително облачно време очакването на ясно небе да загрее къщата е под средното удоволствие. Ако батерията с достатъчно голям обем е в състояние да задържи необходимото количество топлина поне до сутринта, тогава няколко дни автономна работа в условия на недостатъчно осветяване може да се очаква само със значително разширяване на слънчевата ферма. Това от своя страна причинява обратния проблем: когато достигне режим на максимална мощност (например в ясен пролетен ден), такава слънчева система ще изисква по-интензивно отстраняване на топлина или временно изключване на няколко абсорбатора с тяхното засенчване.

Важно е да се разбере, че слънчевите системи в реалността на руския климат не могат да се използват като единствен или основен източник на отопление. Те обаче са в състояние значително да намалят консумацията на енергия през отоплителния сезон. Особено ефективно работят хибридните колектори, при които нагревателите се комбинират с фотоклетки. Ако облачността забави по-голямата част от ИЧ лъчението, тогава загубата на фотоелектричната част от спектъра не е толкова значителна.

Друг недостатък на слънчевите колектори е необходимостта от принудителна циркулация на охлаждащата течност в системата колектор-акумулатор. Някои вакуум колектори са оборудвани с резервоар за естествена циркулация и разположени над абсорбера. Такива инсталации обикновено се използват в системи за водоснабдяване с водоснабдяване под налягане на студена вода. Но все още има начини да се установи съвместната работа на такива слънчеви колектори с отоплителна система..

Вакуум слънчев колектор с резервоар

Интеграция в отоплителната система

Има два начина за комбиниране на слънчеви колектори с произволно сложна течна отоплителна система. Основният източник на енергия може да бъде или газ, или електричество – няма съществена разлика.

Първият вариант е да загреете общата дневна батерия. Акумулаторът комуникира съвместно и последователно с котела; ако температурата не е достатъчно висока, последният се пуска в действие и загрява течността. Правилно проектирана система от този вид може да работи ефективно дори без принудителна циркулация..

1 – отоплителна верига; 2 – загряваща течност; 3 – сензор за температура; 4 – помпена станция; 5 – контролер; 6 – помпа; 7 – разширителен резервоар; 8 – санитарна вода; 9 – студена вода; 10 – захранване с гореща вода; 11 – слънчев колектор; 12 – котел за отопление

Вторият тип комбинация включва използването на топлинен акумулатор с две вериги. Чрез едното се отделя топлина от колектора, през втората – загряване на охлаждащата течност в системата, водата от акумулатора служи като източник на захранване с гореща вода. Тъй като веригите са изолирани една от друга, в отоплителната система и цикъла на топлообмен от слънчевия колектор могат да се използват повече течности, поглъщащи топлина или антифриз. Основният недостатък е променливостта на системата, тъй като и в двете вериги циркулацията е принудителна.

1 – захранване със студена вода; 2 – сензор за температура; 3 – слънчев колектор топлообменник; 4 – топлообменник на котела; 5 – верига на колекторната охлаждаща течност; 6 – помпена станция; 7 – контролер; 8 – разширителен резервоар; 9 – циркулационна помпа; 10 – изход за гореща вода; 11 – отоплителен котел; 12 – слънчев колектор

Етапи на изчисление и инсталация

Преходът към слънчева енергия не приема бързина и повърхностен подход. Често изводите за целесъобразността на инсталирането на слънчева система могат да се правят само след няколко години наблюдения и изчисления..

За съжаление няма много смисъл да се разчита на слънчеви карти, тъй като местните метеорологични условия могат значително да изкривят средната стойност. Следователно, първото нещо, което трябва да направите, е независимо да съставите доклад за интензивността на слънчевата радиация на мястото, където са инсталирани колекторите. За измервания се използват пиранометри; в рамките на 5 хиляди рубли можете да закупите бюджетно устройство с достатъчен набор от функции.

Pyranometer

Измерванията трябва да се извършват в различно време на деня с честота около седмица през цялата година. В процеса на измервания трябва да се вземат предвид ъгълът на наклона и ориентацията на колекторите. Получените данни в крайна сметка се проверяват със статистиката на хидрометеорологичния център за процента на облачните дни в годината..

За да се осигури висока ефективност на слънчевата централа, трябва да се вземе предвид най-отрицателният сценарий, тоест най-дългият период с най-ниска осветеност трябва да се приеме като ориентир. В идеалния случай можете да вземете предвид вероятността от още по-лоши метеорологични условия, като използвате метеорологичната статистика през последните 15-20 години. Получените данни за входящата слънчева енергия ще помогнат да се установи необходимата обща площ на абсорбиращото поле и да се определи броят на колекторите, които трябва да бъдат закупени.

Както споменахме, колекторите много рядко се използват като основен източник на отопление, те обикновено играят спомагателна роля. Но делът на участието може да бъде изчислен, той е посочен като процент от общата мощност на електроенергийната система на къщата или нейните топлинни загуби. След като получи необходимия брой киловати, той се умножава по оптичната ефективност на абсорбаторите, се добавят няколко коефициента – корекции за ориентация, наклон, температурни условия, както и марж на безопасност.

Според „нетната“ стойност на генерираната мощност се избира следното:

• необходимия брой колектори на определен модел и средно един резервен слънчев колектор на 10-15 в експлоатация;
• тръбна система с препоръчителната производителност и топлинна устойчивост на производителя;
• циркулационна група, спирателни клапани, други помощни устройства;
• обем и местоположение на резервоара за съхранение. В системи с дневен капацитет за съхранение или извличане на топлина над 20 кВт има смисъл да се изграждат изолирани бетонни резервоари с обем 15-20 m³.

За самостоятелно инсталиране и поддръжка е необходимо да се изготви дизайн на системата, да се отдели място за поставяне на спомагателни устройства и да се фиксира слънчевият колектор на южния (за северното полукълбо) наклон на покрива, като се вземат предвид препоръките на доставчика на оборудване по отношение на натоварването на вятъра. Не забравяйте, че закупувайки пълна гама оборудване от един дистрибутор, получавате възможност да изготвите безплатно, ако не и проект на соларна отоплителна система, то поне списък на добре съвместимо оборудване и компоненти.

Имам ли нужда от термопомпа

Един от основните недостатъци на системите за слънчево отопление е високата цена. Докато технологията за производство на плоски колектори е добре овладяна, вакуумните абсорбатори остават скъпи и при определени метеорологични условия ще бъде възможно само успешно да ги експлоатират. Но има и друга алтернатива – въздушни колектори.

Соларен колектор тип въздух

Поради по-простото устройство, цената им е по-малка, плюс това има възможност за автономна работа. Ефективността на въздушните колектори се повишава с инсталирането на вентилатор на вентилатора, захранван от интегриран слънчев панел. Благодарение на ускореното, но пропорционално на нагряването, охлаждането на каналите, загубите на възвръщаема топлина през колектора са сведени до минимум. Ограничаването на мощността може да бъде постигнато чрез контрол на скоростта на вентилатора или просто блокиране на потока – въздушните колектори не се страхуват от топлинен удар, освен това е лесно да се настрои естествената рециркулация.

Липса на въздушни системи в малка степен на нагряване на охлаждащата течност. Топлинният капацитет на въздуха е по-малък, плюс абсорбатора почти винаги се нагрява без фокусиране. За да може да се интегрира в отоплителната система (което най-често е необходимо поради невъзможността за полагане на вентилационен канал в отопляемо помещение), наистина е необходима термопомпа или сплит система.

Но термопомпите с източник на въздух могат да се използват и за повишаване на ефективността на климатизацията. С тях скоростта на циркулация може да се повиши до стойности, които не са приемливи в домашните вентилационни системи, което дава 2-3-кратно увеличение на производителността поради високата температурна разлика. През нощта колекторът ще има и ниска скорост на производство в диапазона на работната температура.

Въздухът, използван като топлоносител, може да бъде обезвлажнен или заменен с въглероден диоксид или друг по-задържащ топлината газ. Въпреки това няма смисъл да се използват термопомпи с водна първична верига: първоначално те са проектирани да работят с висока температурна разлика и следователно увеличението на мощността не е достатъчно, за да оправдае цената на инсталацията.

Цената на слънчевата отоплителна система

Удоволствието от използването на чиста енергия идва на висока цена, поне за днес. За да бъдем справедливи, има някои положителни новини: през последните пет години цената на производството на плоски колектори е спаднала с 2-2,5 пъти, същото може да се очаква скоро и от устройства с вакуумни абсорбатори.

Цената на плоските и вакуумните колектори се определя от обема на производството – стойността на слънчевата радиация при идеални условия на осветление, тоест специфичната мощност. Средно за 1 кВт плоски слънчеви колектори ще трябва да платите около 350-500 долара, а за цялостна инсталация с външна батерия – около 800-1000 долара. Цената на вакуумните слънчеви колектори се колебае в по-висок диапазон – от $ 600 до $ 1000-1200 на комплекс, в зависимост от качеството на изпълнение, материала на тръбата, изолацията на топлообменника и други функции.

За капацитивни колектори стандартът за измерване се прилага в литри вода, загрята до най-високата възможна температура. Количеството произведена електроенергия може да се изчисли или от общата площ на абсорбера, или чрез изразяването му чрез специфичния топлинен капацитет на водата. В зависимост от сложността на системата, цената варира значително, цената на един от примерите от средния пазарен сегмент достига 1500 долара за 300 литра (за 4-5 жители) с разлика в температурата около 50 ° C, което е еквивалентно на 2,5 kW специфична мощност.