Calefacción solar en casa con colectores: principio de funcionamiento y precio.

El contenido del artículo

• Los principales componentes del sistema de calefacción.
• Variedades y diferencias de coleccionistas.
• Problemas de energía solar
• Integración en el sistema de calefacción.
• Pasos de instalación y cálculo de energía
• ¿Necesito una bomba de calor?
• Costo del sistema de calefacción solar

¿Es realista dotar a su hogar de energía solar térmica? Hoy discutiremos la perspectiva de utilizar sistemas solares como la principal fuente de calefacción, consideremos el tema de la justificación económica y la eficiencia de los colectores solares..

Los principales componentes del sistema de calefacción.

Los colectores solares sirven como fuente de calentamiento del sistema solar, cuyo propósito es la transferencia más eficiente de la energía del espectro infrarrojo de la radiación solar al refrigerante. El rango térmico de la luz solar es del 40 al 45% del flujo radiativo total, en cifras específicas es de 200 a 500 W / m² dependiendo de la latitud, época del año y día.

En principio, los colectores por sí solos son suficientes para construir el sistema solar más simple. A través de sus canales, se puede hacer circular agua ordinaria, utilizada para las necesidades domésticas y la calefacción del hogar. Sin embargo, este enfoque no es lo suficientemente eficaz por varias razones, la primera de las cuales es la falta de reposición de las pérdidas de energía durante un día completo. Por lo tanto, uno de los elementos más importantes de un sistema de calefacción solar es un acumulador de calor: un recipiente con agua..

Esquema de calefacción de la casa con colectores solares: 1 – suministro de agua fría; 2 – intercambiador de calor; 3 – acumulador de calor; 4 – sensor de temperatura; 5 – circuito de refrigerante; 6 – estación de bombeo; 7 – controlador; 8 – tanque de expansión; 9 – agua caliente; 10 – válvula de tres vías; 11 – colector solar

El dispositivo técnico del colector solar también es una especie de limitación. Sus canales tienen un área de flujo bastante pequeña, lo que da lugar al riesgo de obstrucción con impurezas mecánicas. También existe una alta probabilidad de que el refrigerante se congele por la noche, mientras que el límite superior del rango de temperatura de funcionamiento es 200–300 ° С. Los colectores están diseñados para una circulación rápida y continua del refrigerante, que entra a baja temperatura, se calienta rápidamente con la luz solar y con la misma rapidez emite calor a la batería..

Tubos colectores solares de vacío en forma de U

Por estas razones, se acostumbra utilizar propilenglicol con un conjunto de aditivos especiales para el calentamiento directo en las tuberías de calor. Entonces, el tercer elemento obligatorio del sistema solar de calefacción es un refrigerante especial y un circuito de intercambio, que a menudo se incluye estructuralmente en el acumulador de calor, o puede ser parte del propio colector..

Variedades y diferencias de coleccionistas.

Sin entrar en los detalles técnicos del dispositivo, la principal diferencia entre colectores planos y de vacío radica en la conveniencia de su uso en diferentes zonas climáticas. Los colectores planos se utilizan mejor en latitudes del sur con temperaturas predominantes por encima de cero, los colectores de vacío más cerca de los del norte.

El diseño de un colector solar plano: 1 – salida de refrigerante; 2 – marco colector; 3 – vidrio estructurado resistente al granizo; 4 – absorbedor; 5 – tubos de cobre; 6 – aislamiento térmico; 7 – entrada de refrigerante

La conveniencia de utilizar ciertos tipos de colectores solares se debe a una serie de características:

• la incapacidad de los colectores de vacío para limpiar la nieve de forma independiente;
• altas pérdidas de calor de los colectores solares planos, que aumentan con la diferencia de temperatura;
• baja resistencia de los colectores planos a las cargas de viento;
• alto costo del proyecto sobre colectores solares de vacío;
• rango de baja temperatura uso efectivo de colectores planos.

El diseño del colector de vacío con transferencia de calor indirecta: 1 – entrada del portador de calor refrigerado; 2 – intercambiador de calor (colector); 3 – tapón hermético; 4 – tubo de vacío; 5 – placa de aluminio (absorbedor); 6 – tubo de calor; 7 – fluido de trabajo; 8 – salida de refrigerante calentado; 9 – cuerpo del disipador de calor; 10 – condensador de tubo de calor; 11 – aislamiento

Una de las diferencias más importantes radica en el proceso de instalación. Los colectores de placa plana requieren una entrega premontada en el techo, mientras que los colectores de vacío se pueden ensamblar en el sitio. Además, los colectores planos no suelen tener su propio acumulador de calor ni circuito de intercambio..

Problemas de energía solar

Los sistemas de calefacción solar no están exentos de inconvenientes, el más importante de los cuales es la inconstancia de la fuente de energía. Por la noche, el sistema no se calienta, y en un tiempo nublado prolongado, esperar que un cielo despejado caliente la casa es un placer por debajo del promedio. Si la batería, con un volumen suficientemente grande, puede retener la cantidad de calor requerida al menos hasta la mañana, entonces solo se pueden esperar varios días de trabajo autónomo en condiciones de iluminación insuficiente con una expansión significativa del parque solar. Esto, a su vez, causa el problema opuesto: cuando se alcanza el modo de potencia máxima (por ejemplo, en un día despejado de primavera), dicho sistema solar requerirá una eliminación de calor más intensiva o el apagado temporal de varios absorbedores con su sombreado..

Es importante comprender que los sistemas solares en la realidad del clima ruso no pueden utilizarse como la única o principal fuente de calefacción. Sin embargo, pueden reducir significativamente el consumo de energía durante la temporada de calefacción. Los colectores híbridos funcionan de forma especialmente eficaz, en los que se combinan calefactores con fotocélulas. Si la nubosidad retrasa la mayor parte de la radiación IR, entonces la pérdida de la parte fotoeléctrica del espectro no es tan significativa.

Otra desventaja de los colectores solares es la necesidad de una circulación forzada del refrigerante en el sistema colector-acumulador. Algunos colectores de vacío están equipados con un tanque para la circulación natural y están ubicados sobre el absorbedor. Estas instalaciones se utilizan generalmente en sistemas de suministro de agua caliente con toma de agua bajo la presión de un suministro de agua fría. Pero todavía hay formas de establecer la operación conjunta de dichos colectores solares con un sistema de calefacción..

Colector solar de vacío con depósito

Integración en el sistema de calefacción.

Hay dos formas de combinar colectores solares con un sistema de calentamiento de líquidos arbitrariamente complejo. La principal fuente de energía puede ser el gas o la electricidad; no hay una diferencia significativa.

La primera opción es calentar la batería diaria total. El acumulador se comunica con la caldera de forma conjunta y secuencial; a temperatura insuficientemente alta, esta última se pone en funcionamiento y calienta el líquido. Un sistema de este tipo diseñado correctamente puede funcionar eficazmente incluso sin circulación forzada..

1 – circuito de calefacción; 2 – calentar líquido; 3 – sensor de temperatura; 4 – estación de bombeo; 5 – controlador; 6 – bomba; 7 – tanque de expansión; 8 – agua sanitaria; 9 – agua fría; 10 – suministro de agua caliente; 11 – colector solar; 12 – caldera de calefacción

El segundo tipo de combinación implica el uso de un acumulador de calor con dos circuitos. A través de uno, el calor se elimina del colector, a través del segundo: calentamiento del refrigerante en el sistema, el agua del acumulador sirve como fuente de suministro de agua caliente. Dado que los circuitos están aislados entre sí, se pueden utilizar más líquidos absorbentes de calor o anticongelante en el sistema de calefacción y el ciclo de intercambio de calor del colector solar. La principal desventaja es la volatilidad del sistema, pues en ambos circuitos la circulación es forzada.

1 – suministro de agua fría; 2 – sensor de temperatura; 3 – intercambiador de calor colector solar; 4 – intercambiador de calor de caldera; 5 – circuito de refrigerante del colector; 6 – estación de bombeo; 7 – controlador; 8 – tanque de expansión; 9 – bomba de circulación; 10 – salida de agua caliente; 11 – caldera de calefacción; 12 – colector solar

Pasos de instalación y cálculo de energía

La transición a la energía solar no acepta prisas y un enfoque superficial. A menudo, las conclusiones sobre la conveniencia de instalar un sistema solar solo se pueden sacar después de varios años de observaciones y cálculos..

Desafortunadamente, no tiene mucho sentido confiar en mapas solares, ya que las condiciones climáticas locales pueden distorsionar en gran medida el promedio. Por tanto, lo primero que hay que hacer es elaborar de forma independiente un informe sobre la intensidad de la radiación solar en el lugar donde están instalados los captadores. Los piranómetros se utilizan para mediciones; dentro de 5 mil rublos, puede comprar un dispositivo económico con un conjunto suficiente de funciones.

Piranómetro

Las mediciones deben tomarse en diferentes momentos del día con una frecuencia de aproximadamente una semana durante todo el año. En el proceso de medición se debe tener en cuenta el ángulo de inclinación y la orientación de los colectores. Los datos resultantes finalmente se verifican con las estadísticas del centro hidrometeorológico sobre el porcentaje de días nublados por año..

Para asegurar una alta eficiencia de la planta solar, se debe considerar el escenario más negativo, es decir, se debe tomar como punto de referencia el período más largo con la iluminación más baja. Idealmente, puede tener en cuenta la probabilidad de condiciones meteorológicas aún peores utilizando estadísticas meteorológicas de los últimos 15 a 20 años. Los datos obtenidos sobre la energía solar entrante ayudarán a establecer el área total requerida del campo de absorción y determinar el número de colectores que deben comprarse..

Como se mencionó, los colectores rara vez se utilizan como fuente principal de calefacción, por lo general desempeñan un papel auxiliar. Pero la proporción de participación se puede calcular, se indica como un porcentaje de la potencia total del sistema eléctrico de la casa o su pérdida de calor. Habiendo recibido la cantidad requerida de kilovatios, se multiplica por la eficiencia óptica de los absorbedores, se agregan varios coeficientes: correcciones para la orientación, inclinación, condiciones de temperatura, así como un margen de seguridad.

Según el valor «neto» de la potencia generada, se selecciona lo siguiente:

• el número requerido de colectores de un determinado modelo y, en promedio, un colector solar de respaldo por cada 10-15 en funcionamiento;
• sistema de tuberías con el rendimiento y la resistencia al calor recomendados por el fabricante;
• grupo de circulación, válvulas de cierre, otros dispositivos auxiliares;
• volumen y ubicación del tanque de almacenamiento. En sistemas con una capacidad diaria de almacenamiento o extracción de calor de más de 20 kW, tiene sentido construir tanques de hormigón aislados con un volumen de 15-20 m³.

Para la autoinstalación y el mantenimiento, es necesario elaborar un proyecto del sistema, asignar un lugar para colocar dispositivos auxiliares y fijar el colector solar en la pendiente del techo sur (para el hemisferio norte), teniendo en cuenta las recomendaciones del proveedor de equipos con respecto a las cargas de viento. No olvide que al comprar una gama completa de equipos de un distribuidor, tiene la oportunidad de elaborar de forma gratuita, si no un proyecto de un sistema de calefacción solar, al menos una lista de equipos y componentes compatibles..

¿Necesito una bomba de calor?

Una de las principales desventajas de los sistemas de calefacción solar es el alto costo. Si bien la tecnología para la producción de colectores planos está bien dominada, los absorbedores de vacío siguen siendo costosos y, en ciertas condiciones climáticas, solo será posible operarlos con éxito. Pero hay otra alternativa: los colectores de aire..

Colector solar tipo aire

Debido al dispositivo más simple, su costo es menor, además existe la posibilidad de funcionamiento autónomo. La eficiencia de los colectores de aire aumenta con la instalación de un ventilador alimentado por un panel solar integrado. Debido al enfriamiento acelerado, pero proporcional al calentamiento, de los canales, se minimizan las pérdidas de calor de retorno a través del colector. La limitación de potencia se puede lograr controlando la velocidad del ventilador o simplemente bloqueando el flujo: los colectores de aire no temen el choque térmico, además, es fácil configurar la recirculación natural.

Falta de sistemas de aire en un pequeño grado de calentamiento del refrigerante. La capacidad calorífica del aire es menor, además el absorbedor casi siempre se calienta sin enfocar. Para poder integrarse en el sistema de calefacción (que suele ser necesario debido a la imposibilidad de colocar un conducto de ventilación en una habitación con calefacción), se necesita realmente una bomba de calor o un sistema dividido..

Pero las bombas de calor de fuente de aire también se pueden utilizar para aumentar la eficiencia del aire acondicionado. Con ellos, la tasa de circulación se puede elevar a valores que no son aceptables en los sistemas de ventilación domésticos, lo que da un aumento de 2-3 veces en la producción debido a la alta diferencia de temperatura. Por la noche, el colector también tendrá una tasa de producción baja en el rango de temperatura de funcionamiento..

El aire usado como portador de calor se puede deshumidificar o reemplazar con dióxido de carbono u otro gas que retiene más el calor. Sin embargo, no tiene sentido utilizar bombas de calor con circuito primario de agua: originalmente están diseñadas para funcionar con una alta diferencia de temperatura y por lo tanto el aumento de potencia no es suficiente para justificar el costo de la instalación..

Costo del sistema de calefacción solar

El placer de utilizar energías limpias tiene un precio elevado, al menos por hoy. Para ser justos, hay algunas noticias positivas: en los últimos cinco años, el costo de producir colectores de placa plana se ha reducido entre 2 y 2,5 veces, lo mismo se puede esperar pronto de los dispositivos con absorbedores de vacío..

El costo de los colectores planos y de vacío está determinado por el volumen de producción: el valor de la radiación solar en condiciones ideales de iluminación, es decir, la potencia específica. En promedio, por 1 kW de colectores solares de tipo plano, tendrá que pagar alrededor de $ 350-500, y por una instalación completa con una batería externa, alrededor de $ 800-1000. El costo de los colectores solares de vacío fluctúa en un rango más alto: de $ 600 a $ 1000-1200 por complejo, según la calidad del rendimiento, el material del tubo, el aislamiento del intercambiador de calor y otras características..

Para los colectores capacitivos, el estándar de medición se aplica en litros de agua calentada a la temperatura más alta posible. La cantidad de electricidad generada se puede calcular por el área total del absorbedor o expresándola a través de la capacidad calorífica específica del agua. Dependiendo de la complejidad del sistema, el costo varía mucho, el precio de uno de los ejemplos del segmento del mercado medio alcanza los $ 1,500 por 300 litros (para 4-5 residentes) con una diferencia de temperatura de aproximadamente 50 ° C, lo que equivale a 2.5 kW de potencia específica..