Saulės šildymas privačiam namui: variantai ir įrengimo schemos

“Žaliosios” energijos, kurią teikia gamtos stichijos, naudojimas leidžia gerokai sumažinti komunalines išlaidas. Pavyzdžiui, įsirengę saulės energijos šildymą privačiame name, jūs praktiškai nemokamai aprūpinsite šilumnešiu žemos temperatūros radiatorius ir grindinio šildymo sistemas. Sutikite, tai jau yra taupymas.

Viską apie “žaliąsias technologijas” sužinosite iš mūsų siūlomo straipsnio. Su mūsų pagalba jūs lengvai suprasite saulės energijos įrenginių rūšis, jų įrengimo būdus ir eksploatavimo ypatumus. Tikriausiai susidomėsite vienu iš populiarių variantų, intensyviai veikiančių pasaulyje, tačiau kol kas ne itin paklausių pas mus.

Jūsų dėmesiui pateiktoje apžvalgoje išnagrinėtos sistemų konstrukcinės ypatybės, išsamiai aprašytos prijungimo schemos. Pateiktas saulės šildymo kontūro skaičiavimo pavyzdys, siekiant įvertinti jo statybos realijas. Savarankiškai dirbantiems meistrams pateikiamos nuotraukų rinkiniai ir vaizdo įrašai.

“Žaliosios” šilumos gavimo technologijos

Vidutiniškai 1 m² žemės paviršiaus per valandą gauna 161 W saulės energijos. Žinoma, ties pusiauju šis rodiklis bus daug kartų didesnis nei poliariniuose regionuose. Be to, saulės spinduliuotės tankis priklauso nuo metų laiko.

Maskvos srityje saulės spinduliuotės intensyvumas gruodžio–sausio mėnesiais skiriasi nuo gegužės–liepos daugiau nei penkis kartus. Tačiau šiuolaikinės sistemos yra tokios efektyvios, kad gali veikti praktiškai visur Žemėje.

Šiuolaikinės heliosistemos geba efektyviai veikti debesuotu ir šaltu oru iki -30 °C

Užduotis panaudoti saulės radiacijos energiją maksimaliu efektyvumu sprendžiama dviem būdais: tiesioginiu šildymu šilumos kolektoriuose ir saulės fotovoltinėmis baterijomis. Saulės baterijos pirmiausia paverčia saulės spindulių energiją į elektros energiją, po to perduoda per specialią sistemą vartotojams, pavyzdžiui, elektriniam katilui.

Šilumos kolektoriai, įkaisdami veikiant saulės spinduliams, šildo šildymo ir karšto vandens tiekimo sistemų šilumnešį.

Šiluminiai kolektoriai būna kelių tipų, įskaitant atviras ir uždaras sistemas, plokščias ir sferines konstrukcijas, pusrutulio formos koncentratorinius kolektorius ir daug kitų variantų. Šiluminė energija, gaunama iš saulės kolektorių, naudojama karštam vandeniui arba šildymo sistemos šilumnešiui pašildyti.

Pramonė gamina platų asortimentą kolektorinių sistemų, skirtų įtraukti į nepriklausomą šildymo tinklą. Tačiau paprasčiausią variantą sodui nesunku pasigaminti savo rankomis:

Nepaisant akivaizdžios pažangos kuriant sprendimus, kaip surinkti, kaupti ir naudoti saulės energiją, yra privalumų ir trūkumų.

Efektyvus saulės energijos naudojimas

Akivaizdžiausias saulės energijos naudojimo privalumas yra jos prieinamumas. Iš tiesų net pačią niūriausią ir debesuotą dieną saulės energiją galima surinkti ir panaudoti.

Antras privalumas - nulinės emisijos. Iš esmės tai ekologiškiausia ir natūraliausia energijos rūšis. Saulės baterijos ir kolektoriai neskleidžia triukšmo. Daugeliu atvejų jie montuojami ant pastatų stogų, neužimant naudingo užmiesčio sklypo ploto.

Saulės šildymo efektyvumas mūsų platumose yra gana žemas, o tai lemia nepakankamas saulėtų dienų skaičius, kad sistema veiktų reguliariai (+)

Saulės energijos naudojimo trūkumai yra netolygus apšvietimas. Tamsiu paros metu nėra ką surinkti, situaciją apsunkina tai, kad šildymo sezono pikas sutampa su trumpiausiomis šviesiomis metų dienomis. Būtina stebėti plokščių optinį švarumą, nedidelis užteršimas smarkiai sumažina naudingumo koeficientą.

Be to, negalima teigti, kad saulės energijos sistemos eksploatacija yra visiškai nemokama – egzistuoja nuolatinės išlaidos įrangos amortizacijai, cirkuliacinio siurblio ir valdymo elektronikos darbui.

Esminis šildymo, pagrįsto saulės kolektorių naudojimu, trūkumas yra tai, kad nėra galimybės kaupti šiluminės energijos. Į schemą įtrauktas tik plėtimosi bakas (+)

Atvirieji saulės kolektoriai

Atviras saulės kolektorius yra nuo išorinių poveikių neapsaugota vamzdelių sistema, kuriais cirkuliuoja saulės tiesiogiai šildomas šilumnešis.

Šilumnešiu naudojamas vanduo, dujos, oras, antifrizas. Vamzdeliai tvirtinami prie laikančiosios plokštės gyvatuko pavidalu arba jungiami lygiagrečiomis eilėmis prie išėjimo vamzdžio.

Atviro tipo saulės kolektoriai negali užtikrinti privataus namo šildymo. Dėl izoliacijos trūkumo šilumnešis greitai atvėsta. Jie naudojami vasarą, daugiausia vandeniui šildyti dušuose ar baseinuose.

Atviri kolektoriai paprastai neturi jokios izoliacijos. Konstrukcija labai paprasta, todėl kaina nedidelė ir dažnai gaminama savarankiškai.

Dėl izoliacijos trūkumo jie beveik neišlaiko iš saulės gautos energijos, pasižymi mažu naudingumo koeficientu. Jie daugiausia naudojami vasarą vandeniui šildyti baseinuose ar lauko dušuose.

Jie montuojami saulėtuose ir šiltuose regionuose, esant nedideliems aplinkos oro ir šildomo vandens temperatūrų skirtumams. Gerai veikia tik saulėtu, nevėjuotu oru.

Paprasčiausias saulės kolektorius su šilumos imtuvu, pagamintu iš polimerinių vamzdžių ritės, užtikrins pašildyto vandens tiekimą sodyboje laistymui ir buitinėms reikmėms.

Vamzdiniai kolektorių tipai

Vamzdiniai saulės kolektoriai surenkami iš atskirų vamzdelių, kuriais cirkuliuoja vanduo, dujos ar garai. Tai viena iš atvirųjų heliosistemų atmainų. Tačiau šilumnešis jau daug geriau apsaugotas nuo išorinių neigiamų veiksnių. Ypač vakuuminėse instaliacijose, įrengtose pagal termosų principą.

Kiekvienas vamzdelis prie sistemos prijungiamas atskirai, lygiagrečiai vienas kitam. Vienam vamzdeliui sugedus, jį lengva pakeisti nauju. Visa konstrukcija gali būti surenkama tiesiai ant pastato stogo, o tai žymiai palengvina montavimą.

Vamzdinis kolektorius turi modulinę struktūrą. Pagrindinis elementas yra vakuuminis vamzdelis, vamzdelių skaičius svyruoja nuo 18 iki 30, o tai leidžia tiksliai parinkti sistemos galią

Didelis vamzdinių saulės kolektorių privalumas yra cilindrinė pagrindinių elementų forma, dėl kurios saulės spinduliuotė sugaunama visą šviesiąją dienos dalį nenaudojant brangių sekimo sistemų, sekančių šviesulio judėjimą.

Speciali daugiasluoksnė danga sukuria savotišką optinį spąstą saulės spinduliams. Schemoje iš dalies parodyta vakuuminės kolbos išorinė sienelė, atspindinti spindulius į vidinės kolbos sieneles (+)

Pagal vamzdelių konstrukciją skiriami plunksniniai ir koaksialiniai saulės kolektoriai.

Koaksialinis vamzdelis yra Dewaro indas arba visiems pažįstamas termosas. Pagamintas iš dviejų kolbų, tarp kurių išsiurbtas oras. Ant vidinės kolbos vidinio paviršiaus padengta labai selektyvi danga, efektyviai sugerianti saulės energiją.

Esant cilindrinei vamzdelio formai, saulės spinduliai visada krenta statmenai paviršiui

Šiluminė energija iš vidinio selektyvaus sluoksnio perduodama šiluminiam vamzdeliui arba vidiniam šilumokaičiui iš aliuminio plokščių. Šiame etape atsiranda nepageidaujami šilumos nuostoliai.

Plunksninis vamzdelis yra stiklinis cilindras su įdėtu plunksniniu absorberiu.

Sistema savo pavadinimą gavo nuo plunksninio absorberio, kuris tankiai apgaubia šiluminį kanalą iš šilumą laidžio metalo.

Kad būtų gera šiluminė izoliacija, iš vamzdelio išsiurbtas oras. Šilumos perdavimas nuo absorberio vyksta be nuostolių, todėl plunksninių vamzdelių efektyvumas yra didesnis.

Pagal šilumos perdavimo būdą yra dvi sistemos: tiesioginio srauto ir su šiluminiu vamzdžiu (heat pipe). Šiluminis vamzdis yra sandariai uždarytas indas su lengvai garuojančiu skysčiu.

Kadangi lengvai garuojantis skystis natūraliai nuteka į termovamzdžio dugną, minimalus nuolydžio kampas yra 20 °C

Termovamzdžio viduje yra lengvai garuojantis skystis, kuris sugeria šilumą iš vidinės kolbos sienelės arba iš plunksninio absorberio. Veikiant temperatūrai, skystis užverda ir garų pavidalu kyla aukštyn. Kai šiluma perduodama šildymo ar karšto vandens tiekimo šilumnešiui, garai kondensuojasi į skystį ir nuteka žemyn.

Kaip lengvai garuojantis skystis dažnai naudojamas vanduo esant žemam slėgiui. Tiesioginio srauto sistemoje naudojamas U formos vamzdis, kuriuo cirkuliuoja vanduo arba šildymo sistemos šilumnešis.

Viena U formos vamzdžio pusė skirta šaltam šilumnešiui, kita nukreipia įkaitintą. Kaitinant šilumnešis plečiasi ir patenka į akumuliacinę talpyklą, užtikrindamas natūralią cirkuliaciją. Kaip ir termovamzdžių sistemų atveju, minimalus nuolydžio kampas turi būti ne mažesnis kaip 20°.

Tiesioginio srauto prijungimo atveju slėgis sistemoje negali būti aukštas, nes kolbos viduje yra techninis vakuumas.

Tiesioginio srauto sistemos yra efektyvesnės, nes iš karto šildo šilumnešį. Jei saulės kolektorių sistemas planuojama naudoti ištisus metus, į jas pumpuojami specialūs antifrizai.

Vamzdinių saulės kolektorių naudojimas turi keletą privalumų ir trūkumų. Vamzdinio saulės kolektoriaus konstrukciją sudaro vienodi elementai, kuriuos palyginti lengva pakeisti.

Privalumai:

• maži šilumos nuostoliai;
• gebėjimas veikti iki -30 °C temperatūros;
• efektyvus našumas visą šviesią parą;
• geras darbingumas vidutinio ir šalto klimato srityse;
• mažas vėjo atsparumas, pagrįstas vamzdinių sistemų galimybe praleisti pro save oro mases;
• galimybė gaminti aukštą šilumnešio temperatūrą.

Konstrukciškai vamzdinė konstrukcija turi ribotą apertūros paviršių.

Turi šiuos trūkumus:

• negeba savaime išsivalyti nuo sniego, ledo, šerkšno;
• aukšta kaina.

Nepaisant pradinės aukštos kainos, vamzdiniai kolektoriai greičiau atsiperka. Jie turi ilgą eksploatacijos laikotarpį.

Vamzdiniai kolektoriai priskiriami atviro tipo saulės įrenginiams, todėl netinka ištisus metus naudoti šildymo sistemose (+)

Plokštieji uždarieji sistemos

Plokštelinis kolektorius susideda iš aliuminio rėmo, specialaus sugeriamojo sluoksnio – absorberio, permatomos dangos, vamzdyno ir izoliacijos.

Kaip absorberis naudojamas juodintas lakštinis varis, pasižymintis idealiu šilumos laidumu, tinkamu saulės sistemoms kurti. Sugeriant saulės energiją, absorberis perduoda gautą saulės energiją šilumnešiui, cirkuliuojančiam prie absorberio esančioje vamzdelių sistemoje.

Iš išorinės pusės uždaras skydas yra apsaugotas permatoma danga. Ji pagaminta iš smūgiams atsparaus grūdinto stiklo, kurio pralaidumo juosta yra 0,4–1,8 μm. Tokiam diapazonui tenka didžiausias saulės spinduliuotės kiekis. Smūgiams atsparus stiklas yra gera apsauga nuo krušos. Iš galinės pusės visas skydas yra patikimai izoliuotas.

Plokščieji saulės kolektoriai pasižymi maksimaliu našumu ir paprasta konstrukcija. Jų naudingumo koeficientas padidintas naudojant absorberį. Jie geba sugauti išsklaidytą ir tiesioginę saulės spinduliuotę.

Uždarų plokščių skydų privalumų sąraše yra:

• paprasta konstrukcija;
• geras našumas šilto klimato regionuose;
• galimybė montuoti bet kokiu kampu, jei yra įrenginių pasvirimo kampui keisti;
• gebėjimas apsivalyti nuo sniego ir šerkšno;
• žema kaina.

Plokščieji saulės kolektoriai yra ypač naudingi, jei jų naudojimas suplanuotas dar projektavimo stadijoje. Kokybiškų gaminių tarnavimo laikas siekia 50 metų.

Prie trūkumų galima priskirti:

• dideliai šilumos nuostoliai;
• didelis svoris;
• didelis vėjo poveikis, kai skydai išdėstyti kampu į horizontą;
• našumo apribojimai, kai temperatūros skirtumai viršija 40 °C.

Uždarų kolektorių taikymo sritis yra daug platesnė nei atvirų saulės įrenginių. Vasarą jie gali visiškai patenkinti karšto vandens poreikį. Vėsiomis dienomis, neįtrauktomis į šildymo sezoną, jie gali veikti vietoj dujinių ir elektrinių šildytuvų.

Tiems, kurie nori pasigaminti saulės kolektorių savo rankomis šildymui sodyboje, siūlome susipažinti su praktiškai patikrintomis schemomis ir nuosekliomis surinkimo instrukcijomis.

Saulės kolektorių charakteristikų palyginimas

Svarbiausias saulės kolektoriaus rodiklis yra naudingumo koeficientas. Naudingas skirtingos konstrukcijos saulės kolektorių našumas priklauso nuo temperatūrų skirtumo. Tuo tarpu plokščieji kolektoriai yra žymiai pigesni nei vamzdiniai.

Naudingumo koeficiento reikšmės priklauso nuo saulės kolektoriaus gamybos kokybės. Grafiko tikslas – parodyti skirtingų sistemų naudojimo efektyvumą priklausomai nuo temperatūros skirtumo.

Renkantis saulės kolektorių verta atkreipti dėmesį į keletą parametrų, rodančių prietaiso efektyvumą ir galią.

Saulės kolektoriams yra keletas svarbių charakteristikų:

• adsorbcijos koeficientas – parodo sugertos energijos santykį su visa energija;
• Emisijos koeficientas – rodo perduotos energijos santykį su sugerta;
• bendrasis plotas ir apertūrinis plotas;
• Naudingumo koeficientas.

Apertūrinis plotas – tai saulės kolektoriaus darbinis plotas. Plokščiojo kolektoriaus apertūrinis plotas yra maksimalus. Apertūrinis plotas lygus absorberio plotui.

Prijungimo prie šildymo sistemos būdai

Kadangi saulės energijos prietaisai negali užtikrinti stabilaus ir visą parą veikiančio energijos tiekimo, reikalinga sistema, atspari šiems trūkumams.

Vidurinei Rusijos juostai saulės įrenginiai negali garantuoti stabilaus energijos srauto, todėl jie naudojami kaip papildoma sistema. Integravimas į esamą šildymo ir karšto vandens tiekimo sistemą skiriasi saulės kolektoriui ir saulės baterijai.

Schema su vandens kolektoriumi

Priklausomai nuo šiluminio kolektoriaus naudojimo tikslų, taikomos skirtingos prijungimo sistemos. Gali būti keli variantai:

1. Vasaros variantas karšto vandens tiekimui
2. Žiemos variantas šildymui ir karšto vandens tiekimui

Vasaros variantas yra paprasčiausias ir gali apsieiti net be cirkuliacinio siurblio, naudojant natūralią vandens cirkuliaciją.

Vanduo įkaista saulės kolektoriuje ir dėl šiluminio plėtimosi patenka į akumuliacinį baką arba boilerį. Taip vyksta natūrali cirkuliacija: į karšto vandens vietą iš bako įsiurbiamas šaltas vanduo.

Žiemą, esant neigiamoms temperatūroms, tiesioginis vandens šildymas neįmanomas. Uždaru kontūru cirkuliuoja specialus antifrizas, užtikrindamas šilumos perdavimą iš kolektoriaus į šilumokaitį bake.

Kaip ir bet kuri sistema, pagrįsta natūralia cirkuliacija, veikia ne itin efektyviai, reikalaujant, kad būtų laikomasi reikalingų nuolydžių. Be to, akumuliacinis bakas turi būti aukščiau nei saulės kolektorius. Kad vanduo kuo ilgiau išliktų karštas, baką būtina kruopščiai izoliuoti.

Jei tikrai norite pasiekti maksimaliai efektyvų saulės kolektoriaus veikimą, prijungimo schema tampa sudėtingesnė.

Kad naktį kolektorius nevirstų aušinimo radiatoriu, būtina priverstinai sustabdyti vandens cirkuliaciją

Saulės kolektoriaus sistemoje cirkuliuoja neužšąlantis šilumnešis. Priverstinę cirkuliaciją užtikrina siurblys, valdomas valdiklio.

Valdiklis valdo cirkuliacinio siurblio darbą remdamasis bent dviejų temperatūros jutiklių rodmenimis. Pirmasis jutiklis matuoja temperatūrą akumuliaciniame bake, antrasis – ant karšto šilumnešio tiekimo vamzdžio iš saulės kolektoriaus.

Kai tik temperatūra bake viršija šilumnešio temperatūrą, kolektoriaus valdiklis išjungia cirkuliacinį siurblį, nutraukdamas šilumnešio cirkuliaciją sistemoje. Savo ruožtu, kai temperatūra akumuliaciniame bake nukrenta žemiau nustatytosios, įsijungia šildymo katilas.

Nauju žodžiu ir efektyvia alternatyva saulės kolektoriams su šilumnešiu tapo sistemos su vakuuminiais vamzdeliais, su kurių veikimo principu ir įtaisu mes siūlome susipažinti.

Schema su saulės baterija

Būtų viliojanti pritaikyti panašią saulės baterijos prijungimo schemą prie elektros tinklo, kaip tai įgyvendinta saulės kolektoriaus atveju, kaupiant per dieną gautą energiją. Deja, privačiojo namo elektros tiekimo sistemai sukurti pakankamos talpos akumuliatorių bloką yra labai brangu. Todėl prijungimo schema atrodo taip.

Sumažėjus saulės baterijos elektros srovės galiai, AVR blokas (automatinis rezervo įjungimas) užtikrina vartotojų prijungimą prie bendrojo elektros tinklo.

Iš saulės plokščių įkrova patenka į įkrovos valdiklį, kuris atlieka keletą funkcijų: užtikrina nuolatinį akumuliatorių įkrovimą ir stabilizuoja įtampą. Toliau elektros srovė patenka į keitiklį (inverterį), kur vyksta nuolatinės srovės 12V arba 24V konvertavimas į kintamąją vienfazę srovę 220V.

Deja, mūsų elektros tinklai nėra pritaikyti energijai gauti, jie gali veikti tik viena kryptimi – iš šaltinio į vartotoją. Dėl šios priežasties Jūs negalėsite parduoti pagamintos elektros energijos ar bent priversti skaitiklį suktis atgal.

Saulės baterijų naudojimas yra naudingas tuo, kad jos suteikia universalesnės energijos rūšį, tačiau tuo pat metu negali lygintis efektyvumu su saulės kolektoriais. Tačiau pastarieji neturi galimybės kaupti energijos, skirtingai nei saulės fotoelektrinės baterijos.

Reikalingos galios skaičiavimo pavyzdys

Skaičiuojant reikalingą saulės kolektoriaus galią, labai dažnai klaidingai atliekami skaičiavimai, remiantis gaunama saulės energija šalčiausiais metų mėnesiais.

Reikalas tas, kad likusiais metų mėnesiais visa sistema nuolat perkais. Šilumnešio temperatūra vasarą saulės kolektoriaus išėjime gali siekti 200 °C kaitinant garą ar dujas, 120 °C antifrizą, 150 °C vandenį. Jei šilumnešis užvirs, jis iš dalies išgaruos. Dėl to jį teks pakeisti.

Gamintojų įmonės rekomenduoja remtis tokiais skaičiais:

• karšto vandens tiekimo užtikrinimas ne daugiau kaip 70 %;
• šildymo sistemos užtikrinimas ne daugiau kaip 30 %.

Likusią reikalingą šilumą turi pagaminti standartinė šildymo įranga. Nepaisant to, esant tokiems rodikliams per metus vidutiniškai sutaupoma apie 40 % šildymo ir karšto vandens tiekimo sąnaudų.

Vienu vakuuminės sistemos vamzdeliu pagaminama galia priklauso nuo geografinės padėties. Saulės energijos kiekis, per metus krentantis ant 1 m² žemės, vadinamas insoliacija.

Žinant vamzdelio ilgį ir skersmenį, galima apskaičiuoti apertūrą – efektyvų absorbcijos plotą. Belieka pritaikyti absorbcijos ir emisijos koeficientus, kad apskaičiuotumėte vieno vamzdelio galią per metus.

Skaičiavimo pavyzdys:

Standartinis vamzdelio ilgis yra 1800 mm, efektyvusis – 1600 mm. Skersmuo 58 mm. Apertūra – vamzdelio sukuriamas užtamsintas plotas. Taigi šešėlio stačiakampio plotas bus:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Vidutinio vamzdelio naudingumo koeficientas yra 80 %, saulės insoliacija Maskvoje yra apie 1170 kWh/m² per metus. Taigi vienas vamzdelis per metus pagamins:

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

Reikia pažymėti, kad tai labai apytikslis skaičiavimas. Pagaminamos energijos kiekis priklauso nuo įrenginio orientacijos, kampo, vidutinės metinės temperatūros ir kt.

Su visais alternatyvių energijos šaltinių tipais ir jų naudojimo būdais galite susipažinti pateiktame straipsnyje.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

1 vaizdo įrašas. Saulės kolektoriaus veikimo demonstravimas žiemos metu:

2 vaizdo įrašas. Įvairių saulės kolektorių modelių palyginimas:

Per visą savo egzistavimo laikotarpį žmonija kiekvienais metais suvartoja vis daugiau energijos. Bandymai naudoti nemokamą saulės spinduliuotę buvo daromi seniai, tačiau tik pastaruoju metu tapo įmanoma efektyviai naudoti saulę mūsų platumose. Neginčijama, kad heliosistemos yra ateitis.

Norite pranešti apie įdomias saulės šildymo organizavimo ypatybes užmiesčio name ar sodyboje? Rašykite komentarus žemiau esančiame bloke. Čia taip pat galite užduoti klausimą, palikti nuotrauką, demonstruojančią sistemos surinkimo procesą, pasidalinti naudinga informacija.