Magánház napenergiás fűtése: változatok és berendezési sémák

A “zöld” energia, melyet a természeti erők szolgáltatnak, lehetővé teszi a rezsiköltségek jelentős csökkentését. Például, ha napkollektoros fűtést épít ki egy magánházban, gyakorlatilag ingyenes hőhordozó közeggel láthatja el az alacsony hőmérsékletű radiátorokat és a padlófűtési rendszereket. Értse be, ez máris megtakarítás.

Mindent megtudhat a “zöld technológiákról” cikkünkből. Segítségünkkel könnyedén áttekintheti a napenergias berendezések típusait, kialakításuk módjait és az üzemeltetés sajátosságait. Bizonyára érdekelni fogja egyike a világon intenzíven működő, de nálunk egyelőre kevésbé elterjedt népszerű megoldásoknak.

Az Ön figyelmébe ajánlott áttekintésben elemezzük a rendszerek szerkezeti sajátosságait, részletesen ismertetjük a csatlakozási sémákat. Példát mutatunk a napfűtési kör kiszámítására, hogy reális képet kapjon a kiépítéséről. A barkácsolók munkáját fotóválogatások és videók segítik.

“Zöld” hőtermelési technológiák

Átlagosan a Föld felszínének 1 m²-e óránként 161 W napenergiát kap. Természetesen az Egyenlítőn ez a mérték sokszor magasabb, mint a sarkvidéken. Továbbá a napsugárzás sűrűsége évszaktól függ.

A Moszkvai területen a napsugárzás december–januári intenzitása több mint ötször alacsonyabb, mint a május–júliusi. A modern rendszerek azonban olyan hatékonyak, hogy gyakorlatilag bárhol a Földön működőképesek.

A modern napenergia-rendszerek borús és hideg időjárásban is hatékonyan működnek –30 °С-ig.

A napsugárzás energiájának maximális hatásfokkal történő felhasználása két módon valósul meg: közvetlen fűtés hőkollektorokban és napelemes fotovoltaikus elemek. A napelemek először a napfény energiáját elektromos árammá alakítják, majd egy speciális rendszeren keresztül a fogyasztókhoz, például egy elektromos kazánhoz juttatják.

A hőkollektorok a napfény hatására felmelegszenek, és felmelegítik a fűtési és melegvíz-rendszerek hőátadó közegét.

A napkollektorok többféle típusúak lehetnek, beleértve a nyitott és zárt rendszereket, lapos és gömb alakú szerkezeteket, félgömb alakú koncentrátor kollektorokat és sok más változatot. A napkollektorokból nyert hőenergiát meleg víz vagy a fűtési rendszer hőhordozójának melegítésére használják.

Az ipar széles választékban gyárt kollektorrendszereket a független fűtési hálózatba való beépítéshez. Azonban a legegyszerűbb nyaralói változatot nem nehéz saját kezűleg elkészíteni:

Annak ellenére, hogy egyértelmű előrelépés történt a napenergia gyűjtésére, tárolására és felhasználására szolgáló megoldások fejlesztésében, vannak előnyök és hátrányok is.

A napenergia hatékony felhasználása

A napenergia használatának legnyilvánvalóbb előnye az általános hozzáférhetőség. Valójában még a legborúsabb és legfelhősebb időben is összegyűjthető és felhasználható a napenergia.

A második előny – ez a nulla kibocsátás. Lényegében ez a legkörnyezetbarátabb és legtermészetesebb energiaforma. A napelemek és a kollektorok nem termelnek zajt. A legtöbb esetben az épületek tetejére szerelik őket, nem foglalva el a kültelek hasznos területét.

A napenergiás fűtés hatékonysága a mi széléség fokainkon meglehetősen alacsony, amit az elégtelen számú napos nap okos, ami a rendszer rendszeres működéshez szükséges.

A napenergia használatával kapcsolatos hátrányok a megvilágítás váltakozásában rejlenek. A sötét napszakban nincs mit gyűjteni, a helyzetet tovább rontja, hogy a fűtési szézón csúcs a az év legrödeb nappalaira esik. Figyelni kell a panelek optikai tiszaságára, mert a kisebb szennyeződés is drasztikusan csökkenti a hatásfokot.

Ezenkívül nem álítható, hogy a napenergiás rendszer üzemeltetése teljesen ingyenes, mivel állandó költségek merülnek fel a berendezés amortizációjára, a cirkulációs szivattyú és a vezérlőelektronika működésére.

A napkollektorok alkalmazásán alapuló fűtés lényeges hátránya, hogy nincs lehetőség a hőenergia tárolására. A rendszerben csak egy tágulási tartály található (+)

Nyitott napkollektorok

A nyitott napkollektor egy külső behatásokkal szemben nem védett csőrendszer, amelyben a nap által közvetlenül felmelegített hőhordozó kering.

Hőhordozóként vizet, gázt, levegőt vagy fagyállót használnak. A csöveket vagy tekercs formájában rögzítik a tartópanelhez, vagy párhuzamos sorokban csatlakoztatják a kimeneti csonkhoz.

A nyitott típusú napkollektorok nem képesek megbirkózni egy magánház fűtésével. A szigetelés hiánya miatt a hőhordozó gyorsan lehűl. Nyáron főként zuhanyzókban vagy medencékben használják vízmelegítésre.

A nyitott kollektorok általában nem rendelkeznek szigeteléssel. A konstrukció nagyon egyszerű, ezért alacsony a költsége, és gyakran házilag is elkészítik.

A szigetelés hiánya miatt gyakorlatilag nem tartják meg a naptól kapott energiát, alacsony a hatásfokuk. Főleg nyáron használják víz melegítésére medencékben vagy nyári zuhanyzókban.

Napos és meleg régiókban telepítik, ahol kicsi a környezeti levegő és a melegített víz hőmérsékletkülönbsége. Csak napos, szélcsendes időben működnek jól.

A legegyszerűbb napkollektor, amelynek hőelnyelője polimer csövek tekercséből készül, a nyaralóban biztosítja a meleg víz ellátását öntözésre és háztartási célokra.

Csöves kollektorváltozatok

A csöves napkollektorok egyedi csövekből épülnek fel, amelyekben víz, gáz vagy gőz kering. Ez a nyitott típusú napenergia-rendszerek egyik változata. A hőhordozó azonban már sokkal jobban védett a külső negatív hatásoktól. Különösen a termosz elvén működő vákuumos berendezésekben.

Minden cső egyenként, egymással párhuzamosan csatlakozik a rendszerhez. Ha egy cső meghibásodik, könnyen kicserélhető újra. A teljes szerkezet közvetlenül az épület tetején összeállítható, ami jelentősen megkönnyíti a telepítést.

A csöves kollektor moduláris felépítésű. Az alapelem a vákuumcső, a csövek száma 18 és 30 között változik, ami lehetővé teszi a rendszer teljesítményének pontos kiválasztását.

A csöves napkollektorok jelentős előnye az alapelemek henger alakjában rejlik, amelyeknek köszönhetően a napsugárzás egész nap felfogható anélkül, hogy drága napkövető rendszerekre lenne szükség.

A speciális többrétegű bevonat egyfajta optikai csapdát hoz létre a napsugarak számára. Az ábrán részben látható a vákuumlombik külső fala, amely a sugarakat a belső lombik falára veri vissza (+).

A csövek kialakítása alapján megkülönböztetünk tollas és koaxiális napkollektorokat.

A koaxiális cső egy Dewar-edény vagy a mindenki által ismert termosz. Két lombikból áll, amelyek között a levegőt kiszívják. A belső lombik belső felületére nagy szelektivitású bevonatot visznek fel, amely hatékonyan nyeli el a napenergiát.

Hengeres csőforma esetén a napsugarak mindig merőlegesen esnek a felületre

A hőenergia a belső szelektív rétegből átadódik a hőcsőnek vagy az alumíniumlemezekből álló belső hőcserélőnek. Ebben a szakaszban nemkívánatos hőveszteségek lépnek fel.

A tollas cső egy üveghenger, amelybe egy tollas abszorbert helyeztek.

A rendszer a nevét a tollas abszorberről kapta, amely szorosan körülveszi a hővezető fémből készült hőcsatornát.

A jó hőszigetelés érdekében a csőből kiszívják a levegőt. A hőátadás az abszorberből veszteség nélkül történik, ezért a tollas csövek hatékonysága magasabb.

A hőátadás módja szerint két rendszer létezik: átfolyós és hőcsöves (heat pipe). A hőcső egy lezárt edény, amelyben könnyen párolgó folyadék van.

Mivel a könnyen párolgó folyadék természetes módon a hőcső aljára folyik, a minimális dőlészög 20°.

A hőcső belsejében könnyen párolgó folyadék található, amely a lombik belső faláról vagya tollas abszorberről veszi át a hőt. A hőmérséklet hatására a folyadék felforr, és gőz formájában felszáll. Miután a hőt átadta a fűtési vagy melegvíz-rendszer hőhordozójának, a gőz lecsapódik folyadékká, és lefolyik.

Könnyen párolgó folyadékként gyakran alacsony nyomású vizet használnak. Az átfolyó rendszerben U-alakú cső található, amelyben víz vagya fűtési rendszer hőhordozója cirkulál.

Az U-alakú cső egyik fele a hideg hőhordozó számára szolgál, a másik a felmelegedettet vezeti el. Melegítés hatására a hőhordozó kitágul, és a tárolótartályba áramlik, biztosítva a természetes cirkulációt. A hőcsöves rendszerekhez hasonlóan a minimális dőlésszögnek legalább 20⁰-nak kell lennie.

Átfolyó rendszerű csatlakozás esetén a rendszerben a nyomás nem lehet magas, mivel a lombik belsejében műszaki vákuum van.

Az átfolyó rendszerek hatékonyabbak, mivel azonnal felmelegítik a hőhordozót. Ha a napkollektor-rendszereket egész éves használatra tervezik, akkor speciális fagyálló folyadékot töltenek beléjük.

A csöves napkolektorok alkalmazásának számo előnye és hátránya van. A csöves napkollektor szerkezete azonos elemekből áll, amelyek viszonylag könnyen cserélhetők.

Előnyei:

• alacsony hőveszteség;
• képesség akár -30 °C hőmérsékletén való működésre;
• hatékony teljesítmény a teljes nappali időszak alatt;
• jó működőképesség mérsékelt és hideg éghajlatú területeken;
• alacsony szélterhelés, amely a csőrendszerek azon tulajdonságán alapul, hogy átengedik magukon a légtömegeket;
• a hőhordozó magas hőmérsékletének előállítási lehetősége.

Szerkezetileg a csöves kialakítás korlátozott apertúrafelülettel rendelkezik.

A következő hátrányokkal rendelkezik:

• nem képes a hó, jég és dér öntisztítására;
• magas költség.

A kezdetben magas költség ellenére a csöves kollektorok gyorsabban megtérülnek. Hosszú éllettartammal rendelkeznek.

A csőves kollektorok nyitott típusú naphőberendezések közé tartoznak, ezért nem alklmasak egész éves használatra fűtési rendszerekben (+)

Síkkollektoros zárt rendszerek

A sík kollektor alımínium vázból, egy különleges elnyelő rétegből – abszorberből, átlátó burkolatból, csővezetékből és szigetelésből áll.

Abszorbensként feketített rézlemezt használnak, amely ideális hővezető képességgel rendelkezik napenergia-rendszerek építéséhez. A napenergia elnyelésekor az abszorbens által felvett napenergia átadódik a hőhordozónak, amely az abszorbenshez csatlakozó csőrendszerben kering.

A zárt panel külső oldalát átlátszó burkolat védi. Ütésálló edzett üvegből készült, amelynek áteresztési sávja 0,4-1,8 μm. Erre a tartományra esik a napsugárzás maximuma. Az ütésálló üveg j ó védelmet nyújt a jégeső ellen. A panel hátoldala teljesen hőszigetelt.

A lapos napkollektorok maximális hatékonysággal és egyszerű szerkeztel rendelkeznek. Hatásfokukat az abszorbens alkalmazása növeli. Képesek a szórt és közvetlen napsugárzás felfogására.

A zárt lapos panelek előnyei közé sorolhatók:

• egyszerű szerkezet;
• jó teljesítmény meleg éghajlatú régiókban;
• bármilyen szögben történő telepítés lehetősége dőlésszög-változtató eszközök megléte esetén;
• önmagától megtisztuló képesség hótól és dértől;
• alacsony ár.

A lapos napkollektorok különösen előnyösek, ha alkalmazásukat már a tervezés szakaszában betervezik. A minőségi termékek élettartama 50 év.

A hátrányok közé sorolhatók:

• nagy hőveszteség;
• nagy tömeg;
• nagy szélterhelés, ha a panelek a horizonthoz képest szögben helyezkednek el;
• teljesítménykorlátozások 40°C-nál nagyobb hőmérséklet-ingadozás esetén.

A zárt kollektorok alkalmazási területe sokkal szélesebb, mint a nyitott típusú szoláris berendezéseké. Nyáron teljes mértékben ki tudják elégíteni a melegvíz-szükségletet. Hűvösebb napokon, amelyeket a közműszolgáltatók nem számítanak be a fűtési időszakba, helyettesíthetik a gáz- és elektromos fűtőberendezéseket.

Azoknak, akik saját kezűleg szeretnének napkollektort készíteni a nyaraló fűtésének kialakításhoz, ajánljuk, hogy ismerkedjenek meg a gyakorlatban bevált rajzokkal és lépésről lépésre haladó összeszerelési utasításokkal.

Napkollektorok jellemzőinek összehasonlítása

A napkollektor legfontosabb mutatója a hatásfok. A különböző szerkezű napkollektorok hasznos teljesítménye a hőmérsékletkülönbségtől függ. A lapos kollektorok ugyanakkor lényegesen olcsóbbak, mint a csövesek.

A hatásfok értékei a napkollektor gyártási minőségétől függenek. A grafikón célja, hogy bemutassa a különböző rendszerek alkalmazásának hatékonyságát a hőmérséklet-különbség függvényében.

A napkollektor kiválasztásakor érdemes figyelni számos olyan paraméterre, amelyek a készülék hatékonyságát és teljesítményét mutaják.

A napkollektoroknak több fontos jellemzője van:

• Az abszorpciós tényező – az elnyelt energia és a teljes energia arányát mutatja;
• kibocsátási együttható – a leadott energia és az elnyelt energia arányát mutatja;
• teljes és apertúra felület;
• Hatásfok.

Az apertúra felület a napkollektor munkafelülete. A sík kollektor esetén az apertúra felület maximális. Az apertúra felület megegyezik az abszorber felületével.

Csatlakozási módok a fűtési rendszerhez

Mivel a napenergiával működő berendezések nem képesek stabil és éjjel-nappali energiaellátást biztosítani, olyan rendszerre van szükség, amely ellenáll ezeknek a hiányosságoknak.

Oroszország középső sávjában a napenergia-berendezések nem garantálhatnak stabil energiaellátást, ezért kiegészítő rendszerként használják őket. A meglévő fűtési és melegvíz-rendszerbe való integrálás eltér a napkollektor és a napelem esetében.

Víz alapú kollektoros séma

A hőkollektor felhasználási céljától függően különböző csatlakozási rendszereket alkalmaznak. Többféle változat lehetséges:

1. Nyári változat melegvíz-ellátáshoz
2. Téli változat fűtéshez és melegvíz-ellátáshoz

A nyári változat a legegyszerűbb, és akár keringető szivattyú nélkül is működhet, a víz természetes cirkulációját használva.

A víz a napkollektorban felmelegszik, és a hőtágulás következtében a tárolótartályba vagy bojlerbe áramlik. Eközben természetes cirkuláció megy végbe: a tartályból a meleg víz helyére hideg víz szívódik be.

Télen, nulla fok alatti hőmérsékleten a víz közvetlen melegítése nem lehetséges. Zárt körben speciális fagyálló folyadék kering, biztosítva a hő átvitelét a kollektortól a tartályban lévő hőcserélőhöz.

Mint minden természetes cirkuláción alapuló rendszer, nem működik túl hatékonyan, mivel be kell tartani a szükséges lejtéseket. Ezenkívül a tárolótartálynak magasabban kell lennie, mint a napkollektor. Ahhoz, hogy a víz a lehető leghosszabb ideig meleg maradjon, a tartályt alaposan szigetelni kell.

Ha Ön valóban el akarja érni a napkollektor maximális hatékonyságát, a csatlakozási séma bonyolultabbá válik.

Annak érdekében, hogy a kollektor éjszaka ne váljon hűtőradiátorrá, a víz cirkulációját kényszerítetten le kell állítani.

A napkollektor rendszerében nem fagyó hőhordozó kering. A kényszerített cirkulációt egy vezérlő által irányított szivattyú biztosítja.

A vezérlő a cirkulációs szivattyú működését legalább két hőmérséklet-érzékelő jelzései alapján szabályozza. Az első érzékelő a tárolótartályban méri a hőmérsékletet, a második – a napkollektor forró hőhordozó betápláló csövén.

Amint a tartályban lévő hőmérséklet meghaladja a hűtőfolyadék hőmérsékletét, a kollektorban lévő vezérlő kikapcsolja a keringető szivattyút, ezzel megszüntetve a hűtőfolyadék keringését a rendszerben. Ezzel szemben, amikor a tárolótartály hőmérséklete az előírt érték alá csökken, bekapcsol a fűtőkazán.

A hűtőfolyadékos napkollektorok új és hatékony alternatívájává váltak a vákuumcsöves rendszerek, melyek működési elvével és felépítésével szeretnénk megismertetni Önt.

Napelemes séma

Csábító lenne egy hasonló napelem-bekötési sémát alkalmazni az elektromos hálózatra, ahogy az a napkollektor esetében megvalósul, felhalmozva a nap folyamán beérkező energiát. Sajnos egy családi ház energiaellátó rendszeréhez elegendő kapacitású akkumulátorblokk létrehozása nagyon drága. Ezért a bekötési séma a következőképpen néz ki.

Amikor a napelem elektromos áramának teljesítménye csökken, az ATS (automatikus tartalék kapcsolás) egység biztosítja a fogyasztók csatlakozását a közös elektromos hálózatra.

A napelemekről a töltés a töltésvezérlőre érkezik, amely több funkciót lát el: biztosítja az akkumulátorok folyamatos újratöltését és stabilizálja a feszültséget. Ezután az elektromos áram az inverterre kerül, ahol a 12V vagy 24V egyenáram 220V-os egyfázisú váltakozó árammá alakul.

Sajnos az elektromos hálózataink nem alkalmasak az energia fogadására, csak egy irányba, a forrástól a fogyasztó felé tudnak működni. Emiatt Ön nem tudja eladni a megtermelt villamos energiát, vagy akár csak visszafelé pörgetni a mérőórát.

A napelemek használata azért előnyös, mert univerzálisabb energiaformát biztosítanak, ugyanakkor hatékonyságban nem vehetik fel a versenyt a napkollektorokkal. Az utóbbiak azonban nem képesek energiát tárolni, ellentétben a napelemekkel.

Példa a szükséges teljesítmény kiszámítására

A szükséges napkollektor-teljesítmény kiszámításakor nagyon gyakran tévesen az év leghidegebb hónapjaiban érkező napenergiából indunak ki.

A probléma az, hogy az év többi hónapjában az egész rendszer folyamatosan túlmelegszik. A hőhordozó hőmérséklete nyáron a napkollektor kimenetén elérheti a 200°C-ot gőz vagy gáz esetén, 120°C-ot fagyálló, 150°C-ot víz esetén. Ha a hőhordozó fellowr, részben elpárolog, ezért ki kell cserélni.

A gyártócégek a következő számokból javasolnak kiindulni:

• a melegvíz-ellátás biztosítása legfeljebb 70%;
• a fűtési rendszer biztosítása legfeljebb 30%.

A fennmaradó szükséges hőt a szokásos fűtőberendezésnek kell termelnie. Ennek ellenére ilyen mutatók mellet évintte átlagosan mintegy 40% takarítható meg a fűtésen és a melegvíz-ellátáson.

A vákuumrendszer egy csöve által termelt teljesítmény a földrajzi elhelyezkedéstől függ. Az évente 1 m² földre eső napenergia mutatóját inszolációnak nevezik.

A cső hosszának és átmérőjének ismeretében kiszámítható az apertúra – a hatékony elnyelési terület. Már csak az abszorpciós és emissziós együtthatókat kell alkalmazoni egy cső éves teljesítményének kiszámításához.

Számítási példa:

A cső szabványos hossza 1800 mm, effektív hossza 1600 mm. Átmérője 58 mm. Az apertúra a cső által létrehozott árnyékolt terület. Így az árnyék téglalapjának területe:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Egy átlagos cső hatásfoka 80%, a moszkvai napsugárzás évente mintegy 1170 kWh/m². Így egy cső évente termel:

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

Meg kell jegyezni, hogy ez egy nagyon hozzávetőleges számítás. A termelt energia mennyisége függ a berendezé s tájolásától, szögétől, az éves átlaghőmér séklettől stb.

A cikkben Ön megismerkedhet az alternatív energiaforrások minden fajtájával és használatuk módjaival.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

1. videó: A napkolektor működésének bem utatása télen:

2. videó: Különböző napkolektor-modellek öszehasonlítása:

Az emberiség fenallása során évről évre egyre több energiát fogyaszt. A ingyenes napsugárzás hasznosítására tett kiséerletek már régen megkezdődtek, de csak az utóbbi időben vált lehetővé a nap hatékony kihasználása a mi szélességi kör einken. Kétségtelen, hogy a jóvő a napenergia-rendszereké.

Szeretne bes zámolni a vidéki ház vagy nyaraló napkolektoros fűtésének megszervezésével kapcsolat os érdekes jelenlegiek? Kérem, írjon kommentárokat az alábbi blokkban. Itt lehet kérdést feltenni, fotót megosztani a rendszer öszeeszerelési folyamatáról, hasznos inf ormációkkal megosztani.