Solvarme til privat hus: muligheder og konstruktionsdiagrammer

Brugen af “grøn” energi, leveret af naturens elementer, gør det muligt at reducere forsyningsomkostningerne betydeligt. Hvis du f.eks. installerer solvarme i et privat hjem, vil du levere praktisk talt gratis varmebærer til lavtemperaturradiatorer og gulvvarmesystemer. Enig, det er allerede en besparelse.

Alt om “grønne teknologier” kan du læse i vores artikel. Med vores hjælp kan du nemt lære om de forskellige solfangeranlæg, deres opbygning og driftsmæssige særpræg. Du vil sikkert interessere dig for en af de populære løsninger, der anvendes intensivt i verden, men endnu ikke er særligt udbredt her.

I den præsenterede gennemgang gennemgås systemernes konstruktive egenskaber, og tilslutningsdiagrammerne beskrives detaljeret. Der gives et eksempel på beregning af et solvarmekredsløb for at vurdere realiteterne ved opbygningen. Til hjælp for gør-det-selv-folk medfølger fotosamlinger og videoer.

“Grønne” teknologier til varme

I gennemsnit modtager 1 m² af jordens overflade 161 W solenergi i timen. Selvfølgelig er dette tal mange gange højere ved ækvator end i polaregnene. Desuden afhænger solstrålingens intensitet af årstiden.

I Moskva-området er solstrålingens intensitet i december-januar mere end fem gange lavere end i maj-juli. Moderne systemer er dog så effektive, at de kan fungere næsten overalt på jorden.

Moderne solvarmesystemer kan arbejde effektivt i overskyet og koldt vejr ned til -30°C

Opgaven med at udnytte solstrålingsenergi med maksimal virkningsgrad løses på to måder: direkte opvarmning i termiske solfangere og solcellepaneler. Solcellepaneler omdanner først solstrålingsenergi til elektricitet, som derefter via et specielt system overføres til forbrugerne, f.eks. en el-kedel.

Termiske solfangere opvarmer ved at opvarmes af solens stråler varmebæreren i varme- og varmtvandssystemer.

Termiske solfangere findes i flere typer, herunder åbne og lukkede systemer, flade og sfæriske konstruktioner, halvkugleformede koncentratorer og mange andre varianter. Den termiske energi, der opnås fra solfangerne, bruges til opvarmning af brugsvand eller varmebærer i varmesystemet.

Industrien producerer et bredt udvalg af solfangersystemer, der kan indgå i et uafhængigt varmenet. Den enkleste version til sommerhuset er dog nem at lave selv:

På trods af den tydelige fremgang i udviklingen af løsninger til indsamling, lagring og brug af solenergi, er der fordele og ulemper.

Effektiv udnyttelse af solenergi

Den mest åbenlyse fordel ved at bruge solenergi er dens tilgængelighed. Faktisk kan solenergi indsamles og bruges selv i det mest grå og overskyede vejr.

Den anden fordel – er nul udledning. I bund og grund er dette den mest miljøvenlige og naturlige energiform. Solpaneler og solfangere producerer ingen støj. I de fleste tilfælde installeres de på tagene af bygninger og optager ikke nyttig plads på landet.

Effektiviteten af solvarme på vores breddegrader er ret lav, hvilket skyldes et utilstrækkeligt antal solskinsdage til regelmæssig drift af systemet (+)

Ulemperne ved at bruge solenergi består i den ujævne belysning. I mørket er der intet at indsamle, og situationen forværres af, at fyringssæsonens højdepunkt falder på årets korteste dage. Det er nødvendigt at holde panelerne optisk rene, da selv en lille forurening drastisk reducerer virkningsgraden.

Derudover kan man ikke sige, at driften af et solenergisystem er helt gratis; der er løbende omkostninger til afskrivning af udstyr, drift af cirkulationspumpen og styreelektronikken.

En væsentlig ulempe ved opvarmning baseret på solfangere er manglen på mulighed for at lagre termisk energi. Kun en ekspansionsbeholder er inkluderet i kredsløbet (+)

Åbne solfangere

En åben solfanger er et system af rør, der ikke er beskyttet mod ydre påvirkninger, og hvor der cirkulerer et varmemedie, der opvarmes direkte af solen.

Som varmemedie anvendes vand, gas, luft, frostvæske. Rørene fastgøres enten på en bærende plade i form af en spiral eller tilsluttes i parallelle rækker til udløbsstudsen.

Solfangere af åben type kan ikke klare opvarmning af et privat hus. På grund af manglende isolering afkøles varmemediet hurtigt. De bruges om sommeren hovedsageligt til opvarmning af vand i brusere eller swimmingpools.

Åbne solfangere har normalt ingen isolering. Konstruktionen er meget enkel, derfor har den en lav pris og fremstilles ofte selv.

På grund af manglende isolering bevarer de stort set ikke den modtagne solenergi og har lav virkningsgrad. De anvendes hovedsageligt om sommeren til opvarmning af vand i swimmingpools eller udendørs brusere.

De installeres i solrige og varme regioner med små temperaturforskelle mellem omgivende luft og opvarmet vand. De fungerer kun godt i solrigt, vindstille vejr.

Den enkleste solfanger med en varmeabsorber lavet af en rulle polymerrør vil levere opvarmet vand på sommerhuset til vanding og husholdningsbehov.

Rørsolfangere

Rørformede solfangere samles af individuelle rør, som cirkulerer vand, gas eller damp. Dette er en af varianterne af åbne solvarmesystemer. Dog er varmebæreren nu meget bedre beskyttet mod ydre påvirkninger. Især i vakuumindretninger, der er bygget efter termokandeprincippet.

Hvert rør tilsluttes systemet individuelt, parallelt med hinanden. Hvis et rør går i stykker, kan det let udskiftes med et nyt. Hele konstruktionen kan samles direkte på bygningens tag, hvilket letter installationen betydeligt.

Rørformet solfanger har en modulær struktur. Hovedelementet er et vakuumrør, antallet af rør varierer fra 18 til 30, hvilket gør det muligt at vælge systemets kapacitet præcist.

En stor fordel ved rørformede solfangere er den cylindriske form af hovedelementerne, som gør, at solstrålingen fanges hele den lyse dag uden brug af dyre sporingssystemer til solens bevægelse.

En speciel flerlagsbelægning skaber en slags optisk fælde for solstrålerne. Diagrammet viser delvist den ydre væg af vakuumkolben, som reflekterer strålerne på den indre kolbes vægge (+)

Efter rørkonstruktion skelner man mellem fjer- og koaksiale solfangere.

Et koaksialrør er en Dewar-beholder eller en velkendt termokande. Det er lavet af to kolber med vakuum imellem. På den indre overflade af den inderste kolbe er der påført en højselektiv belægning, der absorberer solenergi effektivt.

Med rørets cylindriske form falder solstrålerne altid vinkelret på overfladen

Varmeenergien fra det indre selektive lag overføres til et varmerør eller indre varmeveksler af aluminiumsplader. På dette trin sker uønsket varmetab.

Et fjerrør består af en glascylinder med en fjerabsorber indeni.

Systemet har fået sit navn fra fjerabsorberen, som omslutter varmekanalen i varmeledende metal tæt.

For god varmeisolering er luften pumpet ud af røret. Varmeoverførsel fra absorbersiden sker uden tab, derfor er effektiviteten af fjerør højere.

Efter varmeoverførselsmetode er der to systemer: gennemstrømnings- og med varmerør (heat pipe). Varmerøret er en forseglet beholder med en letfordampelig væske.

Da den letfordampende væske naturligt løber ned til bunden af termorøret, er den minimale hældningsvinkel 20° C

Inde i termorøret er der en letfordampende væske, som modtager varme fra den indre væg af kolben eller fra en fjerabsorbator. Under påvirkning af temperaturen koger væsken og stiger op som damp. Efter at varmen er afgivet til varmebæreren til opvarmning eller varmt vand, kondenserer dampen til væske og løber ned igen.

Som letfordampende væske anvendes ofte vand ved lavt tryk. I et gennemstrømningssystem anvendes et U-formet rør, hvorigennem vand eller varmebæreren fra varmesystemet cirkulerer.

Den ene halvdel af det U-formede rør er til den kolde varmebærer, den anden leder den opvarmede væk. Når varmebæreren opvarmes, udvider den sig og går ind i lagertanken, hvilket sikrer naturlig cirkulation. Ligesom i systemer med termorør skal den minimale hældningsvinkel være mindst 20⁰.

Ved gennemstrømningsforbindelse kan trykket i systemet ikke være højt, da der er teknisk vakuum inde i kolben.

Gennemstrømningssystemer er mere effektive, da de opvarmer varmebæreren med det samme. Hvis solfangersystemer er planlagt til brug året rundt, pumpes specielle frostvæsker ind i dem.

Anvendelsen af rørformede solfangere har en række fordele og ulemper. Konstruktionen af en rørformet solfanger består af identiske elementer, som er relativt lette at udskifte.

Fordele:

• lave varmetab;
• evne til at fungere ved temperaturer ned til -30⁰C;
• effektiv ydelse i løbet af hele dagslyset;
• god funktionsevne i områder med tempereret og koldt klima;
• lav vindpåvirkning, begrundet i rørsystemets evne til at lade luftmasser passere igennem sig;
• mulighed for at producere høj temperatur på varmebæreren.

Konstruktionsmæssigt har rørkonstruktionen en begrænset aperturoverflade.

Har følgende ulemper:

• ikke i stand til selvrensning fra sne, is og rim;
• høj pris.

På trods af den oprindeligt høje pris betaler rørformede solfangere sig hurtigere tilbage. De har en lang levetid.

Rørformede solfangere tilhører åbne solvarmeanlæg, derfor er de ikke egnede til helårsbrug i varmesystemer (+)

Flade lukkede solfangere

En flad solfanger består af en aluminiumsramme, et specielt absorberende lag – en absorbator, et transparent dæksel, rørledning og isolering.

Som absorber anvendes sortbelagt kobberplade, som har ideel varmeledningsevne til solfangere. Når solenergi absorberes, overføres den modtagne solenergi til varmebæreren, som cirkulerer i rørsystemet tæt på absorbatoren.

Ydersiden af lukket panel er beskyttet med et gennemsigtigt dæksel. Det er lavet af stød- og haglsikkert hærdet glas med transmissionsbånd på 0,4-1,8 µm. Dette område dækker maksimal solstråling. Det stød- og haglsikre glas giver god beskyttelse mod hagl. Bagpå er panelet godt isoleret.

Flade solfangere har maksimal ydeevne og enkel konstruktion. Deres virkningsgrad forbedres ved brug af absorber. De kan opsamle spredt og direkte solstråling.

Fordelene ved lukkede flade paneler omfatter:

• enkel konstruktion;
• god ydeevne i regioner med varmt klima;
• mulighed for montering i enhver vinkel med passende justeringsanordninger;
• evne til selvrensning for sne og rimfrost;
• lav pris.

Flade solfangere er særligt fordelagtige, hvis deres anvendelse planlægges allerede i designfasen. Kvalitetsprodukter har en levetid på 50 år.

Ulemperne omfatter:

• høje varmetab;
• stor vægt;
• høj vindfølsomhed, når panelerne placeres i vinkel til horisonten;
• begrænset ydeevne ved temperaturforskelle over 40°C.

Anvendelsesområdet for lukkede solfangere er meget bredere end for åbne solfangeranlæg. Om sommeren kan de helt dække behovet for varmt vand. På kølige dage, der ikke er inkluderet i varmesæsonen af forsyningstjenesterne, kan de fungere i stedet for gas- og elvarmeapparater.

For dem, der ønsker at bygge en solfanger selv til opvarmning af sommerhuset, foreslår vi at læse gennemprøvede diagrammer og trinvise samlevejledninger.

Sammenligning af solfangernes egenskaber

Den vigtigste parameter for en solfanger er virkningsgraden. Nytteydelsen for solfangere med forskellige konstruktioner afhænger af temperaturforskellen. Flade solfangere er dog betydeligt billigere end rørformede.

Virkningsgradsværdierne afhænger af solfangerens fremstillingskvalitet. Formålet med diagrammet er at vise effektiviteten af forskellige systemer afhængigt af temperaturforskellen.

Når du vælger en solfanger, bør du være opmærksom på en række parametre, der viser enhedens effektivitet og effekt.

Der er flere vigtige egenskaber for solfangere:

• absorptionskoefficient – viser forholdet mellem absorberet energi og total energi;
• emissionskoefficient – viser forholdet mellem transmitteret energi og absorberet energi;
• samlet areal og aperturareal;
• Virkningsgrad.

Aperturareal er det aktive areal af en solfanger. For en flad solfanger er aperturarealet maksimalt. Aperturarealet er lig med absorbserens areal.

Tilslutningsmetoder til varmesystemet

Da solenergianlæg ikke kan levere en stabil og døgnkontinuerlig energiforsyning, er der behov for et system, der er modstandsdygtigt over for disse ulemper.

For det centrale Rusland kan solenergianlæg ikke garantere en stabil energitilførsel, så de bruges som et supplement. Integrationen i det eksisterende varme- og varmtvandssystem er forskellig for en solfanger og et solcelleanlæg.

Diagram med vandbaseret solfanger

Afhængigt af formålet med varmekollektoren anvendes forskellige tilslutningssystemer. Der kan være flere muligheder:

1. Sommervariant til varmtvand
2. Vintervariant til opvarmning og varmtvand

Sommervarianten er den simpleste og kan endda fungere uden cirkulationspumpe ved at udnytte naturlig vandcirkulation.

Vandet opvarmes i solfangeren og strømmer på grund af termisk udvidelse til en akkumulatortank eller vandvarmer. Der opstår naturlig cirkulation: koldt vand suges ind fra tanken, når det varme vand forlader den.

Om vinteren ved minusgrader er direkte opvarmning af vand ikke mulig. I et lukket kredsløb cirkulerer en speciel frostvæske, som overfører varme fra solfangeren til varmeveksleren i tanken.

Som ethvert system baseret på naturlig cirkulation fungerer det ikke særlig effektivt og kræver overholdelse af nødvendige hældninger. Desuden skal akkumulatortanken være højere end solfangeren. For at holde vandet varmt så længe som muligt, skal tanken isoleres omhyggeligt.

Hvis du virkelig ønsker at opnå den mest effektive drift af solfangeren, bliver tilslutningsdiagrammet mere komplekst.

For at solfangeren ikke bliver til en køleradiator om natten, skal vandcirkulationen stoppes tvunget.

I solfangersystemet cirkulerer en frostsikker varmebærer. Tvangscirkulationen sikres af en pumpe styret af en controller.

Controlleren styrer cirkulationspumpen baseret på aflæsninger fra mindst to temperaturfølere. Den første føler måler temperaturen i akkumulatortanken, den anden – på tilførselsrøret for den varme varmebærer fra solfangeren.

Så snart temperaturen i tanken overstiger varmebærerens temperatur, slukker regulatoren i solfangeren cirkulationspumpen og stopper cirkulationen af varmebæreren i systemet. Omvendt, når temperaturen i lagertanken falder under den indstillede værdi, tændes varmekedlen.

Et nyt ord og et effektivt alternativ til solfangere med varmebærer er systemer med vakuumrør, hvis funktionsprincip og opbygning vi foreslår at sætte sig ind i.

Diagram med solcelleanlæg

Det ville være fristende at anvende et lignende tilslutningsdiagram for solcellepanel til elnettet, som det er implementeret i tilfældet med en solfanger, ved at oplagre den energi, der er kommet i løbet af dagen. Desværre er det meget dyrt at oprette et batteribank med tilstrækkelig kapacitet til et privat hjems elforsyningssystem. Derfor ser tilslutningsdiagrammet ud som følger.

Når den elektriske strømstyrke fra solcellepanelet falder, sikrer AVR-enheden (automatisk reservekobling) at forbrugerne tilsluttes det almindelige elnet.

Fra solcellepanelerne går ladningen til en laderegulator, der udfører flere funktioner: sikrer konstant opladning af batterierne og stabiliserer spændingen. Derefter går den elektriske strøm til en inverter, hvor jævnstrøm på 12V eller 24V omdannes til 220V enkelfaset vekselstrøm.

Desværre er vores elnet ikke indrettet til at modtage energi; de kan kun fungere i én retning fra kilde til forbruger. Af denne grund kan du ikke sælge den producerede elektricitet eller i det mindste få måleren til at køre den modsatte vej.

Brugen af solcellepaneler er fordelagtig, fordi de leverer en mere alsidig form for energi, men de kan ikke måle sig med solfangere i effektivitet. Sidstnævnte har dog ikke mulighed for at lagre energi i modsætning til solcellepaneler.

Eksempel på beregning af nødvendig effekt

Ved beregning af den nødvendige effekt for en solfanger laver man ofte fejl ved at tage udgangspunkt i den indkommende solenergi i de koldeste måneder af året.

Sagen er, at systemet i de øvrige måneder af året konstant vil blive overophedet. Temperaturen af varmebæreren om sommeren ved udgangen af solfangeren kan nå 200°C ved opvarmning af damp eller gas, 120°C for frostvæske, 150°C for vand. Hvis varmebæreren koger, vil den delvist fordampe. Som følge heraf skal den udskiftes.

Producenterne anbefaler at tage udgangspunkt i følgende tal:

• dækning af varmtvandsforsyning højst 70%;
• dækning af varmesystem højst 30%.

Den resterende nødvendige varme skal produceres af standard varmeudstyr. Ikke desto mindre spares der ved sådanne værdier i gennemsnit omkring 40% om året på varme og varmtvandsforsyning.

Effekten fra et enkelt rør i et vakuumsystem afhænger af den geografiske placering. Indikatoren for solenergi, der falder pr. år på 1 m² jord, kaldes insolering.

Ved at kende rørets længde og diameter kan man beregne aperturen – det effektive absorptionsareal. Det er så tilbage at anvende absorptions- og emissionskoefficienter for at beregne effekten af et enkelt rør om året.

Eksempel på beregning:

Standard rørlængde er 1800 mm, effektiv – 1600 mm. Diameter 58 mm. Apertur – det skyggefulde område skabt af røret. Således vil arealet af skyggerektanglet være:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Virkningsgraden for et gennemsnitligt rør er 80%, solinsolering for Moskva er omkring 1170 kWh/m² om året. Således vil et enkelt rør producere om året:

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

Det skal bemærkes, at dette er en meget omtrentlig beregning. Mængden af produceret energi afhænger af installationens orientering, vinkel, gennemsnitlig årstemperatur osv.

Med alle typer af alternative energikilder og måder at bruge dem på, kan du blive bekendt i den præsenterede artikel.

Konklusioner og nyttig video om emnet

Video #1. Demonstration af solfangerens funktion om vinteren:

Video #2. Sammenligning af forskellige modeller af solfangere:

Gennem hele sin eksistens har menneskeheden forbrugt mere og mere energi hvert år. Forsøg på at bruge gratis solstråling har været gjort længe, men først for nylig er det blevet muligt effektivt at udnytte solen på vores breddegrader. Der er ingen tvivl om, at fremtiden tilhører solsystemerne.

Vil du fortælle om interessante funktioner ved indretning af solvarme til et landsted eller sommerhus? Skriv venligst kommentarer i boksen nedenfor. Her kan du også stille et spørgsmål, efterlade et billede med demonstration af systemets monteringsproces og dele nyttige oplysninger.