Riscaldamento solare per una casa privata: opzioni e schemi di installazione

L’uso dell’energia “verde” fornita dagli elementi naturali consente di ridurre notevolmente le spese per le utenze. Ad esempio, realizzando il riscaldamento solare di una casa privata, potrete alimentare con un vettore termico praticamente gratuito i radiatori a bassa temperatura e gli impianti di riscaldamento a pavimento. Concorderete che è già un risparmio.

Tutto sulle “tecnologie verdi” lo scoprirete nell’articolo che vi proponiamo. Con il nostro aiuto comprenderete facilmente le tipologie di impianti solari, le modalità di realizzazione e le specifiche di funzionamento. Sicuramente vi interesserà una delle varianti più diffuse, largamente impiegate nel mondo ma non ancora molto richieste nel nostro paese.

Nella rassegna che vi presentiamo sono analizzate le caratteristiche costruttive dei sistemi e sono descritti in dettaglio gli schemi di collegamento. Viene fornito un esempio di calcolo del circuito di riscaldamento solare per valutare la fattibilità della sua realizzazione. A supporto degli artigiani del fai-da-te sono allegate gallerie fotografiche e video.

“Tecnologie verdi” per la produzione di calore

In media 1 m² di superficie terrestre riceve 161 W di energia solare all’ora. Naturalmente, all’equatore questo valore sarà molte volte superiore rispetto alle regioni polari. Inoltre, la densità della radiazione solare dipende dalla stagione.

Nella regione di Mosca l’intensità della radiazione solare tra dicembre e gennaio è oltre cinque volte inferiore rispetto a maggio-luglio. Tuttavia, i sistemi moderni sono così efficienti da poter funzionare praticamente ovunque sulla terra.

I moderni sistemi solari sono in grado di funzionare efficacemente con tempo nuvoloso e freddo fino a -30 °C

Il problema dell'utilizzo dell'energia della radiazione solare con la massima efficienza si risolve in due modi: il riscaldamento diretto nei collettori termici e i pannelli solari fotovoltaici. I pannelli solari dapprima convertono l'energia dei raggi solari in elettricità, poi la trasmettono attraverso un sistema speciale ai consumatori, ad esempio una caldaia elettrica.

I collettori termici, riscaldandosi sotto l’azione dei raggi solari, riscaldano il fluido termovettore degli impianti di riscaldamento e di acqua calda sanitaria.

I collettori termici sono di vari tipi, tra cui sistemi aperti e chiusi, strutture piane e sferiche, collettori concentratori semisferici e molte altre varianti. L'energia termica ottenuta dai collettori solari viene utilizzata per riscaldare l'acqua calda sanitaria o il fluido termovettore dell'impianto di riscaldamento.

L'industria produce un'ampia gamma di sistemi a collettori per l'integrazione in una rete di riscaldamento indipendente. Tuttavia, è facile realizzare da sé la versione più semplice per una casa di campagna:

Nonostante il chiaro progresso nello sviluppo di soluzioni per la raccolta, l'accumulo e l'utilizzo dell'energia solare, ci sono vantaggi e svantaggi.

Uso efficiente dell’energia solare

Il vantaggio più evidente dell'uso dell'energia solare è la sua accessibilità universale. In effetti, anche con il tempo più cupo e nuvoloso, l'energia solare può essere raccolta e utilizzata.

Il secondo vantaggio – sono le zero emissioni. In sostanza, è il tipo di energia più ecologico e naturale. I pannelli solari e i collettori non producono rumore. Nella maggior parte dei casi vengono installati sui tetti degli edifici, senza occupare superficie utile del terreno di campagna.

L'efficienza del riscaldamento solare alle nostre latitudini è piuttosto bassa, a causa del numero insufficiente di giorni di sole per il funzionamento regolare del sistema (+).

Gli svantaggi legati all'uso dell'energia solare risiedono nell'irregolarità dell'illuminazione. Nelle ore buie non c'è nulla da raccogliere, e la situazione è aggravata dal fatto che il picco della stagione di riscaldamento cade nei giorni con le ore di luce più brevi dell'anno. È necessario mantenere la pulizia ottica dei pannelli; anche una leggera sporcizia riduce drasticamente l'efficienza.

Inoltre, non si può dire che il funzionamento di un sistema a energia solare sia completamente gratuito: ci sono costi costanti per l'ammortamento delle attrezzature, il funzionamento della pompa di circolazione e dell'elettronica di controllo.

Un grave svantaggio del riscaldamento basato sull'uso di collettori solari è l'impossibilità di accumulare energia termica. Nello schema è incluso solo un vaso di espansione (+).

Collettori solari aperti

Un collettore solare aperto è un sistema di tubi non protetto dalle influenze esterne, attraverso i quali circola il fluido termovettore riscaldato direttamente dal sole.

Come fluido termovettore vengono utilizzati acqua, gas, aria, antigelo. I tubi sono fissati su un pannello portante a forma di serpentino oppure collegati in file parallele al tubo di uscita.

I collettori solari aperti non sono in grado di gestire il riscaldamento di una casa privata. A causa della mancanza di isolamento, il fluido termovettore si raffredda rapidamente. Vengono utilizzati in estate principalmente per riscaldare l'acqua nelle docce o nelle piscine.

Di solito i collettori aperti non hanno alcun isolamento. La struttura è molto semplice, quindi ha un costo contenuto e spesso viene realizzata in modo autonomo.

A causa della mancanza di isolamento, non conservano praticamente l'energia solare ottenuta e hanno un basso rendimento. Vengono utilizzati principalmente in estate per riscaldare l'acqua in piscine o docce estive.

Vengono installati in regioni soleggiate e calde, con piccole variazioni di temperatura dell'aria ambiente e dell'acqua da riscaldare. Funzionano bene solo con tempo soleggiato e senza vento.

Il più semplice collettore solare con assorbitore di calore realizzato da una bobina di tubi polimerici fornirà acqua calda in una casa di campagna per l'irrigazione e le esigenze domestiche.

Varianti di collettori tubolari

I collettori solari tubolari sono assemblati da singoli tubi in cui circola acqua, gas o vapore. Questa è una varietà di sistemi solari aperti. Tuttavia, il fluido termovettore è già molto meglio protetto dagli agenti esterni, specialmente negli impianti sottovuoto, costruiti secondo il principio dei termos.

Ogni tubo viene collegato al sistema separatamente, in parallelo gli uni agli altri. In caso di guasto di un tubo, è facile sostituirlo con uno nuovo. L'intera struttura può essere assemblata direttamente sul tetto dell'edificio, semplificando notevolmente l'installazione.

Il collettore tubolare ha una struttura modulare. L'elemento principale è il tubo sottovuoto; il numero di tubi varia da 18 a 30, il che consente di selezionare con precisione la potenza del sistema.

Un grande vantaggio dei collettori solari tubolari è la forma cilindrica degli elementi principali, grazie alla quale la radiazione solare viene catturata per l'intero giorno solare senza l'uso di costosi sistemi di inseguimento del movimento del sole.

Un rivestimento multistrato speciale crea una sorta di trappola ottica per i raggi solari. Nello schema è mostrata parzialmente la parete esterna del tubo sottovuoto che riflette i raggi verso le pareti del tubo interno (+).

In base alla costruzione dei tubi, si distinguono collettori solari a piuma e coassiali.

Il tubo coassiale è un recipiente di Dewar o un comune thermos. È costituito da due ampoule tra le quali è stato creato il vuoto. Sulla superficie interna dell'ampolla interna è applicato un rivestimento altamente selettivo che assorbe efficacemente l'energia solare.

Con la forma cilindrica del tubo, i raggi solari cadono sempre perpendicolarmente alla superficie

L'energia termica dallo strato selettivo interno viene trasferita al tubo termico o allo scambiatore di calore interno in lamelle di alluminio. In questa fase si verificano perdite di calore indesiderate.

Il tubo a piuma è un cilindro di vetro con un assorbitore a piuma inserito all'interno.

Il sistema prende il nome dall'assorbitore a piuma, che avvolge strettamente il canale termico in metallo termoconduttore.

Per un buon isolamento termico, l'aria viene rimossa dal tubo. Il trasferimento di calore dall'assorbitore avviene senza perdite, quindi l'efficienza dei tubi a piuma è superiore.

In base al metodo di trasferimento del calore, esistono due sistemi: a flusso diretto e con termotubo (heat pipe). Il termotubo è un contenitore sigillato con un liquido facilmente evaporabile.

Poiché il liquido facilmente evaporabile defluisce naturalmente sul fondo del termotubo, l'angolo di inclinazione minimo è di 20°.

All'interno del termotubo si trova un liquido facilmente evaporabile che assorbe il calore dalla parete interna dell'ampolla o dall'assorbitore a piuma. Sotto l'effetto della temperatura, il liquido bolle e sale come vapore. Dopo che il calore è stato ceduto al fluido termovettore del riscaldamento o dell'acqua calda sanitaria, il vapore si condensa in liquido e defluisce verso il basso.

Come liquido facilmente evaporabile viene spesso utilizzata acqua a bassa pressione. Nel sistema a flusso diretto si utilizza un tubo a U, attraverso il quale circola acqua o fluido termovettore del sistema di riscaldamento.

Una metà del tubo a U è destinata al fluido termovettore freddo, l'altra scarica quello riscaldato. Durante il riscaldamento, il fluido termovettore si espande e fluisce nel serbatoio di accumulo, garantendo una circolazione naturale. Come nel caso dei sistemi con termotubo, l'angolo di inclinazione minimo deve essere di almeno 20°.

In un collegamento a flusso diretto, la pressione nel sistema non può essere alta, poiché all'interno dell'ampolla c'è il vuoto tecnico.

I sistemi a flusso diretto sono più efficienti perché riscaldano immediatamente il fluido termovettore. Se i sistemi di collettori solari sono previsti per l'uso tutto l'anno, vengono riempiti con speciali antigelo.

L'uso di collettori solari a tubo presenta una serie di vantaggi e svantaggi. La struttura di un collettore solare a tubo è composta da elementi identici, che sono relativamente facili da sostituire.

Vantaggi:

• basse perdite di calore;
• capacità di funzionare a temperature fino a -30°C;
• prestazioni efficienti per tutta la giornata;
• buon funzionamento in zone con clima temperato e freddo;
• bassa resistenza al vento, giustificata dalla capacità dei sistemi a tubo di lasciar passare le masse d'aria attraverso di essi;
• possibilità di produrre un'alta temperatura del fluido termovettore.

Strutturalmente, la costruzione tubolare ha una superficie di apertura limitata.

Presenta i seguenti svantaggi:

• non è in grado di autopulirsi da neve, ghiaccio, brina;
• costo elevato.

Nonostante il costo iniziale elevato, i collettori a tubo si ammortizzano più rapidamente. Hanno una lunga durata operativa.

I collettori a tubo appartengono agli impianti solari aperti, quindi non sono adatti per un uso tutto l'anno nei sistemi di riscaldamento (+)

Sistemi piani chiusi

Un collettore piano è costituito da un telaio in alluminio, uno strato assorbente speciale – l'assorbitore, una copertura trasparente, un sistema di tubazioni e un isolante.

Come assorbitore si utilizza rame in lamiera annerito, caratterizzato da una conducibilità termica ideale per la realizzazione di impianti solari. Quando l'assorbitore assorbe l'energia solare, trasferisce l'energia solare ricevuta al fluido termovettore che circola nel sistema di tubi adiacente all'assorbitore.

All'esterno, il pannello chiuso è protetto da una copertura trasparente. È realizzato in vetro temperato resistente agli urti, con una banda passante di 0,4-1,8 µm. Su questa gamma ricade la massima radiazione solare. Il vetro resistente agli urti offre una buona protezione contro la grandine. Sul lato posteriore, l'intero pannello è ben isolato.

I collettori solari piani si distinguono per le massime prestazioni e la struttura semplice. Il loro rendimento è aumentato grazie all'uso dell'assorbitore. Sono in grado di catturare la radiazione solare diffusa e diretta.

Nell'elenco dei vantaggi dei pannelli piani chiusi figurano:

• semplicità costruttiva;
• buona produttività in regioni con clima caldo;
• possibilità di installazione a qualsiasi angolazione, a condizione che siano disponibili dispositivi per variare l'angolo di inclinazione;
• capacità di autopulirsi da neve e brina;
• basso costo.

I collettori solari piani sono particolarmente vantaggiosi se il loro utilizzo è previsto già in fase di progettazione. La durata di vita dei prodotti di qualità è di 50 anni.

Tra gli svantaggi si possono elencare:

• elevate perdite di calore;
• peso elevato;
• elevata resistenza al vento quando i pannelli sono posizionati ad angolo rispetto all'orizzonte;
• limitazione delle prestazioni in caso di sbalzi termici superiori a 40°C.

Il campo di applicazione dei collettori chiusi è molto più ampio rispetto a quello degli impianti solari aperti. In estate sono in grado di soddisfare completamente il fabbisogno di acqua calda. Nelle giornate fresche, non incluse dai gestori nel periodo di riscaldamento, possono funzionare al posto dei riscaldatori a gas ed elettrici.

A chi desidera costruire un collettore solare con le proprie mani per realizzare un impianto di riscaldamento nella casa di campagna, proponiamo di consultare schemi collaudati nella pratica e istruzioni passo passo per il montaggio.

Confronto delle caratteristiche dei collettori solari

L'indicatore più importante di un collettore solare è il rendimento. La produttività utile di diversi collettori solari dipende dalla differenza di temperatura. Inoltre, i collettori piani sono significativamente più economici di quelli tubolari.

I valori del rendimento dipendono dalla qualità di fabbricazione del collettore solare. Lo scopo del grafico è mostrare l'efficacia dell'utilizzo di diversi sistemi in base alla differenza di temperatura.

Nella scelta di un collettore solare, è opportuno prestare attenzione a una serie di parametri che indicano l'efficienza e la potenza del dispositivo.

Per i collettori solari esistono diverse caratteristiche importanti:

• coefficiente di adsorbimento – mostra il rapporto tra l'energia assorbita e quella totale;
• coefficiente di emissione – mostra il rapporto tra l'energia trasmessa e quella assorbita;
• area totale e area di apertura;
• Rendimento.

L'area di apertura è l'area di lavoro del collettore solare. In un collettore piano, l'area di apertura è massima. L'area di apertura è uguale all'area dell'assorbitore.

Modalità di collegamento all’impianto di riscaldamento

Poiché i dispositivi a energia solare non possono garantire un approvvigionamento energetico stabile e continuo, è necessario un sistema resistente a questi svantaggi.

Per la zona centrale della Russia, i dispositivi solari non possono garantire un apporto energetico stabile, pertanto vengono utilizzati come sistema supplementare. L'integrazione nel sistema di riscaldamento e di fornitura di acqua calda esistente è diversa per un collettore solare e per un pannello solare.

Schema con collettore ad acqua

A seconda degli obiettivi di utilizzo del collettore termico, vengono impiegati diversi sistemi di collegamento. Possono esserci diverse opzioni:

1. Opzione estiva per la fornitura di acqua calda
2. Opzione invernale per riscaldamento e fornitura di acqua calda

La versione estiva è la più semplice e può fare a meno anche di una pompa di circolazione, sfruttando la circolazione naturale dell'acqua.

L'acqua si riscalda nel collettore solare e, grazie all'espansione termica, entra nel serbatoio di accumulo o nel boiler. In questo modo si instaura una circolazione naturale: al posto dell'acqua calda, dal serbatoio viene aspirata quella fredda.

In inverno con temperature negative il riscaldamento diretto dell'acqua non è possibile. Nel circuito chiuso circola un apposito antigelo, che assicura il trasferimento di calore dal collettore allo scambiatore nel serbatoio.

Come qualsiasi sistema basato sulla circolazione naturale, funziona in modo poco efficiente, richiedendo il rispetto di opportune pendenze. Inoltre, il serbatoio di accumulo deve essere più alto del collettore solare. Per mantenere l'acqua calda il più a lungo possibile, è necessario isolare accuratamente il serbatoio.

Se desidera ottenere davvero la massima efficienza dal collettore solare, lo schema di collegamento diventerà più complesso.

Per evitare che di notte il collettore si trasformi in un radiatore di raffreddamento, è necessario interrompere forzatamente la circolazione dell'acqua.

Nel sistema del collettore solare circola un liquido termovettore antigelo. La circolazione forzata è assicurata da una pompa controllata da un regolatore.

Il regolatore gestisce il funzionamento della pompa di circolazione basandosi sulle letture di almeno due sensori di temperatura. Il primo sensore misura la temperatura nel serbatoio di accumulo, il secondo – sul tubo di mandata del liquido termovettore caldo del collettore solare.

Non appena la temperatura nel serbatoio supera la temperatura del liquido termovettore nel collettore, il regolatore spegne la pompa di circolazione, interrompendo la circolazione del liquido nel sistema. A sua volta, quando la temperatura nel serbatoio di accumulo scende al di sotto del valore impostato, viene accesa la caldaia di riscaldamento.

Una novità e un'efficace alternativa ai collettori solari con fluido termovettore sono diventati i sistemi con tubi sottovuoto, di cui proponiamo di conoscere il principio di funzionamento e la struttura.

Schema con pannello solare

Sarebbe allettante applicare un simile schema di collegamento del pannello solare alla rete elettrica, come realizzato nel caso del collettore solare, accumulando l'energia ricevuta durante il giorno. Purtroppo, per il sistema di alimentazione elettrica di una casa privata, creare un blocco di batterie di capacità sufficiente è molto costoso. Pertanto, lo schema di collegamento si presenta come segue.

Quando la potenza della corrente elettrica dal pannello solare diminuisce, il gruppo AVR (inserimento automatico della riserva) garantisce il collegamento degli utilizzatori alla rete elettrica generale.

Dai pannelli solari, la carica arriva al regolatore di carica, che svolge diverse funzioni: assicura una ricarica costante delle batterie e stabilizza la tensione. Successivamente, la corrente elettrica arriva all'inverter, dove avviene la conversione della corrente continua a 12V o 24V in corrente alternata monofase a 220V.

Purtroppo, le nostre reti elettriche non sono progettate per ricevere energia, possono funzionare solo in una direzione, dalla fonte al consumatore. Per questo motivo, non potrà vendere l'energia elettrica prodotta o almeno far girare il contatore nella direzione opposta.

L'utilizzo di pannelli solari è vantaggioso perché forniscono una forma di energia più versatile, ma non possono essere paragonati in efficienza ai collettori solari. Tuttavia, questi ultimi non hanno la capacità di accumulare energia, a differenza dei pannelli solari fotovoltaici.

Esempio di calcolo della potenza necessaria

Nel calcolare la potenza necessaria di un collettore solare, molto spesso si effettuano erroneamente i calcoli basandosi sull'energia solare disponibile nei mesi più freddi dell'anno.

Il fatto è che nei restanti mesi dell'anno l'intero sistema si surriscalderà costantemente. La temperatura del fluido termovettore in uscita dal collettore solare in estate può raggiungere i 200°C per il riscaldamento di vapore o gas, i 120°C per l'antigelo, i 150°C per l'acqua. Se il fluido termovettore bolle, evaporerà parzialmente. Di conseguenza, dovrà essere sostituito.

Le aziende produttrici raccomandano di basarsi su questi valori:

• copertura del fabbisogno di acqua calda sanitaria non superiore al 70%;
• copertura del sistema di riscaldamento non superiore al 30%.

Il calore necessario restante deve essere prodotto dall'impianto di riscaldamento standard. Tuttavia, con questi valori si risparmia in media circa il 40% all'anno su riscaldamento e acqua calda sanitaria.

La potenza prodotta da un singolo tubo di un sistema a vuoto dipende dalla posizione geografica. Il valore dell'energia solare incidente in un anno su 1 m² di terreno è chiamato insolazione.

Conoscendo lunghezza e diametro del tubo, si può calcolare l'apertura – l'area effettiva di assorbimento. Resta da applicare i coefficienti di assorbimento ed emissione per calcolare la potenza di un singolo tubo in un anno.

Esempio di calcolo:

La lunghezza standard del tubo è di 1800 mm, quella effettiva – 1600 mm. Diametro 58 mm. L'apertura è l'area ombreggiata creata dal tubo. Pertanto, l'area del rettangolo d'ombra sarà:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Il rendimento di un tubo medio è dell'80%, l'insolazione solare per Mosca è di circa 1170 kWh/m² all'anno. Pertanto, un singolo tubo produrrà in un anno:

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

È necessario notare che si tratta di un calcolo molto approssimativo. La quantità di energia prodotta dipende dall'orientamento dell'impianto, dall'angolo, dalla temperatura media annuale, ecc.

Con tutti i tipi di fonti energetiche alternative e le modalità del loro utilizzo potrete familiarizzare nell'articolo presentato.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video #1. Dimostrazione del funzionamento del collettore solare in inverno:

Video #2. Confronto tra diversi modelli di collettori solari:

Nel corso della sua esistenza, l'umanità consuma ogni anno sempre più energia. I tentativi di utilizzare la radiazione solare gratuita sono stati fatti da tempo, ma solo di recente è diventato possibile sfruttare efficacemente il sole alle nostre latitudini. È indubbio che il futuro appartenga ai sistemi solari.

Vuole segnalare caratteristiche interessanti nell'organizzazione del riscaldamento solare per una casa di campagna o una villetta? Scriva, per favore, i commenti nel blocco sottostante. Qui può porre domande, lasciare foto che mostrano il processo di montaggio del sistema, condividere informazioni utili.