Słoneczne systemy ogrzewania: analiza technologii urządzania ogrzewania na bazie systemów solarnych

Kwestia poszukiwania alternatywnych źródeł ciepła staje się coraz bardziej aktualna. Sprzyjają temu rosnące ceny gazu, węgla, ropy naftowej. Bardzo obiecującym kierunkiem są systemy solarne ogrzewania, które potrafią efektywnie ogrzewać pomieszczenia przez wiele lat.

Zastanawiają się Państwo nad montażem systemu solarnego, ale mają wątpliwości i pytania? Pomożemy Państwu zrozumieć, kiedy warto wykorzystać energię słońca do ogrzewania, oraz opiszemy możliwe warianty organizacji ogrzewania. Ponadto, przedstawimy instrukcje wykonania samodzielnych systemów solarnych – płaskiego i rurowego kolektora.

Energia słońca – alternatywne źródło ciepła

Pomysł wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania nie jest nowy. Co więcej, celowość jej stosowania została udowodniona przez Amerykanów, Chińczyków, Hiszpanów, Izraelczyków i Japończyków.

Rynek obfituje w oferty różnych instalacji do przetwarzania energii słonecznej i jej dalszego wykorzystywania do potrzeb gospodarstwa domowego.

Systemy solarne są aktywnie wykorzystywane jako główne źródło ciepła w wielu krajach świata. W naszych szerokościach geograficznych na razie stosuje się je jako uzupełnienie systemu ogrzewania.

Koszt systemów zależy od ich typu, powierzchni, materiału użytego do produkcji. Z roku na rok obserwuje się stałą tendencję do obniżania cen wszystkich rodzajów instalacji słonecznych – systemów solarnych.

To sprawia, że stają się one bardziej dostępne dla szerokich warstw społeczeństwa. Tylko na razie nie każdy chętny jest gotów dokonać takiego zakupu.

Jednak przy chęci można zbudować efektywny system ogrzewania słonecznego samodzielnie, wydając odczuwalnie mniej środków.

Tradycyjny system grzewczy, który przez wiele lat doskonale spełniał swoje funkcje, staje się coraz droższy. Winę za to ponosi globalny wzrost cen surowców energetycznych na całym świecie. Naturalnym pragnieniem właściciela jest oszczędność na ogrzewaniu, które pochłania znaczną część budżetu domowego.

Tak więc słoneczny system grzewczy może w pełni zastąpić tradycyjny system na paliwo stałe, gazowy lub inny. Wszystko zależy od typu i wielkości pomieszczenia, w którym będzie używany.

Wariant odpowiedni dla magazynu zboża nie sprawdzi się w budynku mieszkalnym, a system zaspokajający potrzeby domku letniskowego nie poradzi sobie z ogrzewaniem dwupiętrowego domu.

Całkowita zamiana tradycyjnego ogrzewania na słoneczne bywa problematyczna. Właściciel obawia się, że system może nie podołać lub fizycznie brakuje miejsca na montaż odpowiedniej liczby paneli.

Dlatego często stosuje się kombinowany system grzewczy, nie rezygnując całkowicie z istniejącego urządzenia gazowego (elektrycznego lub innego). Poziom zastąpienia tradycyjnego ogrzewania słonecznym może osiągnąć 90%.

Ważne znaczenie ma również roczna liczba dni słonecznych w regionie, w którym znajduje się dom. Co więcej, średnia dobowa temperatura nie jest aż tak istotna. Wiele instalacji skutecznie pochłania światło w mroźne zimowe dni (kolektory słoneczne wykorzystujące jako czynnik grzewczy płyn niezamarzający).

Oprócz ogrzewania, instalacja słoneczna jest w stanie zapewnić domowi ciepłą wodę i energię elektryczną

Gdzie instalacja solarna będzie najbardziej efektywna

Przy kwestii zastąpienia ogrzewania instalacją solarną należy uwzględnić szereg czynników wpływających na jej efektywność.

Po pierwsze, należy prawidłowo wybrać typ systemu solarnego. W tej kwestii należy uwzględnić powierzchnię pomieszczenia i jego przeznaczenie. Najczęściej jest to dom prywatny, w którym mieszka rodzina składająca się z 4–5 osób.

Po drugie, dokładnie obliczyć zapotrzebowanie na ciepło, biorąc pod uwagę maksymalne zużycie w zimnej porze roku. Porównać te liczby z ilością energii wytwarzanej przez 1 m² instalacji solarnej. Pozostanie obliczenie powierzchni konstrukcji słonecznej, która jest w stanie poradzić sobie z ogrzewaniem konkretnego pomieszczenia.

Uzyskana wartość stanie się głównym czynnikiem przy określaniu miejsca umieszczenia systemu. Zazwyczaj właściciele gospodarstw domowych wolą wykorzystywać dach lub ścianę domu. Rzadziej używają terenu przydomowego lub dachu garażu. Czasami budują specjalne stojaki do montażu instalacji.

Budowa specjalnych stojaków do montażu systemów solarnych pozwala na maksymalnie wygodne umieszczenie ich na terenie przydomowym

Ważne jest, aby nic nie przeszkadzało w swobodnym przenikaniu promieni słonecznych na powierzchnię absorbującą światło. Należy wybrać południową, południowo-wschodnią lub południowo-zachodnią ścianę lub część dachu.

Po ustaleniu, gdzie zostaną umieszczone panele słoneczne, należy przeprowadzić wstępne przygotowanie domu:

• Zwolnić przestrzeń. Wyciąć zbędne nasadzenia, jeśli przeszkadzają.
• Wzmocnić dach. Tutaj należy pamiętać o tym, jaki ciężar będzie miała przewidywana konstrukcja.
• Dodatkowo ocieplić budynek. Przecież bezsensem jest ogrzewanie ulicy.

Po trzecie, należy rozstrzygnąć kwestię: kupić czy zbudować system grzewczy samodzielnie. Wszystko zależy od możliwości finansowych i chęci poświęcenia czasu na wykonanie konstrukcji.

Wybierając drugą opcję, trzeba zrozumieć zasadę działania pożądanego systemu, aby wszystko prawidłowo złożyć.

Możliwe warianty montażu ogrzewania słonecznego

Warianty budowy systemu ogrzewania słonecznego zależą całkowicie od życzeń właściciela gospodarstwa domowego:

• Zastosowanie wyrobów fabrycznych. Zakup gotowych kolektorów z samodzielnym montażem i instalacją.
• Budowa projektu pilotażowego. Jest potrzebny do sprawdzenia efektu zastosowania systemu do dalszego wykonywania dokładnych obliczeń.
• Samodzielne wykonanie pełnego cyklu prac. Obliczenia, projektowanie, budowa „od zera” systemu solarnego, jego instalacja.

Wariant nr 1. Zakłada wybór odpowiedniego miejsca lokalizacji instalacji słonecznych, ponieważ od tego będzie zależeć efektywność ich użytkowania. Do montażu potrzebne będą również specjalne umiejętności.

Obliczanie liczby paneli nie będzie potrzebne – wystarczy wyrazić wszystkie swoje życzenia firmie-dostawcy sprzętu. Trzeba będzie również odpowiedzieć na pytania uzupełniające menedżerów – wszystko, dobór optymalnej liczby paneli (kolektorów) odbędzie się bez żadnych trudności.

Do montażu instalacji solarnej własnymi rękami na dachu należy zapewnić sobie wsparcie co najmniej jednego pomocnika. Jednej osobie nie uda się poradzić z taką pracą

Wariant nr 2 – budowa projektu pilotażowego. Będzie to optymalne rozwiązanie dla osób wątpiących. Przecież trudno od razu podjąć ostateczną decyzję o wymianie systemu grzewczego. Zbudowanie małego kolektora słonecznego (powietrznego lub wodnego) i przetestowanie go „w działaniu” stanie się użytecznym doświadczeniem.

Oceniając rzeczywiste koszty wykonania, porównując je z rynkową wartością podobnych systemów i obliczając oszczędności wynikające z wykorzystania w gospodarstwie, podjęcie odpowiedzialnej decyzji będzie proste.

Wariant nr 3 – wybór prawdziwych mistrzów.

Aby w pełni ogrzać obiekt, konieczne będzie przeprowadzenie ogromnej pracy:

• Obliczyć wymaganą powierzchnię systemu solarnego.
• Określić miejsce przyszłego montażu, wzmocnić je.
• Dodatkowo ocieplić mieszkanie.
• Zakupić wszystkie elementy do budowy systemu.
• Zbudować panel słoneczny.
• Zamontować zbudowany system, kierując się podstawowymi wymaganiami – kątem nachylenia względem padania promieni słonecznych.

Wykonanie pełnego cyklu prac przy instalacji systemu nie można nazwać łatwym zadaniem, ale proces jest niezwykle fascynujący. Ponadto pozwala zaoszczędzić dość znaczną sumę.

Wybierając typ ogrzewania wykorzystującego energię słoneczną, należy zdecydować, czy będzie ono dodatkowo używane do podgrzewania wody i wytwarzania energii elektrycznej (kliknij, aby powiększyć)

Rodzaje instalacji do przetwarzania energii słonecznej

W zależności od zasady działania wyróżnia się dwa typy urządzeń pochłaniających światło słoneczne:

• Panele z przetwornikami fotowoltaicznymi. Stanowiące systemy szeregowo lub równolegle połączonych elementów półprzewodnikowych. Dostarczają prąd do zasilania domowych grzejników.
• Kolektory słoneczne. Panele z systemem rurek wypełnionych czynnikiem grzewczym: powietrzem, mieszanką niezamarzającą lub wodą. Dostarczają ogrzany słońcem czynnik grzewczy do obiegu grzewczego.

Rozważmy każdy wariant osobno.

Panele słoneczne

Panel słoneczny przekształca pochłonięte światło w energię elektryczną. Składa się z ogniw fotowoltaicznych (najczęściej krzemowych), które są w stanie bezpośrednio wydobywać stały prąd elektryczny z promieniowania słonecznego.

Taka instalacja może być wykorzystana do zapewnienia działania elektrycznego sprzętu grzewczego. Należy ją podłączyć do systemu zasilania elektrycznego mieszkania.

Sprawność konwersji promieniowania słonecznego tego urządzenia wynosi od 5% do 20%, w zależności od typu urządzenia przetwarzającego promieniowanie słoneczne. Wydajność 1 m² panelu słonecznego – 120 W.

Pozostaje obliczyć, ile metrów kwadratowych powierzchni będzie potrzebnych do zaspokojenia potrzeb konkretnego gospodarstwa domowego, biorąc pod uwagę rozmiary mieszkania, indywidualne zapotrzebowanie na ciepło oraz poziom izolacji konstrukcji.

Najwygodniej umieścić panele słoneczne na dachu domu, wybierając do tego jego południową połacię.

Do ogrzewania panele słoneczne najskuteczniej stosować w regionach południowych. Ich główną wadą jest spadek wydajności o zmierzchu i przy pochmurnej pogodzie, oraz całkowity brak działania w nocy.

Aby zrobić panel słoneczny własnoręcznie, najpierw trzeba złożyć ramę, przylutować ogniwa słoneczne, a następnie wszystko starannie ułożyć i użyć uszczelniacza.

Do wykonania ramy stosuje się drewniane listwy, aluminiowe kątowniki. Wszystko zależy od rozmiaru montowanej konstrukcji i miejsca jej instalacji. Ogniwa słoneczne – płytki krzemowe – to najdroższa część konstrukcji. Występują w wersji monokrystalicznej i polikrystalicznej. Te pierwsze są nieco droższe, ale ich wydajność jest o 5% wyższa.

Wykonanie ich samodzielnie jest niemożliwe. Fotowoltaiczne przetworniki lepiej kupować z już przylutowanymi przewodami.

Należy je umieścić na płycie pilśniowej (DVP), następnie przymocować w ramie, wyprowadzić przewody z ogniw na zewnątrz i wszystkie otwory wypełnić uszczelniaczem. Pozostawić konstrukcję do dokładnego wyschnięcia i przykryć pokrywą ze szkła lub przezroczystego plastiku.

Schematy montażu i sposoby podłączania paneli słonecznych opisano w tym artykule.

Kolektory słoneczne

Zasadniczo inny sposób przetwarzania pochłoniętego światła mają kolektory. Podstawą ich działania jest czynnik grzewczy przepływający przez rury.

W zależności od konstrukcji można wyróżnić trzy główne rodzaje kolektorów najczęściej stosowanych do budowy słonecznego systemu grzewczego:

• Płaskie. Odbiornik ciepła – absorber – jest wykonany z blachy metalowej z zaczernioną powierzchnią zewnętrzną. Podgrzewając się, przekazuje energię czynnikowi grzewczemu systemu.
• Próżniowe. Kolektorowy system próżniowy jest wykonany według schematu termosów, dzięki czemu prawie dwukrotnie lepiej zachowuje ciepło uzyskane od słońca.
• Koncentratory. Urządzenie jest wyposażone w wklęsły element lustrzany o dużej powierzchni, skupiający światło słoneczne na małej powierzchni absorbera.

Najpopularniejsze w gospodarstwach domowych instalacje solarne są wyposażone w system rurek, wykonany w postaci połączonych równolegle elementów lub wężownicy. Rurki są wypełnione wodą techniczną lub mieszanką wody z płynem niezamarzającym albo powietrzem.

Po wizualizacji głównych części instalacji solarnej łatwiej zdecydować, gdzie najlepiej umieścić poszczególne komponenty (+)

Instalacja powietrzna może być używana jako dodatkowe źródło ogrzewania. Nie jest w stanie całkowicie zapewnić ciepła domowi niezależnie od regionu jego położenia. Główną cechą tego rodzaju systemu solarnego jest powietrze pełniące rolę czynnika grzewczego.

Systemy rurowe są dość aktywnie stosowane do ogrzewania przez cały rok. Płyn niezamarzający lub jego mieszanina nagrzewa się pod promieniami słonecznymi, następnie przepływa przez wewnętrzne rurki wymiennika ciepła, a potem trafia do zbiornika magazynującego.

Ruch cieczy stymuluje pompa, dzięki której ciecz przemieszcza się ze zbiornika do systemu grzewczego. Podgrzany czynnik grzewczy wypiera ochłodzoną część cieczy, która musi ponownie wrócić do kolektora i się nagrzać.

Zasada działania płaskiego systemu solarnego opiera się na przenikaniu światła słonecznego do wnętrza panelu, gdzie znajduje się pochłaniacz ciepła. Nagrzewa się on i emituje ciepło, które jest przekazywane cieczy krążącej w metalowych rurkach (najczęściej miedzianych).

Co można zbudować samodzielnie?

Słoneczny system grzewczy wykorzystujący kolektor powietrzny można zbudować samodzielnie. Najlepiej umieścić go na południowej ścianie budynku.

Im większa jest powierzchnia ogrzewanego pomieszczenia, tym większą powierzchnię będzie zajmował kolektor – być może całą ścianę domu. Również ten system solarny można zbudować na strychu.

Zamierzając zainstalować system ogrzewania powietrznego na strychu, należy zadbać o to, aby wytrzymał on ciężar instalacji (+)

Kolektor słoneczny ogrzewający masę powietrza – spełnia swoje funkcje grzewcze dzięki przepływom powietrza przechodzącym przez system. Czynnik grzewczy krąży w obiegu, ochładzając się, ponownie trafia do systemu. Ruch strumieni powietrza może odbywać się naturalnie lub za pomocą wentylatora.

Jeśli chodzi o materiały do wykonania kolektora powietrznego, można tutaj wykorzystać różne dostępne środki. Nie ma jednej uniwersalnej zasady.

Domowi majsterkowicze udoskonalają ten typ systemu słonecznego montowanego w warunkach domowych. Ktoś dąży do uzyskania tańszej wersji, poświęcając przy tym wydajność, ktoś przeciwnie.

Po zapoznaniu się z podstawowymi elementami kolektora powietrznego łatwiej podjąć decyzję o miejscu jego montażu – dach lub ściana (+)

Rozważymy podstawowe sposoby.

Cechy instalacji rurowego systemu solarnego

System słoneczny typu rurowego do ogrzewania może być stosowany w różnych regionach. Nie jest uzależniony od temperatury zewnętrznej. Najważniejsze, aby na instalację padała maksymalna ilość promieni słonecznych.

Płyn niezamarzający stosowany jako czynnik grzewczy nie zamarza w niskich temperaturach. W pogodne zimowe dni ilość światła słonecznego przewyższa ilość światła docierającego latem.

Rurowy kolektor słoneczny składa się z systemu przezroczystych rurek próżniowych połączonych ze sobą. Zawierają one substancję o niskiej temperaturze wrzenia. Wrząc, odparowuje, przekazuje swoje ciepło miedzianej końcówce i spływa w dół, gdzie wszystko powtarza się od nowa.

Rurki próżniowe wykonane ze szkła ogniotrwałego, wewnątrz wypełnione substancją zdolną do wrzenia w niskiej temperaturze (+)

Rurki próżniowe pochłaniają do 90% całego promieniowania słonecznego (widzialnego i podczerwonego). Energia słoneczna przekształcona w cieplną trafia do czynnika grzewczego. Przekazuje on tę energię dalej w systemie – do wymiennika ciepła znajdującego się w specjalnym zbiorniku magazynującym.

Ruch czynnika grzewczego i wody w systemie grzewczym odbywa się za pomocą pomp. Ważne, aby zbiornik miał dobrą izolację termiczną. Wymienników ciepła jest zazwyczaj dwa: jeden łączy się z dodatkowym podgrzewaczem, drugi z kolektorami.

W domach z takim typem instalacji słonecznych opłaca się dodatkowo podłączyć system ogrzewania podłogowego. Pozwala to efektywniej ogrzewać budynek.

Jeśli chodzi o montaż kolektorów rurowych, można go zainstalować samodzielnie. Jedyną rzeczą, którą należy wziąć pod uwagę, jest kąt nachylenia roboczego – powinien wynosić co najmniej 20°.

Rurowy kolektor słoneczny umieszcza się na dachu, wybierając najbardziej nasłoneczniony kierunek. Ważne, aby w pobliżu nie było wysokich budynków przeszkadzających w swobodnym dostępie światła słonecznego.

Zbudowanie instalacji próżniowej własnymi rękami nie jest możliwe – wykonanie rur próżniowych w warunkach domowych jest niemożliwe. Zajmują się tym fabryki specjalizujące się w produkcji próżniowych systemów solarnych.

Płaska instalacja słoneczna

Często do ogrzewania używa się płaskiego kolektora słonecznego.

Do jego skonstruowania będą potrzebne:

• metalowa rama;
• wytrzymałe dno;
• warstwa izolacji termicznej;
• warstwa czarnego absorbora promieniowania słonecznego (adsorbera);
• przezroczysta pokrywa – plastik, szkło;
• rurki do cieczy (miedź, aluminium).

Konstrukcję należy wyposażyć w króćce wlotowe i wylotowe oraz pompę w celu efektywnej cyrkulacji cieczy.

Płaski kolektor słoneczny można zmontować własnymi rękami. Często używa się do tego dostępnych materiałów, wybierając tańsze odpowiedniki (+)

Płaski kolektor można instalować pod dowolnym kątem, warunkiem koniecznym jest oczyszczanie go ze śniegu i kurzu. Jest on szczególnie dobry dla ciepłego klimatu.

W zimnych porach roku obserwuje się niską wydajność i wysokie straty ciepła. Podważa to sens używania tylko tego jednego systemu solarnego do pełnego ogrzewania. Optymalne będzie zastosowanie płaskiej instalacji słonecznej wraz z gazowym, elektrycznym lub na paliwo stałe systemem ogrzewania.

Proponujemy zapoznać się z artykułami na temat samodzielnego montażu słonecznych systemów grzewczych:

1. Jak zrobić kolektor słoneczny do ogrzewania własnymi rękami — przewodnik krok po kroku
2. Jak zrobić panel słoneczny własnymi rękami: sposoby montażu i instalacji panelu słonecznego

Jeszcze raz o celowości

Korzystne jest wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania zamiast tradycyjnych surowców energetycznych. W zależności od wybranego typu systemu solarnego, oszczędności w zużyciu płatnego ciepła mogą wynosić do 100%.

Opcją całkowitej wymiany systemu ogrzewania jest zastosowanie kolektorów z rurami próżniowymi. Jest to dość kosztowny projekt na początkowym etapie. W dalszej perspektywie może zagwarantować całkowitą niezależność energetyczną, zwracając się w ciągu 6-8 lat.

Pomysłowość domowych majsterkowiczów nie zna granic – jako labirynt do cyrkulacji cieczy wewnątrz kolektora można przystosować zwykły wąż

Żywotność instalacji solarnych wynosi do 25 lat. Wymagają one niewielkiej konserwacji – okresowego czyszczenia powierzchni ze śniegu, kurzu, śmieci. Jeśli chodzi o naprawy, można je przeprowadzać we własnym zakresie. Istotną wadą jest to, że płaskie kolektory i panele słoneczne «boją się» huraganów.

Takie ogrzewanie jest bezpieczne dla mieszkańców domu i środowiska. Jest całkowicie bezpłatne i niezależne od kursów walut czy cen surowców energetycznych.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Filmik przedstawi proces samodzielnego montażu panelu słonecznego:

Instruktaż dotyczący budowy powietrznego systemu ogrzewania:

Technologia wykonania płaskiego kolektora słonecznego własnoręcznie:

Instalacje heliotermiczne, czyli słoneczne systemy ogrzewania, sprawdziły się na całym świecie. Pozwalają one na uzyskiwanie ciepła za darmo, redukując koszty opłat za ogrzewanie nawet o 30%.

Możliwa jest całkowita zamiana surowców energetycznych na energię słoneczną w systemie grzewczym. Kolejną istotną zaletą jest możliwość samodzielnego złożenia instalacji heliotermicznej.

Czy posiada Pan/Pani praktyczne umiejętności w montażu lub obsłudze słonecznych systemów ogrzewania? Proszę dzielić się zdobytą wiedzą, zadawać pytania na ten temat i brać udział w dyskusjach. Formularz do komentarzy znajduje się poniżej.