Chauffage solaire d'une maison privée : options et schémas de conception

L’utilisation d’énergie « verte » fournie par des éléments naturels peut réduire considérablement les coûts des services publics.Par exemple, en installant un chauffage solaire pour une maison privée, vous alimenterez des radiateurs basse température et des systèmes de chauffage par le sol avec un liquide de refroidissement pratiquement gratuit. D'accord, cela permet déjà d'économiser de l'argent.

Vous apprendrez tout sur les « technologies vertes » grâce à notre proposition d’article. Avec notre aide, vous pourrez facilement comprendre les types d'installations solaires, les méthodes de leur construction et les spécificités de fonctionnement. Vous serez probablement intéressé par l'une des options populaires qui fonctionnent activement dans le monde, mais qui ne sont pas encore très demandées ici.

Dans la revue présentée à votre attention, les caractéristiques de conception des systèmes sont analysées et les schémas de connexion sont décrits en détail. Un exemple de calcul d'un circuit de chauffage solaire est donné pour évaluer les réalités de sa construction. Pour aider les artisans indépendants, des collections de photos et de vidéos sont incluses.

Technologies de chaleur « vertes »

Moyenne 1 m² La surface de la Terre reçoit 161 watts d'énergie solaire par heure. Bien entendu, à l’équateur, ce chiffre sera plusieurs fois plus élevé que dans l’Arctique. De plus, la densité du rayonnement solaire dépend de la période de l’année.

Dans la région de Moscou, l'intensité du rayonnement solaire en décembre-janvier diffère de plus de cinq fois de celle de mai-juillet. Cependant, les systèmes modernes sont si efficaces qu’ils peuvent fonctionner presque partout sur la planète.

Les systèmes solaires modernes peuvent fonctionner efficacement par temps nuageux et froid jusqu'à -30°C.

Tâche d'utilisation énergie du rayonnement solaire avec une efficacité maximale est résolu de deux manières : le chauffage direct dans des capteurs thermiques et des batteries solaires photovoltaïques. Les panneaux solaires convertissent d'abord l'énergie des rayons du soleil en électricité, puis la transmettent via un système spécial aux consommateurs, par exemple une chaudière électrique.

Les capteurs thermiques, lorsqu'ils sont chauffés par les rayons du soleil, chauffent le liquide de refroidissement des systèmes de chauffage et d'alimentation en eau chaude.

Les capteurs thermiques sont disponibles en plusieurs types, notamment les systèmes ouverts et fermés, les modèles plats et sphériques, les collecteurs concentrateurs hémisphériques et bien d'autres options. L'énergie thermique obtenue à partir des capteurs solaires est utilisée pour chauffer de l'eau chaude ou du fluide caloporteur.

L'industrie produit une large gamme de systèmes de capteurs à intégrer dans un réseau de chaleur indépendant. Cependant, l'option la plus simple pour une résidence d'été est facile à réaliser de vos propres mains :

Bien que des progrès évidents aient été réalisés dans le développement de solutions pour récolter, stocker et utiliser l’énergie solaire, il existe des avantages et des inconvénients.

Utilisation efficace de l'énergie solaire

L’avantage le plus évident de l’utilisation de l’énergie solaire est sa disponibilité universelle. En fait, même par temps le plus sombre et le plus nuageux, l’énergie solaire peut être collectée et utilisée.

Le deuxième avantage est le zéro émission. En fait, c’est la forme d’énergie la plus respectueuse de l’environnement et la plus naturelle. Panneaux solaires et les collecteurs ne produisent pas de bruit. Dans la plupart des cas, ils sont installés sur les toits des immeubles, sans occuper la surface utilisable d'une zone suburbaine.

L'efficacité du chauffage solaire sous nos latitudes est assez faible, ce qui s'explique par le nombre insuffisant de jours d'ensoleillement pour un fonctionnement régulier du système (+)

Les inconvénients associés à l’utilisation de l’énergie solaire sont la variabilité de l’éclairage. La nuit, il n'y a rien à collecter, la situation est aggravée par le fait que le pic de la saison de chauffage se produit pendant les heures de clarté les plus courtes de l'année. Il est nécessaire de surveiller la propreté optique des panneaux, une légère contamination réduit fortement l'efficacité.

De plus, on ne peut pas dire que l'exploitation d'un système d'énergie solaire soit totalement gratuite : il existe des coûts constants pour l'amortissement de l'équipement, le fonctionnement de la pompe de circulation et l'électronique de commande.

Un inconvénient important du chauffage basé sur l'utilisation de capteurs solaires est le manque de capacité à accumuler de l'énergie thermique. Seul le vase d'expansion (+) est inclus dans le circuit

Capteurs solaires ouverts

Un capteur solaire ouvert est un système de tubes, non protégés des influences extérieures, à travers lesquels circule un liquide de refroidissement chauffé directement par le soleil.

L'eau, le gaz, l'air et l'antigel sont utilisés comme liquides de refroidissement. Les tubes sont soit fixés au panneau support sous forme de serpentin, soit connectés en rangées parallèles au tuyau de sortie.

Les capteurs solaires ouverts ne sont pas capables de faire face au chauffage d'une maison privée. En raison du manque d'isolation, le liquide de refroidissement refroidit rapidement. Ils sont utilisés en été principalement pour chauffer l’eau des douches ou des piscines.

Les collecteurs ouverts ne sont généralement pas isolés. La conception est très simple, elle est donc peu coûteuse et est souvent réalisée indépendamment.

En raison du manque d'isolation, ils ne stockent pratiquement pas l'énergie reçue du soleil et se caractérisent par un faible rendement. Ils sont utilisés principalement en été pour chauffer l’eau des piscines ou des douches d’été.

Installé dans des régions ensoleillées et chaudes, avec de faibles différences de température de l'air ambiant et de l'eau chauffée. Ils ne fonctionnent bien que par temps ensoleillé et sans vent.

Le capteur solaire le plus simple avec un dissipateur thermique constitué d'un serpentin de tuyaux en polymère fournira de l'eau chauffée à la datcha pour l'irrigation et les besoins domestiques.

Variétés de collecteurs tubulaires

Les capteurs solaires tubulaires sont assemblés à partir de tubes individuels à travers lesquels circule de l'eau, du gaz ou de la vapeur. C'est l'un des types de systèmes solaires ouverts. Cependant, le liquide de refroidissement est déjà bien mieux protégé des négativités extérieures. Notamment dans les installations sous vide, conçues sur le principe des thermos.

Chaque tube est connecté au système séparément, parallèlement les uns aux autres. Si un tube tombe en panne, il est facile de le remplacer par un nouveau. L'ensemble de la structure peut être assemblé directement sur le toit du bâtiment, ce qui simplifie grandement l'installation.

Le collecteur tubulaire a une structure modulaire. L'élément principal est un tube à vide ; le nombre de tubes varie de 18 à 30, ce qui permet de sélectionner avec précision la puissance du système

Un avantage important des capteurs solaires tubulaires est la forme cylindrique des éléments principaux, grâce à laquelle le rayonnement solaire est capté toute la journée sans recourir à des systèmes coûteux de suivi du mouvement du luminaire.

Un revêtement multicouche spécial crée une sorte de piège optique pour la lumière du soleil. Le diagramme montre partiellement la paroi extérieure de la fiole à vide réfléchissant les rayons sur les parois de la fiole intérieure (+)

Sur la base de la conception des tubes, on distingue les capteurs solaires à plumes et coaxiaux.

Le tube coaxial est un récipient Diaur ou un thermos familier. Fabriqué à partir de deux flacons entre lesquels l'air est évacué. Un revêtement hautement sélectif est appliqué sur la surface intérieure de l'ampoule intérieure, absorbant efficacement l'énergie solaire.

Avec un tube cylindrique, les rayons du soleil tombent toujours perpendiculairement à la surface

L'énergie thermique de la couche sélective interne est transférée à un caloduc ou à un échangeur de chaleur interne constitué de plaques d'aluminium. A ce stade, des pertes de chaleur indésirables se produisent.

Le tube à plumes est un cylindre en verre avec un absorbeur de plumes inséré à l’intérieur.

Le système tire son nom de l'absorbeur en plumes, qui s'enroule étroitement autour d'un canal thermique en métal conducteur de chaleur.

Pour une bonne isolation thermique, l'air a été évacué du tube. Le transfert de chaleur depuis l'absorbeur s'effectue sans perte, de sorte que l'efficacité des tubes en plumes est plus élevée.

Selon le mode de transfert de chaleur, il existe deux systèmes : à flux direct et avec caloduc. Le tube thermique est un récipient scellé contenant un liquide qui s'évapore facilement.

Étant donné que le liquide qui s'évapore facilement s'écoule naturellement vers le bas du tube chauffant, l'angle d'inclinaison minimum est de 20 °C.

À l'intérieur du tube chauffant se trouve un liquide qui s'évapore facilement et qui reçoit la chaleur de la paroi interne du ballon ou de l'absorbeur en plumes. Sous l’influence de la température, le liquide bout et monte sous forme de vapeur. Une fois la chaleur transférée au liquide de refroidissement du chauffage ou de l'alimentation en eau chaude, la vapeur se condense en liquide et s'écoule.

L’eau est souvent utilisée comme liquide s’évaporant facilement à basse pression. Un système à passage unique utilise un tube en forme de U dans lequel circule de l'eau ou du fluide caloporteur.

Une moitié du tube en forme de U est destinée au liquide de refroidissement froid, la seconde élimine le liquide chauffé. Lorsqu'il est chauffé, le liquide de refroidissement se dilate et pénètre dans le réservoir de stockage, assurant ainsi une circulation naturelle. Comme pour les systèmes de tubes chauffants, l'angle d'inclinaison minimum doit être d'au moins 20⁰.

Avec un raccordement à flux direct, la pression dans le système ne peut pas être élevée, car il y a un vide technique à l'intérieur du ballon

Les systèmes à flux direct sont plus efficaces car ils chauffent immédiatement le liquide de refroidissement. Si les systèmes de capteurs solaires doivent être utilisés toute l'année, un antigel spécial y est pompé.

L’utilisation de capteurs solaires tubulaires présente de nombreux avantages et inconvénients. La conception d'un capteur solaire tubulaire est constituée d'éléments identiques relativement faciles à remplacer.

Avantages :

• faible perte de chaleur;
• capacité de travailler à des températures allant jusqu'à -30⁰С ;
• performances efficaces tout au long de la journée ;
• bonnes performances dans les zones aux climats tempérés et froids ;
• faible dérive, justifiée par la capacité des systèmes tubulaires à laisser passer les masses d'air à travers eux-mêmes ;
• possibilité de produire du liquide de refroidissement à haute température.

Structurellement, la structure tubulaire présente une surface d'ouverture limitée.

Il présente les inconvénients suivants :

• non capable de s'auto-nettoyer de la neige, de la glace ou du gel ;
• prix élevé.

Malgré le coût initial élevé, les collecteurs tubulaires s'amortissent plus rapidement. Ils ont une longue durée de vie.

Les capteurs tubulaires sont des systèmes solaires de type ouvert et ne conviennent donc pas à une utilisation toute l'année dans les systèmes de chauffage (+)

Systèmes fermés plats

Un collecteur plan se compose d'un cadre en aluminium, d'une couche absorbante spéciale - un absorbeur, d'un revêtement transparent, d'un pipeline et d'une isolation.

Une feuille de cuivre noircie est utilisée comme absorbeur, qui présente une conductivité thermique idéale pour créer des systèmes solaires.Lorsque l'énergie solaire est absorbée par un absorbeur, l'énergie solaire qu'elle reçoit est transférée à un liquide de refroidissement circulant à travers un système de tubes adjacent à l'absorbeur.

A l'extérieur, le panneau fermé est protégé par un revêtement transparent. Il est fabriqué en verre trempé antichoc avec une bande de transmission de 0,4 à 1,8 microns. Cette plage représente le rayonnement solaire maximum. Le verre antichoc offre une bonne protection contre la grêle. Sur la face arrière, l'ensemble du panneau est isolé de manière fiable.

Les capteurs solaires plats se caractérisent par des performances maximales et une conception simple. Leur efficacité est augmentée grâce à l'utilisation d'un absorbeur. Ils sont capables de capter le rayonnement solaire diffus et direct

La liste des avantages des écrans plats fermés comprend :

• simplicité de conception;
• bonnes performances dans les régions aux climats chauds ;
• la possibilité d'installer à n'importe quel angle avec des dispositifs permettant de modifier l'angle d'inclinaison ;
• la capacité de s'auto-nettoyer de la neige et du gel ;
• bas prix.

Les capteurs solaires plans sont particulièrement avantageux si leur utilisation est prévue dès la conception. La durée de vie des produits de qualité est de 50 ans.

Les inconvénients comprennent :

• perte de chaleur élevée;
• poids lourd;
• un vent élevé lorsque les panneaux sont positionnés en biais par rapport à l'horizontale ;
• limitations de performances lorsque les changements de température dépassent 40°C.

Le champ d'application des collecteurs fermés est beaucoup plus large que celui des systèmes solaires de type ouvert. En été, ils sont capables de satisfaire pleinement les besoins en eau chaude. Par temps frais, lorsque les services publics ne les incluent pas dans la période de chauffage, ils peuvent fonctionner à la place des radiateurs à gaz et électriques.

Pour ceux qui souhaitent fabriquer un capteur solaire Pour construire de vos propres mains un système de chauffage dans votre datcha, nous vous suggérons de vous familiariser avec des schémas testés en pratique et des instructions de montage étape par étape.

Comparaison des caractéristiques des capteurs solaires

L'indicateur le plus important d'un capteur solaire est son efficacité. Les performances utiles des capteurs solaires de différentes conceptions dépendent de la différence de température. Dans le même temps, les collecteurs plats sont beaucoup moins chers que les collecteurs tubulaires.

Les valeurs d'efficacité dépendent de la qualité de fabrication du capteur solaire. Le but du graphique est de montrer l'efficacité de l'utilisation de différents systèmes en fonction de la différence de température

Lors du choix d'un capteur solaire, vous devez faire attention à un certain nombre de paramètres indiquant l'efficacité et la puissance de l'appareil.

Il existe plusieurs caractéristiques importantes pour les capteurs solaires :

• coefficient d'adsorption - montre le rapport entre l'énergie absorbée et le total ;
• coefficient d'émission - montre le rapport entre l'énergie transmise et l'énergie absorbée ;
• surface totale et surface d'ouverture ;
• Efficacité

La zone d'ouverture est la zone de travail du capteur solaire. Un capteur plan présente une surface d'ouverture maximale. La surface de l'ouverture est égale à la surface de l'absorbeur.

Méthodes de connexion au système de chauffage

Étant donné que les appareils alimentés par l’énergie solaire ne peuvent pas fournir un approvisionnement énergétique stable 24 heures sur 24, un système résilient à ces lacunes est nécessaire.

Pour la Russie centrale, les appareils solaires ne peuvent pas garantir un flux d’énergie stable, ils sont donc utilisés comme système supplémentaire. L'intégration dans un système de chauffage et d'eau chaude existant est différente pour un capteur solaire et une batterie solaire.

Schéma avec collecteur d'eau

Selon le but d'utilisation du collecteur de chaleur, différents systèmes de connexion sont utilisés. Il peut y avoir plusieurs options :

1. Option été pour l'approvisionnement en eau chaude
2. Option hiver pour le chauffage et l'approvisionnement en eau chaude

L'option été est la plus simple et peut être réalisée même sans pompe de circulationen utilisant la circulation naturelle de l’eau.

L'eau est chauffée dans le capteur solaire et, en raison de la dilatation thermique, pénètre dans le ballon de stockage ou la chaudière. Dans ce cas, une circulation naturelle se produit : l'eau froide est aspirée du réservoir à la place de l'eau chaude.

En hiver, à des températures inférieures à zéro, le chauffage direct de l'eau n'est pas possible. Un antigel spécial circule dans un circuit fermé, assurant le transfert de chaleur du collecteur à l'échangeur de chaleur dans le réservoir

Comme tout système basé sur la circulation naturelle, il ne fonctionne pas de manière très efficace, nécessitant le respect des pentes nécessaires. De plus, le ballon de stockage doit être plus haut que le capteur solaire. Pour que l’eau reste chaude le plus longtemps possible, le réservoir doit être soigneusement isolé.

Si vous souhaitez vraiment obtenir le fonctionnement le plus efficace du capteur solaire, le schéma de connexion deviendra plus compliqué.

Pour éviter que le collecteur ne se transforme la nuit en radiateur de refroidissement, il est nécessaire d'arrêter de force la circulation de l'eau

Un liquide de refroidissement antigel circule dans le système de capteurs solaires. La circulation forcée est assurée par une pompe contrôlée par un contrôleur.

Le contrôleur contrôle le fonctionnement de la pompe de circulation sur la base des lectures d'au moins deux capteurs de température. Le premier capteur mesure la température dans le ballon de stockage, le second - sur le tuyau d'alimentation en liquide de refroidissement chaud du capteur solaire.

Dès que la température dans le réservoir dépasse la température du liquide de refroidissement, le contrôleur du collecteur éteint la pompe de circulation, arrêtant ainsi la circulation du liquide de refroidissement dans le système. À son tour, lorsque la température dans le réservoir de stockage descend en dessous de la valeur définie, la chaudière s'allume.

Un nouveau mot et une alternative efficace aux capteurs solaires avec liquide de refroidissement sont devenus des systèmes avec les tubes à vide, dont nous vous proposons de vous familiariser avec le principe de fonctionnement et la conception.

Schéma avec batterie solaire

Il serait tentant d'appliquer une méthode similaire schéma de connexion d'une batterie solaire au réseau électrique, comme c'est le cas dans le cas d'un capteur solaire, en accumulant l'énergie reçue pendant la journée. Malheureusement, pour le système d'alimentation électrique d'une maison privée, il est très coûteux de créer une batterie d'une capacité suffisante. Par conséquent, le schéma de connexion ressemble à ceci.

Lorsque la puissance du courant électrique issu de la batterie solaire diminue, l'unité ATS (allumage automatique d'une réserve) assure le raccordement des consommateurs au réseau électrique général.

A partir des panneaux solaires, la charge est fournie au contrôleur de charge, qui remplit plusieurs fonctions : assure une recharge constante des batteries et stabilise la tension. Ensuite, le courant électrique est fourni à l'onduleur, où le courant continu 12 V ou 24 V est converti en courant alternatif monophasé 220 V.

Hélas, nos réseaux électriques ne sont pas adaptés à la réception d'énergie, ils ne peuvent fonctionner que dans un seul sens, de la source au consommateur. Pour cette raison, vous ne pourrez pas vendre l’électricité extraite ou du moins faire tourner le compteur dans le sens inverse.

L'utilisation de panneaux solaires est avantageuse dans la mesure où ils fournissent un type d'énergie plus polyvalent, mais en même temps, leur efficacité n'est pas comparable à celle des capteurs solaires. Toutefois, ces dernières n’ont pas la capacité de stocker de l’énergie, contrairement aux batteries solaires photovoltaïques.

Vous trouverez tout sur les possibilités d'organisation du chauffage d'une maison privée à l'aide de panneaux solaires. Dans cet article.

Exemple de calcul de la puissance requise

Lors du calcul de la puissance requise d'un capteur solaire, les calculs sont souvent effectués par erreur sur la base de l'énergie solaire entrante pendant les mois les plus froids de l'année.

Le fait est que pendant les mois restants de l’année, l’ensemble du système surchauffera constamment. En été, la température du liquide de refroidissement à la sortie du capteur solaire peut atteindre 200°C lors du chauffage de vapeur ou de gaz, 120°C pour l'antigel, 150°C pour l'eau. Si le liquide de refroidissement bout, il s'évapore partiellement. En conséquence, il faudra le remplacer.

Les fabricants recommandent de partir des chiffres suivants :

• fourniture d'eau chaude à pas plus de 70 % ;
• fourniture du système de chauffage pas plus de 30%.

Le reste de la chaleur requise doit être généré par un équipement de chauffage standard. Néanmoins, avec de tels indicateurs, une moyenne d'environ 40 % est économisée par an sur le chauffage et l'approvisionnement en eau chaude.

La puissance générée par un tube d'un système à vide dépend de l'emplacement géographique. Indicateur de baisse de l'énergie solaire par 1 m par an² de la terre est appelée insolation.

Connaissant la longueur et le diamètre du tube, vous pouvez calculer l’ouverture – la surface d’absorption effective. Reste à appliquer les coefficients d'absorption et d'émission pour calculer la puissance d'un tube par an.

Exemple de calcul :

La longueur standard du tube est de 1 800 mm, la longueur efficace est de 1 600 mm. Diamètre 58 mm. L'ouverture est la zone ombrée créée par le tube. Ainsi, l'aire du rectangle d'ombre sera :

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928m²

L'efficacité du tube central est de 80 %, l'insolation solaire pour Moscou est d'environ 1 170 kWh/m² dans l'année. Ainsi, un tube produira par an :

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

Il convient de noter qu’il s’agit d’une estimation très approximative. La quantité d'énergie générée dépend de l'orientation de l'installation, de l'angle, de la température moyenne annuelle, etc.

De toutes sortes sources d'énergie alternatives et les façons de les utiliser, vous pouvez les trouver dans l'article présenté.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo n°1. Démonstration du fonctionnement d'un capteur solaire en hiver :

Vidéo n°2. Comparatif de différents modèles de capteurs solaires :

Tout au long de son existence, l’humanité consomme chaque année de plus en plus d’énergie. Des tentatives visant à utiliser le rayonnement solaire gratuit ont été faites depuis longtemps, mais ce n'est que récemment qu'il est devenu possible d'utiliser efficacement le soleil sous nos latitudes. Il ne fait aucun doute que les systèmes solaires représentent l’avenir.

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