Sistemas solares de aquecimento: análise das tecnologias de instalação de aquecimento com base em sistemas solares

A questão da busca por fontes alternativas de calor torna-se cada vez mais relevante. Isso é impulsionado pelo aumento dos preços do gás, carvão e petróleo. Uma direção muito promissora são os sistemas de aquecimento solar, capazes de aquecer o ambiente de forma eficiente por muitos anos.

Está pensando em instalar um sistema solar, mas tem dúvidas e perguntas? Nós ajudaremos você a entender quando é conveniente usar a energia solar para aquecimento e descreveremos as possíveis opções de organização do aquecimento. Além disso, ofereceremos instruções para a fabricação de sistemas solares caseiros – coletores planos e tubulares.

Energia solar – fonte alternativa de calor

A ideia de usar energia solar para aquecimento não é nova. Além disso, a viabilidade de sua aplicação foi comprovada por americanos, chineses, espanhóis, israelenses e japoneses.

O mercado está repleto de ofertas de várias instalações para a conversão da energia solar e seu uso posterior para necessidades domésticas.

Os sistemas solares são ativamente utilizados como principal fonte de calor em muitos países do mundo. Em nossas latitudes, ainda são usados como complemento ao sistema de aquecimento.

O custo dos sistemas depende do tipo, área e material utilizado na fabricação. Ano após ano, observa-se uma tendência consistente de redução dos preços de todos os tipos de instalações solares – sistemas solares.

Isso os torna mais acessíveis à população em geral. No entanto, nem todo interessado está pronto para fazer essa compra ainda.

Por outro lado, se desejar, é possível construir um sistema de aquecimento solar eficiente com as próprias mãos, gastando significativamente menos recursos.

O sistema de aquecimento habitual, que cumpre perfeitamente suas funções há muitos anos, está se tornando cada vez mais caro. A culpa é do aumento global dos recursos energéticos em todo o mundo. O desejo natural que surge no proprietário é economizar no aquecimento, que consome uma parte significativa do orçamento familiar.

Assim, o sistema de aquecimento solar pode substituir completamente o sistema tradicional a combustível sólido, a gás ou qualquer outro. Tudo depende do tipo e tamanho do ambiente onde será utilizado.

Uma opção adequada para um armazém de grãos não servirá para uma casa residencial, e um sistema que atenda às necessidades de uma casa de campo não dará conta do aquecimento de uma mansão de dois andares.

A substituição completa do aquecimento tradicional pelo solar às vezes é problemática. O proprietário teme que o sistema não consiga dar conta ou que não haja espaço físico suficiente para instalar a quantidade necessária de painéis.

Por isso, frequentemente se utiliza um sistema de aquecimento combinado, sem abandonar completamente o equipamento a gás (elétrico ou outro) já instalado. O nível de substituição do aquecimento habitual pelo solar pode chegar a 90%.

Além disso, a quantidade anual de dias de sol na região onde a residência está localizada é muito importante. A temperatura média diária não é tão relevante. Muitas instalações absorvem a luz de forma eficiente em dias frios de inverno (coletores solares que usam anticongelante como fluido de transferência de calor).

Além do aquecimento, a instalação solar pode fornecer água quente e eletricidade para a residência.

Onde a instalação solar será mais eficiente

Na questão da substituição do aquecimento por uma instalação solar, é necessário considerar uma série de fatores que afetam sua eficiência.

Em primeiro lugar, é necessário escolher corretamente o tipo de sistema solar. Nesta questão, deve-se considerar a área do ambiente e sua finalidade. Na maioria das vezes, trata-se de uma casa particular onde mora uma família de 4 a 5 pessoas.

Em segundo lugar, calcular cuidadosamente as necessidades de calor com base no consumo máximo durante a estação fria. Comparar esses números com a quantidade de energia gerada por 1 m² da instalação solar. Restará calcular a área da estrutura solar capaz de lidar com o aquecimento do ambiente específico.

O valor obtido se tornará o principal fator na determinação do local de instalação do sistema. Geralmente, os proprietários preferem usar o telhado ou a parede da casa. Raramente usam o terreno adjacente ou o telhado da garagem. Às vezes, constroem suportes especiais para a montagem da instalação.

A construção de suportes especiais para a instalação de sistemas solares permite colocá-los da forma mais conveniente no terreno da casa

É importante que nada impeça a livre penetração dos raios solares na superfície absorvente de luz. Deve-se escolher a parede sul, sudeste ou sudoeste, ou parte do telhado.

Depois de decidir onde os painéis solares serão colocados, é necessário realizar a preparação prévia da residência:

• Liberar espaço. Cortar plantações extras se estiverem atrapalhando.
• Reforçar o telhado. Aqui é preciso não esquecer o peso que a estrutura pretendida terá.
• Isolar adicionalmente o edifício. Afinal, não faz sentido aquecer a rua.

Em terceiro lugar, é necessário resolver a questão: comprar ou construir o sistema de aquecimento por conta própria. Tudo depende das possibilidades financeiras e da vontade de gastar tempo na fabricação da estrutura.

Escolendo a seunda opção, é preciso entender o princíio de funcionamento do sistema necessário para montar tudo corretamente.

Possíveis opções de instalação de aquecimento solar

As opções de construção do sistema de aquecimento solar dependem inteiramente dos desejos do proprietário da residência:

• Uso de produtos de fábrica. Compra de coletores prontos com instalação e montagem próprias.
• Construção de um projeto piloto.  Ele é necessário para verificar o efeito do uso do sistema para a realização posterior de cálculos precisos.
• Execução independente do ciclo completo de trabalhos.  Cálculo, projeto, construção do sistema solar 'do zero', sua instalação.

Opção nº 1. Implica a escolha do local correto para a instalação dos sistemas solares, pois disso dependerá a eficiência do seu uso. A instalação também exigirá habilidades especiais.

Não será necessário calcular a quantidade de painéis – bastará expressar todos os seus desejos à empresa fornecedora do equipamento. Também será preciso responder às perguntas esclarecedoras dos gerentes – pronto, a seleção da quantidade ideal de painéis (coletores) ocorrerá sem nenhuma dificuldade.

Para instalar um sistema solar com as próprias mãos no telhado, é necessário contar com o apoio de pelo menos um ajudante. Sozinho não será possível realizar esse trabalho.

Opção nº 2 – construção de uma projeto piloto. Será a solução ideal para pessoas indecisas. Afinal, é difícil tomar uma decisão final sobre a substituição do sistema de aquecimento imediatamente. Construir um coletor solar (de ar ou água) de tamanho pequeno e testá-lo "em ação" será uma experiência útil.

Avaliando os custos reais de fabricação, comparando-os com o valor de mercado de sistemas similares e calculando a economia obtida com o uso na propriedade, será fácil tomar uma decisão responsável.

Opção nº3 – a escolha dos verdadeiros mestres.

Para um aquecimento completo do imóvel, será necessário realizar um trabalho colossal:

• Calcular a área necessária do sistema solar.
• Determinar o local da futura instalação e reforçá-lo.
• Isolar adicionalmente a residência.
• Adquirir todos os elementos para a construção do sistema.
• Construir painel solar.
• Instalar o sistema construído, seguindo os requisitos principais – o ângulo de inclinação em relação à incidência dos raios solares.

A execução do ciclo completo de trabalhos para a instalação do sistema não pode ser considerada uma tarefa fácil, mas o processo é extremamente fascinante. Além disso, permite economizar uma quantia bastante considerável.

Ao escolher o tipo de aquecimento que utiliza energia solar, deve-se decidir se ele será usado também para aquecer água e gerar eletricidade (clique para ampliar)

Tipos de instalações para conversão de energia solar

Dependendo do princípio de funcionamento, distinguem-se dois tipos de dispositivos que absorvem a luz solar:

• Painéis com conversores fotovoltaicos. Consistem em sistemas de elementos semicondutores conectados em série ou paralelo. Eles fornecem corrente para alimentar aquecedores domésticos.
• Coletores solares. Painéis com um sistema de tubos preenchidos com fluido térmico: ar, mistura anticongelante ou água. Eles fornecem o fluido aquecido pelo sol para o circuito de aquecimento.

Vamos analisar cada opção separadamente.

Painéis solares

O painel solar converte a luz absorvida em eletricidade. Consiste em células fotoelétricas (geralmente de silício), capazes de extrair corrente elétrica contínua diretamente da radiação solar.

Essa instalação pode ser usada para garantir o funcionamento de equipamentos de aquecimento elétrico. Ela deve ser conectada ao sistema de fornecimento de energia da residência.

A eficiência de conversão da radiação solar por esta instalação é de 5% a 20%, dependendo do tipo de dispositivo que processa a radiação solar. A produtividade de 1 m² de bateria solar é de 120 W.

Resta calcular quantos metros quadrados de área serão necessários para atender às necessidades de uma residência específica, com base no tamanho da moradia, nas necessidades individuais de calor e no nível de isolamento das estruturas.

O local mais conveniente para posicionar as baterias solares é no telhado da casa, escolhendo a sua inclinação sul

Para aquecimento, as baterias solares são mais eficazes quando usadas em regiões sul. Sua principal desvantagem é a redução da eficiência ao entardecer e em tempo nublado, e a total falta de funcionamento durante a noite.

Para fazer uma bateria solar com as próprias mãos, primeiro será necessário montar a estrutura, soldar os elementos solares, depois colocar tudo cuidadosamente e usar o selante.

Para a fabricação da estrutura, são usadas ripas de madeira e cantoneiras de alumínio. Tudo depende do tamanho da estrutura a ser montada e do local de sua instalação. Os elementos solares – placas de silício – são a parte mais cara da estrutura. Elas podem ser monocristalinas e policristalinas. As primeiras são um pouco mais caras, mas sua produtividade é 5% maior.

Fazê-las por conta própria é impossível. É melhor adquirir os conversores fotoelétricos já com condutores soldados.

Elas devem ser colocadas sobre uma base de fibra de madeira (MDF), depois fixadas na estrutura, os fios dos elementos devem ser conduzidos para fora e todos os orifícios preenchidos com selante. Deixar a estrutura secar bem e cobrir com uma tampa de vidro ou plástico transparente.

Os esquemas de montagem e as formas de conexão das baterias solares estão descritos neste artigo.

Coletores solares

Uma forma fundamentalmente diferente de converter a luz absorvida nos coletores. A base do seu funcionamento é o fluido térmico que passa pelos tubos.

Dependendo da construção, podem-se distinguir três variedades principais de coletores, mais frequentemente utilizados para a construção de um sistema solar de aquecimento:

• Planos. O receptor de calor – o absorvedor – é feito de chapa metálica com superfície externa enegrecida. Ao aquecer, ele transfere a energia para o fluido térmico do sistema de aquecimento.
• Vácuo. O sistema coletor de tipo vácuo é feito no esquema de garrafas térmicas, graças ao qual o calor obtido do sol é preservado quase duas vezes melhor.
• Concentradores. O dispositivo é equipado com uma peça espelhada côncava de grande área superficial, que focaliza a luz solar em uma pequena área do absorvedor.

As instalações solares mais comuns em uso doméstico são equipadas com um sistema de tubos, dispostos como elementos conectados em paralelo ou como serpentina. Os tubos são preenchidos com água técnica, ou uma mistura de água com líquido anticongelante, ou ar.

Ao visualizar as partes principais da instalação solar, fica mais fácil decidir onde melhor posicionar os diversos componentes (+)

A instalação de ar pode ser usada como fonte adicional de aquecimento. Ela não consegue fornecer calor integralmente a uma residência, independentemente da região. A principal característica deste tipo de sistema solar é o ar, que atua como fluido térmico.

Os sistemas tubulares são bastante utilizados para aquecimento durante todo o ano. O anticongelante ou a mistura anticongelante é aquecido pelos raios solares, depois passa pelos tubos internos de troca de calor e em seguida é direcionado ao tanque acumulador.

O movimento do líquido é estimulado por uma bomba, graças à qual ele se desloca do tanque para o sistema de aquecimento. O fluido térmico aquecido desloca a parte resfriada do líquido, que deve retornar ao coletor para aquecer novamente.

O princípio de funcionamento do sistema solar plano baseia-se na penetração da luz solar no interior do painel, onde se encontra o absorvedor de calor. Ele aquece e irradia calor, que é transferido para o líquido que circula por tubos metálicos (geralmente de cobre).

O que pode ser construído por conta própria?

É possível construir com as próprias mãos um sistema solar de aquecimento que utilize um coletor do tipo ar. O melhor é instalá-lo na parede sul do edifício.

Quanto maior a área do ambiente a ser aquecido, maior será a área ocupada pelo coletor – possivelmente toda a parede da casa. Além disso, este sistema solar pode ser construído no sótão.

Ao planejar instalar um sistema de aquecimento a ar no sótão, é necessário garantir que ele suporte o peso da instalação (+)

O coletor solar que aquece a massa de ar – desempenha suas funções de aquecimento por meio dos fluxos de ar que passam dentro do sistema. O fluido térmico circula pelo circuito, resfria e retorna ao sistema. O movimento dos fluxos de ar pode ocorrer naturalmente ou com o uso de um ventilador.

Quanto aos materiais para a fabricação do coletor de ar, aqui podem ser utilizados diversos meios improvisados. Não existe uma regra única.

Os artesãos domésticos aperfeiçoam este tipo de sistema solar, montado em casa. Alguns buscam obter uma opção mais barata, sacrificando a eficiência, outros – o contrário.

Compreendendo os elementos principais do coletor de ar, é mais fácil decidir sobre o local de sua instalação – telhado ou parede (+)

Vamos considerar as principais formas.

Características da instalação de um sistema solar tubular

O sistema solar do tipo tubular para aquecimento pode ser utilizado em diversas regiões. Ele não depende da temperatura externa. O importante é que a instalação receba o máximo de raios solares.

O anticongelante usado como fluido térmico não congela em baixas temperaturas. Em dias claros de inverno, a quantidade de luz solar excede a quantidade de luz recebida no verão.

O coletor solar tubular consiste em um sistema de tubos a vácuo transparentes conectados entre si. Eles contêm uma substância com baixo ponto de ebulição. Ao ferver, evapora, transfere seu calor para a ponta de cobre e escorre para baixo, onde tudo se repete novamente.

Os tubos a vácuo, feitos de vidro refratário, são preenchidos internamente com uma substância capaz de ferver a baixas temperaturas (+)

Os tubos a vácuo absorvem até 90% de toda a radiação solar (visível e infravermelha). A energia solar, convertida em energia térmica, chega ao fluido térmico. Ele transmite essa energia adiante pelo sistema – para o trocador de calor localizado em um tanque acumulador especial.

O movimento do fluido térmico e da água pelos sistemas de aquecimento ocorre por meio de bombas. É importante que o tanque tenha um bom isolamento térmico. Geralmente, há dois trocadores de calor: um conectado ao aquecedor adicional, o segundo – aos coletores.

Em casas com esse tipo de instalação solar, é vantajoso conectar adicionalmente o sistema de piso aquecido. Isso permite aquecer o edifício de forma mais eficiente.

Quanto à instalação de coletores tubulares, pode-se instalá-lo por conta própria. Apenas deve-se considerar o ângulo de inclinação de trabalho – ele deve ser de no mínimo 20°.

O coletor solar tubular é colocado no telhado, escolhendo a direção mais ensolarada. É importante que não haja edifícios altos próximos que impeçam a livre penetração da luz solar.

Construir uma instalação a vácuo por conta própria não é viável – é impossível fazer tubos a vácuo em casa. Isso é feito por fábricas especializadas na produção de sistemas solares a vácuo.

Instalação solar plana

Frequentemente, para aquecimento, utiliza-se um coletor solar plano.

Para sua construção, serão necessários:

• estrutura metálica;
• fundo resistente;
• camada de isolamento térmico;
• camada de absorvedor de radiação solar de cor preta (adsorsor);
• tampa transparente – plástico, vidro;
• tubos para fluido (cobre, alumínio).

A estrutura deve ser equipada com bocais de entrada e saída e uma bomba para circulação eficiente do fluido.

É possível montar um coletor solar plano com as próprias mãos. Para isso, frequentemente utilizam-se materiais disponíveis, escolhendo opções mais baratas como alternativa (+)

O coletor plano pode ser instalado em qualquer ângulo, condição obrigatória – limpar neve e poeira. Ele é especialmente bom para climas quentes.

Em épocas frias, observa-se baixo desempenho e altas perdas de calor, o que questiona o uso apenas desse sistema solar para aquecimento completo. O ideal é usar o coletor solar plano em conjunto com aquecimento a gás, elétrico ou a combustível sólido.

Sugerimos que consulte os artigos sobre montagem caseira de sistemas solares de aquecimento:

1. Como fazer um coletor solar para aquecimento com as próprias mãos – guia passo a passo
2. Como fazer uma bateria solar com as próprias mãos: métodos de montagem e instalação de painéis solares

Mais uma vez sobre a conveniência

Usar a energia solar para aquecimento em vez dos recursos energéticos convencionais é vantajoso. Dependendo do tipo de sistema solar escolhido, a economia no consumo de calor pago pode chegar a 100%.

A opção de substituição total do sistema de aquecimento é o uso de coletores com tubos a vácuo. É um projeto bastante caro na fase inicial. No futuro, pode garantir total independência energética, pagando-se em 6 a 8 anos.

A engenhosidade dos artesãos caseiros não tem limites – como labirinto para circulação do fluido dentro do coletor, pode-se adaptar uma mangueira comum

A vida útil dos sistemas solares é de até 25 anos. Eles exigem pouca manutenção – limpeza periódica das superfícies contra neve, poeira e detritos. Quanto aos reparos, podem ser feitos por conta própria. Uma desvantagem significativa é que os coletores planos e as baterias solares 'temem' furacões.

Tal aquecimento é seguro para os moradores da casa e para o meio ambiente. É completamente gratuito e não depende da taxa de câmbio, dos preços dos recursos energéticos.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O vídeo demonstrará o processo de construção manual de uma bateria solar:

Guia ilustrativo para a construção de um sistema de aquecimento a ar:

Tecnologia de fabricação de um sistema solar plano com suas próprias mãos:

Os sistemas solares ou sistemas de aquecimento solar têm se mostrado bem-sucedidos em todo o mundo. Eles permitem obter calor gratuitamente, reduzindo as despesas com contas de aquecimento em até 30%.

É possível substituir completamente os recursos energéticos pela energia solar em seu sistema de aquecimento. Outra grande vantagem é que você mesmo pode montar o sistema solar.

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