visão geral dos sistemas de aquecimento de água Solar
nos Estados Unidos, a água de aquecimento ocupa uma grande parte das despesas operacionais de um edifício. Em todo o país, cerca de 18% do uso de energia em moradias residenciais vai para o aquecimento de água, mas apenas 4% do uso de energia em edifícios comerciais.
atualmente, a água aquecida por energia solar atende apenas cerca de 2% dos potenciais sistemas de aquecimento de água solar para todas as residências nos Estados Unidos.
geralmente, você pode usar instalações de aquecimento solar em residências com um telhado voltado para o sul (ou próximo a ele) ou terrenos sem sombra para instalar um coletor (para enfrentar os raios do sol e absorver a energia solar).Em 2021, esses estados foram os mais populares para o mercado de aquecimento solar: Califórnia, Texas, Carolina do Norte, Flórida, Arizona, Nevada, Nova Jersey, Massachusetts, Geórgia e Nova York.
as menções de Nova Jersey, Massachusetts e Nova York mostram que os sistemas de água solar nem sempre precisam estar em uma mancha solar!
curiosamente. Em todo o mundo, a partir de 2017, Barbados, Áustria, Chipre, Israel e Grécia são os principais países de água solar aquecida por capacidade por pessoa.
os aquecedores de água solares DIY valem a pena?
DIY significa do-it-yourself, em vez de contratar uma empresa de construção para fazer o seu trabalho.
um aquecedor de água solar não se conecta à rede elétrica para coletar energia; ele absorve energia do sol e a alimenta de volta ao sistema de aquecimento de água em sua casa.
para ser claro, um sistema de aquecimento de água solar fornece apenas água aquecida e não pode alimentar seus aparelhos elétricos, por exemplo. Portanto, uma opção é instalar um sistema solar fotovoltaico, que forneceria energia solar em seu aquecedor elétrico de água.
usando um sistema fotovoltaico significa que você pode manter o seu sistema de água quente regular, mas você pode fazer painéis solares e sistemas de aquecimento de água solar!
um aquecedor solar usa um coletor solar em seu telhado em um ângulo que melhor capta os raios do sol e aquece diretamente a água em sua casa.
um aquecedor de água solar típico pode reduzir os custos convencionais de energia elétrica em cerca de 40-50% e economizar dinheiro em suas contas de energia.
entenda que o aquecedor solar de água não elimina a energia da rede-ele atua como um backup, que pode economizar muito dinheiro, pois você não está pagando pela energia da rede que não precisa mais quando está ensolarado.
o aquecedor de água solar DIY e a rede elétrica funcionam lado a lado, atuando como parceiros, especialmente em climas quentes, onde o sol é poderoso por longas horas todos os dias.Os sistemas de água quente solar DIY realmente custam dinheiro para instalar; no entanto, eles podem pagar seu investimento quando você precisa de menos energia da rede e, portanto, ter contas de serviços públicos mais baixas, economizando custos de energia.
uma vez que o investimento pagou de volta com esta energia livre, você pode desfrutar de água quente quase livre para a vida restante do aquecedor de água solar!Além disso, nos Estados Unidos, o Congresso ofereceu um crédito fiscal de investimento, conhecido como crédito Federal de energia solar residencial (continue verificando a disponibilidade—a última indicação é que expirará em 31 de dezembro de 2024).
este crédito fiscal é uma redução Dólar por dólar em seus impostos de renda. Então, por exemplo, se você receber um crédito fiscal federal de US $1.000, e seus impostos federais, caso contrário, devido é de US $1.000 ou mais, você recebe uma redução de US $1.000 em seus impostos federais.
você também pode solicitar um crédito fiscal estadual, dependendo do seu estado.
para mais detalhes sobre créditos fiscais de investimento para energia solar, visite este site.
os painéis solares são uma questão diferente. Os painéis solares convertem a luz solar em eletricidade, o que alimenta sua casa. Aqui, estamos apenas cobrindo sistemas solares de aquecimento de água.
a economia dos aquecedores solares de água DIY
os sistemas de aquecimento solar de água DIY são geralmente mais caros de comprar e instalar do que aquecedores de água a gás ou aquecedores de água elétricos convencionais.
no entanto, usando um sistema de aquecimento de água solar DIY pode economizar dinheiro a longo prazo.
a economia da economia para sistemas de aquecimento de água solar depende de muitos fatores diferentes:
· Nível de consumo de água quente
· o Desempenho do sistema de aquecimento solar de água
· localização Geográfica e a exposição ao sol e, portanto, a energia solar disponível
· Disponível impostos do governo créditos e financiamentos
· Comparativo de custos de aquecedores de água a gás e aquecedores elétricos convencionais
Os fatores utilizados para estimar a eficiência energética de um sistema de água quente solar são a energia solar fator solar e da fração.
o Fator de energia solar é calculado dividindo a energia fornecida pelo sistema geral pela quantidade de entrada de energia convencional no sistema.
se o Fator for 5, isso significa que o sistema de aquecimento de água solar está bombeando cinco vezes mais energia do que a energia consumida pelos sistemas de aquecimento de gás ou água elétrica que fazem backup do sistema de água quente solar.
Geralmente, o Fator de energia solar é 2 ou 3.
a fração solar é a proporção da carga total de aquecimento de água quente fornecida pelo aquecimento solar. Portanto, naturalmente, variaria entre 0 a 1,0.
os sistemas solares de aquecimento de água geralmente têm uma fração solar de 0,5 a 0,75.
quais são os diferentes tipos de aquecedores solares de água DIY?
existem muitos tipos diferentes de sistemas de água quente solar DIY. Primeiro, há o aquecedor de água solar ativo, que geralmente requer uma bomba. Em contraste, também temos o aquecedor de água solar passivo, que não usa uma bomba; em vez disso, ele usa convecção.
o modelo de água solar passiva permite que a água quente suba e a água fria afunde, portanto, uma bomba não é necessária.
existem dois tipos principais de modelos passivos:
1. Armazenamento integrado do coletor. Estes também são chamados de aquecedores em lote e usam tanques que atuam como coletores de armazenamento e aquecimento solar de água (coletor, o que significa que expõe a água aos raios do sol, coletando assim o calor do sol). (Eles são carinhosamente referidos como” caixas de pão ” por causa de sua aparência volumosa).
2. Armazenamento de calor por convecção. Esses são principalmente coletores de placas planas, e o tanque está localizado no porão. Assim, os coletores e os tanques de armazenamento são separados. O armazenamento refere-se a onde a água quente é mantida.
estaremos nos concentrando mais em sistemas de água solar passiva porque eles são mais baratos e fáceis de instalar.
além disso, vamos nos concentrar na próxima Subcategoria dos coletores de placas planas porque eles são mais fáceis de construir e instalar do que os aquecedores em lote. É bom estar ciente das diferentes possibilidades de aquecedores solares de água DIY.
os coletores de placas planas também são chamados de sistemas termossifões porque dependem da premissa de que ” o calor aumenta.”
a água mais quente sobe para sair do sistema para aquecer a casa, e a água mais fria entra no fundo através de um tubo inferior para substituir a água mais quente.
a gravidade alimenta o fluxo Convectivo em um sistema termossifão. Para obter melhores resultados, coloque a parte superior dos coletores pelo menos um pé abaixo da parte inferior do tanque.
maior diferencial de altura resultará em maior fluxo. No entanto, tubos maiores, tiragens mais curtas e curvas suaves proporcionam uma taxa de fluxo adequada.
se você precisar de proteção contra congelamento, não é difícil de fazer. Os coletores podem ser preenchidos com uma solução anticongelante (o propilenoglicol é o mais comum e não tóxico).
você pode transferir o calor para a água doméstica através de um trocador de calor.
os aquecedores de água solares DIY funcionam?
Sim, mas esteja atento à zona climática onde você mora. Por exemplo, os sistemas thermosyphon não funcionam em climas frios, onde o inverno está congelando porque não têm proteção contra congelamento.
nesse caso, é melhor drenar a água do aquecedor solar para não congelar durante o inverno. Desta forma, eles são ideais para casas de campo ou segundas casas que não são usadas no inverno.Os aquecedores solares de água que atendam ao American National Standards Institute ou à International Standards Organization terão proteção em ambos os extremos de temperatura.
no verão, os controles automáticos impedem que a água superaqueça.
no inverno, os sistemas anticongelantes usam fluido especial e não congelante para passar pelos coletores e drenar o calor do coletor para o tanque, de modo que nenhuma água seja realmente canalizada para fora.
é melhor para montar o aquecedor solar de água na lateral do telhado que fica ao sul e configurá-los em um ângulo de 18º a 50º para baixo do plano horizontal para o melhor luz solar direta. Dessa forma, você maximiza a energia solar usando energia livre.
para determinar o tamanho que você precisa, considere 30 galões de água quente por pessoa em sua casa. Se sua família é muito conservacionista, você pode sobreviver com dez galões de água quente por pessoa. E você economiza custos de energia também!
um tanque de água quente elétrico típico de 80 galões que atende uma família de quatro pessoas consumirá aproximadamente 150 milhões de BTUs em sua vida útil de sete anos.
o tanque de água quente é geralmente dimensionado para lidar com o consumo de um dia. Para uma família de quatro pessoas, um tanque de 80 galões forneceria 20 galões de água quente por pessoa por dia.
além disso, para o dimensionamento do coletor térmico solar com base na sua região climática:
· no Sunbelt, use 1 pé quadrado de coletor por 2 galões de capacidade do tanque (uso doméstico diário).
· nos Estados Sudeste e Montanha, use 1 pé quadrado de coletor por 1,5 galões de capacidade do tanque
· nos Estados Centro-Oeste e Atlântico, use 1 coletor de pé quadrado por 1,0 galão de capacidade do tanque.
· na Nova Inglaterra e no noroeste, use um coletor de pé quadrado por 0,75 galões de capacidade do tanque.
com base nessas regras práticas, uma casa de quatro pessoas com um tanque de 80 galões precisará de aproximadamente 40 pés quadrados do coletor no Arizona, 55 pés quadrados do coletor na Carolina do Sul, 80 pés quadrados do coletor em Iowa e 106 pés quadrados do coletor em Vermont.
para esses sistemas ativos( e, portanto, requerem uma bomba), um dispositivo controlador conectado ao seu aquecedor de água solar detectará a luz solar direta e verificará se a água atingiu a temperatura desejada.
quando o controlador estiver pronto para transmitir água quente para o tanque de armazenamento dentro da casa, ele ativará a bomba.
da mesma forma, em climas frios de inverno, se o controlador detectar que a temperatura congelará as bombas, ele drenará a água do aquecedor de água solar através de tubos de drenagem para fora.
Os Componentes Importantes de um Aquecedor Solar de Água do Sistema
As partes principais de um sistema de loop fechado incluem coletores solares, bombas de circulação, um diferencial, controle com sensores, trocadores de calor, e um tanque de armazenamento.
as peças menores, mas essenciais, incluem um tanque de Expansão, Válvula de alívio de pressão, válvula de retenção, conjunto de drenagem e enchimento e medidores de pressão e temperatura.
Controlador e Sensores
Quando o controlador de sentidos que um sensor é mais quente que o outro, ele irá energizar um interruptor, que pode se transformar em uma bomba ou outro dispositivo eléctrico.
quando não houver mais diferença de temperatura ou muito pequena, o termostato diferencial desligará a bomba.
Em um sistema de água quente solar, um sensor (colocada a medida de água quente) é no encanamento muito perto da saída do coletor solar, e o outro sensor (colocada a medida de água fria) está perto da parte inferior do tanque de armazenamento.
quando o sol nascer, o coletor ficará quente muito rápido. O sensor do coletor ativará o interruptor no controlador para ligar uma bomba.
quando o sol se põe, nuvens escuras aparecem ou o tanque de armazenamento fica quente o suficiente, não haverá mais um grande “diferencial” entre os dois sensores. Em seguida, o termostato desligará a bomba.
permutador de calor
o permutador transfere o calor solar do circuito fechado solar-aquecido à água doméstica. Fatores que aumentam a transferência de calor são:
· Maior área de superfície
· Alta condutividade térmica
· Máximo diferencial de temperatura entre os dois fluidos
Trocadores podem ser categorizadas como uma parede simples ou dupla parede, que se refere ao número de barreiras entre os dois fluidos de troca de calor. Por exemplo, os sistemas que usam glicol não devem usar um trocador de parede única devido ao potencial de contaminação da água potável.
um trocador pode ser tão simples quanto uma bobina de cobre dentro do tanque de armazenamento, onde trocadores de calor de parede única são permitidos. A água aquecida Solar é circulada através da bobina com a ajuda de uma bomba de circulação.
os trocadores são instalados em uma configuração de Contra-fluxo pela qual os dois fluidos fluem em direções opostas através do trocador de calor. Isso maximiza a troca térmica de calor, mantendo o maior diferencial de temperatura entre os fluidos.
a seleção de um trocador é baseada em sua capacidade de transferir calor (em BTUs por hora) produzido pelos coletores solares.
o fabricante ou distribuidor do trocador especificará qual modelo é adequado, dependendo da metragem quadrada total do coletor a ser instalado.
os fabricantes também especificarão uma taxa de fluxo mínima recomendada na água do trocador de calor para atingir uma taxa adequada de transferência de calor.
Válvula de retenção
uma válvula de retenção permite que o fluido flua apenas em uma direção. Impede a perda de calor na noite pelo fluxo Convectivo do tanque de armazenamento morno aos coletores frescos. As válvulas de retenção podem ser do tipo “swing” ou do tipo “spring”.
Tanque de Expansão
Um tanque de expansão permite que o fluido no circuito fechado de expandir e contrair em aquecimento e arrefecimento ciclo. Sem o tanque de expansão, o encanamento pode estourar quando o fluido é aquecido.
como você faz um aquecedor de água Solar?
para este artigo, uma vez que existem tantas variações de aquecedores solares de água faça você mesmo, vamos nos concentrar no modelo de placa plana, especialmente o tipo que aquece um tubo que corre em forma de espiral.
Projete o coletor Solar do aquecimento de água
se você está inclinado a seguir a Rota do-it-yourself, você pode fazer seu próprio coletor. Tubos de cobre macio são ideais para aquecer a água dentro do coletor porque o cobre carrega bem a água e pode dobrar ao seu gosto.
o polieteno reticulado (“PEX”) substitui os tubos tradicionais de cobre e aço galvanizado em projetos de renovação de casas e no setor de construção convencional. Aqui está um vídeo para a opção PEX.
você pode montar esses tubos (feitos de cobre macio ou PEX ou outros materiais) dentro de uma grande caixa isolada artesanal e usar um painel de vidro temperado como cobertura para permitir que os raios do sol entrem facilmente.
seria aconselhável pintar em spray o interior da caixa de madeira e os tubos para aumentar a absorção dos raios solares.
aqui está um exemplo de vídeo sobre como construir seu próprio aquecedor de água solar de placa plana. Existem muitos outros vídeos instrutivos semelhantes na aplicação.
curiosamente, o padrão usado para a tubulação de cobre no vídeo nos lembra uma mangueira de jardim no gramado. Você vai se lembrar quando você pegou a mangueira de jardim deitado para regar o gramado em um bom dia quente, você sentiu a água morna como ele saiu da mangueira.
Imagine o que o painel plano pode fazer pela água dentro do tubo de cobre quando está no seu telhado! E continue pensando em economizar esses custos de energia.
outra opção, embora mais cara, são os coletores de tubos evacuados. Este é apenas mais um termo para tubos de vácuo, que funcionam junto com a operação semelhante de garrafas térmicas de café. Eles consistem em duas camadas de vidro com vácuo entre as camadas.
nos coletores de tubos evacuados, a água potável é aquecida rapidamente, pois os tubos são estruturados para absorver os raios do sol com muita eficiência.
Monte o coletor solar do aquecedor de água no telhado
em geral, qualquer telhado padrão pode suportar um coletor de placa plana montado na parte superior. Verifique se as telhas e o sistema da folha e do fardo são estruturalmente sadios antes de unir a caixa do coletor. Se é um sistema de aquecedor de água solar DIY, que poderia ser uma caixa de madeira.
anexar clipes de montagem para a superfície do telhado. Então você vai ligar a caixa do coletor para esses clipes de montagem. Finalmente, você deve inserir o deslizamento de montagem sob telhas para proteger o telhado do sol e da chuva.
você deve inserir o parafuso de atraso em uma viga de suporte de treliça para força máxima. Além disso, você deve espalhar o material de vedação em torno de qualquer ponto de contato para evitar que a água da chuva vaze embaixo do telhado.Coletores de placa plana podem pesar entre 100 a 150 libras, então duas pessoas que usam escadas são frequentemente necessárias para levantá-lo no telhado.
o coletor é então ligado aos clipes de montagem e é fixado no lugar, pronto para ação.
Inserir Tubos No Telhado para Transportar o Fluxo de Água
Então você vai, faça dois furos no telhado, um para o coletor de alimentação de linha (frio a entrada de água de execução para o coletor) e outro para o coletor de linha de retorno (água quente, voltar a casa para alimentar o tanque de água quente).
é importante comprar uma folha de metal ou plástico especial projetada para direcionar a água para longe da área afetada—que se encaixa em torno de um tubo onde cruza o telhado.
geralmente, piscar para um tubo parece uma estrutura em forma de cone, com a ponta cortada em grande estilo. Ou você poderia usar um boné em vez disso.
também, esta estrutura semelhante a um cone tem um colar largo na parte inferior – dando a impressão de que está realmente tentando direcionar a água para longe.
uma vez que o piscar é fixado em torno do ponto onde o tubo de cobre entra no telhado, você pode terminar todos os pontos de contato usando um selante.
para aqueles que são cuidadosos quanto a pressões externas indesejáveis no aquecedor de água solar, seria uma boa ideia adicionar o seguinte:
· ventilação de Ar (para evitar que o ar de ser preso no calefator de água solar)
· Congelamento de prevenção de válvula (para abrir somente quando a temperatura da água passe o mouse perto do ponto de congelação, de drenagem de tubos, para que eles não estourar quando congelamento)
· válvula de alívio de Pressão (para deixar sair o excesso de água deve a pressão da água ser muito alta dentro dos tubos, e, portanto, impedi-los de ruptura)
Inserir Tubos do Colector no Telhado, Porão Tanque
Agora que estamos aqui, podemos nos dirigir a divisão de trabalho se você estiver usando uma equipe. Uma ou duas pessoas poderiam instalar o coletor no telhado, enquanto a outra ou duas trabalham no porão, instalando tubulações e conectando-as ao tanque de água quente.
muitas vezes, tubos de cobre macios são usados, pois podem passar pelo sótão até o porão sem a necessidade de soldar dentro do sótão.
os tubos de cobre dentro do sótão são revestidos com isolamento para evitar a fuga de calor.
os dutos de ar dentro da casa costumam ser bons companheiros dos canos, pois já possuem uma rede pela casa, incluindo a canalização do forno.
o aquecedor de água no porão serve a dois propósitos. Primeiro, armazena a água aquecida que foi canalizada do telhado. Em segundo lugar, ele terá uma fonte de energia de backup (aquecimento elétrico) se o coletor de água solar não estiver produzindo água aquecida.
o tanque de água quente convencional no porão não possui os tubos de alimentação ou retorno do coletor necessários para trocar com o coletor no telhado, de modo que o encanador deve adaptar o tanque de água quente.
o instalador instalará o novo tanque de água quente e a tubulação do coletor solar. Uma vez que toda a tubulação foi instalada, você deve cobri-la com material de isolamento de fibra de vidro para evitar perda de calor desnecessária.
ajudaria se você colocasse o novo aquecedor de água solar o mais próximo possível do sistema regular de água quente para que eles possam sinergizar nas proximidades.
o último passo para o aquecedor de água é definir o termostato para se preparar para a transição automática do aquecimento solar de água para o aquecimento elétrico, conforme necessário.
confira este vídeo para ver um bom exemplo de instalação e preparação de um aquecedor de água no porão.
Defina o Controlador e Sensores Perto do Tanque de Água Quente
Nós já falamos sobre o controlador diferencial e o que ele faz. Aqui, porém, este controlador deve ser instalado perto do aquecedor de água, e ele vem com displays de LED (diodo emissor de luz), leituras digitais e outras opções.
o controlador tem várias configurações. Isso inclui a configuração de alta temperatura, o diferencial de temperatura e a configuração “off”.
quanto a outro item elétrico que deve ser instalado, os sensores vêm com sua própria fiação e, se forem encaminhados para fora, devem ser protegidos do clima com revestimento de plástico ou borracha.
os fios do sensor podem correr ao longo dos tubos do lado de fora, pois estão essencialmente compartilhando o mesmo caminho de qualquer maneira, o que é mais eficiente.
você pode usar a pasta térmica para fornecer uma boa ligação entre os fios do sensor e a superfície dos tubos.
o sensor de alimentação do coletor é geralmente colocado no ponto mais quente do coletor de placa plana para registrar a temperatura máxima possível.
Conjunto de Bombas e Válvulas, Perto do Tanque de Água Quente
Existem muitos outros componentes críticos do aquecedor solar de água, tais como bombas e válvulas. Uma delas é a bomba do sistema (circulador) para circular o fluido do sistema (água ou propilenoglicol) dos tanques do porão até o coletor montado no telhado.
as válvulas que são importantes para o aquecedor solar de água são;
· Válvula de retenção (impede que o processo de termossifão recircule a água quente através do coletor à noite).
· Válvula de drenagem (se o coletor precisar ser drenado, por exemplo, se o inverno entrar e não estiver adequadamente protegido contra congelamento).
· Válvula de isolamento (como suas únicas opções possíveis são totalmente abertas ou totalmente fechadas, sua função é interromper a circulação da água quente como parada de segurança, sem drenar o sistema).
· válvula anti-queimadura (opcional, destinada a evitar que a água quente entre nos circuitos da casa a uma temperatura muito alta).
finalmente, deve armazenar o manual de operação para o aquecedor de água solar em um local acessível.
além disso, deve afixar o rótulo explicando o método de proteção contra congelamento para o sistema de aquecimento solar de água em um ponto visível no próprio aquecedor.
material Extra: sistemas solares do calefator de água do Grupo
até agora, nós cobrimos principalmente sistemas de aquecimento da liso-placa porque são distante mais compactos. No entanto, Aquecedores em lote também são populares. A coisa chave a lembrar é que eles são muito mais volumosos, e é por isso que muitas vezes eles não estão montados em um telhado.
em vez disso, como mencionado, um aquecedor de água em lote poderia usar um tanque grande dentro e manter muito mais água quente do que um sistema de placa plana.
o aquecedor de água em lote é melhor para climas do Sul e existe há centenas de anos, pois são relativamente simples de projetar. Alegadamente, o primeiro aquecedor de água em lote nos Estados Unidos foi construído em Baltimore em 1896!
os aquecedores em lote são populares em casas sazonais e instalações recreativas onde a propriedade é o único verão. No entanto, durante os invernos, especialmente em climas frios, você deve drenar o aquecedor em lote.