Saulės kolektorių sistemos šiltam vandeniui ruošti kol kas mažai populiarios Lietuvoje, o centrinės Europos šalyse jos diegiamos ne tik individualiuose, bet ir komunaliniuose daugiabučiuose pastatuose.

Lietuvoje kaimo vietovėse ir mažuose miesteliuose yra nemažai objektų, į kuriuos šiluma ir karštas vanduo tiekiamas centralizuotai iš vietinį kurą naudojančių nedidelių katilinių. Nepaisant to, vasaros metu energijos kaina nėra maža net tiekiant vandenį tik kelias valandas per parą. Daug kur karštas vanduo vasarą net netiekiamas, o gyventojams tenka naudoti elektrinius šildytuvus. Viena iš alternatyvų padėčiai pagerinti gali būti saulės energijos panaudojimas karštam vandeniui ruošti ir tiekti.

Investicijų vertinimas

Didelėse kolektorinėse sistemose planuojamas skaidrios kolektorių dangos vieno kvadratinio metro mažesnes investicijas ne visada pavyksta pasiekti. Todėl labai svarbu tokių projektų įgyvendinimo finansavimui teikti lengvatinius kreditus, dengti paskolas iš įvairių fondų, skatinančių atsinaujinančių ir alternatyvių energijos šaltinių naudojimą.

Investicijų atsipirkimo laikas labai priklauso nuo sistemos šiluminio našumo. Gamintojų deklaruojamas ir projektuose numatomas našumas skaičiuojamas palankiausioms kolektoriaus eksploatavimo sąlygoms šildymo sistemoje. Tikrovėje tokių sąlygų užtikrinti dažniausiai nepavyksta. Sistemų našumas gali būti nurodomas MJ/ m2 arba kWh/m2 skaidrios dangos ploto. Priklausomai nuo matavimo principų bei tyrimo tikslų, energija gali būti gaunama iš kolektoriaus ir perduodama į akumuliacinę talpą arba tiekiama iš kolektorinės sistemos į pakopinę šildymo sistemą.

Saulės energijos panaudojimas

Kolektorius konvertuoja tik dalį saulės energijos. Priklausomai nuo sąlygų ir darbo režimo, naudingumo koeficientas gali kisti nuo 0,3 iki 0,75. Naudojant konvertuotą energiją taip pat neišvengiama nuostolių – šilumnešio transportavimo linijose, šilumokaičiuose, akumuliacinėse talpose. Su sistemos našumu siejamas energijos poreikio tenkinimas (procentais) bendrajame visų metų balanse, išskiriant vasaros ir žiemos periodus.

Saulės energijos dalis bendrajame balanse dažniausiai skaičiuojama pagal vardinę 45 °C vandens temperatūrą. Tokiu būdu vasarą patenkinama 90–100 proc. šilto vandens poreikio. Eksploatacijos patirtis bei normatyviniai reikalavimai nurodo minimalią 55 °C vandens temperatūrą ir perio­dinį sistemos pašildymą iki 70 °C. Esant tokiems reikalavimams, saulės energijos dalis balanse gerokai mažesnė.

Reikia pastebėti, kad sistemos šiluminis našumas ir energijos poreikio tenkinimo dalis yra priešingi dydžiai. Esant tokiam pat šilumos galios poreikiui, didinant sistemos kolektorių plotą didės ir saulės energijos dalis balanse, bet lyginamoji galia vienam ploto vienetui mažės. Todėl vertinant sistemą, būtina atsižvelgti į abu šiuos parametrus. Geriausiai vertinti ekonomiškumą pagal energijos sunaudojimą be saulės kolektorių sistemos ir naudojant saulės kolektorius. Projektavimo etape šiluminės energijos poreikis skaičiuojamas pagal karšto vandens sunaudojimą ir pašildymo temperatūrą, nepamirštant įvertinti nuostolius sistemoje. Tik­ruosius sistemos parametrus, saulės energijos dalį balanse ir gaunamą kuro ekonomiją galima nustatyti tik atliekant monitoringą eksploatacijos metu, o duomenų kaupimą numatyti integruotoje valdymo sistemoje.

Kolektoriai skirtingos paskirties pastatuose

Individualiuose namuose dažniausiai montuojama 5–6 m2 kolektorių baterija, o karštas vanduo kaupiamas 300 l talpos šildytuve. Kad kolektoriai dirbtų didžiausiu našumu, karšto vandens temperatūra turi būti apie 40–45 °C, o sistemos valdiklis – būtinai su adaptyviu šilumnešio debito reguliavimo šildymo kontūre funkcija.

Esant tokiems nustatymams, saulės energija vasarą beveik visiškai (90–97 proc.) tenkintų šildymui reikalingos energijos poreikį. Per metus jos dalis vandeniui šildyti sudarytų 64–67 proc., arba 400–470 kWh/ m2. Trūkstama energijos dalis turėtų būti dengiama, naudojant elektros energiją arba dujas. Sumažinti energijos suvartojimą galima, ribojant įjungimą naktinio tarifo zonoje, o dujinį katilą išjungiant nakties metu. Tokiems rezultatams pasiekti būtina ir atitinkama kolektorių padėtis – pasvirimo kampas horizonto atžvilgiu 38–42°, orientacija pietų kryptimi, šešėlio kolektoriams nesudarantys medžiai ir gretimi pastatai.

Komunaliniuose objektuose (pvz., mokyklose, ligoninėse, slaugos namuose) reikalingos gerokai didesnės sistemos. Norint per parą pašildyti apie 8–10 m3 vandens, reikia įrengti 80–85 m2 skaidrios dangos ploto kolektorių bateriją, o vandens kaupimo talpyklos tūris turėtų būti 3–4 m3. Pastarosios įrengimas kelia nemažai problemų. Gyvenamuosiuose namuose ne visada yra techninių galimybių didelės talpos rezervuarui namo rūsyje įrengti. Jeigu kolektoriai išdėstyti kompaktiškai netoli katilinės, akumuliacinė talpykla montuojama joje, bet tokiu atveju padidėja instaliacijos įrengimo sąnaudos. Per dieną tokia sistema gegužės–rugpjūčio mėnesiais gali pagaminti 0,4–0,5 MWh šiluminės energijos (apie 5,5 kWh/m2), o sistemos naudingumo koeficientas, konvertuojant saulės energiją, siekia apie 70 proc. Eksploataciniai tokio tipo sistemos tyrimai parodė, kad spalio–gegužės mėnesiais konvertuojamos energijos kiekis sudarė apie 32  kWh/ m2 skaidrios dangos. Tai yra gana neblogas rezultatas. Tačiau temperatūra vandens talpykloje rytais tesiekė 20–22 °C (vasaros mėnesiais apie 30 °C), nes 100 l talpai tenka apie 2,7 m2 kolektoriaus ploto. Tai leido pasiekti didelį našumą, bet saulės energijos dalis tesudarė 30–35 proc. per metus.

Didelėse sistemose saulėtomis dienomis energijos pagaminama per daug, todėl rengiant projektą būtina numatyti, kaip ją panaudoti (pvz., baseinui šildyti, akumuliuoti šilumą grunto kolektoriuje, šilumą panaudoti kaimynystėje įsikūrusiose įmonėse ir pan.). Energijos trūkumas žiemos–rudens mėnesiais gali būti dengiamas iš vietinės katilinės.

Tais atvejais, kai vasarą nenumatyta katilinės eksploatuoti ir gyventojai karštą vandenį ruošia individualiai, naudodami elektros energiją, galima pritaikyti kitą variantą. Pavyzdžiui, 14–18 butų namui reikia apie 56 m2 saulės kolektorių baterijos. Karštam vandeniui sukaupti reikėtų įrengti tris po 1,5–2 m3 talpyklas. Nors tai didina šilumos nuostolius sistemoje, bet atsiranda galimybė optimaliau priderinti sistemą prie karšto vandens poreikio.

Pritaikius minėtąjį variantą, šiluma iš kolektorių kontūro perduodama, naudojant plokštelinius šilumokaičius. Vandeniui pašildyti iki 55 °C temperatūros ir sanitarinei dezinfekcijai atlikti naudojami elektriniai šildytuvai (2 x 24 kW). Didesnė saulės energijos dalis metų balanse tokio tipo sistemoje pasiekiama tik kovo–balandžio mėnesiais ir sudaro apie 30 kWh/m3 (37 proc.). Žiemos ir rudens mėnesiais jos dalis siekia tik 10–20 proc., o vasarą išauga iki 80–85  proc. Konvertuojamos saulės energijos kiekis sudaro apie 255 kWh/m2 per metus, o jos dalis metų balanse – apie 30–35 procentus.

Labai panašūs rezultatai gauti ir kelis kartus didesnėje saulės kolektorių sistemoje, įrengtoje centrinėje Lenkijoje, Podenbicų miestelyje. Bendras kolektorių plokščių, sumontuotų ant 23 daugiabučių stogų, plotas 1 287 m2. Projektas įgyvendintas, atliekant kompleksinę centralizuoto šilumos tiekimo sistemos ir gyvenamųjų namų modernizaciją. Konvertuotos saulės ener­gijos kiekis per metus sistemoje sudarė 380 kWh/m2. Pagrindinė dalis teko pavasario–vasaros mėnesiams (345 kWh/m2), o žiemos metu – mažiau kaip 35 kWh/m2.

Pateikti skaičiai rodo, kad optima­liai parinkus sistemos parametrus, saulės energija gali padengti nuo 30 iki 45 proc. metinio energijos poreikio vandeniui pašildyti. Vasaros mėnesiais ji gali tenkinti net iki 90 proc. energijos poreikio. Renkantis objektus tokioms sistemoms diegti, visų pirma reikia įvertinti šiluminės energijos poreikį ir jos suvartojimą per metus.