Mieste ar kaime, individualiame name ar gamybiniame objekte turėti šilto vandens reikiamu momentu tapo norma. Disponavimas juo be apribojimų vertinamas labiau negu pastatų šildymas. Tad pagrindinis tikslas – paruošti jį mažiausiomis sąnaudomis.

Šiltam vandeniui paruošti tenka apie 40 proc. pastate sunaudojamos energijos. Tam įtakos turi pasikeitusios statinių konstrukcijos, naujos termoizoliacinės medžiagos ir nauji projektų ruošimo standartai. Energijos sąnaudos pastatams šildyti per paskutinį dešimtmetį sumažėjo ne procentais, bet kartais, o karšto vandens – išaugo. Žmonės priprato prie komforto ir nelinkę jo riboti.

Vandens sunaudojimą galima mažinti tik keičiant įpročius, o energijos sąnaudas jam ruošti – apšiltinant vamzdynus ir buferines talpyklas, tiekimo ir paskirstymo sistemose numatant cirkuliacinius kontūrus ir automatinį termostatavimą. Be to, galima tobulinti sistemas jas modernizuojant. Lietuvos sąlygomis buitiniams tikslams naudojamam vandeniui pašildyti vien tik saulės kolektorių neužtenka. To pagrindinė priežastis – lietingi periodai vasarą, trumpos ir ūkanotos dienos pereinamuoju periodu. Bet sumažinti iškastinio kuro naudojimą, turėti automatizuotą, nereikalaujančią nuolatinės priežiūros sistemą neprarandant gyvenimo komforto dar yra daug neišnaudotų galimybių.

Pašildymo būdai

Skiriami du variantai – pratekantys šildytuvai (vanduo ruošiamas tik jį naudojant) ir pašildyto vandens kaupimas buferinėse talpyklose. Pastaruoju metu plačiau diegiamos kombinuotos sistemos. Vanduo pašildomas saulės kolektoriais ir šilumos siurbliais, o esant nepalankioms sąlygoms naudojama centralizuotos šildymo sistemos, gamtinių dujų arba elektros energija vandeniui pašildyti buferinėje talpykloje ir pagal poreikį papildomai pašildyti cirkuliaciniame kontūre arba naudojimo vietoje. Cirkuliacinio kontūro siurblys gali būti išjungiamas naktį arba išvykstant. Taip efektyviau išnaudojama saulės energija, šilumos siurblys dirba optimaliu režimu (žemesnė pašildymo temperatūra), sumažėja naudojamos energijos kiekis (elektra arba dujos) ir daugiau sunaudojama pagamintos savos elektros energijos.

Elektriniai pratekantys šildytuvai paruošia apie 10–14 l/min, o jų naudojama galia apie 2 kW. Tai reikia įvertinti pastate įrengiant elektros instaliaciją ir apkrovos ribojimus. Jei papildomam pašildymui numatoma naudoti dujinį katilą, jo montavimo vieta parenkama kuo arčiau buferinės talpyklos, o bendras visų vandens vartojimo taškų debitas neturi viršyti dujinio katilo maksimalaus leistino debito. Variantams su pratekančiais šildytuvais reikalinga didelė galia vandens naudojimo metu. Taigi teks pasirūpinti papildoma galia iš energetinio tinklo.

Šilto vandens kaupimas buferinėje talpykloje leidžia paruošti didesnį vandens kiekį su mažesne įdiegta galia ir nenaudoti pratekančių šildytuvų vandens paėmimo taškuose. Tokie variantai dažniausiai įrengiami individualiuose pastatuose. Tam naudojami tūriniai šildytuvai (200–400 l talpos) su dviem šilumokaičiais – apatinis darbui su šilumos siurbliu (žemos temperatūros kontūras) ir viršutinis – darbui su saulės kolektoriais vasarą arba dujiniu / skysto kuro katilu, kai yra saulės energijos stygius. Toks variantas geriausiai tinka vasarą, kai turime daug saulės energijos. Suprantama, kad tūrinis šildytuvas patiria nuostolių, bet moderniuose įrenginiuose jie sudaro tik 1,2–2,5 kWh per parą.

Svarbu tinkamai parinkti tūrinio šildytuvo talpą pagal numatomą vandens suvartojimo kiekį, sumontuotos saulės kolektorių sistemos galią ir sistemos valdymo algoritmą. Parinkus per mažą talpą, saulėtomis vasaros dienomis sistemai apsaugoti nuo perkaitimo teks perteklinę šilumos energiją iš saulės kolektorių perduoti grunto kolektoriui arba baseinui pašildyti. Saulės kolektorių sistemos cirkuliacinis siurblio našumas turi būti valdomas valdikliu, atsižvelgiant į kolektorių generuojamą galią – kuo mažesnė saulės energinė apšvieta, tuo mažesnis debitas aukštesnei pašildymo temperatūrai pasiekti. Taip pat reikia numatyti saulės kolektorių kontūro perjungimą prie abiejų šilumokaičių, esant sistemos perkaitimo pavojui, arba prie šilumos akumuliavimo grunto kolektoriaus aktyvioje zonoje.

Šilumos siurbliai

Teisingas šilumos siurblio ir atskirų sistemos komponentų parinkimas labai svarbus patikimam sistemos veikimui ir užtikrinant mažus įrengimo bei eksploatacijos kaštus. Iš kur imti šilumą? Jei sistema bus naudojama daugiausia vasarą (kaimo turizmo sodybose, poilsiavietėse), galima rinktis šilumos siurblį „oras-vanduo“. Populiarūs monoblokiniai variantai, kai 1,5–3 kW šildymo galios šilumos siurblys montuojamas sukaupimo talpyklos viršuje. Oro paėmimas iš aplinkos analogiškas „turbo“ tipo dujiniams katilams arba dviem atskiriems ortakiams. Orą geriausia imti ne iš pastato patalpų. Taip bus išvengiama patalpų atšaldymo pereinamuoju laikotarpiu. Iki 5 °C aplinkos oro temperatūros siurblio efektyvumo koeficientas (COP) gana geras 1,6–2,2, bet esant žemoms temperatūroms mažėja ir gali sumažėti iki 1,1–1,2 (kokia naudojama elektrinė galia, tokia ir generuojamos šilumos galia). Atsižvelgiant į modelį, pasiekus ribinę temperatūrą (-5–10 °C), siurblys stabdomas ir pašildymui lieka tik elektrinis 1,5–2 kW galios kaitintuvas.

Šaltų žiemų Lietuvoje jau senai nebuvo, bet garantijos, kad jos nors trumpam negrįš, niekas neduoda. Pastaruoju metu rinkoje siūlomi aukštos temperatūros šilumos siurbliai, kuriuose šilumos nešiklis yra R290 (propanas). Tai leidžia įrenginiams dirbti esant -20 °C aplinkos temperatūrai. Deklaruojamas 4,9 efektyvumo koeficientas artimas teorinei vertei. Tačiau po pirmų eksploatacijos sezonų paaiškėjo, kad praktikoje tokių parametrų nepavyksta pasiekti. Eksploatuojant tokius įrenginius pastebimi gerokai didesni sunaudotos elektros energijos kiekiai nei tikėtasi. Tokios padėties tyrimo ėmėsi mokslininkai ir ekspertai.

Vokietijoje atlikta įvairios konfigūracijos 60 sistemų eksploataciniai bandymai realiomis sąlygomis (Fraunhoferio statybų fizikos institutas IBP). Aplinkos oro parametrai, šilumos šaltinio charakteristikos labai skiriasi bandymus atliekant laboratorinėmis ir realiomis eksploatavimo sąlygomis. Šilumos siurbliui dirbant pereinamuoju laikotarpiu, aplinkos oro drėgmė yra labai aukšta. Dėl to garintuvo šilumokaitis apsidengia šerkšno- ledo sluoksniu. Smarkiai krenta šilumos siurblio darbo efektyvumas (COP apie 1,5). Ypač intensyviai šilumokaitis apšąla siurbliui dirbant visa galia be pertraukų (kai didelis šilto vandens poreikis). Ledui pašalinti naudojama elektros energija, bet nėra gaminama šiluminė energija. Esant žemoms temperatūroms, realiai palankios sąlygos galimos tik kalnuose toli nuo ežerų ir upių (kur šaltas ir sausas oras).

Faktiniam efektyvumo vertinimui buvo pasiūlytas metinio darbo laiko skaičius (JAZ), išreiškiamas pagamintos šilumos energijos ir tam sunaudotos elektros energijos santykiu per metus. Tai atitinka siurblio eksploatacinę charakteristiką realiomis sąlygomis, kartu įvertinant visų sistemoje naudojamų agregatų sunaudojamą energiją ir šilumos perdavimo nuostolius sistemoje.

Jei naudojamas kombinuotas variantas su patalpų šildymu ir keliais cirkuliaciniais kontūrais, suminis elektros energijos sunaudojimas bus didžiausias (tai iliustruoja paveikslas „Energijos balanso skaičiavimo zonos“). Gamintojai, reklamuodami gaminius, nurodo maksimalią COP vertę (zona 1). Atlikti sistemų bandymai eksploatacinėmis sąlygomis parodė, kad siurblių „oras-vanduo“ efektyvumas (COP), atsižvelgiant į sistemos darbo režimą, per metus kinta nuo 1,9 iki 3,3 (vidutinė vertė 2,6).

Geresni rodikliai pasiekiami naudojant šilumos siurblius „vanduo-vanduo“ su vertikaliu arba horizontaliu grunto kolektoriumi. Per metus šių sistemų COP kinta nuo 2,0 iki 4,6 (vidutinė vertė 3,2). Kuo aukštesnė žemos temperatūros kontūro temperatūra ir kuo mažesnė pašildymo temperatūra, tuo efektyviau dirba šilumos siurblys. Esant 7 °C paduodamo į šilumos siurblį vandens temperatūrai, siurblys, atsižvelgiant į pašildymo temperatūrą, generuos apie 3,5 karto didesnę šilumos galią. Kaip tik todėl rekomenduojama šilumos siurblius naudoti su žemos temperatūros pastatų šildymo sistemomis.

Sistemoje su saulės kolektoriais šilumos siurbliu vanduo pašildomas iki 35–40 °C, o saulės kolektoriais – iki 60– 80 °C. Bendras tokios sistemos sunaudojamas elektros energijos kiekis, įvertinant cirkuliacinių siurblių, elektrinių atitirpinimo šildytuvų sąnaudas, vasaros sezonu bus mažiausias. Panašūs rezultatai buvo gauti sistemose, kaip šilumos šaltinį naudojančiose vandens telkinių vandenį arba dviejų šulinių sistemą (šiltas vanduo imamas iš vieno šulinio, o atšaldytas grąžinamas į gretimą šulinį). Tokių sistemų grąžinamo vandens temperatūra yra ribojama (+4 °C).

Dar vienas svarbus momentas, įrengiant sistemas su gruntiniais kolektoriais, yra jų regeneracija. Projekte turi būti numatyti 2–3 seklaus kolektoriaus cirkuliaciniai kontūrai arba 2–3 vertikalūs kolektoriai. Jie naudojami pakaitomis. Vienam dirbant, kituose atsistato darbinės zonos temperatūra iš giluminių sluoksnių šilumos srauto. Be kolektorių regeneravimo galimas darbinės zonos užšaldymas. Dėl to atsiranda maža COP vertė ir išauga energijos sąnaudos. Kaip matome, tiek pasirinkti šilumos siurblį, tiek ir konfigūruoti visą kombinuotą sistemą gana sunku.

Tūrinis šildytuvas

Talpyklos pasirinkimo algoritmas nėra sudėtingas. Tūrinio šildytuvo talpa Vt, atsižvelgiant į numatomą sunaudoti vandens poreikį (vienam asmeniui 50 litrų 60 °C vandens per parą), nustatoma pagal formulę:

Vt = Na x (60 – Tp) : (Tn – Tp);

čia: Na – esamam asmenų skaičiui reikiamas vandens kiekis per parą, litrais; Tp – paduodamo vandens temperatūra (7–10 °C); Tn – nustatyta naudojamo šilto vandens temperatūra (40–45 °C).

Keturių asmenų šeimai užteks tipinės 300 l talpyklos. Gamybiniuose objektuose ir didelėse poilsiavietėse galima montuoti keletą tūrinių šildytuvų reikiamam vandens kiekiui paruošti. Patikimam šilumos perdavimui šilumokaičio paviršius turi būti 0,25 m2 1 kW generuojamos šilumos siurblio darbo taške B0W35, pirminiame kontūre naudojant antifrizą. Sistemose, naudojančiose vandenį iš tvenkinių, ežerų, yra ribojama grąžinamo vandens temperatūra, kuri turi būti ne žemesnė kaip +4 °C (taškas B4W35). Siurbliams „oras-vanduo“ tai bus B7W35. Šis parametras gamintojo nurodomas techniniame aprašyme ir naudojimo instrukcijoje.

Jei pirminis kontūras reikalauja regeneracijos (seklus kolektorius, mažai laidus šilumai gruntas vertikalaus kolektoriaus zonoje), šilumokaičio paviršiaus plotas apskaičiuojamas galią padidinant 0,5 kW kiekvienam šeimos asmeniui. Jei reikiama pastato šildymo galia nustatyta 8 kW, tai, įvertinus 4 asmenų šeimai ruošiamo šilto vandens kiekį (4 x 0,5 kW), šilumos siurblio generuojama galia turi būti 10 kW. Diegiant dažnai taikomas didesnis šilumos paviršiaus plotas (0,30 m/kW) ir koreguojama pagal esamas grunto savybes, kolektoriaus įrengimui skirtą plotą, vertikalaus kolektoriaus gylį. Šiuo atveju galioja taisyklė – geriau 15 proc. daugiau nei 5 proc. mažiau.

Standartiniuose tūriniuose šildytuvuose, skirtuose individualiems gyvenamiesiems namams, rekomenduojama maksimali prie šilumokaičių prijungiamų generuojančių įrenginių šilumos galia neturi viršyti 17 kW. Esant didesniam šilto vandens poreikiui, teks statyti keletą tūrinių šildytuvų. Analogiškai parenkama tūrinių šildytuvų talpa ir saulės kolektorių sistemose.

Kombinuotai sistemai, kai šiltam vandeniui ruošti naudojamas saulės kolektorius ir šilumos siurblys arba dujinis / skysto kuro katilas, būtinas šildytuvas su dviem šilumokaičiais. Jei modernizuojamoje kombinuotoje sistemoje norime papildomai prijungti šilumos siurblį nekeisdami esamo šildytuvo, tai galima atlikti panaudojus išorinį plokštelinį šilumokaitį. Toks variantas garantuoja patikimą pastato šildymą ir šilto vandens paruošimą net ir sugedus vienam iš šiluminės energijos generatorių arba sutrikus energijos tiekimui. Šaltuoju metų laiku antroje šildymo pakopoje saulės kolektorius dažniau pakeis dujinis arba skysto kuro katilas. Tai mažiau priežiūros reikalaujantis variantas nei kieto kuro arba granulinis katilas.

Šilumos siurblio tipo ir visos kombinuotos sistemos konfigūracijos pasirinkimas gana sudėtingas procesas. Reikia siekti ne minimalių įrengimo kaštų, bet efektyvaus sistemos veikimo. Vadovaujantis vien reklaminėmis deklaracijomis galima ir nepasiekti norimo rezultato.