Kylančios energetinių resursų kainos ne vieną gyventoją skatina ieškoti būdų šildymo išlaidoms mažinti. Šiuo metu šildymo sąnaudų skirtumas tarp kurui naudojamos biomasės arba dujų daug mažesnis negu prieš keletą metų. Taigi siekiantiems mažinti sąnaudas siūloma naudoti kitus atsinaujinančius energijos šaltinius – saulės energiją, geoterminę šilumą.

Reklaminiuose pranešimuose pabrėžiama, jog ši energija nemokama, tačiau taip nėra. Jai konvertuoti ir sukaupti reikia nemažų investicijų. Net ir tobuliausiai sistemai reikalingi minimalūs elektros energijos kiekiai. Kad instaliuota sistema būtų ekonomiškai efektyvi, ją įrengiant reikia įvertinti daug veiksnių – eksploatavimo intensyvumą ir panaudojimą per metus, sistemos komponentų kainos ir kokybės santykį, įrangos patikimumą ir ilgaamžiškumą.

Renkantis saulės kolektorių sistemas, reikia atsižvelgti ir į realias meteorologines sąlygas. Šiuo požiūriu Lietuvos padėtis nėra gera, vasaros ir žiemos periodai yra gana ryškūs, atskirti pereinamaisiais laikotarpiais. Didžioji galimos konvertuoti į šilumą saulės energijos dalis (apie 80 proc.) tenka šiltajam laikotarpiui. Taigi žiemai belieka tik apie 190 kWh/m2.

Galimos konvertuoti šilumos kiekis taip pat priklauso nuo geografinės padėties. Europos kalnų vietovėse (Alpėse, Tatruose, Karpatuose) šis dydis sudaro net 290 kWh/m2. Taigi galimos konvertuoti į šilumą energijos yra nedaug ir praktiškai ji gali būti panaudojama tik kaip papildoma šiluma jau esamai šildymo sistemai. Paprasčiausia tai galima realizuoti sistemose su akumuliacine talpa. Karštas vanduo iš centrinio šildymo katilo tiekiamas į akumuliacinę talpą ir iš jos pagal poreikį paduodamas į šildymo sistemą.

Saulės kolektorių sistema atlieka pradinį akumuliacinėje talpoje sukaupto vandens pašildymą. Sistemą galima prijungti dviem būdais: įrengti atskirą plokštelinį šilumokaitį arba naudoti akumuliacinę talpą su šilumokaičiu apatinėje dalyje. Svarbu, kad vanduo saulės kolektoriais būtų pašildomas akumuliatoriaus apatinėje dalyje, kur žemesnė temperatūra. Specialiai kolektorinėms sistemoms skirti akumuliatoriai turi kelis išvadus šildomam vandeniui paduoti. Perjungiant pašildyto vandens padavimo išvadą, šilumą galima akumuliuoti sluoksniais. Pirmiausia šildomas vanduo talpos viršuje. Galima naudoti ir kombinuotą tūrinį šildytuvą-akumuliatorių. Jame didelės talpos išorinis indas atlieka šilumos akumuliatoriaus funkciją, o mažajame vidiniame inde ruošiamas šiltas vanduo. Naudojant saulės kolektorius šildymui, pranašesnės bus žemos temperatūros šildymo sistemos, efektyviau išnaudojančios akumuliuotą šilumą.

Saulės kolektorių nauda

Teoriškai saulės kolektoriais galima padengti iki 25 proc. šildymui reikiamos energijos, tačiau, norint pasiekti minėtą rodiklį, reikalinga gerokai didesnė kolektorių baterija. Šiltam vandeniui ruošti vasaros ir pereinamuoju laikotarpiu individualiame name pakanka 3 standartinių plokščių kolektorių baterijos (bendras skaidrios dangos plotas apie 6 m2). Tuo tarpu minėtam 25 proc. šilumos, kuri būtų naudojama patalpoms šildyti, reikalinga net 10 standartinių kolektorių (20 m2) baterija. Vasarą tokios didelės kolektorių sistemos tiekiamos šilumos kiekis kelis kartus didesnis negu sunaudojamas objekte ir ją panaudoti tampa problematiška. Todėl sistemoje reikia numatyti galimybę akumuliuoti perteklinę energiją (pvz., grunto šildymas) arba panaudoti ją patalpų orui kondicionuoti, baseinų vandeniui pašildyti.

Yra kelios veikiančios eksperimentinės šildymo sistemos, kurios šildo namą tik akumuliuota saulės energija, gauta šildant vandenį saulės kolektoriais. Norint sukaupti reikiamą saulės energijos šilumos kiekį individualiam namui šildyti visą žiemą (įvertinant ir nepalankias meteo­rologines sąlygas), reikalingos per 30 m3 tūrio akumuliacinės talpos ir ne mažesnė kaip 40 m2 kolektorių baterija. Tai pavyzdys, ką įmanoma techniškai padaryti, bet ne pasiūlymas diegti tokio tipo sistemas, nes jos atsipirkimo laikas ilgesnis už įrangos eksploatavimo resursus.

Reikia pažymėti, kad konvertuojamos energijos kiekiai apskaičiuojami pagal daugiametes meteorologines sąlygas ir parodo galimą gauti energijos kiekį pasirinktoje geografinėje vietoje. Jei sąlygos nepalankios, energijos bus gauta kelis kartus mažiau. Dėl visuotinio atšilimo pasikeitęs klimatas pakeitė šaltas ir saulėtas žiemas į apsiniaukusius rudenius, todėl sumažėjo ir galimybės išnaudoti saulės energiją pereinamuoju laikotarpiu ir žiemą.

Siekiant kuo efektyviau išnaudoti saulės energiją šaltuoju periodu, būtina mažinti nuostolius ir sistemoje, ir pačiame kolektoriuje. Visi vamzdynai ir akumuliacinės talpos turi būti gerai izoliuoti. Naujai statomuose namuose verta įrengti į stogo konstrukciją integruotus saulės kolektorius ir papildomai juos apšiltinti iš pastogės pusės.

Skirtingų sistemų privalumai ir trūkumai

Pastaruoju metu ypač reklamuojami vakuuminiai saulės kolektoriai. Absorberio šilumos izoliacijai naudojami dvisieniai stikliniai vamzdžiai-termosai. Reklamoje nurodomi techniniai parametrai atrodo labai įspūdingai – 3 kartus mažesni nuostoliai, maksimali tuščios eigos temperatūra siekia apie 250 oC, debitas iki 300 l/hm2. Konstrukcijoje taikant „šilumos vamzdžius“, sistema nepažeidžiama, jei cirkuliacija sustabdoma, esant didelėms saulės apšvietoms. Juose šilumą perneša tarpinis agentas, vykstant faziniams versmams palyginti žemoje virimo temperatūroje. Sudėtinga konstrukcija atsispindi ir kainoje. Tokie kolektoriai du ir daugiau kartų brangesni už plokščiuosius saulės kolektorius.

Ar tikrai verta juos naudoti įrengiamose sistemose? Vienas iš pagrindinių pliusų – maži šilumos nuostoliai – žiemos metu tampa kone didžiausiu trūkumu. Dažnai iškrentantis sniegas kaupiasi ant kolektoriaus, prišąla ir sistema ilgam nustoja veikti. Padėtį blogina efektyvumui pagerinti naudojamas parabolinis metalinis veidrodis. Savaiminio nusivalymo efektas tokiose konstrukcijose daug silpnesnis negu plokščiuose kolektoriuose. Vakuuminiai kolektoriai daug blogiau konvertuoja išsklaidytą saulės energetinę apšvietą, kuri mūsų klimato sąlygomis sudaro didelę dalį pereinamaisiais laikotarpiais ir vidutinio debesuotumo vasaromis. Saulėtą dieną jos dalis siekia ne daugiau kaip 20 proc., o apsiniaukusią – išauga iki 80–100 proc. Konstrukcijoms su šiluminiais vamzdžiais būdingas 20–30 min. „įsibėgėjimo“ laikas. Tiek laiko reikia, ­norint ­pasiekti tarpinio šilumos nešėjo virimo temperatūrą „šilumos vamzdyje“. Kai debesuotumas kinta, kolektorius tiesiog nespėja reaguoti į apšvietos pasikeitimus. Kolektoriuose įrengtų Kinijoje pagamintų vakuuminių vamzdžių kokybė taip pat kelia nemažai abejonių. Nepaisant minėtų trūkumų, juos verta naudoti vietose, kur žiemos šaltos, saulėtos ir mažai kritulių, o kolektoriaus šilumos izoliacijai keliami aukšti reikalavimai. Tokios sąlygos yra pietiniuose ir kalnų rajonuose.

Lietuvos sąlygomis pastebimo vakuuminių ir plokščiųjų saulės kolektorių darbo skirtumo nepastebėsime. Remiantis akredituotoje laboratorijoje Šveicarijoje atliktų sertifikacijos bandymų duomenimis, vidutinės klasės plokštieji kolektoriai net efektyvesni už vidutinės klasės vakuuminius. Tarp aukštos klasės kolektorių šie skirtumai labai nedideli.

Jeigu bus naudojami patikimų firmų ir išbandyti akredituotose laboratorijose sertifikuoti kolektoriai, skirtumas tarp plokščiųjų ir vakuuminių įrengimų bus, bet ne toks didelis, kaip kainos padidėjimas. Plokščiųjų kolektorių konstrukcija ir gamybos technologija gerai įsisavinta, o deklaruojami techniniai parametrai išlaikomi visą eksploatacijos laikotarpį. Gaminių pasiūla taip pat gana didelė ir konstrukcijos, ir kainos atžvilgiu, todėl kiekvienam atvejui galima parinkti optimalų variantą.

Eksploatacijos ypatumai

Kad sistema dirbtų efektyviai, būtina užtikrinti optimalų šilumos nešėjo debitą kolektoriuje. Gamintojai nurodo minimalų ir maksimalų debitus. Rekomenduojamas debitas parenkamas, atsižvelgiant į energetinę apšvietą, kolektoriaus ir sistemos charakteristikas. Nustatant jo dydį, tenka rinktis kompromisinį variantą. Jei debitas mažas, sistema gerai dirbs, esant mažoms apšvietoms žiemą ir pašildys vandenį iki aukštesnių temperatūrų, bet vasarą ji gali perkaisti, nes mažas šilumos nešėjo srautas neperneš didelio konvertuotos šilumos kiekio. Deklaruotas naudingumo koeficientas nebus pasiektas. Jei debitas didelis, sistema pašildys vandenį iki mažesnių temperatūrų, bet bus didesnė sistemos šiluminė galia. Pastarasis režimas efektyvesnis šildant baseinus, akumuliuojant šilumą grunte. Kad būtų lengviau reguliuoti, kolektorinėms sistemoms skirtuose siurblio blokuose montuojamas mechaninis rotametras. Juo galima tiksliau koreguoti sistemos režimą.

Kad sistema prisitaikytų prie besikeičiančių apšvietos sąlygų ir šildymo režimo, reikalingi valdikliai, tolydžiai reguliuojantys siurblio našumą, priklausomai nuo temperatūrų skirtumo tarp kolektoriuje pašildyto vandens ir temperatūros akumuliacinėje talpoje. Pagal kainos ir kokybės santykį prie vienų iš geriausių priskiriami firmos „Frisko“ specializuoti SR- 24 ir MR-65 serijų valdikliai. Jais galima valdyti kolektorinį kontūrą ir papildomą cirkuliacinį siurblį arba elektromagnetinį vožtuvą. Reguliuojamo išėjimo siurblio maitinimo įtampa parenkama pagal sistemos hidraulinį pasipriešinimą. Kai šilumos nešėjo klampumas didžiausias (žemiausia temperatūra kontūre), siurblys turi dirbti stabiliai, be trūkčiojimų, esant nustatytoms minimalioms maitinimo įtampoms. Darbo režime įjungus cirkuliacinį siurblį, paduodama visa maitinimo įtampa (220V AC). Po 5–7 sekundžių maitinimo įtampa sumažinama iki vidutinės vertės ir didinama arba mažinama, palaikant nustatytą temperatūrų skirtumą tarp kolektoriaus pašildyto vandens ir temperatūros akumuliacinėje talpoje. Toks valdymas leidžia pasiekti didesnes šilto vandens temperatūras, esant kintamai apšvietai.

Valdikliuose numatyta daugybė funkcijų – sistemos apsauga nuo perkaitimo, programinis papildomo cirkuliacinio siurblio valdymas, galimybė valdyti trieigį vožtuvą, apsauga nuo sistemos perkaitimo ir kitos. Valdikliai gali būti su RS-485 (RS-232) įvadu, skirtu dirbti valdymo sistemose. Įsigijus programinę įrangą, galima stebėti sistemos veikimą ir registruoti parametrus kompiuteryje. Paprastose sistemose šaltuoju laikotarpiu saulės kolektoriai naudojami daugiausia esamai šildymo sistemai papildyti. Sudėtingas sistemas, kuriose įrengti valdikliai su papildomomis funkcijomis, galima automatiškai perjungti šiltam vandeniui ruošti arba šildymo sistemoms papildyti, priklausomai nuo temperatūrų šildymo sistemoje ir energetinės apšvietos.

Akumuliuojama šiluma turi būti taupiai ir efektyviai naudojama. Todėl rekomenduojama įrengti naudojamo šilto vandens cirkuliacijos kontūre sistemą panašiai kaip tai daroma centralizuoto šilto vandens tiekimo sistemose. Cirkuliacinio siurblio įjungimas gali būti užprogramuotas ryte ir vakare, kai naudojama daugiausia šilumos ir vandens.