Dimensionarea instalatiilor pentru apa calda menajera si incalzire

Deși oferta energetică a soarelui și cererea termică nu corespund din punct de vedere temporar, instalațiile solare de sprijinire a încălzirii, cunoscute și sub denumirea de instalații-combi, ocupă un sector de piață mai mare de 30%. Un rol esențial l-a avut introducerea decretului de economisire a energiei electrice EnEV în anul 2001. De atunci, decisiv nu mai este necesarul de căldură al unei case, ci întregul necesar de energie primară. Aceasta înseamnă că, la împărțirea clădirilor pe categorii energetice, importante nu sunt numai caracteristicile arhitecturalo-fizice variabile în funcție de termoizolație, ferestre, etanșeitatea la vânt etc., ci și instalațiile tehnice, combustibilul utilizat, consumul de curent electric etc. Instalațiile solare au capacitatea de a influenta pozitiv acest bilanț. Acest fapt a determinat nu în ultimul rând apariția dezvoltărilor tehnice în special în domeniul tehnologiei de înmagazinare. Căci înmagazinarea de căldură este cheia încălzirii solare a încăperilor. O caracteristică signifiantă a instalațiilor combi este reprezentată de rezervoarele pentru mai multe zile sau de cele de durată lungă spre deosebire de rezervoarele de o zi pentru încălzirea apei calde.

Pentru montarea instalațiilor solare cu rol de sprijin al sistemului de încălzire se recomandă îndeplinirea următoarelor cerințe:

• Necesar energetic cât mai redus al clădirii

Cu cât este mai mic necesarul de căldură al unei clădiri, cu atât gradul de acoperire solară a acestui necesar de către o instalație solară este mai mare. La un grad crescut de termoizolație a clădirii, necesarul de încălzire a încăperilor este comparabil cu necesarul de energie pentru încălzirea apei; la casele pasive, gradul de acoperire poate fi chiar mai mare decât necesarul de încălzire.

Cea mai eficientă este sprijinirea sistemelor de încălzire la clădirile nou construite conform EnEV, având un necesar de încălzire energetică cuprins între cca. 30 și 70 kWh/(m²*a). În acest caz, o instalație combi poate avea o contribuție semnificativă primăvara și toamna, când este totuși nevoie de încălzire deși cantitatea de radiații este mare, dar și în zilele clare și reci de iarnă. Întrucât perioada de încălzire a caselor pasive este doar în lunile de iarnă cu cantitate redusă de radiații, posibilitățile de sprijinire solară a sistemului de încălzire convențional sunt reduse, respectiv necesită rezervoare semnificativ mai mari, cunoscute și sub numele de rezervoare pe termen lung sau rezervoare sezonale.

• Integrarea instalației solare sistemul de utilități al casei

Integrarea corespunzătoare în sistemul de utilități al casei precum și optimizarea raporturilor hidraulice rezidă din faptul că instalațiile solare au devenit în ultimii ani parte componentă a sistemului de încălzire.

Dacă încălzirea este parțial solară cu sisteme tip back-up, atunci suprafețele de încălzire trebuie să fie montate pentru o temperatură mare, scopul fiind acela de a obține temperaturi de evacuare cât mai mici. Temperaturile optime pentru încălzirea solară de sprijin sunt de 50/30°C sau 60/30°C.

Dacă încălzirea se realizează solar în întregime, atunci temperatura de alimentare trebuie să fie mai mică, de 30°C sau chiar mai puțin pentru ca rezervorul de termen lung să poată ajunge la temperaturi cât mai mari. În acest caz este vorba în principiu despre încălzire prin suprafața de radiație. Importanța temperaturilor joase de încălzire din circuit este demonstrată de următorul calcul: se presupune că rezervorul este încărcat la 90°C. Dacă cea mai joasă temperatură de încălzire este de 50°C – o valoare obișnuită la sistemele convenționale de încălzire – rezervorul poate elibera o energie de 46 kWh/m³, iar la o temperatură de 30°C fiind vorba de o energie de 70 kWh/ m³.

• Comportamentul utilizatorului

În afară de modul de construcție și utilitățile casei, un rol important pentru necesarul de căldură al casei și, deci, al gradului solar de acoperire, îl joacă și comportamentul utilizatorului; cu cât este mai mic necesarul de căldură a unei clădiri, cu atât este mai mare influența consumatorului.  La toate celelalte indicații referitoare la dimensionare s-a pornit de la un comportament mediu al utilizatorului.

• înclinarea colectorilor

Pentru sprijinirea sistemului de încălzire se recomandă un grad mare de inclinare a colectorilor cuprins_, de exemplu, între 60^o și chiar 90°, în cazul din urmă fiind vorba așadar despre colectori de fațadă.

• Tipul colectorului

Pentru sprijinirea solară a sistemului de încălzire se recomandă mai degrabă montarea unor colectori cu tuburi vidate in locul colectorilor plați, întrucât cei dintâi au proprietăți termoizolatoare mai bune iarna decât în perioada caldă. Totuși, nu trebuie să se supraevalueze avantajele acestor instalații.

În principiu, instalațiile solare cu rol de sprijin al încălzirii pot avea un grad de acoperire solară de 0 – 100%. Următoarele exemple orientative indică ordinul de mărime al instalaților de acest tip:

• pentru încălzirea unei case bine izolate sunt necesari anual cca. 4-6 l de păcură/m² din suprafața de locuit, corespunzând unei valori de 40 până la 60 kW/h/(m²*a) aproape exclusiv din perioada octombrie – sfârșitul lui martie. Pentru o casă cu o suprafață locuibilă de 120 m², aceasta înseamnă un consum total de 5.000 – 7.000 kWh/a din energia de încălzire. Alternativa ar fi luarea în considerare a unei case pasive cu un necesar de doar 10 până la 20 kWh/(m²*a) la o suprafață de 120 m², adică de doar 1.200 – 2.400 kWh/a.
• dacă rezervorul de apă acoperă jumătate din necesarul de energie al unei case cu consum redus (3.000 kWh/e) sau întreg necesarul al unei case pasive (1.500 kWh/a), rezervorul fiind încărcat pe timp de vară la 95°C și putând fi răcit la o temperatură minimă de 25°C, atunci ar fi necesar – neluând în considerare pierderile termice ale rezervorului – un volum de înmagazinare de 37 m³ pentru casele cu consum mic de energie și de cca. 19m^3 ­pentru casele pasive (81 kWh/m³ capacitate de înmagazinare unde ΔT = 70°C).

Dacă izolația termică a rezervorului este de foarte bună calitate (cu o grosime de 30-50 cm) și o valoare (U^.A) de 1W/K, atunci rezervorul pierde la diferențele medii de temperatură de 50 – 60°C cca, 500 kWh anual; pentru compensarea pierderilor din rezervor ar trebui ca volumul acestuia să se mărească cu 6m³. Pentru acoperirea solară de 50% la casele cu un consum energetic redus sunt necesare, așadar, rezervoare de cca. 43 m³, iar pentru aprovizionarea completă cu căldură a unei case de rezervoare cu un volum de cca. 25 m³.

• suprafața necesară a colectorului pentru acest tip de utilizare ar trebui să fie destul de mare; colectorii de randament mare cu o suprafață de 25 -45 m² ar trebui să îndeplinească această cerință.

Exemplul calculului arată că înmagazinarea de căldură și necesarul de încălzire sunt factorii esențiali în ceea ce privește încălzirea încăperilor. Același lucru nu este însă valabil și pentru clădirile vechi. Necesarul de încălzire pentru acest tip de clădiri este atât de mare în lunile cu o cantitate redusă de radiații încât cheltuiala pentru o instalație cu colector inclusiv rezervor s-ar folosi mai bine pentru îmbunătățirea consecutivă a termoizolatei.

În ceea ce privește dimensionarea este bine să se facă diferența între sistemele de încălzire parțial și total solare.

Încălzirea parțial solară

Prin încălzire parțial solară se face referire la instalațiile solare care asigură mai puțin de 35% din necesarul total de căldură al clădirii. Instalațiile de acest tip sunt potrivite pentru casele construite conform standardelor EnEV. Conform experiențelor de până acum se recomandă următoarele dimensionări:

1. Reguli de bază

Suprafața colectorului

– colector cu o suprafață de 0,8 până la 1,1 m²/10 m² din suprafața de locuit sau un colector cu o suprafață de 2 – 3 m²/persoană;

– un colector cu tuburi vidate cu o suprafață de 0,5 – 0,8 m²/10 m² din suprafața de locuit sau un colector cu o suprafață de 1,5 – 2,5 m² persoană

Volumul rezervorului

– o suprafață de minim 50l/m² plus 50 I de persoană sau

– o suprafață de 50-85l/m² din suprafața  colectorului sau

– 100 – 200l/kW din capacitatea de încălzire.

2. Diagrama de interpretare

Unii producători ai instalaților solare pentru sprijinirea sistemului de încălzire oferă între timp și o diagramă de interpretare specifică produsului fabricat.

Pentru o casă a cărei suprafață este cunoscută (m² de suprafață încălzită) se poate calcula capacitatea de încălzire, iar cu ajutorul diagramei și în funcție de mărimea colectorului și a rezervorului și de gradul de acoperire solară, raportul dintre volumul de înmagazinare și suprafața colectorului nu trebuie să fie mai mic de 50l/m², căci altfel se poate ajunge la un surplus termic important în timpul verii, ceea ce presupune o suprasolicitare a instalației solare și un randament specific mai slab al colectorului. Dimensiunile rezervorului amintite anterior de 50- 85 l/m² din suprafața colectorului trebuie să se calculeze în așa fel încât variațiile ofertei de energie solară să poată fi compensate într-o perioadă de câteva zile.

Este evident faptul că o suprafață mai mare a colectorului și un volum mai mare al rezervorului determină și creșterea gradului de acoperire solară, ceea ce înseamnă însă, în același timp, și scăderea gradului de eficiență a sistemului și, totodată, scăderea randamentului specific al colectorului. Nu trebuie subestimată nici problema conform căreia instalația solară intră pe timp de vară deseori în stagnare din cauza supradimensionării.

Încălzirea solară totală

Încălzirea solară totală înseamnă că instalația solară acoperă mai mult de 70% din necesarul de căldură al clădirii. Un grad de acoperire solară de acest tip nu este utopic, iar conceptele instalațiilor nu sunt mai complicate decât cele ale instalațiilor amintite până acum. Diferența esențială constă din mărimea rezervorului, căci sunt necesare rezervoare de termen lung sau rezervoare sezonale care au rolul de a înmagazina energia solară de vara până iarna. Rezervoarele sezonale se diferențiază de cele obișnuite, în primul rând prin mărirea lor și în al doilea rând prin termoizolația semnificativ mai bună. Se recomandă ca termoizolația să albă o grosime de minim 50 cm.

Prima casă aprovizionată complet cu energie solară a fost construită de elvețianul Jenni. Pentru casa sa cu o suprafață locuibilă de 130 m² și o capacitate de încălzire de 3 kW a construit o instalație solară cu o suprafață a colectorului de 84 m² și un volum de înmagazinare de 118 m³. Nu după mult timp s-a demonstrat că sistemul său era supradimensionat. Conform cunoștințelor din acele timpuri era deja clar că o instalație solară cu a suprafață a colectorului de 40 m² (colector plat) și un volum de înmagazinare de 30 m³ erau suficiente.

Regula de bază pentru dimensionarea instalației

• suprafață a colectorului: 1,5 până la 3 m²/10 m² suprafață de încălzit 
• volum de înmagazinare: 250 până ia 1.000 l/m² din suprafața colectorului.

Instalațiilor solare parțiale le corespunde astăzi un anumit sector de piață și au atins astfel o maturitate tehnică bună. Instalațiile solare totale au fost testate de nenumărate proiecte, în timp ce instalațiile cu o rată de acoperire solară cuprinsă între 35% și 70% nu au fost deloc puse pe piață, întrucât raportul costuri-beneficiu este nerentabil. În ciuda ratei de acoperire solară destul de mari, sistemul convențional de încălzire nu poate fi mai mic sau mai ieftin.

În plus față de simpla încălzire a apei menajere se recomandă ­în special la instalațiile solare cu contribuție ridicată de acoperire a necesarului de căldură consultarea unui specialist experimentat de planificare care poate concepe și dimensiona instalația cu cel mai bun raport costuri-randament. Căci nu în ultimul rând, contribuția solară disponibilă este și o chestiune a costurilor pe care utilizatorul este dispus să le achite.