Τα θερμικά ηλιακά συστήματα υποβοήθησης θέρμανσης χώρων και παραγωγής ζεστού νερού χρήσης (Ηλιοθερμικά Συστήματα) είναι ιδιαίτερα γνωστά σε αρκετές Ευρωπαϊκές χώρες. Στην χώρα μας, αν και είναι ιδιαίτερα ευνοημένη από τις καιρικές συνθήκες, τα συστήματα αυτά δεν ήταν ιδιαίτερα γνωστά και μόνο τα τελευταία χρόνια, και κυρίως λόγω της ραγδαίας αύξησης της τιμής του πετρελαίου γίνονται κάποια βήματα για την αξιοποίηση αυτής της τεχνολογίας.
Ένα ηλιακό θερμικό σύστημα παρέχει θερμότητα για πόσιμο νερό και νερό ντους ή και υποστήριξη θέρμανσης.
Αυτό γίνεται εφικτό με τη βοήθεια επίπεδων ή σωληνοειδών (σωλήνες κενού) ηλιακών συλλεκτών στην οροφή του κτιρίου.
Οι επίπεδοι συλλέκτες περιέχουν μαύρες επιφάνειες απορρόφησης, ενώ οι συλλέκτες κενού αποτελούνται από δυο γυάλινους σωλήνες ο ένας μέσα στον άλλο με κενό ανάμεσά τους όπου συλλέγουν και αποθηκεύουν την ηλιακή θερμότητα.
Τα ηλιακά θερμικά συστήματα δεν πρέπει να συγχέονται με τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Αυτά παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από το ηλιακό φως χρησιμοποιώντας ηλιακές κυψέλες.
Ένα ηλιακό θερμικό σύστημα αποτελείται από τους ηλιακούς συλλέκτες, το δίκτυο σωληνώσεων, την αντλία του ηλιακού κυκλώματος (κυκλοφορητής), το δοχείο διαστολής, την αντλία θερμότητας ή λέβητα αερίου και το θερμοδοχείο (tank ή ηλιακό δοχείο ή ηλιακός συσσωρευτής). Το θερμοδοχείο μπορεί να είναι και δοχείο θερμοκρασιακής διαστρωμάτωσης όπου η αποθήκευση της θερμικής ενέργειας (νερού) γίνεται σε διαφορετικά θερμοκρασιακά στρώματα αντίστοιχα της κάθε απαίτησης σε ενέργεια.
Η κεντρική μονάδα ενός ηλιακού θερμικού συστήματος είναι οι ηλιακοί συλλέκτες. Κάτω από την γυάλινη επιφάνεια του, μια μεταλλική επιφάνεια με σκουρόχρωμη επίστρωση, ο απορροφητής, απορροφά τις ακτίνες του ήλιου και περνά την προκύπτουσα θερμότητα στην πλάτη του σε ένα σύστημα σωλήνων, συνήθως κατασκευασμένο από χαλκό.
Οι ηλιακοί συλλέκτες τοποθετούνται σε οποιονδήποτε διαθέσιμο χώρο στην οροφή του κτιρίου.
Οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες απορροφούν διάχυτο ηλιακό φως, συλλέγοντας ηλιακή ενέργεια ακόμη και σε συννεφιασμένες ημέρες. Μετατρέπουν τα 2/3 της ηλιακής ακτινοβολίας σε ωφέλιμη ενέργεια.
Οι Ηλιοθερμικοί συλλέκτες με σωλήνες κενού έχουν 30-35% μεγαλύτερη απόδοση.
Η θερμότητα μεταφέρεται μέσω του συστήματος σωληνώσεων με ένα υγρό που συνήθως αποτελείται από νερό και αντιψυκτικό. Είναι σημαντικό οι σωλήνες διανομής να είναι πολύ καλά μονωμένοι ώστε να αποφεύγεται η απώλεια θερμότητας.
Ο ηλιακός σταθμός συλλέγει δεδομένα από αισθητήρες θερμοκρασίας και πίεσης που τοποθετούνται στους ηλιακούς συλλέκτες και στο ηλιακό δοχείο - boiler και είναι υπεύθυνος για τη σωστή λειτουργία και το συγχρονισμό όλων των επιμέρους τμημάτων - εξαρτημάτων, δίνοντας τις κατάλληλες εντολές για την κυκλοφορία ή μη του νερού στο σύστημα.
Ο ηλιακός σταθμός και το θερμοδοχείο τοποθετούνται στο εσωτερικό του κτιρίου για καλύτερο αισθητικό αποτέλεσμα και μείωση των απωλειών θερμότητας.
Το Θερμοδοχείο αποθηκεύει το ζεστό νερό που παράγεται από τους ηλιακού συλλέκτες και την αντλία θερμότητας για χρήση σε στιγμές που δεν υπάρχει άμεση παραγωγή θερμότητας (π.χ. απογευματινές - νυχτερινές ώρες ή συννεφιασμένες ημέρες) και διασφαλίζει την διαθεσιμότητα ζεστού νερού όλο το 24ωρο. Οι σωληνώσεις μέσα στο πολύ καλά μονωμένο θερμοδοχείο παίζουν κρίσιμο ρόλο στη μεταφορά θερμότητας γιατί λαμβάνουν θερμότητα από διαφορετικές πηγές (αντλία θερμότητας, λέβητα, ηλιακούς συλλέκτες). στη συνέχεια μέσα από αυτές ρέει θερμό νερό ή κάποιο άλλο θερμικό υγρό αποδίδει τη θερμότητα στο νερό του θερμοδοχείου είτε στο σύστημα θέρμανσης είτε για τα ζεστά νερά χρήσης.
Αποθηκεύει την υπερβολική θερμότητα που παράγεται από τους ηλιακού συλλέκτες όταν η ζήτηση θερμότητας είναι χαμηλή, και την απελευθερώνει όταν η ζήτηση είναι υψηλή. Η χρησιμότητα του είναι να διατηρεί μια σταθερή θερμοκρασία στο σύστημα και αποτρέπει την υπερθέρμανση.
Όταν δεν υπάρχει επαρκής ηλιακή ακτινοβολία, η αντλία θερμότητας ή ο λέβητας αερίου χρησιμοποιώντας τον δικό του εναλλάκτη θερμότητας θερμαίνει το θερμοδοχείο είτε για το σύστημα της θέρμανσης είτε για τα Ζεστά Νερά Χρήσης (Ζ.Ν.Χ) ώστε να καλύψει τις θερμικές απαιτήσεις του νοικοκυριού για νερό και θέρμανση
Το δοχείο διαστολής στο ηλιακό κύκλωμα αντισταθμίζει τις αλλαγές στον όγκο του ηλιακού ρευστού οι οποίες προκύπτουν από τις μεγάλες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της ημέρας και του έτους.
Η ενδοδαπέδια θέρμανση λειτουργεί ιδανικά με την ηλιακή θέρμανση λόγω των χαμηλότερων θερμοκρασιών λειτουργίας της. Οι ηλιακοί συλλέκτες παρέχουν ζεστό νερό σε θερμοκρασίες που είναι κατάλληλες για την ενδοδαπέδια θέρμανση, μειώνοντας την κατανάλωση άλλων πηγών ενέργειας
Τα ηλιοθερμικά συστήματα συνδυασμένης λειτουργίας για παραγωγή ΖΝΧ (ζεστών νερών χρήσης) και θέρμανση χώρων μπορούν να καλύψουν από 10% – 100% τις ανάγκες μιας κατοικίας σε θέρμανση και σε ζεστό νερό χρήσης, ανάλογα με το μέγεθος της συλλεκτικής επιφάνειας, τον όγκο του θερμοδοχείου, τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής και τα χαρακτηριστικά της κατοικίας (μέγεθος, ποιότητα μόνωσης, θερμικές ανάγκες).
Τα ηλιοθερμικά συστήματα συνδυάζονται εύκολα με τα υφιστάμενα συστήματα θέρμανσης χώρου και νερού χρήσης και εξαιτίας των πλεονεκτημάτων τους εφαρμόζονται εδώ και πολλά χρόνια σε όλες τις χώρες της Ευρώπης.
Υπάρχουν διάφορα είδη ηλιοθερμικών συστημάτων και η διαφορά τους έγκειται στο βαθμό θερμότητας που μπορούν να παράξουν.
Η απλούστερη μορφή ηλιακού συστήματος είναι ο ηλιακός θερμοσίφωνας, ο οποίος ζεσταίνει απ' ευθείας μόνο νερό χρήσης και έχει ενσωματωμένο το δοχείο νερού.
Το ηλιακό σύστημα εκμεταλλεύεται τη θερμική ενέργεια που παράγεται από τους ηλιακούς συλλέκτες, για να θερμαίνεται συνδυασμένα το νερό χρήσης και το νερό που κυκλοφορεί στο σύστημα θέρμανσης. Η απόδοση τους είναι ανάλογη με την ολική ηλιακή ακτινοβολία που πέφτει στην οριζόντια επιφάνεια του συλλέκτη.
Τώρα πλέον και τα Ελληνικά νοικοκυριά, εξαιτίας της μεγάλης αύξησης των τιμών του πετρελαίου θέρμανσης, της ανάγκης για εξοικονόμηση ενέργειας, καθώς και της καθιέρωσης του Κανονισμού Ενεργειακής Αποδοτικότητας των Κτιρίων, αναζητούν όλο και περισσότερο τη χρήση ηλιακών συστημάτων.
Τα ηλιοθερμικά δεν καταργούν τη θέρμανση που παράγεται με τη χρήση άλλων καυσίμων, αλλά λειτουργούν επικουρικά συνεισφέροντας στην ήδη υπάρχουσα θέρμανση και αυτή είναι η ουσιαστική ιδιαιτερότητά τους.
Μπορούν να συνδυαστούν με οποιαδήποτε συμβατική πηγή ενέργειας (καυστήρες πετρελαίου ή φυσικού αερίου) ή ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (καυστήρες βιομάζας), ενώ ενσωματώνονται και σε υφιστάμενο σύστημα, αρκεί να υπάρχει διαθέσιμος χώρος για την εγκατάσταση των συλλεκτών και των δοχείων αποθήκευσης ζεστού νερού.
Επίσης, μπορούν να συνδυαστούν με οποιοδήποτε μέσο θέρμανσης, αλλά είναι προτιμότερη η χρήση τους με μέσα θέρμανσης χαμηλών θερμοκρασιών, όπως είναι τα fancoils ή η ενδοδαπέδια θέρμανση.
Το σύστημα αρχικά καλύπτει τις ανάγκες σε ζεστό νερό χρήσης και στη συνέχεια, εάν περισσεύει ενέργεια, ζεσταίνει το νερό θέρμανσης χώρου.
Αν δεν επαρκεί, το ηλιακό σύστημα παρακάμπτεται και η θέρμανση του χώρου γίνεται από την αντλία θερμότητας όπως στα συμβατικά συστήματα θέρμανσης.
Διάφοροι παράγοντες όπως οι κλιματολογικές συνθήκες, η γεωγραφική θέση, το υψόμετρο, το μέγεθος της εγκατάστασης και άλλοι παράγοντες επηρεάζουν τον βαθμό συμμετοχής των ηλιοθερμικών και κατ' επέκταση τη μείωση της χρήσης καυσίμων.
Ανάλογα με τις παραπάνω συνθήκες τα ηλιοθερμικά καλύπτουν από πολύ μικρό, έως και ποσοστό μεγαλύτερο από το 80% των ετήσιων αναγκών θέρμανσης. Βέβαια, πολύ υψηλές καλύψεις δεν αποτελούν οικονομικά βιώσιμες λύσεις.
Η ιδανική σχέση κόστους - απόδοσης είναι η επίτευξη μιας κάλυψης της τάξης του 40-60% του συνολικού θερμικού φορτίου.
Οι Ηλιοθερμικοί συλλέκτες με σωλήνες κενού βασίζονται στην τεχνολογία “heat pipe” (χάλκινου αυλού). Αποτελούνται από διπλούς γυάλινους σωλήνες διαχωριζόμενους από κενό αέρος.
Η τεχνολογία “heat pipe” συνίσταται από μία τριχοειδή χάλκινη σωλήνα (τοποθετημένη μέσα στην κάθε γυάλινη σωλήνα του συλλέκτη) η οποία περιέχει πτητικό ρευστό με σημείο τήξεως περίπου 25οC. Λόγο της ενέργειας που συλλέγεται από τον ήλιο το ρευστό μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό και ανεβαίνει στην πάνω πλευρά του αυλού μέσα στον εναλλάκτη όπου ζεσταίνει νερό χρήσης. Εκεί συμπυκνώνεται και κατεβαίνει πάλι στην κάτω πλευρά του αυλού για να επαναληφθεί η διαδικασία.
Η σύνδεση των σωλήνων κενού με τον εναλλάκτη γίνεται με ξηρού τύπου κολλήσεις για την προστασία του νερού από πιθανές διαρροές. Επιτρέπει επίσης την εύκολη αντικατάσταση κάποιας μεμονωμένης σωλήνας κενού σε περίπτωση βλάβης, χωρίς να απαιτείται η αποστράγγιση του συστήματος.
Μεγέθη ηλιακού συστήματος για μονοκατοικία
| Μόνο Ζ.ΝΧ | Ζ.Ν.Χ και Θέρμανση | |
| Συλλέκτης (m²) | 3-6 | 9-20 |
| Θερμοδοχείο (lt) | 250 - 350 | 500-1500 |
| Εξοικονόμηση (kwh/m² συλλέκτη) | 400 | 300 |
| Κόστος για εγκατάσταση σε παλιό κτίριο (€) | 6.000 10.000 | 9.000 - 17.000 |
