Τα ηλιακά ή αλλιώς ηλιοθερμικά συστήματα, όπως συνήθως λέγονται, έχουν σκοπό την εκμετάλλευση της ενέργειας του ήλιου για την παραγωγή θερμικής ενέργειας προκειμένου αυτή να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ζεστού νερού και την υποβοήθηση συστημάτων θέρμανσης έτσι ώστε να μειωθεί, όσο γίνεται περισσότερο, η κατανάλωση συμβατικών πηγών ενέργειας και να επιτευχθεί η μέγιστη εξοικονόμηση.

Σύμφωνα με τον ΚΕΝΑΚ (Κανονισμό Ενεργειακής Απόδοσης Κτιρίων ), όλα τα νέα ή ριζικά ανακαινιζόμενα κτήρια οφείλουν υποχρεωτικά να καλύπτουν το 60% των ετήσιων θερμικών τους απαιτήσεων για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης μέσω ηλιακών συστημάτων. Εκτός από την σημαντική κάλυψη των θερμικών απαιτήσεων ενός κτηρίου για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης καθώς και την υποβοήθηση συστημάτων θέρμανσης, τα ηλιακά συστήματα μπορούν να προσφέρουν σημαντικές λύσεις και σε άλλους τομείς όπως είναι η υποβοήθηση της θέρμανσης εσωτερικών και εξωτερικών κολυμβητικών δεξαμενών (ηλιακά συστήματα για θέρμανση πισίνας) και κολυμβητηρίων, εγκαταστάσεων θερμοκηπίου (ηλιακή θέρμανση θερμοκηπίου) κ.λ.π.

Στα υφιστάμενα παλαιά κτήρια δεν υπάρχει, τουλάχιστον προς το παρόν, νομική απαίτηση για υποχρεωτική τοποθέτηση ηλιακών - ηλιοθερμικών συστημάτων αλλά η εγκατάσταση τους είτε για την παραγωγή ζεστού νερού είτε για την υποβοήθηση θέρμανσης για κάποιο κτήριο κατοικίας ή επαγγελματικό κτήριο συμβάλει σε εξαιρετικό βαθμό στην σημαντική μείωση του ενεργειακού κόστους.

Ειδικότερα σε εφαρμογές με πολύ υψηλές ανάγκες σε θερμική ενέργεια όπως π.χ ένα ξενοδοχείο η εφαρμογή τους είναι επιβεβλημένη.

Τα ηλιακά συστήματα διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες :

Στα απλά συστήματα φυσικής κυκλοφορίας δηλαδή τους γνωστούς μας ηλιακούς θερμοσίφωνες .

Στα κεντρικά συστήματα βεβιασμένης κυκλοφορίας τα οποία συνήθως αποκαλούνται και ηλιοθερμικά συστήματα

Τα ηλιοθερμικά συστήματα βεβιασμένης κυκλοφορίας περιλαμβάνουν τα εξής:

• Τους ηλιακούς συλλέκτες.
• Το σύστημα αποθήκευσης (boiler).
• Τα βοηθητικά συστήματα παραγωγής θερμότητας(λέβητας ή αντλία θερμότητας ή και ηλεκτρική αντίσταση μόνο επικουρικά).
• Τους κυκλοφορητές και τα αυτόματα συστήματα ελέγχου της εγκατάστασης.

Σε ότι αφορά τους ηλιακούς συλλέκτες υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες, οι απλοί επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες, οι επιλεκτικοί επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες και οι ηλιακοί συλλέκτες κενού. Οι επιλεκτικοί επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες έχουν τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης ενώ οι ηλιακοί συλλέκτες κενού παρά το ότι έχουν χαμηλότερο βαθμό απόδοσης έχουν πολύ μικρότερο συντελεστή θερμικών απωλειών που τους καθιστά κατά τι πιο αποδοτικούς από τους επιλεκτικούς.

Σύμφωνα με τα παραπάνω ένα κλασσικό σύστημα ηλιοθερμίας αποτελείται από μια συστοιχία ηλιακών συλλεκτών που παράγουν θερμική ενέργεια και την διοχετεύουν, μέσω δικτύου σωληνώσεων εντός των οποίων κυκλοφορεί διάλυμα νερού με αντιψυκτικό, σε ένα μεγάλο δοχείο (μποιλερ) αποθήκευσης ζεστού νερού. Ένα δεύτερο κύκλωμα παραγωγής ενέργειας που είναι συνήθως είτε ένας λέβητας είτε μία αντλία θερμότητας υποβοηθάει την θέρμανση του νερού του δοχείου σε περιπτώσεις που δεν υπάρχει ηλιοφάνεια. Έτσι το δοχείο διαθέτει πάντα ζεστό νερό. Το νερό του δοχείου προσφέρει θερμική ενέργεια σε κατάλληλους εναλλάκτες που είναι προσαρμοσμένοι πάνω σε αυτό και αυτοί με την σειρά τους τροφοδοτούν είτε τις εγκαταστάσεις ζεστού νερού χρήσης είτε τις εγκαταστάσεις θέρμανσης η ακόμα και τις δύο μαζί.

Υπάρχουν δεκάδες παραλλαγές συστημάτων ηλιοθερμίας που δύναται να εξυπηρετήσουν τις ανάγκες ενός κτηρίου οικιακού ή επαγγελματικού, ανάλογα με το μέγεθος του, τις πραγματικές του ανάγκες και τις ιδιαιτερότητές του. Έγκειται στην γνώση και την εμπειρία του εκάστοτε μελετητή μηχανικού να επιλέξει και να διαστασιολογήσει το κατάλληλο σύστημα για την κάθε περίπτωση ώστε να εξασφαλίσει την μέγιστη αποδοτικότητα και εξοικονόμηση ενέργειας.

Όπως προαναφέραμε, εκτός από την παραγωγή ζεστού νερού, ένα κεντρικό ηλιοθερμικό - ηλιακό σύστημα βεβιασμένης κυκλοφορίας μπορεί να προσφέρει σημαντική εξοικονόμηση υποβοηθώντας την εγκατάσταση θέρμανσης, αρκεί να διαστασιολογηθεί σωστά για κάτι τέτοιο.

Η συμβολή ενός ηλιακού συστήματος στην εξοικονόμηση ενέργειας ενός συστήματος θέρμανσης εξαρτάται από τις απαιτήσεις που τίθενται κατά την φάση της μελέτης , δηλαδή το πόσο εξοικονόμηση θέλουμε να πετύχουμε. Όσο περισσότερους ηλιακούς συλλέκτες τοποθετήσουμε τόσο μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση θα έχουμε αλλά και τόσο μεγαλύτερο κόστος θα έχει το ηλιοθερμικό μας σύστημα. Η τοποθέτηση όμως μεγάλου αριθμού ηλιακών συλλεκτών θα μας διασφαλίσει μεν μεγάλα ποσοστά εξοικονόμησης κατά την χειμερινή περίοδο αλλά πέραν του μεγάλου κόστους επένδυσης θα μας δημιουργήσει κατά τους θερινούς μήνες μεγάλη περίσσεια θερμικής ενέργειας που θα μας προβληματίσει σοβαρά για το που και με ποιο τρόπο θα την διοχετεύσουμε. Σε μια τέτοια περίπτωση θα αναγκαστούμε ή να πετάμε ενέργεια που περισσεύει ή να σχεδιάσουμε και να εγκαταστήσουμε πανάκριβα συστήματα σκίασης των ηλιακών συλλεκτών ή εποχικής αποθήκευσης της περίσσειας ενέργειας, που πιθανόν να είναι ασύμφορα για κάποιο δεδομένο έργο.

Το τι λοιπόν εξοικονόμηση θα έχουμε στην λειτουργία της θέρμανσης από ένα ηλιακό-ηλιοθερμικό σύστημα δεν εξαρτάται μόνο από τις επιθυμίες μας αλλά και από πολλούς άλλους παράγοντες που έχουν σχέση με το μέγεθος του κτιρίου, με το είδος του, με την λειτουργία του, με την γεωγραφική και εδαφολογική του θέση, με άλλες εγκαταστάσεις που θα μπορούσαμε να εξυπηρετήσουμε επικουρικά κ.λ.π.

Ο αρμόδιος μηχανικός και μόνο με την εμπειρία του και με την βοήθεια του κατάλληλου λογισμικού προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος θα υπολογίσει και θα βρει την βέλτιστη τεχνικοοικονομικά λύση, την οποία και θα προτείνει. Οποιαδήποτε άλλη εμπειρική προσέγγιση του θέματος είναι πολύ πιθανό να οδηγήσει σε λάθος αποτελέσματα και κυρίως όταν πρόκειται για μεσαίες και μεγάλες εγκαταστάσεις.

Η εφαρμογή των ηλιοθερμικών εγκαταστάσεων για την υποβοήθηση της θέρμανσης ενός κτηρίου συνίσταται κυρίως για συστήματα θέρμανσης χαμηλών θερμοκρασιών όπως η ενδοδαπέδια θέρμανση και τα fan coils, ανεξάρτητα με το ποια είναι η κύρια πηγή ενέργειας από την οποία τροφοδοτούνται (λέβητας, αντλία θερμότητας αέρα – νερού ή γεωθερμική αντλία θερμότητας).

Σε συστήματα θέρμανσης κτηρίων που λειτουργούν με νερό χαμηλής θερμοκρασίας η συνεισφορά των ηλιοθερμικών συστημάτων για την μείωση του ενεργειακού κόστους είναι σημαντική. Σε συστήματα θέρμανσης υψηλών θερμοκρασιών με θερμαντικά σώματα και λέβητα, η συνεισφορά των ηλιοθερμικών συστημάτων είναι μικρότερη και θα πρέπει να εξετασθεί προσεκτικά και πάντα μέσω προσομοίωσης κατά πόσο η εγκατάστασή τους είναι τεχνικοοικονομικά συμφέρουσα.

Σε ότι αφορά την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης, απαντάμε ανεπιφύλακτα θετικά και θα τεκμηριώσουμε την θέση μας παρακάτω με δύο απλά παραδείγματα. Σε ότι αφορά την ηλιακή θέρμανση καταρχάς η θέση μας είναι θετική υπό την προϋπόθεση της αξιόπιστης και τεκμηριωμένης επιστημονικά μελέτης και διαστασιολόγησης, της οποίας τα αποτελέσματα θα δείχνουν πραγματικά ενεργειακά και κατά συνέπεια οικονομικά οφέλη για τον χρήστη.

Ας δούμε τώρα, χρησιμοποιώντας τις απλοποιητικές μεθόδους της ΤΟΤΕΕ 20701-1/2010, πόση εξοικονόμηση ενέργειας και τι οικονομικό όφελος μπορούμε να έχουμε από ένα σύστημα ηλιοθερμίας για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης σε δύο τυπικά ελληνικά κτίρια.

Σε μία μονοκατοικία επιφανείας 130 m2 με τρία υπνοδωμάτια στην Αττική και μία μικρομεσαία ξενοδοχειακή μονάδα θερινής λειτουργίας Α ή Β’ κατηγορίας με 30 δίκλινα δωμάτια σε νησί του Αιγαίου.

Παράδειγμα εξοικονόμησης ενέργειας από την εγκατάσταση ηλιακού-ηλιοθερμικού συστήματος για παραγωγή ζεστού νερού σε μονοκατοικία - Μονοκατοικία στην Αττική 130 m2 με τρία υπνοδωμάτια.

Σε μία μέση Ελληνική κατοικία με 3 υπνοδωμάτια σύμφωνα με την τεχνική οδηγία ΤΟΤΕΕ 20701/2010 για την εφαρμογή του ΚΕΝΑΚ η τυπική ετήσια κατανάλωση ζεστού νερού είναι 3 υπνοδωμάτια X27,38 m3/έτος = 82,14 m3/έτος και το ετήσιο απαιτούμενο θερμικό φορτίο για να την παραγωγή ζεστού νερού είναι 3321 Kwh/ έτος.

Το ημερήσιο απαιτούμενο θερμικό φορτίο Qd σε (kWh/day) για την κάλυψη των αναγκών του κτηρίου για Ζ.Ν.Χ. δίνεται από την ακόλουθη σχέση (σύμφωνα με την παράγραφο 4.8.2 της Τ.Ο.Τ.Ε.Ε. 20701-1/2010) Qd = Vd*(c/3600)*ρ*ΔΤ.

όπου:

Vd(lt /ημέρα) : Οι ημερήσιες ανάγκες Ζ.Ν.Χ, Vd = 225 (lt/ημέρα).
ρ(kg/lt) : H μέση πυκνότητα του ζεστού νερού χρήση, ρ = 0,998 (kg/lt).
c(kJ/(kg.K): Η ειδική θερμότητα, c = 4,18 kJ/(kg.K).
ΔΤ(Κ) ή (°C), ΔΤ = TSP-TKW : Η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ νερού δικτύου και ζεστού νερού χρήσης.
TSP = 45C (Θερμοκρασία ζεστού νερού).
TKW = 10,1 C (Χαμηλότερη θερμοκρασία νερού δικτύου για Β’ κλιματική ζώνη σύμφωνα με Πίνακα 2.6 ΤΟΤΕΕ 20701-1 2η έκδοση).
Ημερήσιο θερμικό φορτίο: Qd = 225lit/day*(4,18 Kj/(kgK/3600)*0,998Kg/lit*34,9 = 9,1 Kwh.

Το ετήσιο θερμικό φορτίο της εγκατάστασης θα είναι 365 ημερ *9,1 Kwh = 3321, 5 Kwh

Αν υποθέσουμε ότι η κατοικία έχει εγκατεστημένο ένα ηλεκτρικό θερμοσίφωνα αποθήκευσης νερού σε εσωτερικό χώρο και με μικρό δίκτυο διανομής ζεστού νερού. Τότε η συνολική απόδοση του συστήματος θα είναι 0,98 και κατά συνέπεια η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση θα είναι 3321,5 Kwh/0,98 = 3398 Kwh.

Σύμφωνα με τα τρέχοντα τιμολόγια της ΔΕΗ το μέσο κόστος ανά Kwh( κιλοβατώρα) είναι 0,15 ευρώ/Kwh και θα πληρώσουμε ετησίως για την λειτουργία του ηλεκτρικού θερμοσίφωνα 3389 Kwh * 0,17 ευρώ/Kwh = 577,66 ευρώ

Με την εγκατάσταση ενός ηλιοθερμικού συστήματος σύμφωνα με τις απαιτήσεις του ΚΕΝΑΚ έτσι ώστε το 60% των ετήσιων θερμικών
αναγκών του κτιρίου για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης να καλυφθεί μέσω ηλιακών συστημάτων έχουμε εξοικονόμηση θερμικής ενέργειας 3321,5 Kwh *0,60 = 1993 Kwh και θα μείνουν 3321,5 Kwh – 1993 Kwh = 1328,5 Kwh θερμικής ισχύος για να καλυφθούν από συμβατική πηγή θερμότητας.

Για την κάλυψη των υπολοίπων θερμικών αναγκών ας υποθέσουμε ότι θα γίνει χρήση της αντίστασης του θερμοσίφωνα του ηλιακού ο οποίος έχει συντελεστή απόδοσης 0,93 και κατά συνέπεια η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση θα είναι 1328,5 Kwh/0,93 = 1428 Kwh και θα πληρώσουμε ετησίως 1428 Kwh * 0,17 ευρώ/Kwh = 242,76 ευρώ. Ήτοι 334,90 ευρώ λιγότερα χρήματα.

Παράδειγμα εξοικονόμησης ενέργειας από την εγκατάσταση ηλιακού- ηλιοθερμικού συστήματος για παραγωγή ζεστού νερού σε ξενοδοχείο - Ξενοδοχειακή μονάδα θερινής λειτουργίας Α ή Β’ κατηγορίας με 30 δίκλινα δωμάτια σε νησί του Αιγαίου.

Σύμφωνα με τον πίνακα 2.5 της ΤΟΤΕΕ 20701-1/2010 η τυπική ετήσια κατανάλωση ζεστού νερού χρήσης ανά κλίνη είναι 17 m3/κλίνη/έτος. Η συνολική ετήσια κατανάλωση είναι 60 (κλίνες) * 17 = 1020 m3/έτος. Υποθέσουμε ότι το ξενοδοχείο λειτουργεί πλήρες κατά μέσο όρο 120 ήμερες τον χρόνο και κατά συνέπεια η μέση ημερήσια κατανάλωση ζεστού νερού είναι 1020000 lit/120 ημερ. = 8500 lit/ήμερα.

Το ημερήσιο απαιτούμενο θερμικό φορτίο Qd σε (kWh/day) για την κάλυψη των αναγκών του κτηρίου για Ζ.Ν.Χ. δίνεται από την ακόλουθη σχέση (σύμφωνα με την παράγραφο 4.8.2 της Τ.Ο.Τ.Ε.Ε. 20701-1/2010) Qd = Vd*(c/3600)*ρ*ΔΤ.

όπου:

Vd(lt /ημέρα) : Οι ημερήσιες ανάγκες Ζ.Ν.Χ, Vd = 225 (lt/ημέρα).
ρ(kg/lt) : H μέση πυκνότητα του ζεστού νερού χρήση, ρ = 0,998 (kg/lt).
c(kJ/(kg.K): Η ειδική θερμότητα, c = 4,18 kJ/(kg.K).
ΔΤ(Κ) ή (°C), ΔΤ = TSP-TKW : Η θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ νερού δικτύου και ζεστού νερού χρήσης.
TSP = 45 C (Θερμοκρασία ζεστού νερού).
TKW = 12,8 C (Χαμηλότερη θερμοκρασία νερού δικτύου για A’ κλιματική ζώνη σύμφωνα με Πίνακα 2.6 ΤΟΤΕΕ 20701-1 2η έκδοση).Ημερήσιο θερμικό φορτίο:Qd = 8500lit/day*(4,18 Kj/(kgK/3600)*0,998Kg/lit*32,2 = 317 Kwh.

Το ετήσιο θερμικό φορτίο της εγκατάστασης θα είναι 120 ημερ *317 Kwh = 38040 Kwh.

Αν υποθέσουμε ότι το ξενοδοχείο έχει εγκατεστημένους τοπικούς ηλεκτρικούς θερμοσίφωνες αποθήκευσης νερού σε κάθε δίκλινο δωμάτιο και με μικρό δίκτυο διανομής ζεστού νερού. Τότε η συνολική απόδοση του συστήματος θα είναι 0,98 και κατά συνέπεια η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση θα είναι 38040 Kwh/0,98 = 38816 Kwh.

Σύμφωνα με τα τρέχοντα τιμολόγια της ΔΕΗ το μέσο κόστος ανά Kwh (κιλοβατώρα) για μεγάλες καταναλώσεις είναι περίπου 0,17 ευρώ/Kwh και το συνολικό ετήσιο κόστος για την λειτουργία των ηλεκτρικών θερμοσίφωνων προκύπτει ότι θα είναι 38816 Kwh * 0,17 ευρώ/Kwh = 6598,72 ευρώ.

Με την εγκατάσταση ενός ηλιοθερμικού συστήματος σύμφωνα με τις απαιτήσεις του ΚΕΝΑΚ έτσι ώστε το 60% των ετήσιων θερμικών αναγκών του ξενοδοχείου για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης να καλυφθεί μέσω ηλιακών συστημάτων έχουμε εξοικονόμηση θερμικής ενέργειας 38040 Kwh *0,60 = 22824 Kwh και θα μείνουν 38040 Kwh – 22824 Kwh = 15216 Kwh θερμικής ισχύος για να καλυφθούν από συμβατική πηγή θερμότητας.

Για την κάλυψη των υπολοίπων θερμικών αναγκών ας υποθέσουμε ότι θα γίνει χρήση της αντίστασης του θερμοσίφωνα των ηλιακών ο οποίος έχει συντελεστή απόδοσης 0,93 και κατά συνέπεια η ετήσια ηλεκτρική κατανάλωση θα είναι 15216 Kwh/0,93 = 16361 Kwh και θα πληρώσουμε ετησίως 16361 Kwh * 0,17 ευρώ/Kwh = 2781,37 ευρώ. Ήτοι 3817,35 ευρώ λιγότερα χρήματα.

Όπως φαίνεται και από τα παραπάνω απλά παραδείγματα τα οφέλη είναι σημαντικότατα. Ειδικά στη περίπτωση του ξενοδοχείου μιλάμε για πολύ σημαντικά πόσα που καθιστούν την εγκατάσταση ηλιοθερμικού συστήματος απολύτως επιβεβλημένη.