Deşi oferta energetică a soarelui şi cererea termică nu corespund din punct de vedere temporal, instalaţille solare de sprijinire a încălzirii, cunoscute şi sub denumirea de instalaţii-combi, ocupă un sector de piaţă mai mare de 30%. Un rol esential 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 intregul necesar de energie primară. Aceasta inseamnă că, la impărţirea clădirilor pe categorii energetice, importante nu sunt numai caracteristicile arhitecturalo-fizice variabile în funcţie de termoizolaţie, ferestre, etanşeitatea la vant etc., ci şi instalatiile tehnice, combustibilul utilizat, consumul de curent electric etc. lnstalatiile solare au capacitatea de a influenţa pozitiv acest bilanţ. Acest fapt a determinat nu în ultimul rând apariţia dezvoltărilor tehnice în special în domeniul tehnologiei de înmagazinare, aşa cum o arată cap. 3.1. Căci înmagazinarea de căldură este cheia încălzirii solare a incaperilor. O caracteristică signifiantă a instalaţiilor combi este reprezentată de rezervoarele pentru mai multe zile sau de cele de durată lungă spre deosebire de rezervoarele de o zi pentru incălzirea apei calde.

Pentru montarea instalaţiilor solare cu rol de sprijin al sistemului de încălzire se recomandă îndeplinirea următoarelor cerinţe:

• 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 instalaţie solară este mai mare. La un grad crescut de termoizolaţie a clădirii, necesarul de încălzire a încăperilor este comparabil cu necesarul de energie pentru incălzirea 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 şi 70 kWh/(m^{2 *} a). In acest caz, o instalaţie combi poate avea o contribuţie semnificativă primăvara şi toamna, când este totuşi nevoie de încălzire deşi cantitatea de radiaţii este mare, dar şi în zilele clare şi reci de iarnă. Intrucăt perioada de încălzire a caselor pasive este doar in lunile de iarnă cu cantitate redusă de radiaţii, posibilitatile de sprijinire solară a sistemului de încălzire convenţional sunt reduse, respectiv necesită rezervoare semnificativ mai mari, cunoscute şi sub numele de rezervoare pe termenlung sau rezervoare sezonale.

• Integrarea instalaţiei solare in sistemul de utilităii al casei

Integrarea corespunzătoare în sistemul de utilăţi al casei precum şi optimizarea raporturilor hidraulice rezidă din faptul că instalaţiile solare au devenit in ultimii ani parte componenta a sistemului de încălzire.

Dacă incalzirea este parţial solară cu sisteme tip back­up, atunci suprafeţele de încălzire trebuie să fie montate pentru o temperatură mare, scopul fiind acela de a obţine temperaturi de evacuare cât mai mici. Temperaturile optime pentru inecalzirea solară de sprijin sunt de 50/30°C sau 60/30°C.

Dacă încălzirea se realizeaza solar în intregime, atunci temperatura de alimentare trebuie să fie mai mică, de 30°C sau chiar mai puţin pentru ca rezervorul de termen lung să poată ajunge la temperaturi cât mai mari. In acest caz este vorba în principiu despre încălzire prin suprafaţa de radiaţie. Importanţa temperaturilor joase de încălzire din circuit este demonstrată de următorul calcul: se presupune că rezervorul este incărcat la 90°C. Dacă cea mai joasă temperatură de încălzire este de 50°C – o valoare obişnuită la sistemele convenţionale de încălzire – rezervarul poate elibera o energie de 46 kWh/m³, iar la o temperatură de 30°C fiind vorba de o energie de 70 kWh/m³.

• Comportomentul utilizatorului

În afară de modul de construcţie şi utilitatile casei, un rol important pentru necesarul de căldură ai casei şi, deci, al gradului solar de acoperire, îl joacă şi comportarnentul utlizatorului. Cu cât este mai mic necesarul de căldură al unei clădiri, cu atat este mai mare influenţa consumatorului. La toate celelalte indicaţii referitoare la dimensionare s-a pornit de la un comportament mediu al utillzatorului.

• Inclinarea colectorului

Pentru sprijinirea sistemului de încălzire se recomandă un grad mare de inclinare a colectorilor cuprins_; de exemplu, între 60° şi chiar 90°, în cazul din urmă fiind vorba aşadar despre colectori de faţadă.

• Tipul colectorului

Pentru sprijnirea solară a sistemului de încălzire se recomandă mai degrabă montarea unor colectori cu tuburi de vid decăt colectorii plati, întrucât cei dintâi au proprietăţi termoizolatoare mai bune iarna decat în perioada caldă. Totuşi, nu trebuie să se supraevalueze avantajele acestor instalatii.

In principiu, instalaţiile 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 instalaţiilor de acest tip:

• pentru încălzirea unei case bine izolate sunt necesari anual cca. 4-6 I de păcură/m² din suprafaţa de locuit, corespunzand unei valori de 40 până la 60 kWh/(a * m²) aproape exclusiv din perioada octombrie – sfârşitul lui martie. Pentru o casă cu o suprafaţă 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 suprafaţă 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/a) sau întreg necesarul al unei case pasive (1.500 kWh/a), rezervorul fiind încărcat pe timp de vară la 95°C şi putănd 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 37m³ pentru casele cu consum mic de energie şi de cca. 19m³ ^­pentru casele pasive (81 kWh/ m³ capacitate de înmagazinare unde deltaT = 70°C).

Dacă izolaţia termică a rezervorului este de foarte bună calitate (cu o grosime de 30-50 cm) şi o valoare (U*^,A) de 1W/K, atunci rezervorul pierde la diferenţele 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, aşadar, rezervoare de cca. 43m³, iar pentru aprovizionarea completă cu căldură a unei case de rezervoare cu un volum de cca. 25 m³ (NB: fără a se pune la socoteală necesarul de încălzire a apei).

• suprafaţa necesare a colectorului pentru acest tip de utilizare ar trebui să fie destul de mare; colectorii de randament mare cu o suprafaţă de 25 -45 m² ar trebui să îndeplinească această cerinţă.

Exemplul calculului arată clar că înmagazinarea de căldură şi necesarul de încălzire sunt factorii esenţiali în ceea ce priveşte încălzirea incăperilor. Acelaşi lucru nu este însă valabil şi pentru clădirile vechi. Necesarul de încălzire pentru acest tip de clădiri este atât de mare în lunile cu o cantitate redusă de radiaţii încât cheltuiala pentru o instalaţie cu colector inclusiv rezervor s-ar folosi mai bine pentru îmbunătăţirea consecutivă a termoizolatiei.

În ceea ce priveşte dimensionarea este bine să se facă diferenţa între sistemele de încălzire parţial şi total solare.

Încălzirea parţial solară

Prin încălzire parţial solară se face referire la instalaţiile solare care asigură mai puţin de 35% din necesarul total de căldură al clădirii. Instalaţille de acest tip sunt potrivite pentru casele construite conform standardelor EnEV. Conform experienţelor de până acum se recomandă următoarele dimensionări:

1. Reguli de baza

Suprafara colectorului

• colector cu o suprafaţă de 0,8 până la 1,1 m²/10 m² din suprafaţa de locuit sau
• un colector cu o suprafaţă de 2 – 3 m²/persoană;
• un colector cu tuburi de vid cu o suprafaţă de 0,5 – 0,8 m²/10 m² din suprafaţa de locuit sau
• un colector cu o suprafaţă de 1,5 – 2,5 m² /persoană

Volumul rezervorului

• o suprafaţă de minim 50l/m² plus 50 I de persoană sau
• o suprafaţă de 50 85l/m² din suprafaţa colectorului sau
• 100 – 200l/kW din capacitatea de incălzire.

2. Diagrama de interpretare

Unii producători ai instalatilor solare pentru sprijinirea sistemului de incalzire oferă între timp şl o diagramă de interpretare specifică produsului fabricat. Gradul de acoperire solară s-a calculat în funcţie de dimensiunea specifică a colectorului de volumul specific al rezervorului şi face referire la capacitatea de încălzire a clădirii echivalentă cu 30- 50 W/m² de locuit.

Pentru o case a cărei suprafaţă este cunoscută (m² de suprafaţă incalzita) se poate calcula capacitatea de încălzire, iar cu ajutorul diagramei şi în funcţie de mărimea colectorului şi a rezervorului şi de gradul de acoperire solară, raportul dintre volumul de inmagazinare şi suprafaţa colectorului nu trebuie să fie mai mic de 50I/m², căci altfel se poate ajunge la un surplus termic important în timpul verii, ceea ce presupune o suprasolicitare a instalaţiei solare şi un randament specific mai slab al colectorului. Dimensiunile rezervorului amintite anterior de 50- 85 l/m² din suprafata colectorului trebuie să se calculeze în aşa fel incet variaţiile ofertei de energie solară să poate fi compensate într-o perioadă de câteva zile.

Este evident faptul că o suprafaţă mai mare a colectorului şi un volum mai mare al rezervorului determină şi cresterea gradului de acoperire solară, ceea ce înseamnă însă, în acelaşi timp, şi scăderea gradului de eficienţă a sistemului şi, totodată, scăderea randamentului specific al colectorului. Nu trebuie subestimată nici problema conform cărela instalaţia solară intră pe timp de vară deseori în stagnare din cauza supradimensionarii, ceea ce duce la apariţia altor dificultăţi menţionate in capitolele anterioare.

Încălzire solară totală

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 solare 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 m². 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 m² 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.

Așa cum o arată lățimea benzii, se pot obține rate de acoperire solară foarte ridicate cu raporturi foarte diferite dintre suprafața colectorului și volumul de înmagazinare, unde necesarul (energia de încălzire + consumul de apă caldă) este valoarea decisivă.

Exemplu:

Să presupunem că familia noastră cu 4 membri locuiește într-o casă pasivă cu aceleași dimensiuni cu ale casei cu consum minim de energie. Randamentul specific de încălzire este de 15 W/m², respectiv de cca. 2 W în total. La un necesar energetic specific de 15 kWh/m² rezultă, astfel, un necesar de încălzire de cca. 2.000 kWh anual. La acesta se adaugă alte 3.400 kWh/a pentru încălzirea apei menajere.

Un grad total de acoperire solară se poate atinge cu o instalație solară a cărei suprafață a colectorului este de 35 m² (2,7 m² /10 m²din suprafața de locuit) și un volum de înmagazinare de 30 m² (cca. 850 l volum de înmagazinare pe m² din suprafața colectorului). În cazul în care consumul anual de energie se calculează în funcție de suprafața colectorului, atunci rezultă un câștig specific energetic anual de numai 15G kWh/ 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.