Nagyobb méretűnek általában a 15-20 m2 feletti napkollektor felülettel megvalósuló rendszereket nevezzük. Természetesen pl. egy kisebb panzió, vagy vendégház 20 m2-es rendszere még nem nevezhető igazán nagynak, de mégsem szabad csak a családi házas rendszereknél megszokott rutin szerint eljárni. A példa estében kézenfekvő lehet, hogy alkalmazzuk az 1. ábra szerinti standard kapcsolást, egy 1000 literes, két belső hőcserélős tárolóval. Ez lehet jó választás, de ügyelni kell arra, hogy a tároló alsó hőcserélőjének a felülete elegendően nagy legyen.
Belső hőcserélő helyett külső hőcserélő
Az előző cikkből tudjuk, hogy 1m2 napkollektor felülethez legalább 0,2-0,3 m2 hőcserélő felület kell tartozzon. Így egy 20 m2 napkollektor felületű rendszerhez 4-6 m2 hőcserélő felület szükséges. A kereskedelemben kapható 1000 literes tárolókat megvizsgálva viszont azt látjuk, hogy az alsó hőcserélő felülete többnyire 2,5-3 m2, ami csak fele a szükségesnek. A kisebb hőcserélő felület pedig magasabb napkollektor hőmérsékletet, és ezzel alacsonyabb hatásfokot eredményez. A belső hőcserélős tároló alkalmazása tehát kompromisszumos megoldás: viszonylag egyszerű lesz a rendszerünk, de a hőcserélő felületétől függően akár 5-10 %-al is kisebb lesz a hasznosítható napenergia nagysága. Ezért nagyobb napkollektor felület esetében mindenképpen korrektül méretezett, külső, lemezes hőcserélőt kell alkalmazni.
1. ábra
Napkollektor köri megkerülő (bypass) szelep
Az 1. ábrán látható egy a napkollektor körbe beépített motoros váltószelep, az ún. bypass, vagy magyarul megkerülő szelep. Erre elsősorban akkor lehet szükség, ha hosszú a napkollektor köri csővezeték külső, fűtetlen térben vezetett szakasza. A bypass szelep alkalmazásával kivédhető a tároló visszahűtése induláskor, főleg hideg, téli napokon, amikor a napkollektorok már felmelegedtek, de a hosszú csővezetékben lévő folyadék még hideg. Ilyenkor a bypass szelep csak akkor nyit a tároló belső hőcserélője felé, ha a napkollektorokban felmelegedett folyadék már leért a tároló térbe, és itt az előremenő ág hőmérséklete valóban magasabb a tároló hőmérsékleténél.
Termikus fertőtlenítés
Napkollektoros rendszereknél problémát okozhat, hogy a melegvíz-tárolók csak napkollektorokkal fűtött részében télen, és hosszabb borult időszakok esetén tartósan alacsony marad a hőmérséklet. A pangó, langyos térfogatrészek kialakulása pedig kedvező feltételeket biztosít a legionella baktériumok elszaporodásának. Ez a probléma a kisebb családi házas rendszereknél is fennáll, de a nagyobb rendszereknél fokozottabban jelentkezik, mivel a pangó térfogatrészek is lényegesen nagyobbak. Egyes országokban ezért előírás, hogy pl. 400 liternél nagyobb tároló alkalmazása esetén kötelező a teljes térfogatot naponta legalább egyszer 60°C fölé fűteni. Ha meg akarunk felelni ennek a követelménynek, akkor megoldás lehet egy ún. termikus fertőtlenítő szivattyú beépítése, ami időszakonként a tároló felső, hagyományos hőtermelővel felfűtött részéből átkeringeti a forró vizet a tároló alsó, csak napkollektorokkal fűtött részébe. Ennek a szivattyúnak a vezérlését többnyire a napkollektoros rendszer szabályozója végzi, ami csak akkor indítja el a fertőtlenítő funkciót, ha a tároló kollektoros részének a hőmérséklete adott időszak alatt nem emelkedett 60°C fölé. Ügyelni kell arra, hogy felfűtés lehetőleg úgy történjen, hogy ne fűtsük fel a kollektorok elől a tárolót. Jó megoldás lehet, ha a fertőtlenítés késő délután, a napkollektorok elméleti működésének időszaka után indul. Ekkor a létesítmény jellegétől függően még arra is van esély, hogy az esti és reggeli fogyasztás elhasználja a fertőtlenítés miatt felfűtött vizet, és a napsütés kezdetével a napkollektorok már újra a hideg vizet tudják jó hatásfokkal fűteni.
Több, sorba kapcsolt melegvíz-tároló alkalmazása
Nagyobb, 30-50 m2 kollektor felületű rendszerek esetében már egészen biztos, hogy külső hőcserélőt kell használni, és a nagy tároló térfogat miatt többnyire nem egy, hanem több, sorba kötött tárolót alkalmaznak. A 2. ábra szerinti kapcsoláson két tároló látható, egy napkollektoros előfűtő, és egy hagyományos hőtermelővel üzemelő utófűtő tároló. Normál üzem esetén a tárolók sorba vannak kötve, de a kapcsolást célszerű úgy kialakítani, hogy az egyes tárolók pl. karbantartás, vagy üzemzavar esetén kizárhatók legyenek. Az ábrán a kizárhatóságot biztosító szakaszok szürkével, a zárt állapotú szerelvények pedig feketével vannak jelölve.
2. ábra
Cirkuláció köri váltószelep
A több tároló alkalmazásának a hátránya lehet az, hogy ha napközben nincs elég fogyasztás, akkor a napkollektorok hiába fűtik fel az 1. jelű előfűtő tárolót, abból a felmelegített víz fogyasztás híján nem áramlik át a 2. jelű hagyományos fűtésű tárolóba. Ugyanakkor, ha megy a cirkulációs szivattyú, akkor az visszahűti a 2. tárolót, ennek pótlására pedig be kellene indítani a hagyományos hőtermelőt. Ennek kivédésére célszerű beépíteni a cirkulációs vezeték visszatérő ágába egy váltószelepet, ami a cirkulációt a napkollektorokkal fűtött tárolóba vezeti vissza akkor, ha itt a hőmérséklet magasabb, mint a cirkulációból visszatérő víz hőmérséklete. Ezzel megvalósul a napkollektorokkal felfűtött víz átkeringetése a hagyományos fűtésű tárolóba.
Még több tároló alkalmazása
Minél nagyobb a napkollektoros rendszer, annál nagyobb tárolókapacitásra van szükség. A tárolásnál pedig fontos a hőmérséklet szerinti rétegződés biztosítása, ezért több, sorba kapcsolt, álló kialakítású tárolót célszerű alkalmazni. A 3. ábrán három tároló látható, amiből kettőt a napkollektoros rendszer, a harmadikat a hagyományos hőtermelő rendszer fűti. A napkollektorok a szabályozón beállított előnykapcsolási sorrend szerint fűtik az egyes tárolókat, a tárolók fűtése közötti átváltás motoros váltószelepekkel történik.
3. ábra
Puffertárolók alkalmazása
Napkollektoros rendszereknél nagyon fontos, hogy a tárolókapacitás megfelelően nagy legyen. Minél nagyobb viszont a tárolt térfogat, annál nagyobb problémát jelenthet a legionella baktériumok miatt szükséges termikus felfűtés. A nagy tárolt térfogat csak a fertőtlenítés miatt szükséges felfűtése hagyományos hőtermelővel ugyanis felesleges tárolási és elosztási veszteséget eredményez, illetve esetenként a napkollektoros rendszer energia-hozamát is csökkenti. Ez elkerülhető, ha a hőtárolást nem a használati-melegvíz, hanem zárt puffertárolóban, fűtési víz tárolásával oldják meg. A higiéniai problémák kiküszöbölésén túl ez a megoldás azzal az előnnyel is jár, hogy nincs a tárolóban, és a napkollektor köri hőcserélőben vízkövesedés, és így magasabb hőmérsékletet is megengedhetünk a puffertárolóban. Előny még az is, hogy a drága, bevonatos melegvíz-tároló helyett olcsóbb puffertároló alkalmazható, aminek a várható élettartama mégis hosszabb, mivel a zárt rendszer miatt nem lépnek fel korróziós problémák sem.
4. ábra
Hőcserélős, átfolyós melegvíz készítés
Puffertároló alkalmazására az első példa a 4. ábra szerinti kapcsoláson látható. A napkollektorok a puffertároló teljes térfogatát, míg a hagyományos hőtermelő csak a felső térfogatrészt fűti. A tárolt puffervízből a használati-melegvíz átfolyósan, hőcserélőn keresztül készül. Ez a kapcsolás családi házaknál és nagyobb rendszereknél egyaránt alkalmazható. A használati-melegvíz hőcserélő általában a kisebb rendszereknél is képes 15-25 liter/perc mennyiségű melegvizet produkálni, de ennél lényegesen nagyobb teljesítményű, pl. társasházakban is alkalmazható, előre gyártott melegvíz készítő modulok is beszerezhetőek.
A hőcserélős melegvíz készítő modulokat németből tükörfordítás alapján szokás „frissvíz” modulnak is nevezni. Konkrét kialakításuk, szabályozásuk alapján sokféle megoldástípusuk létezik. A 4. ábra szerinti kapcsolásnál a puffer köri szivattyút áramláskapcsoló indítja, a hőmérséklet szabályozás pedig segédenergia nélküli termosztatikus keverőszeleppel történik. Gyakori azonban a mikroprocesszoros szabályozó alkalmazása is, ami a fűtőköri szivattyú fordulatszámát szabályozza.
5. ábra
Egészen nagy rendszereknél már csak átfolyósan nehéz biztosítani az egyenletes használati-melegvíz hőmérsékletet, ezért célszerű egy megfelelő méretű, hagyományos hőtermelővel fűtött melegvíz-tárolót is alkalmazni. Erre látható példa az 5. és 6. ábrán. Az 5. ábra szerinti megoldásnál a napkollektoros rendszer átfolyósan, soros kapcsolással melegíti elő a hálózati hidegvizet, míg a 6. ábrán párhuzamos kapcsolással, folyamatosan fűthető a puffertárolóról a melegvíz-tároló alsó része.
6. ábra
Lakásonkénti hőközpontok alkalmazása
Végül egy nálunk nyugatabbra, főleg társasházaknál gyakran alkalmazott kapcsolás látható a 7. ábrán. A napkollektoros rendszer egy nagy méretű, központi puffertárolót fűt külső hőcserélőn keresztül, általában legalább kétszintű, hőmérséklet szerinti rétegtöltéssel . Ha a napenergia kevés, akkor a puffertároló felső részét a hagyományos hőtermelő (pl. gázkazán, vagy távhő) fűti fel. A puffertárolóból történik az épület hőellátása úgy, hogy minden lakásba egy mini hőközpont kerül beépítésre. Ezek a hőközpontok szabályozzák a lakások egyedi igény szerinti fűtését, és állítják elő a használati-melegvizet is hőcserélővel, átfolyós módon. A napkollektoros rendszer célja ebben az esetben már nem csak a használati-melegvíz készítés, hanem fűtés rásegítés is.
7. ábra
A bemutatott kapcsolási vázlatok csak lehetséges példák, a főbb elveket ismertetik, és a hozzájuk fűzött magyarázat terjedelmi korlátok miatt nem teljes. De talán az itt ismertetett kapcsolások alapján is látható, hogy egy nagy méretű napkollektoros rendszer tervezése során számtalan apró részletre, speciális szempontra kell ügyelni, és tervezési munka nagy odafigyelést és gondosságot igényel.
A napkollektorok hidraulikai bekötése és csövezése
A napkollektorok hidraulikus bekötését úgy kell megvalósítani, hogy minden egyes napkollektoron belül megközelítőleg azonos, a tervezéskor meghatározott értékű legyen a térfogatáram. Ezen kívül ügyelni kell a légteleníthetőségre és leüríthetőségre, valamint arra, hogy a hőtágulás lehetősége biztosított legyen a napkollektorokon belüli és kívüli csővezeték szakaszokon egyaránt.
Napkollektorok belső csövezésének kialakítása
A napkollektorok a belső csövezés kialakítása és a csatlakozási pontok elhelyezkedése szempontjából számtalan változatban készülhetnek. Hidraulikus viselkedés szempontjából azonban a napkollektorok alapvetően két csoportba sorolhatók: csőkígyós és párhuzamos (hárfa) csövezésűekre. A csőkígyós napkollektorokban (1/a. ábra) a hőhordozó közeg egyetlen kígyóvonal alakban meghajlított csővezetékben áramlik. Párhuzamos (hárfa) csövezésű napkollektorok (1/b, c. ábra) esetében viszont a napkollektoron belüli térfogatáram több egyenes, párhuzamosan kapcsolt, osztó-gyűjtőre csatlakozó csővezeték ágban oszlik meg. Az 1/d. ábrán direkt átfolyású vákuumcsöves napkollektor látható, ennek a csövezése szintén párhuzamosnak tekinthető.
1. ábra
A csőkígyós napkollektorok áramlási ellenállása lényegesen, általában egy nagyságrenddel magasabb, mint a párhuzamos csövezésű napkollektoroké. Erre oda kell figyelni a napkollektorok bekötésének meghatározásakor. Ebből következik az is, hogy a csőkígyós napkollektorok csak szivattyús keringtetésű rendszerekben alkalmazhatók, gravitációs rendszerekben nem. A napkollektorok nyomásveszteségét a gyártók általában grafikusan, nyomásveszteség diagram formájában adják meg, erre láthatunk példát a 2. ábrán.
2. ábra
Napkollektorok soros kapcsolása
A napkollektorokon belüli azonos térfogatáram legegyszerűbben soros kapcsolás alkalmazásával valósítható meg (3. ábra). Ekkor a napkollektorok nyomásvesztesége összeadódik, ezért elsősorban arra kell ügyelni, nehogy túl nagy áramlási ellenállású kollektor csoportokat alakítsunk ki. Csőkígyós kollektorokat csak korlátozott számban köthetünk sorba (általában max. 2-3 darabot). Párhuzamos belső csövezésű napkollektorokból viszont nagyobb csoportokat is kialakíthatunk soros kapcsolással. Soros kapcsolást általában alacsony térfogatáramú, úgynevezett Low-flow rendszerek esetén célszerű alkalmazni.
3. ábra
Napkollektorok párhuzamos kapcsolása
A napkollektorok párhuzamos kapcsolása esetén a teljes rendszer térfogatárama párhuzamosan eloszlik az egyes napkollektorokon keresztül. Ebben az esetben arra kell ügyelni, hogy biztosított legyen az egyes napkollektorokon belül a megközelítőleg azonos térfogatáram. Ezt legegyszerűbben az ún. Tichelmann-elv szerinti kapcsolás alkalmazásával lehet biztosítani. A Tichelmann-elv azt jelenti, hogy valamennyi párhuzamosan kapcsolt napkollektoron keresztül megtett utat vizsgálva, azonosak a csővezeték szakaszok hosszai és átmérői. A Tichelmann kapcsolást legegyszerűbben úgy alkalmazhatjuk, ha belső átkötőcsővel rendelkező napkollektorokat a 4. ábra szerint, közvetlenül egymás mellé sorolunk, és átlós irányban bekötünk. Vigyázat! Bár a napkollektorokat ebben az esetben sorba, egymás mellé kapcsoljuk, hidraulikailag azonban ekkor nem soros, hanem párhuzamos kapcsolást valósítunk meg.
4. ábra
Párhuzamos kapcsolás esetén az egyes napkollektor csoportok áramlási ellenállása a kollektorok számának növelésével csak kis mértékben növekszik. Két-három kollektorból álló csoport ellenállása majdnem ugyanakkora, mint egy kollektor ellenállása, hat-nyolc kollektor párhuzamos kapcsolása esetén pedig egy kollektorhoz képest kb. 1,5-2-szeres ellenállással számolhatunk. Konkrét értékeket az adott napkollektor gyártójától lehet beszerezni.
Párhuzamos, Tichelmann-elv szerinti kapcsolást nem csak egy napkollektor csoporton belül alkalmazhatunk, hanem az egyes csoportokat is köthetjük így. Az 5. ábrán például 36 db napkollektor bekötése látható úgy, hogy az egyes kollektorok a csoportokon belül, az egyes csoportok a sorokon belül, és végül az egyes sorok is Tichelmann-el szerint kerültek bekötésre. Az ábrán a kollektor csoportokon belüli térfogatáramok nagyságát a csővezeték vonalvastagsága szemlélteti.
5. ábra
A napkollektorok vegyes kapcsolása
A napkollektorok soros és párhuzamos kapcsolását egy rendszeren belül vegyesen is alkalmazhatjuk. Például a napkollektorokat a csoportokon belül köthetjük párhuzamosan, az egyes csoportokat pedig sorosan, vagy fordítva. Vegyes kapcsolást alkalmazhatunk például akkor, ha a tető adottságai miatt eltérő számú napkollektorokból álló csoportokat kell bekötnünk. Soros kapcsolás esetén azonban mindig fokozottan kell ügyelni arra, hogy a nagyobb fajlagos térfogatáram miatt megnövekvő nyomásveszteséget a keringető szivattyú biztosítani tudja.
Általános elvként elmondható, hogy a napkollektorok elhelyezésénél törekedni kell az egyszerű és esztétikus megoldások alkalmazására. Lehetőleg azonos típusú és azonos számú napkollektorokból álló csoportokat alkalmazzunk, ekkor a kollektor c
soportok hidraulikai bekötése is egyszerűen megoldható. Kerüljük viszont a 6. ábra szerinti, nem túl esztétikus és bonyolult megoldásokat.
6. ábra
Példa: A 7. ábrán 7 db 2 m2-es, összesen 14 m2 felületű napkollektor bekötése látható úgy, hogy az alsó sorban 4 db, a felső sorban pedig 3 db napkollektort tartalmazó csoport található. A csoportokon belül a napkollektorok kapcsolása párhuzamos, Tichelmann-elv szerinti. Ha fajlagos térfogatáramot 30 l/(h·m2) értékre választjuk, akkor a teljes napkollektor köri térfogatáram értéke: 14 · 30 = 420 l/h. A 7/a. ábrán a két csoport az egyszerű csövezés érdekében sorba lett kapcsolva. Ekkor a teljes, 420 l/h térfogatáram az alsó napkollektor csoportban négy, a felsőben pedig három kollektor között oszlik meg. Így az egy kollektoron belüli térfogatáram az alsó csoportban 420 / 4 = 105 l/h, a felsőben pedig 420 / 3 = 140 l/h. Ezek az értékek csőkígyós napkollektor esetében már viszonylag nagy nyomásveszteséget eredményeznek. A 2. ábra szerinti csőkígyós napkollektornál a nyomásveszteség az alsó sorban kb. 20 kPa, a felső sorban pedig kb. 38 kPa. Ez összesen 58 kPa, ami önmagában, a csővezeték és az egyéb szerelvények nyomásvesztesége nélkül is több, mint amit egy szokásos keringtető szivattyú biztosítani tud. Ezért, ha maradunk a csoportok soros kapcsolásánál, akkor csökkenni fog a napkollektor köri térfogatáram, vagy választhatjuk a 7/b. ábra szerinti megoldást, amikor a két kollektor csoportot párhuzamosan kötöttük be.
7. ábra
Légtelenítés
A napkollektorok bekötését lehetőleg úgy kell megvalósítani, hogy minél kevesebb lokális magas pontot alakítsunk ki. A szükség szerint mégis kialakuló magas pontokra megbízható, hőálló kivitelű kézi légtelenítő csapokat lehet beépíteni. Ez megkönnyítheti a feltöltés során a légtelenítést. Nagyon fontos, hogy az általános gyakorlattól eltérően tilos automata légtelenítőt (szolár kivitelűt is) beépíteni a kollektorok környezetébe. A napkollektorokban ugyanis üresjárat esetén gőz képződhet, ezt pedig kiengedi az automata légtelenítő, ami a hőhordozó közeg egy részének elengedéséhez, a rendszer nyomásának leeséséhez vezet.
A napkollektoros rendszerek légtelenítése szempontjából a jó megoldás az, ha a feltöltés során először lassan, a felső ponton lévő nyitott légtelenítő csap nyitott állapota mellett töltik fel a rendszert. Így bíztosítható, hogy a mindkét ágban egyenletesen emelkedő folyadékszint kiszorítsa a levegőt. Majd amikor a rendszer megtelt folyadékkal, a felső légtelenítő csapot el kell zárni, és megfelelő feltöltő szivattyú és töltő-ürítő szerelvénycsoport segítségével, gondos átmosatással kell kihajtani a rendszerből a még bennszorult levegőt. Megfelelő (nem túl nagy) csőátmérők esetén az átmosatás során a folyadék magával ragadja a levegőt, és így a légtelenítés a rendszer alsó pontján is elvégezhető. Javasolható még, hogy a gépészeti térben a meleg ágba beépítésre kerüljön egy szolár kivitelű légtelenítő edény, vagy abszorpciós légtelenítő. Ez alkalmas a feltöltés során még bennmaradt kevés levegő, és a felmelegedés során a folyadékból kiváló gázok összegyűjtésére és eltávolítására. Az üzembe helyezést követő kezdeti időszak után azonban minden automata légtelenítőt el kell zárni, nehogy gőzképződés esetén ezek kiengedjék a folyadék által magával ragadt gőzbuborékokat.
Üríthetőség
A napkollektorok üríthetősége legalább olyan fontos, mint a légteleníthetőség. És erre nem elsősorban a rendszer ürítésekor, a fagyálló folyadék cseréjekor van szükség, hanem üresjáratkor, gőzképződés esetén. A napkollektorokban a gőzképződés általában a kollektorok egy magasabb pontján kezdődik el. A folyadékból képződő gőz kitágul, és megpróbálja kiszorítani a napkollektorokból a folyadékot. Ha a folyadék távozása az alsó, belépő csonkon keresztül lehetséges, akkor a napkollektorok gyorsan kiürülnek, és viszonylag kis mennyiségű folyadék alakul át gőzzé. Ha viszont a folyadék leürülése nem biztosított, akkor a gőzképződés során is folyamatosan marad folyadék a napkollektorokban. Ennek következményeként lényegesen több folyadék alakul át gőzzé, és így lényegesen magasabb lesz a rendszer nyomása és hőmérséklete is. Ráadásul fagyálló folyadék alkalmazása esetén a gőzképződés során visszamaradó közeg egyre töményebb lesz, mivel először a víz összetevő gőzölög el, ez pedig szintén növeli a forráspontot.
Az üresjárati gőzképződés kezelése szempontjából a napkollektorok kiválasztásánál és bekötésénél az alábbiakra kell törekedni:
- Lehetőség szerint könnyen leürülő kollektorokat alkalmazzunk, vagyis olyanokat, melyeknek legalább az egyik csatlakozási pontja alul van. Az 1. ábrán az a. és b. jelű kollektor jól ürülő, a c. és d. jelű rosszul ürülő típus.
- A napkollektorokat lehetőség szerint úgy kössük be, hogy ne alakuljon ki alsó „zsák”, tehát a napkollektorokból a belépő, hideg ágon keresztül a folyadék lefelé el tudjon távozni az alsó ponton beépített tágulási tartályba (8. ábra). Ügyelni kell arra is, hogy a folyadék hideg ágon keresztüli leürülését visszacsapószelep, vagy egyéb elzáró szerelvény se akadályozza.
8.ábra
Fontos azt hangsúlyozni, hogy az üresjárat, a gőzképződés a napkollektoros rendszerek üzemszerű működésének a része, ennek időszakos előfordulását megakadályozni nem lehet. Különösen a nyáron rossz kihasználtsággal üzemelő, kombinált célú, fűtés rásegítő napkollektoros rendszereknél kell felkészülni a gőzképződés kezelésére. Természetesen nagyon fontos a tágulási tartály helyes méretezése és beépítése, de erről egy későbbi cikkben írunk részletesebben.
Hőtágulás
A napkollektorok bekötésénél természetesen fokozottan kell ügyelni a hőtágulások biztosítására. A napkollektorokon belül a hőmérséklet -20°C és +200°C, vákuumos kollektorok esetén akár 300°C között is váltakozhat. A kollektorok környezetében lévő csővezetékek hőmérséklete is elérheti a 150-180°C-os hőmérsékletet. A leggyakrabban alkalmazott réz csővezeték hossza az átmérőtől függetlenül 1°C hőmérséklet változás hatására méterenként 0,017 mm-t változik. Napkollektorok esetében tehát a hosszváltozás méterenként közel 3 mm is lehet. Ezért kerülni kell a hosszú, egyenes csőszakaszok kialakítását. Ez a napkollektorok közvetlenül egymás mellé helyezésének is határt szab. Ha széles napkollektor sorokat kell kialakítani, akkor a kollektorok közé 4-5 méterenként a hőtágulást lehetővé tevő kompenzátort kell beépíteni (9. ábra).
Ügyelni kell a kollektorok bekötésére is. Ezeket úgy kell kialakítani, hogy a külső csővezeték a napkollektorok csatlakozó csonkjait a hőtágulás miatt ne tudja feszíteni. Ezt úgy tudjuk elérni, ha a bekötéseknél nem a hosszú, nagy átmérőjű külső csővezetéket kötjük közvetlenül könyök, vagy T-idommal a napkollektor csatlakozásához, hanem megfelelő hosszúságú, a hőtágulás hatására rugalmasan elhajolni képes bekötő csőszakaszokat alkalmazunk (9. ábra).
9. ábra
Megjelent az Épületgépész 2013/2. számában
Forrás: Naplopó Kft.
Napkollektor dömping - Melyiket válasszam?
Néhány éve még a Magyarországon alkalmazott napkollektorok döntő többsége hagyományos síkkollektor volt. Mára azonban egyre nagyobb arányban jelennek meg a legkülönbözőbb kialakítású, főleg vákuumcsöves napkollektorok. A kínálat növekedése természetesen örvendetes, másrészt viszont meg is nehezíti a választást. Ez az írás megpróbálja ismertetni a jelenlegi napkollektor választékot, és némi támpontot is kíván adni a megfelelő választáshoz.
Síkkollektorok
A napkollektorok legelterjedtebb, legismertebb változata az ún. síkkollektor, melynek felépítése az 1. ábrán látható. A síkkollektor tulajdonképpen egy elől üvegezett, hátul hőszigetelt lapos dobozszerkezet, melybe belül egy jó napsugárzás elnyelő képességű fekete lemezre (abszorberre) erősített csőkígyó található. A síkkollektorok működése egyszerű: a napsugárzás áthalad a jó fényáteresztő képességű (alacsony vastartalmú) üveg fedőlapon és elnyelődik az abszorberen, ami az elnyelt napsugárzás hatására a hozzá erősített csőkígyó rendszerrel együtt felmelegszik. A keletkezett hőenergiát aztán a csővezetékben keringtetett hőátadó folyadékkal lehet elszállítani a napkollektorból, és lehet felhasználni pl. vízmelegítésre.
1. ábra
A síkkollektorok felépítése
Síkkollektorokat már több évtizede alkalmaznak iparszerűen, ezért a gyártásuk, üzemeltetésük során bőséges tapasztalat halmozódott fel. Ennek köszönhetően mára a termékpaletta meglehetősen letisztult, a jelentősebb gyártók által kínált síkkollektor változatok között nehéz különbséget tenni. A síkkollektorok közös jellemzője az egyrétegű üvegfedés, és a magas szelektivitású elnyelőlemez alkalmazása. Az ilyen kollektorok maximális hatásfoka 80% körüli érték, átlagos, derült időjárás esetén pedig 60% körüli hatásfokkal alakítják át a napsugárzást hőenergiává. Ilyen, átlagos körülmények esetén fellépő veszteségek nagysága látható a 2. ábrán.
2. ábra
Síkkollektorok átlagos veszteségei
Vákuumos kollektorok
A 2. ábrából látható, hogy a síkkollektorok konvektív hővesztesége átlagos körülmények esetén 13% körüli érték. A konvektív hőveszteség okozója a kollektorházban lévő levegő, mely mozgásával, keringésével a meleg abszorbert visszahűti a hidegebb üvegfedés felé. Ha tehát a kollektorházból sikerülne kiszívni a levegőt, ezáltal vákuumot hozva létre, akkor meg lehetne szüntetni a konvektív hőveszteséget. Ezzel a céllal fejlesztették ki a vákuumos kollektorokat. A vákuum értelme tehát kizárólag a konvektív hőveszteség csökkentése, a napsugárzás elnyelő tulajdonságokat a vákuum nem befolyásolja. Nem változik lényegesen a hővezetés útján létrejövő veszteség sem, hiszen annak értéke eleve csak 3% körüli, valamint a levegő alapvetően jó hőszigetelő, hővezetési tényezője kb. fele a hőszigetelő anyagokénak.
Egy síkkollektor házat meglehetősen nehéz úgy letömíteni, hogy az a teljes élettartam alatt, lagalább 20-30 évig megtartsa a vákuumot. Létezik ugyan vákuumos síkkollektor, de ennél a vákuumot nem a gyártás során, hanem a felszerelés után kell létrehozni. A kollektoroktól a kazánházig egy vékony rézcsőből vákuumvezetéket kell kiépíteni, ennek a végére egy gyorscsatlakozót és a vákuumot mutató nyomásmérőt kell felszerelni, a kollektorokból a levegőt pedig vákuumszivattyúval kell eltávolítani. A fejlett tömítés-technikának köszönhetően az ilyen síkkollektorok a vákuumot 2-3 évig megtartják, és miután a nyomásmérő jelzi a vákuum csökkenését, a kompresszoros vákuumozást meg kell ismételni. Az ilyen rendszernek előnye, hogy a vákuum értéke folyamatosan ellenőrizhető, hátránya viszont az időszakos vákuumozás igénye.
Lényegesen gyakoribb megoldás a vákuum alkalmazására az ún. vákuumcsöves napkollektor. Mára szinte elárasztották a piacot a legkülönbözőbb kialakítású vákuumcsöves napkollektorok. Míg a síkkollektorok felépítése alapvetően nem tér el egymástól, addig a vákuumcsöves napkollektorok változatosabb műszaki megoldásokkal készülnek. Közös jellemzőjük az üveg anyagú vákuumcső, azonban mint a 3. ábrán látható, ez is legalább kétféle kivitelben készülhet. A régebben alkalmazott egyszerű vákuumcső szimpla falú üvegcső. Hátránya, hogy az abszorbert és az erre erősített csővezetéket a csövön belül, a vákuumban kell elhelyezni, ezért a cső kivezetésénél tömítést kell alkalmazni, ami gyenge pont lehet. A másik megoldás a kettősfalú, ún. "Sydney" típusú vákuumcső. Bár ezt a csőtípust valószínűleg helyesebb lenne a "Kínai" jelzővel illetni, mivel döntő részarányban onnan származik. (Kína egyébként a felszerelt napkollektorok számában világelső, 2. USA, 3. Japán, 4. Törökország, 5. Németország). A kettősfalú vákuumcső elve régóta ismert, hiszen ezt alkalmazzák a jól ismert termoszokban is. Rendkívüli népszerűségét annak köszönheti, hogy az abszorbert és a csővezetéket nem kell már az üvegcső gyártásakor a vákuumban elhelyezni. Ezért az ilyen csövet számtalan kollektor gyártó vásárolja meg, és helyez el benne különféle kialakítású abszorbert. További előny még, hogy az üvegcsövet gyártó cég többnyire valamilyen szelektív bevonatot is felvisz a belső üvegcső felületére, ezért szelektív abszorberre sincs szükség.
3. ábra
Vákuumcsövek kialakítása
További változatosság jellemzi a vákuumcsöves napkollektorokat az abszorber lemez, és az erre erősített csővezeték kialakítása szerint (4. ábra). Az egyik lehetséges megoldás, amikor egyenes felületű abszorber lemezcsíkot, és erre erősített koaxiális csővezetéket alkalmaznak. A másik - főleg a kettősfalú vákuumcsöveknél alkalmazott megoldás - a kör alakú abszorber, és hajlított, U-alakú csővezeték.
4. ábra
Abszorber és csővezeték kialakítások vákuumcsöves napkollektoroknál
A vákuumcsöves napkollektorok több, egymás mellett, párhuzamosan elhelyezett vákuumcsőből épülnek fel, így az egyes csövek között kisebb-nagyobb távolság van. A bruttó/hasznos felület kihasználtságuk ezért az ilyen kollektoroknak általában rosszabb, mint a síkkollektoroknak. Növelni lehet a kihasználtságot, ha az 5. ábra szerint a kör alakú abszorberekkel szerelt vákuumcsövek mögé a napsugárzást visszaverő, tükröző lemezt helyeznek. Az ilyen reflektorokat nevezik CPC-nek (Compound Parabolic Concentrator). A reflektor hátránya viszont, hogy idővel elkoszolódik, így hatékonysága romlik.
5. ábra
CPC reflektor
Másik egyedi megoldás a reflektor elhelyezésére, amit egy kollektorokat is gyártó üvegipari cég alkalmaz, amikor a tükröző felületet a 6. ábra szerint a vákuumcsövön belül helyezik el. Ezzel kiküszöbölik a reflektáló felület elkoszolódását, ugyanakkor megmarad a visszaverő-koncentráló hatás.
6. ábra
Koncentráló tükörbevonat a vákuumcsövön belül
Az eddig ismertetett vákuumcsöves napkollektorok közös jellemzője volt, hogy közvetlenül a napkollektor körben keringtetett fagyálló folyadék cirkulált a vákuumcsövön belül is. Gyakori azonban az ún. hőcsöves (Heat-Pipe) megoldás is, amikor az abszorberre erősített csövet lezárják, és alacsony vákuumba helyezett vízzel, vagy egyéb folyadékkal töltik fel részlegesen. Hőmérséklet emelkedés hatására a folyadék elpárolog, a meleg gőz a csővezeték felső részén elhelyezett kondenzátor-hőcserélő edénybe vándorol. A kondenzátort körbeveszi a speciálisan kialakított csővezeték, amiben maga a fagyálló folyadék kering. Így a fagyálló visszahűti a gőzt, az kondenzálódik, visszacsorog a csővezeték aljába, és a folyamat kezdődik elölről. Bár az ilyen kollektorok forgalmazói állítják, hogy a hőcső elvnek köszönhetően a kollektorok hatásfoka kiemelkedően (akár 50%-al) magasabb, mint a normál kollektoroké, a valóságban ez nem igaz. A hőcső alkalmazása nem eredményez hatásfok javulást, sőt az eggyel több hőcserélő miatt inkább csökken a hatásfok. Előnye leginkább abban rejlik, hogy az egyes csövek különálló, kompakt egységet képeznek, így ezek külön szerelhetők, törés esetén a csövek a rendszer leürítése nélkül is kicserélhetők. A hőcsöves kollektorokat természetesen lejtéssel (általában 20-30°) kell szerelni.
7. ábra
"Heat-Pipe", hõcsõves elvû napkollektor
A napkollektorok összehasonlítása, kiválasztása
Amint az a fent leírtakból kiderül manapság rengeteg féle-fajta napkollektor létezik, és ezek mindegyike megjelent már a hazai piacon is. Aki nem szakértő, az nehezen tud eligazodni ebben a széles választékban. Az alábbiakban néhány támpont kerül ismertetésre, amelyek segíthetnek az objektív összehasonlításban.
Először is feltétlenül tisztázni kell, hogy mekkora a napkollektor felülete. Ez első látásra egyszerűnek tűnik, másodikra azonban már nem. A kollektoroknak ugyanis többféle felületük is van. A forgalmazók általában a megnevezésben a teljes, bruttó felületet tüntetik fel. Ez igazából csak azt adja meg, hogy a kollektor mekkora helyet foglal el. A hőtechnikailag hasznos felület jellemzésére két érték használatos: az abszorber felület és a szabad üvegfelület. Régebben a kollektorok hatásfokát az abszorber felületre számítva adták meg, ma azonban már inkább a szabad üvegfelületet veszik figyelembe. A különböző felületek számítását sík-, és egyféle vákuumcsöves kollektor esetén a 8. és 9. ábra szemlélteti.
 |  |
| 8. ábra Síkkollektor felületei | 9. ábra Vákuumcsöves napkollektor felületei |
A hasznos kollektor felület tisztázása után meg kell próbálni kideríteni azt is, hogy "mennyire jó" a kiszemelt napkollektor. Ez sem egyszerű feladat! Célszerű gyanútlanságot színlelve feltenni a következő kérdést: mekkora a kollektor teljesítménye? Ha erre a kérdésre határozott válaszként egy egyszerű számot kapunk (pl. 1500 W), akkor biztosak lehetünk benne, hogy a válaszadónak fogalma sincs a napkollektorok működéséről. Vagy mégis van, de az egyszerűbb utat választva megpróbálja félrevezetni az érdeklődőt (ez a rosszabbik eset). A kollektoroknak ugyanis nincs egyértelműen meghatározott teljesítménye. A pillanatnyi teljesítmény a körülményektől függ: elsősorban a napsugárzás nagyságától, aztán a külső hőmérséklettől, a kollektor hőmérsékletétől, a szélsebességtől és még számtalan apró körülménytől. Definiálható ugyan olyan üzemállapot, ahol értelmezhető a maximális teljesítmény: pl. a napsugárzás merőleges a napkollektor felületére, értéke 1000 W/m2, és a kollektorok hőmérséklete megegyezik a környezeti levegő hőmérsékletével. Ha azonban ilyen - a valóságban szinte soha elő nem forduló - optimális körülmények esetére adják meg a kollektorok teljesítményét, akkor az félrevezető lehet. Valóságos körülmények esetén a kollektorok átlagos teljesítménye a maximális értéknek csak kb. 50-60%-a.
A teljesítmény helyett hasznosabb megtudakolni a napkollektor hatásfokát. A teljesítményhez hasonlóan azonban ez sem jellemezhető egy számmal. Teljes képet csak akkor alkothatunk, ha megismerjük a napkollektorra vonatkozó - egy független napkollektor vizsgáló intézet által hitelesített - hatásfok görbét. A hatásfok megadásának módja szabványosítva van, ezért a kollektorok ez alapján jól összehasonlíthatók. Példaként a 10. és 11. ábrán ismertetünk néhány vákuumcsöves, és síkkollektor hatásfok görbét. Az adatok a svájci SPF (Solartechnik Prüfung Forschung) intézet 2004-es kiadású információs CD-jéről származnak. Ami első látásra is feltűnő: a különböző vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka igen nagy szórást mutat, míg a síkkollektorok viszonylag azonos hatásfokkal rendelkeznek. Az tehát, ha valamely cég vákuumcsöves kollektort kínál, még önmagában nem garancia a magas hatásfokra.
10. ábra
Vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka
11. ábra
Síkkollektorok hatásfoka
A hatásfok grafikonokba vastag piros vonallal berajzoltuk a leggyakoribb jellemző értéket is. Ebből látható, hogy a vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka kevésbé meredeken csökken, mint a síkkollektoroké. Ez azt jelenti, hogy a vákuumos kollektorok hatásfoka magasabb akkor, amikor a kollektor és a környezeti levegő hőmérséklete között nagyobb a hőmérséklet különbség (tehát pl. télen). Ez természetes, hiszen ekkor jelentkezik a vákuum okozta jobb hőszigetelés előnye.
A hatásfok mellett azonban nem elhanyagolható körülmény a napkollektorok ára sem. Valószínűleg nem célszerű megvásárolni a világ legmagasabb hatásfokú kollektorát akkor, ha az háromszor annyiba kerül, mint egy jó, átlagos minőségű kollektor. Ma a vákuumos kollektorok ára minimum a duplája a síkkollektorokénak. Ezt a hátrányt nem tudják behozni egész élettartamuk során sem. Tehát, ha a gazdaságosság, az adott befektetéssel hasznosítható napenergia mennyisége számít, akkor a vákuumcsöves napkollektorok ma még nem tudnak versenyezni a jó minőségű síkkollektorokkal.
A kollektorok kiválasztásánál természetesen fontos szempont az is, hogy mire használják majd azokat. Más-más követelményeket támaszt egy szabadtéri medence nyári fűtése, az egész éves használati-melegvíz készítés, vagy a téli fűtésrásegítés.
Az egyes napkollektor forgalmazóktól gyakran hallani, hogy az ő általuk kínált napkollektor akkor is működik, ha teljesen borult az idő, a Napot egyáltalán nem látni. Ebből annyi igaz, hogy a jó minőségű kollektorok a gyenge, szórt napsugárzást is képesek hasznosítani. De ne feledjük, hogy a kollektorok csak az érkező napsugárzást tudják hőenergiává alakítani. Ha ez nagyon alacsony, akkor a hiba nem a kollektorban van, hanem az időjárásban, és ezen a legjobb minőségű napkollektorral sem lehet segíteni.
Végezetül a napkollektor kiválasztásánál fontos szempont kell hogy legyen a garancia, és gyártó, forgalmazó cég megbízhatósága. Ma a kollektorokra általában 10 év garanciát szokás adni. Lényeges az is, hogy a kollektorokhoz be lehessen szerezni a különböző tetőszerkezetekre történő felszereléshez szükséges, időjárásálló és esztétikus tartószerkezeteket. És az sem árt, ha a forgalmazó cég a napkollektorokon kívül teljes rendszert tud kínálni, mert így egy helyről beszerezhető minden berendezés, ezzel pedig elkerülhető az esetleges meghibásodás esetén a különböző szállító cégek egymásra mutogató felelősség elhárítása.
Forrás: Naplopó Kft.
Napkollektoros rendszerek primer körének kialakítása
A napkollektoros rendszerek alapvető működési elve, hogy a napkollektorokkal előállított hőenergiát el kell vezetni a napkollektorokból többnyire egy tárolóba. Ehhez különféle működtető, biztonsági, és egyéb szerelvényekkel ellátott csővezeték rendszert kell kiépíteni a napkollektorok és a tároló tartály között. Ezt a zárt kört nevezzük a napkollektoros rendszerekben primer, vagy napkollektor körnek.
A napkollektor kör konkrét kialakítása természetesen függ a megvalósítani szándékozott rendszer típusától. Magyarországon a leggyakrabban alkalmazott napkollektoros rendszer jellemzője, hogy szivattyús keringetésű, zárt, nyomás alatti, kétkörös, és fagyálló folyadékkal kerül feltöltésre. Egy ilyen rendszer kialakítása látható az 1. ábrán.
Az ábra szerinti kapcsolás legfontosabb alkotóelemei:
- Napkollektorok
- Hőszigetelt csővezeték rendszer
- Szivattyú
- Biztonsági szerelvények (biztonsági szelep, nyomásmérő, tágulási tartály)
- Mérő, szabályozó és elzáró szerelvények (hőmérők, visszacsapó szelep, térfogatáram mérő, töltő-ürítő csapok stb.)
- Légtelenítő elemek
- Váltószelepek
- Hőcserélő
- Fagyálló hőátadó közeg
1. ábra
Napkollektoros rendszer primer köri szerelvényei
Követelmények a primer körben alkalmazható szerelvényekkel szemben
Magas hőmérséklet. A legfontosabb követelmény a primer köri szerelvényekkel szemben a hőmérséklet állóság. A napkollektorokban ugyanis derült időjárás és üresjárat esetén (ha nincs keringés a kollektor körben) nagyon magas hőmérséklet alakulhat ki. Síkkollektoroknál ez megközelítheti a 200°C-ot, míg vákuumcsöves napkollektoroknál előfordulhat akár 250-300°C is. Ez a magas hőmérséklet csak a napkollektorokon belül alakulhat ki, de üresjárat utáni indulásnál rövid ideig a teljes napkollektor kör hőmérséklete rendkívül magas lehet. Az előremenő ág ilyenkor jellemzően 140-160°C-os, míg a hőcserélő utáni visszatérő ág hőmérséklete 100-120°C. A primer körben alkalmazott anyagokkal, szerelvényekkel szemben támasztott követelmény tehát az, hogy károsodás nélkül elviseljék ezeket a magas hőmérsékleteket. A legfontosabb szabály, ami ebből következik, hogy a napkollektor körben nem szabad műanyag anyagú (vagy ún. ötrétegű) csővezetéket használni, valamint a hőszigetelésnek is fokozottan hőállónak kell lennie. A másik fontos következmény, hogy lehetőleg minden berendezést és szerelvényt a hideg ágba építsünk be.
Magas nyomás. A napkollektoros rendszerekben nem csak a hőmérséklet, de a nyomás is többnyire magasabb, mint pl. a hagyományos fűtési rendszerekben. Az alkalmazott biztonsági szelep többnyire 6, vagy 10 bar nyitónyomású. Ügyeljünk tehát arra, hogy minden beépíteni szándékozott berendezés megengedett maximális nyomása magasabb legyen, mint a biztonsági szelep nyitónyomása. Különösen figyeljünk a tágulási tartály kiválasztására, mert a szokásos fűtési tágulási tartályok megengedett nyomása általában nem éri el a 6 bar értéket.
Fagyálló folyadék. Napkollektoros rendszerekben általában monopropilén-glikol fagyálló folyadékot alkalmaznak. Ez környezetbarát, nem mérgező, és nem agresszív folyadék. Ezért rendszerint nem károsítja a beépített anyagokat, sőt, mivel korróziógátló adalékokat is tartalmaz, még védi is a csővezetéket és az egyéb fém anyagokat a korróziótól. A tömítéseknél, egyéb gumi, vagy műanyag elemeknél (pl. tágulási tartály gumimembránja, golyóscsapok tömítése… stb.) azonban ellenőrizzük, hogy gyártó szerint alkalmazható-e az adott termék fagyállóval töltött rendszerben.
Mit hová építsünk be?
Mint minden rendszerben, így a napkollektoros rendszerekben is legfontosabb a biztonsági szerelvények helyes beépítése. Ügyeljünk arra, hogy a hőtermelő berendezés itt a napkollektor, ezért a biztonsági szelepet és a tágulási tartályt a napkollektoroktól nem kizárható módon, tehát elzáró szerelvény beépítése nélkül kell beépíteni. Mivel a szivattyút viszont célszerű elzárható módon szerelni (pl. szivattyú golyóscsapokkal), ezért ebből következik, hogy a biztonsági szerelvények a napkollektorok és a szivattyú közé, a szivattyú nyomó ágába kerülnek. A szivattyú elindulásakor ezért a nyomás nem változik a tágulási tartályt tartalmazó nyomó ágban, hanem a szívó ágban csökken a szivattyú munkapontjának megfelelően. Ez azonban nem jelent problémát, hiszen az üzemi nyomás többnyire 3-4 bar, míg a szivattyú munkaponti emelőmagassága jellemzően csak 0,2-0,4 bar.
Másik fontos szabály, amiről már a magas hőmérséklet támasztotta követelmények ismertetésénél szóltunk, hogy a berendezéseket, szerelvényeket lehetőleg a hideg ágba kell beépíteni. Az 1. ábrát megvizsgálva látható, hogy szinte minden a kollektor kör visszatérő ágába került. Itt van a szivattyú, a tágulási tartály, a biztonsági szelep, a váltószelep, a térfogatáram szabályozó, és a töltő-ürítő szelepcsoport is. Ennek nyilvánvaló oka az, hogy itt alacsonyabb a hőmérséklet, mint az előremenő ágban. A szerelvények maximális megengedett hőmérséklete többnyire csak 90-110°C, a tapasztalat azonban az, hogy ezek rövid ideig képesek károsodás nélkül elviselni ennél kis mértékben magasabb hőmérsékletet is. Ha viszont a meleg ágba kerülnek beépítésre, akkor az üresjárati indulás után előforduló 140-160°C-os hőmérséklet nagy valószínűséggel idő előtt tönkreteszi ezeket.
A tágulási tartály beépítésénél ügyeljünk arra is, hogy a tartályt „lógatva”, a vezetéket föntről lefelé vezetve, a 2. ábra szerint kialakítva kössük be. Ez azzal az előnnyel jár, hogy a kollektor köri vezetékben lévő forró folyadék nem fog gravitációsan feláramlani a tartályba, és így nem károsítja a gumimembránt.
2.ábra
Tágulási tartály helyes beépítése napkollektoros rendszerben
Szoláris szerelési egységek
Manapság a napkollektor köri szivattyút és az egyéb szükséges szerelvények többségét előre gyártott, kompakt, hőszigetelt egységben szokás alkalmazni. Ezeket az egységeket nevezik a gyártók németből tükörfordítás alapján „szolár állomásnak”. E cikk írója szerint azonban helyesebb a „szoláris szerelési egység”, esetleg „szolár hidraulikai blokk” megnevezés használata. Ilyen egységre látható példa a 3. ábrán.
3. ábra
Szoláris szerelési egység
A szoláris szerelési egységek minden esetben tartalmazzák a keringető szivattyút, a szivattyú előtt és után egy-egy elzáró szerelvényt, a biztonsági szelepet, a nyomásmérőt, csatlakozó csonkot a tágulási tartály felé, hőmérőt az előremenő és visszatérő ágban, és többnyire visszacsapó szelepet a szivattyús ágban. Gyakran része a szoláris szerelési egységnek egy mechanikus térfogatáram mérő és egy ezzel együtt beépített töltő-ürítő szelepcsoport is. A közvetlenül egy elzáró szerelvény elé és után beépített töltő és ürítő csapok nagyban megkönnyítik a napkollektor kör feltöltését, átmosatását és kilégtelenítését. Megfelelően nagy térfogatáramú és emelőmagasságú töltőszivattyút alkalmazva ugyanis kellő idejű átmosatással (kb. 10-15 perc) a napkollektor kör kilégteleníthető, anélkül, hogy fel kellene mászni a tetőre, és kinyitni a kézi légtelenítő csapot a kollektorok magas pontján.
A légtelenítést segítheti még a szoláris egység meleg ágába beépített légtelenítő edény. Ez egy viszonylag nagy keresztmetszetű, speciális beömlésű edény, ahol az áramlási sebesség lelassul, így a folyadék által magával ragadott apró légbuborékok az edény tetején össze tudnak gyűlni. Onnan pedig a kézi légtelenítő csap kinyitásával eltávolítható az összegyűjtött levegő.
Fontos megfigyelni, hogy a szoláris egységekben a korábban leírtak szerint a szivattyú, és minden biztonsági és szabályozó szerelvény a hideg ágba kerül beépítésre. A biztonsági szelep és a tágulási tartály csatlakozás pedig a kollektoroktól nem kizárható módon, a szivattyú fölötti ágban található.
A szoláris egységeknek szintén tartozéka lehet még a tágulási tartály tartó fali konzol, valamint tartály bekötéséhez megfelelő hosszúságú rozsdamentes, hajlítható bordáscső, és egy speciális tágulási tartály csatlakozó szerelvény. Ez utóbbi nem más, mint egy szétcsavarható kettős visszacsapó szelep, ami összecsavart állapotában mindkét irányban nyitott, szétcsavart állapotában viszont lezár mind a rendszer, mind a tartály irányába. Ezzel lehetővé teszi a tágulási tartály ellenőrzését és esetleges cseréjét a rendszer leürítése nélkül. A tágulási tartály vezetékébe ugyanis – amint arról már volt szó - nem szabad elzáró szerelvényt beépíteni, hiszen annak véletlenszerű elzárása a tágulási tartály kizárását, és így felmelegedés esetén a biztonsági szelep lefújását eredményezheti. A speciális tágulási tartály csatlakozót viszont nem lehet véletlenül elzárni, de szükség esetén annak szétcsavarásával a tágulási tartály mégis leszerelhető.
A kollektor köri térfogatáram beállítása
A napkollektor köri térfogatáram beállítását és ellenőrzését megkönnyíti, ha a szoláris szerelési egység részeként, vagy különálló szerelvényként beépítenek egy mechanikus térfogatáram mérőt, ún. rotamétert is. A kívánt térfogatáram a rotaméterrel együtt beépített szabályozó szelep fojtásával állítható be. Bár ez többnyire csak golyóscsap, ami elméletileg nem alkalmas pontosabb szabályozásra, a gyakorlat mégis azt mutatja, hogy ennek a segítségével kellő pontossággal beállítható a kívánt térfogatáram. Természetesen a szivattyú által biztosított térfogatáramot a fojtással csak csökkenteni tudjuk. Erre azonban szinte minden esetben szükség van, mivel a szivattyúk névleges térfogatárama - főleg kisebb rendszereknél – általában lényegesen magasabb, mint a megkívánt érték. Ezért a rendszer hidraulikai ellenállása és a szivattyú jelleggörbéje által meghatározott munkapontot fojtással kell eltolni a kívánt kisebb térfogatáram felé. Ettől nem kell félni, a szivattyúnak ez nem árt, a teljesítményfelvétele és így az áramfogyasztása ettől csak csökkenni fog.
Légtelenítés
A kollektor körből a feltöltéskor bennmaradó levegőt és az első felfűtések során kiváló oxigént el kell távolítani, ezért légtelenítő elemeket kell beépíteni. Az általánosan alkalmazott gyakorlattal szemben fontos szabály, hogy a legmagasabb pontra, a kollektorok kilépő csonkjára tilos automata légtelenítőt beépíteni. Még ún. szolár kivitelt sem. Ez ugyanis nem csak a levegőt, hanem az üresjárat esetén előforduló gőzt is kiengedi, ami tulajdonképpen a fagyálló folyadék elengedését, a kollektor köri nyomás leesését eredményezi. Ezért a legfelső ponton csak fémes zárású kézi légtelenítőt alkalmazzunk, amit csak a feltöltés közbeni légtelenítésre használjunk, és utána zárjunk el. Ha pedig biztosak akarunk lenni a légtelenítés hatékonyságában, akkor még építsünk be a rendszer meleg ágába megfelelően hőálló „solar” kivitelű légtelenítő edényt, vagy ún. abszorpciós légtelenítőt. Ezek alkalmasak a még bennmaradó apró mikrobuborékok kiválasztására is. Azonban fontos, hogy ezek tetején lévő automata légtelenítő szelepet se hagyjuk nyitva, mert akkor itt is el tudnának távozni az üresjárat során keletkező gőzbuborékok. Valamennyi légtelenítő elemet csak az első felfűtések során nyissunk ki, utána stabilan zárjuk el ezeket.
Tágulási tartály és a hőcserélő
A napkollektor kör talán legfontosabb két berendezése (persze a napkollektorokon kívül) a tágulási tartály és a hőcserélő. Ezek kiválasztása, beépítése és helyes beállítása nagy mértékben befolyásolja a hasznosítható napenergia mennyiségét. Ezért erről a két berendezésről a napenergia tudástár következő írásaiban részletesen fogunk szólni.
Forrás: Naplopó Kft.
A napkollektorokkal hasznosítható napenergia mennyisége
Mekkora részarányát tudjuk napsugárzásnak napkollektorok segítségével hasznosítani, vagyis a Napból érkező elektromágneses sugárzást milyen részarányban tudjuk átalakítani közvetlenül felhasználható hőenergiává? A kérdés megválaszolása a gyakorlatban a napkollektorok, illetve a napkollektoros rendszerek hatásfokának a meghatározását jelenti.
A napkollektorok működése
A napsugárzást a különböző tárgyak anyaguktól, kialakításuktól függő részarányban visszaverik, elnyelik, vagy átengedik. Hő akkor keletkezik, ha a napsugárzást az anyag elnyeli. Ezért természetesen egy napkollektor esetén a legfontosabb cél a napsugárzás minél nagyobb részarányú elnyelése. A napkollektorok legelterjedtebb típusa a síkkollektor, ami egy elől üvegezett, hátul hőszigetelt lapos dobozban elhelyezett csőjáratos fekete lemez. Felépítése és működése az 1. ábrán látható.
1. ábra
A napkollektor felépítése és energiamérlege
Nézzük a napkollektor működését és energiamérlegét az 1. ábra alapján. A napsugárzás elérkezik a kollektort borító üvegfedéshez, ahol sajnos annak egy része visszaverődik, egy része pedig elnyelődik, de szerencsére 90% körüli részarány sikeresen veszi az első akadályt, és áthaladva az üvegen eljut a belső elnyelőlemez (abszorber) felületére. Ennek a felületéről szintén visszaverődik a sugárzás egy része, de végül 80-82%-át sikerül elnyelni, ami maradéktalanul hővé alakul, így az abszorber lemez felmelegszik. Ezzel viszont kezdetét veszi a következő probléma, hiszen ha a kollektor belső hőmérséklete magasabb lesz, mint a környező levegő hőmérséklete, akkor a szokásos rafinált módokon (hővezetés, hősugárzás és konvekció) veszteséget jelentő hőáramok indulnak meg a kollektorból a környezet felé. Ezek mértéke annál nagyobb, minél nagyobb a hőmérséklet különbség a kollektor és a környezet között. Átlagos állapotot figyelembe véve a hőveszteségek mértéke 20-25%, így végső soron a napkollektor felületére érkező napsugárzás teljesítményének 60% körüli részarányát tudjuk hasznosított hőteljesítményként elvezetni a kollektorban keringtetett folyadékkal.
Fentiek alapján a kollektorok veszteségei két részre oszthatók:
- Optikai veszteségek (ezek nem függnek a hőmérséklet viszonyoktól):
- Az üvegborítás visszaverése és elnyelése,
- Az abszorber lemez visszaverése,
- Hőveszteségek (ezek arányosak a kollektor és a környezet közötti hőmérséklet-különbséggel):
- Az abszorber lemez sugárzási vesztesége,
- A kollektor házban lévő levegő áramlása miatt létrejövő konvektív hőveszteség,
- A kollektor ház hőszigetelésén hővezetéssel létrejövő hőveszteség.
A különböző veszteségek egyben iránymutatásként is szolgálhatnak, hogy milyen módon építsünk jó napkollektort:
- Használjunk minél nagyobb fényáteresztő képességű, tehát jó minőségű, tiszta (alacsony vastartalmú), esetleg a külső felületén strukturált, ún. antireflexiós, vagy öntisztulást okozó üvegfedést.
- Az abszorber lemez felületére vigyünk fel szelektív bevonatot, ami jól elnyeli a napsugárzást, ugyanakkor meggátolja a visszasugárzást.
- Szigeteljük gondosan a kollektor házat, esetleg az abszorber lemezt helyezzük vákuum térbe.
- Az abszorber lemezre megfelelő sűrűséggel, és megfelelő módon erősítsük rá a csőkígyót, hogy a benne keringtetett folyadék minél jobban felvehesse az abszorber hőmérsékletét.
Ha mindezekkel megvagyunk, akkor nincs más dolgunk, mint fogni a napkollektorunkat és elvinni egy megfelelő tanúsítással rendelkező vizsgáló intézetbe, ahol majd mechanikai és hőtechnikai vizsgálatoknak fogják azt alávetni. Ezek eredményeként pedig jó esetben kapunk egy tanúsítványt arról, hogy a kollektorunk megfelel a rá vonatkozó követelményeknek, és ha a hőtechnikai vizsgálatot is kértük, akkor legfontosabb dokumentumként megkapjuk a napkollektorunk méréssel megállapított hatásfok görbéjét is.
A napkollektorok hatásfokának megadása
Hőtermelő berendezések esetében a hatásfok a hasznosított és a bevitt hőmennyiség arányát fejezi ki. Hagyományos hőtermelő berendezések esetében, a bevitt hőmennyiséget a tüzelőanyag mennyisége és fűtőértéke határozza meg. A napkollektorok „tüzelőanyaga” a Nap elektromágneses sugárzása. Ezért napkollektorok esetében a hatásfok a kollektorral hasznosított hőenergia és a napkollektorok felületére érkező napsugárzás teljesítményének az arányát fejezi ki.
A képletben:
- QH: a napkollektor által leadott, hasznos hőteljesítmény, [W/m2]
- G: a napkollektor felületére érkező napsugárzás, [W/m2]
Egy napkollektor hasznos hőteljesítményét és így a hatásfokát is jelentősen befolyásolják a pillanatnyi hőmérséklet és napsugárzási viszonyok. Az 1. ábra is csak egy pillanatnyi állapotot mutat. Ha megváltozik a külső hőmérséklet, vagy a napsugárzás erőssége, akkor a kollektorok hatásfoka is módosul. Vagyis a hatásfokot nem lehet egy számmal kifejezni, mert az állandóan változik egy maximális érték és a nulla között. Ezért a kollektorok hatásfokát egzaktul csak grafikonnal, vagy matematikai egyenlettel lehet megadni. A hatásfok megadásának szabványos képlete:
η = η0 - k1·X - k2·G·X2
ahol:
- η0: a kollektor optikai hatásfoka,
- k1: az elsőfokú hőveszteségi együttható,
- k2: a másodfokú hőveszteségi együttható,
- X: a hatásfok független változója: X = (tkoll – tlev)/G [(K·m2 )/ W],
- tkoll: kollektor közepes hőmérséklete tkoll= (tki + tbe)/2,
- tki: a kollektorból kilépő hőhordozó közeg hőmérséklete,
- tbe: a kollektorba belépő hőhordozó közeg hőmérséklete,
- tlev: a környezeti levegő hőmérséklete,
- G: a kollektor felületére érkező globális napsugárzás [W/m2]
Egy jellemző szelektív síkkollektor hatásfokgörbéje a 2. ábrán látható.
2. ábra
Napkollektorok hatásfok görbéje
A hatásfok görbéjéből látható, hogy a kollektorok hatásfoka akkor a maximális, ha a független változó, X értéke nulla. Ez pedig csak akkor lehet, ha X képletében a számláló értéke nulla, vagyis a kollektorok hőmérséklete éppen megegyezik a környezeti levegő hőmérsékletével. Ezt a pontot nevezik optikai hatásfoknak, mivel itt nincs hőveszteség, a veszteségek csak optikai jellegűek, az üvegfedés fényáteresztő képességétől és az elnyelőlemez napsugárzás-elnyelő képességétől függenek. Ezt a magas optikai hatásfokot szokták tévesen megadni a kollektorok hatásfokaként. Gondoljuk csak meg, mikor fordulhat elő ez az üzemállapot? A levegő hőmérséklete még nyáron is csak többnyire 20-30°C, a kollektorok hőmérséklete pedig csak akkor lehet ugyanennyi, ha maximum 10-20°C-os vizet fűtenek. Természetesen lehet ilyen üzemmód nyáron, a hálózati hidegvíz előmelegítésekor, vagy medencék fűtésekor, de általában nem ez a jellemző. Ezért félrevezető, ha a kollektorok hatásfokaként a maximális, optikai hatásfokot adják meg.
A kollektorok hatásfoka a fenti képlet szerint egyértelműen meghatározható, ha megadják η0, k1, és k2 értékét. Ez a megadási mód lehetővé teszi különböző kollektorok összehasonlítását. Hangsúlyosan azt is mondhatnánk, hogy csak ez teszi lehetővé az egyes kollektorok egzakt összemérését. Vagyis, ha valaki meg akar győződni egy napkollektor minőségéről, akkor nincs más dolga, mint elkérni a forgalmazótól a kollektorra vonatkozó, független, akkreditált vizsgáló intézet által kimért hatásfokgörbét. Más adat, például a kollektorok teljesítményének feltüntetése nem alkalmas az összehasonlításra. A kollektorok teljesítménye ugyanúgy, mint a hatásfok pillanatról-pillanatra változik. Értéke nem csak a kollektorok jóságától, hanem a napsugárzás erősségétől és a hőmérséklet viszonyoktól is függ. Ha a maximális teljesítményt adnánk meg, pl. 1000W/m2 napsugárzásra és X=0 értékre vonatkoztatva, akkor az ugyanúgy félrevezető lenne, mint az optikai hatásfok megadása hatásfokként.
Ha a kollektorok hatásfokát mindenképpen egy számmal szeretnénk jellemezni, akkor erre a legalkalmasabb az un. „jellemző hatásfok” lehet. Jellemző hatásfoknak a hatásfok X=0,05 értéknél mérhető nagyságát nevezik. Azért nevezik jellemző hatásfoknak, mert az ebben a pontban lévő üzemállapot viszonylag jól jellemzi a kollektorok leggyakoribb üzemmódját. Pl. X értéke akkor 0,05 ha a kollektor hőmérséklete 60°C, a levegő hőmérséklete 20°C, a napsugárzás értéke pedig 800W/m2. A jó minőségű kollektorok jellemző hatásfoka általában 60% körüli értékű.
A kollektorok hatásfokának összehasonlításánál fontos azt is tisztázni, hogy a hatásfokot a kollektorok milyen felületére adták meg. A hatásfok definíciójában ugyanis az szerepel, hogy az a hasznosított hőmennyiség és a kollektorok felületére érkező napsugárzás arányát fejezi ki. De a kollektorok milyen felületére kell számítani a napsugárzást? Kollektoroknál általában három felületet különböztetnek meg: bruttó (teljes), abszorber és szabad üvegfelületet. Ezek arányát síkkollektor és vákuumcsöves kollektor esetén a 3. ábra szemlélteti. Régebben a kollektorok hatásfokát általában az abszorberfelületre vonatkoztatva adták meg, jelenleg azonban már a szabad üvegfelületet veszi figyelembe. Szabad üvegfelületnek annak a felületnek a vetületét nevezik, amelyen keresztül a napsugárzás be tud jutni a kollektor belsejébe.
3. ábra
Napkollektorok felületei
Az eddig ismertetettek alapján láthattuk, hogy a kollektorok pillanatnyi hatásfoka üzemállapottól függően nulla, és egy maximális, általában 80% körüli érték között mozog. A jellemző hatásfok megmutatta azt is, hogy egy derült napon, átlagos hőmérsékletviszonyok esetén a kollektorok hatásfoka 60% körüli érték. De vajon mekkora egy napkollektoros rendszer éves hatásfoka? Erre a kérdésre még nehezebb válaszolni, mert az éves hatásfok nem csak a kollektorok, hanem az egyéb alkotóelemek és a kivitelezés minőségétől is függ. Jentősen befolyásolja a hatásfokot a napkollektoros rendszer kihasználtsága is. Túlméretezett, magas szoláris részarányra törekvő rendszernél nyáron gyakran áll elő üresjárat, ami az éves hatásfokot csökkenti. Ugyanakkor alulméretezett rendszernél mindig biztosított a kollektorokkal hasznosított napenergia felhasználása, ezért magas éves hatásfok érhető el. A szoláris részarány és az éves hatásfok összefüggése a 4. ábrán látható.
4. ábra
Éves szoláris részarány és rendszerhatásfok összefüggése
Magyarország meteorológiai adottságai mellett átlagos használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszert alapul véve reálisan elérhető éves 55-65%-os szoláris részarány. Ekkor a kollektoros rendszer éves hatásfoka 35-40%. Vagyis a napkollektorok az érkező napsugárzás 35-40%-át hasznosítani tudják. Hazánkban 1 m2 déli tájolású és 45° körüli dőlésszögű felületre a tudástás napsugárzásról szóló cikke szerint megközelítőleg 1370 kWh energia érkezik a Napból. Az éves hatásfok figyelembevételével kollektorokkal ebből átlagos esetben 550 kWh/m2, jobb kihasználtság esetén pedig akár 600-650 kWh/m2 is előállítható.
Az érkező és a hasznosítható napsugárzás átlagos napi mennyisége havi bontásban az 5. ábrán látható. 1 m2 megközelítőleg déli tájolású és 45° körüli dőlésű felületre a nyári hónapokban naponta több mint 5 kWh hőmennyiség érkezik, és ebből napkollektorokkal 2-3 kWh hőmennyiséget tudunk hasznosítani. Vagyis – hogy kézzelfoghatóbb legyen ez az adat - 1 m2 napkollektorral nyáron napi 50-60 liter vizet tudunk felmelegíteni 50°C-ra. De látható az ábrából az is, hogy a jó minőségű napkollektoros rendszerek nem csak nyáron, hanem – bár természetesen kisebb mértékben - a téli félévben is alkalmasak hőtermelésre. Bár decemberben és januárban a hasznosítható napenergia viszonylag kevés, március-áprilisban, illetve szeptember-októberben már 1,5-2 kWh/m2 hőmennyiséget tudunk napkollektorral előállítani.
5. ábra
Érkező és hasznosítható napsugárzás Magyarországon,
déli tájolású és 45°-os dőlésszögű felületen
Forrás: Naplopó Kft.