SZOÁR REDSZEREK TERVEZÉSI SEGÉDET ÉS termék katalógus
Tartalomjegyzék TERVEZÉSI SEGÉDET Bevezető...4 A napkollektoros berendezések típusai...8 Működési alapelvek... 10 Síkkollektor működése... 13 Szolár tárolók... 17 Szolár rendszerek további elemei...20 Méretezés...29 Telepítés...45 Beüzemelés és karbantartás... 53 Hibák és lehetséges okaik... 57 TERMÉK KATAÓGUS Kairos CF 2.0 apkollektor... 59 Kairos XP 2.5-1 V apkollektor...64 Kairos XP 2.5-1 H apkollektor... 67 Elios 25 szolár vezérlő...78 SESYS rendszer vezérlő...83 Friss víz állomás...85 Digitális szolár hidroblokk...88 Hidroblokk 25-65 szivattyúval... 91 Kaszkád hidroblokk 25-65 szivattyúval... 92 Hidroblokk 25-120 szivattyúval... 93 Tágulási tartály...94 Fagyálló folyadék...95 Termosztatikus keverőszelep...96 Három utas motoros váltószelep...96 emezes hőcserélő szolárhoz...... 97 Csőköteges hőcserélő medencékhez...98 Kairos MACC CD1 - CD2...99 Kairos EXTRA CD2...105 Kairos COMBI...... 110 BCH...... 116 BC1S... 118 BC2S...120 CD2 F......122 CK1...124 3
Bevezető A FÉY MIT EEKTROMÁGESES SUGÁRZÁS Az elektromágneses hullám egyenes vonalban terjed, vákuumban másodpercenként 300.000 km sebességgel. A mechanikai hullámoktól mint például a rezgések eltérően haladásához nincs szüksége közvetítő közegre (folyadék, gáz, szilárd anyag), ezáltal légüres térben is képes haladni. Ha egy adott pillanatban lefotózunk egy elektromágneses hullámszakaszt, sinus hullámú haladást láthatunk, ahol az elektromágneses mező kiugró csúcsai a térben váltakoznak. A legnagyobb eltérést az egyensúlyi állapothoz képest amplitúdónak nevezzük, amit A-val jelölünk, a csúcsok közötti távolságot pedig hullámhossznak, aminek a jele λ. A főbb kölcsönhatásoknak két típusa van: Elnyelés Az atmoszféra néhány nagyobb részecskéje (a napsugarak hullámhosszához képest) teljesen elnyelheti a beeső napsugarakat, csökkentheti a sugárzás erősségét. E folyamat során ezeknek a részecskéknek a belső energiája és azzal együtt a hőmérséklete is megnő, hosszú hullámú sugárzási forrássá válnak, és részben ezek a sugarak is eljutnak a földfelszínre, a napsugarakkal együtt. Szórás Más, kisebb méretű részecskék (mint például a levegő molekulái) a sugárnyaláb irányát módosítják, azaz szétszórják a fényt, és diffúz rövidhullámú sugárzást gerjesztenek, amely az egész égboltozatról árad ránk. GOBÁIS SUGÁRZÁS ÉS A SUGÁRZÁS ÖSSZETEVŐI Mint eddig is láthattuk, a napsugárzás, amely a kollektoros rendszerhez eljut, több részből áll, amelyeket az alábbi ábrán szemléltetjük: közvetlen, a napból irányváltoztatás nélkül érkező sugárzás; A hullámhosszokat csoportokba soroljuk, s ezen csoportosítás adja meg az elektromágneses spektrumot, amely a gamma sugaraktól (λ = pikométer) a rádióhullámokig (λ = kilométer). Középen, a 400 és 800 nanométeres tartományban található sugarakat nevezzük látható fénynek. A napsugárzás (vagy helytelenül fény) különböző hullámhosszú és amplitúdójú elektromágneses hullámok kötegéből áll, mely adott mennyiségű E energiát visz magával. A ap világűrben haladó fényében eltérő mennyiségben és intenzitással (W/m2), de jelen van az elektromágneses spektrum összes frekvenciája. szórt, az egész égboltról érkező sugárzás; visszavert, a környező talajról érkező sugárzás. A APSUGÁRZÁS ÉS AZ ATMOSZFÉRA KÖCSÖHATÁSA A napsugárzás áthalad az atmoszférán, útja során pedig változik az intenzitása és az iránya, mivel kölcsönhatásba lép az atmoszférát alkotó anyagokkal. Az atmoszféra kölcsönhatása szelektív, mivel bizonyos hullámhosszú sugarakat jobban elnyel, vagy eltérít, míg más hullámhosszúakat kevésbé. szórt 4 5
APEERGIA API VÁTOZÉKOYSÁG AAPEV JEEMZŐ FEHASZÁÁSI KÖRÖK A ap az emberi élet szempontjából kifogyhatatlan energiaforrás: a Földtől 150 millió kilométerre lévő fúziós reaktor, elektromágneses sugárzása Földünket 1367 W/m2 fajlagos teljesítménnyel éri el az atmoszféra határán. Az 1 m2 vízszintes felületre jutó fajlagos teljesítmény a szélességi fok és az adott évszak függvénye. Ezen kívül a pillanatnyi teljesítmény is folyamatosan változik a napszaktól és a meteorológia viszonyoktól függően. Földrajzi eltérések A Föld forgástengelye 23,5 -os szöget zár be a ap körüli keringés tengelyével. Ezt úgy is fogalmazhatnánk, hogy a Föld a ap körüli keringése során imbolyog. A trópusok felé haladva a napsugarak beesési szöge egyre inkább közelít a merőlegeshez, így vékonyabb atmoszférarétegeken kell áthaladniuk. Ennek az az eredménye, hogy az alacsonyabb szélességi körökön a napsugárzás átlagosan nagyobb erejű. Magyarországon például Szeged és yíregyháza összevetése esetén az éves napsugárzás közötti különbség kb 10% (1300- W/m2). Éves változékonyság A Föld egy pontjáról nézve a ap látszólagos pályája, és így a nappalok hossza, vagyis a napsütés elméleti időtartama az év folyamán napról-napra változik. Télen alacsonyabb, nyáron magasabban pályát jár be a ap, és így a napsütés hossza is lényegesen több nyáron, mint télen. Minden pálya két szög alapján határozható meg: az azimut és az emelkedési szög alapján, amelyek időbeli eltéréseket mutatnak. A legmagasabb napállás, amely délben tapasztalható, a két napforduló alkalmával (június 21. és december 21.) és a 2 napéjegyenlőség alkalmával (március 21. és szeptember 21.) viszonylag könnyen kiszámolható. Egy adott települést kiválasztva megfigyelhetjük az ún.szolár teljesítmény kettős változását a nap folyamán: asztrális: a apnak az adott időpontban a horizonton elfoglalt helyétől függ; meteorológiai: a helyi időjárási jelenségektől (például köd) vagy a földrajzi makrojelenségektől (például az atlanti áramlások keltette felhőképződés) függ. 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. A melegvíz tároló biztosítja a termelés és a felhasználás közötti időszak áthidalását. A megtermelt hőenergia felhasználható használati melegvíz előállítására, medence fűtésére, fűtésrásegítésre és ipari mértékű hőtermelő folyamatokhoz is. A különböző kialakításokhoz szükséges tartozékok eltérők lehetnek. yáron a napsugarak a merőlegeshez képest kisebb átlagos beesési szöge azt eredményezi, hogy vékonyabb atmoszféra rétegeken haladnak át és a földfelszínt nagyobb energiával érik el; ezen kívül a ap magasabb állásának köszönhetően a látszólagos pályahossz is nagyobb lesz, tehát emelkedik a napsütéses órák száma. A két hatás együttesen azt eredményezi, hogy a napsütéses órák átlaga közt a nyári és a téli időszakban 400% eltérés is jelentkezhet. 6 7
A napkollektoros berendezések típusai Egy napkollektoros hőtermelő alapberendezés a következő egységekből áll: napkollektor, ami összegyűjti a napsugárzás energiáját melegvíz tároló, ami felhalmozza és tárolja a kollektortól kapott meleget hidraulikai és vezérlőegységek, melyek a kollektor és a tároló közötti kapcsolatot biztosítják. A napkollektor és a melegvíz tároló között a hőátadás egy közvetítő közegen keresztül történik. A folyadék (ami víz és fagyálló keveréke) gravitációs módon, vagy egy szivattyú segítségével is keringhet a rendszerben. Eszerint a napkollektorok két fő típusát különböztetjük meg: a természetes keringésű (gravitációs) és a kényszerkeringetéses (szivattyús) berendezéseket. KÉYSZERKERIGETÉSES REDSZEREK Egy napenergiával működő rendszer esetén nem mindig lehetséges az indirekt tároló kollektorokkal együtt, a kültérben történő elhelyezése. Ezért szükségessé válhat egy keringető berendezés használata, melyet elektronikus szabályzó működtet. A hőmérsékletérzékelők segítségével a szabályzó folyamatosan ellenőrzi a kollektorok és az indirekt tároló hőmérsékletét, és csak akkor indítja be a szivattyút, ha a folyadék hőmérséklete a kollektorokban magasabb. Ennél a rendszernél nincs különösebb jelentősége a tároló és a kollektorok egymáshoz viszonyított helyzetének és egymástól való távolságának. HAGYOMÁYOS KÉYSZERKERIGETÉSES REDSZER Üzembe helyezéskor ennél a kényszerkeringetéses rendszernél teljesen fel kell tölteni a primer keringési kört. A fűtési rendszertől eltérő komponensek szükségesek a magas hőmérséklet és a fagyállóval feltöltött rendszer végett. Az őszi-téli időszakban a kollektorokat, melyekben mindig ott van a hővezető folyadék, meg kell védeni a fagyás következtében fellépő térfogat-növekedés okozta esetleges repedésektől vagy töréstől. Ezért a folyadéknak propilénglikollal kevert víznek kell lennie (a glikol lejjebb viszi a keverék fagyáspontját). EŐYEI: jól működik alacsony emelőmagasságú és állandó fordulatszámú szivattyúval csendes és hatékony elektromos rendszer egyszerű és gazdaságos rendszer semmilyen különösebb korlátozás nincs a berendezés magasságára vonatkozóan HÁTRÁYAI: fagyálló, tágulási tartály és biztonsági egységek kellenek hozzá Előnyei: Hátrányai: a berendezés teljes körű vezérelhetősége nagyobb teljesítmény nagy teljesítményű berendezések beszerelésének lehetősége rugalmas alkalmazás a berendezés csak korlátozott mértékben látható a melegvizes tartályban lévő folyadék kisebb hővesztése és hosszabb élettartam nagyobb befektetést igényel és bonyolultabb házon belül kell elhelyezni (szivattyú és tartály) áramot fogyaszt bonyoltultabb programozás összetettebb épületgépészeti rendszer DRAI BACK KÉYSZERKERIGETÉSES REDSZER Ennél a kényszerkeringetéses rendszernél a primer keringési kör csak részlegesen van feltöltve. Amikor a szivattyú nem működik, akkor a kollektorok- melyek a rendszer legmagasabb pontján vannak elhelyezve- üresek, és az összes folyadék a kazán vagy tároló csőspiráljában van. Amikor a szivattyú működik, akkor a folyadékot felfelé keringeti a kollektorok felé. Azonban a rendszer egyes részein (pl a csőspirálban) a folyadék nem tudja kitölteni a rendelkezésre álló összes teret. Ahhoz, hogy a rendszer jól működjön és biztosított legyen a visszaáramlás pontos méretezésre van szükség. (Magasság, hosszúság, cső átmérő és vonalvezetés stb) ÉRZÉKEŐ ÉRZÉKEŐ EŐYEI: incs fagyálló folyadék*, tágulási tartály és biztonsági csoport. Hatékonyabb hőátadás (a glikol elhagyása* miatt, az ugyanis csökkenti a folyadék hőkapacitását) Alacsony karbantartási költségek. HÁTRÁYAI: Zajos lehet amiatt, hogy a csövekben folyamatosan újratöltődik és leeresztődik a folyadék Az indulásnál két szivattyúra van szükség (vagy egy nagy modulációval rendelkezőre) a folyadék felnyomásához. Korlátozott rendszer magasság (maximum 10-12 méter). A kollektorok (magas hőmérsékletnél) ki vannak téve a száraz stagnálásnak. ÉRZÉKEŐ ÉRZÉKEŐ *A gyakorlatban ezek a rendszerek is fagyállóval vannak feltöltve, mert a leeresztés után kis mennyiségben a kollektorokban lévő víz is fagyási töréseket tud okozni. 8 9
Működési alapelvek A APKOEKTOROS HŐTERMEŐ REDSZEREK MŰKÖDÉSÉEK AAPEVEI efedés Ez egy százalékos arányszám, ami azt mutatja, mennyi energiát kapunk a napkollektoros berendezéstől a teljes szükséges energiamennyiséghez képest egy meghatározott alkalmazásra vonatkoztatva (vagyis a használati melegvíz felmelegítéséhez, a helyiségek vagy medencék felfűtéséhez szükséges fogyasztás). Ahol: EU = a felhasználói ponton hasznosított napenergia E = a felhasználói ponton szükséges összes energia (fogyasztás) Ezt a viszonyszámot különböző időegységekre vonatkoztatva lehet kiszámolni (éves, havi vagy heti alapon), ilyenkor éves, havi vagy heti lefedésről beszélünk. Ha az E havi energiafogyasztás adott, a rendszer lefedettsége akkor nő, ha: növeljük a napkollektorok számát olyan földrajzi területen vagyunk, ahol magasabb a napsütéses órák száma nyár van A havi lefedés tipikus értékei (használati melegvízre vonatkoztatva) Január 20% Július 90% Az éves lefedés tipikus értékei (használati melegvízre vonatkoztatva) 40% és 70% között Az éves lefedés tipikus értékei (használati melegvízre és a helyiségek fűtésére vonatkoztatva) 10% és 25% között EFEDÉS/HATÁSFOK Egy kazán pontosan a szükséges hőmennyiségnek megfelelő energiát biztosít. Ha nincs energiaszükséglet, a kazán kikapcsolt állapotban marad, és ezért nincs értelme zéró fogyasztásnál teljesítményről beszélni. Egy napkollektoros hőtermelő berendezés ezzel szemben akkor is felveszi a napenergiát, ha nincs energiaszükséglet, és a tartályban lévő folyadék már teljesen felmelegedett. Éppen ezért kap értelmet nulla fogyasztás mellett teljesítményről beszélni. Pontosabban, ilyen feltételek mellett minden felesleges napenergia elvész, ugyanúgy, mint amikor egy már teli edénybe öntjük tovább a vizet. Ez az energiapazarlás nyilvánvalóan lenullázza a rendszer pillanatnyi teljesítményét, és lecsökkenti az éves vagy szezonális teljesítmény átlagértékeit is. Az egyik jó tervezési kritérium, hogy ne túlozzuk el a kollektorok számát. A jól megtervezett napkollektoros berendezésnek csak a nyári hónapokban kell az energiaszükséglet 100%-át lefednie. Az év többi részében azzal kell beérni, amit sikerül kinyerni. Ha túlságosan megnöveljük a lefedettséget, az azzal a veszéllyel jár, hogy a rendszer teljesítménye összeomlik, túl nagy berendezést fizetünk, megnöveljük az amortizációs időt, és komolyabb kollektor-túlmelegedési problémáink lesznek nyáron. Gyakran csak a napkollektorok hatékonyságát vesszük figyelembe (ami soha nem tér el 5-10%-nál nagyobb mértékben), elfelejtve, hogy a rossz méretezés (csakúgy, mint a hibás üzembe helyezés vagy a berendezés hibás beszerelése) könnyen okozhatja a rendszer éves teljesítményének 30 százalékpontos csökkenését is. Hatásfok Ez egy százalékos arányszám, amely azt mutatja, hogy mennyi energiát kapunk a napkollektoros berendezéstől a kollektor felületére beérkező összes energiához viszonyítva. Ahol: EU = a felhasználói ponton felhasznált napenergia E1 = a kollektorok felületére beérkező napenergia Ezt a viszonyszámot különböző vízszintes idősíkú egységekre vonatkoztatva lehet kiszámolni (éves, havi vagy heti alapon). Ha az E havi energiafogyasztás adott, a rendszer teljesítménye nő, ha: nagyobb teljesítményű kollektorokat szereltünk be (konstrukciós minőség) csökkentjük a napkollektoros rendszer hőmérsékletét vagy növekszik a kültéri levegő hőmérséklete (a kollektor kisebb veszteséggel üzemel) csökkentjük a továbbítás és a raktározás hőveszteségét (jobb hőszigetelés) csökkentjük a napkollektorok számát, megszüntetve a fel nem használt napenergia miatti pazarlást (alulméretezés) Az éves teljesítmény tipikus értékei (használati melegvízre vonatkoztatva) 30% és 50% között Az éves teljesítmény tipikus értékei (használati melegvízre és a helyiségek fűtésére vonatkoztatva) 20% és 30% között (nyáron, amikor nem kell a helyiségeket tovább fűteni, napenergia-felesleg keletkezik, ami pazarlás, és így csökken a berendezés teljesítménye). Példa a jó méretezésű berendezésre: jó éves lefedettség (60%) a rendszer magas éves hatékonyság a (45%) a berendezés amortizációs ideje minimális Példa a túlméretezett berendezésre (felület 50%-os növekedése): kicsivel magasabb éves lefedettség (70%) a rendszer alacsony éves hatékonysága (30%) drágább rendszer (több napkollektor) nyári hónapokban a napenergia-felesleg (szürke) elveszik, és a kollektorok túlmelegednek hosszabb amortizációs idő 10 11
Síkkollektor működése A APKOEKTOR REDSZER KIEGÉSZÍTÉSE HAGYOMÁYOS EERGETIKAI BEREDEZÉSSE A nap az év során nagyon változó napi energiamennyiséget biztosít. Magyarországon nyáron az átlagos napi energia 4-5 kwh/m2, télen ez az érték négyszer kevesebb, 1,5-2 kwh/m2. A forróvíz-tárolóban lévő víz napi hőmérsékletváltozása yáron: ΔT = 60ºC => T forróvíz-tároló = 70 ºC => lezuhanyozhatok Télen: ΔT = 15ºC => T forróvíz-tároló = 25 ºC => nem tudok lezuhanyozni Ezért ha nyáron a nap a szükséges energia 100%-át tudja adni, kb. 60ºC-ra emelve a melegvíz-tárolóban lévő víz hőmérsékletét, télen csak az energia 20%-át tudja nyújtani, 15ºC-ra melegítve a forróvíz-tárolóban lévő vizet. Az egész éves használathoz a napkollektort ki kell egészíteni egy hagyományos fűtőrendszerrel, ami a napenergiával végzett előmelegítést befejezi. SÍKKOEKTOR Egy napsugárzást elnyelő felületből áll, amelyben a napkollektoros berendezésben lévő folyadék végighalad. A lemez felületét általában kezelésnek vetik alá, hogy jobban befoghassa a napsugarakat. A sugárzást befogadó lemez egy biztonsági üvegfelület és egy megfelelően szigetelt acél vagy alumínium lap között helyezkedik el. A meleg csövek - amelyeket az üveg, valamint a szigetelőréteg véd a hideg levegőtől - biztosítják a melegvizet még akkor is, ha a külső hőmérséklet alacsony, vagy ha a hővezető folyadék hőmérséklete közepesen magas, vagy ha közepesen alacsony a napsugárzás erőssége. Jelenleg ez a legelterjedtebb kollektor típus a világon. egfőbb alkalmazási területe a használati melegvíz készítése, medencék időszakos fűtése és a lakások téli fűtésének kiegészítése. A sík kollektor működése A kollektor egységen belül megkülönböztetjük a teljes (vagy bruttó) felületet és az energiafelvevő (vagy nettó) felületet. A folyadékhoz érkező energiát sok, a továbbiakban leírt veszteség éri. Vegyük a napsugarat (ami közvetlen vagy diffúz forrásból származik), ami beérkezik a napkollektor üvegfelületére. Az üveg részlegesen visszaveri (nem csak a külső, hanem a belső felületével is). A napsugarat részben el is nyeli az üveg, mely ez által felmelegszik ( mennyezeti lámpa hatás). KIEGÉSZÍTÉS FOGYASZTÁS SORÁ (PIAATYI) A napenergiával előmelegített vizet végső hőmérsékletére a felhasználás pillanatában melegítjük fel egy kombi kazánnal vagy átfolyós vízmelegítővel. Kényszerkeringetéses rendszer egy csőkígyós melegvíz tárolóval + kombi kazán/átfolyós vízmelegítő Ami megmarad a napsugárból, eléri az energiafelvevő felületet. A napsugarat részben visszaveri az energiafelvevő felület, ami így újból az üvegfelületre érkezik, illetve elnyeli a hővezető folyadék. Amikor az energiafelvevő felület felmelegszik, három másik módon történhet hőveszteség: hővezetéssel felmelegíti a szigetelőréteget energiaátadás miatt felmelegíti a kollektorban lévő levegőt, ami felmelegíti az üveget, vagyis a külső levegőt - hősugárzással átadja a meleget, ahogy azt minden felmelegített test teszi, és így infravörös sugarat kibocsátó testté válik. KIEGÉSZÍTÉS FEHASZÁÁS EŐTT (TÁROÁS) A napenergiával előmelegített vizet végső hőmérsékletére a tárolás fázisában melegítjük fel elektromos fűtőpatron vagy csőkígyó + csak fűtésre szolgáló kazán segítségével. Kényszerkeringetéses rendszer dupla csőkígyós tartállyal + csak fűtésre szolgáló kazánnal 12 13
A KOEKTOR RÉSZEGYSÉGEI Az eddigiek értelmében, egy jó, üveggel fedett, nagy teljesítményű síkkollektornak a következő tulajdonságokkal kell rendelkeznie: tükröződésmentes és magas elnyelő képességű üveg; tükröződésmentessé tett energiaelnyelő panel, nagy elnyelő képességgel és alacsony hőkibocsátással; magas hőmérsékleteknek ellenálló hőszigetelés, alacsony hővezető képességű λ (W/mK) és nagy vastagságú; az energiaelnyelő panelnek jó hővezetőnek kell lennie, és megfelelő számú csővel kell rendelkeznie (a napenergia hőjét felvevő pontok). Az energiaelnyelő panel különböző formában készülhet: Ez a jobb energiaelnyelő képesség és az alacsonyabb energiaveszteség érdekében felületkezelt réz abszorber felület, melyet csövekből hegesztenek össze. A hegesztés technológiájának garantálnia kell a jó hőkontaktust, a tartósságot, és a gyártási folyamat teljes egészében ipari megvalósíthatóságát (néhány példa a hegesztési eljárásra: ultrahangos, lézer, hengerelés). AZ ÜVEG SZEEKCIÓS KÉPESSÉGE Az üvegen a napsugaraknak, amelyek spektruma inkább a rövidhullámra (0,2-3 μm) koncentrálódik, könnyen kell áthaladniuk (anélkül, hogy az üveg elnyelné vagy visszatükrözné őket). Ugyanakkor, a nap által felmelegített energiaelnyelő lemez energiát kezd veszíteni a hosszú hullámhosszú sugarak (infravörös sáv) kibocsátása miatt, az üvegnek pedig meg kell akadályoznia, hogy ezek a sugarak a környezetbe kijussanak, vagyis vissza kell őket irányítania a lemezre. Ez az igen ismert üvegházhatással megegyező folyamat. A KOEKTOROK HŐSZIGETEÉSE Egy napkollektorban a hátoldali és az oldalsó hőszigetelés lehetővé teszi az összes lehetséges hőveszteség jelentős részének az elkerülését. Ennek érdekében a következő feltételeknek kell eleget tenni: Magas és alacsony hőmérsékletnek egyaránt ellenálló anyagot kell használni, amely akkor is megtartja hőszigetelő tulajdonságait, ha nedvességnek van kitéve. Ennek az anyagnak könnyen hozzáférhetőnek, olcsónak és környezetbarátnak kell lennie. Biztosítani kell a kívánt szigeteléshez szükséges vastagságot. A SZEEKCIÓS EMEZ EERGIAEYEÉSE IETVE EERGIAKIBOCSÁTÁSA Az energiaelnyelő lemez feladata a napsugárzás rövidhullámú (0,2-3 μm) sugarainak nagymértékű elnyelése az üveg által elnyelt vagy visszatükrözött sugarakhoz képest, és az, hogy a lemez üzemi hőmérsékleten csak csekély mennyiségű hosszú hullámot (főként infravörös hullámok) bocsásson ki. HÁRFA SZERKEZET (PÁRHUZAMOS CSÖVEK) nagyobb átfolyási teljesítmény alacsony hőveszteség magas alacsony ΔT bemenet-kimenet nagyobb teljesítmény magas napsugárzás mellett (nagy hőfelvétel) A jó szelekciós értékek a következők: energiaelnyelés: 95% energiakibocsátás: 5% CSŐKÍGYÓS SZERKEZET alacsony átfolyású (low flow) rendszereknek megfelelő magasabb hőveszteség magasabb ΔT bemenet-kimenet nagyobb működési stabilitás alacsony napsugárzás mellett (a szivattyú kevesebbszer kapcsol ki és be) em nehéz magas energiafelvételi értékeket elérni az általánosan használt festékekkel, ugyanakkor nem könnyű elérni az alacsony energiakibocsátási értékeket. Különféle fémfelület-kezelési eljárások léteznek (anodizáció), amelyek biztosítják a fentebb megadott szelekciós értékeket: Tiox, Selective Blue, Selective Black, csak néhány a védjegyeztetett eljárások közül. A továbbiakban nézzük meg, hogyan működik a Tiox, a legismertebb védjegyeztett eljárás. 14 15
Kollektorok vizsgálata és tanúsítása A APKOEKTOR REDSZER HŐTERMEŐ HATÁSFOKA Annál nagyobb a hatásfok, minél nagyobb a napsugárzás szintje. Azonos napsugárzási szint esetén a kollektor hatásfoka csökken, ha növekszik az energiafelvevő környezetbe kibocsátott hővesztesége. A hőveszteség akkor nő, ha: a levegő hőmérséklete alacsony (télen); az energiaelnyelő egység hőmérséklete magas (magas hőmérsékletű hővezető folyadékkal működő ipari eljárások). Minden kollektor rendelkezik egy hatásfokgörbével, amely egy adott alkalmazáshoz köthető. A grafikon az alaptulajdonságokat mutatja be, a biztonsági üveg nélküli (ún.: szolárszőnyeg ) kollektoroktól (amelyeket általában a medencék fűtésére használnak) a vákuumcsöves kollektorokig, amelyeket az energiaelnyeléssel működő hűtőberendezésekhez lehet használni. Vegyük figyelembe, hogy egy adott kollektor magas hőmérsékletet is elérhet, aminek határértékét a grafikonon az a pont mutatja, ahol a hatásfok görbéje az x tengelyt metszi. Ehhez az értékhez hozzáadva a környezeti hőmérsékletet, megkapjuk a pangási hőmérsékletet, ami az adott típusú kollektor által elérhető legmagasabb hőmérséklet. A fentieket egyetlen görbében összesíthetjük, ami a kollektor teljesítményére jellemző minden napsugárzási szinten, külső hőmérsékleten és hővezető folyadék hőmérséklet mellett. Ezt a görbét lineáris vagy négyzetes regresszióval számítjuk ki egy sor kísérleti mérés alapján. VIZSGÁATI JEETÉSEK ÉS A KOEKTOROK TAÚSÍTÁSA Az Európai Unióban forgalmazott kollektoroknak meg kell felelniük bizonyos minőségi paramétereknek, annál is inkább, mivel e nélkül nem lehetne hozzájutni számos pályázati támogatáshoz. Mindazonáltal, a támogatásoktól függetlenül a napkollektoros hőtermelő rendszerek közepes illetve hosszú távú beruházást jelentenek, ezért fontos, hogy a gyártó részéről garantált hatékonyságot és konstrukciós minőséget független intézmények is igazolják a normatív szabályok szerint elvégzett tesztek alapján. VIZSGÁATI JEGYZŐKÖYVEK A kollektorok tesztelését (hatékonyság; mechanikai, illetve hőmérséklet okozta feszültség; élettartam) akkreditált intézetekben végzik. A napkollektorok tesztelési folyamata az E 12975 szabványnak megfelelően történik. A vizsgálat végén kibocsátják a vizsgálati jelentést, amely megállapítja a napkollektor fényelnyelő oldali teljesítményét. η0 = szakasz (jobb, ha magas) => a kollektor optikai hatásfokának is nevezzük, mert a hatékonyságot jelenti - a kollektor levegőbe irányuló hővesztesége nulla (a külső hőmérséklet megegyezik az energiaelnyelő lemez hőmérsékletével) k1 = meredekség (jobb, ha kevéssé meredek) => a levegőbe irányuló hőveszteség egyik komponense, és azt mutatja, milyen gyorsan csökken a kollektor hatékonysága kedvezőbb hőcsere-feltételek mellett k2 (ha van ilyen) = görbe (jobb, ha alacsony) => a levegőbe irányuló hőveszteség egyik komponense. E 12975 SZABVÁY E 12975-1 Általános követelmények E 12975-1 Viszgálati módszerek Teljesítmény Megbízhatósági vizsgálat vizsgálatok Üvegezett / nem üvegezett Fémes / szerves Egyensúlyi állapot Üvegezett Egyensúlyi állapot em üvegezett Kvázi-dinamikus vizsgálat Üvegezett & em üvegezett Eredmények: Főbb hibák? Eredmények: Paraméterek Eredmények: Paraméterek Eredmények: Paraméterek Számítások: Pillanatnyi teljesítmény Számítások: Pillanatnyi teljesítmény Számítások: Pillanatnyi teljesítmény 16 17
E 12975-2: 2006 VIZSGÁATI SORRED: hőtermelési teljesítmények (hőtermelési hatékonyság stacionárius állapotban, illetve energiatermelés átmeneti körülmények között, időkonstans, hőtermelő képesség, IAM vagyis a beesési szöget módosító tényező, nyomásvesztések) Túlnyomásteszt Hőmérsékletállósági teszt Expozíciós teszt (száraz pangás) Külső és belső termikus sokk Csapadékteszt Mechanikai terhelési teszt Ütésállósági teszt (opció) E 12975-2: MIŐSÍTŐ VIZSGÁAT - MECHAIKAI TERHEÉS Cél: A szél és/vagy a hó által kifejezett pozitív és negatív terhelések hatásának szimulálása a napkollektor borításán és a rögzítő rendszeren. Alkalmazott berendezés: tapadókorongok rendszere, amelyek egyenletesen vannak elosztva a kollektor felületén, és sűrített levegővel működtetett dugattyúkkal kapcsolódnak egymáshoz. Vizsgálati módszer: Pozitív nyomás gyakorlása a kollektor borítására egatív nyomás gyakorlása a kollektor borítását rögzítő rendszer és a kollektort kihorgonyzó rendszer egyidejű terhelésével Alkalmazott nyomástartományok: 100-1000 Pa léptetés:100 Pa E 12975-2: HŐTERMEŐ KÉPESSÉG Ez alatt a pillanatnyi hatékonyság meghatározását kell érteni, stacionárius állapotnál fennálló körülmények között, eltérő hőmérsékletek mellett. A kollektor hatékonyságát lineáris formában vagy négyzetes formában is ki lehet fejezni, a mért hatásfok-értékek regressziójának alkalmazásával, a négyzetes minimumok módszere szerint. E 12975-2: MIŐSÍTŐ VIZSGÁAT - ÜTÉSÁÓSÁGI TESZT Cél: a jégeső kollektor-borításra gyakorolt hatásának szimulálása Alkalmazott berendezés: függőleges becsapódást szimuláló rendszer A vizsgálat részei: 10 becsapódásból álló sorozat 150 g tömegű acélgolyó alkalmazásával, 40 cm magasságtól indulva 2 méteres magasságig, 20 centiméteres léptetéssel. E 12975-2: MIŐSÍTŐ VIZSGÁAT APSUGÁRZÁSSA SZEMBEI EEÁÁS Cél: a napkollektor tűrőképességének vizsgálata szárazon, erős napsugárzás esetében. A vizsgálat részei: Hosszú ideig tartó expozíció (legalább 30 napig) az időjárási tényezőknek, folyadék nélkül (száraz pangás); Külső és belső termikus sokkal szembeni ellenállás E 12975-2: MIŐSÍTŐ VIZSGÁAT CSAPADÉKTESZT Cél: az esetleges beszivárgások kimutatása erősen zuhogó eső hatására Alkalmazott berendezés: Csapadék-szimulációs kamra A vizsgálat részei: A kollektort erősen zuhogó esőnek teszik ki minimum 4 órahosszat, miközben melegvizet (T>50 C) keringetnek a kollektor belsejében. Az eredmények értékelési módszere: Szemrevételezés (kondenzvíz-képződést mutató területek feltérképezése) Kollektor súlymérése (a teszt sikeres volt, ha az eltérés 30 g/m2 alatt marad) SOAR KEYMARK A Solar Keymark európai márkanév, amelyet a CE (CE/ CEEEC, avagy Európai Elektrotechnikai Szabványügyi Bizottság) hozott létre a napkollektoros hőtermelő rendszerekhez tartozó bármely termék önkéntes alapokon nyugvó minőségi tanúsítása céljából. A márkanév azt jelzi, hogy az ezzel megjelölt termék megfelel a vonatkozó európai szabványoknak. A Solar Keymark minden fogyasztó számára garanciát jelent arra, hogy a szolár rendszert az európai szabványokkal összhangban állították elő mind a termékminőség mind a terméktájékoztatás vonatkozásában, és hogy a termékre igénybe lehet venni a legtöbb európai országban előirányzott pénzügyi kedvezményeket. A márkanévre legjellemzőbb aspektusok a következők: a specifikus európai szabványoknak megfelelően elvégezték a terméktanúsítvány kibocsátásához előírt vizsgálatokat. az üzemeknek megfelelő minőségbiztosítási rendszert kell alkalmazniuk a gyártás során. A gyakorlatban a Solar Keymark jelentése a következő: megbízható teljesítmény megbízható módon, jóváhagyott eljárások keretében mért teljesítmények az általánosan elfogadott és elismert követelményeknek való megfelelés (a nemzeti és a helyi köztámogatások tekintetében is) 18 19
Szolár tárolók SZOÁR TÁROÓ A TÁROÓK TÍPUSAI A tároló az a része a rendszernek, amely lehetővé teszi a nap hőenergiájának a tárolását, a lehető legkevesebb energiaveszteség mellett. A tárolók különféle ismérvek alapján osztályozhatók: alkalmazás elhelyezkedés: függőleges vagy vízszintes hőcserélő: belső vagy külső (az első esetben lehet csőkígyós vagy külső palástos hőcserélő) rétegtöltés megléte vagy hiánya tároló anyaga és felületkezelése: rozsdamentes acél, üvegbevonatú acél, réz vagy egyéb puffer egy csőkígyós A SZOÁR TÁROÓK EGFOTOSABB TUAJDOSÁGAI AKAMAZÁS ÉS EHEYEZÉS A tároló a rendszer központi része, amelynek rendelkeznie kell néhány olyan fontos tulajdonsággal, amelyek révén garantálható a napkollektoros rendszer megbízható működése és időtállósága. Ezek az alábbiak: mechanikai tartósság, amely biztosítja a hosszú élettartamot a magas nyomás, a hirtelen megterhelés és a szállítás során jelentkező terhelések esetén hőállóság, ami azért fontos, mert a szolár tárolóknak 120 C-ig bírniuk kell a hőterhelést a tárolót fel kell szerelni védőanóddal (ez általában magnéziumból készül) vagy el kell látni katódvédelemmel (amelynek működése védő elektromos áram gerjesztésén alapul). Mindkét esetben évente kell ellenőrizni a működésüket, és szükség esetén cserélni kell őket (2-5 évenként). a tárolónak nagyon jó hőszigeteléssel kell rendelkeznie /vastag, rossz hővezetésű anyagból λ (W/mK)/. Ezt az a tény is bizonyítja, hogy egy 300 literes tároló (a háztartási rendszereknél ez a tipikus), ha nincs megfelelően hőszigetelve, évente megközelítőleg kwh energiát is veszíthet. Az energiaveszteség jellemzően éjszaka, az ábrán feltüntetett helyeken megy végbe, azaz a csővezetékek csatlakozási helyeinél, a szigeteletlen fémborításokon, illetve akkor, ha a hőszigetelés nem megfelelő. a standard használati melegvízelőállító alkalmazások az ábrákon jelölt típusúak lehetnek: a különleges alkalmazásokhoz, mint a használati melegvíz előállítása és a lakás helyiségeinek egyidejű fűtése olyan speciális formák állnak rendelkezésre, mint pl a Combi tároló. két csőkígyós A szigetelés 300-500 liter űrtartalomig általában poliuretán hab, az azt meghaladó térfogatok esetében viszont célszerűbb valamilyen puha, levehető szigetelőanyag használata, többek közt azért is, mert szereléskor a technikai helyiségek így jobban hozzáférhetőek lesznek. a tároló csatlakozási pontjainak a kialakítása nagyon fontos, mivel a tároló rugalmasabb felhasználását teszik lehetővé a különféle épületgépészeti alkalmazásoknál: csatlakozás a keringetéshez a hőmérséklet ellenőrzésére és a rendszer kezelésére különböző magasságokban elhelyezett nyílások integrálási lehetőség elektromos ellenállással nagyméretű belső megfigyelő és tisztítókarima. palástos A tárolón jól látható helyen el kell helyezni egy kisméretű azonosító táblát lemoshatatlan adatokkal, amely az alábbi adatsort tartalmazza: gyártó neve regisztrációs azonosító és dátum sorozatszám nettó tárolókapacitás literben maximális üzemi nyomás. 20 21
Szolár rendszerek további elemei HŐCSERÉŐ A hőcserélő olyan készülék, amely lehetővé teszi a hőenergia átáramlását a primer körből a szekunder vagy használati körbe. A tárolóba integrált hőcserélőkön a nyomásvesztés a külső hőcserélőkkel (lemezes vagy csőköteges) összehasonlítva általában csekély. külső palástos hőcserélő (vagy hüvelyes) Ezekre a hőcserélőkre alacsony hőveszteség jellemző, továbbá vízszintesen és függőlegesen elhelyezett tárolóban is egyaránt megbízhatóan működnek. Ha külső palástos hőcserélővel van dolgunk, nagyon oda kell figyelnünk a hüvelynyomás maximális értékhatárára, és ajánlatos először a szekunder kört feltölteni, hogy a külső palástot megóvjuk a kompressziós összeeséstől. csőkígyós hőcserélő Azonos hőcserélő felületek esetén a külső palástos rendszereknél egy kicsit hatékonyabbak és jobban ellenállnak a nyomásnak, viszont nagyobb a nyomásvesztésük; mindazonáltal a különbségek elenyészők. A függőleges csőkígyót használó hőcserélőknek megvan az az előnyük, hogy a perem irányában kihúzhatók, ezáltal könnyen tisztíthatók. Ezzel ellentétben viszont általában kisebb a hőcserélő felület, és általában nem alkalmasak a napkollektoros rendszerekkel történő hőcserére A vízszintes állású, csőkígyós hőcserélők nagy felületűek, de meghibásodás esetén nem lehet őket sem szétszedni, sem pedig kicserélni. RÉTEGTÖTÉSŰ TÁROÓ A rétegtöltésű tárolók képesek gyorsan a hőmérsékletnek megfelelően mindig a legfelül lévő melegvizet továbbítani, s ennek köszönhetően elkerülhető a víz összekeveredése; ezáltal lehetőség nyílik arra, hogy gyorsabban juthassunk melegvízhez a vízvételi ponton. Ennek a rendszernek köszönhetően a tárolónak az alsó részén helyezkedik el az alacsonyabb hőmérsékletű víz, ami kedvezően hat a napkollektoros berendezés teljesítményére (a kollektorhoz hidegebb víz tér vissza). A rétegtöltésű tárolónak többféle típusai vannak, ám az alapelv mindig ugyanaz. Ahogy a lenti csőkígyó (szolár vagy kazán) lassacskán felmelegíti a használati vizet, a víz gyorsan felfelé áramlik a rétegelőn keresztül, míg el nem ér abba a magasságba, ahol a vele azonos hőmérsékletű víz van. Az előállított melegvíznek csak ezen a ponton lesz elégséges a nyomása ahhoz, hogy kiáramoljon a rétegelőből. A rétegelő rendszerrel rendelkező indirekt tárolók legfőbb hátránya az, hogy kisebb a hőcserélő teljesítménye, ami kihat a tároló felmelegedési idejére, továbbá a használati melegvíz mennyisége csökken, a költsége viszont magasabb és a konstrukció is bonyolultabb. Mindez abból a tényből következik, hogy a rétegződés eléréséhez a víz sebességének részben a csőkígyó keltette konvekciós mozgás, részben a vízhálózatról érkező víz keltette dinamikai mozgás miatt korlátozottnak kell lennie. A SZOÁR VEZÉRŐ ÉS A REDSZER ÉRZÉKEŐI A szolár vezérlő a kényszerkeringetésű rendszer szíve, amelyamely bizonyos rendszerelemek megléte esetén képes akár a fűtési rendszerrel való kombinálást is lekezelni. A VEZÉRŐ MŰKÖDÉSE A vezérlő fő funkciója a hővezető folyadék keringetésének megfelelő időben történő elindítása illetve leállítása. Ha a folyadékkörben nincs áramlás, a kollektor hőmérséklete a besugárzás miatt emelkedik. A tárolónál egy adott ΔT hőmérsékleti érték elérését követően (például 10 C) a szivattyú bekapcsol, és a hőmérséklet megemelkedik a tárolóban. A tároló és a kollektor hőmérséklete emelkedik, és konvergál, míg el nem éri a kikapcsolási ΔT hőmérsékletet (például 4 C), amikor a központ kikapcsolja a keringető egységet. Ez a folyamat naponta többször is megismétlődhet. 22 23
A VEZÉRŐ EGYÉB FOTOS FEADATOKAT IS EÁT: Biztonság: a vezérlő küszöböli ki azt, hogy a tárolónál túlmelegedés lépjen fel (T<90 C): túlzott hőmérsékletemelkedés esetén mindig leállítja a keringetést, amivel meggátolja a tároló túlfűtését. A rendszer működtetése: a vezérlő be tudja kapcsolni a kazánt és/vagy aktiválni tudja a motoros váltószelepet, amely a kazántól érkező energiát szétosztja a rendszerben. Keringetés aktiválása több tárolóval rendelkező rendszerben Kollektor visszahűtése (lehűtés): ha nem használják (például a család nyaral), felmelegedhet a maximális biztonsági hőmérsékletre; a visszahűtés funkció lehetővé teszi, hogy a keringető szivattyú aktiválásával a kollektor lehűlhessen HŐMÉRSÉKET-ÉRZÉKEŐK A kényszerkeringetésű napkollektoros hőtermelő berendezéseknél tisztában kell lenni a folyadék hőmérsékleteivel. E célból megfelelő érzékelőket alkalmaznak. Az érzékelőknek különböző típusai léteznek: ellenálláson alapulók, platina (Pt 100, Pt 1000) vagy félvezető TC vagy PTC. Kollektor kick ( rúgás a kollektorba): némelyik típusú panelnél az információ, hogy a kollektor elég meleg, nem ér el gyorsan a szondához. A kollektor kick arra szolgál, hogy rendszeres időközönként néhány másodpercre aktiválja a szivattyút, hogy ez által a kollektor-érzékelő gyorsan mérhesse a hőmérsékletet. Ez különösen lényeges a vákuumcsöves kollektoroknál vagy a nagy kollektortelepeknél. SZIVATTYÚBOKK A szivattyúblokk azon kívül, hogy a hővezető folyadékot áramoltatja a kényszerkeringetésű rendszerben, egy sor más, a rendszer helyes üzembe helyezéséhez és a megfelelő ellenőrzéshez szükséges nagyon fontos feladatot is betölt. Egy tipikus háztartási rendszer esetében a keringető szivattyú elektromos áramfelvétele 40 és 100 W között van. A primer kör szivattyúját alkotó anyagoknak kompatibiliseknek kell lenniük az alkalmazott hővezető folyadékkal. Általában fűtési rendszerekhez tervezett szivattyúkat szoktak használni, amelyek következésképpen a szükségesnél nagyobb teljesítményűek, különösen ami a kis rendszereket illeti. A szivattyúblokk legfontosabb funkciói: Áramlási érték beállítása és nyomon követése (15 l / h m2-ként az alacsony áramlás és 50 l / h m2-ként a normális). a tágulási tartály és a biztonsági szerelvények csatlakozásának lehetősége Kollektor előremenő és visszatérő hőmérsékletének ellenörzése A KERIGETŐ EGYSÉGEK TÍPUSAI A keringető szivattyú típusa alapján megkülönböztetünk állandó fordulatszámú és modulációs tartománnyal rendelkező szivattyúkat. Az első csoporthoz tartozók mindig ugyanazon a fordulatszámon működnek (tehát mindig ugyanaz az áramfelvétel és ugyanaz a szállítás), míg a második csoporthoz tartozóknál a szivattyú fordulatszáma változhat (tehát változó az áramfelvétel és a szállítás is). A fordulatszám változása fokozatosan történik, hogy a kollektor és a tároló között szakaszra betáplált ΔT megmaradjon. Ha a napsugárzás csökkenés miatt a hőmérséklet-különbség a beállított érték alá süllyed, a szolár szabályozás csökkenteni fogja a szivattyú fordulatszámát. Végezetül a kollektorkörben szállított folyadékmennyiség is kevesebb lesz, hogy a hőmérsékletkülönbséget használható szinten lehessen tartani. Ennek a rendszernek az az előnye, hogy gyenge napsugárzási viszonyok között több napenergiát tud befogni (tipikusan télen van így, illetve a kevesebb napsütéshez jutó szélességi körökön), és képes csökkenteni a keringető szivattyú elektromos áramfelhasználásából adódó költségeket. Hátránya, hogy nagyobb a bekerülési költsége (a keringető szivattyút és a szabályzó rendszert tekintve egyaránt), amit nem mindig igazol a megtakarítás, ami főleg azokon a szélességeken érhető el, ahol éves átlagban többet süt a nap. 24 25
MEGJEGYZÉS: A keringető szivattyú által felvett elektromos áram költségét figyelembe kell venni a napkollektoros rendszer amortizációjának kiszámításakor. hazánkban a tipikus háztartási napkollektoros rendszerek (2-6 kollektor) 40 Watt teljesítményű, állandó fordulatszámú keringető szivattyúval üzemelnek. Egy nyári napon a keringető szivattyú 6-8 órán keresztül működik, télen pedig nagyjából 2-4 órán át; ez összesen -1700 órát jelent éves szinten. A keringető szivattyú áramfelvétele nagyjából 50 és 70 kwh/év között van. TERMOSZTATIKUS KEVERŐSZEEP Az év bizonyos szakaszaiban a napenergia a meleg víz tárolóban lévő használati vizet 90 C hőmérsékletűre is felmelegítheti. A termosztatikus keverőszelep feladata, hogy vízfogyasztáskor a hálózatról jövő hideg víz hozzákeverésével előállítsa a használati melegvíz kívánt hőmérsékletét. Fontos, hogy gyorsan tudjon reagálni a hőmérsékletváltozásokra (néhány másodpercen belül), és az is fontos, hogy legyen rajta forrázás-védő egység, amely automatikusan megszakítja a tárolóból érkező melegvíz áramlását, ha a hálózati hidegvíz szállítása megszakad (ami lehetetlenné teszi a keverést). MOTOROS VÁTÓSZEEP Vezérlő vagy termosztát működteti, a használati vízkör vizét téríti el (vagy a fűtőkör vizét), ami lehetővé teszi, hogy a kazán kiegészítse a szolár rendszert. ényeges, hogy gyorsan tudjon átváltani, és hogy a belső mechanikája jól ellenálljon a magas hőmérsékleteknek és a glikolnak (ha a napkollektoros rendszer primer körében alkalmazzák). A használati melegvizes körben felszerelve természetesen meghatározott higiéniai követelményeknek is meg kell felelnie. EGYÉB SZOÁR TARTOZÉKOK Egy napkollektoros rendszerhez sok egyéb, technológiai értelemben kisebb tartozék is szükséges, amelyek elengedhetetlenül szükségesek a rendszer egészének megbízható működése szempontjából. TÁGUÁSI TARTÁY A hővezető folyadék hőtágulásának a kompenzálására szolgál. Ezen kívül, amikor a panelekben pangás van, a keletkező gőz felülről lefelé szorítja a hővezető folyadékot; s ilyenkor az is a tágulási tartály feladatai közé tartozik, hogy a normális hőtágulás kompenzálásán túlmenően ezt a mennyiséget is befogadja. Fontos a tágulási tartály térfogatának a rendszerhez igazodó, helyes megválasztása, valamint az, hogy a tartály jól ellenálljon a magas nyomásnak (6-8 bar-ig), és a belsejében lévő gumimembrán jól tűrje a magas hőmérsékleteket és a glikol vegyi agresszióját. FAGYMETESÍTŐ FOYADÉK A kollektorkör vizéhez keverve (15 és 60% között) megakadályozza, hogy a víz télen megfagyjon, valamint megemeli a párolgási pontot, ami nyáron, a magasabb üzemi hőmérséklet miatt javítja a rendszer működését. Fontos szempont, hogy jól tűrje a hőmérséklet okozta feszültséget, és ne legyen mérgező hatású. Szilárd 26 27
Méretezés KÜSŐ HŐCSERÉŐK A 20 m2-nél nagyobb felületű berendezéseknél általában külső hőcserélőket szoktak alkalmazni, mivel a tárolón belül lévő csőkígyó felülete nem lenne megfelelő a hőátadáshoz. Kétféle hőcserélő létezik: csőköteges hőcserélő lemezes hőcserélő ÁTAÁOS MEGJEGYZÉSEK A HŐSZÜKSÉGETRŐ Az első pont, amelyből ki kell indulnunk a szolár rendszer méretezésekor, az a specifikus felhasználási cél által meghatározott hőszükséglet. Különösen a havi és az éves hőszükséglet kiszámítása a fontos. A szolár rendszer szempontjából a napi fogyasztási csúcsok ismerete általában elhanyagolható; ez azért van így, mert a nap hőenergiája olyan energiamegtakarítási forrás, amelyet hagyományos energiaforrásokkal kell párosítani (gáz, elektromos áram). Bár a szolár rendszer méretezésének nem a kényelem a célja (hogy például mindig sok használati melegvíz álljon rendelkezésre), ami a hagyományos fűtőrendszereknél (kazán vagy hasonló), alapvető követelménynek számít. Az éves szükséglet alakulását össze kell hasonlítani a apból érkező energiával. Ez az érték magasabb a nyári időszakban, és lassacskán csökken, ahogy a hidegebb évszak felé haladunk (haranggörbe). A napenergia éves alakulását jelentős mértékben befolyásolja a napkollektormező amiről később lesz szó elhelyezése (dőlésszög és irányulás). CSŐKÖTEGES HŐCSERÉŐ Ennek a fő előnye a hőveszteségből adódik, ami mérsékelt; a hátrányát viszont az alacsony fajlagos hőátadási képessége jelenti. Elterjedt használatúak a réz csőkötegek, amelyekkel növelhető a hőátadási teljesítmény. Általában úszómedencékhez használatosak. EMEZES HŐCSERÉŐK egnagyobb előnyük az, hogy fajlagos hőátadási képességük jelentős, és ehhez kis méret és kedvező ár társul. Hátrányuk a hőveszteség, a szennyeződés kockázata és az abból következő hatékonyság-csökkenés. A használati melegvizet előállító rendszereknél a leggyakrabban alkalmazott anyag a rozsdamentes acél. Ha medencve fűtésére használjuk, ellenőrizni kell, hogy a klór koncentrációja a hőcserélő anyagára vonatkozó tűréshatáron belül maradjon; ellenkező esetben réz- és titánötvözetből készülő hőcserélőket kell alkalmazni. A napenergiával való lefedés az állandó éves háztartási melegvíz-fogyasztási profilhoz viszonyítva (balra). Általánosságban azoknak a fogyasztási profiloknak az alakulása a kedvezőbb, amelyek az év folyamán viszonylag állandóak, vagy amelyek a lehető leginkább igazodnak a napenergia váltakozásához. Gondoljunk csak a nyári kempingek használati melegvíz-fogyasztására, a fedetlen úszómedencék hőmérsékletének szinten tartására, vagy a nyári hűtésre (adszorpciós hűtőgépek segítségével), ezek mind kitűnő alkalmazásai a szolár rendszernek, mivel a legnagyobb terhelési igényük éppen nyáron van (vagyis abban az időszakban, amikor az alternatív energiából a legnagyobb mennyiség áll rendelkezésre) (balra lent). Ezzel ellentétben az olyan alkalmazások, mint a lakókörnyezetek fűtése vagy a használati melegvíz előállítása az iskolákban, olyan tipikus helyzetnek tekinthetők, amikor nyáron vagy egy hézag a fogyasztásban, télen viszont fogyasztási csúcs van. Ezek az alkalmazások ellentétes tendenciát mutatnak a napenergia intenzitásával, tehát technikai kivitelezhetőségüket és gazdaságosságukat mérlegelni kell. 28 29
A napenergiával való lefedés fűtéssel kombinált hmvfogyasztási profilhoz viszonyítva. Rossz éves fogyasztási profil (HMV készítés egy iskolában). A KOEKTOROK EHEYEZÉSÉRŐ ÁTAÁBA A kollektormező elhelyezésének a szolár rendszer energetikai hozama szempontjából kiemelkedő jelentősége van. Az elhelyezés tanulmányozása általánosságban a kollektormező szerelési szögeinek a megválasztását jelenti és a beárnyékolás egyrészt a kollektorsor által keltett, másrészt a mezőn kívül lévő akadályok által keltett beárnyékolás vizsgálatát. Meg kell jegyezni, hogy néha az elhelyezési kötöttségek olyan jelentősek, hogy ésszerűbb lehet lemondani a napkollektoros rendszer megvalósításáról, és másfajta befektetési formákra összpontosítani. Táblázat, amely érzékelteti, hogy az éves illetve a napi fogyasztási profil mennyire eltérő lehet a legáltalánosabb alkalmazást, azaz a háztartási melegvíz előállítását tekintve. A KOEKTOR IRÁYSZÖGE ÉS DŐÉSSZÖGE Az éves energiabefogás attól függ, hogy a kollektor mennyire látja elhaladni a apot mindennapi pályáján (az év mind a 365 napján). Ez a kollektor elhelyezésének két szögétől függ: irányszög (más szóval Azimut): ez határozza meg a déli iránytól való eltérést (a mi féltekénken) dőlésszög: a kollektor meredekségét adja meg. Az adott hónapra vonatkozó napi napsugárzásos átlagot (kwh/m²) az UI 8577 szabvány 1. részében meghatározott eljárás alkalmazásával kell kiszámítani a tájolás és a dőlésszög függvényében. Az alábbiakban közzéteszük néhány iránymutató számot. FEHASZÁÁS IRÁYSZÖG DŐÉSSZÖG HMV készítés Medencefűtés HMV készítés és fűtés HMV készítés, fűtés, és medencefűtés 15-45 45 - -45 15-45 45 - -45 30-60 15 - -15 30-60 30 - -30 30 31
Az alábbi táblázat egész Magyarországra érvényes, jó megközelítésben adja meg az összegyűjtött napenergia havi, illetve éves átlagára vonatkozó hasznosítási együtthatókat, a normatívában jelzett vízszintes felszíni feltételnek megfelelően. Ahhoz, hogy megtudjuk, mennyi energia jut egy adott irányú és dőlésszögű felület 1 m²-ére, elegendő megszorozni a vízszintes felületre vonatkozó, kwh/m2-ben (MSZ-E 10349 szabvány alapján) megadott helyi havi értékeket a hónap - irányszögdőlésszög kombinációjára vonatkozó hasznosítási együtthatóval. KOEKTORSOR BEÁRYÉKOÓ HATÁSA Ez a fajta beárnyékolás a nagy kollektormezőket érinti, amelyek vízszintes területen vannak sorokba rendezve. A sorok között egy minimális távolságot kell hagyni oly módon, hogy a hátsó kollektorok a lehető legkevésbé legyenek beárnyékolva. A követendő összefüggés abban az esetben érvényes, ha a kollektormező dél felé irányul (a vízszintes elrendezésű telepítések esetében ez több mint ésszerű feltételezés): Ahol α MI a ap délben elért magassága a téli napforduló idején (december 21.), azaz amikor az egész évet tekintve a legalacsonyabb utat járja be a horizonthoz képest. αmi értéket könnyen megkapjuk, ha ismerjük a hely szélességi fokát, és alkalmazzuk az alábbi képletet: α min = 66,5 - szélességi fok BEÁRYÉKOÁS A beárnyékolás mértékének meghatározásához szükséges a helyszíni szemle annak megállapítására, hogy a telepítendő kollektormező közepétől nézve az akadály szögkontúrjai milyenek. A ap az év minden napján befutja látszólagos útját az égbolton, amelynek fő koordinátáit az emelkedési szög és az irányszög adja meg (ezek láthatók a grafikonon). A grafikonon az adott szolár berendezés közelében elhelyezkedő lehetséges akadályok emelkedési- és irányszöge is látható. A grafikon megmutatja azokat az időintervallumokat és napokat is, amikor a szolár berendezés nem kap közvetlen napsütést. Ez által megbecsülhető, hogy éves szinten mennyi a hiányzó energia. 32 33
APSUGÁRZÁSI TÁBÁZAT Havi hőmérsékleti táblázat megyékre bontva SZOÁR BEREDEZÉS MÉRETEZÉSE HASZÁATI MEEGVÍZ EŐÁÍTÁSÁRA Mint azt már előrebocsátottuk, a használati melegvíz előállítására szolgáló szolár berendezés méretei alapvetően eltérnek a kazános vagy tárolós rendszer méreteitől. A szolár berendezés kiegészítő szerepet tölt be, ezért csupán energiamegtakarítási, nem pedig komfort célokat szolgál. Ezért van az, hogy a napi fogyasztási csúcsokat nem kell figyelembe venni a szolár rendszernél. 34 35
A APKOEKTOROK SZÁMÁAK ÉS A HMV TÁROÓAK KISZÁMÍTÁSA Ha már ismert a havi energiaszükséglet, az alkalmazás típusának megfelelő éves eloszlását, a hetek szerint is, az alábbi diagramm segítségével megállapítható, hogy mekkora a szükséges kollektor-felület (négyzetméterben) és a szolár tároló térfogata. 36 SZOÁR REDSZER HIDRAUIKAI MÉRETEZÉSE Ha meghatároztuk a napkollektorok számát és típusát, csatlakoztatásukat, a tároló tartályokat (és/vagy a hőcserélőket), illetve mindezek elhelyezését a rendelkezésre álló térben, elérkezik a hidraulikai részek méretezésének a pillanata. Ebben a részben konkrétan azokat a gyakorlati eljárásokat mutatjuk be, amelyek az alábbiak meghatározásához szükségesek: a szolár rendszer teljes folyadékszállítása; a primer kör csöveinek méretezése; a berendezés hővesztése és a szivattyúegység kiválasztása; a tágulási tartály méretének meghatározása A SZOÁR REDSZER TEJES FOYADÉKSZÁÍTÁSA Ez az érték függ a napkollektorok számától, telepítésük módjától (soros vagy párhuzamos kapcsolás), és tágabb értelemben a rendszernél alkalmazott filozófiától (normál áramlás vagy lassú áramlás). A fenti választások függnek egyrészt a tervezés folyamán megfogalmazott alapkövetelményektől, másrészt a különféle megoldások költségeinek és előnyeinek az elemzésétől (ami nem mindig egyszerű feladat). ORMÁ ÁRAMÁS VAGY ASSÚ ÁRAMÁS ormál áramlás (normal flow) üzemmódban az egyes kollektorokon óránként 40-60 liter hővezető folyadéknak kell áthaladnia, kollektor-négyzetméterre vetítve. assú áramlás (low flow) üzemmódban az egyes kollektorokon óránként 10-15 liter hővezető folyadéknak kell áthaladnia, kollektornégyzetméterre vetítve. A normál áramlás üzemmód jellemző tulajdonságai: nagyobb folyadékszállítás a rendszerben a keringető szivattyú több áramot fogyaszt; a kollektorok, és ezáltal a szolár rendszer nagyobb hatásfokkal üzemel; nagyobb hőcserélő felület a tároló felőli oldalon; a napkollektorok alacsonyabb átlaghőmérsékletűek; a kollektormezőn kisebb a bemeneti és kimeneti hőmérsékletkülönbség; kisebb a valószínűsége annak, hogy gyenge napsugárzás esetén a hőleadás a tároló felé folyamatossá váljon. ormál áramlás üzemmód ajánlott az alábbi feltételek esetén: nagy benapozású területek; éves vagy túlnyomórészt nyári alkalmazások (használati melegvíz); nem túl meleg szállítóközeget igénylő alkalmazások (használati melegvíz vagy úszómedence); ahol nincs jelentősége az elektromos áram megtakarításának a hasznosított hőenergiából származó megtakarításhoz képest; ahol a kollektormezőhöz képest a forróvíz-tároló hőcserélő felülete meglehetősen nagy. A lassú áramlás üzemmódból az alábbiak következnek: kisebb folyadékszállítás a rendszerben; a keringető szivattyú energiafogyasztása kisebb; a kollektorok, és ez által a szolár rendszer kisebb hatásfokkal üzemel; kisebb hőcserélő felület a forróvíz-tároló felőli oldalon; a napkollektorok magasabb átlaghőmérsékletűek; a kollektormezőn nagyobb a bemeneti és kimeneti hőmérsékletkülönbség; nagyobb a valószínűsége annak, hogy gyenge napsugárzás esetén a hőleadás a víztároló felé folyamatossá váljon; assú áramlás üzemmód ajánlott az alábbi feltételek esetén: kis benapozású területek; túlnyomórészt téli alkalmazások (lakóhelyiségek fűtése); nagyon meleg szállítóközeget igénylő alkalmazások (ipari alkalmazások); ahol nagy jelentősége van az elektromos áram megtakarításának a hasznosított hőenergiából származó megtakarításhoz képest; ahol a meleg víz tároló hőcserélő felületének csökkentésével mérsékelni kívánják a költségeket; ahol a kollektornak jó a hatásfoka (vákuumcső). CSÖVEK MÉRETEZÉSE A teljes folyadékszállítás és az egyes csőszakaszok folyadékszállításának megállapítását követően a napkollektor és a tároló közötti csövek méretezésének ugyanazokat az általános szabályokat kell követnie, mint a fűtőrendszereknél általában. Az eltérő folyadékszállítású csőszakaszok méretezésénél jó érzékkel kell megválasztani a csőátmérőket. A csövek átmérőjének növelése valójában ellentétes hatást vált ki: csökken a fajlagos hőveszteség (mbar/m); csökken a keringető szivattyú által felvett elektromos teljesítmény; csökken a sebesség (csökken a zaj és egyéb kellemetlen hatások); a hődiszperzió nagyobb lesz; növekednek a költségek (csövek anyaga és a glikol mennyisége). Ha a csővezetékek rézből vannak, a cső átmérőjét az alábbi közelítő képlettel lehet megbecsülni, amely azon az előfeltételezésen alapszik, hogy a közeg sebessége a csövekben nem haladja meg az 1 m/s-ot. Ahol: Dbelső min. = az adott szakasz csövének a belső átmérője Q = az adott szakasz folyadékszállítása Az átmérőt az alábbi szempontok figyelembevételével szükséges kiválasztani: a rendszer csővezetékeinek teljes hossza; a kollektorsorok közötti hidraulikai kiegyenlítés (ha egynél több sor van összekötve); a glikol hatása a töménység alapján (40% töménységnél a nyomásvesztés 20%-kal nő); különféle koncentrált nyomásvesztések (görbe szakaszok, szelepek, stb.); a kollektorok nyomásvesztése; a keringető szivattyúegység emelőmagassága a rendszer terv szerinti folyadékszállítása mellett; a rendszer költségei. 37
A réz esetében kiindulhatunk az alábbi táblázatból is, amely egy adott szállításhoz többféle megoldást kínál. A YOMÁSVESZTÉS KISZÁMÍTÁSA ÉS A SZIVATTYÚ- EGYSÉG KIVÁASZTÁSA A nyomásvesztés kiszámítása nem a csövek kiválasztását követő lépés, hanem sokkal inkább tekinthető azzal interaktív műveletnek abban az értelemben, hogy az itt leírtak hatására az előző lépésben már kiválasztott csövek átmérőjén módosítani kell.ennek a szakasznak a célja valójában kettős: 1. CÉ: KERIGETŐ SZIVATTYÚ KIVÁASZTÁSA Ehhez a rendszer nagyobb nyomásvesztésű szakaszával kell számolni, és ellenőrizni kell, hogy a rendszer terv szerinti teljes folyadékszállítása mellett a keringető szivattyú képes legyen a megállapítottnál nagyobb, vagy legalább azzal megegyező emelőmagasságot produkálni. 2. CÉ: KOEKTOR- SOROK HIDRAUIKAI KIEGYESÚYOZÁSA Erre akkor van szükség, ha a sorok Tickleman kapcsolással vannak összekötve. Ehhez ki kell számolni az egymással párhuzamos sorok egyenkénti nyomásveszteségét, és ellenőrizni kell, hogy az egyes sorokhoz rendelt szállítás alapján legalább hasonló legyen a nyomásveszteségük. Az alábbi táblázat mbar-ban adja meg a nyomásvesztést a csőben áramló folyadéksebességének és a ξ méretegyütthatónak a függvényében. Rozsdamentes acél gégecső használata esetén az alkalmazáshoz kisebb szállítást és kisebb távolságokat kell rendelni (kis és közepes rendszerek), az alábbi táblázat alapján: Egyszerű hosszúság... méterig (m) Szállítás (l/h) 6 15 15 22 500 15 15 15 22 1000 18 22 22 28 1500 22 28 28 28 2000 28 28 28 35 38 39