Napkollektorok - elméleti alapok

Magyarországon a klimatikus adottságok miatt egész éves melegvíz-ellátásra a zárt rendszerű házi melegvízellátó rendszerek használhatóak. A zárt rendszer azt jelenti, hogy a napkollektorban a hőgyűjtő közeg zárt csővezetékben kering (függetlenül a használati melegvíztől), a Napból nyert energiát hőcserélőn keresztül adja át a használni kívánt víznek. A hőgyűjtő közeg olyan anyag, mely a legnagyobb téli hidegben sem fagy meg, ezért télen is használható, nem kell leüríteni. Ez az anyag tipikusan megfelelően alacsony fagyáspontra beállított fagyálló folyadék.

Elégtelen mennyiségű hőenergia begyűjtésekor lehetőség van a tartályban elhelyezett elektromos fűtőbetéttel előállítani a meleg vizet. A fűtőbetét működését hőérzékelőkkel vezérelt elektronika szabályozza. A vezérlő elektronika szabályozza a keringető szivattyú működését is. Csak abban az esetben engedi a keringetést, ha megfelelő hőmérsékletkülönbség alakult ki a napkollektor és a tartály vize között.

Magyarországon gazdaságosan az egész éves szükségletet tekintve kb. 70%-os melegvízelőállítás érhető el a Nap erejével. Ez az adat tapasztalati méréseken és gazdaságossági számításokon alapul. A napenergiával nyert melegvíz-ellátás sohasem lesz folyamatos. Nyáron is vannak borúsabb, hűvösebb napok, télen pedig átlagosan kevesebb a napsütéses napok száma, sokkal rövidebbek a nappalok, kisebb a Nap ereje (alacsonyabb szögből süt a Nap). Kiegészítő fűtésre tehát mindenképpen szükség van a folyamatos, zavartalan melegvíz-ellátás érdekében. Ez történhet alacsony hőmérsékletű kazánnal vagy elektromos fűtőbetéttel. A mi általunk forgalmazott rendszerekben a kisegítő fűtéshez minden esetben elektromos energia szükséges. Az alacsony hőmérsékletű kazánnal történő kiegészítő fűtés esetén olyan tartályra van szükség, melybe két egymástól független hőcserélő van beépítve, az egyik a napkollektor, a másik a kazán hőjét fogadja. Ekkor természetesen a vezérlő elektronika is bonyolultabb. Ilyen két hőcserélős tartályt kell alkalmazni alacsony hőmérsékletű fűtés napkollektoros fűtésrásegítésénél is. Mindíg az alsó hőcserélőre kell kapcsolni a napkollektort, a felsőre pedig a kazánt. A vezérlő elektronika gondoskodik róla, hogy a kazán csak akkor kapcsoljon be, ha a napkollektorból nem gyűlt össze elegendő hőmennyiség.

A fent leírt zárt rendszer zavartalan működéséhez elengedhetetlen a rendszert nyomás alatt tartani és légteleníteni. A fellépő magas hőmérsékletek miatt (nyáron akár 160°C is lehet a napkollektor hőmérséklete!) a légtelenítő szelepet nem szabad automata üzemmódban működtetni, mindíg a légtelenítés idején néhány percre szabad csak kinyitni. A tágulási tartályt és a keringető szivattyút pedig a rendszer legmélyebb, leghidegebb pontján kell elhelyezni a rendszerhez mellékelt telepítési útmutató figyelembe vételével. A rendszer karbantartási munkálataihoz tartozik még a fagyálló folyadék fagyáspontjának az ellenőrzése, szükség esetén újbóli beállítása minden ősszel.

Napkollektorból sokféle létezik. A magyarországi klimatikus viszonyokra mi a vákuumcsöves napkollektort javasoljuk. Jelenleg ez a legfejlettebb technológia.

A fenti kép a síkkollektor és a csöves kollektor összehasonlítását mutatja délben. Merőlegesen beeső napsugárzás esetén nincs különbség a hőhasznosításban. A lenti képen láthatóan ettől eltérő időpontban, délelőtt vagy délután ferde szögben beérkező napsugárzás a síkkollektoron csak részben hasznosul, míg a csöves elrendezésnél a napsugárzás ilyenkor is merőlegesen esik be ugyanakkora felületen hasznosulva, mint délben.

A csöves elrendezésű kollektorok maximális hőhasznosítása egy hosszabb időszakban közel azonos, mérések alapján délelőtt és délután van egy enyhén kiemelkedő maximumuk, míg a síkkollektoroknak csillagászati délben, amikor a napsugarak pontosan 90°-ban érik el a földet, van a maximumpontjuk, a nap többi részében alacsonyabb mértékű a hőhasznosításuk. Ez olvasható le az alábbi grafikonról is.

A csöves napkollektorokban a csöveket a jobb hőhasznosítás érdekében vákuummal szigetelik el a külvilágtól, és abszorpciós réteggel vonják be, hogy a begyűjtött meleget minél jobban benn lehessen tartani, minél kisebb legyen a környezetbe vissza- ill. kisugárzott hőveszteség. A vákuumcsövek hőhasznosítása a következő ábrán látható.

Vákuumcsöves napkollektor felépítése:

A vákuumcsöves napkollektor működési elve a következő :

Egymással párhuzamosan kapcsolt fűtőcsövek (heat pipe-ok) kapcsolódnak egy hőgyűjtő idomba. A fűtőcsövek gyűjtik össze a nap melegét (hőenergiát), azt átadják a hőgyűjtő idomban lévő folyadéknak. A napkollektorban így megmelegedett folyadékot vezetjük a melegvíztároló hőcserélő csőkígyójába, ahonnan lehűlve, energiáját a használati viznek átadva tér vissza. A napkollektorban mindíg ugyanaz a folyadék kering, ezért nevezzük ezt a rendszert zárt rendszernek.

A hőgyűjtő idomba a fűtőcsövek (heat-pipe-ok) fejrésze csatlakozik. A hőgyűjtő idomban lévő furat, melybe a fűtőcsövet kell beilleszteni, le van választva a kollektorban keringő hőszállító folyadéktól. Ez azt jelenti, hogy a hőgyűjtő idom összekötve a hőcserélővel feltölthető (és ellenőrizhető) a fűtőcsövek behelyezése nélkül is. Továbbá azt is jelenti, hogy a fűtőcső esetleges meghibásodásakor (például az üveg eltörésekor) nem kell megbontani semmilyen folyadékhálózatot. A vákuumcső egyszerű kihúzással illetve betolással cserélhető. A jobb hőátadás érdekében a fűtőcső behelyezésekor a fejrészt hővezető pasztával kell bekenni, és úgy behelyezni.

A hőgyűjtő idomhoz kapcsolódóan az idom mellett egy vékony rézcső látható: ebben helyezkedik el a hőmérő szonda, mely az elektromos vezérléshez kulcsfontosságú adatot szolgáltat. A keringetést az elektronikus vezérlő áramkör csak akkor engedélyezi, ha az itt mért hőmérséklet magasabb, mint a használati melegvíztárolóban mért érték. Ezzel biztosítva azt, hogy ha nincs hőtermelés, akkor ne hűljön ki a használati melegvíztárolóban lévő melegebb víz.

• A napkollektorok alkalmazhatóak még alacsony hőmérsékletű fűtés kiegészítő táplálására akár lakóházakban akár állattartó telepeken vagy növényházakban, ipari létesítményekben, nyaralóépületek temperálására (fagymentesen tartására) vagy nyáron medencék vizének a melegítésére.

A fűtőcsövekbe gyárilag olyan folyadékkeveréket töltenek, melynek forráspontja alacsonyabb a víz forráspontjánál. Amikor a fűtőcső hőmérséklete a folyadékkeverék forráspontja fölé emelkedik, a csőben lévő folyadék légnemű halmazállapotúra változik. Ez a gáz gyorsan tud áramlani a fűtőcső hőátadó végéhez (fejrész). Ott a hőgyűjtő idomban keringetett folyadéknak átadja a begyűjtött hőenergiát, lehűl és újra folyadék halmazállapotúra változik. A folyadék visszafolyik a fűtőcső aljába, ahol újra melegszik és újra gőzzé alakul. Ilymódon kialakul egyfajta cirkuláció a fűtőcsőben. Felül melegebb gáz, alul hűvösebb folyadék. Ha a gáz lehűl, újra folyadék lesz belőle. Ha a folyadék felmelegszik, újra gáz lesz belőle. A gáz mindig felülre törekszik, a folyadék mindig lefelé folyik. Ezért kell a fűtőcsöveket mindig lejtéssel felszerelni.

A fűtőcsöveket rézből készítik, alumínium fűtőbordával körbeveszik. A fűtőborda - a rézcső eredeti felszínéhez képest - nagyobb felületével meggyorsítja a rézcsőben lévő folyadék hőfelvételét. Az így előkészített rézcsövet olyan üvegcsőben helyezik el, mely duplafalú, a belső cső külső felülete abszorber-réteggel van bevonva a jobb hőhasznosítás érdekében. (Az abszorber réteg olyan gőzölt fémréteg, mely sok hőt képes elnyelni, de keveset ver vissza.) A fűtőborda egyben a rézcső üvegcsövön belüli pozícionálását is hivatott szolgálni. A két üvegcsövet légmentesen lezárják, közülük a levegőt kiszívják (vákuumot állítanak elő). Ez a vákuum az abszorber-felületet is védi a mechanikai sérülésektől. Az üvegcső közepébe helyezett rézcsövet hőszigetelő dugóval szigetelik el a külvilágtól. A fűtőcső a dugóból kinyúló résszel (fejrész) kapcsolódik a hőgyűjtő idomhoz. A vákuum nagyon jó hőszigetelő, ezért ez a fajta napkollektor még télen, napos időben, fagypont alatti hőmérsékleten is tud hőenergiát begyűjteni. A fűtőcsőben lévő folyadék forráspontja ennek figyelembe vételével megfelelően alacsony hőmérsékletre lett tervezve.

A folyamatos üzemű zárt rendszerű házi melegvízellátó rendszerek tartálya a napkollektortól távolabb kerül elhelyezésre. Az optimális kialakítás a tartályokra nézve a minél magasabb, és ennél fogva minél keskenyebb forma. Ekkor a legjobb a napkollektorból érkező hőmennyiség átadásának a hatásfoka. Magasabb tartály esetén könnyebben ki tud alakulni hőcirkuláció, mely elősegíti a hőmennyiség gyorsabb átadását, a hőcserélő tekercsben áramló forró közeg gyorsabb hűlését.

A tartály anyaga nyomás- és korrózióálló rozsdamentes acél. A hőveszteségek csökkentésére a tartály hőszigetelő réteggel van körülvéve. A vezetékes vízből történő vízkölerakódás csökkentése érdekében az elektromos fűtőbetéttel együtt aktív anód van beépítve ugyanúgy, mint a villanybojlerekben.

Abban az esetben, amikor a fűtésrásegítés alacsony hőmérsékletű kazánnal történik, a tartályban az elektromos fűtőtest fölötti térben elhelyezett második hőcserélőre vezetjük a kazán hőjét.

A tartály tetején lévő biztonsági szelep a vezérlő elektronika meghibásodása esetén jut csak szerephez : ha a víz felforrna és túlnyomás alakulna ki a tartályban, ez a szelep vezeti le a "fölösleges" gőzt. (Olyan, mint a kukta biztonsági szelepe.)

A napkollektorok rögzítő szerelvénye rozsdamentes acélból készül. Kialakítása olyan, hogy ferde tetőre a tetőfedő cserepekre kampókkal felakasztható. Egyszerűen szerelhető. Használatával a fűtőcsövek stabilan rögzíthetők. Több napkollektor egymással sorba köthető. Opcionálisan kapható olyan kiegészítő szerelvény is, mellyel lapos tetőre ill. sík felületre állítható fel a napkollektor.

Felszerelése nem igényel különleges szakértelmet, csak óvatosságot. Óvatosságot egyrészt a tetőn való mozgáskor a baleset elkerülésére, másrészt a fűtőcsövek behelyezésekor a fűtőcsövek sérülésének, az üveg törésének a megelőzésére.

A napkollektoros rendszerek telepíthetők úgynevezett drain back tartállyal is. A következő ábra egy ilyen elrendezést mutat. Az ábrán D=drain back tartály, B= biztonsági szelep, F=feltöltő szelep, P=keringető szivattyú. Az M pontnak kell a legmagasabban lennie, onnan mindkét irányba lejtenie kell a csöveknek illetve a napkollektornak.

A "drain back" kifejezés vízvisszavezetést jelent angol nyelven. A drain back tartály egy olyan nyílt tágulási tartályból kialakított víztartály, mely összegyűjti és tárolja a napkollektorban keringő vizet olyankor, amikor nincs keringetés (nincs hőgyűjtés). A "vízvisszavezetés" gravitációs elven működik, ebből következik, hogy a napkollektornak kell lennie a legmagasabb ponton, hogy nyugalmi időszakban (amikor nem megy a keringetés) a víz vissza tudjon csurogni belőle a drain back tartályba. Ezt a tartályt a zárt tágulási tartály helyett kell a napkollektor körébe építeni, a legmagasabban fekvő fagymentes helyre a visszatérő ágba. Ebben az esetben természetesen nyomásmérőre, visszacsapó és légtelenítő szelepre sincsen szükség. Egy (kisebb nyomásra nyitó!) biztonsági szeleppel a drain back tartály feltöltő nyílása üzem közben lezárható, így elkerülhető a természetes párolgással történő vízvesztés a rendszerből.

Mivel a víz mindig fagymentes helyen tartózkodik, csak olyankor érintkezik a napkollektorral (ami esetleg fagyos környezetben, de feltétlenül hőszigetelt csővezetékekkel van kiépítve), amikor annak hőmérséklete magasabb a tartályban tárolt vízénél, ezért a kollektorkörben nincs szükség fagyálló folyadék alkalmazására. Ez egyrészt környezetkímélő, másrészt olcsóbbá teszi az üzemelést. A rendszer nagy előnye, hogy utántöltésnél egyszerűen rá lehet csatlakozni a vízvezetékre, arról fel lehet tölteni a kollektorkört a kívánt mértékben.

Hozzá kell azonban tenni, hogy a drain back rendszer üzemeltetésének vannak hátrányai is. Az egyik hátránya, hogy ha nem megoldott a teljesen lágy vízzel való feltöltés és utántöltés, akkor idővel a csővezetékek belső falán vízkőlerakódás tapasztalható, ami rontja a napkollektor hatásfokát. (Léteznek olyan vízlágyító berendezések, amelyek a bejővö kemény vízből az egész háztartás számára lágy / lágyított vizet állítanak elő. Ez egyébként minden vízmelegítéssel működő háztartási berendezés számára hasznos beruházás.) Másik hátrány, hogy a keringető szivattyút sokkal gondosabban kell méretezni. A nagy víztömeg áramlásának az elindítása sokkal nagyobb sokk a szivattyú számára, mintha teljesen zárt folyadékoszlopot kellene csak megmozgatni. Ezért lehetőleg olyan teljesítményű szivattyút kell választani (és a szivattyúnak olyan fordulatszámot), hogy szikrázó napsütésben a keringetés a kollektorkörben állandó legyen, ne kelljen a szivattyúnak sokszor elindulni és leállni. Ezzel együtt is a drain back tartállyal telepített napkollektoros rendszerekben valamelyest rövidebb a keringető szivattyúk várható élettartama, mint egy zárt tágulási tartályos napkollektoros rendszerben.

Drain back tartály kialakítása nyílt tágulási tartályból nagyon egyszerű : A visszatérő vízág csővezetékét felülről ferdén be kell lógatni a tartályba teljesen a tartály aljáig azért, hogy a keringetés alatt a víz ne csobogjon, mint egy zajosabb szökőkút. A belógatott csövet a tartály feltöltő nyílásánál magasabb szinten át kell fúrni azért, hogy a keringetés elindulásakor a vízoszlop előtt tolt levegő ki tudjon szelelni, ne bugyburékoljon, mint egy fuldokló búvár. Az így elkészített tartály "zaja" már elviselhető, akár aludni is lehet mellette (nappal alvóknak).

Természetesen nem mondhatjuk azt, hogy csak az egyik vagy csak a másik fajta napkollektor jó. Mindegyik begyűjti a Nap melegét, különböző hatásfokkal. (Nyáron akár egy fekete hordóval is előállítható a szükséges melegvíz, mint legolcsóbb megoldás.) Mindegyiknek vannak előnyei és hátrányai. A síkkollektor alacsonyabb hőmérsékletre egy kicsit jobb hatásfokkal dolgozik, mint a vákuumcsöves. Tehát ha csak medencefűtésre akarjuk használni (ami kb. 30°C-os hőmérsékletet jelent), akkor a síkkollektort érdemesebb felszerelni. Viszont ha ugyanezt a napkollektort télen fűtésrásegítésre akarjuk használni, akkor már megfontolandó a vákuumcsöves jobb téli termelése. Ha használati melegvizet akarunk előállítani, és azt szeretnénk, hogy jó forró vizünk legyen, amiben mosogatni is lehet további ráfűtés nélkül, akkor egyértelműen a vákuumcsövest kell választanunk.

Vákuumcsöves kollektorból is többféle létezik. A mi cégünk nem véletlenül tette le a voksot a heat-pipe rendszerű mellett. Az U-csövesben ugyanis ha nem megfelelő hőmérsékletre beállított fagyálló folyadékot keringetünk (A fagyálló folyadéknak véges az élettartama, minden évben ellenőrizni kell a fagyáspontot! Pont úgy, mint a gépjárművek esetében!), akkor a folyadék belefagyhat, és az olcsónak tűnő beruházást néhány tél elmúltával megismételni enyhén szólva is luxus. Nem beszélve arról a javítási kényelmetlenségről, hogy az U-csöves vákuumcsöves napkollektorok esetén egy-egy cső cseréjéhez is (ha egyáltalán cserélhető) le kell ereszteni a fagyállóval kevert vizet, ami a környezetet szennyezi és az újbóli feltöltés a pénztárcánkat apasztja. Ezzel szemben a heat-pipe rendszerű vákuumcsöves napkollektor üvegtörés esetén is tovább tud működni, a maradék ép csövek továbbra is ugyanúgy gyűjtik be a meleget, csak a törött cső termelése esik ki. A törött cső cseréje üzem közben megoldható, nem kell leereszteni a gyűjtőkörből a folyadékot, vízkör megbontása nélkül szervizelhető.

Ezenkívül nézzük meg, milyen régi cégtől vásárolunk. Egy újonnan alakult cég nem biztos, hogy két év múlva is a piacon lesz. A garanciális igényeket, vagy egész egyszerűen a pótalkatrészt akkor honnan fogjuk beszerezni? Egy régebb óta a piacon levő cég esetén nagyobb a valószínűsége, hogy a későbbiekben is jól gazdálkodnak, talpon tudnak maradni, és lesz kinél reklamálni, esetleg bővítési szándékainkat megvalósítani.