Napkollektoros rendszerek üzeme
2013/4. lapszám | Chiovini György | 4509 |
Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Murphy törvénye szerint ami elromolhat, az el is romlik. Nem közömbös azonban a hiba következménye. Napkollektoros rendszerekben a legsúlyosabb hiba valamelyik szerkezeti rész költséges cserét igénylő meghibásodása, ami egyúttal a szoláris hozam megszűnésével jár együtt. Ez szerencsére nem fordul sűrűn elő.
Miért érdemes napkollektoros rendszerek üzemét figyelemmel kísérni?
Murphy törvénye szerint ami elromolhat, az el is romlik. Nem közömbös azonban a hiba következménye. Napkollektoros rendszerekben a legsúlyosabb hiba valamelyik szerkezeti rész költséges cserét igénylő meghibásodása, ami egyúttal a szoláris hozam megszűnésével jár együtt. Ez szerencsére nem fordul sűrűn elő.
A lehetséges hibák egy részét akár a feltűnő mértékű hozamcsökkenésből, akár más jelből rövid időn belül észleljük. Vannak azonban olyan hibák is, melyek rejtve maradnak. Hatásuk jobb esetben csekély, elhanyagolható. Rosszabb, ha a szoláris hozamot negatívan befolyásolják. Egy kisméretű, könnyen áttekinthető rendszerben az esetleges rendellenesség még mérsékelt szakértelemmel is észlelhető, szükség esetén külső szakember bevonásával megszüntethető. Más a helyzet a nagy, több hőcserélőt, szivattyút, tárolót tartalmazó rendszerekben. Az optimális működés szükséges, de nem elégséges feltétele, hogy a különböző üzemi jellemzők az előírt tartományon belül maradjanak. Az üzemállapot a napsugárzás és a hőenergia-fogyasztás függvényében dinamikusan változik. A működés megfelelőségének kritériuma, hogy jól hasznosítja-e a rendszer a napsugárzásból nyerhető energiát.
Egy napkollektoros rendszer tervezésénél helyesen járunk el, amikor a napsugárzás évszakos és napszakos változását a meteorológiai megfigyelésekből származó átlagértékekkel vesszük figyelembe. A valóságban a tényleges értékek ettől hol pozitív, hol negatív irányban eltérnek. Rendszerünk nem az átlag, hanem a pillanatnyi értékek szerint működik. A tapasztalatok szerint a napsugárzás ingadozása éves szinten jobban kiegyenlítődik, az egyes naptári évek közötti eltérés nem nagy (1. ábra). Ezért éves adatok összehasonlítása már alkalmas a nagyobb rendellenességek felismerésére. Az év egyes hónapjainak napsugárzási adatai azonban az egyes években igen jelentős eltéréseket mutatnak. Például a 2. ábrán látható májusi adatok olyan jelentősen különböznek, hogy az egyszerű idősoros összehasonlítás teljesen téves következtetésre vezethetne. Ha viszont rendelkezésünkre áll a meteorológiai szolgálat adatbázisa, akkor egy-egy hónap értékelésénél a mért értékekkel korrekciót végezhetünk. Ez hasonló ahhoz, mint amikor a fűtési energia-felhasználás értékelésénél a mért havi átlaghőmérséklet szerint történik a korrekció. Ezek a megoldások hasznosak, de pontosságuk korlátozott. Amint az egy energetikai rendszernél magától értetődő, a kimenet értékelése a bemenet mérését igényli.
    |
A szoláris hozam minősítéséhez mérni kell a napsugárzást. Ha ezt folyamatosan tesszük, akkor lehetőség nyílik az esetleges rendellenességek rövid időn belüli észlelésére, illetve megszüntetésére. A levegő hőmérsékletének mérése az épületgépészetben megszokott, széles körben használt gyakorlat. A napsugárzás erősségének mérését a napenergia hőtermelési célú hasznosítása hozta be az épületgépészetbe. A meteorológiában alkalmazott mérőeszközök közül a piranométer felel meg erre a célra (1. kép). Méri a sugárzás erősségét, azaz azt a hőmennyiséget, amely a sugárzás irányára merőleges, tökéletesen elnyelő testben keletkezik. Mértékegysége: W/m2. A műszert a kollektorral azonos tájolásban és hajlásszögben kell felszerelni.
A mért adatok alapján ki kell számítani a szoláris hozam követelményértékét. A számítást egy napra végezzük, tehát a teljesítés értékelésének időszaka egy naptári nap. A sugárzás erőssége (W/m2) napkeltétől napnyugtáig változik, a függvény integrálja adja a napi energiamennyiséget (kWh/m2/d). Ezt a kollektor csak részben nyeli el, az eltérést egy hatásfok jellegű tényező fejezi ki. Diagramban ábrázolva az egyenes hajlásszöge nem 450, hanem kisebb (3. ábra). Az egészen kis erősségű sugárzást a kollektor nem képes hasznosítani. Az elnyelt energia egy része hasznosíthatatlan, amit a diagramban az egyenes jobbra tolódása szemléltet. A megfelelő erősségű sugárzás elnyelődik a kollektorban, azonban a kollektor és a környezet közötti hőmérsékletkülönbség miatt részben veszteséggé válik. Csak a maradék energia a teljes mennyiség hasznos része. Hasonlóan veszteséggel kell számolni a kollektor-tároló-körben és a tárolóban is.
A követelményérték meghatározását a mért adatokat feldolgozó számítógépes program végzi. Az logikus, hogy minél jobban süt a nap, annál több hőt termelhetünk a napsugárzásból. A fejlesztési feladat a függvénykapcsolat meghatározása és algoritmizálása volt. Ennél szükség volt a kollektor hatásfokadataira (EN 12975). Az így készített programot számos méréssel ellenőrizték, míg gyakorlati alkalmazhatóságát igazolni lehetett. Futtatható egy külön erre a célra készített eszközben, de beépíthető a napkollektoros rendszer szabályozójába is, mint annak egy többlet szolgáltatása. Ezáltal a szabályozó mintegy önértékelést is végez. Amellett, hogy irányítja a napsugárzás energiája hasznos célra való felhasználásának folyamatát, jelzi, ha valamilyen okból rendellenes szoláris hozamcsökkenés lépett fel. A módszert 2012-ben a VDI 2169 irányelvben rögzítették.
A módszer alkalmazásához megfelelnek az üzemi mérőeszközök is. Ezeken túlmenően csak akkor kell még néhány mérési pontot kialakítani, ha azt egyébként a terv nem tartalmazta (4. ábra). (Kivétel a piranométer, ami a napsugárzást méri.) Ha a rendszer jól működik, a mért és számított értékek között alig van eltérés. Ezt azzal lehet szemléltetni, hogy a diagramban az összetartozó napi értékek egy egyenesen helyezkednek el. A napi szoláris hozam ugyan változik, de mindig arányos a napi napsugárzással. Akkor lesz más a kép, ha valamilyen hiba miatt a mért hozam jelentősen kisebb a számított követelményértéknél. Az ilyen adat nem az egyenesen, hanem a vízszintes tengelyhez közelebb található (5. ábra).
A gyakorlati megvalósítás során a nem megfelelő működés jelzése nem szükségképpen diagram alakban történhet. Egy épületfelügyeleti rendszerben ennek nincs akadálya. Ha a módszer a szoláris szabályozó kibővített funkciójában realizálódik, akkor a jelzés történhet a kijelzőn szövegesen vagy grafikusan, de kapcsolódhat ehhez valamilyen alkalmas távjelzés (hibaüzenet) is. Léteznek a szabályozókhoz kapcsolódó, megjelenítő hardver és szoftver eszközök is.
A hozamveszteség megszüntetéséhez ismerni kell a kiváltó okot vagy okokat. Ez nem mindig egyszerű. Különösen azoknál a hibáknál nem, melyek csak bizonyos üzemállapotban, működési szakaszban jelentkeznek. Hasznos ilyenkor, ha a szabályozó adatgyűjtő funkcióval is rendelkezik, például memóriakártyára írja a legfontosabb üzemi jellemzőket.
A fejlesztés során előfordult eset jól szemlélteti a módszer lényegét és előnyét. A kísérleti eszközt egy 276 m2-es kollektormezőből és három, egyenként 4 m3-es pufferből álló, használati meleg vizet termelő rendszerhez telepítették. A kollektorok külső hőcserélővel kapcsolódtak a pufferekhez. Hasonlóan ehhez, a pufferek is külső hőcserélőn keresztül fűtötték fel a HMV-tárolókat. A mérő és értékelő egység hibajelzést generált, ha a tényleges hozam meghatározott értékkel kisebb lett a számított követelményhez képest. A hibajelzés alsó határértéke 0,3 kWh/m2d volt. Ha a különbség meghaladta a 0,6 kWh/m2d-t, akkor ezt riasztásként kezelték. Az adott időszakban, augusztusban a rendszer naponta 500-750 kWh hőenergiát termelt, a fajlagos érték 2-3 kWh/m2d körül alakult. Amikor a riasz-tást észlelték, a napi termelés visszaesett 250 kWh alá (6. ábra).
Az üzemi mérőeszközök utaltak a jelenség magyarázatára, a pufferek túlmelegedtek, a szabályozó leállította a kollektorokból történő felfűtést. Ugyanakkor az épület HMV-fogyasztása nem változott, tehát a hőigény fennállt. A hiányzó szoláris hozamot a kisegítő forrás pótolta. A hibát a pufferek szekunder (ivóvíz) oldali hőcserélőjének, illetve az eléje beépített szűrőnek az eltömődése okozta. A vízkő miatt lecsökkent a térfogatáram, a hőcserélő teljesítménye is csökkent. Ez okozta a pufferek túlmelegedését és az ebből eredő felfűtés-korlátozást. A vízkőmentesítés, szűrőtisztítás után a megfelelő működés helyreállt. (Folytatjuk)
