Barion Pixel

VGF&HKL szaklap

Szolár rendszerek drainback modullal I.

2013/4. lapszám | Fördős Norbert |  6081 |

Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A nyomás alatt működő szolár rendszerek alapvetően jók és elterjedtek, azonban a stagnálás sok esetben jelent gondot a kis és nagy rendszerekben egyaránt. Sajnos hiába a gondos méretezés, bizonyos alkalmazásoknál a túlhevülés megelőzésére kiegészítő intézkedések szükségesek, amelyek rontják a teljes szolár rendszer hozamát. A drainback elv azonban pont ebből a „hátrányból” próbál előnyt kovácsolni az alábbiakban bemutatott termék segítségével.

Szolár rendszerek drainback modullal I.

A nyomás alatt működő szolár rendszerek alapvetően jók és elterjedtek, azonban a stagnálás sok esetben jelent gondot a kis és nagy rendszerekben egyaránt. Sajnos hiába a gondos méretezés, bizonyos alkalmazásoknál a túlhevülés megelőzésére kiegészítő intézkedések szükségesek, amelyek rontják a teljes szolár rendszer hozamát. A drainback elv azonban pont ebből a „hátrányból” próbál előnyt kovácsolni az alábbiakban bemutatott termék segítségével.

Vegyünk egy konkrét példát: kollégium, államilag támogatott pályázaton elnyert beruházás, nagyobb melegvíz-fogyasztási igény és ennek megfelelően nagyobb méretű kollektormező. Hiába tervezik meg jól a teljes szolár rendszert, a nyári szünetben, tűző napsütésben valamit kezdeni kell a napenergia által termelt hővel. A stagnálás, valamint az abból eredő túlhevülés és gőzképződés jelentős termikus terhelést okoz a szolár berendezés egyes alkotóelemein. Ezzel szemben a drainback elv szerint felépülő szolár kollektormező csak akkor töltött, ha ez éppen szükséges, és soha sincs stagnálás. Ennek köszönhetően nem kell azt biztosítani, hogy elvezessük a felesleges napenergiát, szükségtelen a szolár kört fáradságos munkával kilégteleníteni, elmarad a szolár tágulási és előtéttartály méretezése, valamint a teljes berendezés nyomás alá helyezése. A drainback rendszer ráadásul hatékonyabb, mert magasabb a szolár nyereség a redukált puffertároló-méret mellett, így elkerülhető az utánfűtő hőtermelő felesleges indulása.

A drainback szolár modul felépítése

A drainback szolár egység egy split rendszerű modul, ahol az állomás a kollektormező, illetve a puffertároló között a kollektormezőből nyert hőenergiát a fűtővíznek adja át. A kollektormező kizárólag csak szerpentines belső kialakítású síkkollektorokból állhat; ezek darabszámát az állomásba beépített szivattyú legnagyobb maradék emelőmagassága, valamint az összekötő csővezetékek maximális hossza és átmérője korlátozza.

A drainback állomás (1. ábra) központi eleme a meghatározott űrtartalmú visszafolyó tartály, a maximálisan megengedett kollektor-darabszámra méretezett ellenáramú nemesacél lemezes hőcserélő, a szolár (P1) és puffer (P3) köri keringtető szivattyú és a programozható szolár vezérlő egység. A szolár kör előremenő és visszatérő vezetékének hőmérsékletét külön NTC (T1 és T2) méri, amelyek támogatást adnak az adott pillanatban szükséges szivattyú-fordulatszám meghatározásában.

A szolár szivattyú (P1, esetleg P2) pillanatnyi teljesítménye ahhoz az előírt értékhez igazodik, amelyet a vezérlő kívánt tároló előremenő hőmérsékletként előír. Ehhez az értékhez mindig 3 K adódik hozzá az esetleges hőveszteségek fedezésére (így ez lesz az új, parancsolt előremenő hőmérsékletérték). A szolár szivattyú a besugárzás mértékének függvényében – a saját belső fordulatszám szabályozásával – mindig megpróbálja a kívánt értéket elérni, illetve betartani. A tároló-töltő kör pufferköri szivattyújának fordulatszámát a T3 és T4 hőfokérzékelő NTC szabályozza. Mindkét kör az esetleges túlmelegedés ellen bimetálos hőmérséklethatárolóval védett (STW1 és STW2), ahol a töltési folyamat akkor indul el, ha a kollektor-érzékelő (T5) és a puffertároló alsó részén elhelyezett hőmérsékletszenzor (T6) között a hőmérsékletkülönbség elérte az előre beállított különbséget.

A szolár állomás tároló-töltő körében integrált térfogatáram-mérő található. A szolár hozam kiszámítása a térfogatáram-mérő impulzusszáma és a pufferköri hőmérsékletérzékelők (T3 és T4) közötti hőmérsékletkülönbség alapján történik. Mivel a szenzor a lemezes hőcserélő szekunder oldalán, az érzékelők közvetlen közelében található, így az a hozam is mérhető, amely valóban a puffertárolóba kerül. A szolár rendszer nyugalmi állapotában majdnem az összes szolár hőhordozó folyadék az előtéttartályban van, ilyenkor tehát a kollektorokban, illetve a szolár vezetékekben levegő található. Működés közben meghatározott mennyiségű szolár hőhordozó folyadéknak kell az előtéttartályban maradnia, ezért a rendszer tervezése során feltétlenül figyelembe kell venni a maximális csőhosszúságokat, a csővezetékek keresztmetszetét, illetve a drainback kollektorok maximális darab- számát. Bármilyen furcsa, de ez az állomás is rendelkezik biztonsági szeleppel, amely 3 bar üzemi nyomás felett fúj le. Normál esetben ez a nyomás soha nem jön létre, mert a szolár hőhordozó folyadék térfogatváltozását a szo-lár körben található levegő kompenzálja. A szolár biztonsági szelep azonban arra szolgál, hogy védelmet nyújtson az installációs és üzembe helyezési hibák ellen; például a beüzemelést végző szakember adott esetben túl sok folyadékot tölthet a szolár körbe, így nem lenne elég nagy a légpárna. Bizonyos körülmények között ilyenkor olyan magas nyomás keletkezhet a szolár körben, ami a biztonsági szelepet képes kinyitni.

A szolár állomás önműködő üzemmódjában automatikus a fűtési és melegvízkészítési üzemállapotok, illetve a T üzem közötti váltás. Ezzel a funkcióval azonban lehetővé válik, hogy a tárolót két zónában (melegvízzóna: 65 °C; fűtési zóna: 40 °C) – egy előre megadott időterv szerint – napenergiával fűtsük fel. Ha tehát be vannak állítva a kívánt hőmérsékleti értékek, a fűtési és melegvízkészítési üzem átkapcsolási pontja nem változtatható meg. A végfelhasználó által ezek az előzetes beállítások természetesen átprogramozhatók, azonban a szükséges melegvíz-hőmérsékletnek 1 K-nel magasabbnak kell lennie, mint a fűtési üzem kívánt értéke.

Főbb tervezési kritériumok

A teljes rendszer tervezése során feltétlenül szükség van az alábbi adatok ismeretére:

  • a pontos meleg víz- és fűtési hőszükséglet;
  • az épület geográfiai elhelyezkedése és a tető tájolása;
  • az épület hasznos tetőfelületei (ami egyben a maximális kollektorfelület);
  • a tető hajlásszöge;
  • a megvalósítani kívánt szolár fedezeti fok;
  • a beépítendő utánfűtő hőtermelő típusa.

A rendszer kialakításának első lépése az épület fűtési hőszükségletének kiszámítása. Egy épület fűtési hőszükséglete különböző módokon és eltérő pontossággal határozható meg. A melegvíz-igény és az épület fűtési hőszükségletének kiszámítása alapján választható meg a beépítendő hőtermelő névleges fűtési teljesítménye és a melegvízkészítéshez szükséges tároló-űrtartalom. Az ajánlatadás fázisában vagy a már meglévő rendszer tervezése során természetesen a fűtendő négyzetméterre vontakoztatott, hozzávetőlegesen megbecsült teljesítményadatokkal is dolgozhatunk. A használati melegvízigény a háztartásban élő személyek számához, illetve a használati melegvízkészítés igényéhez igazodik, azonban a napenergia a melegvízigényhez képest időben – szinte mindig – fordítva áll rendelkezésre. Az igény a gyakorlatban reggel és este a legnagyobb, amikor még vagy már kevés a szolár energia. Ezért a szolár rendszerekben használt melegvíztárolóknak készenléti funkciót is el kell látniuk, hogy a meleg víz azokban az időszakokban is rendelkezésre álljon, mikor a napenergia nem elegendő arra, hogy a tárolót felmelegítsük. Ebből, illetve a napi melegvíz-szükségletből kiindulva úgy kell a tároló nagyságát megválasztani, hogy az a tényleges szükséglet 1,5-szerese legyen. Abban az esetben, ha ismert a személyek száma, relatív könnyű – személyenként 1-1,5 m2 kollektorfelülettel számolva – a rendszer lehetséges nagyságának becslését végrehajtani. Ha csak a lakások száma ismert (társasház), nem pedig azok kihasználtsága, akkor lehetőség van arra, hogy lakóegységenként átlagosan 2,5 személlyel, illetve lakásonként NL értékkel számoljunk. Természetesen a melegvízigénnyel párhuzamosan el kell végezni a használati melegvízigény kalkulációját is.

A szolár fedezeti fok a melegvízigénynek azt a hányadát írja le, amelyet a szolár rendszernek kell fedeznie. A fedezeti fok igénye szerint megtervezett szolár rendszereket – a kollektormező nagyságán túl – alapvetően három részre oszthatjuk: „magas”, „közepes” és „alacsony”. A magas fedezeti fok arról gondoskodik, hogy nyáron ne legyen szükség az utánfűtő hőtermelőre (közepes fedezet esetén ez már csak részben vagy egyáltalán nem teljesül). Kis rendszerekben, mint például családi és ikerházak, a melegvízkészítés fedezeti foka kb. 60%-os. A nagyobb rendszereket, mint például társasházak, kempingek, sportcsarnokok vagy közületi alkalmazások, a gyakorlatban közepes fedezeti fokra (30-50%) méretezik, de természetesen ennél magasabb fedezeti igények is előfordulhatnak. Mindezekkel összevetve a drainback rendszerek előnye a magas fedezeti fokot biztosító, célzott méretezés. A következő lépés a kollektortípus, a kollektorfelület és az ahhoz illeszkedő szolár állomás kiválasztása. Ehhez a szolár rendszer elnagyolt kialakítása az alábbi ökölszabályok szerint történhet. Szolár melegvízkészítés:

  • Családi és ikerházak: személyenként 1-1,5 m2 kollektorfelület.
  • Többlakásos társasházak: lakóegységenként 1 m2 kollektorfelület.

25%-os szolár fedezethez személyenként 50 liter, 60 °C-os melegvízszükséglet esetén 0,5 m2 kollektorfelületet, 50%-os szolár fedezethez pedig 50-50 liter melegvízszükséglet (60 °C) mellett 1 m2 kollektorfelületet kell betervezni. Drainback rendszereknél magasabb fedezet választható, mert itt a túlméretezett mező a tűző nyári napsütésben sem okoz stagnálást.

Fűtésrásegítés napenergiával

A kollektorfelület meghatározása és optimalizálása csak szimulációs eszközök segítségével lehetséges. A kollektorfelület nagyságának közelítő becsléséhez azonban az alábbi két ökölszabály használható:

  • A magas szolár fedezeti fokra meghatározott melegvízigény kollektorfelületének kétszerese.
  • 1 m2 kolletorfelület 10 m2 fűtött lakófelületre.

A drainback rendszereknél a kollektormező túlméretezése a fűtésrásegítésnek kimondottan kedvez, ahol a puffertárolók kiválasztása a melegvízigényhez és fogyasztási szokásokhoz igazodik. Ehhez általában a következő kiindulási adatok használhatók.

Szolár melegvízkészítés:

  • Családi és ikerházak: űrtartalom = a napi melegvízigény 1,5-2-szeres mennyisége, de legalább 50 liter minden egyes kollektor m2-re.
  • Társasház: 1 m2 kollektorfelületre 30-80 liter tároló-űrtartalom.Napenergiával támogatott fűtésrásegítés: 
  • 1 m2 kollektorfelületre 50-80 liter tároló-űrtartalom.

25%-os szolár lefedettség esetén a szükséges tároló-űrtartalom 30-50 l/kollektormező m2, 50%-os lefedettség mellett pedig 50-70 l/m2. Többemeletes lakóépületekben 60 °C esetén napi 70 l/lakóegység melegvízigényből lehet kiindulni, így lakóegységenként kb. 1 m2 kollektorfelületet veszünk fel és 35-45% lefedettséget érünk el. Bármelyik fedezeti fokot is választjuk, a nyomás alatti rendszerekhez képest a megengedett tartományból a kisebb űrtartalmú puffer is telepíthető a drainback elvnél. (Folytatjuk)