Drainback-rendszerek csőhálózat-számítása
2013/12. lapszám | Fördős Norbert | 4056 |
Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A VGF szaklap idei kiadványaiban több alkalommal cikkeztünk a fűtésrásegítésre, illetve nagyobb rendszerek napenergiával támogatott használati melegvíz-készítésére is használható drainback szolár állomás működéséről és alkalmazási lehetőségeiről. Témakörünk lezárásaként most egy konkrét példán keresztül mutatjuk be a felhasználási lehetőségek szempontjából az egyik legfontosabb tényező, a csőhálózat-számítás lépéseit.
Amennyiben egy rendszernek csak előnyös tulajdonságai lennének, akkor nyilvánvalóan csak azt alkalmaznánk. Sajnos a napenergia-hasznosítás területén ilyen száz százalékos megoldás (még) nincs, így a telepítési körülmények, illetve a felhasználás módjának figyelembevételével kell az adott feladat követelményeit tökéletesebben teljesítő rendszerkoncepciót kiválasztani.
Közismert tény, hogy a nyomás alatt működő szolár berendezésekben a stagnálás, valamint az abból eredő túlhevülés és gőzképződés jelentős termikus terhelést okoz a szolár rendszer egyes alkotóelemein. A stagnálás egy teljesen természetes, mégis nem kívánt jelenség a nyomás alatt működő szolár berendezéseknél, így kézenfekvő az olyan típusú megoldás előtérbe helyezése, amelynél eleve kizárt ez a fizikai folyamat. Erre – adott esetben – a drainback-elv szerint felépülő szolár kollektormező megfelelő lehet, mert csak akkor töltött, ha ez éppen szükséges, így ott 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, valamint a teljes rendszer is kevesebb tervezési műveletet igényel, mert alapvetően csak az előírt telepítési szabályokat kell betartani. Nyomásmentes a szolár kör, így nem kell sem attól tartani, hogy levegő szorul a szolár körbe. A drainback-elvvel jelentősebb kockázat nélkül, rugalmasan kombinálható egymással a kollektorfelület és a tároló-űrtartalom, ennek köszönhetően egyszerűbb a pályázati támogatás előírásainak vagy azok követelményeinek teljesítése, illeszkedve az adott épület specifikus jellemzőihez.
Általános tudnivalók
Azok a gyártók, akik drainback-elven működő szolár berendezéseket kínálnak, általában táblázatos formában előre megadják, melyek az alkalmazási korlátok (maximális geodetikus magasság, felhasználható hasznos belső csőátmérő, az előremenő/visszatérő szolár vezetékek maximális hossza, a vízszintes szakaszokra előírt minimális lejtés). Sajnos a gyakorlatban automatikusan nem mindig használható azonnal minden, előre leírt adat (ennek oka lehet figyelmetlenség, de sokszor a speciális helyi adottság), ezért sokszor előfordul, hogy a kollektormező és a drainback-állomás közötti csőhálózatot teljes részletességgel méretezni kell. Ez az eljárás – első ránézésre – talán bonyolult, de ha megismerjük a számítási lépések hátterét, utólag már nem lesz az.
Kiindulási feltétel, hogy a rendszer legmagasabb (a kollektormező felső éle), illetve legalacsonyabb (a szolár töltőállomás alsó éle) pontja közötti geodetikus magasságkülönbség nem lehet nagyobb a gyártó által megadott értéknél (ellenkező esetben a szivattyú emelőmagassága nem lesz elegendő). A kollektormező és a szolár töltőállomás közötti összekötő vezetékeket úgy fektessük, hogy a lejtés semmilyen esetben se legyen 4%-nál (4 cm/m) kisebb, mert a szolár hőhordozó közeg megfelelő átfolyását csak így lehet biztosítani. A minimális mértékű lejtés tartása természetesen a kollektormező esetén is érvényes, amelyhez a kollektor-rögzítősínt kell egyik végével a tetőhorgon néhány centiméterrel ferdén eltolni.
Annak érdekében, hogy minimalizálni lehessen a hőveszteséget, a szolár állomást a lehető legközelebb kell a kollektormezőhöz elhelyezni (a minimálisan betartandó távolság 1 m), és a tervezés során feltétlenül vegye figyelembe a csővezetékek és azok keresztmetszeteinek maximálisan megengedett méretét a szolár, illetve a tároló-töltő körben. A számítási lépések könnyebb és jobb átláthatósága érdekében nézzünk egy konkrét rendszerkialakítási példát 6 db drainback síkkollektor és egy 2×3-as elrendezésű kollektormező esetén.
A csőhálózat kialakítása során mindenképp vegyük figyelembe, hogy
- a szolár rendszer üzeme alatt elegendő hőhordozó folyadék (6 liter) maradjon az előtéttartályban, ezért ki kell számolni a csőhálózat és a kollektorok űrtartalmát (1. lépés). A tartály folyadékszintje soha sem csökkenhet a szolár szivattyú „tengelyszintje” alá (szárazon futás), és ügyelni kell mindig arra is, hogy ne szakadjon meg a folyadékoszlop folytonossága;
- a csőhálózat nyomásvesztesége nem lehet magas, mert a töltés során a maximum 6 méteres geodetikus magasságkülönbséget is le kell győzni (2. lépés);
- High-Flow üzemben a rendszer nyomásvesztesége nem lépheti át a megadott határokat (3. lépés).
Az előbbiekben felsorolt pontok kirészletezve az alábbi számítási eredményeket adják:
1. lépés: Űrtartalom-kritérium
Drainback állomás: 14 liter (effektív, ugyanis 6 liter folyadéknak a tartályban kell maradnia).
2 mező 3 db kollektorral: 2×4,9 liter = 9,8 liter (lásd 1. táblázat, 3. sor).
A csőhálózatban rendelkezésre álló űrtartalom: 14 liter – 9,8 liter = 4,2 liter.
Maximálisan lehetséges csőhossz: DN 15 esetén – 4,2 liter / 0,18 l/m = 23 m (lásd 2. táblázat, 3. sor (6 db kollektorra).
Az 1. táblázat harmadik sora – a kollektorok darabszáma mellett – a hidraulikus össze- és bekötőidomok belső űrtartalmát is figyelembe veszi. A kollektorok közötti összekötő vezeték hasznos keresztmetszete – bizonyos esetekben – kisebb lehet, mint a gerincvezeték névleges csőátmérője. Ha túl hosszú a kiépítendő szolár előremenő/visszatérő vezeték hosszúsága, akkor az átmérő kismértékben csökkenthető, de ilyenkor figyelembe kell azt is venni, hogy az áramlási sebességet 1 m/sec alatt javasolt tartatni (és ha a High-Flow üzem nyomásvesztesége már túl nagy, érdemes Low-Flow üzemmel számolni).
2. lépés: A maximális csőhosszúság számítása
A maximális csőhosszúságot a High-Flow üzem felhasználható emelőmagassága korlátozza. A 6 db kollektor (40 l/óra/m²) = 564 l/óra (tehát 6×2,35 m² × 40 l/óra/m²) = 75 kPa felhasználható emelőmagasság (lásd az 1. ábrán szereplő szivattyú-diagramot).
A 3 db kollektorból álló kollektormező = 25 kPa (lásd 1. táblázat, 4. sor).
Csőhálózat felhasználható emelőmagassága: 75 kPa – 25 kPa = 50 kPa.
Maximálisan lehetséges csőhossz: DN 15 esetén – 50 kPa / 1,21 kPa (lásd 2. táblázat, 4. sor) = 41 m.
3. lépés: A maximális csőhossz számítása (a töltés nyomásvesztesége korlátozza)
Egy 2 soros, 3 db kollektorból álló mező esetén: 2×85 l/óra = 170 l/óra = 100 kPa felhasználható emelőmagasság (a 85 liter/óra tapasztalati érték: ennél a sebességnél a levegő még nem szorul meg a hálózatban).
A csőhálózat felhasználható emelőmagassága: 100 kPa – 64 kPa (lásd 1. táblázat, 5. sor) = 36 kPa.
Maximálisan lehetséges csőhossz: DN 15 esetén – 36 kPa / 1,21 kPa (lásd 2. táblázat, 4. sor) = 29 m.
A három számítási eljárás végeredményeit összehasonlítva a maximálisan lehetséges csőhossz: 23 m (az űrtartalom-számítás legkisebb értéke).
