Miért érdemes

napkollektoros rendszerek üzemét figyelemmel kísérni? III.

2013/5. lapszám | Chiovini György |  7458 |

Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Cikksorozatunk befejező részében a felfűtés, tárolás, hőleadás, kivitelezés és üzemeltetés kérdéseit vesszük górcső alá.

A szoláris hőtermelés skálája nagyon széles. Ha egy locsolótömlőt a tűző napon hagyunk, a benne lévő vízzel együtt felforrósodik. Ez napkollektoros rendszernek még nem nevezhető. Az a legegyszerűbb esetben kollektort, tárolót, kollektorköri keringtető szivattyút és egy vagy két hőcserélőt tartalmaz (1. ábra). Több funkciót lát el és lényegesen több szerkezeti egységből áll egy nagy épület használati meleg vizet termelő és fűtésrásegítésre is szolgáló rendszere, ha még a HMV-cirkuláció is a rendszerhez tartozik (2. ábra).

Minden elrendezésre és nagyságrendre igaz, hogy a működés két részfolyamatra osztható: a tárolót felfűtjük, illetve a tároló hőt ad le. A szoláris hőforrás a kollektormező. Méretezési feladat a kollektortípus kiválasztása és a szükséges darabszám meghatározása. El kell dönteni a kollektorok hidraulikai kapcsolását, a kollektorköri keringtetés kialakítását. Sokkal több szabadsága van a tervezőnek a tárolás megtervezésénél. Ez szorosan összefügg azzal, hogy milyen hőfogyasztók (használati meleg víz, helyiségfűtés, medencefűtés, technológia) ellátásáról kell gondoskodni. Ehhez hasonló adottság a rendelkezésre álló vagy megválasztandó kiegészítő fűtés.

Nagy rendszernél rendszerint egynél több tárolót alakítunk ki. Rendeltetés szerint beszélünk szolár, fűtési, HMV- és kombi tárolóról. A fogyasztó ellátása történhet közvetlenül a tárolóból, vagy a tárolt víz utánfűtésével. Nagyobb épületnél általános gyakorlat a HMV-cirkuláció. Ez lehet a szoláris rendszer része, és attól független is. Sokféle hidraulikai elrendezés képzelhető el aszerint, hogy a pótfűtés, illetve a fogyasztók melyik tárolóhoz, annak melyik részéhez kapcsolódnak. Előnyös lehet, de növeli a szabályozás bonyolultságát, ha a betáplálás és/vagy elvétel az üzemállapottól függően más tárolóba (tárolóból) vagy a tároló más pontján történik.

Az üzemeltetés során előbb-utóbb szembetaláljuk magunkat azzal a problémával, hogy valamilyen rendellenességet kell megszüntetni. A jelenség lehet feltűnő, de az ideig-óráig rejtve maradt hibák is kiderülnek. A legtöbb esetben az egyik következmény a szoláris hozam csökkenése (3. ábra). A végső ok megtalálása lehet egyszerű, de vannak különösen nehéz problémák is. A hibakeresés egy lehetséges módszere a folyamatok szerinti elemzés.

Felfűtés

A tároló felfűtése két forrásból történhet. Elsődleges a szoláris forrás, de szükség lehet a napsugárzással nem fedezett hőigény kielégítéséhez egyéb hőforrásra is: villamos fűtés, kazán, távhő. Ez egyben már az első hibalehetőség is. Felesleges költséget jelent, ha a pótfűtés szükségtelenül működik, és emiatt a kollektor kihasználatlan lesz [1]. A napsütés napszakos jellege miatt a szoláris felfűtés időszakos. Mivel a hőigény sem feltétlenül állandó, megengedhető a tároló átmeneti lehűlése. Nem indokolt, hogy pótfűtéssel a tároló hőmérsékletét mindig a fogyasztáshoz igazodó értéken tartsuk. Meghatározhatunk időszakokat (időablakokat), amikor a pótfűtés nem működik. Ha a pótfűtést blokkoló beállítás elmarad [1.1], vagy az időablakok megválasztása célszerűtlen [1.2], a szoláris hő helyett a gáz- vagy villamos energia fogy.

Ez a módszer nem veszi figyelembe a napsugárzás, illetve a fogyasztás dinami- káját. Egy fejlettebb szabályozási stratégia segítségével növelhető a szoláris részarány. A szabályozó figyeli és értékeli a felfűtés és hőleadás folyamatát. Ha a várható szoláris hozam lehetővé teszi, késlelteti a pótfűtés beindulását. A tároló ugyan kissé jobban lehűl, de ezzel mintegy lehetőséget teremt a felfutó napsugárzás kihasználására. Így a melegvíz-komfort és a költségtakarékosság egyszerre érvényesül.

A szoláris hőtermelés szempontjából a hozam növelése a cél, ugyanakkor a teljes rendszer optimuma ezt még felülírhatja. Olyan kialakításra kell törekedni, ahol a hagyományos energiahordozó-megtakarítás maximális. Ehhez a kazánüzem gazdaságossága is szükséges. Adott esetben fűtésrásegítésnél a szoláris részarány bizonyos csökkenése bőven megtérül a kazánüzem veszteségének jelentős mérséklődésén keresztül.

A tároló szoláris hővel való felfűtésénél előforduló hibák két csoportra oszthatók:

• a kollektor teljesítménye nem megfelelő [2],
• bár a kollektor megfelelő, a tároló felfűtése mégsem az [3].

A napsugárzás felmelegíti a kollektort, az abszorbert. Romlik az optikai hatásfok, többletveszteség lép fel, ha a síkkollektor takaróüvege, illetve a vákuumcsöves kollektor üvegcsöve szennyezett [2.1]. Ugyancsak csökkenti a felmelegedést, ha az abszorber felületi minősége, abszorbciós jellemzője megváltozik, és emiatt kevesebb hőenergiát vesz fel [2.2]. Állandósult állapotban az abszorber által felvett és leadott hő megegyezik. Szokásos körülmények között az abszorber melegebb a környezeténél. Emiatt a hő egy része a környezetbe távozik, nem hasznosul. Mivel arra törekszünk, hogy a szoláris hőt minél nagyobb mértékben hasznosítsuk, a környezetbe távozó hő csökkentése fontos követelmény. Ezért kell a kollektort hőszigetelni. Egy lehetséges hiba a hőszigetelése romlása [2.3]. Több mezőből álló, nagy kollektorfelületnél hozamveszteséget okoz, ha az áramlás nem megfelelően oszlik meg az egyes kollektorok között [2.4].

Minél kisebb hőmérsékletű és minél nagyobb tömegáramú a kollektorba belépő munkaközeg, annál kisebb, azaz kedvezőbb lesz a kollektor átlaghőmérséklete. Ha a rendszerben egynél több szolártároló van, akkor ezek funkciója és kapcsolata eltérő módon is megtervezhető. A kollektorveszteség minimalizálása végett kedvező, ha a kollektorköri keringtetés a legkisebb alsó hőmérsékletű tárolóból történik (4. ábra).

Rossz minden olyan körülmény, ami miatt a belépő hőmérséklet nő [3.1], illetve a tömegáram csökken [3.2]. A nem megfelelő hőmérséklet alapvetően abból adódik, hogy a munkaközeg a kollektorköri hőcserélőben nem hűl le a kívánatos mértékben. Tárolótartályban lévő hőcserélőnél ennek egyik lehetséges oka az, hogy a hőcserélőt valamilyen hiba miatt túl meleg víz veszi körül [3.1.1]:

• nem megfelelő a hőmérséklet szerinti rétegeződés [3.1.1.1],
• a tároló valamilyen hiba miatt nem ad le hőt, vagy túl kevés hőt ad le [3.1.1.2],
• a pótfűtés indokolatlanul fűti a tárolót [3.1.1.3].

Értelemszerűen igaz ez a külső hőcserélővel fűtött tárolóra is. Ebben az esetben a hőcserélő szekunder oldalán van túl nagy hőmérséklet [3.1.2]. Mindkét kialakításnál egy további hibalehetőség a hőcserélő teljesítményének romlása szennyeződés miatt [3.1.3]. A tömegáram rendellenes csökkenését okozhatja [3.2]:

• a keringtető szivattyú keveset szállít [3.2.1],
• a munkaközeg belevegősödött [3.2.2].

Az elégtelen szállítás eredhet a szivattyú hibájából [3.2.1.1] vagy az áramlási ellenállás megnövekedéséből [3.2.1.2]. A túlzott glikolarány is csökkenti a szivattyú szállítóképességét [3.2.3]. Vannak állandó fordulatszámú és vannak változó fordulatszámú szivattyúk. A második esetben a szabályozás célja az optimális térfogatáram beállítása. A szabályozó figyeli a kollektor, a tároló és esetleg a kollektorba belépő munkaközeg hőmérsékletét, ebből számolja ki a megfelelő fordulatszámot. Előfordulhat, hogy ez kisebb a szükségesnél [3.2.4].

Egészen sajátos hiba származik abból, ha a kivitelezésnél nem megfelelően szerelték a kollektorköri csővezetékeket. Ha az előremenőt a kollektor felső pontjára, a visszatérőt pedig az alsóra kötötték be, akkor a szivattyú nem tud megfelelően működni [3.3]. A tárolóból érkező víz lehűti a kollektor hőérzékelőjét, erre a szabályozó leállítja a szivattyút. A hőérzékelő felmelegszik, a keringtetés megindul, majd hamarosan ismét leáll. Ez a szakaszos működés csekély tároló-felfűtést tesz lehetővé.

Az eddigiekben működő kollektorköri keringtetésről volt szó. Semennyi szoláris hőt nem hasznosítunk, ha nincs keringtetés [3.4]. Ez egyébként a kollektor hőmérsékletének növekedését is okozza, ami káros lehet a szerkezeti anyagokra. Annak, hogy nincs keringtetés, alapvetően két oka lehet. Az egyik, hogy a szabályozó nem indítja el [3.4.1], a másik, hogy a szivattyú a rá adott feszültségre sem indul [3.4.2].

Szabályozási hibák:

• a szabályozó nem kap jelet [3.4.1.1],
• a szabályozó nem megfelelő jelet kap [3.4.1.2],
• a szabályozó hibásan működik [3.4.1.3].

A legtöbb rendszerben a kollektorköri keringtetés hőmérsékletkülönbség alapú vezérléssel van megoldva. A szivattyú akkor indul, ha a kollektorban és a tárolóban lévő érzékelők által mért hőmérsékletek közötti különbség ( T) nagyobb egy beállított értéknél. Villamos és nem villamos hiba is adódhat:

• az érzékelő rosszul mér [3.4.1.2.1],
• rossz helyre szerelték az érzékelőt, vagy az elmozdult [3.4.1.2.2].

A hőmérsékletkülönbségen alapuló szivatytyúvezérlés komoly követelményeket támaszt a méréstechnikával szemben, az érzékelés hibája max. 2-3 K lehet. A pontatlanság nemcsak az érzékelő gyártási szórásából eredhet, hanem a beépítési körülmények is erősen befolyásolják. Kedvezőtlen hatása lehet annak is, ha egy érzékelőt nem lehet a tervezett helyre, hanem csak attól eltérően beszerelni. Egy nagy rendszernél nehezíti a kivitelező dolgát, és könnyen hibát okozhat, ha a terv elnagyolt, vagy nem következetes a jelölésekben. Egy ebből adódó elkötési hibára fény derül, ha működésképtelenséget okoz, de észrevétlen maradhat, és „csak” hozamveszteség a következmény, ha egyébként látszólag minden rendben van. Az ilyen problémák utólagos kiszűrését nehezíti, hogy egy napkollektoros rendszert nem lehet tetszőleges üzemállapotokban tesztelni. A legtöbb épületgépészeti rendszer terhelése külső utasításra változtatható, a hőtermelő berendezés indítható, fel- és leterhelhető, üresjáratra állítható. A pillanatnyi napsugárzás viszont egy adottság, legfeljebb a tároló hőleadása és pótfűtés tartható kézben. A kulcsfontosságú jellemzőket rögzítő szabályozó, adatgyűjtő, és hosszas megfigyelés segíthet ezen.

Egy másik feltétel is kapcsolódik a keringtetéshez. Leáll a keringtetés, ha a tárolóban a hőmérséklet elérte a beállított legnagyobb értéket. Az indokolatlan leállítást értelemszerűen ugyanazok a hibák okozhatják, mint az előző felsorolásban [3.5.1], ugyanakkor a tároló hőmérséklete miatt leálló keringtetés eredendő oka lehet a zavart hőleadás [3.5.2], illetve az indokolatlan pótfűtés is [3.5.3].

A szabályozó hibásan működhet téves beállítás miatt [3.4.1.3.1], de üzem közben is tönkremehet [3.4.1.3.2]. Helytelen beállítás előfordulhat egy vagy több hőmérsékletmérési ponton. Nem szállít a szivattyú, ha villamos hiba lépett fel (szakadás, zárlat) [3.4.2.1], vagy mechanikusan romlott el (törés, blokkolás) [3.4.2.2].

Tárolás

A szolár tárolónak két követelménynek is meg kell felelnie. Szolgáltasson kívánt hőmérsékletű vizet a fogyasztónak, és lehetőleg minél kisebb hőmérsékletű vizet forgasson vissza a kollektorkörben. Ez annál jobban megvalósul, minél kevésbé keveredik a tárolóban a felmelegedett és fel nem melegedett (kevésbé felmelegedett) víz. Különleges megoldásokkal a tárolón belüli hőfokkülönbség még növelhető is (5. ábra). A tárolóban azonban nem nyugalomban van a víz, hanem a csonkokon, egyszerre akár több csonkon is ki- és beáramlás történik. Megfelelő elrendezéssel és az áramlási sebességek jó megválasztásával lehet a hőfok szerinti rétegeződést növelni, illetve megőrizni. A túl nagy áramlási sebesség [4.1], a szükségtelen időtartamú keringtetés mind az optimális rétegeződés ellen hat [4.2]. Gyakorlatban előfordult hiba a kisegítő hőforrás, a kazán keringtető szivattyújának nem megfelelő vezérlése (6. ábra).

A kazán a szelepek állásától függően vagy a radiátorok felé, vagy a tároló, illetve HMV-fogyasztók felé keringtet. A szivattyú változó fordulatszámú, hogy a térfogatáram mindkét üzemmódban a szükséges nagyságú legyen. A vezérlés hibája miatt a tárolón keresztül olyan nagy térfogatáram jelentkezett, ami a vizet teljesen átkeverte, a rétegződést megszüntette.

A felfűtött tárolóban bizonyos veszteség mindenképpen fellép. Ez meghaladhatja az elfogadható mértéket, ha a hőszigetelés nem megfelelő [4.3]. Ennél súlyosabb rendellenesség, ha a tároló visszahűl. Két módon is történhet ez:

• termoszifon-cirkuláció a kollektorkörben [4.4],
• téves keringtetés a kollektorkörben [4.5].

Éjszaka a kollektor lehűl. A tárolóban lévő meleg víz a fajsúlykülönbség miatt mozgásba jönne, ha ezt nem akadályoznánk meg. A kollektorköri parazita cirkuláció ellen egy visszacsapó szelepet építünk be. Ezt a szivattyú nyitni tudja, de a termoszifon-hatás nem. Viszont a nyitva maradó szelepen át beindul egy lassú áramlás, és a tároló vize a kollektorban lehűl [4.4.1]. Elkerülhető jó minőségű szeleppel, illetve a munkaközeg elszennyeződésének megelőzésével. Még rosszabb, ha a visszacsapószelep nem is lett beépítve [4.4.2]. Amennyiben a szabályozó hibásodik meg, kényszerkeringtetés is történhet, ami különösen fokozná a tároló hőveszteségét. Nem tárolási veszteség, de rokon azzal, ha a rendszerben bárhol elégtelen a csővezetékek hőszigetelése [5].

Kivitelezés, üzemeltetés

Nagy hiba, ha egy hibát újra elkövetünk. Amin lehet, azon érdemes változtatni. Súlyos következményei lehetnek a hanyag, szakszerűtlen kivitelezésnek. Jellegzetes kivitelezési hibák:

• cső-, illetve villamos vezetékek rossz csatlakoztatása, felcserélése [3.3],
• villamos vezetékek nem megfelelő elhelyezése [3.4.1.1],
• hőmérsékletérzékelők helytelen szerelése (nem megfelelő hely, rögzítés) [3.4.1.2.2],
• rosszul készített hőszigetelés [4.3; 5],
• túlzott glikolarány [3.2.3],
• szennyeződés került (maradt) a munkafolyadékba(n) [4.4.1],
• nem megfelelő légtelenítés [3.2.2],
• szükséges beállítások (hőmérséklet, térfogatáram, nyomás stb.) elmaradása vagy rossz értékek beállítása [1.1, 1.2, 3.4.1.3.1; 6.2].

Gondos üzembe helyezés kihozza a hibákat, és elkerülhető, hogy azok sokáig rejtve maradjanak. A nem megfelelő szerkezeti egységek beépítése nem tűnik fel azonnal, de később a gyors tönkremenetel jelzi az ilyen takarékosság hiábavalóságát. Ha a kivitelezésnél esetleg eltértek a tervtől, és ezt nem dokumentálták, ez majdan alaposan megnehezíti a hibakeresést. Hasonló boszszúságot okoz például az egyes érzékelők eltérő jelölése a tervben és a valóságban.

Mint minden műszaki terméknek, a napkollektoros rendszer elemeinek is idővel egyre rosszabb lesz a műszaki állapota. A romlás lehet fokozatos, lassú, de előfordulnak hirtelen meghibásodások is. A korábbi rendellenességek gyorsítják a folyamatot, újabb hibákat okoznak. Jellegzetes példája ennek, ha a rendszer túl gyakran, túl hosszú ideig kerül stagnáló állapotba. A nagy nyomás és hőmérséklet fokozott igénybevételnek teszi ki a szerkezeti részeket, az elhasználódás felgyorsul.

Üzem közben bekövetkező meghibásodások:

• szerkezeti egység szennyeződése [2.1; 6.1.2],
• abszorber károsodása [2.2],
• munkafolyadék belevegősödése, fizikai-kémiai állapotának romlása [3.2.2; 4.4.1],
• áramlási problémák keresztmetszet-csökkenés miatt [3.2.1.2; 6.1.1],
• hőszigetelés gyengül, megszűnik [2.3; 4.3; 5],
• tömítetlenség (repedés, lyukadás, elégtelen tömítés),
• villamos hiba (zárlat, szakadás, egyéb) [3.2.4, 3.4.1.1; 3.4.1.2.1; 3.4.1.3.2; 3.4.2.1],
• mozgó alkatrészek hibája (szivattyú, szelep) [3.2.1.1, 3.4.2.2, 4.4.1].

A megelőzés a legtöbb esetben jobb stratégia, mint a meghibásodásig tartó üzemeltetés.

---