Kisebb melegvíz készítő napkollektoros rendszerek kapcsolásai

A napkollektoros rendszerek Magyarországon leggyakrabban családi házakon valósulnak meg és használati-melegvizet készítenek. Az ilyen rendszerek kialakítása viszonylag egyszerű, mégis számos részlet van, amire oda kell figyelni, mert apró hibák is jelentősen ronthatják a napkollektoros rendszer hatékonyságát.

A családi házakon megvalósuló, kisebb napkollektoros rendszerek jellemző felépítése az 1. ábrán látható. A napkollektorokat többnyire az épület megközelítőleg déli tájolású tetőfelületére szerelik fel, a napkollektorokkal fűtött melegvíz-tárolót pedig az épületen belül, a kazánházban, vagy egyéb tároló térben helyezik el. A napkollektor kört fagyálló folyadékkal töltik fel. A kollektorokban a napsugárzás hatására felmelegedett fagyálló a tároló belső hőcserélőjén (csőkígyón) keresztül fűti fel a használati-melegvizet. A napkollektor köri folyadékot szivattyú keringteti. A szivattyú üzemét pedig egy szabályozó vezérli, ami csak akkor indítja el a keringetést, ha a kollektorok hőmérséklete magasabb a tároló hőmérsékleténél. A napkollektor kör zárt, nyomás alatti rendszer, ezért nyomásmérőt, biztonsági szelepet, és zárt, gumimembrános tágulási tartályt is be kell építeni.

1. ábra

Napkollektoros rendszer jellemző kialakítása

Természetesen a fentebb röviden vázolt kialakításától eltérő megoldások is előfordulnak, pl. például a gravitációs, vagy a visszaürülős, ún. drain-back rendszerek. Ilyenek azonban lényegesen ritkábban fordulnak elő, ezért ezeket e cikk keretében nem ismertetjük.

A klasszikus rendszer

A jellemzően alkalmazott zárt, kétkörös, szivattyús keringetésű napkollektoros rendszerek elsősorban abban térnek el egymástól, hogy a hagyományos hőtermelő berendezés hogyan kapcsolódik a napkollektorokkal fűtött tárolóhoz. A leggyakoribb - valószínűleg minden épületgépész tervező, szerelő által ismert, klasszikus megoldás - a két hőcserélős melegvíz-tároló alkalmazása. Ekkor a napkollektorok az alsó hőcserélőn keresztül a teljes tároló térfogatot fűtik, míg a hagyományos hőtermelő (kazán) csak a tároló felső, melegvíz elvételhez közeli részét. Így biztosítható az, hogy mindig legyen meleg víz, ugyanakkor a hagyományos kazán ne fűtse fel indokolatlanul a napkollektorok elől a teljes tároló térfogatot. Ilyen rendszer kapcsolási vázlata látható a 2.a. ábrán. Működését tekintve ezzel megegyezik a b. ábrán vázolt megoldás, ahol a hagyományos hőtermelő elektromos fűtőpatron, ami szintén csak a tároló felső részét fűti.

2. ábra

A két hőcserélős tároló alkalmazásakor fontos, hogy a tárolóban lévő víz hőmérsékleti rétegződése ki tudjon alakulni, és azt ne zavarja meg semmi. Ezért lehetőség szerint karcsú, magas, és természetesen jól hőszigetelt tárolókat kell alkalmazni, valamint a csatlakozó csonkokat is úgy kell kialakítani, hogy a beömlések és a kifolyások ne zavarják meg a rétegződést. Különösen ügyelni kell a cirkulációs vezeték bekötésére. Napkollektorokkal is fűtött tároló esetén a cirkulációt középre, vagy a felső harmad magasságába kell visszavezetni. A cirkulációból visszatérő víz ugyanis normál esetben nem sokkal hidegebb, mint a tárolóból felül kilépő melegvíz, ezért ha helytelenül alulra kötik vissza, akkor a cirkuláció miatt összekeveredik a tároló vize, megszűnik a rétegződés, és végső soron hagyományos energiával fogjuk felfűteni a tárolót és nem a napkollektorokkal.

Korszerű, kondenzációs gázkazánok alkalmazása

Manapság szerencsére terjednek a korszerű, fejlett szabályozással ellátott és gyakran kondenzációs üzemű gázkazánok. Ha ilyen gázkészülék mellé szeretnénk napkollektoros rendszert telepíteni, akkor használható ugyan az előzőekben ismertetett két hőcserélős tárolós kapcsolás, azonban érdemes más lehetőségeket is számításba venni. Ha a gázkazán kombi üzemű, tehát átfolyósan képes melegvizet készíteni, akkor a 3.a. ábra szerint egyszerűen sorba köthető a napkollektorokkal fűtött tárolóval. Ez persze csak akkor valósítható meg, ha a kazán korszerű szabályozással van ellátva, hőérzékelővel méri az általa készített melegvíz hőmérsékletét, és ennek függvényében modulálja a teljesítményét. Ebben az esetben a gázkazán csak annyit fog ráfűteni a tárolóból érkező, a napkollektorokkal előmelegített vízre, amennyi szükséges. Ha pedig a tárolóból már a kívánt hőfokra melegített víz érkezik, akkor a kazán nem kapcsol be, csak átfolyik rajta a víz. A kazán védelme, illetve a rövid idejű, indokolatlan kazán indulások elkerülése érdekében célszerű beépíteni egy motoros váltószelepet a tárolóból jövő melegvíz ágba. Ennek a segítségével megfelelő tároló hőmérséklet esetén a kazán egyértelműen kikerülhető. Figyelem! A gázkazán és melegvíz tároló sorba kötése nagy körültekintést igényel, és ehhez meg kell szerezni a kazánt gyártó, vagy forgalmazó cég hozzájárulását is.

3. ábra

Ha az alkalmazott kombi gázkazán ráadásul kondenzációs üzemű is, akkor ez további érvként szolgálhat a 2.a. ábra szerinti két hőcserélős tárolóval megvalósuló kapcsolás elkerülésére. A kondenzációs kazánoknál ugyanis nem optimális üzemmód a tároló felső hőcserélőjén keresztül történő melegviz készítés, mivel ehhez magas fűtővíz hőmérséklet szükséges, ami nem teszi lehetővé a kondenzációs üzemet. E helyett alkalmazható például a 3.b. ábra szerinti kapcsolás, ahol a kondenzációs, kombi gázkazán párhuzamos kapcsolással, átfolyós üzemben fűti a melegvíz-tárolót. Ekkor egy bronzházas használati-melegvíz szivattyút építenek be, ami elindul, ha a tároló felső részében a beállított érték alá esik a hőmérséklet, és a tároló alsó részéből a hideg vizet keringeti a kazán kombi részébe. A kazán az áramlás hatására automatikusan beindul, átfolyós üzemben a kívánt hőmérsékletre fűti a hidegvizet, és az így felmelegedett víz kerül a tároló felső részébe. Ha az itt elhelyezett érzékelő, vagy termosztát érzékeli a megfelelő vízhőmérséklet elérését, akkor ez leállítja a szivattyút, és ezzel leáll a kazán is. Hangsúlyozni kell azonban, hogy e kapcsolás kialakítása is nagy odafigyelést és pontos beállítást, beszabályozást igényel. Ebben az esetben is ki kell kérni a kazánt forgalmazó cég hozzájárulását.

A napkollektor köri hőcserélő nagysága

A fagyállóval feltöltött napkollektoros rendszereknél, a napkollektorokban felmelegedett fagyálló folyadék hőcserélőn keresztül tudja felfűteni a tároló vizét. Kisebb rendszereknél a hőcserélő többnyire a tartályon belülre beépített csőkígyó. Természetesen nem mindegy, hogy ennek a hőcserélőnek mekkora a hőátadó felülete. A napkollektoros rendszereknél ugyanis ügyelni kell arra, hogy a napkollektorok hőmérséklete ne legyen sokkal magasabb annál, mint amilyen hőmérsékletű vizet a tárolóban éppen fűtenek. Ezt pedig csak megfelelően nagy hőcserélő felülettel lehet elérni. A hőcserélők alapegyenletéből láthatjuk, hogy adott napkollektor teljesítmény (Q) adott hőmérséklet különbséggel (DT) történő átviteléhez egyértelműen meghatározható a szükséges hőcserélő felület (A).

ahol:

k:         a hőcserélő hőátbocsátási tényezője, [W/(m2·K)]

A:        a hőcserélő hőátadó felülete, [m2]

DT:      az átlagos hőmérséklet-különbség a fűtő és a fűtött közeg között, [K]

Ahhoz, hogy a napkollektor köri fűtőközeg átlagos hőmérséklete csak kb. 10-15°C-al legyen magasabb a tároló hőcserélő zónájában lévő víz hőmérsékleténél, kb. 0,2 m2/m2 hőcserélő/kollektor felület arány szükséges, vagyis a követendő szabály:

Ahőcserélő = 0,2 ×Akollektor

ahol:

A_hőcserlő:           a hőcserélő hőátadó felülete, [m2]

A_kollektor:           a napkollektorok hasznos felülete, [m2]

Fenti összefüggés alapján a kisebb 4-8 m2 napkollektor felületű rendszereknél 0,8-1,6m2 felületű hőcserélő szükséges. Ez az általában alkalmazott 300 liter körüli melegvíz-tárolók alsó hőcserélőjére jellemzően teljesül is. Ezért a kisebb rendszereknél nyugodt lelkiismerettel használható a belső hőcserélős tároló. Nagyobb napkollektoros rendszereknél viszont, ha kollektor felülethez képest túl kicsi felületű a belső hőcserélő, akkor a napkollektorok csak nagy hőmérséklet-különbséggel tudják leadni a teljesítményüket. Ez pedig azt eredményezi, hogy a napkollektorok hőmérséklete indokolatlanul megemelkedik, és így akár 20-30%-al is csökken a hatásfokuk. Ahol tehát a belső hőcserélő felülete már nem elégíti ki a fentebb ismertetett összefüggést, külső hőcserélőt kell alkalmazni.

Termosztatikus keverőszelep és cirkuláció együttes alkalmazása

Abban az esetben, amikor a napkollektoros rendszer tárolójából kilépő melegvíz hálózatba termosztatikus keverőszelepet és cirkulációs vezetéket is beépítenek, fokozott körültekintéssel kell eljárni.  Ha ugyanis megvizsgáljuk a 4.a. ábrán látható, szokásos rutinnal kialakított kapcsolást, megállapíthatjuk, hogy ha nincs melegvíz vízfogyasztás, a cirkulációs szivattyú viszont üzemel, akkor a keverőszelep nem tud működni. Ennek az az oka, hogy a hideg ághoz csatlakozó bemenetén nem tud a hidegvíz beáramlani, mert ezt megakadályozza a tároló hidegvíz bemenetére egyébként helyesen beépített, 1. jelű visszacsapó szelep. Szerencsétlen esetben a termosztatikus szelep teljesen a zárt hideg bemenet felé fog nyitni, így a cirkulációs ágban a szivattyú járása ellenére is megszűnhet az áramlás.

Ennek orvoslására első, kézenfekvő megoldás lehet problémát okozó visszacsapó szelep 4.b. ábra szerinti áthelyezése, a keverőszelep hideg ágának csatlakozása elé. Ekkor már szabad az út a tároló aljából a keverőszelep hideg ága felé. De láthatjuk, hogy ekkor áramlás indul meg az ábrán nyíllal jelölt irányban, vagyis a cirkuláció össze fogja keverni a tárolóban rétegződött vizet. Ennek eredményeként végső soron a kazán és a cirkuláció együttesen fogja felfűteni a tartályt a napkollektorok helyett. De van még más hátránya is ennek a módosított kapcsolásnak. Hiszen mi történik akkor, ha a tároló alsó része is forró, mert felfűtötték azt a napkollektorok? Ilyenkor a keverőszelep a hideg ágon is forró vizet fog kapni, ezért a keverés nem tud működni. A gyanútlan zuhanyozó ekkor a megszokott karos csaptelep állás mellett könnyen forró vizet kaphat a nyakába.

4. ábra

A probléma korrekt megoldását az 5. ábra mutatja. A cirkulációt nem csak a tárolóba kell visszavezetni, hanem a termosztatikus keverőszelep hideg ágába is, mindkét irányba külön-külön visszacsapószelep beépítésével. Ekkor, ha nincs melegvíz-fogyasztás, a termosztatikus keverőszelep a hideg bemenetén keresztül döntően a kissé lehűlt cirkulációból visszatérő vizet engedi vissza a melegvíz ágba, és a tároló felső részéből csak annyi meleg vizet enged hozzákeverni, amennyi a cirkulációs veszteség pótlásához szükséges.

5. Ábra