Nagyobb melegvíz készítő napkollektoros rendszerek kapcsolásai

A napenergia-tudástás előző írásában a kisebb, családi házakon megvalósuló napkollektoros rendszerek kapcsolási vázlatait ismertettük. Most nézzük a nagyobb rendszereket! Vegyük sorra, milyen speciális szempontokat kell figyelembe venni a nagyobb rendszerek hidraulikai kapcsolásának kialakításakor.

Nagyobb méretűnek általában a 15-20 m2 feletti napkollektor felülettel megvalósuló rendszereket nevezzük. Természetesen pl. egy kisebb panzió, vagy vendégház 20 m2-es rendszere még nem nevezhető igazán nagynak, de mégsem szabad csak a családi házas rendszereknél megszokott rutin szerint eljárni. A példa estében kézenfekvő lehet, hogy alkalmazzuk az 1. ábra szerinti standard kapcsolást, egy 1000 literes, két belső hőcserélős tárolóval. Ez lehet jó választás, de ügyelni kell arra, hogy a tároló alsó hőcserélőjének a felülete elegendően nagy legyen.arra, hogy a tároló alsó hőcserélőjének a felülete elegendően nagy legyen.

Belső hőcserélő helyett külső hőcserélő

Az előző cikkből tudjuk, hogy 1m2 napkollektor felülethez legalább 0,2-0,3 m2 hőcserélő felület kell tartozzon. Így a 20 m2 napkollektorhoz 4-6 m2 hőcserélő felület szükséges. A kereskedelemben kapható 1000 literes tárolókat megvizsgálva viszont azt látjuk, hogy az alsó hőcserélő felülete többnyire 2,5-3 m2, ami csak fele a szükségesnek. A kisebb hőcserélő felület pedig magasabb napkollektor hőmérsékletet, és ezzel alacsonyabb hatásfokot eredményez. A belső hőcserélős tároló alkalmazása tehát kompromisszumos megoldás: viszonylag egyszerű lesz a rendszerünk, de a hőcserélő felületétől függően akár 5-10 %-al is kisebb lesz a hasznosítható napenergia nagysága. Ezért nagyobb napkollektor felület esetében mindenképpen korrektül méretezett, külső, lemezes hőcserélőt kell alkalmazni.

1. ábra

Napkollektor köri bypass szelep

Az 1. ábrán látható egy a napkollektor körbe beépített motoros váltószelep, az ún. bypass, vagy magyarul megkerülő szelep. Erre elsősorban akkor lehet szükség, ha hosszú a napkollektor köri csővezeték külső, fűtetlen térben vezetett szakasza. A bypass szelep alkalmazásával kivédhető a tároló visszahűtése induláskor, főleg hideg, téli napokon, amikor a napkollektorok már felmelegedtek, de a hosszú csővezetékben lévő folyadék még hideg. Ilyenkor a bypass szelep csak akkor nyit a tároló belső hőcserélője felé, ha a napkollektorokban felmelegedett folyadék már leért a tároló térbe, és itt az előremenő ág hőmérséklete valóban magasabb a tároló hőmérsékleténél.

Termikus fertőtlenítés

Napkollektoros rendszereknél problémát okozhat, hogy a melegvíz-tárolók csak napkollektorokkal fűtött részében télen, és hosszabb borult időszakok esetén tartósan alacsony marad a hőmérséklet.  A pangó, langyos térfogatrészek kialakulása pedig kedvező feltételeket biztosít a legionella baktériumok elszaporodásának. Ez a probléma a kisebb családi házas rendszereknél is fennáll, de a nagyobb rendszereknél fokozottabban jelentkezik, mivel a pangó térfogatrészek is lényegesen nagyobbak. Egyes országokban ezért előírás, hogy pl. 400 liternél nagyobb tároló alkalmazása esetén kötelező a teljes térfogatot naponta legalább egyszer 60°C fölé fűteni. Ha meg akarunk felelni ennek a követelménynek, akkor megoldás lehet egy ún. termikus fertőtlenítő szivattyú beépítése, ami időszakonként a tároló felső, hagyományos hőtermelővel felfűtött részéből átkeringeti a forró vizet a tároló alsó, csak napkollektorokkal fűtött részébe. Ennek a szivattyúnak a vezérlését többnyire a napkollektoros rendszer szabályozója végzi, ami csak akkor indítja el a fertőtlenítő funkciót, ha a tároló kollektoros részének a hőmérséklete adott időszak alatt nem emelkedett 60°C fölé. Ügyelni kell arra, hogy felfűtés lehetőleg úgy történjen, hogy ne fűtsük fel a kollektorok elől a tárolót. Jó megoldás lehet, ha a fertőtlenítés késő délután, a napkollektorok elméleti működésének időszaka után indul. Ekkor a létesítmény jellegétől függően még arra is van esély, hogy az esti és reggeli fogyasztás elhasználja a fertőtlenítés miatt felfűtött vizet, és a napsütés kezdetével a napkollektorok már újra a hideg vizet tudják jó hatásfokkal fűteni.

Több, sorba kapcsolt tároló alkalmazása

Nagyobb, 30-50 m2 kollektor felületű rendszerek esetében már egészen biztos, hogy külső hőcserélőt kell használni, és a nagy tároló térfogat miatt többnyire nem egy, hanem több, sorba kötött tárolót alkalmaznak. A 2. ábra szerinti kapcsoláson két tároló látható, egy napkollektoros előfűtő, és egy hagyományos hőtermelővel üzemelő utófűtő tároló. Normál üzem esetén a tárolók sorba vannak kötve, de a kapcsolást célszerű úgy kialakítani, hogy az egyes tárolók pl. karbantartás, vagy üzemzavar esetén kizárhatók legyenek. Az ábrán a kizárhatóságot biztosító szakaszok szürkével, a zárt állapotú szerelvények pedig feketével vannak jelölve.

2. ábra

Cirkuláció köri váltószelep

A több tároló alkalmazásának a hátránya lehet az, hogy ha napközben nincs elég fogyasztás, akkor a napkollektorok hiába fűtik fel az 1. jelű előfűtő tárolót, abból a felmelegített víz fogyasztás híján nem áramlik át a 2. jelű hagyományos fűtésű tárolóba. Ugyanakkor, ha megy a cirkulációs szivattyú, akkor az visszahűti a 2. tárolót, ennek pótlására pedig be kellene indítani a hagyományos hőtermelőt. Ennek kivédésére célszerű beépíteni a cirkulációs vezeték visszatérő ágába egy váltószelepet, ami a cirkulációt a napkollektorokkal fűtött tárolóba vezeti vissza akkor, ha itt a hőmérséklet magasabb, mint a cirkulációból visszatérő víz hőmérséklete. Ezzel megvalósul a napkollektorokkal felfűtött víz átkeringetése a hagyományos fűtésű tárolóba.

Még több tároló alkalmazása

Minél nagyobb a napkollektoros rendszer, annál nagyobb tárolókapacitásra van szükség. A tárolásnál pedig fontos a hőmérséklet szerinti rétegződés biztosítása, ezért több, sorba kapcsolt, álló kialakítású tárolót célszerű alkalmazni. A 3. ábrán három tároló látható, amiből kettőt a napkollektoros rendszer, a harmadikat a hagyományos hőtermelő rendszer fűti. A napkollektorok a szabályozón beállított előnykapcsolási sorrend szerint fűtik az egyes tárolókat, a tárolók fűtése közötti átváltás motoros váltószelepekkel történik.

3. ábra

Puffertárolók alkalmazása

Napkollektoros rendszereknél nagyon fontos, hogy a tárolókapacitás megfelelően nagy legyen. Minél nagyobb viszont a tárolt térfogat, annál nagyobb problémát jelenthet a legionella baktériumok miatt szükséges termikus felfűtés. A nagy tárolt térfogat csak a fertőtlenítés miatt szükséges felfűtése hagyományos hőtermelővel ugyanis felesleges tárolási és elosztási veszteséget eredményez, illetve esetenként a napkollektoros rendszer energia-hozamát is csökkenti. Ez elkerülhető, ha a hőtárolást nem a használati-melegvíz, hanem zárt puffertárolóban, fűtési víz tárolásával oldják meg. A higiéniai problémák kiküszöbölésén túl ez a megoldás azzal az előnnyel is jár, hogy nincs a tárolóban, és a napkollektor köri hőcserélőben vízkövesedés, és így magasabb hőmérsékletet is megengedhetünk a puffertárolóban. Előny még az is, hogy a drága, bevonatos melegvíz-tároló helyett olcsóbb puffertároló alkalmazható, aminek a várható élettartama mégis hosszabb, mivel a zárt rendszer miatt nem lépnek fel korróziós problémák sem.

4. ábra

Hőcserélős, átfolyós melegvíz készítés

Puffertároló alkalmazására az első példa a 4. ábra szerinti kapcsoláson látható. A napkollektorok a puffertároló teljes térfogatát, míg a hagyományos hőtermelő csak a felső térfogatrészt fűti. A tárolt puffervízből a használati-melegvíz átfolyósan, hőcserélőn keresztül készül. Ez a kapcsolás családi házaknál és nagyobb rendszereknél egyaránt alkalmazható. A használati-melegvíz hőcserélő általában a kisebb rendszereknél is képes 15-25 liter/perc mennyiségű melegvizet produkálni, de ennél lényegesen nagyobb teljesítményű, pl. társasházakban is alkalmazható, előre gyártott melegvíz készítő modulok is beszerezhetőek.

A hőcserélős melegvíz készítő modulokat németből tükörfordítás alapján szokás „frissvíz” modulnak is nevezni. Konkrét kialakításuk, szabályozásuk alapján sokféle megoldástípusuk létezik. A 4. ábra szerinti kapcsolásnál a puffer köri szivattyút áramláskapcsoló indítja, a hőmérséklet szabályozás pedig segédenergia nélküli termosztatikus keverőszeleppel történik. Gyakori azonban a mikroprocesszoros szabályozó alkalmazása is, ami a fűtőköri szivattyú fordulatszámát szabályozza.

5. ábra

Egészen nagy rendszereknél már csak átfolyósan nehéz biztosítani az egyenletes használati-melegvíz hőmérsékletet, ezért célszerű egy megfelelő méretű, hagyományos hőtermelővel fűtött melegvíz-tárolót is alkalmazni. Erre látható példa az 5. és 6. ábrán. Az 5. ábra szerinti megoldásnál a napkollektoros rendszer átfolyósan, soros kapcsolással melegíti elő a hálózati hidegvizet, míg a 6. ábrán párhuzamos kapcsolással, folyamatosan fűthető a puffertárolóról a melegvíz-tároló alsó része.  

6. ábra

Lakásonkénti hőközpontok alkalmazása

Végül egy nálunk nyugatabbra, főleg társasházaknál gyakran alkalmazott kapcsolás látható a 7. ábrán. A napkollektoros rendszer egy nagy méretű, központi puffertárolót fűt külső hőcserélőn keresztül, általában legalább kétszintű, hőmérséklet szerinti rétegtöltéssel . Ha a napenergia kevés, akkor a puffertároló felső részét a hagyományos hőtermelő (pl. gázkazán, vagy távhő) fűti fel. A puffertárolóból történik az épület hőellátása úgy, hogy minden lakásba egy mini hőközpont kerül beépítésre. Ezek a hőközpontok szabályozzák a lakások egyedi igény szerinti fűtését, és állítják elő a használati-melegvizet is hőcserélővel, átfolyós módon. A napkollektoros rendszer célja ebben az esetben már nem csak a használati-melegvíz készítés, hanem fűtés rásegítés is.

7. ábra

A bemutatott kapcsolási vázlatok csak lehetséges példák, a főbb elveket ismertetik, és a hozzájuk fűzött magyarázat terjedelmi korlátok miatt nem teljes. De talán az itt ismertetett kapcsolások alapján is látható, hogy egy nagy méretű napkollektoros rendszer tervezése során számtalan apró részletre, speciális szempontra kell ügyelni, és tervezési munka nagy odafigyelést és gondosságot igényel.