Budapestre:


Tehát Budapesten a kollektorok magassági méretének a 2,9-szeresének megfelelő távolságot kellene hagyni az egyes sorok között ahhoz, hogy a legrövidebb téli napon se árnyékolják be egymást a napkollektorok. Persze ekkor is csak a legmagasabb, delelési napmagasság pillanatában kerüljük el az árnyékolást, a korábbi és a későbbi időpontokban már részben takarják egymást a kollektor sorok, a gyakorlatban azonban ezt már nem veszik figyelembe. Sőt, ekkora helyet is csak akkor szokás hagyni, ha bőven van hely a tetőn. Ha viszont a rendelkezésre álló tetőfelület szűkös, akkor inkább célszerű kisebb sorközt hagyni annak érdekében, hogy nagyobb napkollektor felületet lehessen elhelyezni. Az optimális sorközt nagyon nehéz meghatározni, e cikk írója azt javasolja, hogy a sorok közötti távolság és a kollektorok magassági méretének a hányadosa legyen 1,75-2,5 érték között, vagyis:

Napkollektorok felszerelése lapostetőre


Az utóbbi években Magyarországon is érezhetően megnőtt a kereslet a napkollektoros rendszerek iránt. A családi házak mellett immár egyre több nagyobb létesítmény, pl. társasház, ipari üzem, szálloda… stb. tulajdonosában, üzemeltetőjében is felmerül a napenergia hasznosításának a gondolata. A nagyobb létesítmények sokszor lapostetővel rendelkeznek, és a napkollektorokat is ide kell felszerelni. Ez első ránézésre egyszerűnek tűnhet, a gyakorlatban azonban a lapostetőre szerelés okozhat némi fejtörést a tervezőnek és a kivitelezőnek egyaránt.

A napkollektorok lapostetőre szerelésekor alapvetően két lényeges kérdés vetődhet fel:



Az első kérdésre a válasz egyszerű, ha elegendő nagyságú, egységes, nem tagolt, sík tetőfelület áll rendelkezésre. A gyakorlatban azonban nem ez a jellemző. A pontos helyszíni felmérés során kiderülhet, hogy a korábban bőven elégségesnek vélt tetőfelület kevésnek bizonyul, mivel a rengeteg felépítmény, pl. liftgépház, szellőzők, kémények, antennák… stb. reménytelenül tagolttá teszik a tetőt. A gyakorlat lapostetőknél azt mutatja, hogy az elhelyezhető hasznos napkollektor felület csak maximum 30-40%-a lehet a teljes bruttó tetőfelületnek. Ha a teljes tetőfelület szabadon kihasználható lenne, akkor is csak 50% körüli kollektorfelületet lehetne elhelyezni, mivel a kollektorokat több sorban, egymás mögött kell telepíteni, és a beárnyékolás elkerülése érdekében a sorok között kellően nagy távolságot kell hagyni.

Napkollektorok lapostetőn, Helia hotel, Budapest


Igen érdekes kérdés annak az eldöntése, hogy az egyes kollektor sorok között mekkora távolságot célszerű tartani. Nyilvánvaló, hogy ha a távolság olyan nagy, hogy a kollektorok még télen se árnyékolják be egymást, akkor csak viszonylag kevés kollektor helyezhető el, ha viszont a sorok távolságát rövidítjük, akkor nagyobb kollektorfelületet lehet elhelyezni, de jelentős lehet a beárnyékolás miatti veszteség. Ezt a dilemmát szemlélteti az 1. ábra.

1. ábra


Mekkora legyen a kollektor sorok közötti távolság, ha el akarjuk kerülni a beárnyékolást? A kérdés megválaszolásához tisztában kell lennünk a napsugárzás geometriai viszonyaival. Tulajdonképpen minden problémánk abból ered, hogy a Föld saját forgástengelye és a Nap körüli keringés tengelye 23,5°-os szöget zár be egymással. Ha ezt meg tudnánk valahogyan szüntetni, akkor a Nap mindig azonos pályát járna be, egész évben kellemes tavaszi időjárás lenne, viszont elmaradna tél és a nyári kánikula. Amíg viszont ezzel a feladattal nem tudunk megbirkózni, addig maradnak az évszakok, és az évszakokkal változó nappálya.  

2. ábra


A Nap látszólagos mozgása Budapestre vonatkoztatva a 2. ábrán látható. Az ábrán jól megfigyelhető, hogy mennyivel laposabb és egyben rövidebb időtartamú a Nap pályája télen, mint nyáron. A Nap pillanatnyi helyzetét az égbolton a napmagassággal (m) és az ún. azimut szöggel (a) jellemezhetjük. Napmagasságnak a Nap vízszintes, horizontsíkra vonatkozó beesési szögét, azimutnak pedig a Nap horizontsíkra vetített helyzetének a déli iránnyal bezárt szögét nevezzük. A két paraméter függvényében minden földrajzi helyre felrajzolható az ún. nappálya diagram, a Budapestre vonatkozó grafikon a 3. ábrán látható.

3. ábra


A Nap magassága a Föld északi féltekén december 21-én a legalacsonyabb, értéke:

Ahol:            :            a legalacsonyabb téli napmagasság

                 y:            a földrajzi szélesség értéke


Magyarország (Budapest) földrajzi szélessége 47,5°, így a téli, legalacsonyabb delelési napmagasság:

Az árnyékolás elkerüléséhez szükséges kollektor sorok közötti távolság, az 1. ábra jelöléseivel:

Hogy ebben az esetben milyen mértékű az árnyékolás, az a nappálya diagramba berajzolt árnyékmaszkok segítségével becsülhető meg. A 4. ábrán b/a=1,75 érték esetén látható az árnyékolás. A világosabb piros sáv mutatja meg, hogy mikor vetül árnyék a kollektorok legalsó szélére, a sötétebb piros pedig azt, amikor a kollektorok közepe kerül árnyékba. Megállapítható, hogy az év nagyobb részében, március elejétől egészen október elejéig a kollektorok egyáltalán nem árnyékolják egymást. Október közepétől február végéig már van árnyékolás, de ez csak a kollektorok alsó részét érinti, és az árnyék a kollektorok középvonaláig csak november közepétől január közepéig ér fel, és akkor is csak reggel kilenc óra előtt és délután három óra után. Tehát az árnyékolás a kollektorok felületének kis százalékát érinti, és ezt is akkor, amikor a napsugárzás értéke meglehetősen alacsony. Az árnyékolás miatti veszteség tehát viszonylag kis mértékű, valószínűleg kevesebb, mint 10-15%. Másrészt viszont, ha csak 1,75-ös sorközt hagyunk, a 2,9 helyett, akkor ugyanakkora tetőfelületre 42%-al több kollektor helyezhető el.

4. ábra


Az egyes kollektor sorok árnyékolása miatti veszteség megbecsülhető az alábbi összefüggés használatával:



                                                                                                                [%]


ahol (az 1. ábra jelöléseivel):

DI:          Az árnyékolás miatti napsugárzás-jövedelem veszteség

a:            Az árnyékolás határszöge [arc tg(a/b)]

fdif:          A diffúz (szórt) napsugárzás részaránya (Közép-Európában: 0,6)

b:            A napkollektorok dőlésszöge


Fenti összefüggés elméletileg csak a szórt napsugárzás csökkenését határozza meg, azonban közelítő becslésre jól használható a teljes, globális napsugárzás csökkenésének meghatározására is. A képlet szerinti, árnyékolás miatti veszteség a sorok közötti távolság és a kollektor magassági méretének hányadosa függvényében látható az 5. ábrán, ahol a javasolt b/a viszonyszám tartománya sárgával van jelölve.

5. ábra


Fontos azonban hangsúlyozni, hogy a fenti összefüggés egyrészt csak közelítő értéket ad, másrészt pedig csak azt mutatja meg, hogy egész évben mennyivel kevesebb sugárzás érkezik a napkollektorok felületére. Az árnyékolás természetesen elsősorban a téli félévben jelentkezik. Ezért, ha a kollektorokat például téli fűtés-rásegítésre is akarják használni, akkor az összefüggés nem alkalmazható, hiszen a téli energiahozam részarányának a csökkenése lényegesen nagyobb, mint az egész évre számított érték.


Hogyan rögzítsük a napkollektorokat lapostetőn?

A napkollektorok lapostetőre szerelésének másik nehézsége annak eldöntése, hogyan lehet a kollektorokat biztonságosan rögzíteni a tetőre.  Alapvetően két megoldás jöhet szóba:



A legegyszerűbb megoldást általában az első eset, a súlyterheléses rögzítési mód kínálja. A súlyterhelés megoldható például beton tömbökkel, vagy kaviccsal feltöltött tálcák alkalmazásával. A súlyterhelés méretezéséhez egy példa látható a 6. ábrán. A 2m2 felületű napkollektorok egymás mellé, egy sorba kerülnek felszerelésre, 45°-os dőlésszögű tartószerkezetre. A kollektorok súlya tartószerkezettel együtt legyen kb. 50 kg/kollektor. A méretezendő súlyterhelés kollektoronként 2 db 15cm magas és 2m hosszú beton hasáb, a kollektor sorra merőlegesen elhelyezve. A kérdés, mekkora legyen a beton hasáb szélessége.


A kollektorok terhelését a szélnyomás okozza, ami igen jelentős értéket érhet el, különösen nagy épület magasság esetén. Magyarországon a szélnyomás értékét a kollektoroknak megfelelő alaki, és biztonsági tényezők figyelembevételével kb. 1,0 kN/m2 értékkel lehet számításba venni. A 2m2-es kollektor esetén tehát a szélnyomás: W=2,0 kN. A legveszélyesebb méretezési állapot, amikor a szél a kollektorok hátoldala felől fúj, és igyekszik a kollektorokat az „A” pont körül feldönteni. Erre a pontra kell felírni a nyomatékokat:

6. ábra


A szélterhelés nyomatéka az „A” pontra:



A stabilizáló nyomaték, a kollektorok önsúlyának és a súlyterhelésnek a nyomatéka az „A” pontra:



Biztonságosnak akkor nevezgető a felszerelés, ha a stabilizáló nyomaték legalább 1,5-ös biztonsági tényezővel nagyobb a szélterhelés nyomatékánál.





A számítás alapján a példa szerinti napkollektor rögzítés esetén kollektoronként 400 kg beton súly szükséges. Figyelembe véve, hogy a beton fajsúlya 2400 kg/m3, a beton hasáb szükséges szélességi mérete:

7. ábra


Tehát a példa szerinti napkollektorok biztonságos rögzítéséhez kollektoronként 2 db 0,15x0,25x2m méretű, egyenként 200kg súlyú beton prizma szükséges (7. ábra). Általánosságban is elmondható, hogy síkkollektorok esetében kb. 100-250 kg,/kollektor négyzetméter terhelésre van szükség. Ez viszont már olyan magas többletterhelést jelenthet a tetőfödémnek, amit esetleg az nem bír el, ráadásul még figyelembe kell venni a hóterhelést is. A legnagyobb súlyterhelésre akkor van szükség, ha az egyes napkollektor sorok a fenti példa szerint egymástól függetlenül kerülnek felállításra, hiszen ilyenkor a kollektor sorokat a szélterhelés viszonylag kis erőkaron, könnyen fel tudja borítani. Ha viszont a több kollektor sorból álló teljes kollektormező egy nagy alapterületű, közös acél alapszerkezetre kerül (8. ábra), akkor már a felborítás veszélye lényegesen csökken, így a fajlagos súlyterhelés is kisebb lehet.

8. ábra


Ha súlyterheléssel nem oldható meg a kollektorok rögzítése, akkor a másik módszer lehet a tetőfödémhez, vagy az épület tartógerendáihoz lecsavarozott tartólábak, és acél alapszerkezet alkalmazása. Az acélszerkezetet természetesen szintén méretezni kell, és célszerű előgyártani, és a helyszínen csavaros kötésekkel összeszerelni. Ennél a megoldásnál a legnagyobb gondot az jelenti, az épületszerkezethez rögzítendő tartólábakat át kell vezetni a tetőfödém vízszigetelésén. Ez pedig igen nagy gondosságot és körültekintést igényel. Ennek ellenére természetesen nem megoldhatatlan ez a feladat sem, de a szigetelés helyreállításához mindenképpen profi szakcéget kell alkalmazni.

Acél alapszerkezetre helyezett napkollektorok az ózdi Tesco áruház lapostetőjén

Vízszigetelés helyreállítása a napkollektorok acél alapszerkezetének tartólába körül