Napkollektoros rendszerek szabályozása

Magyarországon a megvalósult napkollektoros rendszerek döntő többsége szivattyús keringtetésű rendszer, melyben a kollektor köri szivattyú üzemét a napsütés függvényében kell irányítani. Erre a feladatra egy megfelelő szabályozót kell alkalmazni, mely lehetővé teszi a napsugárzás maximális hasznosítását.

A hagyományos épületgépészeti rendszerekben a szabályozás feladata általában az, hogy figyeli a hőigényt, és ennek függvényében vezérli a hőtermelő üzemét. Lényeges tulajdonság, hogy a hőtermelő bármikor bekapcsolható. A napkollektoros rendszerek energiaforrása viszont a Nap, amit sajnos nem lehet saját igényeink szerint ki-, vagy bekapcsolni. Ezért a szabályozás feladata ilyenkor az, hogy napsütés esetén elindítsa a rendszert, eltárolja a hasznosított napenergiát, majd hőigény esetén biztosítsa a tárolt napenergia felhasználását.

A legegyszerűbb napkollektoros rendszerben a kollektorok egy belső hőcserélős melegvíztárolót fűtenek (1. ábra). A szabályozás feladata, hogy mérje a napkollektorok (TKO) és a tároló alsó részének (TBA) hőmérsékletét, és elindítsa a kollektor köri szivattyút (PS) akkor, ha a kollektorok hőmérséklete a szabályozón beállított értékkel magasabb a tároló hőmérsékleténél. A bekapcsolási hőmérséklet-különbség értéke általában 5-20°C. A másik szokásos funkció a vízkövesedés és a forrázás megakadályozása érdekében a tároló maximális hőmérsékletének határolása. Ha a tároló hőmérséklete eléri a beállított maximális értéket (általában 60-80°C) akkor a szabályozó kikapcsolja a kollektor köri szivattyút akkor is, ha a kollektorok hőmérséklete a szükséges értékkel magasabb a tároló hőmérsékleténél. Ilyen, viszonylag egyszerű feladatra analóg szabályozó is alkalmazható.

1. ábra

Egyszerű napkollektoros rendszer szabályozása

Az utóbbi időben azonban megfigyelhető, hogy az egyszerű, analóg szabályozókat kiszorítják a korszerű, mikroprocesszoros szabályozók. Ezek a fentebb említett dT és Tmax funkciókon kívül számos egyéb szolgáltatást is nyújtanak, melyek egyrészt magasabb hasznosítást eredményeznek, másrészt segítik a rendszer működésének nyomon követését. Ilyen, összetettebb szabályozásra látható példa a 2. ábrán.

2. ábra

Napkollektoros rendszer szabályozása korszerű mikroprocesszoros szabályozóval

A mikroprocesszoros szabályozás például a következő előnyökkel rendelkezhet:

A szabályozó a kollektor köri szivattyút nem csak ki-, vagy bekapcsolja, hanem a hőmérséklet-különbség függvényében változtatja is annak fordulatszámát. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy gyengébb napsütés esetén a szivattyú alacsonyabb, erősebb napsütés esetén pedig magasabb fordulatszámon üzemel. Ezzel egyrészt villamos energiát lehet megtakarítani, másrészt elérhető, hogy gyengébb napsütés esetén is előállítható legyen a kívánt hőmérsékletű, de kevesebb mennyiségű melegvíz. Ennek elsősorban ún. "low flow" (alacsony térfogatáramú, 10-15 l/m2.h), és külső hőcserélős rendszereknél van jelentősége. Az ilyen szabályozó a kimeneti feszültség módosításával alkalmas normál, tehát nem elektronikus szivattyúk fordulatszámának szabályozására.
Digitális kijelző. A szabályozó általában többsoros digitális kijelzővel rendelkezik, melyről leolvashatók a pillanatnyi működést jellemző értékek, a beállítási paraméterek és egyéb, a diagnosztikát segítő jellemzők.
Hőmennyiségmérés. A mikroprocesszor lehetővé teszi a kollektorokkal hasznosított hőmennyiség mérését is. Erre általában több megoldás létezik. Legegyszerűbb esetben a szabályozó egy beállítható kollektor névleges teljesítmény érték, valamint a kollektor és a tároló közötti hőmérséklet-különbség és a szivattyú fordulatszáma alapján határozza meg a pillanatnyi teljesítményt. Ez a módszer tulajdonképpen becslésnek tekinthető, de helyes beállítás esetén jól megközelítheti a valós értéket. Pontosabb eredmény kapható, ha a kollektor köri vezetékbe egy előremenő (TKE) és egy visszatérő (TKV) érzékelőt helyeznek el. Ha ezen kívül térfogatáram mérő impulzusadót (VIG) is beépítenek, akkor egészen pontos hőmenyiségmérés valósítható meg a jól ismert Q=c.m.dT képlet alapján. Itt "c" a fajhő, melynek értéke a szabályozóban beállítható (az általában alkalmazott propilénglikol közeg fajhője a keverési arány függvényében eltér a víz fajhőjétől).
Napsugárzás mérése. Sokszor napsugárzás érzékelő (TST) is csatlakoztatható a szabályozóhoz, ami pontosabb szabályozást, és a napsugárzás értékének mérését, regisztrálását is lehetővé teszi.

Megkerülő, ún. bypass funkció. Ha a 2. ábra szerint a kollektor körbe beépítenek egy háromjáratú ún. bypass váltószelepet (UBY), ez feszültségmentes állapotban a B-AB ágon keresztül a tároló megkerülését teszi lehetővé. Ennek hosszú kollektor köri csővezeték esetén lehet jelentősége, amikor a keringtetés megindulása után a kollektorokból csak késve érkezik a tárolóba a felmelegedett közeg. A bypass szelep csak akkor nyit a tároló felé, ha az erre a célra beépített érzékelő (TBY) a tároló hőcserélője előtt érzékeli a megfelelő hőmérsékletet.
Tároló fertőtlenítő (legionella) funkció. A klasszikus, két hőcserélős melegvíztárolókban a víz rétegződik, és az alsó rész csak a napkollektorokkal fűthető fel. Ez tartósan gyenge napsütéses időszak esetén kedvezhet a baktériumok elszaporodásának. Ha a 2. ábra szerint beépítenek egy fertőtlenítő-felfűtő feladatot ellátó szivattyút (PLG), mely a tároló forró, felső részéből a vizet átkeringteti az alsó részbe, akkor a baktériumok elpusztíthatók. A szabályozó ezt a szivattyút akkor kapcsolja be, ha adott időszak alatt a tároló alsó részének a hőmérséklete nem emelkedett a megkívánt érték fölé.
Kollektor túlhőmérséklet elleni védelem. A korszerű szelektív napkollektorok üresjárati hőmérséklete elérheti a 180°C-os értéket is, ami a kollektorokban nem kívánt elgőzölgést eredményezhet. Ez általában elkerülhető, ha a szabályozó egy bizonyos kollektor hőmérséklet felett (pl. 110°C) lassú fordulatszámon elindítja a kollektor köri szivattyút, akkor is, ha a tárolót már nem kellene fűteni. Ez elegendő lehet ahhoz, hogy a kollektorokban a forrás ne induljon meg, ugyanakkor a tárolót sem fűtik a kollektorok egy a visszahűtés szempontjából beállított maximális érték fölé. A visszahűtő funkció általában egy maximális kollektor hőmérsékletig működik (pl. 130°C), ezen érték fölött a rendszer megóvása érdekében a kollektor köri szivattyú kikapcsol.

Fenti példákon kívül a mikroprocesszoros szabályozók gyártótól és típustól függően még számos egyéb funkcióval is rendelkezhetnek, melyeket egyszerű, egytárolós rendszerek esetében is célszerű kihasználni. A kollektorokat azonban egyre gyakrabban kombinált, többtárolós rendszerek fűtésére alkalmazzák. Például a kollektorok a melegvíztárolón kívül fűtési puffertárolót, vagy medencét is fűthetnek. Ilyenkor gondoskodni kell a tárolók fűtése közötti átkapcsolás lehetőségéről, és az optimális előnykapcsolási sorrend meghatározásáról. A tárolók fűtése közötti átkapcsolás két, egymással nagyjából egyenértékű módszer szerint történhet. Az egyik módszer a közös szivattyú és motoros váltószelep, a másik pedig körönként külön szivattyú és visszacsapószelep alkalmazása.

3. ábra

Kéttárolós rendszer közös szivattyúval és motoros váltószeleppel

4. ábra

Kéttárolós rendszer tárolónként külön szivattyúval és visszacsapószeleppel

A korszerű napkollektoros szabályozók nem csak a tárolók fűtését szabályozzák, hanem általában különféle, a tárolókban megtermelt hőenergia hasznosítását szolgáló visszacsatolásokat is tudnak irányítani. Erre látható példa az 5. ábrán. Itt a visszacsatolások az alábbiak:

A melegvíztároló fűtése a puffertárolóból. A szabályozó összehasonlítja a melegvíztároló (TBF) és a puffertároló (TPF) felső részének hőmérsékletét, és ha a puffertároló hőmérséklete a megfelelő értékkel magasabb, akkor elindít egy szivattyút (PPS) ami a pufferről fűti a melegvíztárolót. Ezzel a visszacsatolással el lehet érni, hogy a puffertároló hőtartalmát kihasználva, a nyári félévben még tartósan borult időjárás esetén se kelljen beindítani a hagyományos hőtermelőt.
Fűtési visszatérő hőmérséklet megemelése. A szabályozó összehasonlítja a fűtési visszatérő ág (TFV) és a puffertároló (TPF) felső részének hőmérsékletét, és ha a puffertároló hőmérséklete a megfelelő értékkel magasabb, akkor átvált egy motoros váltószelepet (UHR), ami a visszatérő fűtővizet a puffer alsó részébe vezeti, így a kazánba a puffertároló felső részének melegebb hőmérsékletű vize kerül.

5. ábra

Visszacsatolások napkollektoros rendszer szabályozásánál

A mikroprocesszoros szabályozók általában alkalmasak két eltérő elhelyezkedésű kollektormezőt tartalmazó rendszer szabályozására is. Nem célszerű azonban erre törekedni. A napkollektorokat lehetőség szerint azonos dőlésszöggel és tájolással kell elhelyezni. Ha ez valami miatt mégis elkerülhetetlen, akkor a különböző elhelyezkedésű kollektor csoportokat hidraulikailag és szabályozástechnikailag is külön kell választani, és mindkét kollektormezőben egy-egy érzékelőt kell elhelyezni. Ez a rendszer bonyolultságának növekedéséhez vezet.
Általánosan elmondható, hogy a napkollektoros rendszerek megvalósításánál törekedni kell az egyszerűségre, az átláthatóságra. Minden egyes újabb szivattyú, keverő-, vagy váltószelep és szabályozó egyben újabb hibaforrást is jelent. Fontos, hogy a megrendelő is megértse a rendszer működését, mert csak így tudja felügyelni a helyes üzemelést, és saját maga elvégezni az időszakonként szükséges ellenőrzéseket.