Használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszerek méretezése

A napenergia tudástár előző írásaiban a hasznosítható napenergia nagyságáról, a napkollektorok felépítéséről, hatásfokáról, valamint a napkollektoros rendszerek gazdaságosságáról volt szó. Most rátérünk a konkrét napkollektoros rendszerek ismertetésére. Az épületgépészetben a napkollektorokat általában használati-melegvíz készítésre és épületek, vagy medencék fűtésére használják. Először a legelterjedtebb használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszereket tárgyaljuk részletesebben.

A használati-melegvíz készítés Magyarország éghajlati adottságai mellett a napenergia-hasznosítás leggyakrabban alkalmazott módja. Melegvízre szinte minden létesítményben – családi házban, társasházban, üzemben, szállodában… stb. - szükség van, és a melegvíz igény az év során folyamatos és viszonylag egyenletes. A felmelegítendő hálózati hidegvíz hőmérséklete általában 10°C körüli, ezt a hideg vizet napkollektorokkal többnyire még gyenge napsütés esetén is elő lehet melegíteni.
Nézzük, hogyan lehet a használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszereket hőtechnikailag méretezni, vagyis megállapítani, hogy mekkora napkollektor felület és melegvíz-tároló térfogat szükséges adott mennyiségű melegvíz napenergiával történő előállításához. Pontosabb méretezés általában csak számítógépes szimulációs programmal végezhető el, a nagyságrendek azonban egyszerűbb összefüggések alapján is meghatározhatók.

A szoláris részarány és a rendszerhatásfok összefüggése

A napkollektoros rendszerek méretezésénél a legfontosabb meghatározandó jellemző az ún. szoláris részarány (SF), ami azt mutatja meg, hogy a napkollektoros rendszer milyen részarányban fedezi a teljes energiaszükségletet (jelen esetben a melegvíz készítés hőszükségletét).

 [%]

ahol Qs a napkollektoros rendszer energiahozama (kWh), Q_HMV a melegvíz készítés hőszükséglete (kWh), QAux pedig a hagyományos hőtermelő (pl. kazán, vagy elektromos fűtőpatron) hőmennyisége (kWh).

Másik fontos jellemzője a napkollektoros berendezéseknek a rendszerhatásfok (SE), ami azt mutatja meg, hogy a napkollektoros rendszer milyen részarányban hasznosítja a napkollektorok felületére érkező napsugárzást.

 [%]

ahol Qs a napkollektoros rendszer energiahozama (kWh), E_G az adott földrajzi hely globális napsugárzás jövedelme (kWh/m2), és Akoll (m2) a kollektorok hasznos felülete.

A szoláris részarányt és a rendszerhatásfokot általában éves időszakra vonatkoztatva adják meg, de természetesen beszélhetünk rövidebb időszakokról, pl. nyári, téli, havi, vagy napi szoláris részarányról, illetve rendszerhatásfokról is.
A szoláris részarányt és a rendszerhatásfokot közös grafikonban ábrázolva (1. ábra) láthatjuk, hogy a jellegük egymással éppen ellentétes. Magas szoláris részarány esetén alacsony a rendszerhatásfok, magas rendszerhatásfok esetén pedig alacsony a szoláris részarány. Ezek a tendenciák érthetőek, hiszen magas szoláris részarányt csak a napkollektoros rendszer túlméretezésével lehet elérni, ez pedig az átlagosnál naposabb időjárás esetén a rendszer gyakori üresjáratát és így kihasználatlanságát eredményezi, aminek következménye az alacsony rendszerhatásfok. Ha viszont a napkollektoros rendszerünket alulméretezzük, akkor bár alacsony szoláris részarányt tudunk elérni, de a rendszerünk nagyon jó kihasználtsággal, és így magas rendszerhatásfokkal fog üzemelni.

1. ábra

A szoláris részarány és a rendszerhatásfok alakulása

Kérdés ezek után, hogy a napkollektoros rendszerek méretezésénél mi legyen a cél? Az 1. ábrán bejelöltük a szoláris részarány és a rendszerhatásfok metszéspontjának a közelében egy optimális zónát. Ekkor a szoláris részarány 35-55%, a rendszerhatásfok pedig 40-45%. Ebben a zónában valósíthatók meg a napkollektoros rendszerek a legoptimálisabb ár-érték arányban, ami azt jelenti, hogy a szoláris részarány jelentős, ugyanakkor a rendszerhatásfok is viszonylag magas. Ezért főleg a nagyobb rendszereket, ahol a gazdaságosság, a pénzügyi megtérülés fontos szempont, célszerű így méretezni. A gazdaságosság mellett még előnye az így méretezett rendszereknek az is, hogy mivel nincs jelentős túlméretezés, ezért a magas pangási hőmérséklettel járó üresjárat is viszonylag ritkán fordul elő, ami a napkollektoros rendszer problémamentes élettartamát is megnöveli.

De természetesen nem minden esetben kell ragaszkodni a fenti méretezési elvhez. Nagy létesítményeknél pl. megvalósíthatunk olyan napkollektoros rendszert is, ami csak a hőigény 10-20%át fedezi, így gyakorlatilag csak előmelegíti a hálózati hidegvizet 20-30°C-ra, viszont nagyon magas rendszerhatásfokkal, és üresjárat nélkül üzemel, ezért egy négyzetméter napkollektor felülettel a szokásos évi 550-600 kWh helyett akár 800-850 kWh napenergiát is tudunk hasznosítani.
Kisebb létesítményeknél, jellemzően családi házaknál pedig fordított stratégiát célszerű követni. Itt fontos szempont a megrendelő megelégedettsége, ezt pedig akkor tudjuk elérni, ha a napkollektoros rendszer viszonylag magas, legalább 60-65%-os éves szoláris részaránnyal üzemel. Ekkor a nyári félévben – leszámítva a tartósan esős, borult napokat – a napkollektorok 100%-ban elő tudják állítani a szükséges melegvíz mennyiséget, a hagyományos hőtermelő akár tartósan ki is kapcsolható. Az átlagosnál derültebb nyári napokon ugyan előfordul üresjárat is, ezt azonban egy helyesen kivitelezett napkollektoros rendszer képes károsodás nélkül elviselni.

A melegvíz-fogyasztás mennyiségének meghatározása

A használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszerek méretezésénél a legfontosabb, hogy viszonylag pontosan meghatározzuk a méretezendő létesítmény jellemző napi melegvíz fogyasztásának mennyiségét és a fogyasztás időbeli eloszlását. Ez meghatározható számítással, a felhasználók számának és a személyenkénti fogyasztásának a megbecsülésével, vagy már létező, üzemelő létesítmények esetén a tulajdonos, üzemeltető adatszolgáltatása alapján.

A valós vízfogyasztás megállapításánál ügyeljünk arra, hogy a napkollektoros rendszer méretezése egészen más szemléletet igényel, mint a hagyományos hőtermelővel üzemelő épületgépészeti rendszerek méretezése. A hagyományos rendszereknél elsődleges szempont az ellátás biztonsága, úgy kell méretezni, hogy a legnagyobb létszám, a legnagyobb egyidejűség esetén is biztonsággal rendelkezésre álljon a kívánt hőmérsékletű melegvíz. Napkollektoros rendszereknél viszont ne a csúcsfogyasztásra méretezzünk. Ne használjuk pl. a régi kézikönyvekben megadott meglehetősen magas vízfogyasztási normatívákat, mert ezek a valóságban általában lényegesen alacsonyabbak. Vagy, ha például egy szállodáról van szó, akkor ne a maximális vendégszámmal számoljunk, hanem próbáljuk meg kideríteni, átlagosan milyen kihasználtsággal fog ez a szálloda üzemelni. Ha ez jellemzően csak 60%, akkor fölösleges a napkollektoros rendszert 100%-ra méretezni.

Egy családi ház esetében a napi melegvíz fogyasztás az év minden napján nagyjából állandónak tekinthető. Más a helyzet azonban nagyobb létesítményeknél. Pl. egy soklakásos társasház esetében a melegvíz készítés hőigénye az év folyamán jelentősen változik, a 2. ábra szerint. Nyáron a hőigény a melegebb hálózati hidegvíz, és a fürdésnél felhasznált valószínűleg alacsonyabb hőmérsékletű melegvíz miatt alacsonyabb, mint télen. Ráadásul nyáron van a kb. hat hetes szabadsági periódus, ami tovább csökkenti a vízfogyasztást. Mivel a napkollektoros rendszerünket majd a nyári napsugárzásra fogjuk méretezni, ezért a melegvíz fogyasztási értékek közül is a nyári, alacsonyabb értéket kell figyelembe vennünk.

2. ábra
A melegvíz készítés hőigényének alakulása társasház esetén

A jellemző napi vízfogyasztás ismeretében kiszámítható a melegvíz készítés napi hőszükséglete:

     [Wh]

ahol:
c = 1,16 [Wh/(kg.K)]    a víz fajhője,
m  [kg liter]              a napi vízfogyasztás mennyisége,
th [°C]                         a hálózati hidegvíz hőmérséklete,
tm = [°C]                     a felhasználáskor figyelembevett melegvíz hőmérséklete

A képletben az 1,1-es szorzó a tárolási és felhasználási veszteségeket veszi figyelembe. Ha a melegvizet cirkuláltatják is, akkor cirkulációs hőveszteség miatt még további 10-20%-al meg kell növelni a hőigényt.
A képlet szerint pl. 50 liter víz 10°C-ról 50°C-ra való felmelegítésének, tárolásának és elosztásának a hőszükséglete:

Ha ismerjük a napi hőigényt, akkor ezt össze tudjuk vetni, az egy négyzetméter napkollektor felülettel hasznosítható hőmennyiséggel. Ennek értékét az 3. ábrából tudjuk megállapítani, mely az átlagos körülmények esetén hasznosítható napsugárzást mennyiségét mutatja havi bontásban.

3. ábra

Az 4. ábra alapján megállapíthatjuk, hogy májustól szeptemberig Magyarországon 1m2 napkollektor felülettel átlagos időjárás esetén 2,5-2,8 kWh hőmennyiség állítható elő, ami nagyjából éppen akkora, mint amekkora hőigényt számítottunk 50 liter vízfogyasztás esetére. Ez pedig azt jelenti, hogy ha a napkollektoros rendszerünket úgy méretezzük, hogy 50 liter vízfogyasztásra jusson 1 m2 napkollektor felület, akkor ez a napkollektoros rendszer a melegvíz szükségletet májustól szeptemberig átlagos időjárású napokon 100%-ban fedezni tudja. Ez ugyanakkor azt is jelenti, hogy a napkollektoros rendszerünk éves szinten a melegvíz igényt kb. 60%-os részarányban tudja kielégíteni.
Egyszerű méretezésnél tehát az alkalmazható az alábbi ökölszabály:

Perzse, ha precízek akarunk lenni, akkor az így meghatározott napkollektor felületet még módosítani kell a napkollektorok dőlésszögétől és tájolásától függően, hiszen a fenti összefüggés, csak a Magyarországon egész éves használat esetén, optimálisnak tekinthető 40-45°-os dőlésszög és déli tájolás estén igaz. Ettől az optimális elhelyezéstől való eltérés miatti teljesítménycsökkenést jellemző “k” korrekciós érték a 4. ábrából olvasható le. Az adott elhelyezésnek megfelelő korrigált napkollektor felületet úgy kapjuk meg, ha az előzetesen kiszámított kollektor felületet elosztjuk az 4. ábra alapján meghatározott korrekciós tényezővel.

4. ábra
Teljesítménycsökkenés a kollektorok dőlésszögének és tájolásának függvényében

A melegvíz-tároló méretének a meghatározása

A napkollektor felület mellett fontos a melegvíz-tároló nagyságának a meghatározása. A napkollektoros rendszerekben alkalmazott melegvíz-tárolók optimális térfogatát elsősorban a napi melegvíz fogyasztás mennyisége határozza meg. A napenergia-hasznosító rendszer akkor működik megfelelően, ha napsütés esetén a kollektorokkal napközben megtermelt, és a tárolóban eltárolt melegvíz elegendő a következő napi napsütés időszakáig. Csak így lehet elérni azt, hogy nyáron a kollektorok közel 100%-ban kielégítsék a melegvíz szükségletet, és a hagyományos hőtermelő csak borultabb napokon kapcsoljon be. A tároló optimális méretét befolyásolja még a kollektorfelület nagyága, és a melegvíz fogyasztás jellege. Az 5. ábrán az elérhető éves szoláris részarány látható a tárolótérfogat és a fogyasztás, valamint a kollektorfelület és a fogyasztás arányának függvényében. Ha a fogyasztást 50°C-os vízből vesszük figyelembe, akkor az optimális tárolóméret a napi fogyasztás 100-150%-a körül van. Ennél nagyobb tároló alkalmazása esetén a szoláris részarány már nem növekszik számottevően.

5. ábra
Éves szoláris részarány a tárolóméret és a kollektorfelület
fogyasztáshoz viszonyított aránya függvényében

Pontosabb méretezés: számítógépes méretező programmal

E cikk bevezetőjében már utaltunk arra, hogy napkollektoros rendszerek pontosabb méretezése csak megfelelő számítógépes programmal végezhető el. A fentebb ismertetett ökölszabály inkább csak előméretezésre, a nagyságrendek előzetes megállapítására használható. Ez kisebb létesítmények, családi házak rendszerméretének meghatározásához sokszor elegendő lehet, de nagyobb, komolyabb létesítmény méretezéséhez semmiképpen sem. Ezért, ha ilyen feladatunk lenne, akkor célravezető megkeresni egy profi napkollektoros vállalkozást, aki feltehetőleg rendelkezik megfelelő szoftverrel, és a méretezést elvégzi helyettünk.

Varga Pál

Magyar Installateur, 2010