Ahhoz, hogy a Nap energiáját a lehető legjobban hasznosító, üzembiztos és hosszú élettartamú rendszer valósuljon meg, gondos tervezés és kivitelezés szükséges. Az alábbiakban a napkollektoros és a hagyományos rendszerek közötti legfontosabb különbségek, valamint a napkollektoros rendszerek tervezése és kivitelezése során leggyakrabban elkövetett hibák kerülnek - a teljesség igénye nélkül - ismertetésre.
Magas hőmérséklet
Talán a legfontosabb, amire egy napkollektoros rendszer megvalósítása során ügyelni kell, az a kollektor körben előforduló igen magas hőmérséklet. A mai korszerű napkollektorok maximális belső, üresjárati hőmérséklete elérheti a 180-200°C-ot is. Ha ilyen üresjárat után elindul a kollektor köri keringtetés, akkor rövid ideig ez a magas, 100°C feletti hőmérséklet jelenik meg a teljes rendszerben. Minden beépített elemnek olyannak kell tehát lennie, hogy ezt károsodás nélkül elviselje. A legfontosabbak, amire oda kell figyelni:
- Kollektor köri csővezetéknek nem szabad műanyag, vagy ún. többrétegű csöveket alkalmazni. Erre a célra a legjobb megoldás a vörösréz anyagú csővezeték.
- Csőrögzítésnek nem szabad műanyag, pattintós csőbilincset használni, mert ez megolvad, és nem tartja megfelelően a csövet.
- A csővezeték rendszert természetesen teljes terjedelemben hőszigetelni kell, de erre a célra a hagyományos habosított hőszigetelő csőhéjak nem alkalmasak. Ezek a kollektor köri csővezetéken idővel a magas hőmérséklet hatására összezsugorodnak és leolvadnak. Magyarországon is beszerezhetők már olyan szintetikus gumi anyagú csőhéjak, melyek rövid ideig akár 175°C-nak is ellenállnak, vagy alkalmazhatók kőzet-, vagy üveggyapot anyagú szigetelések.
- A magas hőmérséklet egyben nagy hőtágulást is jelent. Erre fokozottan oda kell figyelni a csővezeték nyomvonalának és rögzítésének kialakításánál.
- A napkollektoros rendszert úgy kell kiépíteni, hogy lehetőleg minden hőmérsékletre érzékeny szerelvény (szivattyú, tágulási tartály, visszacsapó szelep, biztonsági szelep… stb.) a hőcserélő utáni, hideg ágba kerüljön.
Magas üzemi nyomás
Mivel a napkollektorokban nagyon magas hőmérséklet állhat elő, ezért a hőhordozó közeg forrását csak úgy lehet elkerülni, ha a rendszert viszonylag magas, 4-5 bar üzemi nyomásra töltik fel. A nyomás emelésével ugyanis a forráspont is növekszik. Ezért nem a fűtési rendszerekre jellemző 2,5 bar, hanem 6 bar nyitónyomású biztonsági szelepet kell beépíteni. Ez viszont természetesen azt is jelenti, hogy valamennyi rendszerelemnek bírnia kell a 6 bar nyomást. Elsősorban a tágulási tartály kiválasztására kell ügyelni, hiszen az általánosan alkalmazott fűtési tágulási tartályok többsége csak ennél alacsonyabb nyomással terhelhető.
Tágulási tartály méretének megválasztása
A hagyományos fűtési rendszerekben a hőhordozó közeg általában víz, a maximális hőmérséklet pedig nem magasabb 90°C-nál, ezért a zárt tágulási tartály méretének megállapítása viszonylag egyszerű. A kollektoros rendszerek azonban ehhez képest halmozottan hátrányos helyzetben vannak.
- a hőhordozó közeg fagyálló folyadék, melynek a hőtágulási együtthatója magasabb a víznél,
- a hőmérséklet maximális értéke magasabb, a kollektorokban elérheti a 180-200°C-ot is, de rövid időre akár a hideg ágban is meghaladhatja a 120-140°C-ot.
- a magas kollektor hőmérséklet miatt nem zárható ki az, hogy a hőhordozó közeg a kollektorokban felforr, és így gőz keletkezik. A gőz ekkor kinyomja a kollektorokból a folyadékot, ezért a tágulási térfogat kiszámításakor a folyadék hőtágulásához a kollektorok térfogatát is hozzá kell adni.
1. ábra
A fagyálló folyadék és a víz relatív térfogatváltozása a hőmérséklet függvényében
Nem csak a kollektoros rendszerekre vonatkozó speciális probléma, de fel kell hívni a figyelmet a tágulási tartály levegő oldali előnyomásának helyes beállítására is. Sokszor tapasztalható, hogy a rendszert a tágulási tartály előnyomásának ellenőrzése és beállítása nélkül töltik fel. Márpedig a tartály csak akkor tudja ellátni a feladatát, ha ezt megtették. A helyes levegő oldali előnyomás a rendszer hideg állapotban tervezett üzemi nyomásának kb. 90%-a. Ha például a hideg rendszernyomás 4 bar, akkor a tágulási tartályt feltöltés előtt 3,6 bar nyomásra kell beállítani.
Fagyálló folyadék
A napkollektoros rendszereket az egész éves használat miatt fagyálló hőátadó folyadékkal kell feltölteni. Fontos, hogy erre a célra csak nem mérgező fagyálló alkalmazható. Erre egészségvédelmi szempontból van szükség, hiszen, ha egy használati-melegvíz készítő rendszerben kilukad a hőcserélő, akkor a fagyálló az ivóvíz hálózatba kerülhet. A kollektoros rendszerekben általában propilénglikol-víz keveréket alkalmaznak, amely amellett hogy nem mérgező, biológiailag teljes mértékben lebomlik, ezért nem terheli a környezetet sem.
Régen gyakori volt a napkollektoros rendszerek vízzel feltöltése, és téli üzemen kívül helyezése, leürítése. Ez azonban ma már semmiképpen sem követendő megoldás. Egyrészt a korszerű kollektorok a téli félévben is jelentős mennyiségű napenergiát tudnak hasznosítani, másrészt a fagymentesítést a leürítésre bízni meglehetősen kockázatos dolog. Egy korai, vagy éppen késői fagy, esetleg a tökéletlen leürítés miatt bennmaradt víz végzetes tönkremenetelt okozhat. A ciklikusan leürített és feltöltött állapot kedvez a korróziónak és a vízkövesedésnek is.
Csővezeték mérete
Napkollektoros rendszerek csővezetékét ugyanúgy kell méretezni, mint a hagyományos rendszerekét. Nem szabad azonban elfeledkezni arról, hogy a szállított közeg nem víz, hanem fagyálló folyadék, aminek a viszkozitása - különösen alacsony hőmérsékleten - lényegesen magasabb mint a víznek. A kézikönyvekben megadott csővezeték nyomásveszteség diagramok, valamint a szivattyú jelleggörbék is víz közegre vannak megadva, ezek tehát korrekció nélkül nem alkalmazhatók. A magasabb viszkozitás miatt a fagyállóval töltött rendszerek nyomásvesztesége akár 30-40%-al is több lehet. Ennek ellenére inkább tapasztalható az, hogy a kisebb napkollektoros rendszerek csővezetékeit - talán a túlzott óvatosság miatt - erősen túlméretezik. Pedig a fölöslegesen nagy csőméret csak drágábbá teszi a rendszert, a csőátmérővel általában nem növekvő szigetelés falvastagság miatt megnő a hőveszteség, nagyobb rendszertérfogat miatt több fagyállóra lesz szükség, valamint nagyobb lesz a rendszer tehetetlensége is.
2. ábra
A fagyálló folyadék és víz dinamikus viszkozitása
3. ábra
Egyenes csővezeték nyomásvesztesége fagyálló és víz közeg esetén
Hőcserélő méretezése
Mivel a kollektorokban fagyálló folyadék kering, a fűteni kívánt közeg pedig általában víz, ezért szükség van hőcserélő alkalmazására. Ez kisebb rendszereknél általában belső, tartályba beépített hőcserélő. Fontos azonban, hogy a hőcserélő felülete megfelelően nagy legyen. Ha kicsi a hőcserélő, akkor a kollektorok csak magasabb hőmérséklet-különbség mellett tudják átadni teljesítményüket a fűtött tároló vizének. A magasabb kollektor hőmérséklet pedig rosszabb kollektor hatásfokot, így kevesebb hasznosított napenergiát eredményez. A rosszul megválasztott hőcserélő akár 30-40%-ban is csökkentheti a kollektoros rendszer teljesítményét. Ennek elkerülése érdekében olyan hőcserélőt kell választani, hogy a belső hőcserélő/napkollektor felület viszonya legalább 0,2 legyen simacsöves hőcserélőnél és 0,3-0,4 legyen ún. bordáscsöves hőcserélőnél.
Nagyobb kollektor felület esetén ez a viszonyszám már belső hőcserélővel nem teljesíthető, ezért ilyenkor külső, általában lemezes hőcserélőt kell alkalmazni. Ezt azonban szintén gondosan, számítógépes méretezés alapján kell kiválasztani. Soha nem szabad csak a hőcserélőre megadott névleges teljesítmény alapján dönteni, ezt ugyanis nem a napkollektoros rendszerekre érvényes hőmérsékletek és térfogatáramok figyelembevételével adják meg. A hagyományos fűtéstechnikában a primer és a szekunder közeg közötti 50-60°C körüli hőmérséklet-különbség normálisnak számít, kollektoros rendszerekben azonban az 5°C körüli érték a kívánatos.
Különösen igazak fentebb elmondottak a medencék fűtésére alkalmazott csőköteges hőcserélőkre. Ezeknek a hőcserélőknek egy előnyük van: kicsi a köpenytér köri ellenállásuk, ezért a viszonylag nagy térfogatáramú vízforgató körbe is közvetlenül beépíthetők. Hőtechnikai tulajdonságaik viszont katasztrófálisan rosszak. Főleg a rövid, tömzsi kialakítású hőcserélők csak nagyon magas hőmérséklet-különbség mellett képesek a névleges teljesítményük átadására. Ilyen hőcserélő alkalmazásakor - még a viszonylag hideg medence fűtésekor is - a kollektorok hőmérséklete eléri, vagy akár meg is haladja a 80-90°C-ot. Ez pedig csak a laikusok számára lehet kívánatos. Sajnos sokan gondolják úgy, hogy a kollektoros rendszer akkor működik jól, ha kollektorok hőmérséklete minél magasabb. Ez nem így van! A jól megvalósított rendszernél a kollektorok hőmérséklete csak 10-20°C-al lehet magasabb annak a közegnek a hőmérsékletnél amit fűtenek, és megfelelő napsütés esetén a kollektor hőmérséklet együtt emelkedik a felfűtött közeg hőmérsékletével.
A napkollektorok felszerelése
A napkollektorokat általában az épületek tetőfelületére szerelik fel. Természetesen fontos, hogy a felszerelés a tető beázásának veszélyeztetése nélkül történjen, az alkalmazott tartószerkezetek karbantartást, festést ne igényeljenek, élettartamuk legyen azonos, vagy hosszabb, mint a kollektorok élettartama. A helyszínen, acélból hegesztett, és úgy-ahogy lefestett tartószerkezet néhány év - a rozsdásodás megindulása - után nem válik a ház díszére.
Ügyelni kell az esztétikus és praktikus elhelyezésre is. A kollektoroknál a jó tájolás és dőlésszög fontos, de nem annyira, hogy e cél érdekében megérné a kollektorokat a tető síkjától jelentősen eltérő síkba kiemelő, robosztus és ronda tartószerkezetre felszerelni. Nem szerencsés az sem, ha több, eltérő tájolású kollektormezőt alakítanak ki. Az ilyen rendszer csak akkor működhet helyesen, ha az egyes mezőket hidraulikailag és szabályozás tekintetében is külön választják. Vagyis minden eltérő kollektormezőhöz külön szivattyút és előremenő csővezetéket, valamint külön kollektor érzékelőt kell beépíteni.
Gondosan kell eljárni a külső térben vezetett kollektor köri csővezetékek hőszigetelésénél is. A legjobb megoldás, ha minél kevesebb csövet vezetnek a szabadban. Ha ez mégis szükséges, akkor az alkalmazott hőszigetelésnek UV-állónak kell lennie. Ilyen pedig habosított szigetelőanyagban nincs, legfeljebb csak olyan, ami egy kicsivel később megy tönkre. Ezért az ilyen szigetelést le kell festeni speciális védőfestékkel, de még jobb, ha alumínium keményhéjalást alkalmaznak. Ez utóbbi véd a madarak és a rágcsálók ellen is.
Feltöltés, légtelenítés
A napkollektoros rendszert a kiépítés után fagyálló folyadékkal kell feltölteni, mégpedig úgy, hogy utána többet ne kelljen újra utánatölteni. Ez azért fontos, mert a fagyálló folyadékkal való feltöltés külön töltőszivattyút, és szakértelmet is igényel. Ezt nem lehet rábízni a rendszer laikus tulajdonosára. Mindenképpen el kell kerülni azt is, hogy az esetleges nyomásesést a vízhálózatról való rendszeres feltöltéssel pótolják, mert ez a fagyálló folyadék ellenőrizhetetlen hígulását, végső soron a kollektorok szétfagyását okozhatja.
A stabil üzemi nyomás feltétele a tömör és megfelelően kilégtelenített rendszer. Tömörtelenség elsősorban az oldható kötéseknél, hollandis csatlakozások tömítéseinél szokott előfordulni. Kollektoros rendszerekben a magas hőmérséklet miatt csak megbízható, fémes, vagy hőálló gumi (viton) anyagú tömítéseket szabad alkalmazni, illetve törekedni kell arra, hogy a meghibásodási helyek száma minél kevesebb legyen.
Szintén nagyon fontos a feltöltés során a tökéletes légtelenítés. A kollektoros rendszerek legmagasabb pontja többnyire a kollektorok kilépő csonkja, ahová a magas hőmérséklet és az esetleges gőzképződés miatt nem szabad automata légtelenítőt beépíteni. Ha mégis ezt teszik, akkor garantált, hogy ez rövid időn belül tönkremegy. A felső ponton tehát csak kézi légtelenítő alkalmazható. A feltöltés során a légtelenítést csak átöblítéssel lehet elvégezni, ennek pedig feltétele, hogy a csővezetékbe legyen beépítve egy elzáró szerelvénnyel elválasztott töltő- ürítőcsap kombináció. Átöblítéssel a levegő nagy része kiválaszható. A maradék kis mennyiségű levegő, illetve oxigén kiválasztására pedig célszerű beépíteni légtelenítő edényt, vagy abszorpciós légtelenítőt.
4. ábra
Napkollektoros rendszer feltöltése és légtelenítése
Szabályozás
A napkollektoros rendszerek szabályozásánál az alapvető feladat az, hogy a kollektor köri szivattyút a kollektorok és a fűtött közeg közötti hőmérséklet különbség függvényében kell vezérelni. A szivattyú csak akkor járhat, ha a kollektorok hőmérséklete megfelelő értékkel magasabb a fűtött tároló hőmérsékleténél. Csak a kollektorok abszolút hőmérsékletének mérése (pl. egy termosztáttal) tehát nem elegendő. A legegyszerűbb, egy tároló fűtésére alkalmas szivattyús napkollektoros rendszert is hőmérséklet-különbségre kapcsoló szabályozással kell ellátni. Az ilyen szabályozáshoz minimum két érzékelő tartozik. Egyikkel a kollektorok, másikkal a fűtött tároló hőmérsékletét kell mérni. Nagyon fontos, hogy az érzékelők megfelelő módon, és megfelelő helyen legyenek.
A kollektorok hőmérsékletét ott kell mérni, ahol a hőmérséklet közel megegyezik a kollektorból kilépő hőmérséklettel. A legtöbb gyártó erre a célra érzékelő hüvelyt helyez el a kollektorban, vagy a csatlakozó készletben. Gyakori hiba, hogy a kollektor érzékelőt egyszerűen a csővezetékre bilincselik, ráadásul a kollektortól viszonylag messze és a kilépő csonktól lejjebb. Az ide helyezett érzékelő csak jelentős késéssel, vagy egyáltalán nem reprezentálja a kollektorok hőmérsékletét.
Fontos a tároló érzékelő elhelyezése is. A tárolókban a víz hőmérséklet szerint rétegződik, ezért nem mindegy, hogy milyen magasságban helyezik el az érzékelőt. Belső hőcserélő esetén a hőcserélő magasságában, külső hőcserélő esetén pedig a szívócsonk közelében kell mérni a tároló hőmérsékletét.
Szintén gyakori hiba, hogy elkészül a kollektor köri csővezeték, de elfelejtenek vezetéket kiépíteni a kollektor érzékelő számára. Fontos, hogy erre a célra egy legalább 0,75mm2 keresztmetszetű, kéteres, az épület erősáramú vezetékeitől független, kábelt kell kiépíteni.
A mai napkollektoros rendszerek szabályozása természetesen a fentebb leírt egyszerű hőmérséklet-különbség kapcsolásnál lényegesen összetettebb is lehet. A korszerű mikroprocesszoros szabályozók számtalan funkcióval rendelkeznek, pl. több tároló és kollektormező szabályozására alkalmasak, változtatják a normál szivattyúk fordulatszámát, hőmennyiséget mérnek, rétegtöltést és bonyolult előnykapcsolási sorrendeket tesznek lehetővé… stb. Célszerű azonban törekedni a minél egyszerűbb, a felhasználó számára is áttekinthető rendszer kialakítására.
Szerelési sorrend
Általános tapasztalat, hogy a napkollektoros rendszerek megvalósítását a kollektorok felszerelésével kezdik. A kollektorok már a szerkezetkész házra felkerülnek, a gépészeti szerelés pedig csak ezután kezdődik. A kollektorok sokszor hónapokig, esetleg az építkezés és a beköltözés elhúzódása miatt évekig várakoznak a tetőn - kitéve a tűző napsugárzásnak - amíg minden elkészül, és használatba veszik őket. A tartós üresjárati magas hőmérséklet pedig egy kollektornak sem használ. A helyes sorrend tehát az lenne, ha a kollektorokat utoljára, az építkezés befejezésekor szerelnék fel. Ha ettől a sorrendtől mégis el kell valami miatt térni, akkor célszerű a kollektorokat a használatbavétel idejéig letakarni.
Természetesen a fent leírtakon kívül még számtalan fontos dolog van, amire a kollektoros rendszerek megvalósításakor ügyelni kell. Ezek egyike sem olyan azonban, amit kellő odafigyeléssel és körültekintéssel ne lehetne betartani. Aki jó épületgépész szakember, az jó napkollektoros rendszert is tud készíteni. Az a beruházó, építtető pedig, aki hajlandó a környezet védelme érdekében a napkollektoros rendszerrel járó többletköltségeket fedezni, megérdemli, hogy cserébe egy jól működő, hosszú élettartamú berendezést kapjon.
