A napkollektoros rendszerek megvalósítása során fontos, hogy a csővezeték hőszigetelésére is kellő figyelmet fordítsunk. Ha nem megfelelő anyagú, vagy nem elég vastag hőszigetelést alkalmazunk, akkor a csővezeték hővesztesége miatt a napkollektorok által megtermelt hőmennyiség jelentős részét, akár 20-30%-át is elveszíthetjük.
A napkollektoros rendszerek megvalósítása során arra törekszünk, hogy a napkollektorok felületére érkező napsugárzást minél nagyobb részarányban hasznosítani tudjuk. Ennek érdekében egyrészt igyekszünk jó hatásfokú napkollektorokat alkalmazni, másrészt ügyelünk arra, hogy a napkollektoros rendszer többi alkotóeleme is minél kisebb veszteséggel továbbítsa a kollektorokkal előállított hőenergiát. A napkollektorok hatásfokával és veszteségeivel a korábbi írásainkban részletesen foglalkoztunk. Mostani írásunkban azt vizsgáljuk, hogyan határozható meg a hőszigetelt csővezeték hővesztesége, és ez hogyan aránylik a napkollektoros rendszer által hasznosított hőmennyiséghez. Ennek ismeretében pedig megpróbáljuk meghatározni az alkalmazandó hőszigetelés optimális vastagságát.
1. ábra
Először nézzük meg egy napkollektoros rendszer egyszerűsített energia-folyamatábráját (1. ábra). A napkollektorok felületére érkező napsugárzás (Qnap) egy részét a napkollektorok hasznos hőenergiává alakítják át (Qkoll), a másik része pedig napkollektor optikai és hőveszteségei miatt a környezet felé elillan (Qkollveszt). Így a napkollektorokkal hasznosított hőmennyiség:
Qkoll = Qnap - Qkollveszt
A napkollektorokkal hasznosított hőmennyiség csővezeték rendszeren keresztül jut el a napkollektorokkal fűtött tárolóhoz. Közben a csővezetéken létrejövő hőveszteség (Qcsőveszt) csökkenti a tároló fűtésére hasznosuló, végső soron hasznos hőenergiát (Qhasznos).
Qhasznos = Qkoll – Qcsőveszt
A folyamatot természetesen még folytathatnánk, hiszen a tárolónak és a használati-melegvíz csővezeték rendszernek is van további vesztesége (főleg ha cirkulációs hálózat is van kiépítve), de ez nem a mostani írásunk tárgya.
A csővezeték hővesztesége
Hőszigetelt cső hővesztesége az alábbi módon számítható (a szigetelés külső és belső oldali hőátadási ellenállásának elhanyagolásával):
ahol:
q: a cső hővesztesége [W/m]
tközeg: az áramló közeg hőmérséklete [°C]
tkülső: a cső körüli levegő hőmérséklete [°C]
λ: a hőszigetelés hővezetési tényezője [W/m.K]
Dszig: a hőszigetelés külső átmérője [m]
dcső: a csővezeték külső átmérője [m]
A fenti képlet szerint számítható hőveszteséget a szemléletesség kedvéért grafikusan is ábrázoltuk. Az 2. ábrán egy jellemzőnek tekinthető, 0,04 W/mK hővezetési tényezőjű anyaggal hőszigetelt csővezeték méterenkénti hővesztesége látható a szállított közeg és a környezeti levegő közötti hőmérséklet különbség, valamint a szigetelés vastagság és a csőátmérő viszonyának (s/d) függvényében.
2. ábra
Nézzünk egy példát! A csővezetékben szállított közeg átlagos hőmérséklete legyen 60°C, a környezeti levegő hőmérséklete pedig 10°C. A hőmérséklet különbség ekkor 50°C. A vizsgált csővezeték külső átmérője legyen 22 mm. Ha 9 mm vastag hőszigetelést alkalmazunk, akkor az s/d viszonyszám 9/22=0,4, ekkor a hőveszteség 21 W/m. Ha viszont a csővezeték átmérőjével azonos, 22 mm vastag hőszigetelést alkalmazunk, akkor s/d=1, a hőveszteség pedig már csak 11 W/m. Ha a vizsgált csővezetékünk hossza pl. 20 méter, akkor a teljes hőveszteség a vékonyabb szigetelés esetében 420 W, a vastagabb szigetelés alkalmazásakor pedig 220 W. A 22 mm külső átmérőjű csővezeték fajlagos hővesztesége különböző hőszigetelés vastagságok esetén a 3. ábrán látható.
3. ábra
Vajon sok-e, vagy kevés a fenti példában 20 méter csőhossz esetén kiszámított 420 W, vagy 220 W értékű hőveszteség? Mivel napkollektoros rendszerek hőszigetelését vizsgáljuk, ezért a hőveszteséget célszerű a napkollektorok által szolgáltatott hőteljesítményhez viszonyítani. A 4. ábrán egy átlagosnak tekinthető napkollektor hatásfok görbéje látható. Leolvasható, hogy a példában felvett hőmérséklet viszonyok esetén a napkollektor hatásfoka megközelítőleg 50%, és ha a napkollektor felületére érkező napsugárzás értéke - átlagos, derült időjárást feltételezve - 850W/m2, akkor a napkollektor fajlagos hőteljesítménye 0,5 x 850W/m2 = 425W/m2. Tehát a vékonyabb hőszigetelés alkalmazása esetén éppen 1 négyzetméter napkollektor teljesítménye megy veszendőbe. A példában felvett 22 mm átmérőjű csővezetékkel jellemzően 8-10 négyzetméter napkollektor felületű rendszerek valósulnak meg, tehát az egy négyzetméter felületnek megfelelő hőveszteség ebben az esetben a teljes rendszer teljesítményének 10-12%-át teszi ki. Ha azonban az alkalmazott napkollektor felület csak 4-6 négyzetméter, akkor az 1 négyzetméternyi hőveszteség részaránya már eléri a 16-25%-ot is. Az egyszerű példa alapján is beláthatjuk, hogy a csővezeték hővesztesége jelentős lehet, érdemes tehát részletesebben is foglalkozni a kérdéssel.
4. ábra
A hőveszteség részletesebb vizsgálata
Az előbbi példában a csővezeték hőveszteségének értékét csak egy adott üzemállapotban vizsgáltuk. A valóságos körülmények azonban az évszak, napszak és az időjárás függvényében folyamatosan változnak. Mind a szállított közeg hőmérséklete, mind a külső hőmérséklet, mind a napkollektorok teljesítménye az év folyamán széles tartományban változik. Ezért a napkollektoros rendszer csővezetékének egész éves hőveszteségét csak valós rendszerek mérésével, vagy számítógépes szimulációval lehet meghatározni. A továbbiakban egy számítógépes vizsgálat eredménye kerül ismertetésre.
Az 5. és 6. ábrán egy-egy gyakran alkalmazott méretű napkollektoros rendszer számítógépes szimulációval meghatározott éves hőmennyiségei láthatók. A hőmennyiségek jelölését lásd az 1. ábrán.
Az 5. ábra egy kisebb, 5,28 m2 napkollektor felülettel megvalósított, 18 mm vastag rézcsővel szerelt rendszer hőmennyiségeit mutatja, a hőszigetelés vastagságának függvényében. A számítás során 10m külső, és 10m belső térben vezetett csővezeték hosszúságot vettünk figyelembe. Az ábrából látható, hogy a csővezeték hőveszteségének értéke (Qcsőveszt) hogyan csökken az egyre vastagabb hőszigetelés alkalmazásával. A csökkenés mértéke kb. 9mm vastagságig jelentős, 9‑19mm között enyhébb ugyan, de még mindig számottevő, 19mm fölött azonban már alig változik. A tárolóba bevitt hasznos hőmennyiség értéke (Qhasznos) növekszik a hőszigetelés vastagságával, a növekedés mértéke azonban egy kicsivel alacsonyabb, mint a hőveszteség csökkenése. Ennek magyarázata a napkollektorok által hasznosított hőmennyiségben (Qkoll) rejlik. Ez ugyanis nem állandó, hanem értékét szintén befolyásolja a csővezeték szigetelésének a vastagsága. Ha nagyon vékony hőszigetelést alkalmazunk, akkor a csővezeték magas hővesztesége úgy jelentkezik, mintha megnövekedett volna a hőigény. Ez pedig a napkollektorok (de hangsúlyozottan csak a napkollektorok, és nem a napkollektoros rendszer) kihasználtságát növeli, végső soron a kollektorokkal hasznosított éves hőmennyiség kis mértékű növekedését eredményezi. Tehát vékony hőszigetelés esetén a napkollektorok több napenergiát hasznosítanak, de ebből természetesen több el is veszik a csővezetéken, és végső soron kevesebb hasznosul a tároló fűtésére.
5. ábra
A 6. ábra egy nagyobb, 18m2 napkollektor felülettel megvalósított, 22mm vastag rézcsővel szerelt rendszer hőmennyiségeit mutatja. Ezúttal a számítás során 20m külső, és 20m belső térben vezetett csővezeték hosszúságot vettünk figyelembe. A hőmennyiségek változásának jellege megegyezik az előző, kisebb rendszernél tapasztaltakkal. A különbség csak az, hogy a csővezeték hőveszteségének a hasznosított hőmennyiséghez viszonyított aránya alacsonyabb. Míg az előző rendszernél a hőveszteségek mértéke a feltüntetett 9 és 19mm-es hőszigetelés vastagságoknál 18,2% és 10,9% volt, addig a nagyobb rendszernél ezek az értékek már lecsökkentek 11,7% és 6,9% értékekre. Tehát nagyobb napkollektor felületű rendszereknél a csővezeték rendszeren létrejövő hőveszteség aránya alacsonyabb.
6. ábra
Milyen vastag hőszigetelést alkalmazzunk?
A fenti két konkrét példában bemutatott hőveszteség értékek alapján az alábbi következtetéseket vonhatjuk le:
- Kisebb méretű rendszer és esetén a hőveszteségek aránya magasabb.
- Ha a csővezeték átmérőjénél lényegesen kisebb vastagságú hőszigetelést alkalmazunk, akkor a hőveszteség mértéke nagyon magas, elérheti a hasznosított hőmennyiség 20-30 százalékát is.
- A csővezeték átmérőjénél lényegesen vastagabb szigetelés alkalmazása már nem eredményez számottevő energia megtakarítást.
Fentiekkel egybehangzóan a szakirodalomban általában az alábbi javasolt hőszigetelés vastagságokat találjuk:
|
Csővezeték mérete |
Hőszigetelés vastagsága |
|
Ø 22mm-ig |
20 mm |
|
Ø 28-35mm-ig |
30 mm |
|
Ø 42-54mm-ig |
az átmérővel azonos |
Egyéb követelmények
A megfelelő vastagság mellet természetesen fontos az is, hogy a napkollektoros rendszerben alkalmazott hőszigetelés kellően hőálló legyen. Az épületgépészetben általánosan alkalmazott habosított anyagú hőszigetelések többsége a napkollektoros rendszerekben nem megfelelő, mert a magas hőmérséklet hatására összezsugorodnak, sőt leolvadnak a csőről. Ezért csak speciális, magas hőmérséklettűrésű, szintetikus kaucsukból készült csőhéjakat szabad alkalmazni, vagy belső térben használható szálas szerkezetű, kőzet-, vagy üveggyapot anyagú hőszigetelés is.
Ügyelni kall arra is, hogy a külső térben vezetett csövek hőszigetelését az Nap UV-sugárzása se tegye tönkre. Sőt, gondolni kell a madarakra is, akik előszeretettel csipegetik a habosított szigetelőanyagokat. Ezért a kültéri hőszigetelést mindig célszerű ellátni megfelelő védelmet biztosító külső burkolattal is. Ez lehet fémszál erősítésű szövet burkolat, vagy hagyományos alumínium lemezburkolat, vagy újabban több rétegű, alumínium bevonatos műanyag fóliából készült keményhéjalás is.
