A napkollektorok hidraulikus bekötését úgy kell megvalósítani, hogy minden egyes napkollektoron belül megközelítőleg azonos, a tervezéskor meghatározott értékű legyen a térfogatáram. Ezen kívül ügyelni kell a légteleníthetőségre és leüríthetőségre, valamint arra, hogy a hőtágulás lehetősége biztosított legyen a napkollektorokon belüli és kívüli csővezeték szakaszokon egyaránt.
Napkollektorok belső csövezésének kialakítása
A napkollektorok a belső csövezés kialakítása és a csatlakozási pontok elhelyezkedése szempontjából számtalan változatban készülhetnek. Hidraulikus viselkedés szempontjából azonban a napkollektorok alapvetően két csoportba sorolhatók: csőkígyós és párhuzamos (hárfa) csövezésűekre. A csőkígyós napkollektorokban (1/a. ábra) a hőhordozó közeg egyetlen kígyóvonal alakban meghajlított csővezetékben áramlik. Párhuzamos (hárfa) csövezésű napkollektorok (1/b, c. ábra) esetében viszont a napkollektoron belüli térfogatáram több egyenes, párhuzamosan kapcsolt, osztó-gyűjtőre csatlakozó csővezeték ágban oszlik meg. Az 1/d. ábrán direkt átfolyású vákuumcsöves napkollektor látható, ennek a csövezése szintén párhuzamosnak tekinthető.
1. ábra
A csőkígyós napkollektorok áramlási ellenállása lényegesen, általában egy nagyságrenddel magasabb, mint a párhuzamos csövezésű napkollektoroké. Erre oda kell figyelni a napkollektorok bekötésének meghatározásakor. Ebből következik az is, hogy a csőkígyós napkollektorok csak szivattyús keringtetésű rendszerekben alkalmazhatók, gravitációs rendszerekben nem. A napkollektorok nyomásveszteségét a gyártók általában grafikusan, nyomásveszteség diagram formájában adják meg, erre láthatunk példát a 2. ábrán.
2. ábra
Napkollektorok soros kapcsolása
A napkollektorokon belüli azonos térfogatáram legegyszerűbben soros kapcsolás alkalmazásával valósítható meg (3. ábra). Ekkor a napkollektorok nyomásvesztesége összeadódik, ezért elsősorban arra kell ügyelni, nehogy túl nagy áramlási ellenállású kollektor csoportokat alakítsunk ki. Csőkígyós kollektorokat csak korlátozott számban köthetünk sorba (általában max. 2-3 darabot). Párhuzamos belső csövezésű napkollektorokból viszont nagyobb csoportokat is kialakíthatunk soros kapcsolással. Soros kapcsolást általában alacsony térfogatáramú, úgynevezett Low-flow rendszerek esetén célszerű alkalmazni.
3. ábra
Napkollektorok párhuzamos kapcsolása
A napkollektorok párhuzamos kapcsolása esetén a teljes rendszer térfogatárama párhuzamosan eloszlik az egyes napkollektorokon keresztül. Ebben az esetben arra kell ügyelni, hogy biztosított legyen az egyes napkollektorokon belül a megközelítőleg azonos térfogatáram. Ezt legegyszerűbben az ún. Tichelmann-elv szerinti kapcsolás alkalmazásával lehet biztosítani. A Tichelmann-elv azt jelenti, hogy valamennyi párhuzamosan kapcsolt napkollektoron keresztül megtett utat vizsgálva, azonosak a csővezeték szakaszok hosszai és átmérői. A Tichelmann kapcsolást legegyszerűbben úgy alkalmazhatjuk, ha belső átkötőcsővel rendelkező napkollektorokat a 4. ábra szerint, közvetlenül egymás mellé sorolunk, és átlós irányban bekötünk. Vigyázat! Bár a napkollektorokat ebben az esetben sorba, egymás mellé kapcsoljuk, hidraulikailag azonban ekkor nem soros, hanem párhuzamos kapcsolást valósítunk meg.
4. ábra
Párhuzamos kapcsolás esetén az egyes napkollektor csoportok áramlási ellenállása a kollektorok számának növelésével csak kis mértékben növekszik. Két-három kollektorból álló csoport ellenállása majdnem ugyanakkora, mint egy kollektor ellenállása, hat-nyolc kollektor párhuzamos kapcsolása esetén pedig egy kollektorhoz képest kb. 1,5-2-szeres ellenállással számolhatunk. Konkrét értékeket az adott napkollektor gyártójától lehet beszerezni.
Párhuzamos, Tichelmann-elv szerinti kapcsolást nem csak egy napkollektor csoporton belül alkalmazhatunk, hanem az egyes csoportokat is köthetjük így. Az 5. ábrán például 36 db napkollektor bekötése látható úgy, hogy az egyes kollektorok a csoportokon belül, az egyes csoportok a sorokon belül, és végül az egyes sorok is Tichelmann-el szerint kerültek bekötésre. Az ábrán a kollektor csoportokon belüli térfogatáramok nagyságát a csővezeték vonalvastagsága szemlélteti.
5. ábra
A napkollektorok vegyes kapcsolása
A napkollektorok soros és párhuzamos kapcsolását egy rendszeren belül vegyesen is alkalmazhatjuk. Például a napkollektorokat a csoportokon belül köthetjük párhuzamosan, az egyes csoportokat pedig sorosan, vagy fordítva. Vegyes kapcsolást alkalmazhatunk például akkor, ha a tető adottságai miatt eltérő számú napkollektorokból álló csoportokat kell bekötnünk. Soros kapcsolás esetén azonban mindig fokozottan kell ügyelni arra, hogy a nagyobb fajlagos térfogatáram miatt megnövekvő nyomásveszteséget a keringető szivattyú biztosítani tudja.
Általános elvként elmondható, hogy a napkollektorok elhelyezésénél törekedni kell az egyszerű és esztétikus megoldások alkalmazására. Lehetőleg azonos típusú és azonos számú napkollektorokból álló csoportokat alkalmazzunk, ekkor a kollektor c
soportok hidraulikai bekötése is egyszerűen megoldható. Kerüljük viszont a 6. ábra szerinti, nem túl esztétikus és bonyolult megoldásokat.
6. ábra
Példa: A 7. ábrán 7 db 2 m2-es, összesen 14 m2 felületű napkollektor bekötése látható úgy, hogy az alsó sorban 4 db, a felső sorban pedig 3 db napkollektort tartalmazó csoport található. A csoportokon belül a napkollektorok kapcsolása párhuzamos, Tichelmann-elv szerinti. Ha fajlagos térfogatáramot 30 l/(h·m2) értékre választjuk, akkor a teljes napkollektor köri térfogatáram értéke: 14 · 30 = 420 l/h. A 7/a. ábrán a két csoport az egyszerű csövezés érdekében sorba lett kapcsolva. Ekkor a teljes, 420 l/h térfogatáram az alsó napkollektor csoportban négy, a felsőben pedig három kollektor között oszlik meg. Így az egy kollektoron belüli térfogatáram az alsó csoportban 420 / 4 = 105 l/h, a felsőben pedig 420 / 3 = 140 l/h. Ezek az értékek csőkígyós napkollektor esetében már viszonylag nagy nyomásveszteséget eredményeznek. A 2. ábra szerinti csőkígyós napkollektornál a nyomásveszteség az alsó sorban kb. 20 kPa, a felső sorban pedig kb. 38 kPa. Ez összesen 58 kPa, ami önmagában, a csővezeték és az egyéb szerelvények nyomásvesztesége nélkül is több, mint amit egy szokásos keringtető szivattyú biztosítani tud. Ezért, ha maradunk a csoportok soros kapcsolásánál, akkor csökkenni fog a napkollektor köri térfogatáram, vagy választhatjuk a 7/b. ábra szerinti megoldást, amikor a két kollektor csoportot párhuzamosan kötöttük be.
7. ábra
Légtelenítés
A napkollektorok bekötését lehetőleg úgy kell megvalósítani, hogy minél kevesebb lokális magas pontot alakítsunk ki. A szükség szerint mégis kialakuló magas pontokra megbízható, hőálló kivitelű kézi légtelenítő csapokat lehet beépíteni. Ez megkönnyítheti a feltöltés során a légtelenítést. Nagyon fontos, hogy az általános gyakorlattól eltérően tilos automata légtelenítőt (szolár kivitelűt is) beépíteni a kollektorok környezetébe. A napkollektorokban ugyanis üresjárat esetén gőz képződhet, ezt pedig kiengedi az automata légtelenítő, ami a hőhordozó közeg egy részének elengedéséhez, a rendszer nyomásának leeséséhez vezet.
A napkollektoros rendszerek légtelenítése szempontjából a jó megoldás az, ha a feltöltés során először lassan, a felső ponton lévő nyitott légtelenítő csap nyitott állapota mellett töltik fel a rendszert. Így bíztosítható, hogy a mindkét ágban egyenletesen emelkedő folyadékszint kiszorítsa a levegőt. Majd amikor a rendszer megtelt folyadékkal, a felső légtelenítő csapot el kell zárni, és megfelelő feltöltő szivattyú és töltő-ürítő szerelvénycsoport segítségével, gondos átmosatással kell kihajtani a rendszerből a még bennszorult levegőt. Megfelelő (nem túl nagy) csőátmérők esetén az átmosatás során a folyadék magával ragadja a levegőt, és így a légtelenítés a rendszer alsó pontján is elvégezhető. Javasolható még, hogy a gépészeti térben a meleg ágba beépítésre kerüljön egy szolár kivitelű légtelenítő edény, vagy abszorpciós légtelenítő. Ez alkalmas a feltöltés során még bennmaradt kevés levegő, és a felmelegedés során a folyadékból kiváló gázok összegyűjtésére és eltávolítására. Az üzembe helyezést követő kezdeti időszak után azonban minden automata légtelenítőt el kell zárni, nehogy gőzképződés esetén ezek kiengedjék a folyadék által magával ragadt gőzbuborékokat.
Üríthetőség
A napkollektorok üríthetősége legalább olyan fontos, mint a légteleníthetőség. És erre nem elsősorban a rendszer ürítésekor, a fagyálló folyadék cseréjekor van szükség, hanem üresjáratkor, gőzképződés esetén. A napkollektorokban a gőzképződés általában a kollektorok egy magasabb pontján kezdődik el. A folyadékból képződő gőz kitágul, és megpróbálja kiszorítani a napkollektorokból a folyadékot. Ha a folyadék távozása az alsó, belépő csonkon keresztül lehetséges, akkor a napkollektorok gyorsan kiürülnek, és viszonylag kis mennyiségű folyadék alakul át gőzzé. Ha viszont a folyadék leürülése nem biztosított, akkor a gőzképződés során is folyamatosan marad folyadék a napkollektorokban. Ennek következményeként lényegesen több folyadék alakul át gőzzé, és így lényegesen magasabb lesz a rendszer nyomása és hőmérséklete is. Ráadásul fagyálló folyadék alkalmazása esetén a gőzképződés során visszamaradó közeg egyre töményebb lesz, mivel először a víz összetevő gőzölög el, ez pedig szintén növeli a forráspontot.
Az üresjárati gőzképződés kezelése szempontjából a napkollektorok kiválasztásánál és bekötésénél az alábbiakra kell törekedni:
- Lehetőség szerint könnyen leürülő kollektorokat alkalmazzunk, vagyis olyanokat, melyeknek legalább az egyik csatlakozási pontja alul van. Az 1. ábrán az a. és b. jelű kollektor jól ürülő, a c. és d. jelű rosszul ürülő típus.
- A napkollektorokat lehetőség szerint úgy kössük be, hogy ne alakuljon ki alsó „zsák”, tehát a napkollektorokból a belépő, hideg ágon keresztül a folyadék lefelé el tudjon távozni az alsó ponton beépített tágulási tartályba (8. ábra). Ügyelni kell arra is, hogy a folyadék hideg ágon keresztüli leürülését visszacsapószelep, vagy egyéb elzáró szerelvény se akadályozza.
8.ábra
Fontos azt hangsúlyozni, hogy az üresjárat, a gőzképződés a napkollektoros rendszerek üzemszerű működésének a része, ennek időszakos előfordulását megakadályozni nem lehet. Különösen a nyáron rossz kihasználtsággal üzemelő, kombinált célú, fűtés rásegítő napkollektoros rendszereknél kell felkészülni a gőzképződés kezelésére. Természetesen nagyon fontos a tágulási tartály helyes méretezése és beépítése, de erről egy későbbi cikkben írunk részletesebben.
Hőtágulás
A napkollektorok bekötésénél természetesen fokozottan kell ügyelni a hőtágulások biztosítására. A napkollektorokon belül a hőmérséklet -20°C és +200°C, vákuumos kollektorok esetén akár 300°C között is váltakozhat. A kollektorok környezetében lévő csővezetékek hőmérséklete is elérheti a 150-180°C-os hőmérsékletet. A leggyakrabban alkalmazott réz csővezeték hossza az átmérőtől függetlenül 1°C hőmérséklet változás hatására méterenként 0,017 mm-t változik. Napkollektorok esetében tehát a hosszváltozás méterenként közel 3 mm is lehet. Ezért kerülni kell a hosszú, egyenes csőszakaszok kialakítását. Ez a napkollektorok közvetlenül egymás mellé helyezésének is határt szab. Ha széles napkollektor sorokat kell kialakítani, akkor a kollektorok közé 4-5 méterenként a hőtágulást lehetővé tevő kompenzátort kell beépíteni (9. ábra).
Ügyelni kell a kollektorok bekötésére is. Ezeket úgy kell kialakítani, hogy a külső csővezeték a napkollektorok csatlakozó csonkjait a hőtágulás miatt ne tudja feszíteni. Ezt úgy tudjuk elérni, ha a bekötéseknél nem a hosszú, nagy átmérőjű külső csővezetéket kötjük közvetlenül könyök, vagy T-idommal a napkollektor csatlakozásához, hanem megfelelő hosszúságú, a hőtágulás hatására rugalmasan elhajolni képes bekötő csőszakaszokat alkalmazunk (9. ábra).
9. ábra
Megjelent az Épületgépész 2013/2. számában
