Le kell-e takarni nyáron a napkollektorokat, vagy azok e részét ponyvával, esetleg motoros redőnnyel? Meg kell-e kérni a szomszédot, hogy nyári szabadságunk alatt minden nap jöjjön át és engedje ki a tárolóból a napkollektorokkal felmelegített vizet? Igen, ha rosszul megtervezett és kivitelezett napkollektoros rendszerünk van. Gondosan megvalósított rendszerek viszont a nyári üresjárati, pangási állapotot is képesek károsodás nélkül elviselni, a biztonságos üzemeltetéshez nem szükséges extrém intézkedéseket megtenni.
A fagyállóval feltöltött zárt napkollektoros rendszerek egyik legnagyobb üzemeltetési problémája a főleg nyáron bekövetkező üresjárati, pangási állapot. Pangási állapotnak azt nevezzük, ha erős napsugárzás esetén a hőhordozó közeggel nem vezetünk el hőenergiát a napkollektorokból és emiatt azokban a hőhordozó közeg forráspontjához közeli, vagy azt meghaladó hőmérséklet alakul ki. Ilyen állapot például az alábbi esetekben fordulhat elő:
- Derült időjárás és alacsony hőfogyasztás esetén, ha a napkollektorok már felfűtötték a tárolókat a maximális hőmérsékletig (pl. nyári szabadság miatti távollét esetén).
- Áramszünet, vagy meghibásodás esetén, pl. szabályozó, érzékelő vagy szivattyú hiba esetén.
- Nem megfelelő légtelenítettség esetén, ha emiatt megszakad a napkollektor körben a folyadékoszlop.
A pangási állapot előfordulása különösen gyakori a használati-melegvíz készítés mellett épületek fűtésére is szolgáló, nagyobb napkollektor felülettel megvalósuló ún. „kombi” rendszerek esetében. A pangási állapot bekövetkezését megakadályozni nem lehet, ezért a napkollektoros rendszert ennek figyelembevételével, úgy kell megvalósítani, hogy a pangási állapot ne okozzon károsodást a rendszer elemeiben.
Az MSZ EN 12976-1 számú, a termikus napenergia-hasznosító rendszerek általános követelményeit meghatározó szabvány a túlmelegedésről szóló 4.1.4 fejezetében előírja, hogy a napkollektoros rendszert úgy kell megtervezni és kivitelezni, hogy:
- tartós napsugárzás és hőfogyasztás nélküli állapot esetén se legyen szükség személyes beavatkozására a rendszer újraindulásához,
- a hőmérséklet a rendszer egyetlen pontján se haladja meg az oda beépített anyagok maximális megengedett hőmérsékletét.
Fenti követelményeknek nem könnyű megfelelni, hiszen a napkollektorok pangási hőmérséklete nagyon magas. Síkkollektorok esetében ez 180-210 °C, vákuumcsöves napkollektorok esetében pedig 220-300 °C. Ezen a hőmérsékleten és a szokásosan alkalmazott 2,5-6 bar nyomáson a napkollektor köri hőhordozó közeg már felforr, így a kollektorokban gőz képződik. A gőzképződés hirtelen térfogatnövekedéssel jár, emiatt egyrészt megemelkedik a rendszer nyomása, másrészt a gőz a kollektorokból kinyomja a folyadékot, így a forró folyadékkal kevert gőz a csővezeték rendszer távolabbi pontjain is megjelenhet. Ilyenkor biztosítani kell azt, hogy:
- a nyomás ne emelkedjen meg a biztonsági szelep nyitónyomásáig,
- a gőzzel kevert forró folyadék szintje ne érje el a napkollektor körbe beépített, alacsonyabb maximális hőmérsékletű szerelvényeket.
Fentieket elsősorban a napkollektor köri tágulási tartály helyes méretezésével és beállításával, valamint a gőzképződés esetén a napkollektorokban lévő folyadék gyors kiürülési lehetőségének biztosításával lehet megvalósítani. A tágulási tartály méretezésével az Épületgépész 2013/4. számában már foglalkoztunk, most a napkollektorok gőzképződési leüríthetőségét ismertetjük részletesebben.
1. ábra.
Pangási állapotban gőz képződik a napkollektorokban, ami a folyadékot a tágulási tartályba nyomja.
A gőzképződés folyamata a pangási állapotban
A napkollektorok üresjárati, pangási állapotában a gőzképződés folyamata öt szakaszra osztható. Az egyes szakaszok alatt a rendszer nyomásának változása a 2. ábrán látható.
2. ábra
A gőzképződés fázisai, napkollektoros rendszer nyomásának változása a pangási állapot során
1. szakasz: Felmelegedés és a folyadék kitágulása.
Az üresjárat következtében a napkollektorok hőmérséklete a pangási hőmérséklet közelébe emelkedik, emiatt a napkollektor köri hőhordozó közeg kitágul. Ebben a szakaszban helyes tágulási tartály méret esetén a rendszer nyomása csak kis mértékben emelkedik.
2. szakasz: gőzképződés indul a napkollektorokban
A napkollektorokban, általában valahol a felső rész közelében megindul a gőzképződés, a keletkező gőz nagy mennyiségű folyadékot nyom ki a tágulási tartályba. Ezért a nyomás hirtelen emelkedik. A nyomással a forráspont is emelkedik. A kollektorokból kiáramló forráspont közeli folyadék és gőz keveréke nagy hőigénybevételnek teszi ki a kollektorokhoz csatlakozó csővezeték szakaszokat. Ez a szakasz néhány percig tart, és akkor fejeződik be, amikor folyamatos gőzcsatorna alakul ki a kollektorok ki- és belépő csonkjai között. A szakasz végére a kollektorokban még marad folyadék.
3. szakasz: a napkollektorok ürülése forrással
A napkollektorok maradt összes folyadék elgőzölög, ezért a kollektorok folyamatosan hőenergiát termelnek és szállítanak a csővezetékek és a rendszer többi része felé. A gőz és így a magas hőmérsékletű szakasz a rendszer távolabbi pontjaiba is eljuthat, míg végül kondenzálódik és így a hőenergia a környezet felé távozik. Ebben a fázisban a gőz térfogata és a rendszer nyomása eléri a maximális értéket.
4. szakasz: a napkollektorokat túlhevített gőz tölti ki
A napkollektorok egyre szárazabbá válnak, a gőz túlhevül. A napkollektorok gőzteljesítménye lecsökken, a gőztérfogat is eshet, ezért a kollektor folyadékot szívhatnak vissza, emiatt kisebb, pulzáló nyomáslökések keletkezhetnek. A túlhevült gőz szakasza a napsugárzástól függően akár több óráig is tarthat.
5. szakasz: a napkollektorok lehűlése és visszatöltődése
A napkollektorok visszahűlnek a forráspont alá, a gőz kondenzálódik és a napkollektorok újra megtelnek folyadékkal.
A napkollektorokban a gőzképződés szempontjából a kritikus a 2. és a 3. szakasz. A 3. szakasz hosszát a 2. szakasz végén a napkollektorokban bennmaradt folyadék mennyisége határozza meg. Ha a napkollektorokban képződő gőz nem tudja gyorsan kinyomni a folyadékot, akkor lényegesen több folyadék alakul át gőzzé, a magas hőteljesítménnyel járó gőzképződés folyamata tovább tart, a nyomás, és így a forráspont is jobban megemelkedik. A gőzképződés mennyiségét, időtartamát, maximális hőmérsékletét és nyomását tehát elsősorban az határozza meg, hogy milyen a napkollektorok leürülési képessége, milyen gyorsan tudja a képződő gőz az összes folyadékot kinyomni a napkollektorokból. A képződő gőz mennyisége és a gőzképződés folyamán a napkollektorok hőteljesítménye meghatározza, hogy a kritikus hőmérsékletű szakasz milyen messzire tud eljutni a napkollektoros rendszerben.
A napkollektorokból kiáramló gőz elsősorban a csővezetékre és annak hőszigetelésére, a csőkötések tömítéseire, a beépített egyéb szerelvényekre jelent veszélyt. Szerencsétlen esetben a magas hőmérsékletű gőzzel telített szakasz a tágulási tartályt, a hőcserélőt és a szivattyút is elérheti. Ennek elkerülése érdekében lehetőleg arra kell törekedni, hogy olyan napkollektoros rendszert valósítsunk meg, melyben a napkollektorok leürülési képessége megfelelő. Ez pedig függ a napkollektorok csövezésének belső kialakításától, a napkollektor köri csövezés kialakításától, és a rendszerbe beépített szerelvények és berendezések elhelyezésétől, elsősorban a visszacsapószelepek és a tágulási tartály beépítésének helyétől.
A Napkollektorok leürülési képessége
A napkollektorok belső csövezésére a 3. ábrán láthatunk példákat. Az ábra felső részén a kedvezőtlen kialakítású, rossz leürülési képességű napkollektorok láthatók. Ezek jellemzője az U-alakú, zsákszerű kialakítás, mivel a csatlakozási pontok a napkollektorok felső részén vannak. Különösen kedvezőtlen kialakítású a b. jelű U-alakú belső csövezésű vákuumcsöves napkollektor, mivel ennek ráadásul a pangási hőmérséklete is nagyon magas. A jó leürülési képességű napkollektorokra az ábra alsó része mutat példákat. Ezek jellemzője, hogy legalább az egyik csatlakozási pont a napkollektor alsó részén található.
3. ábra
Napkollektorok kialakítása a leürülési képesség szempontjából
A napkollektor mezők leürülési képessége
A napkollektor csoportok, mezők bekötési is jelentősen befolyásolhatja a napkollektorok leürülési képességét. A 4. ábrán erre láthatunk példákat. Ha a helyi adottságok, az épület, a tetőfelület kialakítása miatt csak az ábra jobb oldalához hasonló, rossz leürülési képességű napkollektor bekötéseket tudunk megvalósítani, akkor fokozottabban kell számítani a gőzképződés káros hatásaira. Lehetőség szerint kerülni kell a hosszú vízszintes csőszakaszok kialakítását is.
4. ábra
Napkollektor mezők a leürülési képesség szempontjából
A hidraulikus kapcsolás hatása a leürülési képességre
A napkollektorok leürülését a hidraulikus kapcsolás kialakításával is lehet kedvezően, vagy károsan befolyásolni. Erre látható példa az 5. ábrán, ahol a jobb oldali kapcsolás szerint a visszacsapó szelep beépítése meggátolja a napkollektorok leürülését a hideg ágon keresztül a tágulási tartály felé. Ezért a napkollektorok kedvezőtlen leürülési képességűvé válnak. Az emiatt megnövekedett teljes gőztérfogatnak a meleg ágon keresztül kell távoznia és kinyomnia a folyadékot a tágulási tartályba. Ez pedig ahhoz vezethet, hogy a magas hőmérsékletű, gőzt is tartalmazó folyadék térfogat elérheti akár a hőcserélőt is, ami annak a szekunder oldalán is gőzképződéshez vezethet.
5. ábra
Napkollektor kör kialakítása a leürülési képesség szempontjából
Felhasznált irodalom: Robert Hausner, Christian Fink: Stagnation behaviour of solar thermal system
Megjelent az Épületgépész 2013/6. számában
Az Épületgépész a Magyar Épületgépészek Szövetségének lapja
