Osztrák tapasztalatok többszintes épületek napenergiás hőellátásában

A napsugárzás intenzitását a csillagászok az ún. napállandóval jellemzik. Ezt úgy határozták meg, hogy ez a Föld felszínén, a sugárzásra merőleges, egy m2-es felületre vonatkoztatott teljesítmény [W/m2]. Szigorúan véve – neve ellenére – nem állandó, mert a Nap-Föld távolság sem az. Szokás 1353 W/m2 értékkel számolni.

A Nap napkeltétől napnyugtáig egy látszólagos pályát ír le az égen, miközben változik a földrajzi irány és a horizonthoz mért hajlásszög is. Ha azonban nem követjük hőhasznosító berendezésünkkel a Nap látszólagos mozgását, a napsugarak nem mindig merőleges érik a berendezést, és ez teljesítménycsökkenést jelent. A számítások viszont azt mutatják, hogy a Nap irányába való forgatás költsége nem áll arányban az így elért többletteljesítménnyel. Különleges alkalmazásoktól eltekintve napenergia-hasznosító berendezéseinket egy megfelelőnek mondható és nem változó helyzetben telepítjük. Rögzített berendezésnél természetesen a déli tájolás a legjobb. A hajlásszöget 40-45 fokra választjuk, ha egész évben hasznosítjuk a napenergiát. A napsütésben gazdag nyári hónapokban a jobban döntött, 30 fokos szög az optimális.
Egy 45 fokos szögben lévő, déli tájolású felületet érő napsugárzás más és más teljesítményű a felhőzettől és a Nap helyzetétől függően. Tiszta, derült időben a legkedvezőbb napállásnál 1200 W/m2 is mérhető. Borús napon, zárt felhőzetnél a szórt sugárzás csak egy-kétszáz W/m2.

Bár a napsütés ingyenes, de nem folyamatos. Magyarországon a napkeltétől-napnyugtáig számítva a lehetséges napfényes órák száma évi 4472, azaz a 8760 teljes óraszámnak mintegy a fele. A tényleges napsütés azonban meteorológiai okokból még ennek is csak kb. a fele. Sokéves megfigyelések alapján Magyarországon egy évben mintegy 2100 óra, illetve januárban 57 és júliusban 297 napsütéses órával számolhatunk. Ausztrián belül jelentős különbségek vannak, összességében kedvezőtlenebb a helyzet hazánkéhoz képest.

Energetikai szempontból gyakorlatiasabb szám, hogy a Föld egy adott pontján egy adott naptári időszakban – ugyancsak egy m2 felületre vonatkoztatva – mennyi napenergia éri a felszínt. A mérések adatait térképszerűen ábrázolva szemléletes információhoz jutunk.

Ábra: napsugárzás intenzitása Magyarországon

Ábra: napsugárzás intenzitása Ausztriában

Magyarország és Ausztria adatait összevetve látható, hogy hazánkon belül kisebbek a különbségek, viszont Ausztriában ehhez képest jobb és rosszabb értékek is előfordulnak.

Napkollektorok
A napkollektor egy különleges kialakítású hőcserélő. Feladata a rajta átáramoltatott hőközvetítő közeg (munkafolyadék) felmelegítése. Erre a célra – az egész éves használat érdekében – fagyálló, propilénglikol-víz keveréket használunk. A Nap által felforrósított kollektorból a hőközvetítő közeggel távozó hő számunkra hasznos, a környezet felé távozó hő viszont veszteség. A veszteség minél kisebbre történő csökkentésének szempontja meghatározza a kollektor kialakítását. A Nap által melegített felület legyen minél nagyobb. Ez lehet egy lemez, melyre a folyadékot tartalmazó csőkígyót erősítjük. Csökkenthetjük a veszteséget a lemez hátoldalának hőszigetelésével és Nap felőli oldalának üvegburkolásával. Ilyenek az ún. síkkollektorok.

Ábra: síkkollektor

Más elvet alkalmazunk a hőcsöves vákuum-kollektoroknál. Ezekben a Nap egy alkalmas közeget elpárologtat, mely a tulajdonképpeni hőcserélőben lecsapódva adja át hőtartalmát a kollektoron átáramoltatott hőközvetítő közegnek. A hőcső gyakorlatilag egy üvegcső, melyben vákuumot hoznak létre. A közös hőcserélőhöz számos hőcső csatlakozik.

Ábra: hőcsöves

A vákuum hőszigetelő hatása különösen télen előnyös. Emiatt az ilyen kollektorok télen jobb hatásfokkal működnek, mint a nem vákuumos síkkollektorok. Ezzel szemben drágábbak, tehát alkalmazásuk beruházási döntés kérdése.

Egy napkollektor elméleti csúcsteljesítménye az a – nem életszerű – állapot, amikor merőlegesen éri a napsugárzás, és környezeti hőfokon van. A gyakorlatban többet mond egy kollektorról, hogy a szokásos beépítési feltételek mellett, egy adott naptári időszakban mennyi hasznos hőt szolgáltat. Magyarországon déli tájolású és 45 fok dőlésszögű napkollektorra mintegy 1450 kWh/m2/év energia érkezik a Napból. Mennyi hasznosítható ebből?

A kollektor a napenergiát hasznosító rendszer egy eleme, tehát hatásfokát e rendszerre célszerű értelmezni, meghatározni. Rendszerhatásfok a hasznosított és a kollektorra érkező energia hányadosa. Az éves hatásfok nem csak a kollektor minőségétől, hanem a rendszer kihasználtságától is függ. Túlméretezettnek nevezhetjük a rendszert, ha a hasznosított hőenergiához képest nagy a kollektorfelület. Ebben az esetben átlagosnál erősebb napsütésnél a kollektorokat érő napenergiát a rendszer már nem tudja fogadni, ez az energia elvész. Az ilyen rendszer éves hatásfoka kicsi. Alulméretezett rendszerről beszélünk, ha a hasznosított energiához képest kicsi a kollektorfelület. Az ilyen rendszer legnagyobb teljesítménye kisebb, mint a túlméretezett rendszeré. Ugyanakkor a kollektorok által szolgáltatott hőt ténylegesen hasznosítani tudjuk, ezért a rendszer éves hatásfoka nagy.

Többemeletes épületek hőellátása napenergiával Ausztriában
2005. évi statisztikai adatok szerint Ausztriában 2,4 millió m2 napkollektor működött lakóépületeken. A családi házak 15 százaléka, a többemeletes épületek 2 százaléka rendelkezett napkollektorral. Ezt a jelentős különbséget több okkal is magyarázzák. A családiház-tulajdonosok nem csak a beruházás megtérülését nézik, hanem egyéb szempontok miatt is napkollektor-felszereltetés mellett döntenek. A többemeletes épületek esetében viszont nagyon lényeges a napenergia-hasznosítás pénzügyi, gazdaságossági vetülete. Ausztriában a többemeletes épületekben megvalósított napenergia-hőhasznosítás üzemeltetési adatai egyes esetekben elmaradtak a tervezett értéktől. Ez elbizonytalanította a beruházókat, ingatlanfejlesztőket. Ugyanakkor ismeretes, hogy többlakásos épületben elméletileg hatékonyabb napkollektoros rendszer alakítható ki. A hőigény ugyanis egyenletesebb, ami jobb szoláris részarány elérését teszi lehetővé.

A napkollektorok alkalmazásának elősegítésére a korábbi tapasztalatok nyomán már körültekintőbben tervezett és kivitelezett, nagyon jó eredményeket hozó projekteket megismertetik a szakmai és széles nyilvánossággal. Ebből Magyarországon is hasznosítható információkhoz lehet jutni.

Ábra: 1999-ben épült, háromszintes épület Salzburg közelében nagy napkollektor-felülettel.

Többemeletes épületekben létesített napenergiás hőellátással szemben nagyobbak az elvárások, mint ha valaki a saját családi házában valósítja meg ezt. A tervezett, vállalt megtakarítás garantált elérése érdekében a tervezés, a kivitelezés és az üzemeltetés során kifogástalan munkát kell végezni. Ha a rendszer nem hozza a várt eredményt, a hagyományos energiahordozó-felhasználás több lesz az előre számítottnál.

Ábra: rendszervázlat

Többemeletes épületekben létesített napkollektoros rendszer a lakások hőellátó rendszerének része, alrendszere. A rendszer központi eleme egy megfelelő méretű puffertartály. A tartály felfűtését a kollektorok és a kazán(ok) végzik. A lakások az épületen belül kialakított előremenőből és visszatérőből álló, kétvezetékes hálózatra kapcsolódnak. Minden lakáshoz egy komplex lakáskészülék tartozik. Ebben található a HMV-hőcserélő, ennek és a lakás fűtési köreinek szabályzó szerelvényei és a hőfogyasztás-mérő. Az előremenő hőmérséklet egész évben változatlan, 65 oC. A lakók szabadon dönthetik el, hogy mikor fűtik lakásukat. A keringtetés változó tömegáramú, a rendszer a radiátorokig bezárólag hidraulikailag gondosan beszabályozott. Egy nagy épületben a keringetésből eredő hőveszteség kétségtelen tény, azonban korlátok között tartható.

Ábra: puffertároló hőszigetelés nélkül

A kollektormező külső hőcserélővel fűti fel a puffertárolót. A kollektorok kapcsolásánál az elsődleges szempont a csatlakozó vezetékek hosszának csökkentése. Ez fontos az egyébként igen nagy hőmérsékleten járó kollektorkör hőveszteségének korlátozásához. Üresjáratban a munkaközeg hőmérséklete 220 oC is lehet.
A kollektorkört úgy tervezik, hogy a munkaközeg kollektorfelületre vonatkoztatott, fajlagos tömegárama kicsi (5-20 kg/h/m2), a hőfoklépcső nagy legyen. A kollektorok soros kapcsolásával anyagot és szerelési időt is meg lehet takarítani. A javasolt legnagyobb sorba kötött méret 80 m2. Tekintettel a fellépő nagy hőmérsékletekre, a hidraulikai beszabályozottságot az ilyen hőmérsékleti tartományban kevésbé megbízható, épületgépészeti strangszabályzók helyett a rendszer gondos tervezésével célszerű biztosítani. Légtelenítésre a legmagasabb pontra szerelt kézi működtetésű légtelenítő szolgál, melyet tökéletesen hőszigetelni kell. A csőkötések ne bontható, hanem forrasztott vagy hegesztett kötések legyenek.

Ábra: lakáskészülék

A rendszer névleges túlnyomását 2,5 bar-ra, a zárt tágulási tartály előnyomását 0,5 bar-ral kisebb értékre tervezik. A biztonsági szelep nyitónyomása 6 bar. A szelephez tartozó levezető csővezeték egy a kollektorkör térfogatának megfelelő méretű tartályban végződik. Ha az üresjárási hőmérséklet meghaladja a munkaközeg forráspontját, a biztonsági szelep az elgőzölgő és lecsapódó folyadékot a tartályba vezeti. Innen kell a rendszerbe visszatölteni.
A kollektorköri szivattyút a szabályzó a kollektor és puffertartály hőmérsékletkülönbsége szerint működteti. A hőcserélő szekunder oldalán beépített szivattyú akkor működik, ha a hőcserélőbe a kollektor felől belépő munkaközeg hőmérséklete nagyobb a puffertartály alján mért hőmérsékletnél. A fagyásveszély elkerülésére 3 oC külső hőmérséklet alatt is beindulnak a szivattyúk. A tapasztalat azt mutatta, hogy a szivattyúk fordulatszám-szabályozása lengéseket kelthet a rendszerben. Ezért érdemes erről lemondani, és állandó fordulatszámú szivattyúkat beépíteni.
A hőmérsékletérzékelőt a legmelegebb kollektornál, a csővezetékbe és nem a csővezetékre kell szerelni. Ügyelni kell a jó hőszigetelésre, de az érzékelőhöz való hozzá férésre is. A csőhüvelyt az érzékelőnek megfelelő hosszúságúra kell tervezni és gyártani. Mérni, sőt regisztrálni kell mind a kollektormezőből kilépő, mind a belépő közeghőmérsékletet.
Rendkívül fontos minden szerkezeti rész kifogástalan hőszigetelése. Ebből a szempontból is előnyös egyetlen, nagyméretű puffertároló használata. Ez egyébként kedvező a létesítési költség tekintetében is. A tartály magasság-átmérő aránya 2 és 4 között legyen. Hőszigetelése legalább 0,04 W/m.K hővezetési tényezőjű anyagból és 200 mm vastagsággal készüljön.
A puffertárolóhoz csatlakozó csővezetékekben hőveszteséget okozó, spontán cirkuláció alakulhat ki. Ez megakadályozható egy szifonnal (hattyúnyakkal), melynek alsó részén hidegebb zóna alakul ki, és ez lesz akadálya a káros cirkulációnak. A szifon akkor hatásos, ha a magassági mérete legalább a csőátmérő 8-12-szerese.
A csővezetékek hőszigetelésének vastagsága legyen legalább a csőátmérővel azonos. A kültéren e célra alkalmazott anyag álljon ellen az UV-sugárzásnak, sőt az állatok (madarak, rágcsálók) rongálásának is. Ügyelni kell a födém- és faláttöréseknél a hőszigetelés folytonosságára. Nem hanyagolható el a szerelvények hőszigetelése sem.

Chiovini György