A besavasodott napkollektor története
2019. augusztus 29. | Bokor András, Lantos Tivadar | | 1 |
A napkollektoros HMV-rendszereket, esetenként fűtési rásegítéssel, néhány éve még tömegével építették be. Mára a lelkesedés ezen a területen alább hagyott, viszont az elhibázott kivitelezési, tervezési problémák most látnak napvilágot. Az egyik legfontosabb – bármily furcsán is hangzik –, hogy a napkollektoros rendszereket semmiképp sem szabad felülméretezni, inkább alulméretezni kell. Hogy miért? A történetünkből kiderül.
Lenyugvóban a technológia?
Azzal, hogy a napelemek egyre megfizethetőbbé, nagyobb hozamúvá váltak, átvették a vezető szerepet a napkollektoroktól a szolár energetika területén. Ennek egyik fő oka, hogy míg a napelemeknél a túltermelt energiát vissza lehet táplálni a villamosenergia-hálózatba, addig a napkollektorok esetében a feles hőenergiával nem tudunk mit kezdeni, sőt károkat okozhat. Való igaz, hogy a szakirodalomban találunk számtalan megoldást a hőenergia hosszú távú tárolására, de ezek szinte mindegyike a gyakorlati életben nem bizonyult megfelelőnek. A napkollektorok energiájának döntő többsége a nyári hónapokban keletkezik, legnagyobb hőigény viszont a téli hónapokban van, ezt az ellentétet kellene műszakilag áthidalni. Néhány éve még voltak olyan cégek, akik azzal reklámozták magukat, hogy napkollektoros rendszerekkel nemcsak a HMV előállítását képesek megoldani, hanem átmeneti időben (késő tavasz, kora ősz) a lakás fűtését is. A probléma gyökerére ez az állítás világít rá a legjobban. Ha valaki akkora felülettel rendelkező szolár rendszert épít be, amely a hidegebb időszakban, kevesebb napsütés idején képes annyi hőt termelni, amely fűtésre alkalmas, annak nyáron túl nagy lesz a rendelkezésre álló napkollektoros felülete. A hőt nem lesz képes elszállítani, hacsak nincs a közelben egy nagy méretű úszómedence, melynek a felfűtésébe be lehet „tolni” a felesleges hőenergiát. A napkollektoros rendszer legnagyobb átka, ha túl sok hőt termel, akkor ugyanis előbb-utóbb tönkremegy.
A napkollektorokban fagyálló folyadék, többnyire glikol van, amely 250 °C fölött bomlani kezd, melynek köszönhetően a rendszer besavasodik. Különösen veszélyesek e tekintetben a vákuumcsöves kollektorok, amelyek 300 °C-ig is képesek felmelegedni.
Meredek ötletek…
Ide kívánkozik egy egészen rövid történet, amely egy tervezői ankéton történt meg néhány évvel ezelőtt. Az egyik kolléga örömmel mesélte el Bokor Andrásnak, hogy sikerült megszereznie egy iskola gépészeti tervezésének munkáját. Jogosan vetődhet fel a kérdés, miért olyan nagy dolog ez? Azért, mert a fűtést a kolléga szolár rendszerrel akarta megtervezni és megvalósítani, gáz- és vegyes tüzelés kizárása nélkül.
Az iskolába nyáron nincs tanítás, amikor a legjobban süt a nap, még meleg vizet sem fogyasztanak, télen viszont nagy a hőszükséglet. A kérdés tehát az, hogyan jut majd a nyári melegből a téli hideg napokra? Úgy szerette volna megoldani a tervező ezt a problémát, hogy a hőt egy külön raktárhelyiségben, ahol puffertartályokat telepítenek, raktározza el télire. Ökölszabály szerint 1 négyzetméter kollektorhoz 1 köbméter tárolóra van szükség. Az iskola fűtéséhez, melegvíz-ellátásához több száz négyzetméternyi napkollektorra van szükség, azaz több száz köbméternyi tárolót kell a raktárhelyiségbe beépíteni. A legnagyobb tárolók 5 köbméteres, álló hengeres kivitelűek, ennek következménye, hogy a hőraktárhelyiség nagyobb lesz, mint az egész iskola! A tárolókat le kell szigetelni 80 cm vastagságban. A tervező szerint itt a méretek túlságosan nagyok lennének, ezért a tárolókat az épületbe szigetelés nélkül kell elhelyezni, és az épületet kell szigetelni. Azonban a helyiségben, ha minden jól alakul, akkor kb. 80 °C hőmérséklet alakul ki, így nem igazán van lehetőség a kontrollra vagy egy esetleges javítási munka elvégzésére.
De nézzük át, hogyan kalkulálhatunk a veszteségekkel. Naponta hűl a tárolóban a víz 0,3 °C-ot, ha 80 cm-es szigetelést alkalmazunk. Ez azt jelenti, hogy három nap alatt már 1 °C-ot hűl a rendszer, egy hónap alatt 10 °C-t. Ennek köszönhetőn januárban már csak 30 °C-os fűtővíz marad a teljes iskola kifűtésére. Ebből a kis példából jól látható, hogy a napkollektoros hőtárolási rendszer gondolata mennyire nem életszerű még egyelőre.
Jönnek a perek?
Azonban napkollektoros peres ügyek száma emelkedik, mert a rendszerek nem hozzák a tőle elvárt adatokat. Sajnos a tervezők döntő többsége sem tud igazán napkollektoros rendszereket tervezni. Ennek részben az is lehet az oka, hogy a mai magyar felsőoktatásban kevés óraszámban oktatnak a megújuló energiákról. Ellenben mind a mai napig tanulják a korszerűtlen eljárásokat, a gőzfűtést, az egycsöves fűtési rendszert stb. Egy nagy szoláros rendszernek, mint amilyen egy társasház is, rengeteg buktatója van. Sokan hiszik azt, hogy a napkollektoros rendszerek egyszerűek, hiszen nincs egy mechanikus alkatrész sem benne, csak a szivattyú. Pedig ha valaki tanulmányozza a szakirodalmát ennek a témakörnek, látni fogja, hogy a feladat bonyolultabb, mint bármely más fűtési rendszer.
A túlméretezés különösen az egy generációval korábbi tervező kollégák beidegződése. A régi kazánházaknál ez természetes volt, beterveztek három kazánt, és a legnagyobb hidegekben is csak kettő működött. Fűtési rendszereknél nem árt az óvatosság, bár az utóbbi időben már jóval kisebb mértékű a felültervezés. Azonban ez a szemlélet a napkollektoros rendszerek tervezésébe is átitatódott. Ezen gondolkodás mentén olyan állapotok alakulnak ki a napkollektoros rendszerekben, hogy nincs annyi hőkivétel, mint amennyit a szolár rendszer megtermel. Túltermelés esetén stagnációs állapotok alakulnak ki, amely tönkreteszi a berendezéseket.
Ezt tetézik a pontatlanul meghatározott vízfogyasztási adatok. Régi szabványok még 300 liter/fő/nap mennyiségben határozták meg a vízmennyiséget, azóta jelentős változások történtek. Almérőket helyeztek fel, víztakarékos csaptelepeket szereltek fel, így a vízfogyasztás drasztikusan csökkent. Manapság a vízművek 140-160 liter/fő/nap értékkel számol. Szolár rendszer esetén a HMV-fogyasztási adatokra lenne szükség, ami ennek mindössze az ⅓-a körüli érték.
Egy társasház esetén ezen – a vízművek által javasolt vízfogyasztási – adatokkal számolva is előfordulhat, hogy túl nagy méretű lesz a kollektormező, ezzel egyidejűleg lineárisan nő a beruházási költség is, miközben a nyári nagy melegben megtermelt hő, ha nem használjuk fel, tönkreteszi a berendezést. Éppen ezért érdemes a ház vízszámláit áttanulmányozni, és azok alapján meghatározni a vízfogyasztást, függetlenül attól, mit ír elő a szabvány vagy a vízművek. Nyári hónapokban sokkal alacsonyabb egy társasház vízfogyasztása, mert szabadságon vannak, elutaznak a lakók. Ebből kiindulva a hétvégi nyári vízfogyasztási adatokra lesz szükség elsődlegesen, mert sok lakó csak víkendezni megy el otthonról, és ilyenkor a legalacsonyabb a vízelvétel. Egy kánikulai hétvégén is tönkremehet a vákuumcsöves szolárrendszerünk. Így tehát a nyári hétvégi melegvíz-fogyasztási adatokkal számolva nem fog tönkremenni, besavasodni a rendszer. Alul kell tehát méretezni a rendszert, és el kell felejteni azt a gondolkodásmódot, hogy ha magas vízfogyasztási igényt ki tudok szolgálni, akkor az alacsonyt pláne. Ezért kell a háttérben már fűtési melegvíz-készítési módot elfelejtenünk.
Konkrét eset
A hosszas bevezető után egy konkrét esetet is fogunk tárgyalni, ahol nemcsak a túlméretezés szemléletmódja, hanem egyéb kivitelezési hibák is odavezettek, hogy mára egy rosszul működő szolár rendszer van az egyik társasházi panel tetején. A pályázati forrásból épített berendezés nem hozza a tőle elvárható hozamot, így félő, hogy az elnyert összeg jelentős részét vissza kell fizetnie a háznak. A szolár rendszer működésében – mint minden más épületgépészeti beruházásnál – a rendszer hatásfoka által mérhető a beruházás rentábilis volta. Azonban nem a napkollektor dönti el a szolárrendszer összhatásfokát! Ha csak a termékek műszaki megoldásait vesszük figyelembe, akkor az éves összhatásfokra vonatkozóan:
- a napkollektorok befolyása kb. 40%,
- a hőtárolási megoldás (tároló) és a hőszigetelés befolyása kb. 35%,
- a szabályozás és a szivattyúk minőségének befolyása kb. 25%.
Emiatt semmiképpen se higgyük azt, hogy csak a napkollektorokkal kell foglalkozni, a hőszállítási és hőtárolási megoldással, azaz a csővezetékek szigetelésével és a tárolókkal, valamint a szabályozással és a szivattyúkkal is kell. A kiváló minőségű napkollektorok jó hatásfokkal termelik a hőt. A megtermelt hő szállítása és annak felhasználása igen precíz tervezési és kivitelezési munkát követel meg. Ennek elmulasztása esetén a kelleténél nagyobb lesz a hőveszteség.
Balra: A ház hőenergiáját tároló puffertartály. Középen: A hőközpont gépészeti rendszere. Jobbra: A savas kicsapódások egyes szerelvényeken jól megfigyelhetők.
Balra: A szolár-kishőközpont visszatérő vezetékének hőmérséklete 44 °C. Jobbra: A szolárrendszerben jelenleg 76 °C-os folyadék kering.
Balra: A madárcsőr elleni védelem hiányos, a szigetelőanyagot kicsípkedték a madarak. Jobbra: A madárkarmok, csőrök munkája közelebbi felvételről.
Már a szigetelés is eltűnt a csőről.
A szolár csőrendszert 30...50 mm csőhéjakkal kell szigetelni, ehelyett a példaként kiemelt társasházon csak 9...13 mm-es csőhéjakat szereltek fel. A csőszigetelésnek szabad térben nem csak hőállónak kell lennie, hanem eső és jégállónak, napsugárzásállónak és „madárállónak” is (madárcsőr és madárürülék ellen). Itt azonban hangsúlyozni kell, hogy a bemutatott hőszigetelési problémák egyértelműen a kivitelező és a műszaki ellenőr hibás teljesítéséből adódnak. A tervezőnek jelen esetben csak annyi volt a felelőssége, hogy terveiben nem határozta meg egyértelműen, hogy miképpen kell szigetelni. Hibás az a kialakítás is, amikor a földszinten beépített melegvíz-tárolók és a 11 emelettel magasabban felszerelt napkollektorok közötti csőhálózatban nem lett beépítve hőcsapdahurok. Ez esetben nemcsak a gravitációs áramlás tud éjszakánként vagy hűvösebb napokon beindulni és hűteni a puffertárolót, de még a szolár acélcsőhálózat is elvezeti a hőt. A tárolókba bevezető és az abból kivezető csöveknél (a tároló mellett) legyen hőszifon, azaz legyen U alakú a nyomvonal, hogy a hő gravitációsan se tudjon felfelé kiszökni a tárolóból, mely éjszakánként úgy működne, mint egy gravitációs fűtés. A hurok mélysége 12D külső.
A beltéren használatos horganyzott acélcsövön a korrózió már szemmel látható.
A dilatáció munkája következtében látható a csővezetéki deformáció.
Kiváló minőség, rossz kialakítás?
A betervezett napkollektorok kiváló minőségű síkkollektorok, melyek nagy felületük miatt gyors felszerelést és csekély karbantartási költséget ígért. A napkollektorok alumíniumból készült hőelnyelő felületet (ún. abszorbert) tartalmaznak. A Nap felmelegíti az abszorbereket, azok pedig leadják a hőt a rajtuk keresztüláramló víznek. Különleges bevonat és nagy hatásfokú szigetelés gondoskodik arról, hogy a lehető legkevesebb napenergia menjen veszendőbe. A napkollektorok hatásfoka többnyire 60% fölötti értékű. A tervek sok, szerelésre való utasítást nem tartalmaznak. Ezen hiányosságok mellett kérdésessé válhat, hogy egy ilyen nagy és bonyolult kapcsolás mellett megfelelően fog-e működni a szolár rendszerünk. Az elmúlt évek tapasztalatai alapján itt nem működik megfelelően, az elvárt 750 MWh/év hőenergiai megtakarítás csak ennek a 63,5%-át hozza. Az, hogy a dilatáció miatt csőtörések nem történtek, csak a kényszerszerelésnek köszönhető. A kivitelező nem tudott a tervek szerinti hosszú, egyenes gerinchálózatot kiépíteni, mert a kollektorok lábaiba ütközött volna, ezért vannak itt-ott iránytörések, melyek már felvették a dilatációs mozgásokat. A kollektormezők lekötéseinél is akarva-akaratlanul kellett iránytöréseket készíteni, így a mozgásokból az acélcsövekben nagy feszültségek lehettek, de csőtörés nem következett be. A hőszigeteléseknek és az alufólia burkolatnak nincs akkora szakítószilárdságuk, mint az acélcsőnek, már nem tudták felvenni ezen csőmozgásokat, ezért sok helyen szétcsúsztak. Történtek még kisebb-nagyobb szerelési problémák, de az egyik legfőbb gond a szolár rendszer túlméretezéséből adódik.
Karbantartás fontossága
A napkollektoros rendszerek mai formája rendkívül kevés karbantartást igényel, azonban annak elvégzését mindenképpen érdemes szakemberre bízni, mivel a következő kockázatokkal kell számolni, ha azt az üzemeltető kívánja elvégezni:
- Magas, akár 180 °C-os üresjárati hőmérséklet (pl.: áramszünet hatására). Újraindításkor ez rövid ideig igen magas, 100 °C feletti hőmérsékletet jelent a teljes rendszerben, ezért az összes szerkezeti elemnek el kell viselnie a magas hőfokot.
- Az épületgépészetben általában 1-1,5 bar üzemi rendszernyomást alkalmaznak, ellentétben a napkollektoros rendszerekkel, ahol a hőhordozó közeg forrásának elkerülése érdekében 3,5-6 bar üzemi nyomást kell alkalmazni a kollektoroknál. Ez a nyomás a szerelőszinti hőközpontban már 6,5-9 bar lesz.
- Mindemellett a rendszer üzemeltetése során kizárólag nem mérgező, fagyálló hőhordozó folyadékot szabad használni, illetve szükség esetén utántölteni. Elsőként a beszerelés után kell meggyőződni arról, hogy a rendszer helyesen működik-e.
A beruházó is megfigyelheti a rendszer üzemelését azáltal, hogy a kivitelezőtől elkéri a terveket. Ennek segítségével elvégezheti a terven szereplő berendezések azonosítását, valamint megfigyelheti azokat működés közben is. Hangúlyozni kell, hogy az elkészült szolár rendszer üzemeléséről és felépítéséről – amennyiben azzal a beruházó nincs teljesen tisztában – feltétlenül kérni kell a kivitelező tájékoztatását. Fontos, hogy a szolár rendszer alapvető működését és elemeit ismerje meg, hogy a későbbiek során az esetlegesen felmerülő rendellenességeket észlelni tudja, és a tapasztaltakat továbbíthassa a szakemberek felé. Ha minden megfelelően került megtervezésre, valamint kivitelezésre, a következő időszakos karbantartásokat szükséges elvégezni ahhoz, hogy a napkollektoros rendszer sokáig működőképes és jó hatásfokú legyen:
- Hathavonta egy alkalommal, rövid időre kézzel ki kell nyitni a biztonsági szelepet. A pH-értéket pH-mérő papírcsíkkal félévente ellenőrizni kell.
- 1 év üzemidő után, illetve évente át kell nézni a rendszert, a tervezett nyomások betartását és a vezérlés beállításait, a tágulási tartályt és a szivárgásokat.
- 3 év üzemidő után meg kell nézni a fagyálló közeg fagyáspontját.
- 10 év üzemidő után meg kell nézni az egész rendszer tömítettségét, a csővezetékek szigetelését, a vezérlés beállításait és az érzékelők pontosságát, valamint a fagyálló közeg paramétereit.
Jelen példánkban említett társasházban a napkollektoros rendszer esetén 2010. februári átadásától számított másfél évig volt karbantartás. 2011 nyarától a társasház vezetősége nem talált vállalkozót arra, hogy a napkollektoros rendszerüket karbantartsa. A társasház közös képviselőjének nyilatkozata szerint a szolár rendszer glikoltartalmának ellenőrzése rendszeresen megtörtént. A víz minősége mégsem volt megfelelő.
Helyesen a szolár rendszer összekeveredett fagyállójából néhány centiliteres mintát kell vételezni műanyag edénybe a biztonsági vagy ürítőszelepen keresztül, majd indikátorcsíkkal lehet ellenőrizni a kémhatást. Az elromlott fagyállót úgy lehet felismerni, hogy:
- sötét színűvé és szúrós szagúvá válik,
- pH-értéke 6,5 alá esik, azaz savassá válik,
- oldhatatlan szilárd anyagdarabok kerülnek bele (a korrózió miatt).
Stagnáló napkollektorok
Végezetül nézzük át pontról pontra, mi történik egy napkollektorban stagnációs állapot esetén, amikor a rendszer jelentősen túl lett méretezve.
- szakasz: Felmelegedés és a folyadék kitágulása
Az üresjárat következtében a napkollektorok hőmérséklete a pangási hőmérséklet közelébe emelkedik, emiatt a napkollektorköri hőhordozó közeg kitágul. Ebben a szakaszban helyes tágulási tartályméret esetén a rendszer nyomása csak kis mértékben emelkedik. - 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 forráspontközeli folyadék és gőz keveréke nagy hőigénybevételnek teszi ki a kollektorokhoz csatlakozó csővezetékszakaszokat. Ez a fázis 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. - szakasz: a napkollektorok ürülése forrással
A napkollektorokban maradt összes folyadék elgőzölög, ezért a kollektorok folyamatosan hőenergiát termelnek és szállítanak a csővezetékek és a rendszer többi része felé. A gőz és ezáltal 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. - szakasz: a napkollektorokat túlhevített gőz tölti ki
A napkollektorok egyre szárazabbá válnak, a gőz túlhevül. A napkollektorok gőzteljesítménye lecsökken, a gőztérfogat is eshet, ezért kollektorfolyadékot szívhatnak vissza, ami miatt kisebb, pulzáló nyomáslökések keletkezhetnek. A túlhevült gőz szakasza a napsugárzástól függően akár több óráig is tarthat. - 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 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 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 készülékből. 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 társasház bírósághoz fordult, hiszen a napkollektoros rendszer nem működik megfelelően. A generálkivitelező körömszakadtig ragaszkodik az igazához, hogy minden rendben, jó a rendszer. Az érdekesség, hogy ennek a kivitelezőnek folyamatban van egy másik bírósági pere is ugyanebben a társasházi munkában. A gépész alvállalkozója perli a generálkivitelezőt egy vidéki bíróságon, mert nem lett kifizetve a munka. Abban a perben azzal védekezik a generálkivitelező, hogy azért nem fizetett a gépésznek, mert rosszul szerelte a szolár rendszert. Ebben a perben pedig azt bizonygatja, hogy jó a rendszer. Tehát ezen ügyben egyidejűleg két per is folyamatban van. A tanulság az, hogy napkollektoros rendszer tervezése, kivitelezése esetén átfogó ismeretekre van szükség az adott területen. Fontos szem előtt tartani az „alulméretezés” szempontjait, és a pontos vízfogyasztási adatokból kell dolgozni.
A cikk a VGF&HKL szaklapban jelent meg, közlése a kiadó engedélyével történt.
Hozzászólás
A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.
Zoárd | 2019. aug. 30.
Én úgy látom, hogy jelen piaci körülmények között nincs értelme a napkollektoros melegvíz készítésnek. Egészen speciális esetekben lehet jó a napkollektor, például, ahogy a cikk is említi a medence esetét. Tapasztalatból mondom, hogy a lakóépületek valós melegvíz igényét lehetetlen megállapítani, olyan nagy a szórás, még azonos épületek között is. Más, egyéb funkciójú épületek melegvízfogyasztását még nehezebb megállapítani. Minden engedélyezési tervhez meg kell vizsgálni a megújuló energiák felhasználhatóságát és bizony bőven 25 év felett szokott kijönni a napkollektoros rendszer megtérülése. Egyébként, ha a fagyállót évente le kellene cserélni, akkor pedig a soha meg nem térülő kategóriába jut a napkollektoros rendszer. A magam részéről tervezőként annyit teszek, hogy legalább betervezzük a vízmérő órát a HMV termelés belépési pontjára, hogy, ha valaki egyszer napkollektort akar, akkor lehessen adatokat gyűjteni a fogyasztás trendjéről. Bár ököl szabály szerint a napi melegvízfogyasztást kellene betárolni, ami viszont az legtöbb esetben hatalmas tartályparkot igényel.
