Hogyan lehet a melegvíz-készítő napkollektoros rendszereket hőtechnikailag méretezni, vagyis megállapítani, hogy mekkora napkollektor-felület és melegvíz-tároló térfogat szükséges adott mennyiségű meleg víz napenergiával történő optimális előállításához? A méretezési feladat komplexitása miatt pontosabb méretezés csak számítógépes szimulációs programmal végezhető el, de a főbb nagyságrendeket az alábbiakban ismertetett egyszerűbb összefüggésekkel is meg lehet határozni.
A téma aktualitása
Az Épületgépész szaklap korábbi, 2024/3. júniusi számában már írtam arról, hogy a hőenergia 2022 októberében bekövetkezett drasztikus mértékű drágulása átértékelte a napkollektoros rendszerek gazdaságos alkalmazhatóságát is. Az energiaárak emelkedése előtt nagyon hosszú megtérülést mutató napkollektoros beruházásokkal ma már gyors, akár néhány éves megtérülést is el lehet érni, főleg az energiaárak emelkedését leginkább megszenvedő, nagyobb hőigényű ipari-vállalkozási és közületi szektorban.
Első és legfontosabb: a hőigény meghatározása
A lehetőségekhez képest pontosan meg kell határozni a méretezendő létesítmény melegvíz-fogyasztásának mennyiségét és a fogyasztás időbeli eloszlását. Lényegében mindegy, hogy a melegvíz-igény technológiai célú (pl. autómosó, mosoda, sörfőző üzem), vagy általános célú használati meleg víz készítéséről van szó, pl. öltözők, sportlétesítmények, konyhák esetében. A hőigény meghatározható számítással vagy már létező, üzemelő létesítmények esetén az üzemeltető által szolgáltatott – lehetőleg mért – adatok alapján.
A valós hőigény megállapításánál ügyeljünk arra, hogy a napkollektoros rendszer méretezése egészen más szemléletet igényel, mint a hagyományos hőtermelővel üzemelő épületgépészeti rendszerek méretezése. A hagyományos rendszereknél elsődleges szempont az ellátás biztonsága, úgy kell méretezni, hogy a legnagyobb hőigény, a legnagyobb egyidejűség esetén is biztonsággal rendelkezésre álljon a kívánt hőmérsékletű meleg víz. Napkollektoros rendszereknél viszont ne a csúcsfogyasztásra méretezzünk. Ne használjuk pl. a régi kézikönyvekben megadott meglehetősen magas vízfogyasztási normatívákat, mert ezek a valóságban általában lényegesen alacsonyabbak. Vagy például ha egy szállodáról van szó, akkor ne a maximális vendégszámmal számoljunk, hanem próbáljuk meg kideríteni, átlagosan milyen kihasználtsággal fog ez a szálloda üzemelni. Ha ez jellemzően csak 60%, akkor fölösleges a napkollektoros rendszert 100%-os kihasználtságra méretezni.
A napkollektorokkal hasznosítható hőenergia mennyisége
Ha sikerült meghatározni a hőigényt, akkor ezt össze tudjuk vetni az egy négyzetméter napkollektor-felülettel hasznosítható hőmennyiséggel. Magyarországon a vízszintes felületre érkező napsugárzás éves összes hőmennyisége megközelítőleg 1300 kWh/m2, a déli tájolású és 45°-os dőlésszögű felületeké pedig kb. 1500 kWh/m2. Az egyes országrészek között a napsugárzás szempontjából nincsenek jelentős eltérések, a legnaposabb déli és a kedvezőtlenebb adottságú északi országrész között az eltérés kevesebb mint 8%.
Méretezés szempontjából célszerű az éves helyett a napi napsugárzási adatokból kiindulni. Az 1. ábra a napi sugárzási adatokat és az átlagos körülmények esetén napkollektorral hasznosítható hőmennyiségeket mutatja havi bontásban. Az ábra alapján megállapíthatjuk, hogy a nyári hónapokban Magyarországon 1 m2 napkollektor-felülettel átlagos időjárás esetén QSnyár=2,8 kWh hőmennyiség állítható elő. Ezt az értéket még módosítani kell a kollektorok elhelyezésétől függően. Magyarországon egész éves használat esetén az optimális kollektorhelyzet 40-45°-os dőlésszögű és déli tájolású. Az optimális elhelyezéstől való eltérés miatti teljesítménycsökkenést jellemző „k” korrekciós érték a 2. ábráról olvasható le.
A melegvíz-készítő napkollektoros rendszereket lehet olyan megfontolás alapján méretezni, hogy a kollektorok egy átlagos nyári napon a szükséges melegvíz-mennyiséget teljes egészében előállítsák. Ekkor a javasolt napkollektor-felület:
ahol QMV a melegvíz-készítés napi hőszükséglete (kWh), QSnyár a napkollektoros rendszer várható napi fajlagos energiahozama egy átlagos nyári napon (2,8 kWh/m2), k pedig a 2. ábrából leolvasható: a kollektorok elhelyezését jellemző korrekciós tényező.
Például ha a méretezendő létesítményben napi 3000 liter 50 °C-os víz előállítására van szükség, akkor ez 10% cirkulációs és tárolási veszteséggel számolva kb. 150 kWh napi hőigényt jelent. Ha a napkollektorok tájolása és dőlésszöge optimális (k=1), akkor a szükséges napkollektor-felület:
Akoll = 150 kWh / 2,8 kWh/m2 = 53 m2.
Ha a méretezést a fenti képlet alapján végezzük, és a hőigény az év során nagyjából állandó, az azt eredményezi, hogy a napkollektoros rendszerrel éves szinten a hőigény kb. 55-60%-a fedezhető, a napkollektoros rendszer pedig évi kb. 600 kWh/m2 hőmennyiséget fog előállítani. A példában felvett napi 3000 liter fogyasztásra és a számított 53 m2 napkollektor-felületre vonatkozó hőmennyiségek éves alakulása a 3. ábrán látható.
A viszonylag magas, éves szinten 55-60%-os szoláris részarányt eredményező méretezési elv azonban azt is eredményezi, hogy átlag feletti napsugárzású napok esetén, vagy ha a hőigény alacsonyabb a méretezésnél felvett értéknél (pl. hétvége vagy szabadság), akkor a napkollektoros rendszer már több energiát tudna termelni, mint amennyire szükség van. Ilyen esetben a napkollektoros rendszer leáll, és a napkollektorok ún. üresjárati állapotba kerülnek. Ez jól megtervezett és kivitelezett rendszer esetén nem okoz problémát. A napkollektorok ilyenkor jól felmelegednek, de nem károsodnak, nem tudnak felrobbanni, nem is kell őket letakarni. Az üresjárat azonban természetesen veszteséget jelent, hiszen ilyenkor a napkollektorok nem termelnek, csökken a rendszer kihasználtsága. Ezért nagyobb rendszereket, ahol a gazdaságosság, a jó kihasználtság fontos szempont, célszerű inkább alulméretezni. Nagy létesítmények esetében megvalósíthatunk olyan napkollektoros rendszert is, ami csak az éves hőigény 20-40%át fedezi, így gyakorlatilag csak előmelegíti a hálózati hideg vizet 30-40 °C-ra, viszont nagyon magas rendszerhatásfokkal és üresjárat nélkül üzemel, ezért egy négyzetméter napkollektor-felülettel a szokásos évi 600 kWh helyett akár 800 kWh napenergiát is tudunk hasznosítani.
A melegvíz-tároló méretének meghatározása
A napkollektor-felület mellett fontos a melegvíz-tároló nagyságának meghatározása. A napkollektoros rendszerekben alkalmazott melegvíz- vagy puffertárolók optimális térfogatát elsősorban a napi meleg víz hőigénymennyisége határozza meg. A tároló optimális méretét befolyásolja még a kollektorfelület nagyága, és a melegvíz-fogyasztás időbeli lefolyása is. Ha a fogyasztást 50 °C-os víznek vesszük, akkor az optimális tárolóméret a napi fogyasztás mennyiségének 100%-a körül van. A példa szerinti napi 3000 liter 50 °C-os vízfogyasztás esetén a melegvíz-tároló optimális mérete is kb. 3000 liter. Ez nagyobb rendszerekben csökkenthető, ha alacsonyabb, 30-40%-os szoláris részarányra méretezünk, és ha a nagyobb hőigény főleg napközben jelentkezik.
Pontosabb méretezés: számítógépes méretezőprogrammal
E cikk felvezetésében már utaltunk arra, hogy napkollektoros rendszerek pontosabb méretezése csak megfelelő számítógépes programmal végezhető el. A fentebb ismertetett közelítő számítás csak előméretezésre, a nagyságrendek előzetes megállapítására használható. Ez kisebb létesítmények, családi házak rendszerméretének meghatározásához elegendő lehet, de nagyobb, komolyabb létesítmény méretezéséhez már nem. Ezért ha ilyen feladatunk lenne, akkor célravezető megkeresni egy profi napkollektoros vállalkozást, amely feltehetőleg rendelkezik megfelelő szoftverrel, és a méretezést elvégzi helyettünk.
Varga Pál
