Napkollektorok felszerelése lapostetőre

• 
• 

Részletek

2008. július 01. kedd, 00:00

 

A családi házak mellett immár egyre több nagyobb létesítmény, pl. társasház, ipari üzem, szálloda stb. tulajdonosában, üzemeltetõjében is felmerül a napenergia hasznosításának a gondolata. A nagyobb létesítmények sokszor lapostetõvel rendelkeznek, és a napkollektorokat is ide kell felszerelni.

ez első ránézésre egyszerűnek tűnhet, a gyakorlatban azonban a lapostetőre szerelés okozhat némi fejtörést a tervezőnek és a kivitelezőnek egyaránt.

A napkollektorok lapostetőre szerelésekor alapvetően két lényeges kérdés vetődhet fel:

• Hogyan lehet a rendelkezésre álló tetőfelületet optimálisan kihasználni?

• Hogyan lehet a kollektorokat megbízhatóan rögzíteni a tetőfelülethez?

Az első kérdésre a válasz egyszerű, ha elegendő nagyságú, egységes, nem tagolt, sík tetőfelület áll rendelkezésre. A gyakorlatban azonban nem ez a jellemző. A pontos helyszíni felmérés során kiderülhet, hogy a korábban bőven elégségesnek vélt tetőfelület kevésnek bizonyul, mivel a rengeteg felépítmény, pl. liftgépház, szellőzők, kémények, antennák stb. reménytelenül tagolttá teszik a tetőt. A gyakorlat lapostetőknél azt mutatja, hogy az elhelyezhető hasznos napkollektor-felület csak maximum 30–40%-a lehet a teljes bruttó tetőfelületnek. Ha a teljes tetőfelület szabadon kihasználható lenne, akkor is csak 50% körüli kollektorfelületet lehetne elhelyezni, mivel a kollektorokat több sorban, egymás mögött kell telepíteni, és a beárnyékolás elkerülése érdekében a sorok között kellően nagy távolságot kell hagyni.

Igen érdekes kérdés annak az eldöntése, hogy az egyes kollektorsorok között mekkora távolságot célszerű tartani. Nyilvánvaló, hogy ha a távolság olyan nagy, hogy a kollektorok még télen se árnyékolják be egymást, akkor csak viszonylag kevés kollektor helyezhető el, ha viszont a sorok távolságát rövidítjük, akkor nagyobb kollektorfelületet lehet elhelyezni, de jelentős lehet a beárnyékolás miatti veszteség. Ezt a dilemmát szemlélteti az 1. ábra.

Mekkora legyen a kollektorsorok közötti távolság, ha el akarjuk kerülni a beárnyékolást? A kérdés megválaszolásához tisztában kell lennünk a napsugárzás geometriai viszonyaival. Tulajdonképpen minden problémánk abból ered, hogy a Föld saját forgástengelye és a Nap körüli keringés tengelye 23,5 °-os szöget zár be egymással. Ha ezt meg tudnánk valahogyan szüntetni, akkor a Nap mindig azonos pályát járna be, egész évben kellemes tavaszi időjárás lenne, viszont elmaradna tél és a nyári kánikula. Amíg viszont ezzel a feladattal nem tudunk megbirkózni, addig maradnak az évszakok, és az évszakokkal változó nappálya.

A Nap látszólagos mozgása Budapestre vonatkoztatva a 2. ábrán látható. Az ábrán jól megfigyelhető, hogy mennyivel laposabb és egyben rövidebb időtartamú a Nap pályája télen, mint nyáron. A Nap pillanatnyi helyzetét az égbolton a napmagassággal (m) és az ún. azimut szöggel (a) jellemezhetjük. Napmagasságnak a Nap vízszintes, horizontsíkra vonatkozó beesési szögét, azimutnak pedig a Nap horizontsíkra vetített helyzetének a déli iránnyal bezárt szögét nevezzük. A két paraméter függvényében minden földrajzi helyre felrajzolható az ún. nappályadiagram, a Budapestre vonatkozó grafikon a 3. ábrán látható.

A Nap magassága a Föld északi féltekén december 21-én a legalacsonyabb, értéke:

Magyarország (Budapest) földrajzi szélessége 47,5°, így a téli, legalacsonyabb delelési napmagasság:

Az árnyékolás elkerüléséhez szükséges kollektorsorok közötti távolság, az 1. ábra jelöléseivel:

Tehát Budapesten a kollektorok magassági méretének a 2,9-szeresének megfelelő távolságot kellene hagyni az egyes sorok között ahhoz, hogy a legrövidebb téli napon se árnyékolják be egymást a napkollektorok. Persze ekkor is csak a legmagasabb, delelési napmagasság pillanatában kerüljük el az árnyékolást, a korábbi és a későbbi időpontokban már részben takarják egymást a kollektor sorok, a gyakorlatban azonban ezt már nem veszik figyelembe. Sőt, ekkora helyet is csak akkor szokás hagyni, ha bőven van hely a tetőn. Ha viszont a rendelkezésre álló tetőfelület szűkös, akkor inkább célszerű kisebb sorközt hagyni annak érdekében, hogy nagyobb napkollektor-felületet lehessen elhelyezni. Az optimális sorközt nagyon nehéz meghatározni, e cikk írója azt javasolja, hogy a sorok közötti távolság és a kollektorok magassági méretének a hányadosa legyen 1,75–2,5 érték között, vagyis:

Hogy ebben az esetben milyen mértékű az árnyékolás, az a nappályadiagramba berajzolt árnyékmaszkok segítségével becsülhető meg. A 4. ábrán b/a =1,75 érték esetén látható az árnyékolás. A világosabb piros sáv mutatja meg, hogy mikor vetül árnyék a kollektorok legalsó szélére, a sötétebb piros pedig azt, amikor a kollektorok közepe kerül árnyékba. Megállapítható, hogy az év nagyobb részében, március elejétől egészen október elejéig a kollektorok egyáltalán nem árnyékolják egymást. Október közepétől február végéig már van árnyékolás, de ez csak a kollektorok alsó részét érinti, és az árnyék a kollektorok középvonaláig csak november közepétől január közepéig ér fel, és akkor is csak reggel kilenc óra előtt és délután három óra után. Tehát az árnyékolás a kollektorok felületének kis százalékát érinti, és ezt is akkor, amikor a napsugárzás értéke meglehetősen alacsony. Az árnyékolás miatti veszteség tehát viszonylag kis mértékű, valószínűleg kevesebb, mint 10–15%. Másrészt viszont, ha csak 1,75-ös sorközt hagyunk, a 2,9 helyett, akkor ugyanakkora tetőfelületre 42%-kal több kollektor helyezhető el.

Az egyes kollektorsorok árnyékolása miatti veszteség megbecsülhető az alábbi összefüggés használatával :

Fenti összefüggés elméletileg csak a szórt napsugárzás 4. ábra. Árnyékmaszk ábrázolása csökkenését határozza meg, azonban közelítő becslésre jól használható a teljes, globális napsugárzás csökkenésének meghatározására is. A képlet szerinti, árnyékolás miatti veszteség a sorok közötti távolság és a kollektor magassági méretének hányadosa függvényében látható az 5. ábrán, ahol a javasolt b/a viszonyszám tartománya sárgával van jelölve.

Fontos azonban hangsúlyozni, hogy a fenti összefüggés egyrészt csak közelítő értéket ad, másrészt pedig csak azt mutatja meg, hogy egész évben mennyivel kevesebb sugárzás érkezik a napkollektorok felületére. Az árnyékolás természetesen elsősorban a téli félévben jelentkezik. Ezért, ha a kollektorokat például téli fűtésrásegítésre is akarják használni, akkor az összefüggés nem alkalmazható, hiszen a téli energiahozam részarányának a csökkenése lényegesen nagyobb, mint az egész évre számított érték.

Hogyan rögzítsük a napkollektorokat lapostetõn?

A napkollektorok lapostetőre szerelésének másik nehézsége annak eldöntése, hogyan lehet a kollektorokat biztonságosan rögzíteni a tetőre. Alapvetően két megoldás jöhet szóba:

• rögzítés súlyterheléssel,

• rögzítés a vízszigetelésen átvezetett, az épületszerkezethez rögzített tartólábakkal.

A legegyszerűbb megoldást általában az első eset, a súlyterheléses rögzítési mód kínálja. A súlyterhelés megoldható például betontömbökkel, vagy kaviccsal feltöltött tálcák alkalmazásával. A súlyterhelés méretezéséhez egy példa látható a 6. ábrán. A 2 m2 felületű napkollektorok egymás mellé, egy sorba kerülnek felszerelésre, 45 °-os dőlésszögű tartószerkezetre. A kollektorok súlya tartószerkezettel együtt legyen kb. 50 kg/kollektor. A méretezendő súlyterhelés kollektoronként 2 db 15 cm magas és 2 m hosszú betonhasáb, a kollektorsorra merőlegesen elhelyezve. A kérdés, mekkora legyen a betonhasáb szélessége.

A kollektorok terhelését a szélnyomás okozza, ami igen jelentős értéket érhet el, különösen nagy épületmagasság esetén. Magyarországon a szélnyomás értékét a kollektoroknak megfelelő alaki és biztonsági tényezők figyelembevételével kb. 1,0 kN/m2 értékkel lehet számításba venni. A 2 m2-es kollektor esetén tehát a szélnyomás: W = 2,0 kN. A legveszélyesebb méretezési állapot, amikor a szél a kollektorok hátoldala felől fúj, és igyekszik a kollektorokat az „A” pont körül feldönteni. Erre a pontra kell felírni a nyomatékokat.

A szélterhelés nyomatéka az „A” pontra:

A stabilizáló nyomaték, a kollektorok önsúlyának és a súlyterhelésnek a nyomatéka az „A” pontra:

Biztonságosnak akkor nevezhető a felszerelés, ha a stabilizáló nyomaték legalább 1,5-ös biztonsági tényezővel nagyobb a szélterhelés nyomatékánál.

A számítás alapján a példa szerinti napkollektor-rögzítés esetén kollektoronként 400 kg-os betonsúly szükséges. Figyelembe véve, hogy a beton fajsúlya 2400 kg/m3, a betonhasáb szükséges szélességi mérete:

Tehát a példa szerinti napkollektorok biztonságos rögzítéséhez kollektoronként 2 db 0,15 x 0,25 x 2m méretű, egyenként 200 kg súlyú betonprizma szükséges (7. ábra). Általánosságban is elmondható, hogy síkkollektorok esetében kb. 100–250 kg/kollektor-négyzetméter terhelésre van szükség. Ez viszont már olyan magas többletterhelést jelenthet a tetőfödémnek, amit esetleg az nem bír el, ráadásul még figyelembe kell venni a hóterhelést is. A legnagyobb súlyterhelésre akkor van szükség, ha az egyes napkollektorsorok a fenti példa szerint egymástól függetlenül kerülnek felállításra, hiszen ilyenkor a kollektorsorokat a szélterhelés viszonylag kis erőkaron, könnyen fel tudja borítani. Ha viszont a több kollektorsorból álló teljes kollektormező egy nagy alapterületű, közös acél alapszerkezetre kerül (8. ábra), akkor már a felborítás veszélye lényegesen csökken, így a fajlagos súlyterhelés is kisebb lehet.

Ha súlyterheléssel nem oldható meg a kollektorok rögzítése, akkor a másik módszer lehet a tetőfödémhez vagy az épület tartógerendáihoz lecsavarozott tartólábak és acél alapszerkezet alkalmazása. Az acélszerkezetet természetesen szintén méretezni kell, és célszerű előgyártani és a helyszínen csavaros kötésekkel összeszerelni. Ennél a megoldásnál a legnagyobb gondot az jelenti, az épületszerkezethez rögzítendő tartólábakat át kell vezetni a tetőfödém vízszigetelésén. Ez pedig igen nagy gondosságot és körültekintést igényel. Ennek ellenére természetesen nem megoldhatatlan ez a feladat sem, de a szigetelés helyreállításához mindenképpen profi szakcéget kell alkalmazni.