Kazán a háztetőn, avagy a napkollektor, mint hőtermelő berendezés V.
2001/1-2. lapszám | Hangay Gábor | 6595 |
Figylem! Ez a cikk 24 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Építészek, építtetők, megrendelők és reménykedők örök vágya, hogy megvalósuljon egy közművektől mentes, a hegyvidéken vagy a rónaság sík vidékén önmagát kiszolgálni képes ház. Ma ez a feladat egyáltalán nem lehetetlen, az igények és a lehetőségek ismeretében pontosan tervezhető, illetve szimulálható egy ilyen épület működése. A napenergia-hasznosítás területén működő cégek az önellátást energetikai feladatként értelmezik. Ahhoz, hogy megteremthessük magunk körül a „paradicsomi” állapotokat – télen ne fázzunk, nyáron ne legyen melegünk, a napszaktól függetlenül láthassunk, hogy élelmiszereink ne romoljanak meg, hogy embertársainkkal tarthassuk a kapcsolatot –, rengeteg energiát használunk fel.
Önellátó (autonóm) ház
Építészek, építtetők, megrendelők és reménykedők örök vágya, hogy megvalósuljon egy közművektől mentes, a hegyvidéken vagy a rónaság sík vidékén önmagát kiszolgálni képes ház. Ma ez a feladat egyáltalán nem lehetetlen, az igények és a lehetőségek ismeretében pontosan tervezhető, illetve szimulálható egy ilyen épület működése. A napenergia-hasznosítás területén működő cégek az önellátást energetikai feladatként értelmezik. Ahhoz, hogy megteremthessük magunk körül a „paradicsomi” állapotokat – télen ne fázzunk, nyáron ne legyen melegünk, a napszaktól függetlenül láthassunk, hogy élelmiszereink ne romoljanak meg, hogy embertársainkkal tarthassuk a kapcsolatot –, rengeteg energiát használunk fel.
A felhasznált energia jelentős része (kb. 75-85%-a) termikus jellegű: fürdővíz melegítése (12 hónapon keresztül), épület fűtése (az épület 190–220 napján), illetve hűtése (a két forró nyári hónapban), élelmiszerek hűtése, illetve melegítése. Az első két feladatot általában valamilyen fosszilis tüzelőanyag elégetésével oldják meg, míg a hűtési feladatot hagyományosan az elektromos áramra bízzák.
A másik csoportba olyan igények tartoznak, melyek forrása megint csak az elektromos energia: telekommunikáció, világítás, biztonságtechnika, kép- és hangtechnika, vízellátás, víz- és szennyvízkezelés. Hőenergia-igényünk kielégítésére kézenfekvő megoldásként kínálkozik a nap, mely évente földünk minden egyes négyzetméterére kb. 1250 kWh energiát sugároz. Közérthetőbb nyelven: ekkora energiamennyiség keletkezik 200 m³ földgáz hagyományos gázkazánban való elégetésekor.
A probléma csak az, hogy ezt az ajándékot általában nem a felhasználás ütemében kapjuk, azaz a sugárzó energia közel ⅔-ad része a napsütötte félévben, harmadrésze az év másik felében érkezik. A felhasználás jellege ezzel éppen fordított ütemű, bár a nyári félévben sem csekély a melegvíz-felhasználás következtében, átmeneti időben pedig megfelelően méretezett elnyelőfelületet feltételezve éppen kiegyenlítik egymást. (A családi házak ezen igényét kihasználva működnek a kiegészítő fűtést biztosító napenergiás rendszerek, télen 20–30%-os részesedéssel, átmeneti időben feleslegessé téve a hagyományos fűtést, nyáron pedig kizárólagos energiaellátást biztosítva.) Amennyiben a nyári félévben a fölös energiát nem használjuk fel – például medencefűtésre, abszorpciós elven házunk, illetve élelmiszereink hűtésére –, megvan a lehetőségünk az önellátó ház hőenergetikai megvalósítására.
A tapasztalatok számítógépes feldolgozásával a konkrét helyszín, az igények és a lehetőségek ismeretében előre meghatározható a szükséges kollektor felületének nagysága, a tároló mérete, alakja, a hőszigetelés módja, a tervezett berendezést kiszolgálni képes fűtésrendszer illesztése, az épület minimális hővesztesége. Az alábbiakban egy napkollektoros fűtésrendszeren végzett mérések alapján készített grafikont láthatunk. A vastag, folyamatos vonal egy 200 m²-es ház hőigényét – 6 fő átlagos melegvíz-felhasználásával– mutatja, míg a sraffozott terület 40 m²-es, déli tájolású, 45 fokos meredekségű, átlagos kollektor energiatermelő képességét ábrázolja heti bontásban. A függvénygörbe alatti a felhasznált, illetve megtermelt energiamennyiséggel arányos.
Látható, hogy a nyári, fel nem használt napenergia mennyisége a téli napenergiával már nem fedezhető fűtési energiaigénnyel közel egyenlő. A műszaki probléma a hosszú idejű átütemezésben, valamint a nagy energiamennyiség tárolásában áll.
Ez a feladat csak egy többlépcsős optimalizálással oldható meg, hiszen
- a hosszú idejű tárolás kellemetlen velejárója a tekintélyes hőveszteség – amelyet a tároló hőszigetelésének fokozásával, illetve a tároló tervezett működési hőmérsékletének korlátozásával csökkenthetünk. Így egy műszakilag optimálisabban működő, ámde költségesebb megoldáshoz jutunk;
- a költségek csökkentése a tároló fizikai méretének csökkentésével lehetséges, ami éppen az ellenkező irányba mutat. Emelni kell a maximálisan megengedhető tároló hőmérsékletet, és csökkenteni kell minden határon túl azt a minimálisan szükséges vízhőmérsékletet, amivel még fűteni tudunk. Hiszen az energiatároló képesség az alkalmazott hőtároló közeg fajhőjének, tömegének és a fent említett hőmérsékletkülönbségnek a szorzata (1. diagram).
Mint már utaltam rá, a hosszú ideig tartó tárolás sajnos hőveszteséggel jár, melyet csökkenthetünk ugyan, részben ügyes építészeti elrendezéssel a hasznunkra is tudunk fordítani, de teljesen nem tudjuk kiküszöbölni. Éppen ezért a fenti grafikon – ahol a megtermelt energia és éves energiaigény egyensúlyban van –, még nem utal feltétlenül önellátó házra. A hőveszteséget a tárolt energia menynyiségétől, hőmérsékletétől, tárolási idejétől függően plusz kollektor beépítésével kell ellensúlyozni.
1998 nyarán került beüzemelésre a Magyarországon egyedülálló, tervezésünkben és kivitelezésünkben elkészült autonóm ház. Az első tél tapasztalatai után ki lehet jelenteni, hogy maximálisan beváltotta a hozzá fűzött reményeket: az előzetes számítógépes szimulációt a valóság követte. Az alkalmazott cca. 200 m³ térfogatú, még hőszigeteletlen hőtárolót ’98 július 1-én kezdtük el tölteni. A tartály hőszigetelése augusztus elejére készült el. Annak ellenére, hogy az építkezés elhúzódása miatt a teljes felfogható nyári energiamennyiség mintegy felét tudtuk csak begyűjteni – hiszen a tároló töltését már május elején elkezdhettük volna –, a mért eredmények minden várakozáson felüliek voltak (2. diagram).
A két hónapos mérés ideje alatt 7700 kWh energiamennyiséget közölt a 80 m² kollektorfelület a tartállyal. A számítógépes szimuláció azt mutatta – figyelembe véve a nem teljes nyári időszakon át tartó töltést, és az őszi, nem jelentéktelen sugárzásnyereséget –, hogy ez az energiatartalom fedezi majd a hőigényt. A valóság messzemenően igazolta várakozásainkat: a féléves töltés a féléves energiaigényt pontosan fedezte, a napenergiás rendszer az év végéig a tervezett 20 fokos belső hőmérsékletet és 4 fő átlagos melegvíz- igényét biztosította. Február 20-tól a ház ismét önellátó, március közepétől pedig az energiamérleg pozitív, ami annyit jelent, hogy ettől az időponttól a tartály feltöltődése megkezdődött. A feltöltöttség augusztus közepére éri el a 100%-ot, mely ennél a nyitott tárolóedénynél kb. 95 ?C-os átlagos hőmérsékletet jelent. Az őszi begyűjtött energia a ház átmeneti időben történő fűtése mellett karban tartja a tárolót, hogy az október végi energiakivételezés megkezdésekor is maximális energiatartalommal rendelkezzen. A teljes éves töltéssel dupla akkora menynyiségű energia kerül a tárolóba, ami biztosíték a február végéig tartó energiakiemelés szolgáltatására. Jelen példában a kollektorfelület és a ház hőigénye úgy lett illesztve, hogy ez időponttól már nincs szükség a tárolóból való vételezésre.
El kell oszlatnom egy tévhitet: önellátó házat tervezni és építeni nemcsak extrém hőszigetelési paraméterekkel, az építészetet átértelmező, gömb alakú formákkal lehetséges! A megvalósult példa a tradicionális parasztház jól bevált formáit mutatja fel. Széles tornácával, 45 fokos tetőhajlásszögével, mértéktartó üvegfelületeivel része épített környezetének, és a hőszigetelése sem extrém, a jelenleg érvényes szabvány értékeit némileg meghaladja.
A hagyományos napkollektoros rendszerek a bevezetőben említett hatalmas energiamennyiségből kb. 350–450 kWh-t képesek hasznosítani, így az éves hatásfokuk 28–35%. A kutatási eredményeknek köszönhetően el lehet jutni a négyzetméterenkénti 750 kWh éves kollektor-teljesítményig, vagyis egy optimálisan tervezett rendszer éves hatásfoka meghaladhatja a 60%-ot. Ebből következően 1 m² megfelelő minőségű kollektorfelület éves hozama kb. 120 m³ gáz elégetésével egyenértékű. Ez a teljesítmény csak a teljes rendszer optimalizálásával érhető el, mely kiterjed:
- kollektorok üzemi hőmérsékletének optimalizálására,
- hosszú idejű tároló költségoptimalizált kialakítására,
- hőfogyasztó (fűtés-) teljesítmény és működési hőmérséklet illesztésére, és a mindezt kiszolgálni képes elektronikus és hidraulikus vezérlésre.
