15 LAKÁSOS TÁRSASHÁZ MELEGVÍZ IGÉNYÉNEK

1

MISKOLCI EGYETEM

GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VEGYIPARI GÉPEK TANSZÉKE

15 LAKÁSOS TÁRSASHÁZ MELEGVÍZ IGÉNYÉNEK ELLÁTÁSRA SZOLGÁLÓ NAPKOLLEKTOROS RENDSZER KIVÁLASZTÁSA KÉSZÍTETTE: Varga-Fojtó Ágnes

TERVEZÉSVEZETŐ: Tervezésvezető neve beosztása KONZULENS: Bokros István Mérnöktanár

Miskolc, 2014

2

Tartalom Bevezetés............................................................................................................................. 3 Megújuló energiaforrások ................................................................................................... 4 2.1. Biomassza .................................................................................................................. 6 2.2. Napenergia ................................................................................................................. 7 2.3. Geotermia................................................................................................................... 9 2.4. Szélenergia ............................................................................................................... 11 2.5. Vízenergia ................................................................................................................ 13 2.6. Egyéb megújuló energiák ........................................................................................ 16 2.7. Az Európai Unió és Magyarország energiapolitikája .............................................. 16 3. Napenergia ........................................................................................................................ 19 3.1. Hasznosítás módjai .................................................................................................. 20 3.1.1. Passzív hasznosítás ............................................................................................. 21 3.1.2. Aktív hasznosítás................................................................................................ 22 3.2. Magyarország és a napenergia ................................................................................. 22 3.2.1. Adottságok ......................................................................................................... 22 3.2.2. Felhasználás/termelés ......................................................................................... 27 4. Napkollektorok .................................................................................................................. 33 4.1. Működés................................................................................................................... 33 4.2. Hasznosítás .............................................................................................................. 40 4.2.1. Melegvíz előállítás napkollektorral .................................................................... 40 4.2.2. Fűtés napkollektorral .......................................................................................... 40 5. A napenergia felhasználása egy tizenöt lakásos társasházban ............................................. 41 5.1 Használati melegvíz-igény meghatározása ................................................................. 41 5.2 Napkollektoros HMV termelő és fűtés rásegítő rendszer méretezése......................... 43 5.3 Fűtés rásegítés ............................................................................................................. 44 5.4 Szivattyú egység kiválasztás (HMV tárolók – szolárkör) ........................................... 45 5.5 Szivattyú egység kiválasztás (Puffertárolók – szolárkör) ........................................... 48 5.6 Szolár tágulási tartály méretezése ............................................................................... 49 5.7 Három-járatú szabályozó szelep méretezése ............................................................... 49 5.8 Fűtési keringető szivattyúk kiválasztása ..................................................................... 50 5.9 Tágulási tartályok méretezése ..................................................................................... 51 5.10 Kazán kiválasztás ...................................................................................................... 52 6. Befejezés ........................................................................................................................... 53 7. Felhasznált irodalom ......................................................................................................... 55 1. 2.

3

1. Bevezetés Ma már ismert tény, hogy a fosszilis energiahordozók kifogyóban vannak.. Az emberiség már hosszú ideje keres más – lehetőleg – megújuló energiaforrásokat. Ennek oka nemcsak a rendelkezésre álló fosszilis energiaforrások szűkös volta, hanem azok felhasználásának jelentős környezetterhelése is. A fosszilis energiahordozók felhasználása a környezetünkben számtalan környezeti elemet károsít, melynek kapcsán világszerte törekednünk kell a  légszennyezés  vízszennyezés  talajszennyezés  üvegházhatás mértékének csökkentésére. Dolgozatom célja általánosan bemutatni a megújuló energiaforrások széles körét. Az általános bemutatás után részletesen elemezem a napenergia hasznosíthatóságát és annak módszereit, majd egy társasház példáján keresztül bemutatom a napkollektor választást.

4

2. Megújuló energiaforrások Megújuló energiaforrások alatt azokat az energiaforrásokat értjük, amelyek hasznosítása közben a forrás nem csökken, hanem azonos ütemben újratermelődik, vagy megújul. Ennek megfelelően legnagyobb előnyük a (szinte korlátlan) rendelkezésre állás. Természetesen, mint ahogy a későbbi bemutatás alapján világosan látható a rendelkezésre álló források nem minden helyen vannak jelen, nagyon függnek a természeti adottságoktól. Azonban szinte minden helyen van olyan forrás, amely használható. [1] [2] A megújuló energiaforrásokkal és az energiahatékonysággal kapcsolatos fellépés az éghajlatváltozás problémájának kezelése mellett az energiaellátás biztonságának fokozásához is hozzájárul majd, és elősegíti az EU energiaimporttól való egyre nagyobb mértékű függésének a korlátozását. Így számos új minőségi munkahely is létrejöhet Európában, és Európa megőrizheti technológiai vezető szerepét e gyors növekedéssel jellemezhető világméretű ágazatban. A megújuló energiaforrások megjelenésével és elterjedésével tehát nem csak a környezetszennyezés negatív hatásai kerülhetők el, hanem lehetőség nyílik az egyre bizonytalanabbá váló és dráguló energiahordozók importjának csökkentésére, elkerülésére is. [3] [4] [6] A megújuló energiaforrás számtalan szempontból képes hasznot generálni a társadalom számára, többek között a környezet minőségének javulása (az erőművek üvegházgáz kibocsátásának és a zajhatásoknak a csökkenése), az üzemanyag diverzitás növekedése, az energiaár-volatilitás gazdaságra kifejtett hatásának csökkenése, a nemzetgazdaságok biztonsága, a gazdaság termelőképességének, a GDP növekedésének formájában. [6] A megújuló energiákra épülő technológiák gyakorlati alkalmazásával elsősorban innovatív réspiacokon találkozhatunk, többek között a fogyasztói javak piacán, a telekommunikációs piacon, valamint az ún. remote/ off-grid piacokon. A megújuló energia-beruházások jelentősebb mértékű elterjedését mindezidáig számos tényező hátráltatta. A terjedéskor legnagyobb akadálynak számító magas költségek csökkenése a megújuló energiaforrásból származó előnyök (fenntartható természet, minimális szennyezőanyag-kibocsátás) széleskörű felismerésekor következhet be. [6] A hétköznapi értelemben vett megújuló energiaforrások közvetlenül vagy közvetett módon a Napból származnak. A napenergiát közvetlen módon három területen hasznosíthatjuk: napkollektorokkal a fűtés és használati melegvíz készítés területén, napelemekkel elektromos

5

áram előállításához – mindkét esetben technológiai berendezésekről beszélünk - valamint az építészetben az ún. passzív napenergia-hasznosítással. Közvetett módon a napenergiából származik a szél, a víz, a biomassza, és a tenger hullámok energiája. Léteznek időjárástól függő (pl. nap, szél) és időjárás független (pl. geotermikus) megújuló energiaforrások. A megújuló energiák alapvetően másik forrása a geotermikus energia. [1] [5] A megújuló energia ma már világszerte a villamosenergia-termelés harmadik legnagyobb forrásának számít (a szén és a gáz után), és megvan a lehetőség a további előretörésre, annak minden későbbi környezeti és gazdasági előnyével együtt. [3] A megújuló energiaforrásokat a megújulás jellege alapján is lehet csoportosítani [7]. Ez alapján megkülönböztetjük a feltétel nélkül és a feltételesen megújulókat. Az első csoportba sorolható a nap-, a víz. a geotermikus- és a szélenergia. A feltételesen megújuló energiaforrásokhoz tartoznak a mezőgazdasági és a hulladékból származó energiák. A mezőgazdasági energia kategóriáján belül megkülönböztetjük a mezőgazdasági hulladékot, az energetikai célú ültetvényeket és a biogázt. A hulladék energiához tartozik a depónia gáz. valamint a hulladék elégetése során felszabaduló energia. [7] A megújuló energiaforrások forrása mellett azok felhasználása is igen sokoldalú lehet. Hagyományosan legfontosabb alkalmazási területük az alapvetően fűtési célú hőenergia termelés. Azonban az utóbbi időben azonban a villamosenergia termelés is hangsúlyossá vált, és a jövőben várhatóan fokozatosan jelentősebb szerepet kapnak a járművek üzemanyagaként való felhasználásban is. [1] Fontos azonban összehasonlítani a különböző megújuló energiaforrások hatékonyságát is (1.táblázat). A napenergia energiaátalakítási hatékonysága, vagyis az energia-átalakító rendszerből hasznosításra átadott energia és a rendszerbe érkező energia aránya, különösen a bioüzemanyagokkal összehasonlítva kiemelkedő értékeket mutat, annak akár 10-100-szorosa is lehet. [8] Energiaátalakítás módja Etanol cukornádból Ottó motorba Elektromosság biomasszából elektromotorba Elektromosság nap cellából elektromotorba

Energiaátalakítás hatékonysága a felhasználóig , %

Energiaátalakítás hatékonysága utaskm-re vonatkoztatva, %

0,16

0,029

0,038-1,14

0,027-0,8

4,5-10,2

5,2-10,5

6

1.táblázat Megújuló energiaforrások hatékonysága [8]

2.1. Biomassza „A biomassza valamely élettérben egy adott pillanatban jelen levő szerves anyagok és élőlények összessége.” A biomassza a Föld felületén egyenetlenül oszlik el. A sarkok felől az egyenlítő felé az élőlények tömege, fajtáinak száma növekszik. Az éghajlattól függően eltérő az élővilág sűrűsége, vagyis a biomassza mennyisége a Föld egyes területein. [1] [7] Az energetikai célra hasznosított biomassza (legalább) kétféleképpen csoportosítható. Egyrészt az anyag halmazállapota szerint, másrészt pedig a keletkezési hely, vagy eredet szerint. Halmazállapot és egyben energetikai célú felhasználása szerinti fajtái [1] [7]:  szilárd (jellemzően tüzelőanyagként használható fel): a biomassza tüzelésekor felszabaduló széndioxid mennyisége a felhalmozódás szempontjából semlegesnek tekinthető, mivel azt az újabban kinőtt növényzet megköti.  folyékony (jellemzően tüzelő- és özemanyagként használható fel). A folyékony bioenergiahordozók

legnagyobb

előnye,

hogy

lényegesen

nagyobb

az

energiasűrűségük, mint a többi bioenergiahordozónak. Nem csak tüzelőanyagként, hanem hajtóanyagként is felhasználhatók a hagyományos energiahordozók helyett, illetve azokkal keverve. A biodízel és a bioetanol használata során éppen annyi szén-dioxid szabadul fel. mint amennyit az alapanyagként szolgáló növény azt megelőzőleg megkötött. így egyik sem járul hozzá az üvegházhatás erősödéséhez. A kibocsátott szénmonoxid és a szénhidrogének mennyisége haszongépjárművek esetében jóval alacsonyabb, mint a hagyományos dízel használatakor. A korom mennyisége a felére, vagy még kevesebbre csökken. Meg kell azonban jegyezni, hogy egyes nemrégiben végrehajtott kutatások szerint a repceolaj felhasználásakor több káros anyag kerül a levegőbe, mintha hagyományos gázolajat alkalmaznánk. A bioüzemanyagok nagy része két csoportba sorolható be: a biodízel és az alkoholok csoportjába. o A biodízelt 70-80%-ban napraforgóból, repcéből, szójából és különböze pálmafajtákból állítják el|ő általában sajtolással és oldószeres extrakcióval.

7

o Az alkoholt cukor, keményítő, vagy cellulóz tartalmú növényekből nyerik (pl.: cukornád, cukorrépa, kukorica, burgonya, búza. árpa. rozs. zab. rizs) fermentálással (erjesztéssel).  gáznemű (jellemzően tüzelőanyagként használható fel). biogáz előállítására szinte minden szerves anyag alkalmas. így például a trágya, a zöld növények és az élelmiszeripari hulladékok. A szerves anyagot a fermentálás során oxigéntől elzártan, metanogén baktériumok jelenlétében kell tartani. A gyakorlatban a kiindulási anyag kb. 50%-a bontható le. Az előállításhoz szükséges hőmérséklet a jelenlévő baktériumtörzsek fajtájától függ. A szerves anyagok lebomlása biogáz reaktorban 2 óra alatt végbemegy, miközben ez a folyamat a szeméttelepeken akár 25-30 évig is eltarthat. Származási hely szerint a biomassza lehet:  elsődleges biomassza (vegetáció útján jön létre): a teljes földi növényzet, a napenergia felhasználásával, fotoszintézis révén keletkezik.  másodlagos biomassza (állattenyésztés fő-és melléktermékei): az állati eredetű biomassza, mely alapvetően az elsődleges biomasszából keletkezik, annak lebontásával, majd újraépítésével. (különböző állati szerves trágyák)  harmadlagos

biomassza

(feldolgozóiparok,

valamint

emberi

életműködés

termékei): a biomasszák feldolgozásával, illetve felhasználásával összefüggően keletkező biomasszaként kezelhető anyag, mely különböző idegen anyagokat is tartalmazhat (pl. élelmiszerés különböző szerves, humán eredetű hulladékok). [1]

2.2. Napenergia A nap sugárzása közvetlen (direkt) és közvetett (diffúz) módon jut el a Föld felszínére. Az energiaáramlás elektromágneses hullámok – például látható fény vagy infravörös sugárzás – formájában is történhet. Ez a konvekció és a vezetés mellett a harmadik fő hőközlési mód két objektum között, ami nem igényel közvetítő közeget. A Nap ilyen módon látja el energiával a Földet, hő és fény formájában, a Föld ilyen módon veszít hőt – kisugárzással az űrbe [1][10]. A napenergia hasznosítás közvetlen módjai [1][7]:  fotovillamos (aktív) hasznosításkor napelemek segítségével villamos energia állítható

elő,

amellyel

közvetlenül,

vagy

tárolás

után

villamosenergia-

8

fogyasztóberendezések működtethetők. Már régóta alkalmaznak napelemeket villamos energia termelésre, azonban energiaátalakítási hatásfokuk igen alacsony, átlagban 13-17 százalékát hasznosítja csak a rájuk eső napsugaraknak. Ezt az alacsony hatásfokot tovább rontja, hogy éjjel nem termelnek.  hőenergia hasznosítás, amely passzív vagy aktív módon történhet: o passzív hasznosítás történhet az épületek megfelelő tájolásával, egyéb építészeti megoldásokkal. A napenergia hasznosítás legegyszerűbb módja. hasznosítás. Ehhez semmilyen berendezésre nincs szükség és gyakorlatilag többlet költséget sem jelent, csak az épületeket kell úgy tervezni és kivitelezni, hogy a legtöbb napenergiát hasznosíthassa. Az épület szerkezetének minél nagyobb hőtároló kapacitással kell rendelkeznie, valamint jó hőszigetelésű és déli tájolású nagy ablakok szükségesek. Megfelelő tájolással kialakíthatók napfalak és napcsapdák, amelyek a téli gyenge napsugárzást minél nagyobb mértékben képesek hasznosítani, a nyári nagyobb melegben azonban ezt elkerülik. o aktív hasznosítás esetén napkollektor, valamint gépészeti eszközök segítségével vizet melegítünk fel a napenergia segítségével (használati melegvíz készítés, fűtésrásegítés). 

Az aktív felhasználások közül a hőenergia termelést szolgáló napkollektorok alkalmazásában elterjedt a sík-kollektoros rendszer, amelyet elsődlegesen hőenergia előállítására alkalmazzák néhány megawattos nagyságrendben.

9

1. ábra Az aktív napenergia hasznosítás elve [1] A napkollektoros rendszerek megfelelő kialakítás mellett a használati melegvíz előállítás és az esetenkénti fűtés rásegítés mellett a nyári időszakban az épületek hűtésére és légkondicionálására is alkalmassá tehetők (abszorpciós hűtés). További közvetlen napenergia hasznosítási lehetőséget jelent a koncentrált naperőművek (CSP) létesítése, amelyek nagyméretű tükrök segítségével fókuszálják a napsugárzást egy központi hőfejlesztő berendezésbe, és a termelt hő gőzturbinák segítségével villamosenergiaelőállítását teszi lehetővé. Ezek a rendszerek főként az egyenlítőhöz közeli területeken jelentenek gazdaságos energia előállítási lehetőséget, ahol a napsütéses órák száma a magyarországinál lényegesen nagyobb. [1]

2.3. Geotermia A geotermikus energia alapja a Föld belsejében termelődő és tárolódó hő. A geotermikus energiatermelés a Föld mélyén rejlő hő hasznosítását jelenti. A Föld középpontjának hőmérséklete kb. 7000 °C. a hő a magmából és az elnyelt napsugárzásból származik. A földhő legelőnyösebb jellemzője a többi megújuló energiafajtával szemben, hogy állandóan rendelkezésre áll, független a meteorológiai körülményektől, rugalmasan alkalmazható

10

(alapteljesítményre ugyanúgy, mint az igények maximumának idején csúcsteljesítményre). [7][10] A kitermelt geotermikus energia hasznosítása igen változatos: alkalmazzák belső terek fűtésére, melegvíz-szolgáltatásra, termálfürdőkben, ipari célokra és a mezőgazdaságban. A termálvíz fűtési és melegvíz-szolgáltatási hasznosítása kommunális, de a mezőgazdaságot (pl. növényházak, fóliaházak, baromfitelepek, istállók, stb. fűtése) is érintő terület. Ez utóbbi ágazatban lehetőség nyílik speciális alkalmazásokra a fűtési időszakon kívül is (terményszárítás, haltenyésztés). A geotermikus energiahasznosítás újabbnak számító, még részben kutatott területe a földalatti forró kőzetek hőjének a felszínről lejuttatott hőhordozó közeg segítségével való kivonása.[1] A direkt hasznosítás mellett a geotermiára alapozott hőellátás egyik speciális fajtája a hőszivattyú, ami az eltérő hőmérsékletű közegek között mozgatja a hőt villamosenergiafelhasználás mellett. [7] A hőszivattyúk lehetséges hőforrásai:  Levegő  Talajvíz  Földkollektor  Földszonda  Hulladékhő

2. ábra A földhő elvi hasznosítása [10]

11

Ahhoz, hogy a geotermikus energiát villamosenergia-termelésre használjuk, előfeltétele hogy a primerenergia-forrásként szóba jöhető geotermikus energia megfelelő hőmérsékletű, entalpiájú fluidummal kerüljön felszínre, és kellően koncentráltan és kellő mennyiségben álljon rendelkezésre. [10] Bizonyos esetekben - az ún. pozitív kutaknál - a hőt hordozó folyadék beavatkozás nélkül jut fel a nagy gáztartalomnak és a nagy rétegnyomásnak köszönhetően. A negatív kutakból gépi segítséggel kerül a folyadék a felszínre. Az utóbbi esetében többféle eljárás is alkalmazható. [7] Az egyik eljárás során a hőhordozó közeget - melynek halmazállapota folyékony és gáz is lehet - mélyfúrásokon keresztül hozzák fel a felszínre. Az energiahasznosítás másik módszere, ha a földkéregbe fürt résekbe folyadékot juttatnak, mely a forró kőzetek hatására felmelegszik, majd egy másik fúráson keresztül visszajut a felszínre. Miután hőtaitalniát hasznosították, visszajuttatják a folyadékot. így nem keletkezik elfolyó víz. [7] A 130 °C foknál alacsonyabb hőmérsékletű hőhordozót hőszolgáltatásra, használati melegvíz készítésre, fűtésre, valamint termál-fürdők üzemeltetésére használják. Ennél magasabb hőmérsékletű hőhordozó esetén a geotermikus energia erőművek üzemeltetéséreis alkalmas. [7]

2.4. Szélenergia A szél a légkörben kialakuló nyomáskülönbségek hatására jön létre. A légkör alsó rétegeiben végbemenő légmozgást a Nap sugárzó energiája hozza létre. A felmelegedett levegő ritkább, ezáltal felfelé emelkedik és helyébe hidegebb levegő áramlik. [11] A szélenergiát ipari méretekben az országos villamos hálózatra termelő szélerőművek hasznosítják. Emellett számos helyen megfontolandó kis teljesítményű (100kW alatti) szélgenerátorok vagy szélmotorok alkalmazása helyi energiaigények kielégítésére (pl. tanyavillamosítás, öntözési rendszerek, vízszivattyúzás stb.) A szélenergia potenciál tér- és időbeli eloszlását igen nehéz meghatározni, a pontos értékekhez hosszú idejű mérésre van szükség minél több helyen és magasságban. A kihasználható szélenergia mennyiségét a méréseken alapuló számításokkal és becsléssel lehet megállapítani. [1] A hasznosítás során a szél egy turbinát forgat, ami a mozgási energiát mechanikai munkává alakítja, melyet gépek, szivattyúk és villamos-generátorok hajtására lehet

12

felhasználni. A szélturbinák költséghatékonyak és kevés karbantartást igényelnek. A hasznosításra kb. 7.2 km h (2 m/s) feletti szélsebesség esetén van lehetőség. A kisebb sebességű szelet (kb. 20 km/h-ig) vízszivattyúzásra és helyi áramfejlesztésre, a közepes sebességűt (21-31 km/h) helyi villamosenergia-termelésre, a nagysebességűt (31 km/h felett) pedig széleröművekben történő villamosenergia-termelésre használják fel. [7] A szélerőművek telepítésének sajátos természetvédelmi szempontjai vannak, melyet a telepek kijelölése során figyelembe kell venni. A szélenergia egyedi sajátossága a többi megújuló energiatermelési módhoz képest, hogy a változó szélsebesség miatt a megtermelt energia mennyisége ingadozik. Az áram tárolása nehézkes, márpedig így a termelést az éppen aktuális villamosenergia-igényhez kell igazítani, ami különböző módokon lehetséges. A szélerősség változékonysága két részre bontható problémát jelent [7]:  a szélerősség előrejelzése bizonytalanságot hordoz magában, és  a szélerősség nem igazodik az igényekhez: néha aránylag hosszabb ideig egyáltalán nem fúj a szél, vagy adott esetben völgyidőszakban az igényekhez képest magasabb a termelés szintje. Napjainkban egyre nagyobb teljesítményű szélerőműveket gyártanak és telepítenek. Az egyre nagyobb méretű turbinák gyártását az anyagtudomány rendkívül gyors fejlődése teszi lehetővé. A nagy előrelépést a repülőgépekben is használt üvegszál-kompozit anyagok alkalmazása jelentette. A fejlesztéseknek köszönhetően a szélerőművek teljesítménye és hatásfoka egyre nő. [11]

13

3. ábra Szélgenerátor felépítése [11] A szélenergia hasznosításakor semmiféle szennyező anyag nem kerül a környezetbe. [7]

2.5. Vízenergia A Földön található víz a Napból származó hatalmas energia következményeként örökös körforgásban van. Föld tengereinek a felszínét érő napsugárzás hatására a víz elpárolog, és a magasba emelkedik. A magasabban uralkodó hidegebb hőmérséklet hatására a vízpára ismét folyékony halmazállapotúvá válik (kondenzálódik), és felhővé egyesülnek. A levegő mozgásának a hatására a felhők nagy távolságot tehetnek meg, míg a nehézségi erő hatására a víz eső formájában ismét a Földre hullik. A szárazföldre jutó eső patakok, folyók formájában a magasabb helyről az alacsonyabban fekvő tengerekbe áramlik, hogy a körforgás újra kezdődhessen. Ez a földfelszínen áramló víz mozgási és helyzeti energiája az, amit vízenergiának

tekintünk

és

hasznosítunk.

Bár

a

párolgás-lecsapódás

körforgási

energiaátalakulása az így tekintett vízenergiának sokszorosa, mai ismereteink szerint kihasználhatatlan, de még az elméletileg hasznosítható vízenergiának is csupán néhány százalékát tudjuk hasznosítani [10] [11]. A víz energiáját az emberiség már a történelmi időkben is használta. A régi kultúrákban a vízkerekeket alkalmazták a mezőgazdasági területek öntözésére és ivóvíz ellátásra. A vízenergia hasznosítás reneszánsza 1830-tól köszöntött be, ekkor jelentek meg az első

14

vízturbinák és szorították ki a vízkerekeket. A turbinák a nagy esésű és nagy energiájú vizet is tudták hasznosítani, és 1866-tól egy generátor segítségével villamos árammá tudták alakítani mozgási energiájukat. [1]

4. ábra Vízturbina energiaátalakításának elve [10] A vízenergiát alapvetően az alábbi módon hasznosíthatjuk (az erőművek felépítése az alábbi ehet):  Folyami vízerőmű - A folyókra telepített, azok mozgási energiáját hasznosító, általában közepes teljesítményű erőművek. A folyók energiájának hasznosítása (folyami

vízerőművek):

vízfolyás

hasznosítható

potenciális

energiájának

növeléséhez csökkenteni kell az áramlási veszteséget, ami a sebesség, valamint a súrlódási ellenállás mérséklésével érhető el. Ebben nagy szerepe van a folyószabályozásnak és a vízépítési műtárgyaknak, különösen a duzzasztásnak, ami lelassítja a vízfolyást. [11] A folyókra épült erőművek alfajtái: o átfolyós vízerőművek o tározós vízerőművek

15

o szivattyús tározós vízerőművek  Gát erőmű - gát által felduzzasztott folyó vizének helyzeti (potenciális mozgási) energiáját hasznosító erőmű. Hatalmas beruházást igényel, ezáltal olyan helyre érdemes telepíteni, ahol a víz esési magassága nagy, és hozama legalább közepes. A legnagyobb vízerőművek ebből a típusból kerülnek ki.  Árapály erőművek: A szelek által keltett tengeri hullámzást is használhatjuk energiafejlesztésre, ami hívható a napenergia közvetett kiaknázásánák is. Hullámok kialakulásának részletei meg több tekintetben tisztázatlanok, a szél hatásán kívül a vízmélységnek is jelentıs a szerepe [11] Technikailag a legjobb (90-95%-os) hatásfokkal a víz potenciális energiáját tudjuk mozgási energia formájában hasznosítani. [11] A vízenergiát hasznosító létesítmények nagyságuk szerint lehetnek[1]:  Törpe vízerőmű: - Teljesítménye nem haladja meg az 1MW-ot. Jelentős részük korábban malomként funkcionált, ezeket később bővítették ki a generátorral. Ezek a kis berendezések rendkívül vízállás-függők, alacsony vízállás esetén általában leállítják őket. A régi törpe-erőművek szinte kizárólag vízkerékkel üzemelnek.  Kis vízerőmű: Teljesítményük 100 kW-25 MW közötti. Környezetre káros hatásuk szinte nincs, létesítésük gyakran vízrendészeti szándékból vetődik fel.  Nagy vízerőmű: Teljesítményük nagyobb 25 MW-nál. A nagy vízerőművek többsége környezeti gondokat vetett fel, többnyire nem illesztették sikeresen a természeti környezetbe, de létesítésükkel több vízrendészeti, árvízvédelmi feladatot megoldottak. A gát erőművek speciális alkalmazási területe a villamosenergia-tárolás. Ezt speciális szivattyú-turbina berendezésekkel valósítják meg. Éjszaka, amikor az áram átvételi ára alacsony, illetve a villamosenergia-fogyasztás a lehetséges termelésnél kevesebb, villamos áram többlet keletkezik az elosztóhálózaton. Ilyenkor ezeknél a gátaknál a szivattyúk felszivattyúzzák a vizet, mely majd a nappali csúcsidőszakban termel majd áramot a generátoron. A megoldás nem veszteségmentes, de egyre több villamos hálózaton alkalmazzák, ahol erre a természeti és földrajzi adottságok rendelkezésre állnak. A

világ

állandóan

növekvő

villamosenergia-igényével

a

vízierőmű-építés

sem

gazdaságosság, sem energetikapotenciál terén nem tud lépést tartani, aminek következtében a

16

vízierőművek részaránya az 1960-as évektől fogva fokozatosan csökken. Bár még nagyon sok vízerőmű fog épülni, részesdésük a villamosenergia-termelésben állandóan csökkeni fog.[11]

2.6. Egyéb megújuló energiák A tengerparttal rendelkező országok számára az apály-dagály, a tengeri hullámok és a tengerek hőjének hasznosítása is megújuló energia hasznosítási lehetőség. [1] A jövő legígéretesebb másodlagos – szekunder – energiahordozóinak a hidrogén és a metanol látszanak, természetesen a villamos energia mellett. [1]

2.7. Az Európai Unió és Magyarország energiapolitikája Sokat hangoztatott tény, hogy a megújuló energiák jelentik a világ energiaellátásának jövőjét. Röviden szeretném bemutatni, hogy milyen irányelvek szerint történik a fosszilis energiahordozók kiváltása. Megújuló energiaforrásokkal ma jellemzően drágábban lehet csak energiát termelni, mint a „hagyományos", piacérett technológiákkal és nagyobb energiasűrűséggel jellemezhető fosszilis energiahordozókkal. Fontos azonban, hogy ez csak a közvetlenül kimutatható, ún. belső költségek összehasonlítása és a fosszilis energiahordozók jelenlegi ára alapján állítható. A fenntartható fejlődés szempontjai - amely mellett az Európai Unió tagállamai is elkötelezték magukat - azonban megkövetelik, hogy a hagyományos energiahordozók megítélésénél figyelembe vegyük azokat a költségelemeket is, amelyeket egy harmadik fél vagy a társadalom fizet, és amelyek egyelőre nem jelennek meg az árakban (ún. negatív externális vagy társadalmi költségek). [12] „Az energiapolitika célja, hogy a magyarországi megújuló energiafelhasználás részaránya a magyar gazdaság versenyképességét elősegítve, az ország adottságainak és a mindenkori pénzügyi teherbíró képességének megfelelően növekedjen. A megújuló energiahordozók részarányának növelése egyszerre csökkenti Magyarország importfüggőségét és hozzájárul a fenntartható fejlődés feltételeinek megteremtéséhez, a környezet-, természet- és klímavédelmi célok teljesíthetőségéhez.”[13] „A magyarországi adottságok alapján megújuló energiaforrások közül elsősorban a biomassza, a bioüzemanyag és a földhö (geotermikus energia), valamint Magyarország bizonyos területein a nap- és szélenergia hasznosítása jelenthet komoly lehetőségeket. Uj

17

elemként jelenhet meg a vízenergia hasznosítás, elsősorban az un. törpe vízerőművek tekintetében. Magyarországon jelentős tartalékok rejlenek a biomassza használatában, de a tervezés és kivitelezés során a legmesszemenőbben figyelembe kell venni az összes lényeges környezeti és fenntarthatósági szempontot is, különösen a dendromassza energetikai célú hasznosítása vonatkozásában. Ennek keretében kiemelt figyelmet kell fordítani az extenzív mező- és erdőgazdálkodásból származó biomasszatermelésre, mivel ezek esetében a környezet- és természetvédelmi és fenntarthatósági szempontok magasabb szinten érvényesülhetnek. Az intenzív biomassza előállítás kérdéseinek (talajhasználat, műtrágyázás és az invazív fajták alkalmazása), illetve a jövőben bekövetkező gazdasági és technológiai változásokhoz való alkalmazkodás féladatainak megfelelő megoldása érdekében, a jogi és közgazdasági keretek kialakításakor alkalmazható, átfogó, részletes környezeti szempontrendszer kidolgozására van szükség a jelenleg kidolgozás alatt lévő megújuló energiára vonatkozó új EU irányelv figyelembevételével. A magyarországi adottságok alapján megújuló energiaforrások közül elsősorban a biomassza, a biotlzemanyag és a földhö (geotermikus energia), valamint Magyarország bizonyos területein a nap- és szélenergia hasznosítása jelenthet komoly lehetőségeket. Uj elemként jelenhet meg a vízenergia hasznosítás, elsősorban az un. törpe vízerőművek tekintetében. Magyarországon jelentős tartalékok rejlenek a biomassza használatában, de a tervezés és kivitelezés során a legmesszemenőbben figyelembe kell venni az összes lényeges környezeti és fenntarthatósági szempontot is, különösen a dendromassza energetikai célú hasznosítása vonatkozásában. Ennek keretében kiemelt figyelmet kell fordítani az extenzív mező- és erdőgazdálkodásból származó biomasszatermelésre, mivel ezek esetében a környezet- és természetvédelmi és fenntarthatósági szempontok magasabb szinten érvényesülhetnek. Az intenzív biomassza előállítás kérdéseinek (talajhasználat, műtrágyázás és az invazív fajták alkalmazása), illetve a jövőben bekövetkező gazdasági és technológiai változásokhoz való alkalmazkodás féladatainak megfelelő megoldása érdekében, a jogi és közgazdasági keretek kialakításakor alkalmazható, átfogó, részletes környezeti szempontrendszer kidolgozására van szükség a jelenleg kidolgozás alatt lévő megújuló energiára vonatkozó új EU irányelv figyelembevételével.”[13]

18

A jelenlegi energiapolitika 2020-ig tartalmaz tervezetet, amely tartalmazza a megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos indikátorok célértékét (1.táblázat). Indikátor megnevezése A megújuló energiaforrások mennyisége A megújuló energiaforrásokból termelt villamos energia mennyisége Biomasszából előállított bioüzemanyagok mennyisége

Mértékegység

Célérték 2020-ra

PJ

136-186

GWh

7557-94702

PJ

19,6

2. táblázat Energiapolitikai indikátorok

1

19

3. Napenergia Dolgozatomban részletesen a napenergiával kívánok foglalkozni. A Nap gáznemű, gömb alakú, kb. másfél millió km átmérőjű sugárzó test, melynek külső felülete közel 6000 K hőmérsékletű. A napsugárzás energiahozamát napállandóval adjuk meg, amely a Nap-Föld közepes távolságban levő, a sugárzásra merőlegesen álló, egységnyi felületre, egységnyi idő alatt bejutó energia nagyságát adja meg, értéke [11]: 1853

W m2

A légkör határát elérő közvetlen (direkt) sugárzás energiatartalma jelentősen csökken légkörben megtett útja során: részben elnyelik, részben megtörik, részben visszaverik a légkör részecskéi. A direkt sugárzás egy része rendezetlen irányú, szórt (diffúz) sugárzássá alakul. [11] Ahogy azt az 5. ábra is mutatja a Föld atmoszférájába a nap sugárzásának csak egy része jut el, körülbelül egynegyede visszaverődik a legkörbe érés előtt. A direkt sugárzás, amely a leghatékonyabban hasznosítható, ez a nap energiájának körülbelül 1/3-a.

5. ábra A Napsugárzás energiamérlege [10] A földfelszínre jutó sugárzás intenzitására a felhősödés van a legnagyobb hatással. A különféle időjárási viszonyok más és más mértékű felhősödéssel járnak, s így különféle intenzitást eredményeznek[11]:

20

 erősen felhős időben: 250-300 W/m2  gyengén felhős, átlagos időben: 500-600 W/m2  derült, nyári idő esetén: 900-1000 W/m2 A Nap sugárzásának és a Föld felszínének kölcsönhatásából már önmagában is egy sor természetes átalakulási folyamat jön létre. A Napból érkező és hővé átalakult sugárzási energia nagy részével környezetünkben újra találkozunk:a napsugárzás a levegőt, a talajt és a felszíni vizeket újra és újra felmelegíti és így azokat megújuló energiaforrásokká teszi. [14] A sugárzás egy másik része biokémiai folyamatok eredményeképpen biomasszává (növényekké) alakul át. Ide tartoznak a fosszilis energiahordozók, azaz a szén, olaj és földgáz is, amelyeket szintén ilyen módon tárolt napenergiának kell tekintenünk, noha ebben az esetben ez a folyamat évmilliókkal ezelőtt zajlott le, és ezek az anyagok azóta nem vesznek részt a természetes körforgásban. A Nap sugárzási energiájának egy viszonylag kis része széllé, csapadékká és hullámokká alakul át. Ezeken a folyamatokon már régóta hasznosított energiaátalakítási módszerek alapulnak, mint például az áramló víz vagy a szél energiájának mechanikai vagy elektromos energiává való átalakítása. [14]

3.1. Hasznosítás módjai A napenergia hasznosításának mindmáig legelterjedtebb eszköze a sík napkollektor, amelyet kiterjedten használnak lakóházak és középületek melegvíz-ellátására, valamint fűtéskiegészítésre. Magyarországon Bucsa községben (Karcag közelében) épült az első bioszolár napház, amely csak passzív elemeket tartalmaz (az épülettömbbe jeleli oldalról integrált naptér. különböző hőtároló elemek és korszerű, jó hőszigetelésű falak és nyílászárók vannak beépítve). Az alkalmazott passzív eszközökkel a hagyományos fűtési költségek40-60%-a megtakarítható. [11] Az utóbbi évtizedekben egyre nagyobb teret hódít a szolár-hidrogén technológia. A napsugárzás energiáját napelemekkel alakítják át villamos energiává, majd az így előállított egyenárammal elektronikus berendezést működtetnek. A vízbontásból nyert hidrogén többféleképpen felhasználható. A tiszta hidrogén levegőben elégethető és hőtermelésre felhasználható. [11]

21

A napenergia hasznosítására alapvetően háromféle módszert alkalmaznak: a biológiai hasznosítás során a fényt növényi energiahordozók előállítására használják, a termikus hasznosítás alatt a sugárzás hőenergiává való alakítását értjük, a fotovillamos hasznosítás pedig az elektromágneses sugárzás elektromos árammá történő átalakítását jelenti. [7] Más megközelítésben a napenergia közvetve és közvetlenül is hasznosítható. A közvetett hasznosítás valójában a biomassza, a szél-, a víz- és a geotermikus energia kiaknázása. A közvetlen napenergia hasznosítás fogalma magában foglalja a fotovillamos hasznosítást, amivel villamos energia termelhető, illetve a hőenergia hasznosítást, ami során a hőt aktív és passzív módon is elő lehet állítani. [7] 3.1.1. Passzív hasznosítás A napenergia passzív módon történő hasznosításakor az épület tájolása, az árnyékolási megoldások és a felhasznált építőanyagok a meghatározóak. Cseppet sem újszerű ötletekről van szó. Már a népi építészetben is megfigyelhető, hogy a tornácos házak tetőszerkezete olyan kialakítást kapott, mely a laposan érkező téli napsugárzást beengedi az ablakon, de a meredeken tűző forró nyári nap elől leárnyékolja az ablakot. Alapjában véve passzív napenergia-hasznosító a legtöbb épület. Tudatos tervezéssel, a környezeti adottságok kihasználásával, megfelelő tájolással, anyaghasználattal és építészeti kialakítással a Nap melegítő hatását és a napenergiában rejlő lehetőségeket fokozott módon ki lehet aknázni. A napsugárzás az épületek homlokzati felületein, a tetőszerkezet felületein, és a nyílászárók felületein keresztül hővezetéssel, vagy hősugárzással kisebb-nagyobb mértékben mindig csökkenti az épületek fűtési hőigényét. A passzív napenergia-hasznosítás során az építészet sajátos eszközeivel tudatosan törekszünk arra, hogy a fűtési hőszükségletet minél nagyobb mértékben napenergiából fedezzük. A helyiség temperálására tervezett passzív napenergia-hasznosítás nem, vagy csak kis mértékben érinti az épület fűtőberendezésének teljesítő képességét . A fűtőberendezés teljesítményét a méretezési hőszükségletnek megfelelően kell megtervezni figyelembe véve azt a tényt,hogy napenergia hasznosítás bizonyos időszakban egyáltalán nincs. A hasznosítás alapvető kritériumai [10]:  A benapozás biztosítása, vagyis a napsütés elérje a szerkezetet.  A szerkezet legyen alkalmas a napsugárzás hasznosítására.  A hasznosító legyen képes a hőenergia elosztására térben és időben.

22

A passzív-napenergia hasznosító épületeket a működési elvük alapján három csoportba sorolhatjuk [10]: 1. Az ún. közvetlen hasznosítású épületek. A napsugárzási energia közvetlenül a fűtendő térben nyelődik el, és a meleg padlószerkezeten felmelegedett levegő közvetítésével, valamint a padló sugárzásával alakul ki a megfelelő környezeti hőmérséklet. 2. Az ún. hasznosító tömegfalas épületek. A tömegfal nagy falvastagságú, és nagy hőtároló képességű szerkezet, amely elválasztja a lakott teret a külső tértől, ami bizonyos védelmet jelent, de a helyiség használata szempontjából előnytelen, nehezíti az épület építészeti kialakítását. 3. Az ún. hasznosító előtét üvegházas épületek. Az előtét üvegház önálló energetikai egység, amely nagy üvegfelületein keresztül jelentős napenergiát képes elnyelni, amely a kapcsolódó fűtendő térben könnyen hasznosítható. Természetesen napsugárzás nélkül nagy a hővesztesége is, így állandó lakótérként való használata korlátozott. A járulékos tér a fűtendő helyisége hőszigetelését is jelenti, amely összeadódik a lakott tér határolójának hőszigetelő képességével. Az üvegezett tér jelentősen csökkenti a szél hatását, és előfűtött levegője csökkenti a szellőztetési hőigényt. 3.1.2. Aktív hasznosítás Az aktív napenergia hasznosítás során aktív hasznosító eszközökkel alakítjuk át a Nap energiáját végenergiává. Az aktív napenergia hasznosításnak két alapvető fajtája terjedt el. Az első esetben a Nap energiáját egy berendezésben (a napkollektorban) közvetítő közeg segítségével hőenergiává alakítjuk át, amelyet épületgépészeti eszközökkel hasznosítunk, ezek az ún. napkollektoros rendszerek. A második esetben pedig a Nap energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítjuk át a berendezésben (a napelemben), amelyet elektrotechnikai eszközökkel hasznosíthatunk. Ezek az un. napelemes rendszerek.[10]

3.2. Magyarország és a napenergia 3.2.1. Adottságok Magyarország a szoláris éghajlati felosztás szerint a mérsékelt övben helyezkedik el a 45°45' és a 48°35' északi szélességek között, amely nagyjából az Egyenlítő és az Északi-sark

23

közötti középhelyzetnek felel meg. Ez a csekély 3°-ot sem elérő szélességkülönbség nem okoz markáns éghajlati eltéréseket. Ehhez hozzáadódik, hogy az ország felszínének több mint fele 200 méternél alacsonyabb tengerszint feletti magasságú és a 400 méternél magasabb területek nagysága nem éri el a 2 %-ot. így az ország éghajlata meglehetősen egysíkú, azonban a kis kelet-nyugati szélesség és az orografikus tényezők nem teljesen hatástalanok. [10] Éghajlata a hűvös éghajlatok tartományban a hosszabb meleg évszakú kontinentális éghajlati altípusba tartozik. Az évi hőmérsékletingás jelentős, a négy évszak élesen elkülönül. Emellett jellemző a hőmérséklet szeszélyes időbeli alakulása, az egyes évszakok, hónapok időjárásának nagy változékonysága. Csapadékellátottságára is a változékonyság jellemző, mely csapadék nagyobbik része a nyári félévben hullik. A szárazsági index, jellemző választó vonala, a humid és arid területeket egymástól elhatároló l-es érték ezen az éghajlati területen halad át. így a zóna a nedves és száraz éghajlatú területek közötti átmenetet reprezentálja. [10] A Napból Magyarország felszínére jutó globális sugárzás évi összege az ország területének túlnyomó részén 4200-4600 MJ/m2 értékű. A legtöbb besugárzás a Duna-Tisza közének középső területén, valamint az Alföld középső és keleti részein tapasztalható (6. ábra). A legkevesebb besugárzásban az Alpokalja és az Északi-középhegység részesül, ahol a besugárzás évi összege alig éri el a 4100 MJ/m2-t. Ennek oka. a földrajzi szélesség változása, amely a mérsékelt öv középső területein befolyásolja legérzékenyebben a besugárzás évi mennyiségét. Az ország területének 3°-os észak-déli kiterjedése 200-250 MJ/m2 sugárzáskülönbséget jelent. [10] Globálsugárzás alatt a Napból érkező közvetlen sugárzás valamint az égbolt minden részéről érkező szórt sugárzás összegét értjük. Magyarországon a legtöbb besugárzás a Tiszántúl déli területein tapasztalható, Szeged környékén ez az érték eléri a 4800-4900 MJ/m2 értéket is. Emellett a globálsugárzás nagy területeken meghaladja a 4500 MJ/m2-t. Legkevesebb besugárzásban az Északi-középhegység térsége részesül, itt helyenként 4300 MJ/m2 alatti globálsugárzás összegek is előfordulnak. [15]

24

6. ábra A globálsugárzás (MJ/m2) átlagos évi összege Magyarországon (2000-2009) [15]

7. ábra A globálsugárzás átlagos havi értékei Magyarországon az 1998-2009 közötti időszak alapján [15] Júliusban kapjuk a legtöbb besugárzást - ugyan júniushoz képest ebben a hónapban a nappalok már valamivel rövidebbek, s a Nap delelési magassága kisebb, viszont a felhőzet mennyisége csekélyebb, mint nyár elején. A nagy (az évben a legnagyobb) borultság és a rövid nappalok miatt decemberben a legkisebb a besugárzás. [15] Összefoglalva azt mondhatjuk, hogy Magyarország földrajzi és klimatikus viszonyait figyelembe véve, a napenergia-asznosítás hatékony időszaka a március-október időszakra tehető. [16]

25

A másik tényező, amely szintén befolyásolja a besugárzás területi eloszlását, a felhőzet mennyisége. Szoros az összefüggés a besugárzás mennyisége és a borultság mértéke között. Magyarországon a felhőzet nagysága a besugárzásnak még a földrajzi szélességnél is döntőbb tényezője. [10]

8. ábra A felhőborítottság átlagos havi értékei Magyarországon az 1971-2000 közötti időszak alapján [15]

9. ábra Az évi átlagos napfénytartam (óra) Magyarországon az 1971-2000 közötti időszak alapján [15]

26

10. ábra A napfénytartam átlagos havi értékei Magyarországon az 1971-2000 közötti időszak alapján Napfénytartamon azt az időtartamot értjük, ameddig a felszínt közvetlen sugárzás éri. A napfénytartamot befolyásoló tényezők a csillagászatilag lehetséges napfénytartam, a domborzat valamint a felhőzet - ez utóbbi a napsütést még a besugárzásnál is erősebben befolyásolja. Magyarországon napfényes órákban legszegényebb időszak a december, míg a maximális napfénytartam júliusban alakul ki. [15] Magyarországon a legtöbb, 2000 óra fölötti évi napsütés a déli, délkeleti országrészben jellemző, míg a legkevésbé napos területek az ország északi, északkeleti részében valamint az Alpokalján jelennek meg 1800 óránál is kevesebb évi napfényösszeggel. Télen magasabb hegyvidékeink másfélszer annyi napfényes órában részesülnek, mint az alföldi területek, mivel télen gyakoriak az olyan inverziós helyzetek, amikor az alacsonyabban fekvő vidékeket megülő ködből magasabb hegyeink kiemelkednek, és zavartalan napsütésben részesülnek. Nyáron ellenben a hegységek borultabb, csapadékosabb időjárása miatt mintegy 10 százalékkal kevesebb a napsütéses órák száma az alacsonyabb fekvésű sík fekvésű területekhez viszonyítva. [15] A legtöbb besugárzás júliusban jut a felszínre annak ellenére, hogy a nappalok ebben a hónapban már valamivel rövidebbek. A Nap delelési magassága kisebb, viszont a felhőzet mennyisége csekélyebb, mint júniusban. A legkisebb besugárzás decemberben mérhető a nagy borultság és a rövid nappalok miatt. A napsütése órák számát a 10. ábra mutatja. [10]

27

Egyes számítások szerint, figyelembe véve, hogy csak a kedvező területekre érdemes napkollektorokat telepíteni, éves szinten maximum majdnem 500 MWh éves villamosenergiatermelési potenciál rejlik a napenergiában. [17] Elvileg beépíthető napelemfelület

Kedvezően beépíthető napelemfelület

(km2 ) 1,70 63 13,5 10,13 0,72 2,74 0,86 3,25 4573

Nagypaneles házak Egyéb lakóépületek Mezőgazdasági épületek 1. Mezőgazdasági épületek 2. Oktatási épületek 1. Oktatási épületek 2. Önkormányzati ép. 1. Önkormányzati ép. 2. Gyep-legelő Mg.-ban felszabadult új területek Vasútvonalak mentén Autópályák mentén Összesen

(km2) 0,76 28,35 6,08 4,56 0,33 1,23 0,39 1,46 2058

Beépíthető napelemteljesítmény (MWp) 76,42 2835 607,5 455,63 32,58 123,48 38,63 146,41 205781

Éves villamosenergiatermelés (millió MWh) 0,09 3,26 0,73 0,52 0,04 0,14 0,05 0,17 246,94

4310

1940

193950

232,74

47,39 1,00 9027

10,66 0,45 4052

1066,23 45,23 405158

1,28 0,050 486

3. táblázat Hazai fotovillamos potenciál [17] 3.2.2. Felhasználás/termelés A napenergia piac bemutatása előtt röviden érdemes áttekinteni, hogy milyen nagyságrendű a megújuló energiák felhasználása. (A diagramok a KSH adatai alapján készültek [18].) Legnagyobb

arányban

energiatermelésben.

a

biomassza

és

hulladék

hasznosítása

van

jelen

az

28

11. ábra Biomassza és hulladék energia-termelés Magyarországon A geotermikus energia a második legnagyobb energiaforrás.

12. ábra Geotermikus energia-termelés Magyarországon A vízenergia a harmadik legnagyobb megújuló energiaforrás.

29

13. ábra Vízenergia-termelés Magyarországon A szélenergia csak az utóbbi néhány évben jelent meg a források között, azonban fejlődése dinamikus.

14. ábra Szélenergia-termelés Magyarországon A napenergia termelés jelenleg még nagyon kis mértékű. Azonban ez azt jelenti, hogy a piac még nagy lehetőségeket tartogat.

30

15. ábra Napenergia termelés Magyarországon Természetesen a korábbi adottsági adatok alapján tisztában kell lenni azzal, hogy a napenergia hasznosításának lehetőségei hazánkban korlátozottak (16.ábra).

16. ábra Hazai megújuló energia lehetőségek arányai [19] Magyarországon a hetvenes évek óta hasznosítják a napenergiát. Napsütési viszonyaink kedvezőbbek az európai átlagnál. A hozzánk érkező energia mennyisége az ország teljes villamos energia elhasználásának kb. 3500-szorosa. és segítségével éves szinten a használati melegvíz előállításához szükséges energia 50-60%-át lehetne kiváltani. [7] A magyarországi épületek tetőfelületei, valamint a vasútvonalak és autópályák már első látásra is éppen elég, több mint 200 km2 felületet kínálnak a napenergiás rendszerek elhelyezésére. Ebből csak az épületekre jut 84,19 km2 „elvileg beépíthető” tetőfelület. [20]

31

Napenergia vonatkozásában az elvi potenciál több tízezer MW teljesítmény lehet, a legjelentősebb korlátozó tényező a berendezések magas árához kapcsolódóan a rendelkezésre álló támogatási keret. Mindazonáltal a magyarországi napsütéses órák számát tekintve a termikus napenergia-hasznosítás a kifejlett technológia révén igen jó eszköz a megújuló energiaforrások elterjesztésében, míg a fotovoltaikus napenergia esetén a felgyorsult, gyakorlatorientált kutatás-fejlesztési munkák és a rövid időn belül várható eredmények versenyképes rendszerek terjedését teszik lehetővé. [21] A hazai napenergia-piac méretéről nem állnak rendelkezésre pontos adatok. Becslések szerint 2009 végén összességében 110-120 000 m2 körül mozoghatott a beépített napkollektor-felület. A Magyarországon telepített napelemek teljesítményét a szakértők 650 kWp körüli értékre becsülik. [24]

17. ábra Értékesített napkollektor felület Magyarországon (Becsült adatok) [24] A magyarországi napenergia-piacot jelenleg több mint 300 darab napenergiahasznosítással foglalkozó cég alkotja. Számuk növekvő tendenciát mutat. [24]

32

18. ábra Megújuló energiatermelés Magyarországon [26] A 18. ábra alapján elmondható, hogy a megújuló energiaforrások közül jelenleg a napenergia hasznosítása a 5. helyen áll.

33

4. Napkollektorok A napkollektorokkal való fényenergia hasznosítást szokás fototermikus hasznosításnak is nevezni. A fototermikus megoldás azt jelenti, hogy a napenergiát folyadék vagy levegő közeget áramoltató átalakító eszköz (napkollektor) révén közvetlenül hővé alakítjuk. Ebben az esetben a közeg áramoltatása külön energiát igényel. A felmelegített folyadékot leggyakrabban meleg víz előállítására használjuk fel, de egyéb technológiai célok is szóba jöhetnek úgymint épületek, uszodák, növényházak fűtése; gyümölcsök,növények szárítása, aszalása; intenzív akvakultúrák vízellátása, tehenészeti telepek vízellátása, borjúnevelők tejelőkészítése, biogáz rendszerek melegvíz-ellátása, istállóépületek padlófűtése stb. [25] (A napelemek jelentik a fotovillamos hasznosítást.) A három fő hasznosítási terület [22]:  technológiai és haszálati melegvíz-készítés,  növényházak fűtése,  szoláris szárítás.

4.1. Működés A napkollektor nem más, mint a Nap fényenergiáját hőenergiává átalakító berendezés, amit legtöbbször víz melegítésére használnak, de előfordul hőcserélő közegként légnemű anyag is. Ezt a felmelegített anyagot használják fűtésre, de felhasználási területei között megtalálható még a melegvíz előállítás, de olyan megoldással is találkozhatunk, ahol a fényt összegyűjtve üvegszálakon, vagy tükrös csöveken keresztül vezetik el épületek világításához. [11] A legfontosabb elvárás az, hogy a ráeső rövidhullámú napsugárzást a lehető legnagyobb hatékonysággal elnyelje, és a keletkező hőt a legkisebb veszteséggel egy h őszállító közegnek átadja. [16] A napenergia-hasznosító rendszerek túlnyomó többségénél kollektorként síkkollektort használnak, amely esetben semmiféle berendezést nem alkalmaznak a napsugárzás koncentrálása érdekében. Jóval ritkábbak a koncentráló kollektorok, ahol a napsugárzás koncentrálása vonal- vagy pontszerű lehet, a napsugárzást tükröző felü let geometriai kialakításától függően. A síkkollektorok esetében a hőátadó közeg hőmérséklete jóval

34

alacsonyabb, mint a koncentráló kollektorokban, ahol a hőmérséklet több száz fokot is elérhet. [16] A napkollektorok fő fajtái:  Vákuumcsöves kollektor:  Síkkollektor

19. ábra Vákuumcsöves kollektor szerkezete [11]

20. ábra Vákuumcsöves kollektor [1] Vákuumcsöves kollektor esetében a fűtőcsövekbe gyárilag olyan folyadékkeveréket töltenek, melynek forráspontja alacsonyabb a víz forráspontjánál. Amikor a fűtőcső hőmérséklete a folyadékkeverék forráspontja fölé emelkedik, a csőben lévő folyadék légnemű halmazállapotúra változik. Ez a gáz gyorsan tud áramlani a fűtőcső hőátadó végéhez. Ott a hőgyűjtő idomban keringetett folyadéknak átadja a begyűjtött hőenergiát, lehűl és újra folyadék halmazállapotúra változik. A folyadék visszafolyik a fűtőcső aljába, ahol újra melegszik és újra gőzzé alakul. Cirkuláció alakul ki a fűtőcsőben. Felül melegebb gáz. alul hűvösebb folyadék. Ha a gáz lehűl, újra folyadék lesz belőle. Ha a folyadék felmelegszik, újra gáz lesz belőle. A gáz mindig felülre törekszik, a folyadék mindig lefelé folyik. Ezért kell a

35

fűtőcsöveket mindig lejtéssel felszerelni. Vákuum olyan jól szigetel, hogy a cső belsejében lehet akár 150 °C, a külső cső akkor is hideg, ha megérintjük. Ez azt jelenti, hogy a vákuumcsöves kollektorok hideg időben is működnek, míg a síkkollektorok ilyenkor, a hő veszteség miatt gyengén teljesítenek. [11]

21. ábra Vákuumcső keresztmetszete [14] A napkollektorok legelterjedtebb, változata a síkkollektor, amely, egy elől üvegezett, hátul hőszigetelt lapos dobozszerkezet, melybe belül egy jó napsugárzás elnyelő képességű fekete lemezre (abszorberre) erősített csővezeték található A napsugárzás áthalad a jó fényáteresztő képességű (alacsony vastartalmú) üveg fedőlapon és elnyelődik az abszorberen. ami az elnyelt napsugárzás hatására a hozzá erősített csővezeték rendszerrel együtt felmelegszik. A keletkezett hőenergiát aztán a csővezetékben keringtetett hőátadó folyadékkal lehet elszállítani a napkollektorból, és lehet felhasználni. [11]

22. ábra Síkkollektor sematikus ábra [14] Az üvegfedés alapvető feladata a belső részek védelme az időjárás hatásaival szemben, illetve az elnyelőlemez konvektív és sugárzási hőveszteségének (23. ábra) a csökkentése. Az

36

üvegfedésnek legalább két elvárásnak kell megfelelnie. Egyrészt, minél nagyobb legyen a napsugárzással szembeni áteresztőképessége, másrészt megfelelő szilárdsággal rendelkezzen a szállítás, a szerelés, illetve a működés során fellépő mechanikai igénybevételekkel szemben. A gyakorlati megvalósítás során általában nagy tisztaságú, alacsony vastartalmú, 4 mm vastag edzett üveget alkalmaznak.

23. ábra Síkkokklektorok hőveszteségei [14] Az üvegfedés alatt található a kollektor legfontosabb eleme, az elnyelő 1emez; feladata a napsugárzás elnyelése és hővé alakítása, valamint a hő közvetítése az abszorber alatt lévő csővezetékben keringő hőszállító folyadéknak A napsugárzást a leghatékonyabban a matt felületű fekete színű anyagok nyelik el, ezért az abszorber esetében is ilyen felszínnel találkozunk. Az abszorber hőelnyelésen kívüli feladata az elnyelt hőnek az alatta lévő csővezeték, illetve az abban keringő munkaközeg felé történő átadása. A napkollektorok általában vörösrézből készülő belső csövezésének és az elnyelőlemeznek az illesztésénél törekedni kell a minél jobb hőátadási viszonyok megteremtésére. [16] A kollektorok legkedvezőbb hatásfoka érdekében nélkülözhetetlen a környezeti hőmérsékletnél általában jóval magasabb hőmérsékleten lévő abszorber és belső csővezeték megfelelő hőszigetelése, melyre a legtöbbször ásványgyapot lemezeket használnak. A napkollektor alkotóinak és szigetelésének mechanikai rögzítésére, valamint a kollektor lezárására és a nedvességgel szembeni védelemre a kollektorház szolgál, amelynek anyaga rendszerint alumínium.

37

Az ilyen kollektorok maximális hatásfoka 80% körüli élték, derült időjárás esetén pedig 60% körüli hatásfokkal alakítják át a napsugárzást hőenergiává. Átlagos körülmények esetén fellépő veszteségek nagyságrendje látható 23. ábrán. [11] A fényáteresztő lemez feladata a napsugárzás áteresztése a lehető legkisebb veszteséggel, és a hőszigetelés biztosítása az elnyelő (abszorber) és a környezet között. A fedőlemez készülhet üvegből és műanyagból. Az elnyelő lemez (abszorber) feladata a napsugárzás elnyelése és hővé alakítása, valamint a hő átadása a hőhordozó közegnek. A hőszigetelő korlátozza a kollektor hátoldali veszteségét. A hőhordozó közeg lehet levegő, víz, vagy más fagyálló közeg. A légfűtés előnye, hogy nincs fagyveszély, fűtésre közvetlenül felhasználható, hátrány a levegő kis sűrűsége és kis hőátadási tényezője. A víz hőhordozó közeg esetén a felmelegített vizet akár közvetlenül is hasznosíthatjuk használati melegvíz ellátási, vagy fűtési célra, esetleg kiegészítő forrás felhasználásával, hátránya a fagyveszély. [10] A napkollektor energia hasznosítását befolyásolja a kollektor szögállása. Optimális megoldás esetén a kollektor felülete merőleges a napsugárzásra. Rögzített kollektor esetén nyáron a vízszintes elrendezés a kedvező, de télen ez a legkedvezőtlenebb. A dőlésszög növelésével a nyári hasznosítás mértéke csökken, de a téli növekszik, így a hasznosítás kiegyenlítődik. [10] A legújabb vákuumcsöves síkkollektorok (amelyek házilag nem, csak gyárilag állíthatóak elő) kettős falú üvegcsőből állnak, amelyben nagyvákuum van a külső és belső üvegfal között (8a ábra). A belső üvegcsövet szelektív abszorbens réteggel vonják be. Itt keletkezik a hasznosítható szolárhő. A nagy vákuum meg akadályozza, hogy a levegő hővesztesége vagy konvekció révén hőveszteség keletkezzen. Ez az oka, hogy a csöves kollektorok a hagyományos síkkollektorok számára kedvezőtlen, hideg, borús időben is működnek (24. ábra). Ezért nyújtanak, különösen a hideg évszakban is nagyon jó szoláris teljesítményt.

38

24. ábra Hagyományos és vákuuncsöves síkkollektorok jelleggörbéje [14] A napkollektor rendszereknek több fajtája lehet a szerint, hogy hogyan van kialakítva a rendszer.

25. ábra Napkollektor kapcsolási ábrája [23] Egy melegvíz készítésére alkalmas napkollektor kapcsolása látható a 25 ábrán. Az itt szereplő esetben gravitációs berendezésként is megvalósítható a rendszer: víz a kollektorban melegszik fel a használati hőmérsékletre, s mivel a meleg víz sűrűsége kisebb, ezért felemelkedik a tárolóba. Ezzel egy időben a hideg víz lefelé áramlik a kollektorba, s így körfolyamat jön létre. Az ilyen fajta (gravitációs) berendezésnek nagy előnye, hogy nincs szükség keringető szivattyúra. Hátránya viszont, hogy a víztárolót a kollektor fölé kell helyezni, s télen a fagyos időszak kezdetekor vízteleníteni kell.

39

26. ábra Utánfűtési lehetőséggel kombinált használatitvíz melegítő [23] Másik kivitelezési lehetőség, ha utánfűtést is beiktatunk a rendszerbe. Az utánfűtést ebbe az esetben fűtőkazán biztosítja. A két hőcserélőt a szolártároló tartalmazza. Kellő napsugárzás esetén az ábra szerinti alsó hőcserélő melegíti a vizet. Amikor ez nem elegendő, akkor a felső hőcserélőn keresztül a kazán melegíti tovább a vizet.

27. ábra Használati melegvizet előállító és fűtőrendszerre rásegítő napkollektoros rendszer További kialakítási lehetőség, ha a használati melegvíz előállítása mellett a rendszert fűtésrásegítésre is alkalmassá tesszük (27. ábra).

40

4.2. Hasznosítás Az alábbiakban a két főbb lakossági napkollektor felhasználást szeretném bemutatni:  a melegvíz előállítást és  a fűtést. 4.2.1. Melegvíz előállítás napkollektorral Családi házak melegvíz előállításra általában 1-3 db. nagyobb vízfogyasztás esetén 4-6 db 2 m2-es napkollektort célszerű felszerelni. A megtermelt hőenergiát 200-500 literes melegvíz tartályban tároljuk. A jól hőszigetelt tároló

alkalmas arra. hogy a napközben

napkollektorokkal előállított melegvizet akár napokig is tárolja. Az ilyen tárolókban általában két hőcserélő található. Az alsóra kell kötni a napkollektorokat, a felsőre pedig a kazánt. így a kazán csak a tároló felső részét tudja felfűteni. Ezzel biztosítható, hogy mindig legyen melegvíz, ugyanakkor a kazán feleslegesen ne fűtse fel a teljes tároló térfogatot. [11] 4.2.2. Fűtés napkollektorral Az épületek energiaköltségei között a legnagyobb tételt a fűtés jelenti. Ezért joggal merülhet fel annak az igénye, hogy ezt is minél nagyobb részarányban napkollektorokkal lehessen fedezni. Sajnos fűteni télen kell. amikor a napsugárzás mennyisége alacsony, a nyáron összegyűjthető napsugárzást pedig reális beruházással nem lehet télire elraktározni. Rendszerek kiépítése függ a házak méretétől. [11] Kisebb rendszereknél, főleg padló-, vagy falfűtés esetén puffertároló nélküli rendszerek is megvalósíthatók. Ekkor a kollektorok a napsütés időtartama alatt közvetlenül a fűtési rendszerre hatnak, a hőtárolást az épület szerkezetei, a padló, vagy a falak biztosítják. A napkollektoros fűtés a hagyományos fűtési rendszerrel párhuzamosan üzemel, erre a célra ún. szoláris fűtési egység szolgál. Ez tartalmazza a kollektor köri hőcserélőt, valamint a fűtési köri szivattyút és termosztatikus keverőszelepet. [11] Nagyobb rendszereknél célszerű puffertárolót alkalmazni. Ez egy nagyobb méretű, jól hőszigetelt víztartály, melyben a napsütés időszakában hasznosított napenergia eltárolható a napsütés mentes időszakra. A puffertárolók a napkollektorok mellett jól illeszthetők a korszerű fatüzelésű kazánokhoz, cserépkályhákhoz, kandallókhoz is. A puffertárolót egybe lehet építeni a melegvíztárolóval. [11]

41

5. A napenergia felhasználása egy tizenöt lakásos társasházban 5.1 Használati melegvíz-igény meghatározása A használati melegvízigény meghatározását az egységlakásszám alapján határoztam meg. „DIN 4708 szerint az (N) egységlakás jellemzői: 4 szoba, 3,5 személy, egy normál méretű kád, egy mosdó és egy mosogató. Számba kell venni az épületben található lakásokat, a lakások szobaszámát és ennek ismeretében meg kell határozni a méretezéshez figyelembe veendő lakószámot. A lakások szobaszáma

A lakók száma a lakásban

Lakások száma

(r) 2 3 4

(p) 2,5 2,7 3,5

(n) 6 6 3

4. táblázat: A szobák, a lakók és a lakások száma

Forrás: Saját szerkesztés

Vízelvételi helyek és az egyszeri használatkor jelentkező vízmennyiségek a következők: A vízvételi hely fajtája

rövid jele

Normál kád

nk1

Egy használatkor vételezett vízmennyiség VE (l) 160

42

Zuhanyfülke normál zuhanyfejjel Konyhai mosogató Mosdó

zn

90

km

30

mk

17

5. táblázat: A vízfelvételi hely és egy használatkor vételezett vízmennyiség Forrás: Saját szerkesztés

Az azonos adottságú lakások csúcsidőszaki melegvíz igényének számítását a következő három táblázatban mutatom be: A lakás A lakások szobaszáma száma (r)

(n)

2

6

Az egyszeri A vízvételi vízvételezés helyek száma a np mennyisége, VE lakásban (p) (l) (v) nk1 160 1 zn 90 1 2,5 15 km 30 1 mk 17 2 6. táblázat: A két szobás lakások melegvíz igénye Forrás: Saját szerkesztés

A lakók száma

A lakás vízvételi helyeinek jele

VE  v

(l)

314

V  (n  p)   (V  v)  (6  2,5)  (160  90  30  2 *17)  4710 liter e

A lakás A lakások szobaszáma száma (r)

3

(n)

6

A lakók száma

np

(p)

2,7

16,2

nk1

Az egyszeri vízvételezés mennyisége, VE (l) 160

zn km

90 30

mk

17

A lakás vízvételi helyeinek jele

7. táblázat: A három szobás lakások melegvíz igénye Forrás: Saját szerkesztés

A vízvételi helyek száma a VE  v lakásban (l) (v) 1 1 314 1 2

43

V  (n  p)   (V  v)  (6  2,7)  (160  90  30  2 *17)  5087 liter e A lakás szobaszám a (r)

A lakások száma (n)

4

3

A lakás Az egyszeri A vízvételi vízvételi vízvételezés helyek száma a np helyeinek mennyisége, lakásban jele VE (l) (v) (p) nk1 160 1 zn 90 1 3,5 10,5 km 30 1 mk 17 2 8. táblázat: A négy szobás lakások melegvíz igénye Forrás: Saját szerkesztés A lakók száma

VE  v

(l)

314

V  (n  p)   (V  v)  3 * 3,5  (160  90  30  2 *17)  3297 liter e

Az egységlakásszám meghatározása az összes melegvíz fogyasztás alapján:

N

V  4710  5087  3297  26,188 500

500

Indirekt használati melegvíz tárolót választottam ki az egységlakásszám alapján. Az így választott HMV tároló típusa: 5 db Viessmann Vitocell 100-B 500 literes tároló. 5.2 Napkollektoros HMV termelő és fűtés rásegítő rendszer méretezése Az épület melegvíz igényét, a számítások alapján 5 db Viessmann Vitocell 100-B típusú, egyenként 500 literes tárolóval szolgáljuk ki. A tároló a tetőtéri gépészeti helyiségben kerül elhelyezésre. A napi melegvíz-mennyiség előállításához szükséges hőmennyiség:

QHMV  1,1 c    V  tm  th  1,1: a tárolási és felhasználási veszteségeket figyelembe vevő tényező c= 1,16Wh/kg*°K: a víz fajhője ρ=1 kg/l: a víz sűrűsége th=10°C: a hidegvíz hőmérséklete tm=45°C: a melegvíz hőmérséklete

QHMV  1,11,16 11500  45  10  66 990 Wh / nap A cirkulációs veszteség miatt min. 10 %-al meg kell növelni a hőigényt:

QHMV  66 990 *1,1  73 689 Wh / nap A használati-melegvíz készítő rendszert úgy célszerű méretezni, hogy a kollektorok átlagos nyári napon a szükséges melegvíz-mennyiség 100%-át előállítsák. Ekkor a szükséges napkollektor-felület:

44

Akollektor 

 

QHMV m2 k  Qk nyár

Qknyár = 2,8 kWh/m2 x nap: a napkollektoros rendszerekkel hasznosítható hőmennyiség A hasznosítható sugárzásra megállapított értékeket még módosítani kell a kollektorok elhelyezésétől függően. k=0,95: a kollektorok dőlésétől, tájolásától függő korrekciós tényező

Akollektor 

 

QHMV 73,689   27,70 m 2 k  Qk nyár 0,95  2,8

Erre a kollektor felület mennyiségre 15 db Viessmann Vitosol 200-F SV2B típusú, ferde tetőre építhető napkollektort választottam. A kollektorok egyenként 2,32 m2 nettó elnyelő felülettel rendelkeznek. Így az összesen 34,8 m2 kollektor felületet jelent. 5.3 Fűtés rásegítés A napkollektoros fűtés rásegítés az alábbi szempontok teljesülése estén célszerű telepíteni: 

Az épület az átlagosnál jobban hőszigetelt, így alacsony az épület hővesztesége.



Az épület alacsony hőmérsékletű, központi melegvizes fűtéssel rendelkezik. Ilyen a padló vagy a falfűtés, esetlegesen az alacsony hőmérsékletű radiátoros fűtés.



Az épület a passzív napenergia hasznosítás szempontjainak megfelelően épület, a tájolása megfelelő.

A fűtésrásegítésre szolgáló szolárrendszerek a használati melegvíz készítése mellett a fűtővíz egy részét is felmelegítik. A szolár-rendszer főleg tavasszal és ősszel járulhat hozzá jelentős mértékben a helyiségek fűtéséhez. Minél kisebb az épület fűtési hőszükséglete annál inkább integrálható és kihasználható a szolárrendszer. Azonban a nyári feleslegek korlátok között tartása érdekében a kollektor felületnek nem kell túl nagynak lennie. A méretezést befolyásoló tényezők: 

HMV szükséglet



kívánt szolárfedezet a fűtéshez és a HMV készítéshez



kollektor típus (síkkollektor vagy vákuumcsöves kollektor)



iránybeállítás és hajlásszög



az épület fűtési hőszükséglete



a fűtőkörök méretezési hőmérsékletei

45

Egy használati melegvíz készítésre és fűtés rásegítésre használt rendszer méretezéséhez a teljes fűtési rendszer éves átlagos hatásfokát kell alapul venni. Mindig a nyári hőszükséglet az irányadó. Ez a használati melegvíz készítés és egyéb helyi fogyasztók hőszükségletéből tevődik össze. A kollektor felületet erre a szükségletre kell méretezni. [2] A számított kollektor felületet - a Viessmann megújuló energia hasznosítás című tervezési segédlet ajánlása alapján - 2-es szorzóval kell felszorozni. A szorzat a szolár fűtésrásegítéshez használt kollektor felület mérettartományát adja meg. Így adódik a HMV készítésre és a fűtés rásegítésre a napkollektorok száma:

 

Akollektor  AHMV  2  27,70  2  55,4 m 2

Erre a kollektor felület mennyiségre 28 db Viessmann Vitosol 200-F SV2B típusú, ferde tetőre építhető napkollektort választottam. A kollektorok egyenként 2,32 m2 nettó elnyelő felülettel rendelkeznek. Így az összesen 64,95 m2 kollektor felületet jelent. A szükséges fűtési puffertároló mérete:

Vkollektor  Akollektor  50 liter  64,95 m2  50  3247,5 liter Erre 5 db Viessmann Vitocell 140-E típusú , egyenként 950 literes, egy hőcserélős, fűtési puffer tárolót választottam. A három tároló együttes űrtartalma 4750 liter. 5.4 Szivattyú egység kiválasztás (HMV tárolók – szolárkör) A korábban kiválasztott 28 db Viessmann Vitosol 200-F SV2B típusú sík kollektorok négy sorban lesznek elhelyezve a ferdetető délnyugati oldalán. Mindegyik sor 7 db kollektort fog tartalmazni. A Viessmann napkollektor katalógus adatai alapján a sík kollektorok javasolt térfogatárama 25 l/hm2. Soronkénti térfogatáram:

Vkollektor sor V k * n * Akollemtor  25 l / hm2 * 7 * 2,32 m2  406l / h A 28 db kollektor összes térfogatárama:

Vkollektor  4 *Vkollektors or  4 * 406 l / h 1624 l / h A Viessmann tervezési segédlet adatai szerint a Vitosol 200-F SV2B típusú sík kollektor átfolyási ellenállása 4 kPa. A Viessmann Vitocell 100-B típusú HMV tároló napkollektorokkal fűtött alsó hőcserélőjének ellenállása a katalógusa alapján 8 kPa. Az egyes csőszakaszok ellenállásai a következő táblázatban mutatom be: Csőszakaszok áramlási ellenállásai

46

Tömegáram

Csőméret

Sebesség

R

Szakasz hossza

Δp=R*L

m (kg/h)

(mm)

v (m/s)

(Pa/m)

L (m)

(Pa)

348

18x1

0,5

200

9,2

1840

696

28x1,5

0,39

70

29

2030

1044

28x1,5

0,57

150

4,5

675

1392

35x1,5

0,48

70

67,7

4739

928

28x1,5

0,55

140

2,5

350

464

22x1

0,4

100

5,35

535

-

-

-

-

-

10 169

Napkollektor és a HMV tárolók közötti szakaszok HMV tárolóknál lévő szakaszok

9. táblázat: A csőszakaszok áramlási ellenállásai Forrás: Saját szerkesztés

Az egyes csőszakaszok alaki ellenállásai a következők: Csőszakasz mérete

Alaki ellenállás megnevezése

mm

Ø18x1

Tartályba való belépés Tartályból való kilépés Könyök T egyesítés átmenő ág T elágazás átmenő ág -

Alaki ellenállási tényező ξ 1 0,5 1,5 1,2 0,2

Mennyiség n (db) 1 1 4 1 1 Σξ:

n*ξ 1 0,5 6 1,2 0,2 8,9

10. táblázat: Az egyes csőszakaszok alaki ellenállásai Forrás: Saját szerkesztés

p 

Csőszakasz mérete mm Ø28x1,5

 2

 v 2   

Alaki ellenállás megnevezése Könyök

1020  0,5 2  8,9  10 212 Pa 2

Alaki ellenállási tényező ξ 1,5

Mennyiség n (db) 4

n*ξ 6

47

T egyesítés átmenő ág T elágazás átmenő ág -

1,2 0,2

1 1 Σξ:

1,2 0,2 7,4

11. táblázat: Az egyes csőszakaszok alaki ellenállásai Forrás: Saját szerkesztés

p 

Csőszakasz mérete

 2

 v 2   

1020  0,39 2  7,4  574 Pa 2

Alaki ellenállás megnevezése

mm Ø28x1,5

T egyesítés átmenő ág T elágazás átmenő ág -

Alaki ellenállási tényező ξ 1,2 0,2

Mennyiség n (db) 1 1 Σξ:

n*ξ 1,2 0,2 1,4

12. táblázat: Az egyes csőszakaszok alaki ellenállásai Forrás: Saját szerkesztés

p 

Csőszakasz mérete

 2

 v 2   

1020  0,57 2  1,4  232 Pa 2

Alaki ellenállás megnevezése

mm Ø35x1,5

Könyök T elágazás merőleges szár T egyesítés átmenő ág -

Alaki ellenállási tényező ξ 1,5

Mennyiség n (db) 16

n*ξ 24

2

1

2

1,2

1 Σξ:

1,2 27,2

13. táblázat: Az egyes csőszakaszok alaki ellenállásai Forrás: Saját szerkesztés

p 

Csőszakasz mérete

 2

 v 2   

1020  0,48 2  27,2  3196,1Pa 2

Alaki ellenállás megnevezése

mm Ø28x1,5

T egyesítés átmenő ág T elágazás átmenő ág -

Alaki ellenállási tényező ξ 1,2 0,2

Mennyiség n (db) 1 1 Σξ:

14. táblázat: Az egyes csőszakaszok alaki ellenállásai

n*ξ 1,2 0,2 1,4

48 Forrás: Saját szerkesztés

p 

Csőszakasz mérete

 2

 v 2   

1020  0,55 2  1,4  216 Pa 2

Alaki ellenállás megnevezése

mm Ø22x1

Könyök Gömbcsap Tartályba való belépés Tartályból való kilépés -

Alaki ellenállási tényező ξ 1,5 0,2 1 0,5

Mennyiség n (db) 6 2 1 1 Σξ:

n*ξ 9 0,4 1 0,5 1,5

15. táblázat: Az egyes csőszakaszok alaki ellenállásai Forrás: Saját szerkesztés

p 



 v 2   

2 Az ellenállások összesen:

1020  0,4 2  1,5  122,4 Pa 2

Δp=4000+8000+10169+10212+574+232+3196,1+216+122,4=36721,5 Pa A szolár szivattyúegységet a fentebbi méretezés alapján 1,392 m3/h térfogatáramra és 3,67 mvo szállítómagasságra választottam ki. Ezek alapján a Viessmann Solar-Divicon PS20 típusú szivattyúegységet választottam ki. 5.5 Szivattyú egység kiválasztás (Puffertárolók – szolárkör) A Viessmann Vitocell 140-E típusú fűtési puffertároló alsó, napkollektorok által fűtött hőcserélőjének ellenállása 1000 Pa. Az egyes csőszakaszok ellenállásai a következők: Csőszakaszok áramlási ellenállásai

Napkollektor és a puffertárolók közötti szakaszok

Puffertárolóknál lévő szakaszok

Tömegáram

Csőméret

Sebesség

R

Szakasz hossza

m (kg/h)

(mm)

v (m/s)

(Pa/m)

L (m)

(Pa)

348

18x1

0,5

200

9,2

1840

696

28x1,5

0,39

70

29

2030

1044

28x1,5

0,57

150

4,5

675

1392

35x1,5

0,48

70

74,5

5215

928

28x1,5

0,55

140

2,5

350

464

22x1

0,4

100

5,35

535

-

16. táblázat: Az egyes csőszakaszok ellenállásai Forrás: Saját szerkesztés

Az ellenállások összesen:

Δp=R*L

10 645

49

Δp=4000+1000+10645+10212+574+232+3196,1+216+122,4=30197,5 Pa A szolár szivattyúgységet a fentebbi méretezés alapján 1,392 m3/h térfogatáramra és 3,02 mvo szállítómagasságra választottam ki. Ezek alapján a Viessmann Solar-Divicon P20 típusú szivattyúegységet választottam ki. 5.6 Szolár tágulási tartály méretezése

Vtart  0,9 *

V  p max  p hi deg p max

25,9 124 liter 6,5  5 0,9 * 6,5

Vtart : a tágulási tartály minimális térfogata ΔV : a rendszer tágulási térfogata pmax : a rendszer maximális nyomása : 6,5 bar (abszolút) phideg : a rendszer nyomása hideg állapotban : 5,0 bar ( abszolút) ΔV = Vrendszer x ΔVrelatív = 199,25 x 0,13 = 25,9 liter

Vrendszer  Vkoll  VSZE  Vcső  VT  43,92  0,48  75,35  79,5  199,25 liter Vkoll : A kollektorok folyadéktartalma literben: 24 db*1,83 l = 43,92 l VSZE=Szolár egység térfogata

0,48 liter

Vcső=Csővezetéki hálózat térfogata 75,35 liter VT=Tárolók hőcserélőjének térfogata

79,5 liter

A számított tartályméret 124 liter lett. A részleges forrás esetén létrejövő tágulás kivédésére a kiszámolt tartályméretet 20%-al növelni kell. Vtart = 124*20% = 148,8 liter 5.7 Három-járatú szabályozó szelep méretezése A padlófűtési rendszer számított hőteljesítménye: 88 kW A nyomásesést a változó mennyiségű szakaszon (kazán, csővezeték, armatúrák és idomdarabok) 6 kPa-al (~0,06 bar) számítottuk. A 3-járatú szabályozó szelepet 38°C előremenő hőmérséklettel és 30°C visszatérő hőmérsékletre (Δt=8°C) méreteztük. Átfolyó vízmennyiség számítása:

V 

88 kW Q   9,45 m 3 h 1,163  (t 2  t 3 ) 1,163  (38C  30C )

A szabályozó szelepet a 9,45 m3/h átfolyó mennyiségre, és a 6 kPa (0,06 bar) nyomásesésre kell kiválasztani.

50

k vs 

V p szel100



9,45 m 3 h 0,06 bar

 38,58 m 3 / h

Azon feltétel alapján, hogy a nyomásesésnek a teljesen nyitott szelepen át egyenlőnek, vagy nagyobbnak kell lenni, mint a változó mennyiségű szakaszokon, feltétlen a kisebb kvsértékű szelepet kell beépíteni. A választott szelep NA40-ös átmérővel kvs=25 (Danfoss VRB3 háromjáratú szelep). A tényleges nyomásesés a szelepen keresztül:

p szel100

2 2  V   9,45       0,142 bar  14,28 kPa  25   k vs 

A szeleptényező felülvizsgálata:

a

p sz100 14,28   0,704  0,5 p sz100  p mv100 14,28  6

Tehát a választott szabályozószelep megfelel. [2] 5.8 Fűtési keringető szivattyúk kiválasztása A kazánházban lévő központi osztó-gyűjtőn három fűtési kör található. Egy a HMV tárolók részére, egy a padlófűtési köröknek, egy pedig a folyosókat fűtő radiátorok részére. Mindegyik körben két keringető szivattyú található, így összesen 6 db szivattyú került betervezésre. Az egyes körökben lévő szivattyúk közül csak az egyik üzemel folyamatosan, a másik csak tartalék funkciót lát el, meghibásodás esetére. A szivattyúk kiválasztásához a Wilo-Select programot használtam. A választott szivattyú típusa: Wilo TOP-S 30/4 3~. A kör ellenállása 7,74 mvo, a tömegárama 9,49 m3/h. A lakásokban a helyiségenkénti szabályozást a Rehau Raumatic M szabályozó rendszere biztosítja, ami az osztón lévő termo fejeket szabályozza, az egyes helyiségekben lévő szoba termosztátok segítségével. Ezért a rendszerben változó tömegáram alakul ki, így frekvenciaváltós szivattyú kiválasztása szükséges. A kiválasztott szivattyú típusa: Wilo Stratos 50/1-12. A rendszer ellenállása 1,3 mvo, tömegárama 0,23 m3/h. Mivel az egyes radiátorok termosztatikus

fejjel vannak ellátva, amik

változó tömegáramot

mindenképpen frekvenciaváltós szivattyút kell kiválasztani. A választott szivattyú típusa: Wilo Stratos PICO 25/1-4.

generálnak, így

51

5.9 Tágulási tartályok méretezése A tágulási tartály névleges térfogata:

pe  1 2,5  1  0,838  3 *  9,59 liter pe  p0 2,5  1,1

Vn  Ve  VV  * Ve 

V A  n 28,9  2,9   0,838 liter 100 100

A rendszer térfogata (kazán, hidraulikus váltó valamint a közöttük lévő csőszakasz víztartalma): Va=12,8+7,7+8,4=28,9 liter Vv : a tágulási tartály víztartaléka: min. 3 liter pe : végnyomás: a biztonsági szelep maximális nyomása -0,5 bar=3-0,5=2,5 bar po előfeszétesi nyomás meghatározása:

po  pst  0,3bar  0,8  0,3  1,1bar pst: statikus nyomás, azaz rendszer magassága a tartály aljától. A választott tágulási tartály: Reflex NG 12, 12 literes zárt tágulási tartály A rendszer feltöltésekor, a tartály vízoldali csatlakozásánál beállítandó pa kezdeti nyomás:

pa  p0  0,3bar  1,1  0,3  1,4 bar A fűtési rendszer tágulási tartályának térfogata a következő:

Vn  Ve  VV  *

pe  1 2,5  1  62,85  10,83 *  184,2 liter pe  p0 2,5  1,1

Ve 

V A  n 2167 ,5  2,9   62,85 100 100 liter

A rendszer térfogata (a HMV kör, padlófűtési kör és a radiátor kör víztartalma): Va=64,2+2055+48,3=2167,5 liter Vv : a tágulási tartály víztartaléka: Va x 0,5% = 2167,5 x 0,5%=10,83 liter pe : végnyomás: a biztonsági szelep maximális nyomása -0,5 bar=3,0-0,5=2,5 bar po előfeszétesi nyomás meghatározása:

po  pst  0,3bar  0,8  0,3  1,1bar pst: statikus nyomás, azaz rendszer magassága a tartály aljától. A választott tágulási tartály: Reflex N 200, 200 literes zárt tágulási tartály A rendszer feltöltésekor, a tartály vízoldali csatlakozásánál beállítandó pa kezdeti nyomás:

52

pa  p0  0,3bar  1,1  0,3  1,4 bar A puffer tároló tágulási tartály méretezése a következő:

Vn  Ve  VV  *

pe  1 2,5  1  27,55  4,75 *  80,75 liter pe  p0 2,5  1,1

Ve 

V A  n 950  2,9   27,55 100 100 liter

A rendszer térfogata a puffertároló űrtartalma: Va=950 liter Vv : a tágulási tartály víztartaléka: Va x 0,5% = 950 x 0,5%=4,75 liter pe : végnyomás: a biztonsági szelep maximális nyomása -0,5 bar=3,0-0,5=2,5 bar po előfeszétesi nyomás meghatározása:

po  pst  0,3bar  0,8  0,3  1,1bar pst: statikus nyomás, azaz rendszer magassága a tartály aljától. A választott tágulási tartály: Reflex NG 100, 100 literes zárt tágulási tartály 5.10 Kazán kiválasztás A tervezett fűtési rendszer hőleadóinak teljesítménye 93,3 kW. Erre a teljesítményre választottam egy Viessmann Vitodens 200-W típusú fali, zárt égésterű kondenzációs gázkazánt. A kazán teljesítménye 30 kW-tól 105 kW-ig szabályozható.

53

6. Befejezés A fosszilis energiahordozók árának folyamatos növekedése, valamint a környezetre gyakorolt negatív hatásuk miatt az alternatív energiahordozók térhódítása egyre nagyobb jelentőséggel bír. Ezzel párhuzamosan a napenergia energetikai célú felhasználása az egész világon, akárcsak hazánkban egyre fontosabbá válik. A termikus napenergia-hasznosítás tehát az építőipar számára is jelentős mérföldkövet jelent, mind költséghatékonyság, mind környezettudatossági szempontból. Szakdolgozatomban – felhasználva a témához kapcsolódói szakirodalmat – összegyűjtöttem, elemeztem azokat az információkat melyek a napenergia hasznosságát és hatékonyságát támasztják alá. Állításaimat műszaki adatokkal, az egyes technológiák bemutatásával és értékelésével támasztottam alá, kiemelve azok hátrányait, előnyeit. Fontos szempont volt számomra, hogy a napenergiával kapcsolatos kételyeket eloszlassam, hogy pontos számításokkal támasszam alá a napenergia hatékonyságát és hosszú távú megtérülését. Ehhez egy 15 lakásos társasház épületgépészeti rendszerének kialakítását, méretezési folyamatának bemutatását választottam példaként. Az épület fűtéséről egy kondenzációs gázkazán gondoskodik, melyet napkollektoros berendezés egészíti ki, rásegítve egyrészt a tavaszi-őszi fűtésre, másrészt a használati melegvíz előállítására. A dolgozatom elején felállított első hipotézisem, mely szerint a napkollektorok alkalmazása során csökkennek az épület fenntartási költségei, amely a mai gazdasági helyzetben meghatározó tényezője a lakásvásárlásnak, beigazolódott. Második feltevésem, mely szerint a napkollektoros rendszerek állami támogatása nehézkes és költséges, ezért a megtérülési idő növekszik, a hazai támogatási rendszer túl bonyolult, ezért azt újra kell gondolni, beigazolódott. Harmadik feltevésem, mely szerint a napenergia alkalmazása még mindig függ a természeti tényezőktől, ezért az alkalmazása nagyban függ a napsütötte órák számától, ezért nem alkalmazható egyedüli energetikai rendszerként, csak kiegészítő, vagy helyettesítő energiaforrásként, beigazolódott. Negyedik hipotézisem, mely szerint a napenergia beruházási költsége igen magas, a fenntartási költsége is magas, a fenntartása viszonylag egyszerű, azonban még mindig kevés cég foglalkozik a napkollektorok fenntartásával, szervízelésével, ezért a napkollektorok alkalmazását ki kell egészíteni egy fosszilis energiára épülő rendszerrel, nem nyert bizonyosságot.

54

Ötödik feltevésem, mely szerint a napenergia egy ingyenes és tiszta energiaforrás, a felhasználása folyamatosan növekszik mind Európában, mind pedig Magyarországon, ezért át kell gondolni a hazai épületgépészeti elgondolásokat, hogy nagyobb teret kapjon ez a fajta energia, és még több környezettudatos tervezés alapján készült passzív, félpasszív házak épülhessenek, beigazolódott. Mindezeket figyelembe véve azonban azt gondolom, hogy a napkollektoros rendszerek megtérülését hiba volna csak pénzügyi szemüvegen keresztül vizsgálni. Fontos, hogy itt egy megújuló energiát hasznosító beruházásról van szó, ahol nem csak a számszerűsíthető hasznot érdemes figyelembe venni, hanem a földgáz kiváltásával megelőzött szén-dioxid és egyéb károsanyag kibocsátást is, valamint magában hordozza az önálló helyi energiaellátás előnyeit. A számítás eredményei tehát alátámasztják a napkollektoros rendszer alkalmazásának létjogosultságát a társasház épületgépészeti kialakításában, vagyis bizonyítják a termikus napenergia-hasznosítás előtérbe helyezését az energiafelhasználásban.

55

7. Felhasznált irodalom [1]

Stoll Gáborné: Vállalkozók Európában: Megújuló energiaforrások az EU-ban és Magyarországon, Magyar kereskedelmi és iparkamara, 2009.

[2]

Marco Caponigro: A megújuló energiaforrások kézikönyve, 2012. ISBN 978-96308-3749-1 (A kézikönyvet angol eredetiből fordította és szerkesztette: Laczó Dániel)

[3]

Az Európai Közösségek Bizottsága: Európai stratégia az energiaellátás fenntarthatóságáért, versenyképességéért és biztonságáért ZÖLD KÖNYV, Brüsszel, 8.3.2006

[4]

Varga Zoltán Balázs: A megújuló energiaforrások hasznosíthatóságának gazdasági vizsgálata Magyarországon: különös tekintettel a biomassza és a napsugárzás energiájának kiaknázására, disszertáció, Kaposvári Egyetem, 2007.

[5]

Koskocsák Éva: Energiakörkép, avagy mi lesz a jövő energiája, Szakdolgozat, Budapesti Gazdasági Főiskola, Budapest. 2008.

[6]

Csapi Vivien: Megújuló energia-beruházások értékelése

[7]

Pap Éva: Környezetbarát energiafelhasználás, avagy a megújuló energiaforrások általános jellemzése, az Európai Unióban és hazánkban betöltött szerepe, Szakdolgozat, Budapesti Gazdasági Főiskola, Budapest. 2003.

[8]

Hegyesi József, Kohlheb Norbert: A napenergia-hasznosítás jelene és jövője Magyarországon, Van még mit tanulnunk a napenergiáról!, Szent István Egyetem, Környezet- és Tájgazdálkodási Intézet, 2008. január 29.

[9]

Nemzeti Éghajlatváltozási Stratégia 2008-2025

[10] Horváth, Róbert: Megújuló energia, 2011. [11] Tamas

Attila:

Megújuló

energiák

hasznosítása,

Szakdolgozat,

Szegedi

Tudományegyetem, 2009. [12] Stratégia a magyarországi megújuló energiaforrások felhasználásának növelésére 2008-2020, Budapest, 2008. július

56

[13] Magyarország energiapolitikája (A biztonságos, versenyképes és fenntartható energiaellátás stratégiai keretei. [14] Armin Themeßl, Werner Weiß: Solarnalagen Selbstbau (ford:Szüle Dénes, magyar cím Napkollektoros berendezések), Cser Kiadó, ISBN 978-963-9759-206, ISSN: 1416-6372, 2004. [15] http://www.met.hu/ [16] Juhász Árpád (et al.): Megújuló energiák, [Budapest] : Sprinter, [2009]. ISBN 978-963-9469-29-7 [17] Farkas István: A napenergia hasznosításának hazai lehetőségei, Magyar Tudomány, 2010 08 [18] https://www.ksh.hu/docs/hun/eurostat_tablak/tabl/ten00082.html [19] Prof. Dr. Barótfi István: Megújuló energiaforrások, A Miskolci Egyetem Közleménye A Sorozat, Bányászat, 67. kötet (2004). p. 65-68 [20] Dr. Munkácsy Béla (szerk.): Erre van előre! Egy fenntartható energiarendszer keretei Magyarországon Vision 2040 Hungary 1.2, Környezeti Nevelési Hálózat Országos Egyesület, 2011. [21] Magyarország megújuló energia hasznosítási cselekvési terve, 2010-2020, Nemzeti Fejlesztési Minisztérium, ISBN 978-963-89328-0-8 [22] Csanaky Csilla, Varga Katalin: A megújuló energiaforrásokra alapozott hőtermelés lehetőségei Magyarországon, Energiaklub Szakpolitikai Intézet és Módszertani Központ, ISBN: 978-615-5052-05-7 [23] Nicole

Kuhlman:

Napenergia-hasznosítás,

Napkollektoros,

napelemes

berendezések, Cser Kiadó, Budapest, 2002. [24] Csanaky Lilla, Kovács Emese, Varga Katalin (szerk: Tóth Nelli): Nyerni a napenergiával! Német példák – magyar önkormányzatoknak, Napkorona Bajnokság, ISBN 978-963-87452-9-3 [25] Sembery Péter – Tóth László (szerk.): Hagyományos és megújuló energiák, Bp. : Szaktudás K., 2004., ISBN 963-9553-15-8 [26] Róbert Kovács: Hungarian Investment and Trade Agency: Renewable energy in Hungary, HITA 2012.

57

[27] http://www.viessmann.hu/etc/medialib/Internet_hu/pdf_documents/Tervezesi_seg edletek_2009.Par.29255.File.File.tmp/Viessmann_tervezesi_segedlet_2_kotet_H U.pdf [28] Központi fűtőberendezések korszerű szabályozásának hidraulaikai vontakozásai,