A napkollektoros hőtermelés lehetőségei Magyarországon Az utóbbi években Magyarországon is megnőtt az érdeklődés a napenergia-hasznosító rendszerek iránt. A napkollektorok felkerültek szinte minden épületgépészeti vállalkozás palettájára. Ezt igazolták az idei, tavaszi épületgépészeti szakvásárok is, ahol minden eddiginél több kiállítónál kerültek előtérbe a napkollektoros rendszerek. Az alábbi írás arról kíván áttekintést adni, hogy reálisan mire használhatók a napkollektoros rendszerek, és segítségükkel mekkora hőmennyiség takarítható meg.
A Napból érkező sugárzás mennyisége Magyarország az északi mérsékelt övben, az északi szélesség 45,8° és 48,6° között található. Földrajzi fekvéséből adódóan, napsugárzás-jövedelem szempontjából hazánk a közepes adottságú országok közé sorolható. A vízszintes felületre érkező éves átlagos napsugárzás értéke ~3,5 kWh/(m2.nap). Ugyanez az érték a legkedvezőbb adottságú, ráktérítő és baktérítő közötti trópusi égövben 5-7 kWh/(m2.nap). A legkedvezőbb értékhez képest tehát a magyarországi napsugárzás csak mintegy 50-60% körüli érték, ez azonban nem jelenti azt, hogy ez ne lenne elegendő a reális hasznosítás számára. Jó példaként fel lehet hozni a szomszédos Ausztriát, vagy Németországot, ahol az érkező napsugárzás mennyisége még kevesebb, mint Magyarországon, mégis a megvalósult napkollektoros rendszerek száma a sokszorosa a hazainak. Németország a világon az 5. helyen áll a felszerelt napkollektorok számát illetõen, a szomszédos Ausztriában pedig több mint 3 millió négyzetméter napkollektor üzemel, amivel szomszédaink az egy fõre jutó napkollektorok számát illetõen világelsők. Ezek a rendszerek a gyakorlatban bizonyították, hogy a napkollektoros hőtermelés a magyarországi napsugárzásnál gyengébb viszonyok mellett is reális alternatívája lehet a hagyományos, döntően fosszilis energiahordozók elégetésén alapuló hőenergia előállításnak. Magyarország területén belül a legnaposabb rész az ország középső, déli része, a legkevesebb a napsütés az északi és a nyugati részen. Ténylegesen megvizsgálva azonban az eltérést az egyes országrészek napsugárzás viszonyai között, megállapítható, hogy a különbség a legjobb és a legrosszabb adottságú térség között kevesebb, mint 8%. Ez nem olyan mértékű eltérés, ami döntő mértékben befolyásolná egy napenergia-hasznosító rendszer működését. Ezért kijelenthető, hogy Magyarország egész területe egységesen alkalmas napkollektoros hőtermelő berendezések megvalósítására.
1. ábra Vízszintes felületre érkező napsugárzás Magyarországon
Az 1. ábrán a Magyarország területén vízszintes felületre érkező globális (direkt és szórt sugárzás együtt) napsugárzás mennyisége látható. A legnaposabb déli országrészeken ez az érték ~1325 kWh/(m2.év), a rosszabb adottságú részeken pedig ~1220 kWh/(m2.év). Ezek a sugárzási adatok vízszintes felületre vonatkoznak, a hasznosítás szempontjából kedvezőbb, megközelítőleg déli tájolású és 40-45° körüli dőlésszögű felületre azonban a vízszinteshez képest kb. 15%-al több napsugárzás érkezik. Magyarországon tehát egy optimális elhelyezkedésű felületre megközelítőleg 1400-1500 kWh/(m2.év) hőenergia érkezik a napból. Jól érzékelteti a napenergia mennyiségét, ha megvizsgáljuk, hogy mennyibe is kerülne ez az ingyen érkező napenergia, ha a Nap a közüzemi szolgáltatókhoz hasonlóan benyújtaná a számlát az általa sugárzott energiáért. 2007 júniusi, lakossági árakon számolva az előzőek szerint egy négyzetméter felületre érkező 1400 kWh energia nappali áram tarifával 55.000 forintba, vezetékes földgáz tarifával pedig megközelítőleg 21.000 forintba kerülne. Tehát a Nap minden négyzetméter optimális tájolású tetőfelületre évi több tízezer forint értékű energiát sugároz, ez egy családi ház átlagos tetőfelületét figyelembe véve több, mint egymillió forint. Könnyen belátható, hogy ilyen értékű energiát nem célszerű hasznosítás nélkül elveszni hagyni.
A napsugárzás-jövedelem változása a kollektorok elhelyezésének függvényében Magyarország területén éves átlagban a legtöbb napsugárzás déli tájolású és megközelítőleg 40°-os dőlésszögű felületre érkezik. A napkollektorok elhelyezése szempontjából – egész éves felhasználás mellett – tehát ez a legoptimálisabb elhelyezés. A napenergia hasznosítására szolgáló napkollektorokat általában épületek tetőfelületén célszerű elhelyezni, a dőlésszöget és a tájolást így meghatározza a rendelkezésre álló tetőfelület, ami az esetek többségében nem egyezik meg teljesen a kívánatossal. Az 2. ábrán látható, hogy egész éves felhasználás esetén a hasznosítható napsugárzás hogyan csökken az optimális elhelyezéstől való eltérés függvényében. Megállapítható, hogy az érkező napsugárzás az ideális elhelyezés közelében viszonylag széles sávban csak igen kis mértékben csökken. Például délkeleti tájolás és 30°-os dőlés esetén a sugárzásjövedelem csökkenés kevesebb, mint 10%. Jelentősebb csökkenés csak függőleges dőlés, vagy teljesen keleti/nyugati tájolás közelében tapasztalható, de ennek a mértéke is csak 25-30%.
2. ábra Az éves napsugárzás-jövedelem csökkenése az elnyelőfelület elhelyezkedésének függvényében
Levonható tehát az a következtetés, hogy a napkollektorok elhelyezésére szolgáló tetőfelületet szinte minden épület esetében lehet találni. De a napkollektorokat természetesen nem csak a tetőfelületen, hanem például függőleges falra erősített állványon (pl. előtetőként), vagy az épület mellett felállított állványon is el lehet helyezni. Fontos szempont azonban az, hogy a napkollektorokat lehetőleg ne árnyékolják be a környező épületek, vagy fák. Ha a kollektorok elhelyezésére szánt tetőfelület tájolása, vagy dőlésszöge nem teljesen ideális, akkor nem célszerű a kollektorokat a viszonylag csekély mértékű napsugárzás-jövedelem növelése érdelében bonyolult és esztétikailag kifogásolható egyedei állványszerkezet segítségével az optimális irányba forgatni. Célszerűbb inkább kis mértékben megnövelni a kollektor felületet. Törekedni kell a napkollektorok egységes elhelyezésre is. A kollektorokat lehetőleg egy mezőben, azonos dőlésszöggel és tájolással kell felszerelni. Ha több, eltérő elhelyezkedésű kollektormezőt építenek ki, akkor bonyolultabb és így drágább szabályozást kell alkalmazni. Nem célszerű a kollektorokat napkövető módon felszerelni sem, mivel a napsugárzás jelentős része határozott irány nélküli szórt sugárzás, ezért a napkövetéssel elérhető teljesítménynövekedés nem áll arányban a forgatás miatti bonyolultság- és költségnövekedéssel. A kollektorok dőlésszögének meghatározásánál figyelembe kell venni azt is, hogy döntően milyen célra, milyen évszakban kívánják a napkollektoros rendszert elsősorban használni. Az előzőek szerint egész éves egyenletes felhasználás esetén a 40-45° körüli dőlésszög az optimális. Ha azonban a kollektorokat döntően a nyári félévben kívánják használni, például a szezonális, idegenforgalmi jelleg miatt, vagy szabadtéri medence nyári fűtése a cél, akkor a kollektorokat laposabb, 30° körüli dőlésszöggel célszerű felszerelni, hiszen a nap nyáron magasabb pályán jár. Ha viszont a téli fűtésrásegítés a cél, akkor a téli laposabb napsugárzás miatt a kollektorokat meredekebben, 55-60°-os dőlésszöggel célszerű felszerelni.
A hőtermelés céljára hasznosítható napenergia mennyisége. A napsugárzás napkollektorok segítségével közvetlenül felhasználható hőenergiává alakítható át. A napkollektorok viszonylag magas hatásfokkal képesek a hőenergia előállítására. Optimális esetben a kollektorok pillanatnyi hatásfoka akár 80% körüli is lehet. Ez azonban csak igen ritkán, erős napsütés, meleg levegő hőmérséklet, és viszonylag hideg víz fűtésekor fordul elő. Átlagos viszonyok esetén a napkollektorok többnyire 50-60%-os hatásfokkal működnek (3. ábra).
3. ábra Kollektorok hatásfoka átlagos napsugárzási és hőmérséklet viszonyok esetén
A jó minőségű napkollektorok a gyengébb, szórt napsugárzás hasznosítására is képesek, ilyenkor azonban a hatásfokuk is alacsonyabb, sőt, igen gyenge napsugárzás (amikor csak világos van, de sűrű felhőzet teljesen eltakarja a napot) esetén a hatásfokuk nulla, vagyis a kollektorok ilyen körülmények esetén nem működnek. Összességében a napkollektorok éves hatásfoka a felhasználási módtól függően 40% körüli érték. Ez azt jelenti, hogy egy négyzetméter optimális elhelyezésű napkollektorral egy évben az érkező ~1400 kWh napenergiából megközelítőleg 500-600 kWh hasznosítható. A napkollektorok alkalmazhatóságáról a legszemléletesebb képet valószínűleg a napi sugárzási adatokat ábrázolva kaphatunk. Az 4. ábrából látható, hogy 1 m2 megközelítőleg déli tájolású és 40° körüli dőlésű felületre a nyári hónapokban naponta ~5 kWh hőmennyiség érkezik, és ebből napkollektorokkal 2-3 kWh hasznosítható. Vagyis 1 m2 napkollektorral napi 50-60 liter 50°C-os víz állítható elő. De látható az ábrából az is, hogy a jó minőségű napkollektorok nem csak nyáron, hanem – bár természetesen kisebb mértékben - a téli félévben is alkalmasak hőtermelésre.
4. ábra Déli tájolású és 45°-os dőlésű felületre érkező, és hasznosítható napsugárzás
A napkollektorokkal előállított hőenergia felhasználásának lehetőségei Napkollektorokkal hőenergiát lehet előállítani, ezért a napkollektoros rendszereket leggyakrabban használati-melegvíz készítésére, épületek kiegészítő fűtésére, és esetleg – ahol van ilyen – medencék vizének fűtésére alkalmazzák. Ezen legjellemzőbb alkalmazásokon kívül, ritkább, speciális alkalmazások lehetnek például az ipari-technológiai, mezőgazdasági, vagy állattartási célú melegvíz készítés és a szárítás, aszalás.
Használati-melegvíz készítés A használati-melegvíz készítés Magyarország éghajlati adottságai mellett a napenergiahasznosítás leggyakrabban alkalmazható módja. Melegvízre szinte minden létesítményben háztartásban, üzemben, szállodában… stb. - szükség van, és a melegvíz igény az év folyamán viszonylag egyenletes. A hálózati hidegvíz hőmérséklete általában 10°C körüli, ezt a hideg vizet napkollektorokkal többnyire még gyenge napsütés esetén is elő lehet melegíteni. Használati-melegvíz készítő napkollektoros rendszerek méretezésekor legfontosabb megtudni a méretezendő létesítmény napi melegvízszükségletét. Ez meghatározható számítással, a felhasználók számának és a személyenkénti fogyasztásnak a megbecsülésével, vagy már
üzemelő létesítmények esetén a tulajdonos, üzemeltető adatszolgáltatása alapján. A vízfogyasztás ismeretében kiszámítható a melegvíz készítés napi hőszükséglete: Q HMV = 1,1 ⋅ c ⋅ ρ ⋅ V ⋅ (t m − t h )
[Wh/nap]
ahol: c = 1,16 Wh/kg.K ρ = 1 kg/l V [liter] th = ~10°C tm = 45÷60°C
a víz fajhője, a víz sűrűsége, a napi vízfogyasztás mennyisége, a hálózati hidegvíz hőmérséklete, a felhasználáskor figyelembevett melegvíz hőmérséklete
A képletben az 1,1-es szorzó a tárolási és felhasználási veszteségeket veszi figyelembe. Ha a melegvizet cirkuláltatják is, akkor cirkulációs hőveszteség miatt további 10-30%-al meg kell növelni a hőigényt. Ha ismerjük a napi hőigényt, akkor ezt össze kell vetni, az egy négyzetméter napkollektorral hasznosítható hőmennyiséggel. Ennek értékét a 4. ábrából tudjuk megállapítani, ami az átlagos körülmények mellett, használati-melegvíz készítés esetén hasznosítható napsugárzást mennyiségét mutatja. Az 4. ábra alapján a hasznosítható hőmennyiség: A nyári hónapokban: A téli hónapokban:
Qknyár=~2,8 kWh/nap Qktél = ~1,1 kWh/nap
A hasznosítható napsugárzás értékét még módosítani kell a kollektorok elhelyezésétől függően. Az optimálisnak tekinthető 40-45°-os dőlésszögtől és déli tájolástól való eltérés miatti teljesítménycsökkenést jellemző “k” korrekciós érték a 5. ábrából olvasható le.
5. ábra Teljesítménycsökkenés a kollektorok dőlésszögének és tájolásának függvényében Elsősorban kisebb, családi házas használati-melegvíz készítő rendszereket általában úgy célszerű méretezni, hogy a kollektorok átlagos nyári napon a szükséges melegvíz mennyiséget teljes egészében előállítsák. Ekkor a szükséges napkollektor felület: Akoll =
QHMV k ⋅ Qk nyár
[m2]
Az ilyen módon kiszámított napkollektor felülettel megvalósított rendszer éves átlagban a melegvíz szükséglet 55-65%-át állítja elő. Ez az arány a téli félévben 30-40%, a nyári félévben 80-90%. A kollektorok és a hagyományos hőtermelő hőmennyiségének aránya, amit szoláris részaránynak szokás nevezni, havi bontásban a 6. ábrán látható. Az ábrából megállapítható az is, hogy a napkollektoros rendszerek a nyári hónapokban sem tudják 100%ban előállítani a szükséges melegvíz mennyiséget, hiszen például erősen borult, esős napon a napsugárzás, és így a kollektorok teljesítménye is a szükségesnél alacsonyabb. Napenergiahasznosító rendszerrel tehát 100%-os melegvíz előállítás még a nyári félévben sem, vagy csak nagy méretű tárolóval valósítható meg. A kiegészítő fűtés tehát csak abban az esetben hagyható el, ha az állandó, biztonságos melegvíz előállítás nem követelmény.
6. ábra A szoláris részarány alakulása melegvíz készítő napkollektoros rendszereknél
Épületek kiegészítő fűtése Magyarország éghajlati viszonyai mellett az épületek legnagyobb hőenergia szükségletét a fűtés hőigénye jelenti. A 7. ábrán egy mai épületenergetikai szabályozásnak megfelelő, kb. 120 m2-es családi ház fűtési hőszükségletének alakulása látható az év folyamán. A vizsgált épület fűtésének hőszükséglete a teljes fűtési időszakban megközelítőleg 13.500 kWh. Az ábrán látható a melegvíz készítéséhez szükséges, 4 fő esetén megközelítőleg napi 10 kWh nagyságú hőmennyiség is, valamint különböző nagyságú (5-40m2) napkollektor felületekkel hasznosítható napenergia mennyisége is. Az ábra alapján az alábbi következtetéseket lehet levonni: − Viszonylag kis napkollektor felülettel (5m2) az éves melegvíz szükségletet közel 70%-ban elő lehet állítani, ezzel a ház teljes hőszükségletének 14%-a fedezhető. − Ha a napkollektorokkal a fűtésrásegítés is cél, akkor látható, hogy a hideg téli hónapokban nagy napkollektor felülettel is csak viszonylag szerény eredményt lehet elérni, sőt az átmeneti időszakokban (tavasszal és ősszel) is viszonylag nagy napkollektor felület szükséges a fűtési hőigény fedezéséhez. A kollektorok 30-40%-os részarányban képesek fedezni az épület hőenergia-szükségletét, ha 5 m2 fűtött lakótérhez tartozik 1 m2 napkollektor. − Ha a fűtés miatt nagy napkollektor felületet alkalmaznak, akkor nyári félévben óriási mennyiségű hasznosítható napenergia megy veszendőbe, ez csökkenti a rendszer kihasználtságát. (Javíthatja a kihasználtságot, ha az épülethez szabadtéri medence is tartozik, és a kollektorok nyáron ennek a vizét fűtik.)
7. ábra 120 m2-es családi ház hőszükséglete, és a kollektorokkal hasznosítható napsugárzás Az épület fűtés napkollektorral elsősorban csak az átlagosnál jobb hőszigeteltségű, korszerű, lehetőleg alacsony hőmérsékletű melegvizes központi fűtési rendszerrel (pl. falfűtés, padlófűtés, alacsony hőmérsékletű radiátoros fűtés) megvalósult épületek esetében lehet cél. Nagyobb részarányú fűtésrásegítés esetén pedig puffertárolót (fűtési vizet tároló hőszigetelt tartályt) is kell alkalmazni, melynek a mérete kb. 50-100 liter 1 m2 napkollektor felülethez viszonyítva. A napkollektorokkal a fűtésben elérhető részarány megbecsülhető a 8. ábra alapján.
8. ábra Napkollektorokkal az épületek fűtésében elérhető részarány
Medencék fűtése napkollektorral A családi házas környezetben létesített szabadtéri, vagy fedett úszómedencék Magyarországon is egyre elterjedtebbek. Egy fix telepítésű, megfelelő méretű, gépészettel ellátott medence megvalósítása azonban meglehetősen költséges, és további, folyamatos költséget jelent az üzemeltetés is (vízforgatás-szűrés, vegyszerezés, fedett medencéknél párátlanítás). És a medence üzemeltetője tapasztalhatja azt is, hogy medencéjét igazán komfortosan csak akkor tudja használni, ha annak vizét fűteni tudja. A szabadtéri medencék
vize Magyarországon néhány rövid, kánikulai időszakot kivéve magától nem melegszik fel a kívánt hőmérsékletűre. Fedett, épületen belüli medence pedig folyamatos fűtést igényel, hiszen a vízfelületet nem éri a természetes napsugárzás. Ha a medencét hagyományos energiahordozóval fűtik (kazán, vagy elektromos fűtés) az újabb költséget és környezetszennyezést eredményez. A medencék fűtésére felhasználható a bőséges mennyiségben és ingyen rendelkezésre álló napenergia. A napkollektorok szempontjából a medencék fűtése a legjobb hatásfokú üzemmód, hiszen többnyire nyáron, erős napsütés és meleg levegőhőmérséklet mellett viszonylag hideg vizet kell fűteniük. A 4. ábrán látható, hogy a nyári félévben 1m2 felületre naponta ~5-5,5 kWh napenergia érkezik, és ebből napkollektorokkal átlagos esetben ~2,5-3 kWh hasznosítható. Medence fűtés esetén a magasabb kollektor hatásfok miatt a hasznosítható napenergia még több, napi 3,5-4 kWh/m2 is lehet. Medencék hőveszteségét elsősorban a párolgás okozza, ami a vízfelülettel arányos. Ezért a szükséges napkollektor felületet a vízfelület nagyságához viszonyítva célszerű megadni. A 9. ábrán látható, hogy a kollektor/vízfelület arányában milyen vízhőmérséklet emelkedés érhető el a különböző típusú medencéknél.
9. ábra Napkollektorral elérhető vízhőmérséklet növekedés
Napkollektoros rendszerek méretezésének alapelvei Magyarország meteorológiai adottságai mellett, csak napkollektorokkal általában nem állítható elő a különböző felhasználási területek egész éves hőigénye. Ezért a napkollektoros rendszerek többnyire párhuzamosan működnek a hagyományos energiahordozójú hőtermelőkkel. A napkollektoros rendszerek méretezésének célja annak meghatározása, hogy adott nagyságú napkollektor felület milyen részarányban tudja fedezni a feladathoz tartozó hőszükségletet. A kollektorok által fedezett hőigény és a teljes szükséges hőigény hányadosát szoláris részaránynak nevezik. Szoláris részarány =
Kollektorokkal hasznosított hőmennyiség Teljes hőszükséglet
A napkollektoros rendszerek másik fontos jellemzője a rendszerhatásfok, mely a napkollektoros rendszerrel hasznosított és a napkollektorok felületére érkező napsugárzás arányát mutatja meg. Rendszerhatásfok =
Kollektorokkal hasznosított napsugárzás Kollektorok felületére érkező napsugárzás
A két jellemzőt közös grafikonban ábrázolva (10. ábra) látható, hogy tendenciájuk éppen ellentétes. Az alacsony szoláris részarányú rendszerek magas rendszerhatásfokkal működnek, magas szoláris részarányt viszont általában csak alacsony rendszerhatásfokkal lehet elérni. Ennek oka az, hogy magas szoláris részarányt csak a rendszer túlméretezésével lehet elérni, ami átlagosnál naposabb időjárás esetén gyakori kihasználatlanságot, üresjáratot – és így veszteséget – okoz.
10. ábra Szoláris részarány és rendszerhatásfok tendenciája A méretezés során el kell azt dönteni, hogy az adott rendszernél mit szeretnének elérni: minél nagyobb szoláris részarányt, vagy inkább alacsonyabb szoláris részarányt, de magas rendszerhatásfokkal üzemelő, folyamatosan kihasznált, gazdaságos rendszert. Kisebb használati-melegvíz készítő rendszerek, családi házak esetében általában reálisan elérhető a viszonylag magas, 60-70%-os szoláris részarány. Nagyobb rendszereknél - ahol a gazdaságosság sokkal inkább fontos szempont - általában alacsonyabb, 30-50% körüli értékre célszerű törekedni. A megtakarítás ekkor is jelentős, és ugyanakkor a nagy méretű napkollektoros rendszer egész évben jó hatásfokkal, megbízhatóan működik. Varga Pál Naplopó Kft.
