Családi hőközpontok I.
Bevezetés
Mint ahogy a címben is olvasható, az előadás a ”központ”-ra helyezi a hangsúlyt. A szó azt jelenti, hogy több forrásból származó jelet, transzport közeget stb. fog egybe, majd azt valamilyen rendszer szerint újra elosztja. Esetünkben energiaforrásokból származó energiát, pontosabban hőenergiát gyűjt be, ráadásul különböző potenciálon (hőmérsékleti szinten), majd azokat összegzi és egy meghatározott tömegáram és hőmérsékleti szint(ek)en biztosítja a hő hasznos, célirányos felhasználását. Egy hőközpontnak a szerepe, feladatköre többszörös: - Biztosítania kell a viszonylag egyenletes hőfelvételt a hőnyerő oldalon - Egyenletesen kell biztosítani a hőenergiát a fogyasztási oldalon - biztosítani az azonnali hőenergia igényt rövid felfűtési idő mellett - biztosítania kell a háztartási meleg vizet (HMV) a felhasználók részére úgy, és annyit, amennyi a mindenkori igény - a hőtermelés és a fogyasztás időbeni eltolódásai okozta teljesítménycsúcsok nem kívánt hatásait úgy kell tompítani, hogy a tárolók kapacitásától és a fogyasztás intenzitásától függően egy bizonyos mennyiségű hőt előre be tudjon tárolni - a tároló, a termikus tehetetlenségénél fogva, megakadályozza a nagy teljesítményű, és öntömegű hőforrások rövid, de gyakori, - ezért energiapazarló - indítását-kioltását, megnövelve ezzel, a működési szakaszok hosszát, egyenletesebbé téve a hőfelvételt - alkalmassá kell tenni a rendszert a mindenkor felmerülő energiaigények kielégítésére úgy, hogy ésszerű megoldást kínál a különböző minőségű és értékű elsődleges energiahordozók arányainak előre tervezhető felhasználására - az elsődleges energiahordozókat tekintve a „több lábon állás” elvét valósítja meg, egy alacsonyabb költségszinten - csökkenti, de több helyi energiahordozó felhasználása estében meg is szüntetheti a fosszilis energiahordozók szolgáltatóitól való függőséget Azt mindenki elfogadhatja, hogy a fenti pontokba foglalt szolgáltatások mindegyike kívánatos az energiafelhasználás minden szintjén, így a családi házak esetében is. Egy szakszerűen megtervezett központi egység amellett, hogy ésszerűsíti a hőtermelést és felhasználást, csökkenti a fajlagosan, - egy egység hőmennyiség előállítására eltüzelt energiahordozó mennyisége - felhasznált energiamenynyiséget, ezáltal a fűtés költségét is. Igaz, nem lehet energiahatékonyságot nyerni úgy, hogy a mérleg két serpenyőjét ne kellene kiegyensúlyozni egy hosszú távon megbízhatóan működő értékkel, a hőközpont megépítésével, annak beruházási értékével. Megpróbálunk lépésről lépésre felépíteni egy hőközpontot, a tervezési koncepció tárgyalásával, egyszerű számítások elvégzésével, aminek alapján méretezzük a különböző energiahordozók részarányát az energiatermelésben. Az így kapott elsődleges (primer) energiahordozók mennyisége meghatározza a hőtermelő berendezések beépítendő teljesítményeit, az összegzés módját, illetve a biztosítandó hőenergia és háztartási meleg víz mennyiségét és hőmérsékleti szintjét. Primer energiahordozónak fogjuk tekinteni a földgázt, a fűtőolajat, a cseppfolyós gázt, a fát, és a fából készült különböző préselvényeket (pellet és brikett). Megújuló energia a fa és származékai, a környezeti levegőben és talajban tárolt hőmennyiség, a Nap által, a látható és infravörös hullámhosszon leadott sugárzási energiának a termikus és fotoelektromos komponense, esetlegesen a szélenergia. 01
II.
A hőigény leosztása a lehetséges energiahordozókra
A már lakott családi házak, társasházak hőszükségletének mértékére az energiaszolgáltatók által kiállított számlákból, az új házaknál pedig az építési engedélyhez beadott energetikai számításokból következtetünk az energiaigényre. A továbbiakban ez lesz a tervezés alapja. Megjegyezzük, hogy az energiát, teljesen mindegy, hogy termikus vagy elektromos(a többi megnyilvánulási formáját most hanyagoljuk) több mértékegységgel mérjük, mérhetjük, és ezek jó részét alkalmazzák is, ezért ismeretük hasznos lehet. A leggyakoribb mértékegységek a: - [J](joule) ; [K(kilo=1.000)J] ; [M(mega=1.000.000)J] és a [G(giga=1.000.000.000)J] - [cal] és a [kcal] - [Wh] és a [kWh] Az átváltási arány ezek között, az alábbi weblap szerint, a következő: http://hauser.pmmf.hu/mertekegyseg/megysegvalto/index.htm a. 1,000kcal = 4,184kJ = 0,001162kWh b. 0,239kcal = 1,000kJ = 0,000278kWh c. 860,6kcal = 3.600kJ = 1,000000kWh Az ingatlanok lakáscélú hasznosítása energiát igényel, főleg fűtés formájában, kevésbé HMV termelésen keresztül, és villamos energiát, főleg világítás, kényelmi, szórakoztatási, illetve irodai jellegű fogyasztók táplálására. Mi az előbbivel kívánunk foglalkozni, egyrészt mert ez a tárgya a kutatásainknak, másrészt az összes felvett energia 85-90%-át hő formájában „fogyasztjuk”. Ez utóbbi százalékos érték lényegesen lefele változik, ha a lakáscélú ingatlanokat hűtőberendezésekkel, közkeletűbb kifejezéssel, „klímával” is felszereljük. Látható, hogy a hőenergia felhasználás ésszerűsítésében van a legnagyobb tartalék, mivel itt van a fogyasztás túlnyomó többsége, másrészt a hőenergia többnyire alacsony hőmérsékleti szinten, általunk kevésbé érzékelhetően, láthatatlanul „elillan”, ezért tenni ez ellen a folyamat ellen is elég körülményes. Tekintsünk egy, a magyar szabványoknak és a hatályos rendeleteknek megfelelő, és energetikailag a lakhatási engedély kritériumait teljesítő lakóházat. Értékeket itt nem említek, mert a laikus számára nem mond semmit, de az mindenképpen szükséges, hogy egy ilyen ház minimálisan 38-as falazóelemből épül, kívűl-belül vakolt, a nyílászárók is korszerűek a hűlő felületeken, a szellőzés nem központosított és hővisszatáplált, tehát egy átlagos, korszerű egyedi lakóingatlan. A lakók száma is lényeges, ugyanis a víz-meleg víz fogyasztás ettől függ, illetve akármekkora is a lakás vagy a ház, feltételeznünk kell a környezettudatos életvitelt is a lakók részéről. A meleg vizet általában 40-50l-re becsüli a szakirodalom, lakónként és naponként. Ahol kisgyerek, vagy idős ember is a család tagja, ott ez a mennyiség akár 65-80l is lehet az érintett személyekre vonatkozóan. Az is lényeges szempont, hogy hol van az ingatlan, és milyen közművek érhetőek el. Ebből a szempontból, a vezetékes gáz hálózata és a villamos hálózat fontos. Mindkét energiaforrás rendkívül kényelmes, komfortos fűtést tesz lehetővé, viszonylag kevés beruházási érték mellett, viszont ezzel fordítottan arányos a magas egységár az energiahordozókat tekintve, és a készenléti díj, ami a hálózat fenntartását biztosítja. Ahol viszont nincs földgázvezeték, netán villamos energia sem áll rendelkezésre ott a probléma sok szempontból eredményesen megközelíthető, de a komfortfokozat kárára. Vállalnunk kell az odafigyelést, a preventív gondolkodást, az állandó felügyeletet az éppen működő hőforrásunk fenntartása érdekében. Hitünk szerint, - tekintve hazánk mérsékelt égövi fekvését, a négy évszakos osztását az évnek, illetve a helyi, és általában a természeti adottságokat, ki merjük jelenteni - nincs egyedüli jó megoldás. Energetikailag is „több lábon” kell állni, itt is ez a legnagyobb biztonságot adó megoldás. A továbbiakban minden igyekezetünket ennek a biztonságnak fogjuk alárendelni. 02
III. HMV készítés villamos energiával Ez az energia a legkényelmesebb, a legtisztább, a legpontosabban szabályozható, a legolcsóbb telepítés szempontjából, nincs szükség központi egységre, de a legdrágább üzemeltetés szempontjából. Az erőművektől a végfogyasztóig kb. η = 34% az előállítási és szállítási összhatásfok, primer energiahordozókra vetítve. Ez azt is jelenti, hogy 1m³ földgázból, ami termikusan 9,6kWhth energiát tartalmaz, 3,1kWhe elektromos energia ér el a kisfogyasztókig. Ez meghatározza az árát is, ami a földgáz árának közelítőleg a háromszorosa. A háztartási meleg víz előállítására most is széles körben alkalmazzák, de lássunk tisztán, az energiának ezt a fajtáját hőtermelésre a legvégső esetben használjuk, az energiaellátás utolsó biztonsági szintjeként. Illik megemlíteni egy ésszerű érvet is az alkalmazása mellett, ami kiválthatja a földgázhasználatot. Kizárólag nyári HMV előállításnál, amikor kicsi a meleg vízfogyasztás, és a rendelkezésre álló gáz vagy egyéb elsődleges energiahordozóval működő fűtőberendezés nagyságrendekkel nagyobb teljesítményű, mint a szükséges nyári HMV készítés hőigénye, megéri kiváltani a sűrű, rövid idejű gyújtást-indítást, illetve a nehézkes és kényszerű égésű szilárdtüzeléses rendszereket. A nagy hő tehetetlenség, az égés rossz minősége a hideg kazánban, akár a szükséges energia öt-tízszeresét is elfogyaszthatja, ezért megéri elektromosan fűteni a HMV tárolót, vagy az átfolyó melegítőt. Az elektromos hőtermelő elemek a legváltozatosabb formában, méretben és teljesítményben készülnek, és a gyártástechnológiájuk is széles skálán mozog a tömegtermelés szintjén. Különösebb újdonságot itt nem érdemes említeni, ezért ezzel a továbbiakban csak érintőlegesen foglalkozunk. IV. HMV készítés gázzal, földgázzal Az elektromos energia után a második legkomfortosabb hőenergia termelés. Egész évben működik, szinte teljes felügyelet nélkül, a forgalomban lévő eszközök biztonsági szintje már annyira magas, hogy egy-két éves gyakoriságú karbantartással, már szavatolható a 99%-os működési biztonság, megbízhatóság. A berendezések, - értendő ez alatt, a lakótéri hőcserélők-gáz kazán-kémény együttese telepítése viszont már jóval drágább az elektromos rendszerek eszköz, anyag és munkadíj igényénél, viszont az üzemeltetés és az energiahordozó költsége az előbbi 1/3-a. A teljes felügyelet nélküli üzemmód azért nem valósulhat meg, mert azért figyelni kell a nyomást, a mindenkori beállításokat nyári és téli üzemmódok váltásakor, a fűtőkör(ök) tömörségét, stb. Telepítéskor nincs nagy helyigényük, a kazánok kiszerelése, fali és álló kivitelben egyaránt megtalálható, egy bizonyos teljesítménysávban a tömegtermelés és a nagy piaci verseny miatt áruk mind szélesebb körben megfizethető, általában egybe van építve a HMV előállítás és a fűtés, néha még egy HMV tároló is helyet kap a kazántestben. További előnyük, hogy megfelelő fúvóka alkalmazásával átállíthatóak cseppfolyósított propán-bután palackos-tartályos gázra is, így alkalmazásuk olyan helyen is lehetséges, ahol nincs földgázhálózat. IV.1. A legegyszerűbb hő központ megépíthető egy „cirkó”-val, kombinálva átfolyós vízmelegítővel. Más nyelvekben ezeket az eszközöket „hő központ”-nak hívják, a magyar nyelv egyike azoknak, amelyek másképpen nevezi meg őket. A legfontosabb jellemzője egy ilyen, többnyire falra szerelhető berendezésnek, hogy automatikusan szinten tartja a HMV tárolók vízhőmérsékletét, vagy a melegvizes csap megnyitásával, bekapcsolja az égetőfejet, és biztosítja a kívánt vízhőmérsékletet mindaddig, amíg igényelik a meleg vizet. Fűtés üzemmódban, a lakótér hőmérsékletét egy fali termosztáttal folyamatosan figyeli, és ha szükséges, ráfűt a rendszerre, illetve a kimenő meleg víz hőmérsékletet egy termosztatikus keverőszelep segítségével lehet egy bizonyos határok között korlátozni. A fali kazán tartalmaz egy levegő-víz hőcserélőt, ami az elégetett földgáz hőjét átadja a fűtőközegnek, egy keringető szivattyút, egy égetőfejet, egy tágulási tartályt valamint a biztonsági és szabályozó egységeket. A szabályozóelektronika és a szivattyú villamos energiát igényel, ezért az elektromos hálózat megléte is üzemfeltétel. 03
Íme, egy elvi kapcsolási rajz egy ilyen berendezésről:
1. ábra Működéséről annyit, hogy a téli üzemmódban a fűtés-HMV kettős funkció működik, amelyet egy kézi átváltóval állítunk be a belső Sz1; Sz2 és Sz3 szelepek segítségével. A nyári üzemmódban csak a hőcserélő fűtőköre van bekapcsolva, és a háztartási meleg vizet átfolyásosan fűti fel a kívánt hőmérsékletre. A HMV kimenő hőmérsékletét a Thmv figyeli szabályozó és korlátozó funkciókkal. Beépített tárolója nincs. A fűtést az elektronikán belül egy ∆T szabályozó vezérli, a külső, környezeti hőmérséklethez viszonyítottan. A lakótér előírt hőmérsékletét a Th fali termosztát jelzi a kazánnak két pont szabályozással, vagy a jobb márkáknál, folyamatos analóg jel segítségével. A fűtőkörben a keringetést a P1 szivattyú látja el, a tágulási tartály és a biztonsági szelep pedig a fűtőközeg térfogat növekedését kompenzálja, illetve korlátozza. Ez a kazán alaptípus megtalálható a piacon atmoszférikus és kondenzációs kivitelben is. Ez utóbbihoz a kéménynek megfelelő módon illeszkedni kell. Előbbi hatásfoka 85-95%, utóbbinak akár 108% is lehet. A 100% feletti érték inkább virtuális, mint valóságos, a gázban és az égésgázokban felhevített vizet a kondenzációs kazán kicsapja, így kb. 20%-al több hőenergiát közvetít a fűtőközegnek,mint az atmoszférikus típusok. „ A kondenzációs kazánok a harmatpont (56°C) körüli értéken tudják a csapadékot előállítani, ezért a 100% fölötti hatásfokukat csak akkor tudják megőrizni, ha alacsony 50/40°C előre illetve visszatérő hőmérséklettel működtetjük a fűtőkört.” Az itt megfogalmazott korlátozás miatt a kondenzációs kazánokat általában padló illetve falfűtéseknél kell és szabad használni, vagy a radiátoros körök esetében, illeszteni kell a hőcserélőket az alacsonyabb hőmérsékleti szintekhez. A fentiek viszont nem jelentik azt, hogy ez a kazán nem képes magasabb hőmérsékleti szinteken is dolgozni, csak a hatásfoka esik vissza az atmoszférikus kazánok szintjére, 85-90%-ra. A kazán maga, illetve a kémény bélelése valamint az alacsony előre és visszatérő hőmérsékletek drá04
gítják a rendszer telepítését, de a megtérülés garantált, az egyre emelkedő gázár miatt, illetve a rendszer maga környezetbarát. IV.2. A fenti kazán mellé beiktathatunk egy tárolót, belső vagy külső hőcserélővel. A meleg víz betárolásának előnyei egyértelműek: 1. egyenletesen, szabályozott hőmérsékletre fűtjük fel a vizet, így megspóroljuk az átfolyásos melegítők felfűtési ideje alatt elfolyt vizet, ami tekintélyes mennyiség éves viszonylatban 2. azonnal, a kellő hőmérsékletű víz áll rendelkezésre 3. biztonsági elektromos fűtőbetét is beszerelhető, így a gázoldali üzemzavar vagy tervezett gáz kimaradás esetén, korlátozott mértékben, de van meleg vizünk 4. a meleg víz termelése és fogyasztása a kapacitástól függően, időben eltolható A HMV tároló bekötése az alábbi ábrán látható:
A 2. ábrán a HMV tároló hőcserélője egy köztes közeget, vizet használ a vízmelegítésre. A szivattyúkört a kazánok átfolyós vízmelegítő csonkjaira kötjük. A szivattyú működésekor létre jön a szükséges nyomáskülönbség a hideg és meleg ág között, ami az égetőfejet begyújtja. A H1 szonda méri a hőmérsékletet, egy beállított értéknél kikapcsolja a keringést, a gázégő kialszik. A köztes körben a víz térfogata nő, ezért kompenzálni kell a nyomásváltozást, illetve korlátozni kell a maximális nyomást. 2. ábra Természetesen nem tértünk ki minden részletére a kapcsolásnak, az elvet próbáltuk bemutatni. Annyit még hozzá szeretnénk tenni, hogy jól láthatóan, a tároló felső része védve van egy esetleges visszahűléstől, mivel a különböző hőmérsékleti szinten lévő víz rétegződése ezt megakadályozza. Ezt a tárolót, technológiát néhány gyártó már beépítette a kazánokba, korlátozott víztérfogattal. Amennyiben szükség van biztonsági energiaforrásra, úgy a tárolókon van egy 6/4” csonk, a merülő fűtőbetétek illesztéséhez. Ezek a betétek általában 2kW teljesítményűek, általában 8-12W/cm² hőátadási felülettel. A HMV kimeneten egy termosztatikus szelep beállíthatóan korlátozza a kimenő hőmérsékletet. A tárolóban, alapfelszereltség egy Mg anódos védelem a vízkő ellen. A vízkövesedés különösen az elektromos betét aktív felületeit veszélyezteti az egységnyi felületre eső nagy hőáram miatt, illetve a vegyi kövesedés, ami már 55°C felett már elkezdődik. Ez utóbbi érték miatt javasolt a tároló hőmérsékletét max. 55°C-ra állítani, és a keverőszelepet pedig a kívánt értékre, 40-45°C, biztonsági okokból, a bőr égésének elkerülése miatt, főleg gyerekeknél. A Mg anódon egy elektromos potenciál mérhető a tároló testével, így a karbonát ionokat magához vonza, és megköti. Amíg vegyileg aktív a Mg anód, addig működik a rendszer, de 5-10 éven belül, típustól, gyártótól függően, ki kell cserélni. A tároló tetején van kialakítva a csatlakoztatása, a régit kiemeljük és az újat tömören visszacsavarjuk. Ennyi a tároló karbantartása. Még sok egyéb kényelmi, információs és biztonsági egységet lehet felszerelni, de a lényeget elmondtuk. Ez a megoldás akár 1520% víz és energia megtakarítást eredményez, éves viszonylatban. A viszonyítást tároló nélküli válto05
zathoz képest mértük, csak HMV termelésnél. A HMV tárolót lehet külső hőcserélővel is fűteni, az előbbi kapcsolásban elért paraméterekkel, de hangsúlyozzuk, hogy ez egy kényszermegoldás. Kivitelezése drágább, mint a belső hőcserélővel ellátott tárolók felára az üres tartálykivitelekhez képest. Lássuk a kapcsolást: A hőcserélő elsődleges köre a meglévő fűtőkörre van kötve. A H1 merülő termosztát vezérli a P1 szivattyút. A szivattyú testének ivóvíz keringetésére alkalmas anyagból (bronz) kell készülnie, ezért drágább, mint a szokványos fűtésszivattyúk. Próbáljuk szemléltetni, hogy a meleg víz tágulása néhány száz l vízkapacitásnál már jelentős, ezért kompenzáló edény szükséges. Megoldható visszacsapó és biztonsági szeleppel is, itt mind a két megoldás megtalálható.
3. ábra
A P1 szivattyút a kazán belső keringető szivattyújával párhuzamosan is lehet kapcsolni, és ez esetben csak egy termosztatikus szelepet kell az előremenő ágra kötni, érzékelő hüvelyével a H1 helyén. Hátránya a kapcsolásnak, hogy nyáron el kell zárni a fűtőkört a lakóterek felé, hogy gyorsan felmelegítse a tárolót, illetve egy nagyságrenddel nagyobb teljesítményt kell működtetni, a maga termikus tehetetlenségével. Ezért szokták ezt a megoldást mellőzni, vagy olyan helyeken alkalmazni, ahol van nyáron is technológiai túlhevített meleg víz. Természetesen itt is alkalmazható kiegészítő elektromos fűtés, illetve minden egyéb kényelmi eszköz. A nyomást a tartályon belül a tartályon feltüntetett maximális érték alatt kell tartani, illetve a szelep nyomáskorlátjának értéke is legyen az üzemi nyomás értéke fölött legalább 10-15%-al. Ha a hálózat nyomása nagyobb, mint ez utóbbi érték, akkor állítható, vagy fix 6bar gyári beállítású nyomáshatárolót kell a hálózati ivóvíz becsatlakozására szerelni. A meleg víznek kb. 5-8% kiterjedése van 100°C-on, tehát a tárolóra ennek megfelelő űrtartalmú tágulási tartályt kell szerelni. Még sok megoldással találkozhatunk a HMV készítés terén, de az elmondható, hogy a családok fogyasztása a maga sajátos minőségében, a kis mennyiségben, könnyen és gyorsan hozzáférhető energiahordozók alkalmazását részesíti előnyben. Fával és szénnel is lehet vizet melegíteni, csak nem gazdaságos. A továbbiakban, megmutatunk néhány példát a megújuló energiaforrások alkalmazásáról a HMV készítés témája mentén. Azt kell mondani, hogy a napkollektorok üzemi paramétereit mintha kifejezetten erre a célra tervezték volna. A hőmérsékleti szintek, a szükséges kollektor felületek, a napi mennyiségi követelmények mind a HMV termelés irányába terelik a műszaki és gazdaságossági kritériumok mentén gondolkodó építtetőket és kivitelezőket. Természetesen vannak itt is alkalmazási korlátok, tervezési szempontok, amelyek főleg abból adódnak, hogy a nap sugárzását nem lehet mennyiségében szabályozni az éppen aktuális szükségletek szerint, a kis mennyiségű (pl.<50l) napi fogyasztások magas fajlagos beruházási költséghez vezetnek, hosszú megtérülési idővel, vagy pl. hétvégi házak esetén, ahol a meleg víz fogyasztása heti ciklikussággal, szakaszos. A napenergia hasznosító berendezések feltételezik a folyamatos sugárzás mellett a folyamatos fogyasztást. Kényszerűen alkalmaznunk kell azokat a műszaki megoldásokat, amelyek biztosítják a meleg víz termelés és fogyasztás időbeni eltolódását, mivel ilyen a modern kor emberének az életvitele. A szállodák, idősek otthona, vagy a meleg vizet technológiai céllal hasznosító gazdasági, egységek, intéz06
mények viszont az intenzív napsugárzással egy időben fogyasztanak, így nekik ez egy ideális megoldás. A napkollektorok illesztését a melegvíz tárolókhoz ugyancsak egy hőcserélőn keresztül kell megoldani több okból is: - az elsődleges (szolár) fűtőkört minden esetben le kell választani az ivóvízről, higiéniai okok miatt, a legfontosabb szempont - télidőben megfagyna a víz a kollektorban, ezért fagyálló hő közeget alkalmazunk - az elsődleges fűtőközeg lehet víz is, de sok esetben fagyálló, polipropilén (etilén) glikol - általában, a felforrást, mint nem kívánatos jelenséget, a szolár kör nyomásának 4-5barra emelésével, ki lehet tolni 105-110°C értékre, ekkora nyomás meg nem szükséges az ivóvízhálózatban Tehát hőcserélő szükséges. Külső is lehet, de a kisebb, 160-500l-es tárolók szinte mindegyike rendelkezik belső csőkígyóval, aminek a hőátadó felülete kb. 0,8-1m², ez ∆T=10°C hő lépcsővel, és 45-50°C hőmérsékletű meleg vízzel számolva, 70/60-as bejövő/kimenő hőmérsékletű szolár kört jelent. A napkollektorok a legjobb hatásfokot alacsony hőmérsékletű körrel adják, ezért ha nem feltétlenül szükséges az 50°C feletti vízhőmérséklet, akkor a tároló hőmérsékletét ne emeljük ez utóbbi érték fölé. Ahogy csökken a hőcserélő két oldala között a hőmérséklet különbség, úgy romlik a hőátadás hatásfoka, nő a szolár köri hőmérséklet, ezért van szükség a magasabb forráspontra. Tovább bővítjük hő központunkat egy napkollektor teleppel. Íme, a működési elv:
4. ábra Látható, hogy a napkollektorok hőcserélője a tároló alsó felébe foglal helyet. Ez azért van, mert a meleg víz gravitációs feláramlása miatt a víz hőmérséklete a tároló felső részébe fog emelkedni, ott ahol a fogyasztói elvétel van. A víz keringése a tartályon belül mindaddig folytatódik, míg az alsó és a felső rész hőmérsékletei között különbség van. A gázkazán fűtőkörét egy külső hőcserélőn keresztül kötöttük be, mint az előző példánkba, csak a keringetett víz a csonkok elhelyezkedése miatt, kizárólag a felső felét melegíti a tárolónak. Ez nem véletlen, ugyanis ha van napsugárzás, akkor a napenergia által felmelegített víz felemelkedik, és a gázkazán csak a mindenkori hőmérsékletkülönbséget pótolja a 07
beállított értékig. Ha nincs napsugárzás, akkor nem az egész tárolót melegítjük fel, hanem csak a felét, a felső részén, amennyi feltétlen szükséges, komoly megtakarítást érve el a gázfogyasztásban. A fentiekből jól látható, hogy a tároló több funkciót tölt be: - elsődlegesen a HMV (háztartási meleg víz) termelés a feladata - másodsorban a két különböző hőmérsékleti szinten lévő hőforrások (napenergia, és a gáz égéséből származó, magas potenciálú hőenergia) összegzése - illetve az energiatakarékos üzemmód, amin a betárolt, és azonnal hozzáférhető HMV értendő, továbbá a gáz által fűtött víztömeg korlátozása (a víz, hőmérséklet-sűrűség miatti rétegződése) Az újdonság ebben a kapcsolásban a napkollektor és járulékos berendezései. Esetünkben síkkollektort alkalmaztunk, párhuzamos kötésben. A hidegágba került a szivattyú, és a nyomás kiegyenlítő tartály a biztonsági szeleppel, valamint a töltő ürítő szelep. A szolár körben a hőt ebben a kapcsolásban csak fagyálló oldat szállíthatja. A rendszer teljes vezérlését egy ∆T szabályozó és egy termosztát funkciós alegység vezérli, ugyanabban a kiszerelésben. A kevésbé pontos szolár előremenő és visszatérő hőmérséklet különbségét a szabályozó 10-12°C értéken tartja, ez az ideális hőlépcső érték a hőcserélőnél. A tartály felső felében egy külső hőcserélőn keresztül a gázkazán fűtőköréből vettünk egy leágazást, és a P1 szivattyú fogja a HMV-t felmelegíteni, amit a H3 érzékelő korlátoz be egy előre meghatározott értékre (kikapcsolja a szivattyút). A kapcsolásról mindenképpen érdemes megjegyezni, hogy a ráfűtés csak télen működik, mert nyáron nincs fűtés, így a nyári felhősebb napokon elektromos ráfűtés szükséges. A HMV készítés még kombinálható egy kandalló hő visszanyerő körével, az alábbiak szerint:
5. ábra Láthatjuk, hogy a tároló már egy második hőcserélővel is rendelkezik, ennek az a szerepe, hogy a kandalló hő visszanyerőjének energiáját be tudja csatlakoztatni a HMV tárolóba, és úgy működik, mint egy második lángalapú hőtermelő egység. A kandallók már rendelkeznek saját vezérléssel, így belső szivattyúval is, így a bekötés viszonylag egyszerű. Az elektromos betét is bekerült a tárolóba, valamint annak helye is fontos a tároló vízoszlopához viszonyítva. Ezek a betétek önálló termosztatikus vezérléssel vannak egybeépítve, így ezek sem igényelnek különösebb figyelmet. A HMV készítés szempontjából, ennél bonyolultabb rendszernek már nincs létjogosultsága, viszont a fűtőkörökkel kombinálva még lesznek újdonságok. Annyit még említsünk meg, hogy a 4. és 5. ábrán is van egy csatlakozó, „C”-vel jelölve. Ez a keringetés csatlakozója, vagyis ha hosszú és szerteágazó, ezért gyorsabban hülő HMV rendszert üzemeltetünk, akkor ezen a csonkon keresztül a végpontokról visszaáramoltatunk meleg vizet a tárolóba, így biztosíthatjuk az állandó hőmérsékleti készenlétet a legtávolabbi fogyasztási ponton is. A keringetés elég sok energiát igényel, ezért időben szakaszolni kell a működtetését, így összességében energiát és vizet takaríthatunk meg. 08
V. Lakóterek fűtése Most áttérünk a lakások, családi házak, kisebb intézmények fűtőrendszerei által igényelt hőenergia termelésre. Ez a kitétel azért fontos, mert a gőzfűtést, mint egy rendkívül pazarló megoldást nem tudjuk, és nem fogjuk alkalmazni a már említett helyeken. További kitétel, hogy tartsuk meg a HMV készítés és a fűtés tárolós jellegét, mert csak így lehet továbblépni az ésszerűsítések terén. Alapvetően három fűtőrendszert különböztetünk meg: - radiátoros fűtést, ahol az előremenő és visszatérő ágak hőmérséklet szintjeinek aránya általában 80/70, esetleg 70/60, de lehetséges 50/40°C is, illetve - padló, fal és mennyezet fűtés, kizárólag alacsony, 35/20÷25°C hőmérséklet szinten - központilag keringetett légfűtés, alacsony hő potenciálon, 18÷24°C szinten Mindhárom fűtőrendszer megtalálható külön-külön is, illetve kombinálva a legváltozatosabb formában és rendeltetésben, ezért az energiatermelő és ellátó rendszerek alkalmasak kell, legyenek ezek kiszolgálásukra az általuk igényelt, sajátos feltételeket biztosítva. Mi több, a fal és mennyezetfűtések sugárzó fűtések, és ezért alkalmasak hűtésre is, tehát a hő transzport iránya is lehet változó. V.1. Összegző rendszer - már tárgyalt különböző hőmérsékleti szinteken megtermelt, begyűjtött hőenergiát a legtöbb esetben összegezzük, illetve ahol lehet, szakaszosan tápláljuk a fűtőrendszerbe. Lássunk egy egyszerű, tárolós, összegző, - napenergia például, és földgáz - példát:
6. ábra A hőenergia összegzés működési elve ugyanaz, mint a HMV-nél tárgyaltakban, ezért erre most nem térünk ki. Mivel a puffer tartály vízoszlopa azonos a fűtő közeggel, az energiaelosztás a fűtőkör felé nem igényel hőcserélőt. A napenergia által felmelegített víz hőmérsékletét a gázkazán, ha szükség van rá, megemeli a kívánt, - a fali termosztáton előírt - értékre, majd a P2 szivattyú keringeti a meleg vizet a fűtő rendszerben. Ahogy az ábra mutatja, a P2-t kizárólag, a fali termosztát vezérli. Mivel a fűtő körök térfogata jelentősen megnőtt, - a puffer tároló térfogata általában 500÷1.000l - a nyomás kiegyenlítő kapacitását illeszteni kell a működő térfogathoz. A gázkazán fűtő csonkjait közvetlenül a tárolóba kötjük az ábra szerint, és a kazán vezérlését a Th3 és a szolár szabályozó termosztát blokkja vezérli két pont szabályozással. 09
A napkollektoros résznél újdonság, a szolár kör visszafolyásos (Drain-back) rendszerű, és a nap kollektorok vákuumcsövesek. Az előbbiről azt kell tudni, hogy főleg vízzel működik, de kényszerhelyzetben fagyálló is alkalmazható (a víz köztudottan a legjobb fajhővel rendelkezik, nem környezetszennyező, és olcsó), megakadályozza a szolár kör felforrását, illetve annak elfagyását télidőben. Alacsony nyomáson működik, gyakorlatilag légkörin, ezért olcsó. Biztosító szeleppel van ellátva, légtelenítésre és nyomáskiegyenlítésre nincs szükség. Hátránya, hogy a szivattyú szükséges emelőmagassága majd duplája a fagyállós rendszereknél alkalmazottakhoz képest, a visszafolyásos tartályt és az egész rendszer nyugalmi szintjét fagymentes zónába kell tenni, illetve a szolár kör működésekor a Drain-back rendszer egy kicsit zajos, a víz csorgása miatt. A szabályozás ugyanaz, mint a 4.-5. ábrán láthatókkal, egy kis eltéréssel. A Th4-es hő érzékelő a szolár előremenő hőmérsékletét figyeli, és a szabályozó igyekszik a 10-12°C-os hőmérsékletkülönbséget stabilan tartani, a hőcserélő miatt úgy, hogy a szivattyú fordulatszám szabályozásával változtatja a tömegáramot. A vákuumcsöves kollektoroknak az üresjárati hőmérséklete lényegesen magasabb, mint a sík kollektoroké, ezért a felforrás veszélye nagyobb, így a rendszer biztonságosabb visszafolyásos megoldással, mint nyomás alatti, fagyállós szolár körrel. Amennyiben a Drain-back tartály nem helyezhető el fagymentes zónába, fagyállót kell használni, és figyelembe kell venni a fagyálló kisebb fajhője miatt megnövekedett tömegáram igényt, illetve a hőcserélők hő átadó felületének a növelését. V.2. Szakaszos, megkerülő kapcsolás
7. ábra Ennek a kapcsolásnak a lényege abban áll, hogy az esetek túlnyomó részében az M2 váltószelep nyugalmi állapotban van (gázfűtés), a fűtőközeg áramlási iránya AB-A útvonal, és ebben az esetben a kazán fűt. Ha a tároló (Th4) hőmérséklete és a fűtés visszatérő (Th5) hőmérséklete között eléri a különbség egy beállított (10-20°C) értéket, az M2 átvált az AB-B vonalra, és mindaddig, amíg az említett hőmérsékletek ki nem egyenlítődnek, a fűtőkör a T2-n keresztülkap hőenergiát. Az M2 visszakapcsolása után a gázkazán újra fűteni fog. A kazán szabályozása nincs összekötve a szolár szabályozóval, így önállóan működhet, míg a háttérben dolgozik a szolár szabályozó. Látható az ábrán egy medence kör. Ez azért szükséges, mert a fűtésrásegítésre méretezett, többnyire a teljes fűtőteljesítmény 20-30% - napkollektorok nyáron csúcsra járnak, de ennyi energiára a
10
HMV készítésére nincs szükség, így a fölös energiát el kell vezetni pl. egy medencébe. Amikor a Th2 eléri a maximális (tetszőlegesen állítható) hőmérsékletet, az M1 szelep átvált a hőcserélő irányába, és a szabályozó most a Th1-Th3 hőmérsékletkülönbség szerint vezérli a szivattyút. Ha a hőmérsékletviszonyok megváltoznak, a rendszer visszaáll a T2 fűtésére, majd vissza a medencére. Akármelyik megoldást is választottuk a fűtésrásegítésre, mód van rá, hogy a nyáron bőségesen termelő kollektorok 100%-ban ellássák a HMV készítés feladatát. Mivel nyáridőben hőenergia túltermelés van, gyakorlatilag csak a HMV tároló kapacitása a kérdéses feladat. Az alábbi kapcsolásban, - az összegző változatot (6. ábra) vegyük alapul - társítottunk a fűtésrásegítéshez egy HMV készítő tárolót úgy, hogy a felfűtési sorrend az HMV, puffer, majd medence legyen. A különböző kombinációjú előnykapcsolások tetszés szerint beállíthatóak a szolár kör szabályozójával. Íme, a bekötési rajz:
8. ábra A szolár körről annyit, hogy nyomás alatt működik, etilén glikol/víz a fagyálló oldat, vákuumcsöves kollektorokkal. A szolár visszatérő a hőcserélők közös ágában van, míg az SP1szolár szivattyú előtt vannak az M1÷3 elektromos választószelepek, nyugalmi állapotban zártak. A javasolt előnykapcsolás HMV tároló, puffer tároló és a medence hőcserélője. Amikor a HMV tároló alsó hő érzékelője (TBA), eléri a tetszőlegesen beállított maximumot, az M1 zár, az M2-t nyit. A vezérlő most a TK1 és a puffer- tároló alsó hőmérsékletét figyeli (TPA), és ez a hőmérsékletkülönbség fogja az SP1 szivattyút vezérelni. Amennyiben volna HMV fogyasztás, úgy a TBA hidegebb vizet fog érzékelni a beállított hőmérsékletkorlátnál, az M1 nyit, M2 zár, és a kollektorok mindaddig fűtik a HMV tárolót, míg az eléri újból a maximális értéket. Tegyük fel, hogy nyár van, és a puffer tároló is eléri a beállított legnagyobb hőmérsékletet (TPA max.), ebben az esetben az M2 is zár, és nyit az M3. A vezérlő most a TK1 és a medence TM érzékelőjét fogja figyelembe venni, és mindaddig fűti a medencét, míg az képes felvenni a termelt hőt, - a medence hő felvevő képessége legalább 1 nagyságrenddel nagyobb legyen, mint a kollektorok csúcstermelése nyáron - vagy az előnykapcsolás valamelyik elsőbbséget élvező tagjánál meg nem változnak a hőmérsékleti korlátokhoz viszonyított értékek. A szolár körben van két érzékelő, a TE1 és a TV1, amelyek hivatottak biztosítani a szolár kör két ága között a lehetőleg állandó 10-12°C hőmérsékletkülönbséget a hőcserélők optimális hő leadásáért. 11
A rendszer tartalmaz egy ráfűtő kört is, ami a puffer tároló felső részéből az R3 szivattyúval keringeti a betárolt meleg vizet a HMV tároló felső hőcserélőjébe, így biztosítva a meleg víz készítést a pufferbe tárolt hő segítségével akkor is, ha semmilyen hőforrás nem üzemel abban az időtartamban. A P1 szivattyút a HMV tároló felső hő érzékelője (TBF) vezérli termosztát funkcióban. További kényelmi szolgáltatása a vezérlőnek, hogy mikor az M3 nyit, akkor küld egy indítójelet a medence felé, az P2 keringető szivattyú indítására. A Gk1 fali kazán csak a puffer tároló felső felét fűti bárhonnan is érkezzék a hő igény, ami egy beállított korlátérték alá hűti a puffer felső rétegeit, ezt érzékeli a merülő termosztát, és indítja a kazánt. A fűtőkör alacsony hőmérsékleti szinten működik, aminek az előremenő hőmérsékletét egy termosztatikus keverőszelep korlátozza felülről. A PF fűtésszivattyú keringeti a fűtőkör vizét az Fth1 szobai termosztát igénye szerint. A két tárolós megoldás azért eléggé helyigényes, és a fajlagos bekerülési költsége is nagyobb, mint egy olyan rendszer, ami egy tárolóval az energiaösszegzést, a fűtésrásegítést és a HMV készítést is megoldaná. Így jutunk el a kombinált tárolókhoz, amelyben „tároló a tárolóban” rendszer működik az alábbiak szerint:
9. ábra Jól látható, hogy a kombi tároló alkalmazása mennyire leegyszerűsítette a rendszert. A vezérlő is kevesebb feladatot lát el, ugyanolyan működési paraméterek mellett, mint ahogy azt a nyolcas ábránál már tárgyaltunk. Egy második lángalapú hő termelő eszköz is beköthető, ilyen lehet például egy kandalló hőcserélője, egy olajkazán vagy egy pellet kazán kimenete. A kapcsolás sokkal biztonságosabb és megbízhatóbb a mozgó-szabályozó elemek csökkentett száma miatt. Ez egy rendkívül népszerű alkalmazás, annak ellenére, hogy a kombi tároló ára magasabb, mint egy szokványos puffer tárolóé, de nem több mint a két tároló összege, ahogy a 8. ábra kivitelezése azt megkövetelné. Egyébként minden működési részlet azonos azzal, amit az előző kapcsolásnál tárgyaltunk. A szabályozó a kevesebb feladat ellátása okán lehet egy olcsóbb változat, itt is költségmegtakarítás érhető el. A legelterjedtebb tárolókapacitás 1.000/200l-es. Az első érték a tároló összkapacitása, míg a második a HMV tároló nettó térfogata. A belső tartály zománcozott az ivóvíz oldalon, és van egy légtelenítésre szolgáló csonk a felső részen, és egy ürítésre való kivezetés az alsó részen. Természetesen, kompenzálni kell a víz kiterjedéséből származó nyomásváltozást úgy a szolár 12
körnél, mint fűtőkörnél, illetve a HMV oldalon is. A kapcsolás elvi működést mutat be, nem teljes. A tároló felső hőmérsékletét illik 55-60°C-on tartani, mert a HMV kimenet hőmérséklete azonos ezzel az értékkel. Amennyiben a tárolót magasabb értéken kívánjuk tartani, akkor a HMV kimenetet egy termosztatikus keverőszeleppel kell ellátni, és azzal korlátozni a biztonságos meleg víz hőmérsékletet. Ezek a tárolók sok csatlakozási lehetőséggel rendelkeznek, többek között egy másik, radiátoroknak szánt magasabb hőmérsékleti szinten működtetett fűtés számára, az alsó felében további csatlakozók egy hőszivattyú bekötésére, a HMV keringetésnek, illetve egy 6/4” elektromos fűtőtestnek. Ennek a felépítménynek egy érdekessége, hogy a belső tartály helyett egy bordázott csőből készült csőkígyót építenek be a tárolóba, - a 10. ábrán ez narancssárga színnel jelöltük – hogy a hálózati meleg vizet átfolyásos módszerrel, tárolás nélkül melegítsék fel a kívánt értékre.
11. ábra Ez jó azért, mert a fűtéstároló kapacitásából nem kell nélkülözni a HMV tartálynak megfelelő bruttó térfogatot, a rendszer olcsóbb is, mint a kombi tároló, de a meleg víz hőmérsékletét egyszerre határozza meg a pufferben lévő víz pillanatnyi hőmérséklete és a HMV változó tömegárama. V. Megépített és működő rendszerek 1. Budapesten épült meg ez a rendszer, egy jól meghatározott céllal: - egy afrikai törpeharcsa szaporító medence nyári fűtése volt a cél úgy, hogy mellesleg el kellett látnia a dolgozók és a mellékes labor meleg víz igényét, illetve télen a fűtésrásegítés is szempont volt, mivel a medence nem működött. - a szükséges kollektor felületet a halivadékoknak otthont adó medence hőigénye 30±2°C határozta meg, illetve a HMV fogyasztás napi bontásban - az összegző tárolás helyszűke miatt megoldhatatlan volt, viszont a meglévő padlófűtés jól illeszkedett a télen, napenergiával előállított alacsony hőmérsékleti szinthez, ezért esett a választás a tárolót megkerülős, szakaszos betáplálású fűtésrásegítésre - a HMV tároló gyorsabb felfűtéséért a két hőcserélőt sorba kapcsoltuk - a Drain-back kapcsolás kínálta magát, a hatalmas fagymentes és benapozott terek miatt - a medence fűtőkörét a T2 felső feléből vettük ki, a magas hőmérsékleti szint miatt (12. ábra) 13
-
12. ábra szolár kör előnykapcsolása, T1 majd T2 az M2 egy DN32-es arányszelep, a Th4-Th5 ∆T szabályozóblokk negált jelével működik a B1 szelep 1,5bar, a B2 és B3 6bar-os
2. Íme egy példa, összegző kapcsolásra:
13. ábra 14
a. Kiindulási feltételek -
-
a kollektorok talajra kerültek, amelynek szintje alacsonyabb volt, mint a pinceszint, ahol a tárolók foglaltak helyet, így a szolár körben kizárólag nyomás alatti rendszer jöhetett számításba, fagyállóval a pufferek és a HMV tároló már üzembe voltak egy faelgázosító és egy földgáz kazánnal kombinálva, ezért a napkollektorok bekötése a puffer tartályokba csak külső hőcserélővel történhetett a két 1000l-es puffer egyikébe a faelgázosító volt bekötve, a másikba pedig a fűtéskimenetek, a pufferek hőmérsékletkiegyenlítése gravitációs keringéssel történt, ez azt jelenti a gyakorlatban, hogy a tartályok fel nem használt csatlakozóit összekötötték egy Ø35-ös rézcsővel, négy szinten a padlófűtés felé csak a termosztatikus keverőszeleppel, kézzel állított előremenő hőmérsékletkorlát volt az egyedüli szabályozási mód a HMV tárolónak, T3, a két hőcserélője sorba volt kötve, és gyárilag beépített mechanikus termosztát kapcsolóval vezérelték az R3 szivattyút, elektromos ráfűtés nélkül a telepítés helyszínén nem volt medence, vagy bármilyen más eszköz, - pl. egy szárító – ami a nyári csúcstermelést felvehette volna, ezért a tárolók nagy tömege (2.000l) illetve a kollektorok részleges takarása (5-ből 2 panel) megoldotta a kérdést a két legmelegebb nyári hónapban
b. Tervezési szempontok -
a szolár kört egy kollektor mezővel és két tárolóval, - T2 és T3 - terveztük, a T1 és T2 között a P1 szivattyúval keringettük a vizet a tárolókban - azonos, a T1 tárolóba tápláltuk be a faelgázosító kazán hőjét, és ugyaninnen továbbítottuk a padlófűtés felé, azonnal, amint a tároló felső részén a hőmérséklet meghaladta a 40°C-t. - a padlófűtés vezérlését egy szoba termosztát látja el, a keverőszelepnek csak hőmérsékletkorlátozó szerepet adtunk - a földgázkazán kézi indítással-lekapcsolással, a padlófűtés bemenetén hagyjuk, nem szerepel a rajzon, mert kizárólag biztonsági erőforrásnak szántuk c. Megjegyzés Olcsóbb és egyszerűbb lenne a rendszer, ha a T2 kombi tároló lenne, mint a 9. ábrán, a T1 pe dig belső hőcserélős. El lehetne hagyni a T3, R3, SP2, H2 részegységeket, a szabályozó is lehetne olcsóbb, egyszerűbb típus. Mindent összevetve, a rendszer 96%-ban kiváltotta a földgázfogyasztást, a hasábfa fűtés éves költsége az addigi, földgázfűtés harmada lett, az elektromos vízmelegítők sem működtek egész éven át, átmeneti időszakokban, mindig rendelkezésre állt a pufferekben 1.000-2.000l, 60-75°C meleg víz esti, temperáló fűtésre, amit a beállított szoba termosztát minden egyéb be avatkozás nélkül irányított. Igaz, július-augusztus hónapokban, 2, esetleg 3 kollektort takarni kellett. További érdeklődés, információszerzés lehetséges a www.ressler.hu honlapon, illetve levélben az
[email protected] és az
[email protected] címeken. Továbbá a 20-9694971 számon személyesen is érdeklődhet. Köszönöm megtisztelő figyelmét, Ressler István, energiagazdálkodási szakmérnök.
15
