BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK Energetika II. házi feladat (BMEGEENAEE4) Épületek energetikai hatékonyságának növelése aktív hőszigeteléssel (ATI) Készítette: Vanya Tamás Budapest, 2012. május 2.
1. Bevezetés Az energetika rendkívül fontos szerepet játszik a mindennapi életünkben és a gazdaság fenntartható fejlődésében egyaránt. A XXI. sz. első évtizedében végérvényesen bebizonyosodott, hogy a konvencionális energiaforrások ki fognak merülni a következő évtizedekben, különösen a kőolaj és a földgáz, melyekből ma a legtöbbet használunk fel a világon. A kőolaj és a földgáz együttesen a világ primerenergia-felhasználásának mintegy 53,7 %-át adta 2009-ben [1]. A szén, amely ugyan a következő évtizedekben még nem fog kimerülni, fajlagosan a legnagyobb CO 2 -kibocsátással rendelkezik és a világ primerenergiafelhasználásnak 27,2 %-át adta [1]. Ezért egyre nagyobb hangsúlyt kell fektetni a megújuló, illetve a környezetvédelmi szempontokat is figyelembe véve, a karbon-mentes, illetve karbonsemleges energiaforrásokra és technológiákra. A megújuló energiaforrások egyik legfontosabb felhasználási területe a háztartások energiaigényének kielégítése. Az épületenergetika rendkívül fontos szerepet játszik ma is az energetikában, de még inkább megnő a jelentősége a következő évtizedekben. A világ végenergia-felhasználásának 60-70 %-a hő, ami 50-50 %-ban a lakossági-intézményi, valamint a gazdasági-technológiai fogyasztók között oszlik meg [2]. Ebből következik, hogy az épületek energetikai hatékonyságának növelése (maximalizálása) elengedhetetlen feltétele a fenntartható fejlődésnek (sustainable development). Magyarország esetében az épületek energetikai korszerűsítésének legfontosabb célja a fűtési hőigény nagymértékű csökkentése, amely az egyik legfontosabb feltétele annak, hogy az ország jelentős földgáz-import függőségét mérsékeljük. A következőkben az épületek energetikai hatékonyságának növelése érdekében kifejlesztett és jelenleg is kutatás alatt álló aktív hőszigetelés technológiáját (Active Thermal Insulator, továbbiakban: ATI) fogom bemutatni egy ebben a témában 2012-ben megjelent megvalósíthatósági tanulmány, valamint részben egy 2010-ben publikált véges elemes tanulmány alapján. Nagyobb részben fogok támaszkodni a megvalósíthatósági tanulmányra, mivel ez egy rendkívül friss kutatási terület és a különböző szakfolyóiratokban nincs még megfelelő szakirodalom. 2. Az ATI A hagyományos ablakok kialakításával ellentétben, melyeknél általában a két ablaküveg közé valamilyen hőszigetelő gázt vagy levegőt helyeznek, az aktív ablak technológiák sokkal jobb megoldást biztosítanak. Az aktív ablak technológiának több típusa is van, például a motorizált árnyékoló rendszerek, amelyek fizikailag szabályozzák a beeső napsugárzás nagyságát. A továbbiakban a termoelektromos egységgel ellátott aktív ablak technológiát (ATI) mutatom be. Az ATI-technológia fejlődése véleményem szerint komoly előrelépést fog jelenteni a passzívházak tervezésében és megvalósításában. A passzívház legfontosabb energetikai követelményei, hogy a fűtési hőenergiaigény nem lehet nagyobb, mint 15 kwh/m 2 /év, valamint a primerenergiafelhasználás 120 kwh/m 2 /év [3]. Az ATI-technológia tulajdonképpen egy speciálisan kialakított ablak, amely képes kompenzálni a hőveszteségeket. Az ablakon van egy vékony fotovoltaikus (továbbiakban: PV) modul, amely össze van kapcsolva egy, az ablakkeretbe ágyazott termoelektromos egységgel 1. ábra ATI ablak felépítése [4] 1
(továbbiakban: TE). A féligáteresztő PV-modul látja el energiával a TE-egységeket, amelyek csökkentik az ablakon át történő hőveszteséget [4]. A beépített hűtőbordák tovább segítik a hőátadást. A TE-egység egy olyan eszköz, amely képes az elektromos energiát hőenergiává alakítani és fordítva [4]. Ha a TE-egységben áram folyik, akkor ott ki fog alakulni egy hideg oldal, ahol a hőfelvétel, és egy meleg oldal, ahol a hőleadás van, ez a Peltier-jelenség [4]. Mindezek miatt a TE-egység alkalmassá válik fűtési- valamint hűtési célokra egyaránt. A technológia szempontjából ez a jelenség kulcsfontosságú lesz a későbbiekben! 2. ábra ATI ablak üvegének felépítése [5] 3. Az aktív ablak hőátadási modellje Az ATI-technológiában a speciálisan kialakított ablakokkal kihasználjuk a két ablak közti alacsony hővezetési tényezőt (). A kereskedelmi forgalomban lévő ablakokat általában az U hőátviteli-tényezővel jellemezzük, de az aktív ablak technológiánál fontos még az SHGC értéke is. Az aktív ablak hőátadási modellje szempontjából a hőterjedés egy komplex formája játssza a legfontosabb szerepet, a hőátvitel, amely egy hőátadásból, egy hővezetésből és egy újabb hőátadásból áll. A melegebb közeg oldalon a levegő és a vele érintkező felszín között hőátadás, a falban hővezetés és a hidegebb folyadékkal érintkező felületen ismét hőátadás történik. Ezek alapján meghatározhatjuk az U hőátviteli-tényezőt [6]. = + + ahol : az első felület hőátadási tényezője [W/m 2 K] : a második felület hőátadási tényezője [W/m 2 K] : a réteg vastagsága [m] : a közeg hővezetési tényezője [W/mK] A hőáramot a következő összefüggés alapján határozzuk meg [6]: = Δ [W] ahol : a hőátviteli tényező [W/m 2 K] : a felület [m 2 ] Δ : a két felület közötti hőmérséklet különbség [K] Az aktív technológiájú ablakoknál, és természetesen a hagyományos ablakoknál is, a hőátviteli-tényező értékét minimalizálni kell, mert akkor lesz legkisebb a hőveszteség és ekkor lesz jobb a hőszigetelő-képesség. A hőátadási modell megalkotása szempontjából nagyon fontos a már korábban említett napenergia nyereség-együttható (Solar Heat Gain Coefficient, továbbiakban: SHGC), amely a szoláris energia ablaküvegen át, közvetlenül a lakásba eső része [4]. Az SHGC egy 0 és 1 közé eső dimenziótlan mennyiség. Ennél a jellemzőnél is a minimumra kell törekedni, mivel így az adott helyiség energetikai jellemzői kedvezőbbek lesznek az aktív ablak technológia szempontjából, és egyébként passzívház létesítése szempontjából is. 2
Ezek alapján a megalkotott hőátadási modellben meghatározott hőáram [4]: = +!"#$ % &'( ) ahol : a környezeti hőmérséklet [K] : a benti hőmérséklet [K] % &'( : az egységnyi felületre beeső napsugárzás [W/m 2 ] 3. ábra ATI egyes alrendszerei közötti kölcsönhatások [7] 4. A fotovoltaikus egység (PV-egység) Az ATI-technológia egyik legfontosabb célja, hogy a már a bevezetőben is említett fosszilis tüzelőanyagok (konvencionális energiahordozók) szerepét és súlyát csökkentsük, illetve ma már megkerülhetetlen a CO 2 -kibocsátás csökkentése is. Így az egyik legfontosabb eleme a technológiának a napenergia hasznosítás, amelyet a rendszerben a PV-modul végez. Ez a PV-modul a második részben leírt módon egy vékony, féligáteresztő filmrétegként van jelen a rendszerben [4]. A PV-cellákat legtöbbször nem külön egységként, nem egy különálló rendszerként alkalmazzuk, hanem PV-modulokká kapcsoljuk össze őket [8]. A PV-cellákat sorosan kapcsoljuk modulokká, de 1000 W/m 2 besugárzás felett a maximális áramerősség 30 ma/cm 2 is lehet, ezért ezen a tartományon párhuzamosan kötjük össze a cellákat [8]. Az ATIrendszerben lévő PV-modul egyik legnagyobb hátárnya, hogy részben korlátozza az ablakok fény áteresztőképességét. A PV-cella U-I karakterisztikája nemlineáris. Az általam felhasznált tanulmány eredményei alapján van egy maximális teljesítmény, ami egy átlagos nyári napon a mérési adatok alapján 32.6 W [7]. Energetikai rendszerek esetében nagyon fontos a hatásfok nagysága. A gyártók katalógusai alapján ebben a rendszerben felhasználható PV-cella hatásfoka: * = 4 % [7]. Ma jelentős kutatások folynak a PV-cellák hatásfokának javítására, melyek eddig sajnos nem hoztak átütő jelentőségű eredményt, melyektől a PV-cellák robbanásszerű elterjedését várnánk. Azonban vannak komoly kutatási eredmények is, a Durham (Észak-Karolina, USA) székhelyű Semprius 2011 telén közel 34 %-os hatásfokot ért el nagy koncentrálású fotovoltaikus (HCPV) moduljával [9]. Ez az eredmény egy fontos mérföldkő, mivel eddig monokristályos modulokkal legfeljebb 24 %-os hatásfokokat, míg polikristályos modulokkal legfeljebb 16 %-os hatásfokokat sikerült csak elérni. 3 4. ábra PV-cella U-I karakterisztikája [7]
5. TE-egység A termoelektromos egység (TE-egység) egy olyan eszköz, amely közvetlenül képes hőből (hőmérséklet-különbségből) feszültséget indukálni és fordítva, tehát direkt kapcsolatot teremt a villamos- és a hőenergia között. A TE-egység fizikai alapja a már a második részben említett Peltier-effektus. A Peltier-effektus azt jelenti, hogy az átfolyó elektromos áram hatására (amit a PV-modul indukált) két különböző anyag (általában két félvezető) találkozásánál lehűlés vagy felmelegedés következik be az áram irányától függően. Ezért alkalmazzák a termoelektromos egységeket, mivel áram hatására fizikai úton egy felület lehűl, vagy felmelegszik [4]. A termoelektromos technológia korábban nem volt elterjedt, mivel drága volt és nem volt túl hatékony sem. Az utóbbi években azonban jelentős kutatások folytak és folynak a hatékonyság növelése érdekében. A technológia legfontosabb anyagai a félvezetők lettek. A hozzáadott tallium (Tl) például jelentősen növelte a félvezető hőből feszültséget indukáló képességének a hatásfokát [10]. A jövőben a technológia alkalmazási területei a legkülönfélébbek lehetnek, például az autók kipufogó-hőjének elektromos árammá alakítása [10]. A kutatások kiterjedtek például a különböző szerves molekulákra is. Mint látjuk a szervetlen félvezető anyagok drágák és nem túl hatékonyak, míg a szerves molekulák olcsóbbak és bőségesen állnak rendelkezésre. Az új kutatások szerint néhány szerves molekula, például a benzol-ditiol képes feszültséget előállítani hő hatására [11]. Az ATI-technológia egyik legfontosabb része az ablakkeretbe ágyazott TE-egység. Az aktív ablaknál hűtőbordák is segítik a TE-egység és a környezet közötti hőátadást [4]. A TEegységnek bizonyos korlátokon belül kell működnie, ezek a korlátok a maximális áram és a maximális hőmérséklet-különbség. A maximálisan leadott hő és a teljesítmény is ezektől a korlátoktól függ. Minden termoelektromos egységnek van egy optimális üzemi pontja, ahol a hatásfok a legnagyobb. A TE-egység hőátadását a következőképpen lehet maghatározni [5]: = 2 /0 1 2 ± 2 4 2 ± 5 6 1 7 = 89:9; ± 1 2 =:9 ± >;9; ahol / : a TE-egységek száma [-] : a Seebeck-együttható (termoelektromos együttható) [V/K] 1 : az alacsonyabb hőmérséklet [K] 6 : a magasabb hőmérséklet [K] 2 : az áram [A] 4 : az ellenállás [Ω] : a hővezetési tényező [W/mK] : a felület [m 2 ] 5 : a TE-egység vastagsága [m] 5. ábra FEM-modell [5] 4
A fenti hőátadási egyenlet egyszerre mutatja be a TE-egység hűtési (-) és fűtési (+) módját. A véges elemes modell (FEM-modell) alapján a TE-egység hőfolyamatait ún. fánk alakú (donut shaped) modellben szemléltetik (5. ábra) [5]. Mivel nehéz volt pontosan meghatározni a hőáramokat, ezért találták ki a fánk alakú modellt, amelyben a szélek adiabatikus, míg a középső részek termikus rétegek. Tehát a széleken a Peltier-effektus érvényesül, míg középen a hővezetés törvénye (Fourier-törvény). A TE-egységben további vékony kerámia lapok vannak, amelyek között egy speciális zsíradék van. 6. Jövőbeni megvalósíthatóság A jövőbeni gyakorlati megvalósításhoz szükség van arra, hogy az TE-egység és az egész ATItechnológia az elérhető legnagyobb hatásfokkal működjön. Mivel a TE-egységnek van egy optimális üzemi pontja, ahol legnagyobb a hatásfoka, ezért ennek az üzemi pontnak az elérése a cél. Az optimalizálás után egy adott egységre meg lehet határozni a szükséges paramétereket, amelyekkel a technológia a legjobban működik. Ilyen szükséges paraméterek a geometriai faktor, a TE-egységek száma, a feszültség, az áramerősség, hőmérséklet-különbség és a hőáram [12]. 7. Összefoglalás A most bemutatott ATI-technológia véleményem szerint egy jó megoldást kínál az épületek energetikai korszerűsítésére. Az általam nagy részben felhasznált megvalósíthatósági tanulmány alapján, és egyéb kutatások szerint is a technológia életképes. A bemutatott technológia a napenergiát használja erőforrásként, tehát egy megújuló energiaforrást, így teljes mértékben karbon-mentes, aminek ma rendkívül nagy jelentősége van. Az épületek energetikai korszerűsítésénél is a legfontosabb cél a hatékonyság növelése és a megújulók lehetőség szerinti használata. Véleményem szerint az aktív ablak technológiának komoly szerepe lesz az épületek komplex energetikai és gépészeti rendszereiben. Ezen komplex rendszeren belül az ATItechnológia csak egy alrendszer, melynek együtt kell működnie a többi technológiával (napelem, napkollektor, hőszivattyú ). Mivel egy új technológiáról van szó, ezért természetesen még komoly kutatásokra van szükség, hogy a felmerülő problémákat megoldjuk. Például még nem megoldott a technológia éjszakai működése téli időszakban, ezt a felhasznált megvalósíthatósági tanulmányban sem vizsgálták. Az épületeinket csak akkor tudjuk energetikai értelemben racionalizálni, a költségeket csökkenteni, valamint a környezetünket is megóvni, ha ezeket a megújuló és karbon-mentes technológiákat alkalmazzuk a jövőben és fejlesztjük tovább. Irodalomjegyzék [1] IEA: World Energy Statistics 2011 6. oldal http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2011/key_world_energy_stats.pdf [2] BME: Energetika I. jegyzet 19. oldal http://www.energia.bme.hu/index.php?option=com_content&view=article&catid=115%3 Aletoeltesek&id=324%3Aletoeltesek-energetika-i-ii&Itemid=81 [3] Passivhaus Institut http://www.passiv.de/de/02_informationen/02_qualitaetsanforderungen/02_qualitaetsanfo rderungen.htm [4] Timothy Harren-Lewis, Sirisha Rangavajhala, Achille Messac, Junqiang Zhang: Optimization-based feasibility study of an active thermal insulator 3. oldal Building and Environment, 2012. július http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s036013231200011x 5
[5] Steven Van Dessel, Benjamin Foubert: Active thermal insulators: Finite elements modeling and parametric study of thermoelectric modules integrated into a double pane glazing system 2. oldal Energy and Buildings, 2010. július http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0378778810000381 [6] Dr. Gróf Gyula: Hőközlés Ideiglenes jegyzet 12. oldal BME 1999. [7] Timothy Harren-Lewis, Sirisha Rangavajhala, Achille Messac, Junqiang Zhang: Optimization-based feasibility study of an active thermal insulator 4. oldal Building and Environment, 2012. július http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s036013231200011x [8] Farkas István, Rusirawan Dani, Galambos Erik: Hálózatra kapcsolt napelemmező cella/modul alapú modellezése Magyar Energetika, XIX. évfolyam 2. szám, 2012. április [9] Ucilia Wang: Ultra-Efficient Solar Technology Review, 2012. május http://www.technologyreview.com/article/40242/ [10] Kevin Bullis: More-Efficient Thermoelectrics Technology Review, 2008. július http://www.technologyreview.com/energy/21125/ [11] Kevin Bullis: Hot Advance for Thermoelectrics Technology Review, 2007. február http://www.technologyreview.com/energy/18211/ [12] Timothy Harren-Lewis, Sirisha Rangavajhala, Achille Messac, Junqiang Zhang: Optimization-based feasibility study of an active thermal insulator 7. oldal Building and Environment, 2012. július http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s036013231200011x 6