Fűtés napkollektorral - mintarendszer leírása A cikk készült: 2007. év elején Hamarosan készül a cikk folytatása a későbbi eseményekről Bevezetés A helyszín adottságai Napkollektoros hőgyűjtés Tartály Hőszivattyú Előzetes számítások Mérőeszközök Tapasztalatok, események Következtetések Bevezetés Mint vákuumcsöves napkollektorokat forgalmazó cég vezetőjét, gyakran keresnek meg emberek azzal a szándékkal, hogy szeretnék a napkollektorokat nem csak használati melegvíz előállítására (továbbiakban: HMV), hanem fűtésrásegítésre is használni. A kérdés legtöbbször úgy merül fel, hogy a megvásárolandó HMV rendszert szeretnék téli időszakban fűtésrásegítésre is használni. Ilyen esetekben mindig elmondom, hogy a HMV rendszerek a nyári időszakban szinte 100%-ban tudják fedezni a melegvíz szükségletet, az őszi-tavaszi időszakban 50-60%-ban, míg télen jó esetben 20-30%-ban. Értelemszerűen a fűtési időszakban, amikor a melegvíz-ellátást sem tudják 100%-ban fedezni, már nem marad "erejük" a fűtésrásegítésre. A HMV előállításnál figyelembe kell venni, hogy éves átlagban a melegvíz igény 70-75%-a állítható elő úgy napkollektorokkal, hogy nem lesz nyáron túltermelésünk. Egy átlagos családi ház esetén a fűtés energiaigénye mintegy 6-8-szorosa annak az energiának, amit használati melegvíz előállítására kell fordítani. Külön problémát okoz, hogy a napkollektorok a nyári időszakban lényegesen több energiát termelnek, mint fűtési időszakban. Ha a teljes nyáron termelt energiát el szeretnénk tárolni télire, rendkívül nagyméretű tárolót kellene készítenünk. Természetesen ha van lehetőségünk a nyáron termelt energiát nyáron felhasználni, például medencefűtésre, kemping vagy nyári tábor melegvízellátása biztosítására, akkor már kedvezőbb megtérüléssel lehet számolni. Azért, hogy minden érdeklődőnek hiteles, mérésekkel alátámasztott információt tudjak adni, elhatároztam, hogy saját lakásomban megvalósítok egy napkollektoros fűtésrásegítéses rendszert, és a paramétereket folyamatosan mérve az eredményeket közzéteszem. A helyszín adottságai A házam a 80-as évek közepén épült, házilagos kivitelezésben. A falakat az akkoriban korszerűnek számító "Mátra" (a mai YTONG-nak megfelelo) gázbeton elemekből 30 cm vastagságban húztuk fel. Erre került kívülbelül sima vakolat. A fal k értéke: 0.7W/m² K. A nyílászárók időközben ki lettek cserélve korszerű műanyag szerkezetekre, minoségi (k= 1.1 W/m² K) üvegekkel. A ház alapterülete 100 m². Teljesen alápincézett és tetőtér beépítéses. Az összes fűtött alapterület 200 m². A fűtött légtér kb. 550 m³. Valamennyi helyiség padlófűtéses. Fűtésre egy Saunier Duval SD30 KLO típusú hagyományos gázkazánt használunk. A gázt csak és kizárólag fűtésre használva a gázfogyasztás az elmúlt fűtési idényben 2.714 gnm³ (gáztechnikai normálköbméter) volt. Az elmúlt két hónap mérései alapján a kazán 1 m³ gázból hozzávetőlegesen 8.7 kwh fűtési energiát állít elo. Ennek alapján a ház éves fűtési igénye: 23 611 kwh. A légköbméterre számolt hoigény: kb. 43kWh/m³/év. A mai korszerű, tudatosan energiatakarékos építéssel ez az érték akár harmadára is csökkenthető. Én is igyekszem az energiaszükségletet folyamatosan csökkenteni: Idén kicseréltem a tetősíki ablakokat szintén jóminőségű hőszigetelt üvegezésűre, illetve a tetőtérbeépítés vízszintes mennyezeti hőszigeteléseként került fel 60 m²-re még 10 cm vastag kőzetgyapot és 2 cm vastag hajópadló. Jövőre a házat kívülrol szeretném 10 cm hőszigeteléssel beburkolni.
Napkollektoros hőgyűjtés A különböző kollektor típusok közül, téli üzemmódban, egyértelműen a legjobb hatásfokúnak valamilyen vákuumos technikájú kollektor bizonyulhat. A sík vákuumos kollektorokat magas áruk, és nehézkes kezelésük miatt mára már kiszorították a piacról a vákuumcsöves típusok. A vákuumcsöves kollektoroknak három fő típusa terjedt el a világon: 1. 47mm külső átmérőjű 1500mm hosszú termoszbelső alakú 2. 58mm külső átmérőjű 1800mm hosszú termoszbelső alakú 3. 70mm átmérőjű, 2100mm hosszú egyrétegű fém-üveg átmenetet tartalmazó üvegcsőben lévő síkkollektor Mindhárom típus esetében a cső belsejéből a hőt egy "heat-pipe" vezeti ki a gyűjtőbe. Léteznek persze más megoldások is a hőszállításra ( pl.: vízzel feltöltött rendszerek, U alakú csöves rendszerek), de ezek a mi éghajlatunkon nem alkalmazhatóak eredményesen. Azonos gyártó kínálatát vizsgálva, megállapítható, hogy a fenti három típus közül a legkedvezőbb teljesítmény/ár viszonyt az Ø58mm-es cső nyújtja. Ezért is döntöttem úgy, hogy csak ennek a típusnak a forgalmazásával fogok foglalkozni. A házamon kelet-nyugati gerincű 30 -os dőlésszögű nyeregtető van. A pontosan déli tájolású oldalra helyeztem fel annyi napkollektort, amennyi csak elfért. Ez a gyakorlatban 4 db 30 csöves és 1 db 15 csöves kollektort jelent, a már fennlévő 30 csöves HMV napkollektor mellé. A háztetonk Az összesen 135 csövet tartalmazó rendszer gyűjtőit sorba kötve "drain-back" megoldással juttatom a megtermelt energiát egy hőtároló tartályba. A drain-back tartály egy közönséges 50 literes nyitott vaslemez tágulási tartályból lett kialakítva. Drain-back tartály beépítve, hőszigetelve A keringető szivattyú típusa: WRS 25/8. A vezérlőelektronikáé: PERCONT2. A csövezéshez 22 mm-es rézcsöveket használtam, kültérre alufóliával kasírozott üveggyapot szigeteléssel, beltérre polifoam csőhéj szigeteléssel.
Kollektorkör vezérlő elektronikája A kollektormező költsége kb. bruttó 800.000 Ft volt. A fal túloldalán a tartály Tartály A tartály elhelyezésére a telek nagy beépítettsége miatt, csak a terasz alatti tároló helyiségben, helyszínen megépített formában adódott lehetőség. Ez egyben meghatározta a tároló méreteit is: 3x2x2 m-es, azaz 12 m3-es tartály készült. Anyaga 3 mm-es kazánlemez - zártszelvény és szögvas merevítésekkel. A hőcserélők 25 m 22 mm-es lágy rézcsőből készültek. Ebből a hőcserélőből 2 db-ot építettünk be: az alsóra dolgozik a napkollektor, míg a felsővel vonjuk el a hőt fűtési célra. A tartály elkészülte és feltöltése után légmentesen le lett zárva, majd kb. 30cm-es kőzetgyapot hőszigeteléssel körbevéve.
A tartály helye
Oldallapok összeheg Hőcserélő beépíté
A tartály kb. 500.000 Ft-ba került. Készül a hőszigetelés Hőszivattyú Mit keres a rendszerben a hőszivattyú? Az ötletet egy dán példa adta, ahol egy egész falu fűtését oldották meg napenergiával. A tartályban lévő vizet közvetlen fűtésre a 35-85 C közötti hőmérséklet tartományban lehet használni. Amint a víz hőmérséklete 35 C alá csökken, hidegebb időben már nem tud elegendő hőt átadni a padlófűtésnek. Ekkor lép működésbe a hőszivattyú, amely a tartály vizét 10 C-ig hűtve biztosítja a ház fűtését. A használatának három előnye van: 1. A tartályban tárolható energia, azonos térfogat mellett 50%-kal megnő. 2. A tartály hővesztesége az alacsonyabb átlag vízhőmérséklet miatt kisebb. 3. A napkollektor hatásfoka nagyobb, ha hidegebb vízre kell dolgoznia. Egy 18 csöves kollektor teljesítménygörbéje a hőmérsékletkülönbség függvényében. A beépített hőszivattyú PERHP-8H típusú 8kW teljesítményű víz-víz hőszivattyú. Későbbiekben azt tervezem,
hogy a tárolt napenergia elfogytával a hőszivattyú egy kétkutas külső körből nyert energiával fogja folytatni a fűtést. A baloldali a hőszivattyú, a jobboldali a gázkazán A hőszivattyú telepítési költsége: kb. 700.000,- Ft. helyén A vezérlő elektronika még nincs a végleges Előzetes számítások A felhelyezett 135 cső effektív felülete: 10.8 m² A 12 m³ -es tartály hőtároló kapacitása a 10-85 C tartományban: 1 050 kwh Az előzetes számításokat a Naplopó Kft honlapján található ingyenes méretező programmal végeztem. Az általam beállított értékek letölthetők innen: otthon30. Ezek a beállítások a megvalósított rendszerre vonatkoznak. Mivel azonban a főtésrásegítésre ideálisabb lenne, ha a kollektorok 60 -os dőlésszögűek lennének, elvégeztem a számításokat ilyen adatokkal is: otthon60. Lehetséges alternatívaként a legkorszerűbb szelektív abszorberes, fedett síkkollektorokra is elvégeztem a
számításokat 30 illetve 60 -os dőlésszögre is: alt1, alt2. A kapott értékeket havi bontásban, a mérési eredményekkel együtt táblázatba gyűjtöttem: scheat.xls Az adatokból az látszik, hogy éves viszonylatban mindegyik rendszer kb. ugyanannyi hőenergiát szolgáltat: 8.186-8.638 kwh között. Ezen belül azonban a téli hónapokban a vákuumcsöves rendszerek 25-30%-kal jobban teljesítenek. A 60 -os dőlésszögű változatok előnye a téli hónapokban mintegy 15-20%-os. Az adatokból az is kitűnik, hogy a tároló kapacitása megfelel kb. egy nyári hónap termelésének. Mindezek alapján úgy gondolom, hogy a rendszer éves szinten mintegy 4.000 kwh-nyi hőenergiát fog szolgáltatni a jelenlegi kiépítésben. Mérőeszközök Hőmennyiségmérő A rendszerbe két hőmennyiségmérőt építettem be. A hőmennyiségmérők típusa ABB Picotherm 2 F90. Mérik a hőmennyiséget kwh-ban, a térfogatáramot, a be-, illetve kilépő vízhőmérsékletet, valamint a pillanatnyi teljesítményt. Rendelkeznek térfogatáram és teljesítmény impulzus, valamint MBUS kimenettel. 37 hónapra visszamenőleg tárolják a havi energia adatokat. Az egyik hőmennyiségmérőt a kollektor körben, a másikat pedig a padlófűtés körben helyeztem el. Sajnos az energia kijelzés 10kWh felbontású, ezért napi pontos adatokat nem lehet leolvasni. Későbbiekben tervezem, hogy számítógépes adatgyűjtőt illesztek a rendszerhez, hogy szép napi termelési görbéket tudjak mutatni. A felhasznált villamos energia mérésére egy Conrad által forgalmazott energy monitor 3000 típusú készüléket használok. Ezzel mérem a kollektor körben lévő szivattyú és vezérlő elektronika fogyasztását, valamint a hőszivattyú és a hozzátartozó hidegoldali szivattyú fogyasztását. Elektromos fogyasztás mérő
Tapasztalatok, események 2006. október 5. Elkészült a tartály. A kútból szivattyúzott 13 C-os vízzel feltöltöttem. Üzembe helyeztük a kollektorkört. Megindult a napenergia begyűjtése. A vezérlés általában már nem sokkal 7 óra után beindította a keringetést. A keringető szivattyú 880 liter/óra teljesítményre volt képes. A zavartalan napsütés hatására a szivattyú folyamatosan üzemelt délután 5 óráig. A legnagyobb pillanatnyi teljesítmény, amit sikerült elcsípnem, 5,7kW volt. Gyakorlatilag délelőtt 10 és délután 4 óra között folyamatosan 4kW feletti teljesítménnyel üzemelt a rendszer. A vezérlő elektronika teljesítményfelvétele 2W, míg a szivattyúé 125W volt. A rendszer működtetéséhez szükséges energia kb. 3%-a a megtermelt energiának. 2006. október 25. Az eltelt 20 nap alatt a tartály hőszigetelése is elkészült. A tartályban lévő víz hőmérséklete elérte a 43 C-t. Elkészültek a tartály, a hőszivattyú, és a padlófűtés-rendszer közötti kapcsolatok is. Leállítottam a gázkazánt. A padlófűtésben keringő víz a továbbiakban a tartály felso hőcserélőjében felmelegedve biztosította a fűtést. 2006. november 1. A tartály vize 32 C-os. Eddig 170kWh fűtési energiát használtam fel. Szükségessé vált a hőszivattyú üzembe helyezése. Mivel a hideg oldalon még 32 C-os víz keringett, a hőszivattyú teljesítménye is jóval meghaladta a névlegeset: 14,1kW. Az elektromos teljesítményfelvétel (a hidegoldali keringeto szivattyúval együtt) 2,3kW volt. Tehát a rendszer effektív COP értéke ekkor 6,13 volt. Ezt még tovább lehetne növelni, ha megnövelném a melegoldali térfogatáramot, mert akkor lehetne csökkenteni a 48 C-os előremenő vízhőmérsékletet. 2006. november 5. A tartály hőmérséklete 12 C-ra csökkent. Sajnos a hidegoldali szivattyút kicsit alulméreteztem, ezért nem tudja biztosítani a 2.000 liter/óra térfogatáramot a hőszivattyúnak. Ennek az a következménye, hogy miközben a hidegoldali belépő vízhőmérséklet 9 C-os, addig a kilépő hőmérséklet mindössze 2 C-os. Mivel a rendszer vízzel van feltöltve, a fagyveszély elkerülésére érdekében áttérek gázfűtésre. A hőszivattyúval termelt energia: 470 kwh. A leállást követően reggelre a tartályban lévő víz hőmérséklete 13 C-ra melegedik. Feltételezésem szerint a tartály alja, ahol csak 5 cm-nyi hőszigetelés van, korábban felmelegítette a talajt. A tartály vizét a hőszivattyú gyorsan lehűtötte, ezért most a tartály alján megfordult a hőáramlás, és a föld melegíti a tartály vizét. 2006. november 16. Időközben a tartály hőmérséklete elérte a 24 C-t. Újra beindítottam a hőszivattyút. A napos időszak hatására napközben emelkedik a tartály hőmérséklete. 2006. november 20. Ismét visszaállunk gázfűtésre. A hőszivattyúval termelt energia értéke: 260kWh. Következtetések Az októberi energiatermelés: 610 kwh. A számított érték: 644 kwh. A hónap első négy napján még nem üzemelt a rendszer, ezzel szemben az átlagot meghaladó volt a napsütéses órák száma. A novemberi energiatermelés: 270 kwh. A számított érték: 304 kwh. Elmondható, hogy a mért és számított értékek közötti eltérés kevesebb, mint 10%. Ez azt jelenti, hogy a modellező program nagyon jó becslést ad. Az októberi termelés és felhasználás (610 kwh és 730 kwh) közel megegyezik. Ha időben elkészült volna a tartály, és az októbernek meleggel teli tankkal tudtam volna nekivágni, akkor október végén is még szinte tele lett volna a tank. Valószínűleg ezzel november közepéig kitolható lett volna a gázkazán beindítása. Jövőre, ha már elkészül a ház szigetelése, és teli tankkal indulunk neki a télnek, talán december elejéig is elhúzható a gáz használata. Jelenleg csövenként kevesebb mint 100 liter a tárolókapacitás. Ez a tárolókapacitás mindössze 1 nyári hónap energiájának a tárolására elég. Mivel nyáron másra nem fogok tudni energiát elhasználni, kénytelen leszek a rendszert ideiglenesen leállítani. Ideális esetben csövenként 300-400 literes tárolóval, az éves energiatermelés szinte teljes egészében felhasználható lenne. Ha nem használunk hőszivattyút, akkor a
szükséges tárolóméret 500-600 liter/cső körüli lenne. Ha valakinek van lehetősége nagyméretű tartály beszerzésére és földbe süllyesztésére, nem tűnik lehetetlen vállalkozásnak. Használt acéltartályokhoz nagyon olcsón hozzá lehet jutni. A bemutatótermünknél tűzivíz tárolás céljára vettem 20 m³-es tartályt szállítással együtt 300.000 Ft-ért. A körbeszigetelés megoldható EPS hulladékkal. Mint már a bevezetőben is említettem, a jelenlegi energiaárak mellett, a napkollektoros fűtésrásegítés megtérülési ideje több, mint a kritikusnak tartott 10 év. Természetesen mivel ezek a rendszerek nem igazán tipizálhatóak, és az elkövetkező évek energiaárainak becslése is lehetetlen, mindenkinek egyénileg kell átgondolnia egy ilyen beruházást, hogy számára megéri-e vagy sem. Olyan helyeken, ahol nem áll rendelkezésre vezetékes gáz, vagy a nyári termelés egy részét másra el tudják használni, esetleg olcsó megoldást lehet találni a nagy tárolóra, már a mai árviszonyok mellett is lehet gazdaságos egy ilyen beruházás. Szintén lényegesen befolyásolja a megtérülést, ha sikerül esetleg támogatás szerezni a beruházáshoz. 2006- ban az állam 180 millió Ft-ot szánt ilyen, 30%-os vissza nem térítendő támogatásra. Ugyancsak 2006-ban várhatóan 160 milliárd Ft-ot költ gázártámogatásra. 2007-ben már "csak" 100 milliárd forintot szán gázártámogatásra, de 120 milliárdért építtet gáztározót. Arról eddig még nincs hír, hogy 2007-ben is kiírják-e a megújuló energiákra a pályázatot. Álláspontom szerint a korlátozott forrásösszegű pályáztatás helyett sokkal eredményesebb megoldás lenne a megújuló energiaforrások hasznosítása növelésében, ha megfelelő feltételek esetén a kifizetett 20%-os ÁFÁ-t vissza lehetne igényelni. Ezzel elismerné az állam a beruházás környezetvédelmi és importfüggőség csökkentő jelentőségét. És bár nem adna, de nem is venne el a beruházóktól.