Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék Villamosmérnöki szak Elektronikai tervezés és gyártás szakirány Egy tanya energiaellátásának biztosítása, különös tekintettel a megújuló energiaforrások kiaknázására Szakdolgozat Patvaros Zoltán Y244MB 2014

Eredetiségi nyilatkozat Alulírott Patvaros Zoltán (neptun kód:y244mb) a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Egy tanya energiaellátásának biztosítása, különös tekintettel a megújuló energiaforrások kiaknázására. című komplex feladatom/ szakdolgozatom/ diplomamunkám 1 saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül. Miskolc, 2014.11.21 1 Megfelelő rész aláhúzand

Záródolgozat saját munka igazolás (külső konzulens esetén) Alulírott Orlay Imre mint műszaki szakértő igazolom, hogy Patvaros Zoltán (neptun kód: Y244MB), Villamosmérnöki alapszakos hallgató a(z) ÉMÁSZ Hálózati Kft -nél készített komplex feladatában/ szakdolgozatában/ diplomamunkájában 1 a saját munka terjedelmi részaránya minimum 90%, és a dolgozatban a vállalattól kapott adatok megfelelő hivatkozással szerepelnek. Miskolc, 2014. 11. 21. hallgató név külső témavezető név 1 Megfelelő rész aláhúzandó

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés... 7 2. Megújuló energiaforrások... 9 2.1. Villamos energia előállításának lehetőségei:... 9 2.1.1. Szélenergia, szélgenerátor... 10 2.1.2. Napelem... 10 2.2. Hőenergia előállítása megújuló energiából... 12 2.3. Napkollektor típusai, és tulajdonságaik:... 14 2.3.1. Levegő munkaközegű napkollektorok... 14 2.3.2. Fedés illetve hőszigetelés nélküli napkollektorok... 14 2.3.3. Sík kollektorok... 14 2.3.4. Vákuum csöves napkollektor... 15 2.4. Hőszivattyú jellemzői és használata... 16 2.4.1. Kompressziós hőszivattyú... 17 2.4.1.1. Gáz üzemű hőszivattyú... 18 2.4.1.2. Villamos üzemű hőszivattyú... 19 2.4.2. Abszorpciós hőszivattyú... 19 2.5. Energia kinyerés hőszivattyúval... 20 2.5.1. Geotermikus energiát, felhasználó hőszivattyúk... 20 2.5.2. Talajszondás, azaz a vertikális csőrendszerű hőszivattyú... 20 2.5.3. Talaj kollektoros, horizontális csőrendszerű hőszivattyú... 21 2.5.4. Levegő energiát felhasználó hőszivattyú... 22 2.6. Egyéb alkalmazások a fűtésre... 22 2.6.1. Biomassza és biogáz... 23 3. Tanyai családi ház hőenergia szükségletének meghatározása, méretezése... 23 3.1. Az energiaforrások felhasználásának lehetőségei:... 25 3.1.1. Napkollektor alkalmazása, funkciói és méretezése:... 26 3.1.1.1. Szempontok a méretezéshez... 26 3.1.1.2. Tárolók kialakítása... 27 3.1.1.3. Napkollektor méretének meghatározása... 29 3.1.1.4. A meghatározott napkollektorral való fűtési energia meghatározása... 31 3.1.1.5. Vezérlő berendezés:... 34 3.1.2. Fűtési rendszer megvalósítása hőszivattyúval... 37 3.1.2.1. Hőszivattyú választása... 37 5

3.1.2.2. Talajkollektor méretezése... 39 3.2. Gazdaságossági és megtérülési számítás... 41 3.2.1. Az új rendszerünk bekerülési költsége... 42 3.2.2. Megtérülési időszámítás... 44 4. Tanyai családi ház villamos energia mérlege, fogyasztás meghatározása... 44 4.1. Villamos hálózat kiépítésével kapcsolatos költségek... 46 4.2. Villamos energiatermelés háztartási méretű kiserőművel... 47 4.2.1. Alkalmazási típusok... 47 4.2.2. Méretezéshez szükséges információk... 48 4.2.3. Napelem meghatározása, és méretezése... 49 4.2.4. Szigetüzem tervezése... 52 4.2.5. Napelem felületének meghatározása... 52 4.2.6. Energiatárolás... 53 4.2.6.1. Tároló kapacitásának meghatározása... 54 4.2.6.2. Töltés vezérlő... 55 4.2.6.3. Inverter meghatározása... 56 4.3. A családi ház villamos kapcsolási sémája... 59 4.4. Villamos energiaellátás gazdaságossági, megtérülési számításai... 60 5. Összefoglalás... 61 6. Summary... 63 Köszönetnyilvánítás Irodalomjegyzék 6

1. Bevezetés Korunk egyik nagy problémája a fosszilis tüzelőanyagok okozta nagymértékű káros anyag kibocsájtás, amely környezetünket és az ózonréteget egyaránt károsítja, üvegházhatást idéz elő és felelős az egyre gyakrabban előforduló frontok okozta károkért is. Számtalan fórum, nemzetközi konferencia igyekszik erre felhívni a figyelmet. A Föld fosszilis energiahordozó készletei végesek, fogyásukkal az áruk is folyamatosan növekszik. Egyes becslések szerint 50 éven belül valószínűleg az olcsón kitermelhető készletek elfogynak. Ezért az EU elvárása az energiahatékonyság növelése és az energiatakarékosság mellett a megújuló energiaforrások mind nagyobb mértékű kihasználása. A megújuló energiaforrások, olyan természeti jelenségek, primer energiaforrások, amelyek jelentősebb emberi közreműködés nélkül újratermelődnek, és nem okoznak környezeti károkat. A megújuló energiaforrások felhasználásának költségei a technológiai fejlesztések és a növekedő támogatások miatt csökkennek. A kormányok azért növelik a támogatásaikat, mert a megújulókat kevesebb környezeti terhelés jellemzi ez által javul az életminőség is és csökkennek a helyreállítás költségei. Tehát az érdekünk az, hogy minél több megújuló energiaforrást használjunk fel. Szakdolgozatom egy tanya energiaellátásának lehetőségeit vizsgálja megújuló energiák felhasználásával. Magyarországon még napjainkban is kétszázezernél több kiépített villamos hálózattal nem rendelkező tanya és félmilliónyi nyaraló, pince, hétvégi telek van. A jelenleg érvényes csatlakozó rendelet számtalan kedvezményt biztosít a fogyasztóknak, azonban ezzel sem oldható meg minden probléma. Jogos igény ma valamennyi állampolgár részéről, hogy a normális élethez szükséges feltételekkel rendelkezhessen és ebbe a villamos energia rendelkezésre állását, a fűtés és a meleg víz ellátást is beleértjük. Az élet valamennyi területén nélkülözhetetlen a villamos energia. Ezért fontos annak vizsgálata, milyen módon és technikai megoldásokkal lehet az igényeket villamos és hőenergiával kielégíteni ezeknél a villamos hálózattal nem rendelkező épületeknél. Az igényeket kiválthatjuk megújuló energiaforrásokkal, mint nap-, szélenergia, valamint biogáz felhasználásával, illetve amennyiben több haszonállatot tartanak akár hőszivattyúkkal. 7

A szakdolgozatomban azt vizsgálom, hogy egy tanya megbízható energiaellátása megoldható-e megújuló forrásokból és gazdaságos-e. A szakdolgozat megállapításai összehasonlítási alapot nyújtanak a hálózati ellátás költségével. Egy ilyen viszonylag autonóm egységben, mint a tanya, fontos szerepet kap az önállóság, hisz a legközelebbi városi infrastruktúrák akár kilométerekre is lehetnek. Célszerű tehát helyben megtermelni azt, amire szükség van, erre pedig kiváló alternatívát adnak a természeti energiák. A szakdolgozat két fő részre bontja a tanya energiamérlegét, egy fűtési és meleg víz előállítás hőenergia szükségletre, és egy villamos energia szükségletre. A két energiacsoporton belül először tárgyalom az adott energia előállítására alkalmas megújuló források lehetőségeit, számba veszem a jelenleg rendelkezésre álló alternatívákat. Következő lépésben kiszámítom egy tipikus családi házra jellemzően az adott irányú energia- illetve teljesítményigényt. Ezután meghatározom az igény kielégítésére alkalmas megújuló forrást. Méretezem az új egységet, illetve kiszolgáló eszközeit. Meghatározom a bekerülési költséget és a megtérülési időt. A tanya energiamérlegének meghatározásánál feltételezéssel élek. Ezek az épület nagysága, az ott lakók száma és a tevékenység, amit végeznek. Ugyancsak figyelembe veszem a hasonló méretű városokban élő háztartások energiaigényét. 8

2. Megújuló energiaforrások Az elmúlt évtizedek, évek eseményei egyre jobban felhívják a figyelmet arra, hogy az emberiség mennyire pazarló és környezet szennyező életet él, ami már tudományosan is bizonyított, hogy a természeti erőforrások kimerülnek, és ökológiai katasztrófához vezet, ha azonnal nem kezdünk rajta változtatni. Ezek a problémák globálisak, a túlnépesedés, a légkör szén-dioxid tartalmának növekedése, ózon réteg csökkenése ennek a következményei, és ezekre kell megoldást találni. A fosszilis energiahordozók környezetre gyakorolt káros hatásai miatt, egyre inkább az egyéb alternatív energiaforrások kerülnek előtérbe. Ezen források sem oldják meg a problémákat teljes körűen, de javít a tudatos környezetbarát életmód kialakításában. Ezen kívül azonban nem elhanyagolható az energiahatékonyság növelése, illetve az energiatakarékosság sem. A megújuló energiaforrások olyan természeti folyamatok, amelyek folyamatosan rendelkezésre állnak, vagy újratermelődnek, ezek lehetnek: nap, szél, vízenergia, biomassza, hőszivattyú, hőenergia, stb., ennek az ellentette a fosszilis tüzelőanyagok, amik nem megújulók, például: kőszén, kőolaj, földgáz. A környezet szennyező hatása miatt, ahogyan utaltam már rá, korlátozottak a rendelkezésünkre álló készletek, ennek következtében nem alkalmasak arra, hogy egy hosszú távú energiastratégia épüljön rá. 2.1. Villamos energia előállításának lehetőségei: A villamos energia előállítása napjainkig általában centralizáltan termelő nagy erőművekben történik, amelyek lehetnek alap-, szabályozós-, vagy csúcserőművek. Üzemmódjukat tekintve pedig hő-, vízerőművek, illetve gázturbinás erőművek. A hőerőművek primer energiahordozója lehet szén, kőolaj, gáz, illetve hasadóanyag. Ezekre az erőművekre általánosságban igaz, hogy a termelés és a fogyasztás nincs egy helyen, így jelentős transzformációkra, szállításokra van szükség, amelyek veszteséget okoznak. Ezért a világ egy új fejlődés irányába indult el, felhasználva a megújuló energiaforrásokat és ezáltal decentralizált termelést kíván megvalósítani a fogyasztási csomópontokban. Ez az új irányzat a smart grid. Röviden tekintsük át a lehetséges megújuló energiatermelés lehetőségét egy tanya energiaellátásában. 9

2.1.1. Szélenergia, szélgenerátor A nap energiájából táplálkozik, ahogy a legtöbb megújuló energiaforrás. A légmozgás okai: a Nap hőjének hatására, különböző légnyomások és sűrűségek alakulnak ki. Ennek a lehetőségnek a felhasználása, erősen táj és időjárás függő, ezért sok a befolyásoló tényezője is. Szélgenerátor telepítés előtt, statisztikai adatokat kell gyűjteni, méréseket végezni és gazdasági számítást, ami következtében megkaphatjuk, hogy megvalósíthatóe a rendszer alkalmazása. Működését tekintve, a külső lapátok tengelye, egy belső generátort hajt meg, ami kisfeszültségű egyenáramot állít elő. Az áram inverteren keresztül jut a villamos hálózatba, ami az egyenfeszültséget alakítja át váltakozó feszültséggé. Gazdaságos üzemeléshez viszonylagosan nagy fordulatszámra van szükség, azonban egy bizonyos fordulatszám fölött, a károk elkerülése érdekében, lassítani kell a rotor forgási sebességét. Bizonyos szélsebesség fölött a szélgenerátort le kell állítani. Magyarországon jellemzően, kevésbé hatékony a működése néhány terület kivételével. 2.1.2. Napelem Egy olyan elektromos eszköz, ami a fényt alakítja át elektromos energiává fotóvoltaikus hatással. A napelem, ha fény éri képes elektromos áramot létrehozni anélkül, hogy egyéb külső energiafelhasználása lenne. Szinte végtelen felhasználási lehetősége miatt, manapság már mindenhol megtalálható, többek között vészhelyzetekre fenntartott telefonok, közvilágítás (1. ábra), illetve parkolóházak elektromos energia biztosításánál is. 1. ábra Napelem alkalmazása közvilágítási lámpatest táplálására 10

Egy fényes nyári napon, a napsugarak közel 1000 W/m 2 s energiát bocsájtanak ki a Földre, emellett teljesen tiszta működést tesz lehetővé. A napelem cellái félvezetőkből készülnek, anyagát tekintve szilícium a legelterjedtebb. A napelem moduljai napcellákból épülnek fel, és a hatékonyabb működéshez több modult kötnek össze. Működési elve: egy szilícium atomnak 14 elektronja van, 3 különböző héjon. Az első és második héj 2 és 8 elektronnal telített, azonban a harmadik héj telítetlen, 4 elektronnal. Az atom mindig arra törekszik, hogy telítse ezt a külső héjat, ezt azonban csak úgy tudja megtenni, hogy megosztja a legközelebb lévő 4 atommal. Szükséges egy fémréteg, erre bórral szennyezett p típusú szilícium lapka kerül, ezt követően foszfort diffundáltatnak a felső felületbe, ami következtében p-n átmenet jön létre a felszín alatt (2. ábra). 2. ábra Napelem felépítése A p-n átmenetet a felszínhez való közelsége miatt, a napfény könnyedén eléri, hogy elektromos energiát gerjesszen. A felületre szokás még tükröződés gátló bevonatott is felvinni, ezáltal is csökkentik a fény visszaverődési veszteséget. Erre kerül a vezető, aminek célja, hogy összegyűjtse az átmenetből származó elektronokat, vagyis az elektromos áramot. Elegendő hullámhosszú fény esetében, a félvezetők atomjai ionizációra kényszerülnek, ilyenkor a beeső fotonok többlet töltéshordozókat hoznak létre. A pozitív töltéshordozók a p rétegben (lyukak), a negatív töltéshordozók (elektronok) n rétegben lesznek többségben. A kialakult két réteg ellentétes töltése miatt vonzza egymást, Teljesítményét befolyásoló tényezők: A fény hullámhossza A fény intenzitása A cella anyagának, mérete és típusa 11

Napelemek típusai és jellemzőik: Alapvetően 3 fő típust különböztetünk meg Amorf napelem: Olcsó előállítása miatt a legelterjedtebb típus, azonban hatásfoka 4-6% között van, ami a legalacsonyabb a többihez képest. A kicsi hatásfokot azzal kompenzálják, hogy nagy felületet hoznak létre. A szórt fényt jobban hasznosítja, mint a közvetlen napfényt, élettartamuk közel 10 évre tehető. Monokristályos napelem: A legjobb hatásfokkal üzemel, ami 16-18% közé tehető. A közvetlen napfényt hasznosítja jobban, legköltségesebb az előállítása és élettartamát tekintve többszöröse az előzőnek. Polikristályos napelem: Hatásfokát tekintve 10-13%-ra tehető, élettartamát nézve már megközelíti a monokristályosét. A 3. ábra egy állványra szerelt napelem táblát mutat. 3. ábra Napelemtábla állványra szerelve 2.2. Hőenergia előállítása megújuló energiából A hőenergia előállítása elsősorban a nap energiájából történhet. A napnak az energiája, fény és hő formájában éri el a Földet. A hőenergiát ősidők óta hasznosítja az emberiség, mindig egyre fejlettebb technológiák segítségével. Két módja van a hőenergia hasznosításának, aktív és passzív energiatermelés. Passzív energia felhasználás esetén az épület helyzetének megválasztását vesszük figyelembe, illetve annak az építőelemeit. Ekkor az üvegházhatást használjuk fel 12

hőtermelésre. Elsődleges eset, amikor átmeneti időszak van, vagyis a külső hőmérséklet miatt, az épületen hő veszteség alakul ki, de a napsugárzás befolyásolja ezt a folyamatot (4. ábra) 4. ábra Passzív napenergia hasznosítás Aktív energiatermelésnek 2 fajtája terjedt el. Napenergiát hőenergiává alakítjuk, a következő módon. A napenergiát aktív módon hasznosító épületeken, nagy üvegfelületek találhatóak meg a déli oldalon, amit estére hőszigetelt táblákkal fednek le. A fényt nagy hőtároló falakra és padlóra irányítják, amiknek a külső felületei ismételten hőszigeteltek, így ezzel tudják elérni, hogy hosszú ideig képesek tárolni a hőt. A hőenergia, gyűjtése és tárolása rendszerint napkollektorokkal történik. A másik elterjedt módszer még, az úgynevezett fotóvoltaikus eszköz, amit másképpen napelemnek hívnak. A napsugárzás energiáját elektromos energiává alakítják át. 5. ábra Napkollektor a háztetőn 13

2.3. Napkollektor típusai, és tulajdonságaik: A napkollektorokat általában háztetőkre szerelve helyezik el (5. ábra) Különböző felhasználási szempontok szerint, több alap típusa van. Kivitelét, hatásfokát, és árát tekintve teljesen különbözőek. 2.3.1. Levegő munkaközegű napkollektorok Hazánkban kevésbé elterjedt. Előnye hogy házilag is elkészíthető, ezt sörkollektornak nevezik, ami a légfűtéses rendszerekhez jól alkalmazható. Hátránya, hogy a megtermelt energia nem tárolható, nagy átmérőjű csövek vagy légvezetékek használata, és komoly ventilátorokat igényel, illetve meleg víz előállítására alkalmatlan. Alkalmazása: melegházfűtés, épületfűtés. 2.3.2. Fedés illetve hőszigetelés nélküli napkollektorok Felépítését tekintve, gumi vagy műanyag alapanyagú csőkígyók, különböző elhelyezési formában. Besugárzási szög, csak csekély mértékben hat a leadott teljesítményre. Mivel nincs szigetelve, illetve hőszigetelő borítást sem tartalmaz, ezért elhanyagolható a reflexió is. Előnye egy egyszerű felépítés, az ára, és kialakíthatósága. Legtöbbször medencék fűtésére alkalmazzák, hőcserélő nélkül, a medence vizét keringetik a kollektorban (6. ábra). 6. ábra Medencefűtő kollektor 2.3.3. Sík kollektorok 14

Kiforrott technológia, rendkívül megbízható, a napkollektorok több mint 90%-a ebbe a kategóriába tartozik. Mivel a sérüléseknek is jól ellenáll, ezért használata a hőerőműveknél is elterjedt. Felépítését tekintve: kollektor házból, elnyelő házból (abszorber), hőszigetelésből, vörösréz csőkígyóból és átlátszó szolár üvegből áll (7. ábra). A beeső sugárzás áthatol az átlátszó szolár üvegen, és ráesik az abszorberre. A sugárzás energiáját az abszorpció során alakítja át hővé. 7. ábra Sík kollektor 2.3.4. Vákuum csöves napkollektor 8. ábra Vákuum csöves kollektor felépítése és működése 15

Kettős falú üvegcsőből épülnek fel, amiben vákuum található a belső-külső üvegfal között (8. ábra). A belső üvegcsövet szelektív abszorbens felülettel vonják be, és itt készül a hasznosítható hő. A vákuum megakadályozza, hogy a levegő hő vesztesége miatt hiány alakuljon ki. Ezért nem csak napos időben használható, mint a sík kollektor. Működését tekintve, a vákuumcső elnyeli a hőt a heatpipe-pal. A fűtéscsőben alkohol és víz keveréke található (legtöbb esetben), ami a csőben kialakított alacsony nyomás miatt, már 30-35 C-os hőmérsékleten elkezd forrni. A folyadék elpárolog és felszáll a hő átadó patronba, ami egy központi csőhöz kapcsolódva átadja a hőt a rendszernek, ezután a lehűlt pára alkoholos vízzé alakul és a fűtéscső aljára kerül. Ez a folyamat ismétlődik. A vákuum csövek egymástól szigetelve találhatóak, csak a központi csőhöz kapcsolódnak. Emiatt ha egy cső tönkre megy, akkor csak azt kell cserélni, nem pedig az egész rendszert. Az utolsó két kollektor főbb tulajdonságainak összehasonlítása: síkkollektor vákumcsöves kollektor hatásfok kisebb jobb hatásfok technológia egyszerűbb összetettebb hőátadás konvekcióval párologtatással hőszigetelés szükséges nem szükséges hőveszteség nagyobb kisebb ár olcsó drága 2.4. Hőszivattyú jellemzői és használata A hőszivattyú technológia, a földből vagy a levegőből kinyert energia felhasználásán alapszik. A rendszer környezetbarát módon állítja elő a hőenergiát, amit a fűtéshez, hűtéshez vagy a meleg víz előállításához lehet használni. Nagyon jó hatásfok, gazdaságos és környezetkímélő üzemmód a fűtésre. Alapesetben a hő a magasabb hőmérsékletű környezetből áramlik az alacsonyabb felé, de külső energiaforrás segítségével ez megfordítható. 16

A hőszivattyú típusai Előnyök Hátrányok levegő-víz legolcsóbb beruházás bárhol alkalmazható utólag is könnyen telepíthető fűtésre víz-víz legalacsonyabb üzemeltetési költség az üzemi költségek nem függnek a külső hőmérséklettől hidegben drágább a fűtés és szükség lehet kiegészítő magas beruházási költség talaj-víz közepes üzemeltetési költség nyáron hűtés is megoldható költség nem függ a külső hőmérséklettől magas beruházási költség 2.4.1. Kompressziós hőszivattyú A két hőcserélőt egy körvezeték köti össze, amiben az egyik kompresszor a csővezetékben olyan munkaközeget keringet, aminek minimális a forráspontja, csak magas nyomáson cseppfolyósodik. A hideg oldali hőcserélő előtt a folyékony halmazállapotú közeg nyomását, egy szelep segítségével lecsökkenti 1,7 bar-ra. Ilyenkor a munkaközeg párologni kezd intenzíven, és -2 C-ra hűl, majd a párolgáshoz szükséges hőt, a hőcserélőnek másik végén áthaladó környezeti közegből használja fel, annak lehűtésével. A 3 C-ra melegedett közeget elszívja a kompresszor, és sűríti 13,5 bar nyomásra, ami következtében a lecsapódó közeg melegedni kezd egészen 73,5 C-ra. A lecsapódásnál felszabadul az a hő, amit elvont, ezáltal növeli a betáplált energiát a kompresszorba. Ezt az energiát a másik hőcserélőn keresztül átadja a fűtési oldalon lévő közegnek (9. ábra). 17

9. ábra Kompressziós hőszivattyú 2.4.1.1. Gáz üzemű hőszivattyú Kompresszor teljesítménye a fordulatszám növelésével-csökkentésével érhető el, ez áltál beállítható a hőmérséklet. Nem elhanyagolható a belső égésű motor által megtermelt hő, ami szintén felhasználható, ez tovább növeli a teljesítményt az elektromos hőszivattyúval szemben. Ez a felesleges hő más néven hulladék hő, úgy is hasznunkra lehet, ha a fűtésre éppen nincs szükség, de ugyanakkor meleg vízre mindig szükség van. Ezek a gázmotoros hőszivattyúk több típusúak lehetnek. Legelterjedtebb, amikor a hőt szállító anyag a fűtési rendszerbe kerül közvetlenül. Másik lehetőség a falfűtéses rendszer, amely egy közvetett rendszer, hidraulikus egységbe kerül a hő szállító anyag és a hőt a víz veszi fel, ez áramlik a fűtési rendszerbe. Harmadik lehetőség, ha ezt a két rendszert kombinálják. Azt, hogy melyik rendszert érdemes kiépíteni, erősen hely és környezet függő is. Általánosságban az mondható el, hogy ezeknek a hatásfoka kb. 170%-os, tehát a befektetett energia 1,7 szeresét lehet kinyerni hő formájában. 18

2.4.1.2. Villamos üzemű hőszivattyú Legfontosabb előnye talán, hogy tiszta energia kerül felhasználásra, nincs környezetre káros hatása. Zajszintje alacsonyabb valamelyest a gázmotorétól. Hatásfokát tekintve, nagyban függ a külső hőmérséklettől és a hőforrástól, de megközelítőleg a befektetett energia 3 szorosát lehet visszakapni. Ami mellette szól, mint előny, hogy hazánkban a gáz ára lehetősen megemelkedett, míg az elektromos áram csak kisebb mértékben, ezáltal üzemeltetése kedvezőbb. Hőszivattyú választásnál nagy figyelmet kell fordítani, a hőforrás és a környezeti adottságokra, ami alapján kiszámolható a hatásfok, és a megtérülés. 2.4.2. Abszorpciós hőszivattyú Az előzőekhez képest, ez kevésbé elterjedt. Az egésznek az alapja egy elnyelő, és egy elnyelődő anyag, ami legtöbb esetben víz és lítium-bromid. Működés során a víz csekély nyomás miatt, el tudja nyelni a lítium-bromidot emellett nagymennyiségű hő szabadul fel, ami felhasználható. Ezt a keveréket az abszorber szivattyú továbbítja a generátornak, ami a nyomás és a bevezetett hő hatására elpárolog. A kondenzátorban a lítium-bromid cseppfolyóssá válik külső hűtés következtében. A nagy nyomású kondenzátorból, kisnyomású elpárologtatóba halad az abszorber cseppfolyós része, ami a nyomáscsökkentés miatt gáz állapotúvá válik, így hőt tud ismételten elvonni a hűtőfolyadékból. 10. ábra Abszorpciós hőszivattyú 19

Ez a folyamat is képes fűtési üzemre, hűtésnél viszont sokkal kevesebb villamos energiát használ. Fontos előnye még hogy az abszorpciós eszköz semmilyen káros hatással nincs a környezetre, sem az ózon rétegre. 2.5. Energia kinyerés hőszivattyúval 2.5.1. Geotermikus energiát, felhasználó hőszivattyúk A geotermikus hőszivattyú egy olyan rendszer, amit hűtésre és fűtésre egyaránt használni lehet. A hőt a talajból veszi fel, vagy éppen adja le. Télen a talajt használja fel, mint hőforrást, és onnan vonja el a hőt az épület felé, amit nyomásváltoztatással nagyobb hőmérsékletté alakít át. Ez a rendszer valójában a talaj állandó hőmérsékletét használja ki, ezzel csökkenti a hűtési és fűtési költségeket. A nagyobb hatásfok érdekében ezt a technikát szokás kombinálni a napkollektorral, így a rendszer teljesen önműködővé tehető. A talaj felső rétege állandó napsütésnek van kitéve, ezért ez több mint 50%-át elnyeli a napsugaraknak, így a hőmérséklet 7 és 18 C között marad. Ezt a nagy mennyiségű hőt használjuk fel. A geotermikus energiát, a földbe beépített szondákon keresztül gyűjtjük össze, majd jutatjuk el a hőszivattyúhoz. A szondák beépítését tekintve lehetnek vízszintesek és függőlegesek. A vízszintesnél az mondható el, hogy háromszoros területre van szükség, mint amekkorát fűteni szeretnénk. Itt a talajhőmérséklet nagymértékben befolyásolja a hatásfokot. Ezt talaj kollektoros rendszernek nevezzük. Előnyösebb a függőleges elrendezés, mivel ez nagyobb hőstabilitást biztosít. A függőleges elrendezést vertikális talajszondás rendszernek nevezzük. 2.5.2. Talajszondás, azaz a vertikális csőrendszerű hőszivattyú A földbe 80-100 méteres hosszú lyukat fúrunk függőleges irányban, aminek az átmérője 15 cm (11. ábra). Ebbe helyezünk el 2 db U alakú 32 mm átmérőjű műanyag csövet. Ezekben a csövekben kering a hideg víz, ami a hőszivattyúból kijövő oldalon található. A szondába beérkező 0-3 C víz, 6-8 C-ra melegszik fel. Másik megoldás a koaxiális szonda, amikor ebbe a kifúrt lyukba 63 mm átmérőjű (KPE) kemény polietilén csövet helyeznek, amiben egy 25 mm-es KPE búvárcső található. A hideg hőmérsékletű vizet a 20

25 mm-es csövön jutatjuk le, a felmelegedett víz pedig a külső csőben jut fel a hőszivattyúhoz. Mind a kettő rendszer zárt, teljesítménye elsőként a talajminőségtől függ, de általánosságban elmondható hogy 50 W/m lehet a teljesítménye. 11. ábra talajszondás elrendezésű hőszivattyú előny kicsi terület igény bárhol alkalmazható biztosított a működése jóságfoka, kb 5x ami közel állandó hátrány költséges a fúrás gondos előkészületeket igényel engedély köteles a fúrás 2.5.3. Talaj kollektoros, horizontális csőrendszerű hőszivattyú Műanyag vagy műanyag borítású réz csövet fektetnek le a felszín alá, 1,5-2 m mélyen, ami több száz méter hosszúságú is lehet (12. ábra). Ezt a típust általában újépítésű házaknál használják, mivel nagy a földterület igénye és, így a régi csőhálózat útba kerülése kiküszöbölhető. Tilos a kollektor fölé építkezni, vagy bitument tenni, mert a napsütés nem éri a földet illetve a vízcseppek nem jutnak be a mélyre. A talaj minősége 21

azért befolyásol, mert minél nagyobb a talajnedvesség tartalma, annál jobb a hő átadó képessége, illetve a háznak a szigetelésével csökken a hőigénye. Nyáron a hűtést könnyű megoldani, az épület falait, illetve a mennyezetet hűteni a földkörből származó hidegebb folyadékkal ezt passzív hűtésnek nevezik. 12. ábra Horizontális csőrendszerű hőszivattyú előny Önállóan működő fűtés-hűtés Hatásfok közel 5x nem kellenek engedélyek hosszú élettartam kb. 100 év hátrány Jelentős földmunka A fák és növények gyökereit hűtheti Nagy földterület Hosszú csővezeték miatt nagyobb veszteség 2.5.4. Levegő energiát felhasználó hőszivattyú Ez a típusú hőszivattyú, a kültéri levegőt visszahűtve fűt, és készít meleg vizet. A levegőt ventilátorok alkalmazásával beszívják, amit a hőszivattyú hűt le. Hátránya hogy a külső hőmérséklet nem állandó, és a ventilátorok zaja is jelentős. Ez a rendszer inkább kiegészítő hűtés/fűtésre használható, amíg a geotermikus teljes egészében alkalmas rá. 2.6. Egyéb alkalmazások a fűtésre Ezek a megoldások összességében hasonló mechanizmuson alapszanak, a természetes anyagok oxigén jelenlétében elégetése és a felszabaduló hőenergiának a felhasználása. 22

Az erőforrások közös tulajdonsága, hogy a levegőből megkötött CO2 jutatják vissza a körforgásba, ebből az látszik, hogy az égés mégsem káros a környezetre. 2.6.1. Biomassza és biogáz Energetikailag hasznosítható növények és növényi és állati hulladékok. Ezeknek az anyagoknak az elégetésével lehet hőt előállítani. Általánosságban az mondható el, hogy 1 éven belül újból termelődnek, amikkel bányászati fosszilis energiák helyettesíthetőek. Nem csak energia nyerhető ki belőle, hanem cseppfolyósítva üzemanyag is. Csoportosítani a következők szerint lehet: Tüzelhető biomassza: alacsony nedvesség tartalmúak, ez magas fűtőértékre utal. Jellemzően tűzifa, apríték, fűrészpor, szalma, energiafű illetve ezekből előállított pellet. Elgázosítható biomassza: nagyobb nedvességtartalmú növényi és állati hulladékból. A biomassza elgázosítása, elgázosító kazánban is történhet. Ezek lehetnek trágyák, állati szennyvíziszap, cukortartalmú növények. Gépjárműben használt üzemanyag, biomassza: Benzin helyettesítésére kukorica, burgonya, búza, szalma, nád növények használatosak, amiből etanol gyártható. Diesel helyettesítésére olajtartalmú növények, amiből az olajat kisajtolják és vegyszeres kezelés után biodízel állítható elő. Biogáz: A szerves anyagok mikrobák által, anaerob körülmények között történő lebontása során képződő gázelegy. Magas metán tartalma miatt 1 m 3 metán 9,94 kwh energiát tartalmaz, ami használható meleg víz előállítására, villamos és hőenergia termelés, földgáz minőségű biometán előállítására. 3. Tanyai családi ház hőenergia szükségletének meghatározása, méretezése A vizsgált családi ház 140 négyzetméter. A ház tartalmaz 3 hálószobát, 1 fürdőszobát, 1 konyhát, közlekedőt és egy étkezőt. A család létszáma 4 fő. A fűtést szenes kazán szolgáltatja, mivel tanyavilágról van szó, ezért a gáz nem kivitelezhető. A tavalyi évben barnaszénből a fűtési szezon alatt 130 mázsa fogyott el, ami 22-23 fokos meleget eredményezett, amit padlófűtéssel értek el. A ház belső felépítése és állapota ebben a 23

helyzetben azért hagyható figyelmen kívül, mivel azonos körülmények között kell a fűtést megvalósítani. Számításba vett adatok: Fűtéshez: Barnaszén fűtőértéke: Lé = 8 MJ/kg Barnaszén mennyisége: 130 x 100 = 13 000 kg A padlófűtés előremenő vízhőmérséklete: 35 0 C A padlófűtés visszatérő hőmérséklete: 27 0 C Viadrus U22 D6 típusú kazánnak a teljesítménye: 30 kw A fűtési energia igény optimális esetben: E= m * Lé= 13 000 kg * 8 MJ/kg = 104 000 MJ = 104 GJ Mivel a fűtési rendszer már több mint 10 éves, ezért figyelembe kell venni egyéb hatásfok csökkentő tényezőket, amivel számolnunk kell. A két legfontosabb tényező: a kazán amortizációja és a kémények lerakódása, ami becslési adatok alapján kb. ~10%-ot jelenthet hatásfokromlásban. Számításba kell még vennünk a kazánunk hatásfokát, ami katalógus adat alapján 70%. E1= E * 1,1 * 0,7 = 104 000 MJ * 1,1 * 0,7 = 80 080 MJ = 80,08 GJ ami megfelel 22 244 kwh-nak. Használati meleg víz: 2 kw teljesítményű villanybojler szolgáltatja, ami 150 L vízkapacitással rendelkezik és 60 o C fokos víz előállítására van beállítva. Átlag igény személyenként: 28-30 L víz a 4 tagú családban. Hőmennyiség számolásához szükséges adatok: Víz fajhője: C=1,16 Wh/(K*kg) Elhasznált vízmennyiség V= 4 x 30 = 120 L víz tömege: m= ρ*v = 1kg/L * 120 L = 120 kg Meleg víz hőmérséklet Tm = 60 o C Felfűtésre váró hideg víz Th = 13 o C Qn = C * m * (Tm-Th) = 1,16 Wh/(K*kg) * 120 kg * (60 o C-13 o C) = 6542,4 Wh = 6,55 kwh 24

Tehát ennyi a napi energia szükséglet, ezt éves szintre átszámolva: Qé = 365 * Qn = 365 * 6,55kWh = 2390,75 kwh 3.1. Az energiaforrások felhasználásának lehetőségei: Az energia szükséglet megtervezése egy összetett dolog, mivel a hőenergia előállításának több módja is adott számmunka. Lehetőség van az egész ház egy adott rendszerrel történő fűtésére, ami lehet a jelenlegi központi rendszer kibővítve kisebb kiegészítő lehetőségekkel, illetve lehet több, kisebb teljesítményű energiaforrást felhasználó eszközök alkalmazása. Lehetőségek mérlegelése a következők szerint: Olcsó beruházás A már meglévő ház, telkek különösebb megbontása nélkül be lehessen üzemelni Megtérülésének várható időpontja minél korábban Stabilitás és megbízhatóság Ne legyen karbantartási igénye, vagy csak nagyon minimális 13. ábra Napkollektor hőtermelése és a havi fűtési energiaigény alakulása A stabilitáson belül több tényezőt érdemes figyelembe venni. Elsőként figyelembe kell vennünk, milyen energiaforrás áll rendelkezésre, amiből energiát tudunk kinyerni, illetve az előírásoknak megfelelő teljesítményen tudjuk vételezni. Másik szempont, hogy milyen rendszerességgel tudjuk hasznosítani a kívánt energiát. Sok rendszer hátránya hogy csak korlátozottan áll rendelkezésünkre, többek között a nap és a szél is ilyen (13. ábra). Tehát 25

ezek a rendszerek eléggé függenek a környezettől, ezért önállóan nem tudnak működni csak segéd berendezésként. Önálló lehetőségnek a hőszivattyút tekinthetjük, illetve esetleg még a biogázokat égető kazánokat. Azt is hozzá kell tenni, hogy ezeknek az élettartama nagyon magas. Kisegítő lehetőségként a legköltséghatékonyabb megoldás lehet a napkollektor. Természetesen ezeket a felhasználási módokat kombináltan is lehet használni, itt már valójában a megtérülési idő és beruházási költségek a számottevőek. 3.1.1. Napkollektor alkalmazása, funkciói és méretezése: Ahogy korábban is említettem, el kell dönteni, hogy milyen rendszerben akarjuk használni a napkollektort, illetve milyen módon tudjuk leghatékonyabban hozzákapcsolni, és milyen feladata lenne. Elsősorban ami leghatékonyabb és legjobban kiszámolható lehet az a meleg víz előállítása. Különösen nyári időszakokban akár teljesen egyedüli rendszerként is tud működni, a téli időszakokban is lenne rá lehetőség, azonban ott a napsütések hiánya illetve alacsony volta miatt, szükség lehet pótolni ezt az energiát. Ilyenkor a hőszivattyúval történő kombinálás teljes ellátási lehetőséget tud nyújtani. Téli időszakokban a nappalok ideje rövid, a napsütések órák száma kevés, illetve a külső hőmérséklet is alacsony, ami tovább csökkenti a napkollektorban lévő víz hőmérsékletét, tehát nagy a hő vesztesége is. További lehetőség a napkollektort lakásfűtés, vagy fűtésrásegítésként is felhasználni. Fűtési célú felhasználásnál a következő szempontokat kell figyelembe venni: A lakás szigetelése és/vagy szigetelésének állapota, kicsi a belső tér hő vesztesége Központi padló, és falfűtés Minimális fűtési energia igénye legyen Sajnos a középső lehetőség kivételével nem valósítható meg napkollektorral a fűtés, így nem alkalmas egyedül erre a rendszer. Ezek alapján a legcélszerűbb egy hőcserélős tartályt alkalmazni, amivel lehet szolgáltatni a használati meleg vizet, illetve kombinálható az egyéb fűtési rendszerrel, amikor a napkollektor működése nem kielégítő hatásfokú, gondolok itt az átmenetre és téli időszakokra. 3.1.1.1. Szempontok a méretezéshez 26

Tudjuk a korábbi esettanulmányból hogy a mostani villanybojlerünk mérete 150 literes, és hogy körülbelül 120 L meleg vizet használ el a család naponta. A kollektor által tehát ezt a vízmennyiséget kell megcélozni. Ismeretek alapján a fürdéshez használt meleg víz hőmérséklete 35-38 o C között ideális, azonban mivel ezt a vizet nem csak fürdőzésre szeretnénk használni, hanem egyéb más célokra is, mint a mosogatás, takarítás, főzés, így ettől magasabb hőmérsékletet kell választani, 50 o C lenne a megfelelő hőmérséklet, tapasztalatok alapján ez már megfelelő lehet. A tároló kapacitását az határozza meg, hogy az eddig elfogyasztott napi vízmennyiség (120 L) 60 o C hőmérsékletű víz, hány liter 50 o C fokos vízmennyiségnek felel meg. A hő lépcső itt Tm - Th= 50 o C 13 o C = 37 o C V1 = 120 L T1 = 47 o C V2 =? T2 = 37 o C Mint tudjuk, fordított arányosság van, a térfogat és a hő lépcsők között, tehát: V1 / V2 = T2 / T1 120L / V2 = 37 o C / 47 o C V2 = 120 L * (47 o C / 37 o C) = 152,43 L~ 152 L tehát ilyen mennyiségű meleg víztároló szükséges. 3.1.1.2. Tárolók kialakítása HMV tárolókat három szempont alapján különböztetünk meg, ami alapján választanunk lehet: 14. ábra Hőcserélős tároló beépített fűtőszállal Direkt fűtésű tároló: Olyan kialakítású, amely a teljes vízmennyiséget rövid idő alatt fel tudja fűteni a megadott hőfokra. Jellemzően a fűtőszál közvetlenül fűti fel a vizet. 27

Indirekt fűtésű tároló: Ezek felfűthetőek bármilyen kazánnal, illetve napkollektorral is. A rendszer lényege hogy az átadni kívánt hőt egy közegnek adja át (a legtöbb esetben ez csőkígyót jelent 14. ábra), majd ez a közeg fűti fel a meleg vizünket. Természetesen létezik olyan típusa is, ami nem csak egy hőcserélőt tartalmaz, hanem kettőt is, illetve olyan fajtája is van, amiben fűtőszál is található. Puffer tartály: Ez a puffer tartály meleg víztároló, ami a legjobb szigeteléssel van ellátva (15. ábra). Feladata, hogy az előállított hőenergiát képes legyen tárolni a későbbi felhasználás céljából. Azért van erre szükség, mivel az előállított energia időpontja és felhasználási időpontja között, akár hosszú idő is eltelhet, illetve ennek az előállítása is sok időt vesz igénybe. Tehát a fel nem használt hőfelesleget a puffer tartály eltárolja, így esetlegesen a kazánt nem kell elzárni. Előnye elsősorban az átmeneti időszakokban jelentkezik, amikor a megtermelt hőre nincs szükségünk, ezért a tároló raktározza azt, így nem vész el. Másik előnye még fűtés alkalmazásánál, hogy hosszabb és egyenletesebb fűtés biztosítható vele, illetve a kazán felügyelete is kevesebb figyelmet igényel. Hátrányaként említhető, hogy mivel nagy kapacitással bír, ezért a helyszükséglete is nagy. 15. ábra Puffer tárolós rendszer felépítése Első gondolatom az volt, hogy a puffer tartályos rendszer megvalósítás lenne a legcélszerűbb, abból is az a változat, amikor a tartályban helyezkedik el a meleg vizes tartályszigeteléssel elválasztva, és a hőcserélő közvetíti a meleget. Azonban ezt az elképzelést félretettem, mert e tartály ára többszörösébe kerül, mint az egyéb tárolóké, ezáltal a beruházási költség magas lenne és a megtérülés is jóval később következne be. Ezért úgy döntöttem, hogy egy olyan vízmelegítő bojlert választok, amiben 2 db 28

hőcserélő is van gyárilag, ezáltal az egyiket a napkollektorral tudom üzemeltetni, a másik lehetőséget egyelőre még félreteszem. Mivel magyar terméket szeretnék beépíteni így a Hajdú bojlerek közül választottam a számomra megfelelőt. A választott tárolóm típusa: Hajdú STA200C2 (16. ábra). Az előre kiszámolt vízmennyiséget (152 L), hogy mekkora tároló szükséges, túlszárnyaltam, mivel a legkisebb bojler is 200 L, így ez a legjobb közelítés, amit használni lehetne. Azáltal hogy nagyobb a tároló kapacitása, az esetleges extrémebb víz használata mellett sem kell attól tartani majd, hogy kevés lenne a szükséges meleg víz. 16. ábra Hajdú STA200C2 összehasonlító táblázat és sematikus ábrája 3.1.1.3. Napkollektor méretének meghatározása A méretezés célja, hogy a nyári napos idényben 100%-osan tudjam fedezni a meleg vizet. 29

17. ábra Hősugárzás A grafikonról (17. ábra) leolvasható hogy a nyári derült időszakban (május és szeptember között), az átlagosan felhasználható hőmennyiség naponta: Qnyári = 2,7 kwh/m 2 Illetve a téli időszakban felhasználható átlagos energia derült idő esetén: Qtéli = 1,1 kwh/m 2 Szükséges napkollektor felület számítása: Ak = Qn / (k * Qnyári) [m 2 ], ahol Qn a korábban meghatározott napi energiaszükséglet, k pedig egy korrekciós tényező, amit a kollektor tájolásától és dőlésétől függően határozunk meg táblázatból (18. ábra). 18. ábra napkollektor helyzetének hatásfoka 30

Úgy gondoltam, hogy a napkollektor déli tájolású egyen, ami éppen a tető síkjának megfelelő. Megfigyelések és tapasztalatok alapján a 45 o a legoptimálisabb. Tehát a korrekciós tényezőt, k = 0,99-re veszem. A 150L 60 o C-os meleg víz előállításához szükséges: Ak = 6,55 kwh / (0.99 * 2,7 kwh/m 2 ) = 2,45m 2. Azonban az új bojlerünk 200L és nem 60 o C fokos vizet, hanem 50 o C szeretnénk előállítani, így ehhez szükséges az újra számolás. Qn1 = 1,1 * C * m * (Tm-Th) = 1,1 * 1,16 Wh/(K*kg) * 200 kg * (50 o C-13 o C) = 9442 Wh = 9,44 kwh tehát ehhez a teljesítmény szükséglethez keressük a kollektorunk méretét. A 1,1 szorzót a felhasználási és tárolási veszteségeket veszi figyelembe. Ak1 = 9,44 kw / (0,99 * 2,7 kwh/m 2 ) = 3,53 m 2 Napkollektorokat összehasonlító táblázat alapján a legkedvezőbb ár/érték arányban a legjobb döntés lehet ismételten egy magyar termék a Pannon Solar Kft által nyújtott kollektorok. Ennek a napkollektornak az abszorber felülete: a = 1,77 m 2, ezáltal meghatározható a szükséges napkollektor darabszám: nkollektor= Ak1 / a = 3,53 m 2 / 1,77 m 2 = 1,76 db = 2 db szükséges a megvalósításhoz 3.1.1.4. A meghatározott napkollektorral való fűtési energia meghatározása Tudjuk tehát a napkollektorunk méretét, darabszámát, és tudjuk, hogy milyen víz mennyiséget szeretnénk felfűteni. Most már csak az a kérdés, hogy a téli és nyári időszakban milyen hatékonysággal tudjuk használni. Kutatásom és ismereteim alapján, a saját kezű számítás nem hatékony megoldás, mivel sok a változó tényező, ezáltal rendkívül sok időt venne igénybe a számítás és nem is lenne pontos. Ezért egy szimulációs programot fogok használni, amibe a megtervezett rendszer paramétereit betáplálom és futtatom azt. Ez a program a Naplopó KFT által megtervezett Naplopó-Energy program, ami szabadon terjeszthető és felhasználható bárkinek. A programban beállítom a megtervezett rendszerem paramétereit, amiket a függelékben lehet is látni. Vannak olyan tulajdonságok, amiket a tartályunk gyári specifikációjából lehet kiolvasni, ilyen például a napi hőn tartáshoz szükséges energia, illetve olyan adatok is szerepelnek a program beállításai között, amiket a tapasztalat és a megfigyelések alapján állítottam be, ilyen többek között a meleg víz használatának ideje. Elsőként a nyári időszakot szeretném szimulálni (19. ábra), mivel a lényeg hogy ott teljesítsen a napkollektorom a legjobban. 31

19. ábra Nyári időszak szimulálása Mivel a nyári-szezont én határozhatom meg, így a meleg és jó időnek a kezdetétől a végéig választottam meg, amit az időjárás tekintetében áprilistól októberig gondoltam. A számomra kiolvasható fontos adat, a napkollektorokkal hasznosítható hőmennyiség ami: Qny = 1 624,5 kwh Megjegyezném, hogy mivel a tartályunk mérete közel 50 literrel nagyobb, mint a használni kívánt vízmennyiségünk, így ez a hőmennyiség a bojlerünkben maradva, a bejövő vizünket kis mértékben felmelegíti. Ez azért lehet fontos, mivel ez kedvezően hathat a felfűtésére, ezáltal kevesebb energia szükséges. A téli időszakot pedig novembertől márciusig állítottam be (20. ábra). Itt jól látható, hogy a tárolónkban lévő vízhőmérséklet jóval alacsonyabb, mint a nyári idényben, amiből látható, hogy téli időszakban egyedüli HMV előállításra nem alkalmas ez a rendszer, csak valamelyik más rendszer összekombinálásával. 32

20. ábra Téli időszak szimulálása Itt is leolvasható a hasznosítható hőmennyiség ami: Qt = 377,6 kwh. 21. ábra egész éves szimulációval, napkollektorral és hőszivattyúval 33

Készítettem még egy olyan szimulációt is, amikor egy teljes évet vettem figyelembe (21. ábra). Ez azért jó, mert látható hogy arányaiban milyen mértékű kiegészítő fűtést kell alkalmazni. Mivel másképpen nem lehet beállítani, ezért a hagyományos hő termelő funkciót kapcsoltam be a megfelelő beállításokkal. Jól látható az alsó grafikonon hogy melyek azok a kritikus hónapok, ahol a napkollektor teljesítménye nem elegendő. A pótolni kívánt energiát, hőszivattyúval szeretném biztosítani, amit amúgy is a padlófűtéshez szeretnénk majd használni, ezáltal a téli fűtés időszakban a meleg víz előállításban tud segíteni. 3.1.1.5. Vezérlő berendezés: Feladata, hogy a kollektor és a tartályunkban lévő hőcserélő között megfelelő időben következzen be a körfolyamat. Fontos szempont, hogy felügyelet nélkül tudjon üzemelni és ne kelljen közbeavatkozni. 22. ábra keringető szivattyút vezérlő elektronika Analóg és mikroprocesszoros kivitelezésű vezérlőket különböztetünk meg, ezek bonyolultsága határozza meg az árát is. Az analóg működésűeknél a szabályzó 34

kimenetére egy relé van kötve, ami pedig az adott tároló szivattyúját vezérli. A mikroprocesszorosnál részletesebb beállításra is van lehetőség, ilyen, például amikor fokozatmentesen szabályozzák a szivattyúk fordulatszámát, vagy mérik a kollektor hő teljesítményét. Úgy gondoltam, mivel elsősorban a költséghatékonyság a fő szempont, hogy a vezérlő berendezés árát megspórolva, egy saját ötletű egyszerű vezérlést alkalmaznék (22. ábra). A legolcsóbb vezérlő egységek ára, 38 000Ft-tól kezdődik és a legdrágábbak több százezer forintos nagyságrendűek is lehetnek, de mivel ez nem egy túl bonyolult fűtési rendszer, így bőven elegendő az általam használni kívánt vezérlő is. Hozzátenném, hogy saját családi házunkban is megvalósított a napkollektor, és ott már régtől hibátlanul működik a vezérléssel együtt. A kapcsolás lényege egy műveleti erősítővel felépített áramkör, amivel egyrészt egy hőmérséklet érzékelővel figyeljük a tároló tartályunkban lévő meleg víz hőfokát, valamint egy másik érzékelővel a napkollektorból kijövő meleg víz hőmérsékletét, ezáltal vezéreljük a keringető rendszert. A keringető szivattyú egy Grundfos Solar 25-45 kis teljesítményű keringető szivattyú. Nincs szükség keringetésre, ha a napkollektorban lévő víz hőmérséklete alacsonyabb, mint a tartályunkban lévő víz hőmérséklete. Az áramkör lényege egy UA 741-es típusú műveleti erősítő. A műveleti erősítő működése olyan, hogy ha az invertáló bemenetére magasabb feszültség szint kerül, akkor bekapcsolva marad mindaddig, amíg ez a feszültség nagyobb. A hőmérsékletérzékelést 2 db NTC ellenállással oldottam meg, az egyik a napkollektorból kijövő ágra van rögzítve (23. ábra), réz felületre, műgyantával kiöntve, majd ezt az egészet szorosan a csőre illesztettem. 23. ábra NTC ellenállás rögzítése, műgyantával 35

Az NTC ellenállás értéke a hőmérséklet növekedésével csökken egy bizonyos alkatrészre jellemző karakterisztika szerint. A másik szenzor pedig, a villamos fűtőbetét helyére lesz beépítve, mivel erre nem lesz szükség. A kapcsolás invertáló bemenetére kerül a napkollektor vízhőfok érzékelő és a tartályban lévő vízhőfok érzékelő alkotta feszültség osztó. A kapcsolásban a nem invertáló bemenetre, egy több fordulatú potenciométerből és egy ellenállásból álló feszültség osztó kerül. Amennyiben a napkollektorban levő víz melegszik, a műveleti erősítő invertáló bemenetére magasabb feszültség kerül és a kapcsolás kimenetén levő relé behúz. A relé bekapcsolja az érintkezőjén keresztül a keringtető szivattyút és így a napkollektorból a meleg víz elindul a tartályunk hőcserélője felé. A szivattyú mindaddig bekapcsolva marad, amíg a nem invertáló bemeneten magasabb feszültségünk nem lesz. Ez akkor lesz magasabb, hogyha a napkollektorban a hőmérséklet lecsökken, vagy a tartályban levő meleg víz hőfoka meg nem közelíti a bejövő águnk hőmérsékletét. A két hőfok közti különbséget a potenciométerrel tudjuk beállítani, amit tapasztalatok alapján körülbelül 5 o C fok ra érdemes beállítani. A több fordulatú potenciométerre a minél pontosabb beállítás miatt van szükség. Ezt a beállítást működés közben lehet, és kell pontosítani. A kapcsolás működését a kimenetre kötött LED jelzi, bekapcsolt állapotban világít. A kapcsolásban helyet kapott egy visszacsatoló ellenállás (15K), ami azt a célt szolgálja, hogy az áramkörnek hiszterézist adjon, vagyis a ki és bekapcsolás ne egy hőmérsékleten történjen. A relével párhuzamosan ellentétes polaritással kötött dióda a relé kikapcsolásakor indukálódott nagyfeszültséget vágja le, ezáltal megvédi a tranzisztort és az integrált áramkör kimenetét a túlfeszültségtől. Az egész kapcsolás 220/12V biztonsági transzformátorról működik. Mivel önmagában a napkollektor nem szerelhető be és nem üzemképes, ezért egyéb berendezésekre is szükség van, amiket a beruházási költség miatt ismernünk kell. Napkollektor szerelő keret: ez teszi lehetővé a napkollektor rögzítését, könnyűfém szerkezetű. Időjárás változásnak ellen álljon, illetve esztétikailag is elfogadható legyen. Rögzítése kampók, csavarok, és egyéb apró konzol darabok segítségével történhet. Teljes szettben az ára: 43 000 Ft 36

Tágulási tartály: célja hogy a napkollektorban lévő hőmérsékletváltozás okozta térfogat változást kiegyenlítse. Megnevezése: Flamco Flexcon 12 literes szolár tágulási tartály, ára: 12 700 Ft Csővezeték rendszer: A fűtő közeg szállításának útja, követelménye, hogy hőmérsékletálló legyen és szigeteléssel legyen ellátva a minimális hő veszteségek miatt. ára: 42 530 Ft/20 m Hő szállító közeg: fagyállónak kell lennie, illetve ne képezzen lerakódást a rendszerben. Frigoszolár 10L fagyálló folyadék, ára: 11 938 Ft Légtelenítő elemek: a csőhálózatban lévő folyadék légmentesítése a cél, és ezt légtelenítő szeleppel hozzuk létre. ára: 5 785 Ft Keringető szivattyú: a napkollektor és a hőcserélő közti áramlás biztosítása. Grundfos Solar 25-45 ára: 45 583 Ft Beszerelési munkadíj: Az elemek összeillesztése és készre szerelése, becsült összeg kb 250 000 Ft Napkollektorunk ára: 110 400Ft x 2 = 220 800 Ft Vezérlő berendezés ára: 5 600 Ft Ezek figyelembevételével az új hő termelő berendezés rendszerünk beruházási költsége: 637 936 Ft 3.1.2. Fűtési rendszer megvalósítása hőszivattyúval Mivel a fűtési kör feladatát elsődlegesen a hőszivattyú látja el, ezért a napkollektor kiegészítő berendezésként üzemel. A tervezést azért a napkollektorral kezdtem, hogy megtudjam, hogy mennyi terhet vehetek le a hőszivattyúról. Most már csak az a kérdés, hogy miből szeretnénk nyerni az energiát és mekkora teljesítményre lesz szükségünk. A talajszondás megoldást elvetettem, mivel hatalmas költséggel járna annak lefúrása. Ezért a talaj kollektoros megoldást választottam a kedvezőbb beruházás miatt. 3.1.2.1. Hőszivattyú választása Csak olyan típus jöhet szóba, ami képes a HMV víz előállítására is, mivel ahogyan a szimulációm is mutatja, egy átlagos decemberi hónapban néhány nap kivételével, szinte mindig a szivattyú fogja szolgáltatni a meleg vizet. A grafikonon a hagyományos hő termelő (pirossal jelölve) mutatja, hogy mennyi teljesítményt kell biztosítania. 37

A fűtés kör energia meghatározásához: E1= 22 244,4 kwh az egész éves fűtési energia igény, ezt a fűtési idényre átszámolva októbertől kezdve áprilisig, 6 hónapra: Eh = 22 244,4 / 6 = 3 707,41 kwh/hó Egy napra jutó energiaigény: En = 3 707,41 / 30 = 123,58 kwh Tudnunk kell, még hogy a HMV előállításához legrosszabb téli hónapban is (24. ábra), a napi energia igényünk legrosszabb esetre méretezve, amikor a napkollektor esetlegesen nem is tud részt venni a működésben. Az adatok leolvashatóak tehát: Edecö = 151,4 kwh + 30,8 kwh = 182,2 kwh az egész hónapos szükséglet összesen, ezt napira átszámolva: Enn = 182,2 kwh / 31 = 5,87 kwh 24. ábra Hőszivattyú szükségessége a decemberi hónapban a HMV előállításhoz Tehát a napi maximum az: Etél = En + Enn = 123,58 kwh + 5,87 kwh = 129,45 kwh A piaci kínálatot áttanulmányozva, azt a következtetést vonhatom le, hogy egy 10 kw teljesítményű hőszivattyú bőven ki tudja szolgálni az igényeinket. A választott típusom: 38