A gimnáziumi tanuszoda napkollektoros rendszerének energetikai vizsgálata

Hlavay József Országos Környezettudományi Diákkonferencia Középiskolások a tudományért A gimnáziumi tanuszoda napkollektoros rendszerének energetikai vizsgálata Elkezdődött valami, Nem kell megállítani. Hidrogén mozog benned, Fényesebb jövőt sejtet. /Napfúzió (részlet): Ismeretlen szerző/ 1

Tanuszodánk működtetése jelentős hőenergia és villamos energia felhasználásával történik. A hőenergiát a padlástérben elhelyezett földgáztüzelésű kazánok állítják elő, míg az elektromos energiát a hagyományos elektromos rendszertől kapjuk. A villamos energia a gépészeti rendszerek működtetésére és világításra fordítódik. A hőenergia a tanmedence vizének és légkörének temperálására fordítódik, de jelentős szükséglet van a kiszolgáló egységek működtetésénél is. A rendszer hőenergia szükségleteit napos időben napkollektorok segítségével pótoljuk. A napkollektorok tetőtéri elhelyezésétől a tanmedencéig elágazások és hőcserélők közbeiktatásával szállítjuk a befogott hőenergiát. Ebben a rendszerben jelentős veszteségforrások vannak. A hőcserélők, szelepek, keringető szivattyúk vízkövesedése nagymértékben csökkenti a rendszer hatásfokát. A fentieken kívüli különösen a téli időszakban megjelenik a gravitációs ellenáramlás, azaz az éjszakai rendellenes viselkedés. Ez a folyamat jelentős hőenergiát von el a tanuszoda légteréből és kisugározza a padlástérbe. A fenti folyamatokat mennyiségi mérésekkel és áramlási számításokkal tudjuk jellemezni. A szakaszonkénti hőmérséklet eloszlások elemzésével megtaláljuk a jelentősebb hő veszteség helyeit. Kutatási projektünk lehetővé teszi tanuszodánk energetikai mérlegének elkészítését. A napkollektorok hatékonyságát mennyiségi mérésekkel igazolhatjuk. Célunk, hogy méréseink által rámutassunk a rendszer kiküszöbölésre, javításra váró esetleges hibáira és használható megoldásokat dolgozzunk ki azokra, melyeket a későbbiekben az iskola vezetésének ajánlhatunk a hatékonyabb működés elérésének érdekében. Tanulói prezentációnk elkészítése során, bizonyos mérésekhez az egész iskola tanulóinak közreműködését is kértük, akik ennek érdeklődve tettek eleget. Így nem csak a szerző diákok, hanem ők is betekintést nyerhettek a megújuló energiaforrás vizsgálatára irányuló projektünkbe, részesévé válhattak annak. Prezentációnk bemutatásával hozzájárulunk a környezettudatos nevelés megismertetéséhez és elterjesztéséhez. 2

3. Tartalomjegyzék 1. Cím... 1. 2. Rezümé... 2. 3. Tartalomjegyzék... 3. 4. Bevezetés... 4. 4.1. A napenergia nyújtotta lehetőségek... 4. 4.2. Felhasználásának módjai... 5. 4.2.1. A naptorony... 5. 4.2.2. A síkkolektor működése... 5. 5. Tárgyalás... 6. 5.1. Az iskola kollektorai... 6. 5.2. A tanuszoda energiaellátása... 6. 5.3. A napkollektorok energiatermelése... 7. 5.4. A szállítás során fellépő hő veszteség... 7. 5.5. Az energia szétoszlása a kiszolgáló egységek és a medencetér között... 8. 5.6. A működés során fellépő rendellenességek... 8. 5.7. A gravitációs ellenáramlás... 9. 5.8. Megtakarítások a napenergia által...10. 5.9. Hogyan tökéletesíthetjük a rendszert?...11. 5.10. Energiaeloszlás a hidegebb hónapokban...12. 5.11. Mérési eszközeink...13. 6. Befejezés... 14. 7. Köszönetnyilvánítás... 14. 8. Felhasznált irodalom... 15. 3

4.Bevezetés 4.1. A napenergia nyújtotta lehetőségek Napunk gravitációs módon létrehozott fúziós reakció során (a gáz esetünkben hidrogén saját súlya alatt nyomódik össze), döntő részben az úgynevezett pp-lánc reakcióin keresztül termeli az energiát. A folyamat során 4 protonból egy 4 He 1. ábra atommag jön létre, miközben jelentős energia felszabadulása mellett két pozitron és két neutrínó is keletkezik. A folyamat több lépésben zajlik le. Három főbb reakciólánc játszódhat le a fúzió során. Az első két lépés után a 3 He + 3 He, illetve a 3 He + 4 He reakciók versengése szabja meg, hogy a folyamat az első, vagy pedig a második és harmadik pplánc irányába folytatódik-e tovább (1. ábra). A Nap teljesítménye 3,86*10 17 GW, amely a paksi atomerőmű teljesítményénél (2 GW) 17 nagyságrenddel nagyobb. Földünkre körülbelül 70-80 MW/m2 energia érkezik. Az energia sűrűsége a föld atmoszférájának szélén átlagosan 1367 W/m2. Ez azt jelenti, hogy évenként megközelítőleg 219 milliárd GWh sugárzási energia éri el a földfelszínt, ami 2500-szorosa napjaink teljes energia szükségletének. Hozzávetőleg három óra napsugárzás képes fedezni földünk éves energia szükségletét. A légkörben jelen lévő vízpára és jég kristályok elnyelésének eredményeképp a földfelszínt ténylegesen elérő sugárzási energia 50 W/m2 -től (erősen felhős idő) 1200 W/m2-ig (optimális felhőzet) változik. Ennek ellenére ezt az energiaforrást jelenleg alig használjuk ki, pedig kétségtelenül számos kedvező tényező szól alkalmazása mellett: mindenki számára könnyen elérhető, tiszta, környezetkímélő energiaforrás, még sok millió évig rendelkezésre fog állni kíméli a nyersanyagkészletet, 4

kedvezően hat a helyi gazdaságra, nem kell szállítani, hozzájutásához nem kell költséges közműhálózat, átalakítási, felhasználási költségei minimálisak. 4.2. Felhasználásának módjai 4.2.1. A naptorony A napenergiát többféle technikai megoldás útján hasznosíthatjuk. Az egyik talán legérdekesebb és leglátványosabb módszer a naptorony alkalmazása. A szoláris központi gyűjtő vagy más néven szolár-torony 2. ábra (2. ábra) körül van véve két tengely mentén mozgatható tükrökkel (heliostat), melyek a napsugárzást a torony tetején elhelyezett gyűjtőre reflektálják. A torony tetején lévő gyűjtőben különböző halmazállapotú anyagok lehetnek. Ez az egyik legrégebbi, mondhatni legősibb és legegyszerűbb módja a hőenergia összegyűjtésének, ellenben az olvasztott-só tovább megtartja a hőenergiát, így használata jobb eredményt ad felhősebb napon, illetve éjszaka. Az elnyelt napenergiával gőzt fejlesztenek, melyet gőz-turbinákra engedve elektromos energiát termelnek (2. ábra). Az első ilyen erőmű Barstowban, a Mojave-sivatagban épült 1982-88-ban. Mai változata akár 500 megawattos csúcsteljesítményre is képes, mely 500 000 amerikai háztartásnak tud elektromos áramot biztosítani. 4.2.2. A síkkollektor működése Ennél a típusnál az abszorberre koncentráltan napsugárzás jut, így ezek nemcsak a direkt, hanem a diffúz sugárzást is hasznosítani tudják. Alapvetően melegvíz előállítására használják a kis és nagyfogyasztók egyaránt. (3.ábra) 3. ábra 5

5. Tárgyalás 5.1. Az iskola kollektorai Iskolánk síkkollektorok (4. ábra) felszerelésével próbálta csökkenteni az újonnan épített sportszárny medenceterének és kiszolgálóegységeinek a fűtési költségét. Szám szerint 54 darab kollektor szolgáltatja napos időben a fűtéshez szükséges hőenergia egy jelentős részét. Az év melegebb felében együttesen akár 29Gj energiát képesek termelni havonta. Az egységek a szivattyúk (5. ábra) segítségével keringetett fűtőfolyadékot (víz) melegítik fel. Majd ez a folyadék csöveken keresztül, hosszú utat megtéve a 4. ábra tetőtérből a medencetérbe és kiszolgálóegységeihez jut. Ott leadva a szállított energia egy részét növeli a hőmérsékletet. Majd a kissé lehűlt folyadék visszaáramlik a tetőtérbe, ahol a kollektorok újra hőt közölnek vele. 5. ábra 5.2. A tanuszoda energiaellátása Tanuszodánk jelenleg három különböző energiaforrás látja el a működéshez szükséges energiával: villamos áram, földgáz, napenergia. Az első kettő energiaforrás drága, hasznosítási folyamatuk környezetszennyező, és végesek. Ellenben a napenergia a szükséges felszerelés megléte után szinte ingyen termeli az energiát. Erőforrása kiapadhatatlan. Jelenleg körülbelül 8%-át a napenergia, 18%-át a villamos energia, 74%-át a földgáz szolgáltatja a szükséges energiának (6. ábra). Célunk ebben az arányban a napenergia növelése. 6

Valós energiaeloszlás 8% 18% Villamosenergia Gáz égési energiája Napenergia 74% 5.3. A napkollektorok energiatermelése A kollektorok az év melegebb hónapjaiban érik el maximális teljesítményüket, mikor nagyobb a napsütötte órák száma. Méréseink során kiderült, hogy július és augusztus hónapokban az átlagos energiatermelésüket is meghaladva megközelítőleg 33Gj energiát termeltek. Ahogy a grafikon (7. ábra) is mutatja, az őszi időszak kezdetével ez a termelés 40%-al csökkent. Szeptember hónapban az előállított energia csupán 19Gj, hiszen ekkor a napsütéses órák száma is jelentősen csökkent. Ez természetes jelenség, tehát ha növelni kívánjuk a rendszer hatásfokát, más irányban kell elindulnunk. 35 30 31,16 30,81 32,89 32,95 7. ábra 25 20 15 10 10,16 10,26 13,56 19,2 Energiatermelés Hőveszteség 5 0 5,01 május június július augusztus szeptember 4,29 5.4. A szállítás során fellépő hő veszteség Grafikonunk (7. ábra) feltűnteti az egyes hónapokban azt a hőmennyiséget is, amely a szállítás során elveszik. Ezt veszteséget a medence kiszolgálóegységeinek hőtartályaihoz telepített, forgatott vízmennyiséget és leadott hőmennyiséget mérő műszerekből kinyert adatok segítségével számolhattuk ki. Ez a hő veszteség havi szinten átlagosan 30%-al csökkenti a sportszárnyba jutó hőenergiát. Ott a fennmaradó energia nagyobb része a medenceteret, kisebb hányada a kiszolgálóegységeket fűti. (8. ábra) 7

A termelt energia átlagos eloszlása (GJ) 8. ábra 8,66 7,71 Kiszolgáló egységek Medencetér Veszteség 13,04 5.5. Az energia szétoszlása a kiszolgáló egységek és a medencetér között Méréseink segítségével nyomon követhettük a hasznosított energia szétoszlását a két fűtött tér között havi szinten is. A kinyert adatokból (9. ábra) jól látszik, hogy a lejutó, hasznosítható energia nagyobb részét a medencetér fűtéséhez használjuk fel. Nyári hónapokban ez az arány megközelítőleg 2:1, azonban a legtermékenyebb hónapban, augusztusban a kiszolgálóegységek hőfelvétele arányaiban megnőtt. Szeptemberben, a hideg, és kevésbé napsütéses időszak kezdetével kevesebb napenergia jut a kiszolgálóegységekre. 9. ábra 5.6. A működés során fellépő rendellenességek A hőveszteségnek több lehetséges és együtt megjelenő kiváltó oka van. Kutatásunk során ezeket az okokat kívántuk feltárni, elemezni, és azokra megoldásokat javasolni. Az első, legkézenfekvőbb, és talán a legtöbb energiát elvonó rendellenesség a 8

rossz szigetelés, esetleg annak teljes 10. ábra hiánya. Ez egyaránt értendő a fűtőfolyadékot szállító csövek szigeteltségére, valamint az egyes tantermek, helyiségek szigeteltségére is. Az előbbire szemmel látható bizonyítékokat találtunk (10. ábra), az utóbbi megállapításához táblázatokat helyeztünk el az iskola termeibe. Ezekbe a tanulók egy meghatározott időn keresztül naponta többször, előre kijelölt időpontokban beírták a termük hőmérsékletét. Az adatokat végül összegyűjtve megállapítottuk, hogy az 1. emelet saroktermeinek szigeteltsége rosszabb, mint a többi teremé. Ezeknek a termeknek a közelében fut a vizet szállító cső. Valamint itt található a sportcsarnok is, amely szintén nagy hőenergia elvonására képes. Ezt a hatást fokozza az egyes termek radiátorainak rossz beállítása. További rendellenesség a keringető rendszer csöveinek, szelepeinek vízkövesedése. Az általunk megfigyelt, talán legérdekesebb hatáscsökkentő jelenség a gravitációs ellenáramlás. 5.7. A gravitációs ellenáramlás Hőmérséklet ( C) 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 Normális működés (májusban) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Megvilágítás (Klx) 11. ábra Külső hőmérséklet Lemenő ág Feljövő ág Megvilágítás 2:03 4:03 6:03 8:03 10:03 12:03 14:03 16:03 18:03 20:03 Idő A gravitációs ellenáramlás leírásához először meg kell figyelnünk a keringető rendszer normál működését (11. ábra). Kielégítő megvilágítás mellett napközben a 9

fűtőfolyadék lemenő ága melegebb, a visszatérő ág, miután hőt közölt a medencetérrel, hidegebb. Azonban éjszaka, valamint, rossz megvilágosítás mellett (felhősödés) a napkollektoros rendszert nem szolgáltat energiát. A keringető szivattyúk ilyenkor lekapcsolnak és a csövekben megindul a gravitációs áramlás. Ekkor a hőcserélő rendszer lemenő ága a hideg padlástérből alacsonyabb hőmérsékletű folyadékot szállít, míg a visszatérő ág a medencetérben felmelegedve felhozza annak hőenergiáját és fent leadja a külső környezetnek. (12. ábra) 35 12. ábra Éjszakai visszaáramlás Lemenő ág hőmérséklete Feljövő ág hőmérséklete 30 Hőmérséklet ( C) 25 20 15 10 5 0 10:00 11:40 13:20 15:00 16:40 18:20 20:00 21:40 23:20 1:00 2:40 4:20 6:00 7:40 9:20 Idő (óó:pp) 5.8. Megtakarítások a napenergia által Az uszoda meglehetősen nagy mértékben veszi igénybe a fűtést, melyet ugyan nagy részben az emeleti kazánban elégetett földgáz biztosít, de mint azt már láthattuk a napenergia is fontos forrást jelent ebben a tekintetben. A kollektorok által termelt hőenergia lemérésével, és a földgáz fűtőértékének ismeretében valamint a gáz árának Megspórolt pénz Megspórolt pénz 13. ábra 120 000 Ft 109 295 Ft 100 000 Ft 80 000 Ft 82 147 Ft 80 387 Ft 75 614 Ft 60 000 Ft 58 324 Ft 40 000 Ft 20 000 Ft 0 Ft május június július augusztus szeptember 10

tudatában pontosan kielemezhetjük, hogy mekkora összegeket takarít meg a napkollektorok működése. (13. ábra) Az ábra alapján is jól látható, hogy a rendszer komoly megtakarításokat termel az iskola számára. Ez az összeg átlagosan havi 80.000 Ft-ot jelent, de mint láttuk komoly problémák vannak jelen, melyek a rendszer hatásfokát nagy mértékben csökkentik, így az átlagosan csak 70%-át juttatja el a termelt energiának a felhasználó egységekhez. Ez azt is jelenti egyúttal, hogy komoly pénzektől esik el a fenntartó. (14. ábra) Veszteségek értéke 60 000 Ft Veszteségek értéke 53 044 Ft 14. ábra 50 000 Ft 39 744 Ft 40 135 Ft 40 000 Ft 30 000 Ft 19 598 Ft 16 781 Ft 20 000 Ft 10 000 Ft 0 Ft május június július augusztus szeptember 5.9. Hogyan tökéletesíthetjük a rendszert? A rendszer hatásfokának növelésére, a gondot okozó folyamatokat megértve javaslatokat tehetünk: Elsősorban javítani kell a csővezetékek, érintett tantermek hőszigetelését. Folyamatosan kell ellenőrizni, ha szükséges karbantartásokat kell végezni a szelepeken, vezetékeken, hogy a túlzott vízkövesedés ne befolyásolja a működést. A gravitációs áramlás elkerülése érdekében az áramlás gátló szelepeket folyamatosan tisztítani kell. Ezeket a javaslatokat jeleztük az iskola vezetésének. Ezek hasznosságának szemléltetésére elkészítettük a medenceszárny energia felhasználásának ideális eloszlását a különböző energiaforrások között. Ideális eseten itt azt az állapotot értjük, 11

mikor a szállítás során fellépő hő veszteséget nem vesszük figyelembe. Ezt természetesen sosem valósíthatjuk meg, viszont a változtatásokat megtéve közelebb kerülhetünk hozzá. (15. ábra) Ugyanakkor azáltal, hogy megpróbáljuk a hatásfokot növelni, a költségeket is tovább tudjuk csökkenteni. (16.ábra) 15. ábra Ideális energiaeloszlás Lehetőségek 16. ábra Spórolt pénz Veszteségek 140 000 Ft 121 891 Ft 120 521 Ft 128 658 Ft 128 893 Ft 12% 18% 120 000 Ft 100 000 Ft 75 106 Ft Villamosenergia Gáz égési energiája Napenergia 80 000 Ft 60 000 Ft 40 000 Ft 70% 20 000 Ft 0 Ft május július szeptember 5.10. Energiaeloszlás a hidegebb hónapokban Projektünk első eredményeként az iskola vezetése felfigyelt a padlástéri hőszigetelés 17. ábra hiányosságaira és megkezdte szakszerű pótlását.(17. ábra) Várakozásaink szerint ezek az intézkedések csökkentik a rossz szigetelésből adódó veszteségeket. Ennek bizonyítására méréseket végeztünk az utóbbi (hidegebb) hónapokban. Mint azt a diagramokból is látjuk, a veszteségek mértékének aránya csökkent. A leghidegebb hónapokban (december, január) a napsütéses órák számának és a külső hőmérséklet csökkenése miatt az amúgy is csekély termelt energia nagyobb mértékben adódik le a környezetnek. (18-19. ábra) 3,29 Energiaeloszlás 2,29 1,29 Tanuszoda kiszolgálóegysége Veszteség Medencetér 16 14 12 10 GJ 8 6 4 2 0 Termelt hőenergia és veszteség a hidegebb hónapokban 18. ábra 19. ábra 15,72 2,62 7,13 0,38 2,3 1,45 2,3 0,71 október november december január 12 Termelt hőenergia Veszteség

5.11. Mérési eszközeink Méréseinkhez nagyrész a Fourier Systems MultiLogPro (20. ábra) nevű eszközét használtuk, amely egy többfunkciós adatrögzítő, mérőműszer. Egyidejűleg több különböző mérést folytathattunk, a megfelelő érzékelőket csatlakoztatva. Munkánk során egyszerre több hőmérsékletmérő és egy fényerősségmérő szenzort kellett használnunk. A mért adatokat számítógépre másolva a műszer saját software-e segítségével értékeltük. Ezen kívül áramlásmérőket és szállított energiát mérő műszereket használtunk a keringési rendszer megfigyelésére (21-22. ábra). Ilyen szállított energiát mérő műszerből kettő van beszerelve, egy a padlástéren, egy pedig az uszoda kiszolgáló egységeinél. Így a medencetérre jutó energiát ezen adatokból saját számításaink segítségével ábrázoltuk. Pályázati úton már megnyertük a szükséges harmadik mérőórát, mellyel a későbbiekben alátámaszthatjuk, pontosíthatjuk számításainkat. 20. ábra 21. ábra 22. ábra 13

6. Befejezés Dolgozatunk készítése során megismerhettük a természet nyújtotta, kínálkozó lehetőségek egyikét az alternatív energiaforrások hasznosítására. Megértettük, és energetikai szempontból vizsgáltuk iskolánk napkollektoros rendszerét. Munkánkkal hozzá szeretnénk járulni a rendszer tökéletesítéséhez, így reméljük, hogy a javasolt változtatások, kiegészítések a közeljövőben megtörténhetnek. Továbbá folytatni szeretnénk a napkollektorok tanulmányozását és újabb megoldásokat találni hatásfokuk növelésére. 7. Köszönetnyilvánítás Köszönjük a közreműködést mindazoknak, akik tapasztalataikkal, ötleteikkel vagy a témában való jártasságukkal segítették a kutatásunkat, ezáltal hozzájárultak munkánk sikerességéhez. 14

8. Felhasznált irodalom Sikó Dezső (2006): A téli napenergia hasznosítása a családi háztartásokban /Szakdolgozat/ Dr. Halász Tibor, Dr. Jurisits József, Dr Szűcs József (2005): Fizika Közép- és emeltszintű érettségire készülőknek, Mozaik Kiadó, 2005, 107.o.-114.o. Armin Themessl Werner Weiss (2007: Napkollektoros berendezések, Cser Könyvkiadó, 2007 Lee Ann Henning (1999): A világegyetem, Park Könyvkiadó, 1999, 48.o.-49.o. Martin Rees (2001): Kozmikus otthonunk, Akkord Kiadó, 2003, 48.o.-55.o. http://www.reformatus-kkt.sulinet.hu/gimnazium/szertar/szakdolgozat_sd_2006/index.html http://www.freeweb.hu/apoeta/index.php?pg=sz&n=radic&a=2&v=8222&h=alcar&phpsessi D=45539567bfe44922944b3d97af62cfee http://www.mindentudas.hu/szego/20040808szego1.html?pidx=4 http://www.acrux.hu/sun/napenergia.html http://www.atomeromu.hu/mukodes/tipusok/pakstipus.htm http://astro.elte.hu/icsip/nap/nap_felepites/index_in.html http://library.thinkquest.org/04oct/01608/sunband/solartower_hu.htm 15