Szoláris Rendszerek Szikra Csaba Építészmérnöki Kar
Szoláris rendszerek funkciói: A napsugárzásból érkező energia elnyelése tárolása leadása Tehát t a nap sugárz rzási energiájának nak tudatos és s jój hatásfok sfokú hasznosítása sa az épületgépészeti rendszerekben A nap sugárzási energiája soha nem akkor áll rendelkezésre, amikor igazán szükség van rá soha nem olyan kapacitással és hőmérséklet tartományban, mely kényelmessé tenné a felhasználását. Ezért a szoláris rendszerek tervezése kényelmetlen, nem a mindennapi tervezői rutin része, holott számos esetben nem jár a beruházási költségek számottevő növekedésével. Erényei: Üzemeltetési költségek csökkenése Számos esetben az épületgépészeti beruházási költségek csökkenése A fosszilis energia hordozók csökkenése által környezetbarát technológia
Tervezésének főbb szempontjai: az épület sugárzási nyereségét növelő megoldások ne vezessenek a veszteségek növekedéséhez, a veszteségek csökkentését célzó megoldások ne vezessenek az épület sugárzási nyereségének csökkenéséhez, az épület sugárzási nyerségét növelő megoldások nyáron ne vezessenek az épület kellemetlen túlmelegedéséhez, miután az előző követelmények gyakran ellentmondásosak, kiegyensúlyozott kompromisszumot kell keresni, a sugárzási nyereséget növelő vagy épületgépészeti rendszerekben hasznosító megoldások építészeti és szerkezeti szempontból harmonikusan illeszkedjenek az épülethez. Szoláris fűtési f rendszerek: Mindazon rendszerek, amelyek a napsugárzás energiáját az épületek transzmissziós és/vagy szellőzési hőveszteségének fedezésére hasznosítják, akár az épület sugárzási nyereségének növelése, akár épületgépészeti rendszerekben való hasznosítása révén.
Osztályozás (a funkciókat szolgáló elemek szerint) Passzív Mindhárom funkciót az épület elemei teljesítik, a folyamatok "spontán" módon mennek végbe, külső energia-bevezetés nincs. Az egyes funkciók térbelisége szerint: Direkt (Mindhárom funkció ugyanabban a térben) Indirekt (A funkciók térben szétválnak) Aktív Mindhárom funkciót gépészeti elemek teljesítik, a folyamatok szabályozhatók, külső energia-bevezetés (ventilátorok, szivattyúk meghajtására) van. Hibrid A funkciók zömét az épület elemei teljesítik, de az energia szállításában gépészeti elemeket is alkalmaznak. Az aktív és a passzív rendszerek közti lényeges különbség az, hogy a passzív rendszerek többsége alacsony sugárzási nyereség esetén is csökkenti az épület hőveszteségét, a mesterséges fűtéstől igényelt teljesítményt (direkt rendszerek, energiagyűjtő falak, napterek, nyitott áramkörű szoláris rendszerek és több hibrid rendszer). Az aktív rendszerekből (és a zárt áramkörű hibrid rendszerekből) csak akkor nyerünk fűtőteljesítményt, ha a hőhordozó közeg hőmérséklete, azaz a sugárzás energiahozama egy bizonyos szintet elér.
Indirekt rendszerek Energiagyűjtő falak Az opaque réteg előtt transzparens réteg van. Az üvegházhatás a szerkezetben jön létre. Az elnyelt energia (vagy annak nagy része) a hőtárolóként is funkcionáló opaque rétegen keresztül vezetés révén, csillapítva-késleltetve jut a helyiségbe. Ha adott időjárási feltételek mellett az elnyelő felület hőmérséklete nem is haladná meg a helyiséghőmérsékletet, a hőveszteség akkor is csökken. A szokásos nehéz szilikátrétegek késleltető hatása kb. 1 óra/3 cm, vagyis egy 30 cm vastag fal belső síkján a besugárzás maximuma után 10 órával észlelhető a legmagasabb hőmérséklet. Az energiagyűjtő falak nyári árnyékolásáról gondoskodni kell. Fő típusai: Tömegfal Trombe fal Transzparens szigetelésű fal Napterek A naptér (csatlakozó vagy beharapott üvegház, télikert, olyan tér, amelynek van transzparens külső térhatárolása, kapcsolódik az anyaépülettel, nincs mesterséges fűtése. Szoláris légtechnikai rendszerek Az energia szállítása áramló levegővel történik (általában hibrid rendszer). A légáramlás természetes Fajtái: Nyitott és zárt áramkörös rendszerek
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Tömegfal Szerkezetileg egy masszív külső falból (a "tömegfal") és az eléépített üvegezésből áll. Ezt mozgatható árnyékoló-szerkezet egészíti ki. A tömegfal külső felületét nagy abszorpciós tényezőjű, "sötét" színezéssel, felületképzéssel látják el. Itt történik a sugárzásos hőterhelés elnyelése, amelyet a nagy tömegű fal tárol és késleltetéssel a helyiségbe juttat. Az árnyékoló télen éjszaka a kihűlés, nyáron napközben a túlzott felmelegedés ellen véd, ez utóbbi célt szolgálhatják az üvegezés esetleges szellőzőszárnyai is. A tisztítás és karbantartás lehetőségét biztosítani kell. A napsugárzás 80-85 %-a az üvegezésen átjut, az átjutott hányad 80-90%-a a tömegfal külső síkján elnyelődik. Az elnyelt hő egy része - csillapítva és késleltetve a helyiségbe jut (a késleltetés 3-4 cm nehéz szilikát rétegenként 1-1 óra). Az elnyelt hő másik része az elnyelő felületről a légrétegen és az üvegezésen át (késleltetés nélkül) a környezetbe távozik. Ez utóbbi kettős üvegezéssel és télen éjszaka zárt társított szerkezettel mérsékelhető. A két hőáram fordítottan arányos az elnyelő felülettől befelé, illetve kifelé mért hőátbocsátási ellenállásokkal.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Tömegfal Télen éjszaka az árnyékoló csukott, hogy a kifelé irányuló hőáram kisebb legyen. Nyáron nappal az árnyékoló zárt, hogy az elnyelő felületet érő napsugárzás kisebb legyen. Nyáron éjszaka az árnyékoló nyitott, a külső hőmérséklet alacsonyabb, a fal lehűl.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Tömegfal Szelektivitás: Az alacsonyhőmérsékletű abszorbciós tényező egyenlő az alacsony hőmérsékletű emissziós tényezővel Így magas hőmérsékletű elnyelés és az alacsony hőmérsékletű kisugárzás kifejezhető az a N /a A viszonyszámmal Egyes különleges felületbevonatolási megoldásokkal igen szélsőséges a N /a A viszonyok érhetők el, e megoldások a szelektív felületképzések. A tömegfal t teljesítm tménye jobb, ha az üvegezés keretaránya kicsi, az üvegezés hőátbocsátási tényezője kicsi, éjjel a hőveszteséget a társított szerkezet csökkenti, az elnyelő felület abszorciós tényezője nagy, vagy felületképzése szelektív az opaque réteg hőtároló-képessége nagy, az opaque réteg hőátbocsátási tényezője nagy. A tömegfalban hőszigetelő réteg nem alkalmazható, hiszen az akadályozná a helyiség felé irányuló hőáramot. Ezért borult időben vagy éjjel a tömegfal hővesztesége nagy, mert hőátbocsátási tényezője k=1,0-1,2 W/m2K.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Tömegfal Ilyen a homlokzaton És ilyen árnyékvetővel
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Tömegfal Vízfal Olyan tömegfal, amelyben az opaque réteg helyett tározó (esetleg üvegből készült) edényekben víz van. Ennek hőtároló-képessége a szilikát réteghez képest tízszeres (ötszörös fajhő és a víz hőmérsékletkülönbségen alapuló) okozta keveredése miatt. Fázisváltó fal Hőtárolásra előnyösen használhatók olyan anyagok, amelyek szilárd-folyékony fázisváltása alkalmas hőmérsékletszinten megy végbe. Ilyen anyagok 16, 20, 29, 32, 35, 50-60 C fázisváltási hőmérséklettel, 120-180 kj/kg fázisváltási hővel ismeretesek. Addig, amíg a fázisváltás le nem játszódik, a hő felvétel vagy leadás állandó hőmérsékleten megy végbe. Ilyen anyagok edényekben, méhsejt szerkezetekben, műanyagmátrixokban való beépítésével egy szerkezet vagy helyiség hőtároló képessége jelentősen növelhető. Egy különleges beépítési módot mutat az ábra: a forgatható elemeknek nappal a tárolós, éjjel a hőszigetelt oldala néz kifelé.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Trombe fal Szerkezetileg egy masszív külső falból (a "tömegfal") és az eléépített üvegezésből áll. Ezt mozgatható árnyékoló-szerkezet, valamint a tömegfalban és az üvegezésben kialakított, nyitható-zárható szellőzőnyílások egészítik ki. A tömegfal külső felületét nagy abszorpciós tényezőjű, "sötét" színezéssel, felületképzéssel látják el. Itt történik a sugárzásos hőterhelés elnyelése, amelyet a nagy tömegű fal tárol és késleltetéssel a helyiségbe juttat. A fal külső rétegeiben maradt tárolt hőnek a "lemosása" a tömegfalon átmenő szellőző járatok nyitásával, természetes légkörzéssel valósítható meg. Az árnyékolók télen éjszaka a kihűlés, nyáron napközben a túlzott felmelegedés ellen védenek, ez utóbbi célt szolgálhatják az üvegezés esetleges szellőzőszárnyai is. Fontos a helyes működtetés - ha a szellőzőnyílások éjszaka nyitva lennének, a helyiségből távozna a hő és a légrétegben az üvegezésen páralecsapódás következne be.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Trombe fal Télen nappal a társított szerkezet nyitva van. A szellőző csappantyúkat akkor célszerű kinyitni, ha az elnyelő felület hőmérséklete magasabb, mint a helyiség levegőjének hőmérséklete és az adott időszakban a fűtőteljesítményre valóban szükség van. Télen éjszaka a társított szerkezet és a csappantyúk zárva vannak a kifelé irányuló veszteségáram mérséklése végett.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Trombe fal Nyáron nappal a társított szerkezet zárva van, hogy az elnyelő felületre minél kevesebb napsugárzás jusson. Nyáron éjszaka a társított szerkezet nyitott, az üvegezés szellőzőszárnyai - ha vannak - nyitottak, hogy a fal lehűljön.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Trombe fal A Trombe fal teljesítm tménye jobb, ha az üvegezés keretaránya kicsi, az üvegezés hőátbocsátási tényezője kicsi, éjjel a hőveszteséget a társított szerkezet csökkenti, az elnyelő felület abszorciós tényezője nagy, vagy felületképzése szelektív, az opaque réteg hőtároló képessége nagy, az opaque réteg hőátbocsátási tényezője nagy. a szellőzőcsappantyúk nyitása-zárása a megfelelő időben történik. A Trombe falban hőszigetelő réteg nem alkalmazható, hiszen az akadályozná a helyiség felé irányuló hőáramot. Ezért borult időben vagy éjjel a Trombe fal hővesztesége nagy, mert hőátbocsátási tényezője k=1,0-1,2 W/m2K. A szellőző csappantyúk helytelen működtetése a teljesítményt rontja, állagkárosodáshoz vezethet (ha éjjel a helyiség levegője a hideg légrétegbe jut, páralecsapódással kell számolni).
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Trombe fal A homlokzaton így néz ki
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés A transzparens (átlátszó) hőszigetelések lényege az, hogy a külső falak külső síkját a napsugárzást többé-kevésbé áteresztő hőszigeteléssel burkoljuk. A beeső sugárzási energia java részének elnyelése a hőszigetelés mögött, a fal síkján történik. Ezt a síkot a környezettől a hőszigetelő réteg választja el, az elnyelt energia nagy része - a könnyebbik utat választva - a kis ellenállású, nagy tárolóképességű falba hatol be. A hőszigetelés és a fal érintkezési síkján olyan magas hőmérséklet alakul ki, hogy a helyiségnek a szerkezeten keresztül hőnyeresége van. A legfontosabb technikai problémát éppen az előbb leírt folyamat jelenti - az anyagok károsodását (és a helyiség túlzott felmelegedését) megelőzendő ugyanis a külső felületet nyáron védeni kell a sugárzástól. Ez árnyékolással, hőhatásra elsötétedő különleges (fototróp, termotróp) üvegezéssel, szellőztetett légréteg beiktatásával lehetséges.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés A transzparens szigetelésű falak tipikus struktúrái: párhuzamos fóliák, a falra merőleges tengelyű, áttetsző palástú hengerekből, hatszögletű hasábokból álló (végein nyitott) sejtszerkezetek, üveg és/vagy fóliák közé kasírozott granulátum, szálas-anyag, aerogél.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés A transzparens fal a fűtési f idényben nappal A sugárzás egy része a transzparens rétegben, nagy része a teherhordó réteg külső felületén nyelődik el. Az elnyelő felület hőmérséklete megemelkedik, a helyiség felé hőáram indul meg (vagy kisebb nyereség esetén legalábbis a helyiség hővesztesége csökken). Hőáram természetesen az elnyelő felülettől kifelé is kialakul, ez azonban a transzparens hőszigetelő réteg nagy ellenállása miatt csekély lesz. A hőáramok fordítottan arányosak az elnyelő felülettől kifelé és befelé mért hőátbocsátási ellenállásokkal, ezért a helyiség felé irányuló hőáram nagy lesz. A teherhordó rétegen át a hőáram csillapítva és időben késleltetve jut a helyiségbe.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés A transzparens fal nyáron Az elhomályosodó termotróp üvegezés a napsugárzásnak csak 10-20%-át engedi át. Termotróp üvegezés helyett hagyományos árnyékoló is alkalmazható a külső oldalon vagy az üvegezés és a transzparens szigetelés között. Ha a transzparens szigetelés sugárzás áteresztő képessége nagy, nagy vastagság alkalmazása célszerű. Ha a transzparens szigetelés sugárzás áteresztő képessége kisebb, a vastagságnak határozott minimuma van, ahol a réteg még elég sok sugárzást átereszt, de már elég jól szigetel.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés A transzparens szigetelés s beépítése A transzparens szigetelést az időjárási hatásoknak ellenálló áteresztő (transzparens) réteg mögé kell beépíteni. A nem kívánt nyári felmelegedés és a szigetelőanyag ebből eredő károsodásának megelőzése végett a falat nyáron a besugárzástól védeni kell. Ez történhet külső mozgatható árnyékolóval, az üvegfedés és a szigetelés közötti mozgatható árnyékolóval, adott hőmérséklet felett elhomályosodó termotróp üvegezéssel (két üvegtábla között 1-10 mm vtg. gélréteg). A szigetelés és a fal között gyakran 1 cm légrést hagynak, hogy a szigetelőanyag a magas hőmérsékletű elnyelő-felülettel közvetlenül ne érintkezzék. Ez egyúttal a párakiszellőztetést is szolgálhatja. A transzparens szigetelés szokásos vastagsága 4-8 cm, hővezetési ellenállása 0,8-1,6 m2k/w, sugárzásáteresztő képessége 0,5-0,7. Kisebb teljesítményű rendszereknél áttetsző vakolat alkalmazása is előfordul, ezek nyári védelme nem feltétlenül szükséges.
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés üveggyöngy adalékú speciális vakolat: A transzparens szigetelés üveggyöngy adalékú speciális vakolattal is kialakítható. Télen alacsony napállás mellett a struktúra lehetővé teszi a sugárzás bejutását nyáron viszont nem
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés a homlokzaton, a mellvéden
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés csarnok épületen, iroda épületen
Indirekt rendszerek Energia gyűjtő falak Transzparens szigetelés Beépítése
Indirekt rendszerek Napterek Energetikai működésem A naptér puffer-zónát képez az anyaépület és a külső tér között, ezzel az anyaépület hőveszteségét csökkenti. A naptér üvegezésén átjutó sugárzás egy része a naptér és az anyaépület közötti üvegezésen át az anyaépületbe jut és ott ugyanúgy fejti ki hatását, mint a direkt rendszerekben A naptér üvegezésén átjutó sugárzás egy része a naptér és az anyaépület közötti opaque szerkezetekre esik, amelyek a tömegfalhoz hasonlóan viselkednek.
Indirekt rendszerek Napterek Energetikai működésem A naptér üvegezésén átjutó sugárzás egy része a naptér padlójára esik. Ennek egy részét a padló elnyeli. A felmelegedett padló- és falfelületekről átadott hő a naptérben a léghőmérsékletet növeli, ezáltal az anyaépület hővesztesége tovább csökken, sőt egyes időszakokban az anyaépületbe nyereségáram jut. Padló- és falszerkezetek az elnyelt hőt éjjel leadják, ami az éjszakai órákban is csökkenti az anyaépület hőveszteségét.
Indirekt rendszerek Napterek Energetikai működésem Ha a friss levegőt vagy annak egy részét a naptéren át vezetjük az anyaépületbe, a friss levegő a naptérben előmelegedik, ezzel az anyaépület szellőzési hővesztesége csökken. Ha a naptér hőmérséklete 20 C-nál magasabb, a naptér és az anyaépület közötti nyílászárókon vagy szellőzőkön át konvektív hőáram juttatható az anyaépületbe.
Indirekt rendszerek Napterek Energetikai működésem Ha a friss levegőt vagy annak egy részét a naptéren át vezetjük az anyaépületbe, a friss levegő a naptérben előmelegedik, ezzel az anyaépület szellőzési hővesztesége csökken. Ha a naptér hőmérséklete 20 C-nál magasabb, a naptér és az anyaépület közötti nyílászárókon vagy szellőzőkön át konvektív hőáram juttatható az anyaépületbe.
Indirekt rendszerek Napterek Lakhatóság: A naptér az év tetemes részében értékes lakótérbõvület. Ha hőmérséklete eléri a 20 C-t, akkor az anyaépülettel összenyitható. Derült időben már 12-20 C esetén is kellemes hőérzet várható, mert az alacsonyabb hőmérsékletet az ott tartózkodókra jutó sugárzás kompenzálja, ilyenkor azonban a naptér és az anyaépület közötti nyílászárókat zárva kell tartani. Nyáron a lakhatóság alapfeltétele a jó árnyékolás és a nagyon intenzív természetes szellőztetés- a felső levegőkivezetésről feltétlenül gondoskodni kell. Ha a friss szellőző levegőt télen a naptéren át vezetjük az anyaépületbe, akkor az utóbbi energiamérlegét javítjuk, de a naptér hőmérséklete alacsonyabb lesz.
Indirekt rendszerek Napterek Pufferhatás: Nagyobb körülölelő hőtároló és hőt elvezetni képes tömeg A pufferhatás az alaprajz függvényében balról jobbra csökkenő mértékű Az üvegezés és a pufferhatás A társított szerkezetek és a pufferhatás
Indirekt rendszerek Napterek
Szoláris Légtechnika rendszerei Meghatároz rozása: A szoláris légtechnikai rendszerekben az energia szállítása áramló levegővel történik. A berendezésekben aktív, épületgépészeti rendszerek, energiabevitel nem történik Megkülönböztetünk nyitott és zárt rendszereket
Szoláris Légtechnika rendszerei Zárt áramkörü rendszer: A helyiség felől nézve az áramkör zárt, ha a hőhordozó légáram nem jut a helyiségbe, hanem légjáratos szerkezetekben kering. E szerkezetek úgy működnek, mint egy beágyazott sugárzófűtés. Előnyei: Hátránya: nincs higiénés probléma, a magas felületi hőmérséklet miatt jó hőérzet, a légjáratos szerkezetek nagyobb vastagságban átmelegednek, jó hőtárolás. legalább 25 C hőmérsékletű levegőt kell a légjáratokba juttatni, szellőztetést nem biztosít.
Szoláris Légtechnika rendszerei Nyitott áramkörű rendszer: A helyiség felől nézve az áramkör nyitott, ha a hőhordozó légáram a helyiségbe jut. Előnye: szellőztetés is biztosítható, ha a levegőt (egy részét) kívülről vezetjük a rendszerbe, bármilyen hőfokú levegő hasznosítható (t >ti -légfűtés és szellőzés, t < ti - a szellőző levegő előmelegítése) Hátránya: a hőtárolás hiánya, a légjáratok tisztításának szükségessége.
Szoláris Légtechnika rendszerei Szoláris fal: Az elnyelő felület mögött a fal hőszigetelt, a falon átmenő hőáram kicsi, az elnyelt energia jórészét a légáram juttatja a helyiségbe. Külső és helyiséglevegő is vezethető a légrétegbe. Csak addig hatásos, amíg sugárzás éri -időszakosan foglalt helyiségek számára célszerű. Energetikai és állagvédelmi szempontból egyaránt fontos a szellőző csappantyúk helyes működtetése.
Szoláris Légtechnika rendszerei Termoszifon rendszer: Az elnyelő felület az épülettől elszakad, a homlokzatok és a tető szabadon alakíthatók. A levegő hőtároló kőágyon is átvezethető.
Szoláris Légtechnika rendszerei Barra-Costantini rendszer: Zárt és kombináltáramkörrel egyaránt kialakítható. Célszerü például, ha az igényes helyiségek telekadottságok, utcavonal miatt az északi szektorba tájoltak.
Hibrid rendszerek Naptérre kapcsolt gépi g szellőztet ztetés: A naptérben felmelegedett levegőt a naptér legmagasabb pontjáról légcsatornán át elszívjuk és az anyaépületbe vezetjük. Főleg akkor célszerű, ha a naptér magas, (ezért abban a levegő hőmérséklet szerinti magassági rétegeződése jelentős) és a fűtendő helyiség "alacsonyan" van, a fűtendő helyiség nem érintkezik a naptérrel.
Hibrid rendszerek Fedetlen és s fedett légkollektor Rendszerint a tetőidomra ráépített vagy a héjalással szerkezetileg és funkcionálisan integrált, energiagyűjtő elem, az elnyelő felület tipikusan alumínium, esetleg szelektív felületbevonatolással, a hőhordozó közeg levegő. Fedetlen: A levegő az elnyelő lemez alatt áramlik, az elnyelő lemezt a teljes sugárzás éri, a kollektor hővesztesége nagy. Fedett: Az elnyelő lemez felett üvegezés van, a levegő vagy a kettő között áramlik, vagy az elnyelő lemez alatt áramlik.
Hibrid rendszerek OM szolár r rendszer Energiagyűjtés a tetőhéjalással integrált lég-kollektorral. Ennek első szakasza fedetlen (itt az áramló levegő hőmérséklete alacsonyabb, a hőveszteség kicsi), második szakasza fedett (a levegő az elnyelő lenez alatt áramlik). A levegő összegyűjtése a gerinc alatti légcsatornában. Kezelődobozban ventilátor, bordáscsöves hőcserélő használati-melegvíz készítésre, csappantyú - nyáron a levegőt innen a szabadba fújják, télen a szellőztetett légjáratos épületszerkezetekbe. Az áramkör kombinált. Télen az áramlási irány időnkénti pár perces megfordításával a tetőn hóolvasztás.
Aktív szoláris rendszerek HMV készítés Műszaki változatok: v Egy hőcserélő egy kollektor Egy hőcserélő egy kolletktor + elektromos fűtőpatron Két hőcserélő egy kolletktor + Közvetett fűtés
Aktív szoláris rendszerek A kollektor felület és a tároló-térfogat az épület és az aktív rendszer nagyszámú hőtechnikai paraméterének függvénye, tág határok között változhat. Első tájékoztató becslés: a kollektor felület az épület fűtött alapterületének harmada, a tároló térfogat (m 3 ) mérőszáma a kollektor felület (m 2 ) mérőszámának tizede.
ISOVER 6B Fejlesztette Dr. Zöld András