Tudományos és Művészeti Diákköri Konferencia Kecskeméti Református Gimnázium napkollektoros rendszerének energetikai mérlege Szerzők: Csősz Tibor és Bárdos Máté tanulók Sikó Dezső felkészítő-tanár Kecskemét, 2010. november 1
Tartalomjegyzék 1. Rezümé 3. oldal 2. Gimnáziumi tanuszoda bemutatása, energiaellátása 4. oldal 3. Kutatómunkánk leírása és eredménye 7. oldal 4. Következtetéseink 9. oldal 5. Cselekvési javaslataink 10.oldal 6. Felhasznált szakirodalom 11.oldal 2
1. Rezümé A kutató munkánk célja a gimnáziumi tanuszoda és a hozzá tartozó sportlétesítmények energiatakarékos üzemeltetése napenergia felhasználásával, a mérési eredmények tükrében az energiaveszteségek felszámolásával. A gimnáziumi tanuszoda jelentős mértékben járul hozzá tanulóink egészséges, környezetbarát és energiatakarékos életmódjának kialakításához. Mindez jelentős beruházást, folyamatos karbantartást és működési költségeket tesz szükségessé. Jelentős és állandó kiadást képvisel a rendszer állandó hőmérsékleten való tartása. A medencetér és a kiszolgáló egységek termikusenergia-ellátását nagy teljesítményű kondenzációs gázkazánok biztosítják, de a napsütéses időszakokban jelentős segítséget nyújt a tetőtérbe épített napkollektoros rendszer. A termelt hőenergiát nagyteljesítményű keringető szivattyúk és hőcserélők juttatják el a felhasználási helyszínekre. A kazánház a főépület tetőterében található, a medencetér a kiszolgáló egységekkel a földszinten, több mint 150 méterrel távolabb; a napkollektorok 30 méter szintkülönbséggel dolgoznak. A fűtő- és a vízellátó rendszer párhuzamosan működik, egymást kölcsönösen befolyásolják. A napi megvilágítási változásoknak és hőingadozásnak megfelelően gravitációs ellenáramlások is megjelennek, melyek szintén energiaveszteséget idéznek elő. A termelt hőenergia szállítása, elosztása a szükségleteknek és a környezeti hatásoknak megfelelően történik. A szállítási, hőszigetelési veszteségek mellett sajnos a tanulók magatartása is fontos tényező az energiatakarékos használat és működtetés hiányosságaiban. A pontos mérés és számítás meggyőzően hat nemcsak az iskolai energiafelhasználásra, hanem a saját otthonunk energiatakarékos és környezetbarát fenntartásához is. A mérőórák felszerelésével, egy leolvasó és feldolgozó program telepítésével az informatika valós gyakorlati alkalmazását valósítottuk meg. Jelenleg naponkénti adataink vannak a kollektorok, hőcserélők és részben a házkazánok működéséről. A mért és számított adatok ismeretében pontosabban tudjuk becsülni az energiaveszteséget, mind helyileg, mind mennyiségileg. Konkrét, hosszú távú, folyamatos mérési adatok alapján meghatározhatjuk a takarékossági és ésszerű felhasználási irányokat. Az energiaveszteségi helyek ismeretében hőszigetelési munkálatokat végezhetünk, beavatkozhatunk a gravitációs ellenáramlásokba, csökkenthetjük a pazarlást és hozzájárulhatunk az ésszerű, energiatakarékos üzemeltetéshez. 3
2.Gimnáziumi tanuszoda bemutatása és működése A tanuszoda gimnáziumunk sportszárnyának földszintjén található. Nagysága 25 méter hosszú, 10 méter széles és 1,3 méter mély (1.ábra), térfogata: 325 m 3. 1.ábra Energia felhasználás: - hő energia (2240 MJ/nap-kora ősz) - medencetér - kiszolgáló egység - légtér - elektromos energiaszükséglet(320 kwh/nap-kora ősz) - medencetér - világítás - légcserélő - gépészeti működtetés (szivattyú) - kiszolgáló egység ellátása - világítás -hajszárítás Energiaforrások: Az elektromos energiát a nemzeti villamos-energiahálózatbiztosítja. (320kWh/nap) Hőenergia ellátás: -kiszolgáló egység -medencetér -Földgáz üzemű kondenzációs kazánok (2. ábra) 2. ábra 4
A termelt hőenergiát a kazánoktól a felhasználási helyig hőszigetelt csőrendszer (3. ábra) segítségével juttatjuk el. A kiszolgáló egység melegvízszükségletét hőszigetelt tárolók (4. ábra) biztosítják. 4.ábra 3. ábra -Napenergia - napkollektorok A napos időszakokban jelentős hőenergia nyerhető a tetőtérre telepített 52 db (104 m 2 ) síkkollektor (5. ábra) segítségével. 5. ábra 5
A tetőtérben megtermelt hőenergiát hőcserélők (6. ábra) és szigetelt csőrendszeren keresztül juttatjuk el a kiszolgáló egységhez és a medencetérhez. 6. ábra A padlástéri hőcserélő átadja a termelt hőenergiát a tanuszodát kiszolgáló egységeknek, ugyanakkor szétválasztja a tetőtéri fagyállóval működő kültéri rendszert a beltéri nagynyomású vízzel feltöltött hőszállító rendszertől.(7. ábra) 6 7. ábra
3. Kutatómunkánk leírása és eredménye A gimnáziumi tanuszoda energetikai rendszere folyamatos működéséből adódóan számos érdekes és tanúságos megfigyelési és mérési eredményeket hozott. A szükséges hőenergia termelés, szállítás és tárolás mindegyike akár különálló kutatási téma is lehetne. A 2008-2009-es tanévben a tanuszoda energetikai rendszerének napenergiás összetevőjét vettük alapul. A tetőtérre szerelt 52 db síkkollektor elvileg 150 kw működési teljesítményt biztosítana optimális megvilágítás és keringtetés esetén. Az előző években pályázati segítséggel beszerelt műszereinkkel bemértük és kiszámítottuk, hogy valóságban a felhasználó egységekhez 60-70 kw teljesítménnyel tudunk hőenergiát biztosítani. Ez a lehozott teljesítmény megoszlik a medencetér és a kiszolgáló egységek hőtárolói között. Számításaink felefele arányra engedett következtetni, de a tanév során beszerelt harmadik hőmennyiségmérő (9. ábra) megcáfolta elképzelésünk. A tanuszoda medenceterének óriási a hőenergia felvevő képessége, a begyűjtött hőenergia 1:2 arányban oszlik meg. A párhuzamosan folyamatosan mérő egységek adatai alapján a hőveszteségekre is becsléseket végezhetünk illetve számolhatunk. A téli időszakban ez elérheti a 15-20 %-t, a nyári időszakban ez 5-10 % körüli. Ezt a veszteséget a rendszer hőszigetelésének javításával, illetve az alacsonyabb hőmérsékleten történő keringetéssel lehetne csökkenteni. A beépített mérőegységek a keringési hozamot is regisztrálják, ebből tudunk mennyiségi következtetéseket is levonni. A nagyobb keringési 8 ábra sebesség csökkenti az energetikai veszteséget. A beépített CF Echo II. hőmennyiségmérők folyamatosan rögzítik az áramlási hozamot, hőmérsékleteket és ebből meghatározható a pillanatnyi teljesítmény. A mérőórákba telepített M-Bus rendszerű kiolvasó kártyák lehetővé teszik a távkiolvasást, azok számítógépes tárolását és feldolgozását. A beszerzett adattároló és nyomtató pedig nagy lehetőséget biztosít az adatfeldolgozáshoz és kiértékeléshez. A rendszer üzembe helyezésénél komoly gondot okozott a hatalmas csőrendszer légtelenítése. Az ultrahangos mérőegységek a légzsákok miatt gyakran leálltak, vagy téves adatokat szolgáltattak. Kezdetben néhány napig kényszerkeringtetést alkalmaztunk, így sikerült a légtelenítést megoldani. A kiolvasó egységek bekábelezése a medence térőtől a tetőtéren keresztül a fizika laborig, komoly kihívást jelentett. Bizonytalanok voltunk, hogy a majdnem 300 m UTP kábelen az alacsony feszültségű jelek biztosítják-e a szükséges kiolvasási és vezérlési 9. ábra 7
lehetőséget. Örömünkre az árnyékolt kábel megfelelő lett, a telepített kiolvasási és feldolgozási program felismert a hőmennyiség mérőket és így folyamatosan nyomon lehet követni a rendszer működését. A projekt során a megfigyelés mellett a konkrét mérési eredmények modern informatikai feldolgozását és megjelenítését valósítottuk meg. A természettudományok szoros kapcsolata tükröződik a közös tevékenységen keresztül. A beszerzés, beépítés, a mérőegységek bekábelezése az informatikai rendszer beüzemelése, a csoportmunka, az összedolgozás és felelősségteljes munkaszellemet erősítette. Költségvetésünkben a beszerzett fontosabb műszaki egységek az alábbi célt szolgálják. A CF Echo II hőmennyiségmérő a medencetéri hőenergia felhasználását méri, a kiolvasó M-Bus+2 vízmérő kártya lehetővé teszi a távkiolvasást és kapcsolódást az informatikai rendszerünkhöz. 3.kép, számítógép A Styl SX 400 Multifun egység segít az adattárolásban a modern feldolgozásban és megjelenítésben. Az elért eredmények és kiépített rendszer igazolja a modern eszközök és technológiák felhasználásának és megismerésének fontosságát a középiskolai oktatásban. Mérési eredményeink: (10. ábra) padlási mérőállás padlás kiszolgáló egység mérőállása kiszolgáló egység medencetér mérőállása medencetér 2009. jún. 281,68 GJ 27,55 GJ 70,41 GJ 5,35 GJ 58,18 GJ 23,11 GJ júl. 323,02 GJ 41,34 GJ 75,00 GJ 4,59 GJ 96,14 GJ 37,96 GJ aug. 355,07 GJ 32,05 GJ 77,90 GJ 2,90 GJ 126,38 GJ 30,24 GJ szept. 381,43 GJ 26,36 GJ 81,30 GJ 3,40 GJ 150,64 GJ 24,26 GJ okt. 391,40 GJ 9,97 GJ 82,93 GJ 1,63 GJ 159,30 GJ 8,66 GJ nov. 394,91 GJ 3,51 GJ 83,01 GJ 0,08 GJ 162,80 GJ 3,50 GJ dec. 395,68 GJ 0,77 GJ 83,62 GJ 0,61 GJ 162,91 GJ 0,11 GJ 2010. jan. 396,12 GJ 0,44 GJ 83,99 GJ 0,37 GJ 162,91 GJ 0,00 GJ febr. 397,10 GJ 0,98 GJ 84,88 GJ 0,89 GJ 162,91 GJ 0,00 GJ márc. 408,25 GJ 11,15 GJ 86,94 GJ 2,06 GJ 172,22 GJ 9,31 GJ ápr. 427,04 GJ 18,79 GJ 91,59 GJ 4,65 GJ 186,92 GJ 14,70 GJ máj. 445,11 GJ 18,07 GJ 95,53 GJ 3,94 GJ 201,89 GJ 14,97 GJ jún. 471,80 GJ 26,69 GJ 100,19 GJ 4,66 GJ 224,61 GJ 22,72 GJ júl. 503,90 GJ 32,10 GJ 104,16 GJ 3,97 GJ 254,03 GJ 29,42 GJ aug. 534,83 GJ 30,93 GJ 106,72 GJ 2,56 GJ 283,27 GJ 29,24 GJ szept. 548,45 GJ 13,62 GJ 107,95 GJ 1,23 GJ 295,86 GJ 12,59 GJ 8
10. ábra 4. Következtetéseink A hőenergia-termelés a felhasznált energiaforrásoktól függetlenül mindig veszteséggel történik. Ez a veszteség negatívan érinti tanuszodánk folyamatos működését. A veszteségek csökkentése érdekében a mérési adatok alapján meghatározhatjuk a kritikus helyeket. Rendszerünkben ezek az alábbiak lennének: - A padlástéri melegvizes hőenergia-szállítás - A padlástéri, medencetéri és kiszolgáló egységek hőcserélőjének elhelyezése - A napkollektoros rendszer tetőtéri vezetékeinek hőszigetelése - A szállítócsövek hideg, melegvizes csőrendszer melleti vezetése 9
- A tanuszoda szellőztetőrendszerének túlműködtetése - A tanuszoda fémnyílászáróinak hővesztesége (11. ábra) 11. ábra Méréseink azt igazolják, hogy a hőenergia-átadás rendszerünkben változó veszteséggel történik. A meleg időszakban alacsonyabb( 2-5 % ), míg a hidegebb időszakban magasabb (16-20% ). Kutatásaink rávilágítanak arra, hogy az energiaveszteség függ: - A termelt energia mennyiségétől - Az éghajlati viszonyoktól - A felhasználás intenzitásától - A felhasználási szokásainktól 5. Cselekvési javaslataink Tanuszodánk energiatakarékos működtetésénél a felhasznált hő- és villamosenergia költségei csökkentése érdekében az alábbi javaslatokat tennénk: 12. ábra A rendszer alapos átvizsgálása A hőcserélők periodikus tisztítása A hőszigetelés javítása A nagy veszteségforrások megszüntetése A rendszer folyamatos üzemeltetése A pazarlások visszaszorítása Folyamatos mérés és megfigyelés Népszerűsítés, tájékoztatás 10 13. ábra
6. Felhasznált szakirodalom 1. www.naplopo.hu 2. Fizikai szemle 55.évf. 1. szám 3. www.foek.hu 4. www.gia.hu 5. Budó Ágoston: Kísérleti fizika 1. kötet 11