Épületszerkezeti elemekbe integrálható héjszerkezetű kollektorok című doktori (PhD) értekezés Fekete István Témavezető: Dr. Farkas István, DSc egyetemi tanár 1/37
Bevezetés Energia fogyasztás növekszik gazdaságosan kitermelhető készletek csökkennek (?/!) a környezetszennyezés növekszik!!! Megújuló energiák előtérbe kerülése Napenergia Vízenergiaa Szélenergia Geotermális energia Biomassza Új technológiák alkalmazásának szükségessége Tudományos kutatás 2/37
Bevezetés Hagyományos kialakítású rendszer A napkollektorok, napelemek megbontják az épületek egységét, esztétikáját. Az épületbe harmonikusan beilleszthetők legyenek a napenergia-hasznosító elemek. 3/37
Bevezetés Az új kialakítású rendszer Az egész tető dolgozzon, nem látszik a kollektortest. 4/37
Célkitűzések 1. Matematikai modell felállítása, napsugárzási energia elnyelődési és hővezetési folyamatának vizsgálata, kísérleti elemek pontosítása. 2. Próbatestek kialakítása különböző felületi bevonatokkal és réteg elrendezésekkel, napsugárzás elnyelődési, visszaverődési, hőegyensúlyi folyamatok vizsgálata. 3. Kollektor testek kialakítása, a szimulációs eredmények és a próbatesteken végzett mérések alapján, melyek egyben épületszerkezeti elemek is. 4. Vizsgáló berendezés létrehozása, mely alkalmas a mérendő kollektortestek különböző tájolások és beesési szögekhez beállított hőtechnikai, ill. összehasonlító méréseinek elvégzésére. 5. Módszer kidolgozása a napkollektorok hatásfok számítására, üzemi körülmények közötti módjára. Mérések megtervezése, értékelési módszer. 6. A hőmérséklet mérő műszerek pontosságának hatása a kollektor hatásfok görbe meghatározására, a költséges minősítési eljárások kiváltása. 7. Gazdaságossági számítások értékelő elemzése. A közgazdasági, pénzügyi megtérülési eljárások kibővítése műszaki jellemzőkkel. 5/37
Szakirodalmi áttekintés 1. Az elsődleges cél a nagy hatásfokú napkollektorok létrehozása. A nap sugárzási energiáját, lehetőleg a teljes spektrumtartományában, technológiailag optimalizálva, az elnyelő réteg jellemzőit, formáját alakítva, befogják és hőenergiává alakítva, hasznosítsák. 2. Jó minőségű, magas hatékonyságú kollektorokat alakítottak ki, de a felhasznált anyagok drágák, az előállítási költségek magasak. 3. Bonyolult és költséges vizsgálatok szükségesek egy új típusú kollektor műszaki jellemzőinek bevizsgálásához, hatásfok görbéjének megállapításához. 4. Fedés nélküli napkollektoroknál, abszorbereknél a fejlesztések segítségével csökkentették a súlyt. Műanyag, UV-álló, PVC kollektor felületeket, elemek alakítottak ki. Jellemzően fűtés- és víz előmelegítő rendszereknél, hősszivattyúk primer köreinek kialakításánál. 5. A felsorolt hiányok részbeni pótlása, valamint a matematikai és szimulációs módszerek hatékonyabb felhasználásának erősítése vezetett a dolgozatom megírása és a tézisek megfogalmazása során. 6/37
Anyag és módszer Eszközök és módszerek, amelyek segítségével épületelem kollektor kialakítására, fejlesztésére, vizsgálatára sor került. Kutatási munkához a modell alkotás során a műszaki hőtan hőátadási, hővezetési egyenleteit, a napkollektorok hatásfok számítási egyenleteket és az optimálási folyamathoz szükséges egyenleteket használtam. 1. Modellezés, szimuláció módszerei Hősugárzás leíró egyenletei Hővezetés leíró egyenletei Hőátadás leíró egyenletei 2. Épületelem kollektor matematikai modellezése MATLAB speciális programrendszert használtam, amelyet numerikus számítások elvégzésére fejlesztettek ki, képes mátrix számítások elvégzésére, függvények és adatok ábrázolására 7/37
Anyag és módszer 3. Próbatest kísérletek módszere Felületi hőmérséklet mérés elrendezés A kísérletek mérési eszközei 8/37
Anyag és módszer 4. A mérőrendszer kialakítása Az elméleti számítások igazolásához szükséges vizsgálatokat saját tervezésű és kivitelezésű kísérleti berendezésen végeztem. A megvalósított berendezésnél a kollektort tartó állvány hajlásszöge (30-45 ) és oldalszöge (0-360 ) állítható. Újonnan kialakított kollektortestek egyedi és gyári kollektorok összehasonlító mérési lehetősége. 5. Kollektor hatásfok meghatározás módszere Mért adataim kiértékelésére a faktoriális kísérleti módszert alkalmaztam. A faktoroknak a napkollektor hatásfokra gyakorolt hatásának vizsgálata, az elhanyagolható faktorok megállapítása, adott értelmezési tartományban a hatásfok ( ) megváltozása és a vizsgált faktorok (G, T) függvény kapcsolatának meghatározása. Valós körülmények közötti mérési adatok kiértékelésével tudok megállapításokat tenni. 9/37
Anyag és módszer 6. Adatfeldolgozó rendszer és eljárás Mérési adatfeldolgozás, nagy mennyiségű adat rögzítése, kiértékelése Elkészült egy mérés adatgyűjtő és kiértékelő szoftvert 10/37
Anyag és módszer 7. Hőmérséklet eloszlás mérése, értékelése A kollektor felületek hőmérséklet eloszlása nehezen mérhető hagyományos hőmérsékletmérő eszközök segítségével. Hőmérsékletek észlelésére és a modellezett, számított értékek igazolására infra kamerás felvételeket alkalmaztam. 11/37
Eredmények 1. Épületelem kollektor modellezése Az épületelem kollektor hőhasznosítása, veszteségei A főbb energiatényezők: 1. Közvetlen napsugárzás 2. Szórt napsugárzás 3. Visszaverődés 4. Konvekció általi veszteségek 5. Szél, eső, hó, konvekció 6. Vezetési veszteségek 7. Hasznos teljesítmény 12/37
Eredmények 1. Épületelem kollektor modellezése A napsugárzási energia elnyelődési, hővezetési folyamatának matematikai modellje és szimulációja A kollektor elem bemeneti / kimeneti rendszermodellje Egyik elem a következőnek adja át az energiát 13/37
Eredmények 1. Épületelem kollektor modellezése Az elnyelő elem elemi kialakítása, termikus egyensúlya T t I A t k ta A ta (T a T t ) k wt A w (T t c t m t T out ) T out k wt A w (T t T out ) m w c w (T out c w ρ w V w T in ) 14/37
Eredmények 1. Épületelem kollektor modellezése Épületelem kollektor szimulációs ábrája 15/37
Eredmények 1. Épületelem kollektor modellezése Változók felsorolása és a hozzájuk tartozó érzékenységi terület A kísérleti elemek optimálása (hőcserélő cső átmérő, hossz, hőközvetítő közeg térfogatáram) I=1000 W/m 2 T a =20 C T in =18 C l = 2 m l = 3 m 16/37
Eredmények 2. Épületelem kollektor szerkezeti optimálása A napsugárzási energia elnyelődés mérései I g = 600 W/m 2, T a = 20 C a durva, szürke színű beton felület hőmérséklete (1 m/s szélsebesség esetén: f = 20 W/m 2 K, α conc = 0,60) T t I g α f conc T a 600 0,6 20 38 C 20 I g = 600 W/m 2, T a = 20 C környezeti hőmérsékleten (α conc = 0,6, β = 5 W/m 2 K, a gl = 0,8) T t I g a α gl conc T a β 600 0.8 0.6 20 77.6 C 5 17/37
Eredmények 3. Cserépelem kollektor hőtani vizsgálata A napkollektorok elhelyezése legtöbbször tetőfelületre történik, fő célom ezek esztétikai okokból történő kiváltása, ezért használtam a továbbiakban a betoncserép formát. A betoncserép formája, méretei korlátokat adtak a hőcserélő rész kialakításában, elhelyezésében. Az optimális csőtávolságtól el kellett térni az eredeti betoncserép formai sajátosságai miatt. A legyártott cserépelem 18/37
Eredmények 3. Cserépelem kollektor hőtani vizsgálata A mérőrendszer kialakítása Kétkörös szolár rendszer. A két kör közötti kapcsolatot külső hőcserélő biztosítja. A keringetés kétfokozatú szivattyúk segítségével történik. 19/37
Eredmények 3. Cserépelem kollektor hőtani vizsgálata A cserépelemek hidraulikai kapcsolása Az állványzatra helyezett cserépkollektor felület (~2m 2 ) 20/37
Eredmények 3. Cserépelem kollektor hőtani vizsgálata A modell mérési úton történő validációja A modellezett, számított hőmérsékletek igazolására infra kamerás felvételeket alkalmaztam. Az infra kamerás felvételek pontossága (szoftveresen) ± 0.1 C pontosságú. 21/37
Eredmények 4. Kollektor hatásfok görbe meghatározási módszer η η 0 k 1 ΔT I g k 2 ΔT I g 2 ΔT T m T a T T T m in out T 2 in ahol, T m [ K ], a folyadék közepes hőmérséklete, T a [ K ], külső léghőmérséklet, T in [ K ], a folyadék belépő hőmérséklete, T out [ K ], a folyadék kilépő hőmérséklete, I g [ W/m 2 ], a kollektorra merőlegesen érkező globális sugárzás, k 1, hőveszteségi tényező (hővezetés) k 2, hőveszteségi tényező (hősugárzás), 0, optikai hatásfok. 22/37
Eredmények 4. Kollektor hatásfok görbe meghatározási módszer Kísérleti terv készítése Adataim kiértékelésére a faktoriális kísérletet alkalmaztam, a sugárzás és a hőfokváltozás hatását határoztam meg kísérlettel a hatásfokra. Felvettem a vizsgálati tartományt, az eredmények ebben a tartományban érvényesek. Kijelöltem a kísérleti beállításokat, megvalósíthatóságát ellenőriztem. A kísérleti eredmények kiértékelését megterveztem, a modell helyességét megvizsgáltam. Vizsgáltam: a napsugárzás intenzitás, a levegő hőmérséklet napi, a belépő közeg hőmérséklet, a kilépő közeg hőmérséklet lefutását, dinamikáját. A puffer tartály méret meghatározását, a tömegáram nagyságát. 23/37
Eredmények 4. Kollektor hatásfok görbe meghatározási módszer A kollektor hatásfok diagramjának meghatározása A számított optikai hatásfok 0 = 0,776. A hatásfok görbe egyenlete az ábrán, kitevők alapján az elsőfokú hőveszteségre (hővezetés) jellemző érték k 1 = 4,24 W/m 2 K, a másodfokú hőveszteségre (hősugárzás) jellemző érték k 2 = 0,008 W/m 2 K 2, 800 W/m 2 nél. A gyári adatok Vitasol 100-AP-20: 0 = 0,81, k 1 = 3,78 W/m 2 K, k 2 = 0,013 W/m 2 K 2, 800 W/m 2 nél. Méréseim alapján 3,5%-kal rosszabb optikai hatásfok jött ki, és a hőveszteségi tényezők is nagyobb értékűek (a gyári adatok pontossága?). 24/37
Eredmények 4. Kollektor hatásfok görbe meghatározási módszer Az előzetes mérési és modellszámítási adatok alapján a cserépkollektor hatásfok görbéje az ábrán jelölt területre esik. 25/37
Eredmények 5. Eljárás a kollektor hatásfok görbe pontossági minősítéséhez Az átlagos műszaki gyakorlatnak megfelelő ±0,1 C mérési pontosságú eszközökkel mért értékek alapján végeztem el a hatásfok számításokat. Megvizsgáltam a ±0,01 C és az ±1 C pontosságú bemenő adatok hatását a számítások végeredményére, a kollektor hatásfok görbe meghatározására. Mérőműszerek pontossága mellett fontos a méréstechnikailag helyesen felépített mérések végzése. 26/37
Eredmények 6. Eljárás a kollektorok gazdaságossági számításához Keverednek a gazdaságossági szempontok a környezetvédelem, a jövőért érzett felelősség szempontjaival. Nem veszik figyelembe a számítási módszerek alkalmazhatósági korlátait (pl. magas infláció). Előrejelzés pontossága (?). Egy korábbi, 10 éves beruházás értékelése. 27/37
Eredmények 6. Eljárás a kollektorok gazdaságossági számításához A beruházás gazdasági és üzemeltetési értékelése A vezetékes gáz fogyasztói átlagár alakulása Napkollektor relatív előállítási költsége és a beépített összes kapacitás alakulása az EU27 adatai alapján Előzetes pénzügyi elemzések - kedvezőtlen, hosszú idejű megtérülés - tényleges energia árak emelkedése jelentősen lerövidítette - a fejlesztések, gyártási eljárások hatékonysága fejlődik - kutatás és ipar rendszerintegráció - a rendszerek telepítési költsége csökken. A termikus napenergia rendszerek versenyképesek! 28/37
Új tudományos eredmények 1. Az épületelem kollektor modellezése Kidolgoztam egy fizikai alapú matematikai modellt, amely közvetlenül felhasználható az épületelem kollektor termikus folyamatainak modellezésére. A modellt az épületelem kollektor rétegeinek hő- és anyagtranszport-folyamatait leíró differenciálegyenletek összekapcsolásával állítottam elő, amelynek segítségével a cserépelem hőmérsékletére (T t ) és kilépő folyadék munkaközeg hőmérsékletére (T out ) a következő egyenleteket vezettem be: T t I A t k ta A ta (T a T t ) k wt A w (T t c t m t T out ) T out k wt A w (T t T out ) m w c w (T out c w ρ w V w T in ) A modellt egy megépített cserépkollektoros rendszer mérésével validáltam. Megállapítottam, hogy a modellel az elemek felületi hőmérsékletére vonatkozóan mintegy 0,5 C-os becslési pontosság érhető el. 29/37
Új tudományos eredmények 2. Az épületelem kollektor szerkezeti kialakítása A modellel végzett szimulációk eredményei és az épületszerkezeti anyagok napsugárzási energia elnyelődés mérései alapján javaslatot tettem a cserépelem optimális formájára, méreteire, a hőcserélő rész kialakítására és annak térbeli elhelyezkedésére. Meghatároztam továbbá a csőtávolságokat az eredeti betoncserép formai és szilárdságtani sajátosságainak megfelelően. Mérések segítségével igazoltam, hogy az optimalizált cserépelemekből kialakítható egy átlagos napkollektornak megfelelően működő épületelem kollektor. 30/37
Új tudományos eredmények 3. Kollektor modell hőfokeloszlása, mérési adatok validálása Bizonyítottam, hogy az épületelem kollektorok hőmérsékletmező vizsgálatára és a modellezés értékeinek validálására az infrakamerás érzékelős módszer alkalmazható. A felvételek elemzése alapján megállapítottam, hogy a cserépelemek hőmérsékletének mérési pontossága 0,1 C-nál kisebb hibával rendelkezik a kiemelt (A - munkaközeg belépés, B munkaközeg kilépés, C cserépelem maximális hőmérséklet) pontokban is. A kidolgozott módszer segítségével meghatároztam az épületelem kollektor hőmérséklet eloszlás egyenetlenségeit, amelyek számbavétele segíti az elemek optimális szerkezeti kialakítását. A cserépelem jellegzetes hőmérsékleti területei 31/37
Új tudományos eredmények 4. Kollektor hatásfok görbe meghatározása Faktortér analízisre alapozva új módszert dolgoztam ki napkollektorok hatásfokának meghatározására az üzem közbeni mérési adatok statisztikai elemzése alapján. Ennek során X=(T m -T a )/G összevont változó függvényében megállapítottam a környezeti hőmérséklet, a kollektor közepes hőmérséklet és a globál sugárzás hatását napkollektor hatásfok értékére. A kidolgozott módszerrel az egyszeres üvegezésű, szelektív bevonattal ellátott síkkollektorok hatásfok függvényére (η) a következő összefüggést adtam meg identifikálva az optikai hatásfokot és a veszteségekre jellemző együtthatókat: η = -7,7693 X 2-4,2225 X + 0,7764. A bevezetett kollektor hatásfok görbe D 2 (X)= 0,9992 szórásnégyzet érték mellett illeszkedik a mérési adatokhoz. 32/37
Új tudományos eredmények 5. Eljárás a kollektor hatásfok görbe pontossági minősítéséhez Új számítási eljárást dolgoztam ki a hatásfok görbe megadására nagypontosságú mérőműszerek alkalmazása nélkül. A különböző mérési pontosságú eszközökkel mért értékek alapján bizonyítottam, hogy a normál pontosságú (±0,1 C) bemenő adatokhoz képest az egy nagyságrenddel nagyobb (±0,01 C) illetve az egy nagyságrenddel kisebb (±1 C) pontosság esetén sorrendben max. 0,014%-os illetve max. 2,5%-os eltérés mutatkozik a kollektor hatásfok függvények értékei között. A kisebb értékű eltérés a vízszintes tengely kezdő értékeinél, a nagyobb eltérés a nagyobb veszteségű működési tartományban mutatkozik. Mérési pontosság hatása a kollektor hatásfok görbére 33/37
Új tudományos eredmények 6. Eljárás a kollektorok gazdaságossági számításához Új eljárást dolgoztam ki a napkollektorok alkalmazásának gazdaságossági jellemzőire, megtérülési idejének számítására. Hosszú időszakra vonatkozó üzemeltetési adatok alapján gazdasági számításokkal igazoltam a napkollektorok megtérülési idejére a jelenleg alkalmazott közgazdasági alapú becslési módszerek pontatlanságát, alkalmazási korlátaikat. Az új, kidolgozott számítási eljárás figyelembe veszi a napkollektoros rendszerek árának csökkenési tendencia mutatóját, amely igazolható az európai napenergiás rendszerek piacának bővülésével. A beruházások eredményességének megítélését tovább javítja az externális költségekkel és a környezet terheléssel arányos tényezők bevezetése. Az új számítási módszer eredményei azt mutatják, hogy a napkollektoros rendszerek 20-25 éves műszaki élettartamán belül, a hagyományosan 15-18 évre becsült megtérülési időtartammal ellentétben, a tényleges adatok alapján, ugyanazon rendszer esetében, gazdaságilag 8-10 év körüli időszakban megtérülhetnek a beruházások. 34/37
Következtetések, javaslatok emelkedő környezetszennyezés - megújuló energiák alkalmazása ésszerűen, gazdaságosan és kombináltan költséges fejlesztési elképzelések mellett - kisebb hatékonyság, de olcsóbban - épületszerkezeti elemként kialakíthatók kollektor elemek a jelenleg használt kollektor hatásfok képlet - a kollektor közepes hőmérséklet nem tükrözi a valóságos hatásfokot - pontosabb szabályozás és nagyobb energia felhasználhatóság kollektorok gazdaságos üzemidejének kiterjesztése - rendszer elemeinek összehangolása - nem víz alapú szolárfolyadékok - kombinált rendszerek alkalmazása - kollektoros rendszerek fokozottabb elterjedése épületelemként kialakítható kollektorok - esztétikai okok - a városi-hősziget hatás csökkentése - építészetileg védett kialakítású épületek felújítása szigorodó épületenergetikai előírások teljesítése az új eljárások és megoldások felhasználása - napkollektorok hatékonysága - hatásfok ellenőrzés - gazdaságossági mutatók helyes megállapítása 35/37
Köszönetnyilvánítás Köszönöm témavezetőmnek, Dr. Farkas István professzor úrnak a kutatómunkám végzéséhez szükséges feltételek, valamint a megfelelő tudományos fórumokon való publikálási lehetőségek biztosítását. Köszönöm hasznos tanácsait és ösztönzését. Köszönöm a Fizika és Folyamatirányítási Tanszék munkatársainak minden segítségét és a kedves, emberséges környezetet, amelyben jó volt dolgozni. Kiemelten köszönöm családom és barátaim segítségét, feleségem és gyermekeim nélkülözhetetlen lelki támogatását. Köszönetemet fejezem ki mindazok felé, akiket név szerint ugyan nem tudtam itt megemlíteni, de valamilyen módon hozzájárultak e munka létrejöttéhez. 36/37
Publikációk No. Az értekezés témaköréhez kapcsolódó publikációk Publikációk száma 1. Lektorált cikk idegen nyelven 3 2. Lektorált cikk magyar nyelven 3 3. Nemzetközi konferencia kiadvány 4 4. Magyar nyelvű konferencia kiadvány 4 5. Nemzetközi konferencia absztrakt 1 6. Egyéb 14 7. Összesen 29 37/37
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!