Energiatakarékossági szemlélet kialakítása 12. Megújuló energiaforrásokat is használó komplex hőtermelő rendszer családi házakhoz Mottónk: „ A korlátozott készletekkel való takarékosság a jövő generációja iránti felelősségteljes kötelességünk.”

Egy családi ház fűtésének megtervezése, megújuló energiaforrások alkalmazásával  A cél egy olyan komplex fűtési rendszer kialakítása, amely nagyobb részben megújuló energiaforrásokat használ  A jelentkező energiaigény nagy részét, a használt levegő és szennyvíz hőjének visszanyerése mellett, nap- és geotermikus energia ( hőszivattyú alkalmazása ) felhasználásával szeretnénk biztosítani  Az energiaigény csökkentésére fontos szempontok a hőleadás pontos szabályozhatósága, valamint az épületszerkezetek jó hőtechnikai tulajdonságai

A választott családi ház hőveszteségének meghatározása  Az épület egy alápincézett, tetőtér- beépítéses családi ház  Az alsó szint alaprajzát a következő dia tartalmazza  Az alaphőveszteséget az MSZ szabványban foglaltak szerint számítjuk ki  Az említett, Hőtechnikai méretezés című szabvány az alaphőveszteség minden tagjára részletes számítási ( méretezési ) metodikát tartalmaz

Földszinti alaprajz

A fűtési rendszer és az épület A fűtési rendszer feladata, hogy az adott épület, illetve helyiség hőveszteségét pótolja. Egy helyiség alap hővesztesége a következő összefüggéssel határozható meg: Q 0 =Q k +Q f -Q b -Q s ahol Q 0 - A fűtési hőszükséglet Q k - a külső transzmissziós energiaáram ( az épület határoló szerkezetein –fal, nyílászárók...- hővezetéssel távozó hőenergia ) Q f - a filtrációs hőszükséglet ( szellőzéssel, illetve a nyílászárók tökéletlen záródása miatt a réseken távozó hőenergia ) Q b - a belső hőfejlődés ( élő szervezetek, és gépek által termelt hőenergia ) Q s - a napsugárzásból származó hőenergia A hőveszteség fordított arányban változik a határoló szerkezetek szigetelő képességével. Minél jobban szigetelt egy épület, az alap hővesztesége annál kisebb.

A külső transzmissziós energiaáram számítása A számítás a lehülő felületek összegére határozza meg, az épülethatároló szerkezeteken hővezetéssel eltávozó energiamennyiséget. Az alapképlet: Q k = k*F*(t b -t k ) [W] Ahol Q k - külső transzmissziós energiaáram [W] k – az adott szerkezet hőátbocsátási tényezője[W/m 2 K] F – a felület [m 2 ] t b – belső hőmérséklet [ o C] t k – külső hőmérséklet [ o C]

A számításhoz szükséges alapadatok meghatározása Hőátbocsátási tényező: AA k-tényező megadja azt a hőmennyiséget (Joule), amit a határoló szerkezet 1m 2 felületén keresztül az elválasztott két tér közötti 1K hőmérséklet-különbség hatására 1 s idő alatt átbocsát.  k – külső hőátadási tényező [ W/m 2 K]  i – a szerkezeti rész vastagsága [m] i – a szerkezeti rész hővezetési tényezője [W/mK]  b – a belső hőátadási tényező [ W/m 2 K]

Külső, határoló főfal 1- nemes vakolat 1 =0,99 W/mK,  1 =1,5 cm 2-YTONG falazóelem 2 =0,16 W/mK,  2 =30 cm 3- mészvakolat 3 = 0,81 W/mK,  3 =1,5 cm  b = 8 W/m 2 K  k =23 W/m 2 K 1 2 3

Padlásfödém 1- fenyődeszka 1 =0,2 W/mK,  1 =2,5 cm 2- therwoolin hőszigetelés 2 =0,046 W/mK,  2 =15 cm 3- fenyődeszka 3 = 0,2 W/mK,  3 =2,5 cm 4- mészvakolat 4 = 0,81 W/mK,  3 =1,5 cm  b = 8 W/m 2 K  k =12 W/m 2 K

Tetőtér határoló fal 1- mészvakolat 1 =0,81 W/mK,  1 =1,5 cm 2-YTONG választófal elem 2 =0,16 W/mK,  2 =10 cm 3- therwoolin hőszigetelés 3 = 0,046 W/mK,  3 =10 cm  b = 8 W/m 2 K  k =12 W/m 2 K 1 23

Egyéb szükséges adatok Nyílászárók: Az ablakok kétrétegű hőszigetelt üvegezésűek k= 2,8 W/m 2 K Belső födém ( lefelé hülő ): 6 cm-es hőszigeteléssel ellátva, szabvány szerint k= 0,4 W/m 2 K Vonalmenti hővezetési tényezők ( szabvány szerint ): Nyílászáró kerületén k l =0,1 W/mK Falsarok k l =0,05 W/mK Válaszfal bekötés k l =0,1 W/mK Fal-födém csatlakozásnál k l =0,1 W/mK

Szükséges belső hőmérsékletek  Előszoba: 16 o C  Előtér: 20 o C  Nappali: 20 o C  Étkező: 20 o C  Konyha: 20 o C  WC: 18 o C  Mosókonyha: 16 o C  Fürdőszoba: 24 o C  Hálószoba: 20 o C  Szoba: 20 o C

Helységek hőveszteségének meghatározása

Alsó szint hőveszte- sége

Felső szint hővesztesége A számítások szerint az összes külső transzmissziós hőveszeteség kb.8 kW. Ez a kedvező érték az előírtnál jobb hőátbocsátási tényezőjű épületszerkezeteknek köszönhető.

A filtrációs hőszükséglet meghatározása A ház légtérfogata: AAlsó szint: 342 m 3 FFelső szint: 121m 3 FFűtött pinceszint: 89 m 3 ÖÖsszesen: V=552 m 3 A filtrációt a légcsereszámmal kell meghatározni. Az óránkénti légcsere (B) legyen félszeres ( tekintve a nagy légtérfogatot ) V = 552 m 3 B = 0,5 1/h  = 1.3 kg/m 3 ( a levegő sűrűsége ) C l = 0,28 Wh/kg ( a levegő fajhője )  t = 35 o C Q f =B*V*  *c l *  t= 0,5*552*1,3*0,28*35=3516 W Q f =3.5 kW

Alaphőveszteség kiszámítása  Az eddig kiszámított két tényezőn kívül ide tartozik még a belső hőfejlődés (kb. Q b =500W), valamint a napsugárzásból származó energiaáram (Q s ).  A napsugárzást csak a hőszükséglet menet számításánál vesszük figyelembe az idővel változó árnyékviszonyok és a szintén változó sugárzásintenzitás miatt.  Tehát: Q ö =Q o +Q f -Q b =8+3,5-0,5 Q ö =11kW

Az épület energiamérlegének elkészítése A méretezési hőszükséglet: 11kW (-15 o C)

A használati melegvíz előállításának energiaigénye 4 fő részére, napi 200 liter 45 o C-os kevert víz elegendő. Q hmv =V*c víz *(t m -t n ), ahol Q hmv - a felfűtési energia [W], V - a felfűtendő víz tömege [kg], C víz - a víz fajhője [ 4,18 kJ/kgK ], t m - a kívánt hőmérséklet [ 45 o C ], t n _ - a hálózati víz hőmérséklete [ 14 o C ] Q hmv = 200*4,18*(45-14)=25916 kJ = 7,19 kWh  Tehát az egy napra szükséges használati melegvíz felfűtéséhez szükséges energia 7 kWh

Az ablakok hőnyereségének meghatározása Tekintettel a fűtési időszak sugárzásviszonyaira, csak a déli tájolású ablakokat vesszük számításba. Az épület déli homlokzata:  Egész éves benapozottsággal rendelkezik 3 db tetősíkablak (45 o -os dőlésszög ), ezek effektív felülete: 3,36m 2.  Az oldalhatáron álló szomszédos ház árnyékoló hatása miatt az alsó szint ablakaira március és április hónapban csak 50%-os benapozottságot veszünk figyelembe  Az össz. felületük: 11,4 m 2, dőlésszögük:90 o

Ablakok szoláris hőnyeresége HónapokXXIXIIIIIIIIIV Napi átlagos sugárzás összege déli tájolás esetén [ Wh/m 2 ] dőlésszög=45[fok] dőlésszög=90[fok] Ablakok napi hőnyeresége [kWh/nap] b=45 o A=3,36m b=90 o A=11,4m Összes szoláris hőnyereség [kWh/nap]

Az épület energiamérlege a fűtési idényben októbernovemberdecemberjanuárfebruármárciusáprilis Havi átlaghőmérséklet [ o C ] Napi hőigény méretezési hőmérsékleten [kWh/nap] 264 A hőszükséglet aránya a névlegeshez Napi átlagos hőigény [kWh/nap] Szoláris hőnyereség [kWh/nap] Használati melegvíz hőigénye [kWh/nap] 7 Hőigény alakulása [kWh/nap]

Az épület hőenergia igénye a fűtési idényben októbernovemberdecemberjanuárfebruármárciusáprilis Napi átlagos hőigény [kWh/nap] A hónap napjainak száma a fűtési idényben Havi hőenergia igény [kWh/hónap] A fűtési idény energiaigénye [kWh]

Az épület hőszükséglet biztosításának megtervezése, megújuló energiaforrások felhasználásával AA hőtermelő rendszer központi része egy elektromos hajtású kompresszoros hőszivattyú lesz. AA hőszivattyú hőforrásaként használható:  n napkollektor mező  t talajkollektor  v víztöltetű évszakos hőtároló AA hőtermelő rendszer részét képezi egy 15 kW-os vegyestüzelésű kazán is, ami ún. „hidegkazánként” csak a rendszer meghibásodása esetén működik AA további tervezési lépések során fog kiderülni, hogy biztosítható-e a hőigény a tervezett elemekkel.

A napkollektoros üzem vizsgálata  Az épület déli tájolású, 45 o -os dőlésszögű tetősíkján A=30m 2 felület áll rendelkezésre a sugárzáshasznosítók elhelyezésére  Ez közelítőleg 28 m 2 effektív felületnek felel meg A napkollektorok lehetséges üzemmódjai:  Áprilistól októberig használati melegvíz előállítása (esetleg uszodavíz temperálása)  Nyár végén az évszakos hőtároló felfűtése  A fűtési idény kezdetén és végén az épület fűtése, közvetlen vagy hőszivattyúval segített üzemben  A téli hónapokban az évszakos hőtároló temperálása, ami ezáltal a hőszivattyú kedvező hőforrása lehet

Az évszakos hőtároló  Évszakos hőtárolásra víztöltetű, fém tartályt használunk  Térfogatát ajánlott a körülményekhez igazodva minél nagyobbra választani, a tárolható hőenergia növelése érdekében A kazánház alaprajza, ábrázolva a hőtermeléshez szükséges eszközök elhelyezését

Az évszakos hőtároló méretezése  A jelölt helyre D=3,1 m külső átmérőjű állóhenger fér el. A lehülő felület térfogathoz viszonyított arányának csökkentése érdekében a tároló magasságát h= 3,5 m-re választjuk  Előnyös, ha a tároló hőszigetelése eléri a k=0,15 W/m 2 K értéket, amihez a =0,035 W/mK hővezetési tényezőjű poliuretán hőszigetelésből 20 cm vastagság szükséges.  A tároló hasznos térfogatának meghatározása: A tároló MSZ 40-es durvalemez acélból készíthető a helyszínen. Mivel nyomásmentes tárolásról van szó, külön szilárdsági méretezés nem szükséges, korróziós szempontból a 4 mm megfelelő. Célszerű a tárolót csak annyira feltölteni, hogy a felfűtött víz szabadon tágulhasson benne, így elkerülhető a tágulási tartály alkalmazása Szükséges tágulási térfogat: A víz hőtágulási tényezője: =0, / o C Hőmérsékletkülönbség:  t=90 o C V tág =20000*0,00013*90=234 liter

Az évszakos hőtároló felfűtése A raktározható hőenergia: Felfűtés 90 o C-ig  Lehűtés 35 o C-ig ( közvetlen fűtés ) Q=V*c víz *  t=20000*4,18*(90-35)= kJ Q=1277 kWh  Lehűtés 10 o C-ig ( fűtés hőszivattyúval ) Q=V*c víz *  t=20000*4,18*(90-10)= kJ Q=1858 kWh Felfűtési idő meghatározása: júliusaugusztus napi sugárzásösszeg [Wh/m 2 d] napok száma31 havi hőnyereség [kWh] Az adatok alapján a felfűtést július közepén elegendő lenne elkezdeni, de a tároló transzmissziós hővesztesége (kb.0,6 o C/nap) miatt célszerű július elején elkezdeni.

A napkollektoros üzem hatásfokának vizsgálata  A fűtési idény elején és végén a napkollektorokról lehet közvetlenül fűteni, vagy a hőszivattyút hőforrásként táplálni.  Az utóbbi esetben a kollektorok üzemi hőmérséklete alacsonyan tartható, így javul azok hatásfoka! közvetlen üzem előremenő hőmérséklet35 o C visszatérő hőmérséklet45 o C hőszivattyús üzem előremenő hőmérséklet12 o C visszatérő hőmérséklet18 o C

t2t2 t1t1 tete t 1 - előremenő víz hőfoka [ o C] t 2 - visszatérő víz hőfoka [ o C] t e - levegő hőmérséklete [ o C] I- napsugárzás intenzitása [W/m 2 } I

Napkollektor hatásfok vizsgálata HónapokOktóberNov.Dec.Jan.Febr.márciusáprilis Napi sugárzásösszeg [Wh/m 2 ] Fűtés előremenő vízhőfok [ o C] Kollektor előremenő vízhőfok [ o C] Kollektor visszatérő vízhőfok [ o C] Külső hőmérséklet [ o C] Sugárzásátlag I [W/m 2 ] T' hatásfok  Elnyelt napi összeg [Wh/m 2 ] Elnyelt napi összeg [kWh]

Talajkollektoros üzem AAz előző ábrából az is kitűnt, hogy december és január hónapokban még a napkollektor-hőszivattyú kombinációval termelt hőenergia is minimális. TTehát ebben az időszakban tisztán a talajkollektor- hőszivattyú csoportnak kell biztosítani a hőigényt. A talajkollektorral működő hőszivattyús üzem esetén egy puffer (átmeneti) hőtároló alkalmazása a következő előnyöket jelentheti: Az olcsóbb éjszakai áramtarifa miatt a hőtermelés gazdaságosabb A hőszivattyú folyamatos üzeme jobb hatásfokot biztosít, elmaradnak a gyakori indításból adódó veszteségek A hőleadás a keringetőszivattyú vezérlésével könnyen és gazdaságosan megoldható

A hőtermelő rendszer kapcsolási rajza

A hőtermelés alakulása időrendben fűtés üzemmódok -X.15közvetlenül napkollektorral X.15.-XI.12.napkollektorról hőszivattyúval + közvetlenül az évszakos hőtárolóból XI.13.-XI.18.napkollektorról hőszivattyúval + hőtárolóból hőszivattyúval XI.19.-XI.30.napkollektorról hőszivattyúval + talajkollektorról hőszivattyúval XII.1.-I.31.talajkollektorról hőszivattyúval II.1.-III.20.napkollektorról hőszivattyúval + talajkollektorról hőszivattyúval III.21.-IV.5.napkollektorról hőszivattyúval IV.5.-közvetlenül napkollektorral

Várható megtakarítás  Az épület hőenergia igénye: kWh, ami a rendszerrel kielégíthető  A hőszivattyú hajtás energiaigénye: 5200 kWh  A keringető szivattyúk energiaigénye: 300 kWh  Tehát a hőtermelő rendszer összes energiafelhasználása kb kWh Ez 75%-os energia megtakarítást jelent!

A rendszer műszaki értékelése  A hőtermelő rendszer lehetővé teszi a megújuló energiaforrások széleskörű felhasználását úgy, hogy mindig képes a legkedvezőbb üzemmód megválasztására.  A rendszer ki tudja elégíteni a fűtési idényben jelentkező hőenergia igényt (beleértve a használati melegvíz energiaigényét is) foszilis tüzelőanyag elégetése nélkül.  Mivel a lehetséges üzemmódok ( 12 féle ) csak igen bonyolult kapcsolással oldható meg, olyan végrehajtó szervek és vezérlő elektronika szükséges, amelynek kicsi a meghibásodási lehetősége  A vezérléssel kapcsolatban fontos kritérium a teljes automatizáltság, és az üzemhibák biztonságos elhárítása

Köszönöm a megtisztelő figyelmüket! A következő előadás témája: Automatizálás az épületgépészetben