• benapozás
• nap

Szoláris energiaellátás: aktív, passzív, direkt és indirekt rendszerek

Szoláris fűtési rendszereknél a napsugár­zás energiahozamát a változó évszakoktól függően az adott időben és évi fordulóban az jellemzi, hogy irányfüggő és egyéb té­nyezők hatására véletlenszerűen változik.

Az épületekben a fűtésre, a napsugár­zás fűtőhatására általában akkor van szükség, amikor a sugárzási energia­hozam kisebb. Az adott építmény vagy tartózkodótér fűtésére az energia leadá­sát és annak tárolását minimum 24 órás ciklusra kell megtervezni. Vannak ese­tek, amikor ez a ciklus több napos vagy több hetes. Ilyenkor a „csapdába esett” napsugárzásból nyert hőmennyiséget kisebb-nagyobb akkumuláló (tároló) térbe vagy tömegbe „sűrítik be”, akár hosszabb távra is.

A szoláris rendszer főbb funkciói:

• a sugárzás csapdába ejtése és az ener­gia begyűjtése,
• begyűjtött energia tárolása,
• a betárolt energia leadása,
• az energia szállítása vagy közvetíté­se e három fő funkció között, ez az ún. köztes funkció (mértéke, illetve nagysága nagymértékben változhat).

Amennyiben az előzőekben felsorolt funkciók teljesítésére épületgépészeti megoldást, illetve rendszert alkalma­zunk, azt aktívnak, míg az építészeti kialakításút passzívnak nevezzük.

Az aktív rendszerek esetében a sugár­zást felfogó, illetve begyűjtő elemek, a kollektorok nemcsak épületre épített elemek lehetnek, hanem a tetőhéjalással kapcsolt vagy az épület falszerkezeté­nek külső felületét meghatározó és azzal összeépített rendszerek is. Az energia tárolása elsősorban víztartályokkal tör­ténik, de elképzelhető egyéb tárolóegy­ség is. A hőleadáshoz a központi fűtési rendszereknél ismert megoldások közül szinte bármelyik alkalmas, folyadékos rendszerű vagy kombinált légfűtéses egyaránt lehetséges. Az energia szál­lítására folyadékos fűtésnél a szivattyús, légfűtésnél a ventilációs megoldások jöhetnek számításba.

Passzív rendszernél mindhárom fő funkció teljesítésére, az épület, illetve annak szerkezeti elemei szolgálnak, ezek látják el az adott építményt szoláris energiával (még ha bizonyos mértékben az másodrendszerként funkcionál is).

A hibrid rendszer az aktív és passzív rendszer kombinációja. Ennél a megol­dásnál döntő az építészeti és épület­gépészeti megoldások kapcsolása, vagy a funkción belül, vagy az eltérő fő funkciók kapcsolása útján. Az energia célba juttatására épületgépészeti elemek és külső energiaforrás is szükséges, rendszerint légcsatorna és a működtető ventilátorok.

A kombinált rendszereknek számta­lan fajtája ismert. A leggyakoribb, ahol az adott fűtési rendszerhez kapcsolódik valamilyen szoláris fűtés vagy hőszivattyús energiahasznosító. Elképzelhető az is, hogy szoláris villamos energiát használnak az energia közvetítésére, fő vagy kiegészítő energiaforrásként. To­vábbi variációk is lehetnek, például az eddigiekben ismertetettek bárme­lyikéhez hozzákapcsolhatók a ház, az építmény használati melegvíz-igényét részlegesen vagy teljesen ellátó rendszerek.

Cikksorozatunk a továbbiakban főként az építészeti megoldásokkal, a passzív rendszerekkel foglalkozik.

Passzív fűtési rendszer

A passzív rendszereknél a sugárzást felfogó elemek elsődlegesen az épület, az építmény üvegezett, transzparens részei mögötti felületek, de előfordulnak az ezt kiegészítő, vagy az üveghez hasonló hatásfokú műanyag és fémle­mez, illetve ezek rétegkiépítéseinek bármelyike vagy ezek kombinációi is.

Az energia tárolására és leadására az épület külső, „burok” falán belüli bármelyik vagy összes épületszerkezete szolgálhat a padozattól a zárófödémig. A hőleadás az energia célba juttatása az épületszerkezetekben és a helyisé­gekben lejátszódó spontán folyamatok (vezetés, hőátadás) eredménye. Utóbbi folyamathoz külső energiaforrás nem szükséges, kivéve a mechanikai légelzárást helyettesítő termosztátos elektromos üzemű elzárók (pl.: csappantyú, ablak vagy nyíló felület: nyitás-zárás stb.). A folyamatok szabályozására korláto­zottabbak a lehetőségek, éppen ezért a passzív rendszerek gondos szakmai felkészülést és hozzáértést igényelnek a tervezéstől a kivitelezésen át, egészen az üzemeltetésig.

A passzív rendszerek két változata: a direkt és az indirekt rendszer

Direkt rendszer esetében a három fő funkciót a fűtendő tér, épületrész vagy helyiség szerkezetei látják el. Az üvege­zés (vagy az azt helyettesítő elemek) felületén bejutó sugárzást a belső szerkezetek elnyelik, illetve tárolják, majd a belső felületükön át leadják a fűtendő tér felé.

Indirekt rendszerek esetében a három fő funkció térben szétválik:

• az elnyelés helyiségen kívül,
• a hőleadás a helyiségen belül,
• a tárolás többnyire egy térbelileg „köztes” helyen lévő épületszerkezetben történik,
• az energia „eljuttatás” az épületszer­kezetben kialakuló hővezetés és az épü­letben kialakuló természetes légmozgás segítségével történik.

A hibrid rendszerek abban külön­böznek az indirekt rendszerektől, hogy a csapdába ejtett energia célba juttatása épületgépészeti kapcsolókat igényel, a hőtárolásra adott esetben pedig nemcsak az épületszerkezetet, hanem egyéb táro­lási anyagtömeget is igénybe vesznek az erre a célra kialakított akkumulációs térben. Ebben az esetben az elnyelés-tárolás-leadás helyei egymástól térben elkülönültek (a gépi szállítás miatt). Ez esetben a működési folyamat jobban szabályozható, és a rendszer egyedi igényekhez is jobban használható. Az egyes rendszerek között tulajdon­képpen nehéz és felesleges is az elhatá­rolás, és alkalmazás vonatkozásában ez szükségtelen is (4.21 ábra).

4.21 ábra. Passzív és hibrid rendszerek működése; a) transzparens, (átlátszó) hőszigeteléssel; b) tömegfallal; c) Trombe-fallal; d) falkollek­torral; e) direkt üvegház; f) indirekt üvegház.

A különféle rendszerek működésének megfelelően a sugárzással a következők történhetnek:

• sugárzás egy része átjut valamely transzparens rétegen vagy
• elnyelődik egy belső tömegfelületen vagy
• vezetéssel átjut egy tömör szerkezeten vagy
• levegő közvetítésével, szabadáramlás révén a fűtendő térbe vagy valamilyen határoló szerkezetbe jut.

Az azonos működési elv ellenére az építészeti megoldások, szerkezetek, terek teljesen különbözőek. A transz­parens réteg lehet az elnyelő felületre közvetlenül ráhelyezett transzparens szigetelés, a tömör fal előtt elhelyezett üvegezés (közte annyi hellyel, amely a takarításhoz, a mobil hőszigetelés- árnyékolás működéséhez kell, avagy annyi hellyel-üvegház, naptér -, amely az év jó részében, mesterséges fűtés nélkül lakótérként használható). A tárolást és a hőleadást illetően lehet elsődleges szempont a helyben való elnyelés és tárolás az azonnali levegővel, konvektív módon való továbbítás, és ezek kombinációja. A tárolásban az építő­anyagok, épületszerkezetek mellett meg­jelenhet a víz vagy valamilyen nagyobb tömegű anyag (pl. kavics, kő stb.).

Szabályként jegyezzük meg, hogy a fűtőhatást kiváltó folyamatok nyáron is léteznek, amikor azok egyáltalán nem kívánatosak, ezért minden esetben gon­doskodni kell az épület túlzott nyári felmelegedése elleni védelemről, esetle­gesen pedig a szoláris rendszer egyes elemeinek külön védelméről is.

Alapelvként azt tartsuk szem előtt, hogy a jó szoláris épület energetikai célú elemei az épülettel szerkezetileg és funk­cionálisan integrálódnak. A takaríthatóság azonban mindenütt igen fontos szempont, hiszen ahol intenzív légáramlás történik, ott a finom és durva por lera­kódhat, a nem hozzáférhető járatokba pedig rovar- és állattetemek, baktériu­mok kerülhetnek. A csöves légjáratokat ajánlatos úgy kialakítani, hogy fertőtle­nítő folyadékkal időnként átöblíthetőek legyenek, és a legmélyebb ponton le­eresztő szelepet kell elhelyezni.

Direkt rendszer működése

A napsugárzás egy része az áteresztő szerkezeteken keresztül a szerkezetek mögötti helyiségekbe érkezik. A nap­sugárzásnak a helyiségbe jutó bizonyos része ezután valamelyik belső határoló szerkezet vagy maga a berendezés felü­letére esik, ahol egy része elnyelődik és kisebb hányada visszaverődik. A vissza­vert hányad ezután a beesési szögnek megfelelően „tükröződve” több pontot, illetve felületi síkot érintve gyakorlatilag teljes mértékben elnyelődik.

A belső felületeken lejátszódó folya­mat ugyanaz, mint a külső felületeken, azaz az elnyelt energiától a felület felmelegszik, majd:

• vezetéssel hőáram indul a szerkezet belsejébe,
• hőátadással a felület melegíti a vele érintkező belső levegőt,
• a felület (a saját hőmérsékletének megfelelő hullámhosszon) sugárzást bocsát ki.

Ami a vezetéses hőáramot illeti, minél nagyobb a szerkezet hőtároló képessége, annál nagyobb mennyiségű energiát vesz fel és ad le (4.22 ábra).

4.22 ábra. Direkt rendszer működése.

A nagyobb vastagságú szerkezet át-melegedése hosszabb időt vesz igénybe a hőtárolás folyamatában, ez azonban fordítottan is érvényes, a „betárolt” hőenergia leadásánál is. A hőtárolók elsősorban nagyobb térfogatsúlyú és ezek közül is a jobb hővezető képességű anyagok, amelyek előnyösek a napi 24 órás ciklusban, amikor is nappal felve­szik és éjjel leadják a hőenergiát. A hőátadás folyamatában a belső téri levegő hőmérséklete mindaddig növekszik, míg el nem éri a belső hőleadó tömeg felületi hőmérsékletét. A hőátadás gyors folyamat, a levegő felmelegedése néhány perc késéssel követi a sugárzás változásait, tekintettel arra, hogy elhanyagolható tö­megű levegő felmelegedéséről van szó.

A felületek által kibocsátott sugárzás a hosszúhullámú infrasugárzás. Az infrasugárzás (a hőátadással együtt) a belső felületek közötti hőmérséklet-különb­ségek kiegyenlítődése irányában hat, és az áteresztő szerkezet belső felületét is éri. Az üvegezések áteresztő képessé­ge igen változó, ami azt jelenti, hogy az üvegezések a belső felületek által kibocsátott hosszúhullámú infrasugárzást illetően átlátszatlanok. Ezért a helyiségbe az üvegezésen keresztül sugárzással (a látható fény és a rövidhullámú infra tartományban) bejutó energia a helyi­ségből az üvegezésen átbocsátott sugárzás formájában nem tud távozni. A távozás csak hő átbocsátással (és a felmelegedett belső levegő folyamatos cseréjével, szel­lőztetéssel) lehetséges, amihez azonban hőmérsékletkülönbség – a belső hő­mérséklet megemelkedése – szükséges.

E jelenség üvegházhatás néven ismert. Szerepe az épület energiamérlegében igen jelentős, akár a sugárzási energia fűtési célú hasznosítását, akár a helyisé­gek túlzott felmelegedésének kérdését vizsgáljuk. A „téli” és a „nyári” igények ellentétesek, feloldásukra megfelelő tá­jolás, formálás és a mozgatható árnyé­koló szerkezetek kínálnak lehetőséget. A működési elvek alapján megál­lapítható, hogy egy direkt rendszerhez lényegében semmi olyan nem kell, ami ne fordulna elő egy szokványos épület­ben. A rendszer működése az „üveg­házhatás” jelenségén alapul.

„Direkt” rendszer esetén az épület ter­vezésekor lényeges szempontok a kö­vetkezők:

• hatékony tömegformálású épületet tervezzünk, amelynél a beépített légtér­fogatok a lehető legkisebb felületű külső határolóval legyenek biztosíthatók, mind a szabad légtér, mind a talaj felé;
• kedvező felület/épülettérfogat arány;
• elegendő nagyságú és jól benapozott épülethomlokzat;
• lehető legjobb tájolás (4.23-4.24ábrák).

4.23 ábra. Levegő hőhordozóval működő, konvekciós passzív rendszer a) közvetlenül a helyiségbe, légfűtési és szellőzési céllal; b) helyiséget „burkoló” üreges határoló szerkezet légjárataiban keringetett megoldással.

4.24 ábra. Direkt rendszerű napház a) homlokzat; b) metszet, falkollektorral; c) metszet, direkt besugárzással.

Napépítészet

Az épületek tervezésénél tehát igen fon­tos az épület tömegformálása, a kedvező felület/térfogat arány elérése és ugyan­akkor elegendően nagy, jól benapo­zott homlokzat biztosítása, továbbá a tájolásból-telepítésből adódó lehetőségek maximális kihasználása. Az alaprajzot illetően előnyös, ha a hőérzet és a ter­mészetes megvilágítás szempontjából igényesebb helyiségek a nagyobb sugárzási nyereségű homlokzatokhoz csatlakoz­nak, az alacsonyabb belső hőmérsékletet és természetes megvilágítást – tehát kisebb ablakfelületet – igénylő helyi­ségek pedig a kis sugárzási nyereségű, az uralkodó szélirányba néző, csapóesőnek kitett homlokzatokhoz. Ilyen módon az utóbbi helyiségcsoport ütközőövezetet, pufferzónát alkot az igényesebb helyi­ségek és a környezet kedvezőtlenebb jellemzőjű szektora között.

E pufferzónának szigetelő hatása, hőtároló ké­pessége, a külső levegő nem kívánatos infiltrációjával szemben zsilip jellegű szerepe van. A helyiségek besorolása az épületek rendeltetésének függvényében általában egyértelmű. Egy lakóépületben például a nappali, az étkező, a gyermek-és a dolgozószobák képezik a legigénye­sebb helyiségek csoportját, ezt a hálók, a konyha és a fürdő követi, a pufferzóna pedig az előtér, a WC, a kamra, a gardrób, a garázs, a tüzelőtároló helyiségeiből szervezhető. Ugyancsak a pufferzóna szerepét tölti be a pince és padlástér is (4.25-4.30 ábrák).

4.25 ábra. Energiatakarékos kedvező térfogat/határoló felületű (félhengeres alakú) lakóház a) földszinti; b) emeleti alaprajz; c) metszet.

4.26 ábra. Részben terepszint alá süllyesz­tett tömegű lakóépület a) déli homlokzat a lakás fő helyiségeinek ablakaival; b) északi homlokzat; c) alaprajz.

4.27 ábra. Lakóépület kapcsolt télikerttel a) földszinti alaprajz; b) tetőtér; c) homlokzati kép.

4.28 ábra. Kísérleti „napház” az energiatakarékosság jegyében, a nyolcvanas évek közepén a) földszinti; b) emeleti alaprajz; c) működési metszet (Hebel).

4.29 ábra. Kísérleti napház központi akkumulációs térrel (hőtárolóval), a kilencvenes évek közepén; a) földszinti; b) emeleti alaprajz; c) homlokzati kép (modellfotó).

4.30 ábra. Direkt rendszerű, pufferzónás térszervezésű lakóház, ahol szoros összefüggés van az épület abszolút méretei és az alaprajzi kialakítása között, az épület üvegfelületei jó benapozást biztosítanak a) földszinti; b) emeleti alaprajz; c) metszet.

Nagyobb alapterületek esetében az „ele­gendő” kedvező tájolású homlokzat biz­tosítása „füles”, háromszög vagy körcikk alakú alaprajzokkal is lehetséges. így ugyan tagoltabb formát, kedvezőtlenebb felület-térfogat arányt kapunk, ennek hátrányait azonban a több és jobban tájolt ablakok előnyei felülmúlhatják. Egy bizonyos abszolút méreten túl – amely például egy sorház esetében adó­dik – egy lakás már csak két irányban tájolható, ami azt jelenti, hogy a ked­vezőtlen homlokzathoz a pufferzónán kívül egyéb helyiségeket (például háló­kat) is kell csatlakoztatni.

Ez azonban – az egész épület elnyújtott formája ellenére – még mindig lehet előnyösebb, mint egy olyan tömörebb formálás, amely­nél egy-egy lakás csak egy homlokzatra tájolt. Utóbbi esetben ugyanis az egész épület tájolása eleve mintegy kényszer­pályára állítódik – adott esetben az É-D-i homlokzatok helyett K-Ny-i homlokzatok adódnak -, és kialakulnak azok a belső zónák, amelyeknek mesterséges szel­lőztetése és világítása több és drágább (elektromos) energiát igényel, mint amennyit a kompaktabb formálással a veszteségekből megtakarítunk. Nagyobb épületek formálása esetén a kényszeres tájolás és a belső zónák szinte elkerül­hetetlenek.

Az épületnek ki kell elégíteni a szab­vány szerinti energetikai követelménye­ket, ami egyszerűbb, ha a fűtött térfogatot határoló felületeknek nagyobb része érintkezik a talajjal. Lejtős terepen ezért a pufferzónát gyakran földbe süllyesztve alakítják ki, de nem ritka a feltöltés alkalmazása sem, amely a lapostetőn is előfordul, tetőre telepített növényzettel.

Kombinált rendszerek

A kis energiafogyasztású épületek az ezredforduló éveiben az építészetben „csúcstechnikának” számítanak, ame­lyek minősítése földrészenként, de még országonként, sőt az egyes szakem­berek véleménye szerint is más és más. Az éves energiamérleg-az adott vizsgála­ti időben – a meglévő (átlag) épületállo­mány energiafogyasztásának 15-20%-a között mozog, vagy az épülő, új, de szokványos technológiájú házakénak 5-10%-át teszi ki.

A „kis energiafogyasztású épület” Nyugat-Európában egyes körökben stá­tusszimbólum, másoknál azonban ennél több, mert ez jelentheti a jövőt. Elterjedt vélemény szerint az energiatakarékos szerkezetek kialakítása költséges, ezért ésszerűen takarékoskodni csak a tehető­sebb építtetők tudnak, és csak nekik éri meg. Ez azonban így nem igaz. A kis-építkezők szinte költségtöbblet nélkül, pusztán az épületfizikai módszerek alkalmazásával is felépíthetik energia­takarékos otthonaikat.

A „0” fűtési energiafogyasztású vagy „autonóm” ház olyan épületet jelent, amely egyáltalán nem igényel külső energia bevezetést, sem elektromos há­lózat, sem fosszilis tüzelőanyag formá­jában. A melegvíz-ellátás, a világítás, a háztartási berendezések energiaellátása fotovoltaikus cellák, kémiai és/vagy elektromos energiatárolás, szezonális hőenergia-tárolás alkalmazásával történik.

Kevésbé kötődik energiafogyasztási kategóriához az „intelligens épület” megnevezés. Ez általában magas fokú, egységes automatizálást jelent, amely az energetikai és épületgépészeti rend­szereken kívül kiterjed a mozgatható árnyékolásra, a szellőző csappantyúkra, háztartási és technológiai berendezésekre, a biztonsági és informatikai rendsze­rekre, valamint az általános épületfelü­gyeletre is.

Azt azonban tisztázni kell, hogy a 0 fűtési energiafogyasztású ház nem olyan épület, amelynek egyáltalán nincs hő-vesztesége, hanem olyan, amelynek veszteségeit az épület használatával együtt járó belső hőterhelés, valamint a napsugárzásból származó, akár passzív, akár aktív rendszerrel hasznosított hőnyereség fedezi. A hőtároló képessége pedig elegendően nagy ahhoz, hogy a tárolt hő a sugárzási nyereség nélküli időszakokban is fedezze a vesztesége­ket. A 0 fűtési energiafogyasztás tehát valójában azt jelenti, hogy az épületben nincs szükség olyan „mesterséges” fű­tési rendszerre, amely fosszilis energiá­val üzemel.

A belső hőterheléseket illetően a kép csalóka:

Úgy tűnik, előnyös, ha az épület­ben a belső hőterhelés nagy. Valójában nem ez a helyzet: a belső hőterhelés az egyik legdrágább fűtési mód, hiszen a „hőleadók” a mesterséges világítás, a háztartási berendezések, irodagépek, amelyek elektromos energiát fogyasz­tanak, vagy a helyiségben tartózkodó emberek-ebben az esetben pedig az ener­gia forrása az élelmiszer (4.31 ábra).

4.31 ábra. Kis energiafogyasztású épület – szoláris 0 energiafogyasztású, auto­nóm ház, ahol az összes külső határoló szerkezet hővezetési tényezője – a padló­tól a tetőig – k = 0,11-0,25 W/(m2∙K) közé esik.

A kombinált rendszerű és kis ener­giafogyasztású épületek esetén:

• a határoló szerkezetek hőátbocsá­tási tényezője (k) 0,10-0,15 között mozog;
• a tájolás a meteorológiai igény­bevételhez (és terheléshez) optimálisan alkalmazkodik (főként az építészeti ki­alakítás vonatkozásában);
• az épületgépészet aktív és passzív építészeti (valamint ezek kombinált) megoldásaival van jelen;
• a használati levegő (szellőzés) meg­felelő hővisszanyerő-hőcserélő szerke­zeten keresztül kerül pótlásra.

A kapcsolható egyéb energianyerési lehetőségek:

• elektromos napelemek,
• hőszivattyúk,
• szélmotor (generátor) stb.

4.32 ábra. Autonóm ház keresztmetszete a) téli; b) nyári üzemállapot.

4.33 ábra. Autonóm ház működési kereszt­metszete; fűtés és melegvíz-ellátás vonat­kozásában (az ábra az elektrocellákat nem tartalmazza) 1 napkollektor; 2 keringető rendszer; 3 hő­cserélő; 4 használati meleg víz fűtőbetét; 5 napi hőtároló-hőcserélő; 6 elektromos fűtőbetét (esetleges); 7 fűtési rendszer; 8 többnapos (hő) akkumulációs tér (*ugyanez a változat kis energiafogyasztású esetben lehetséges, fosszilis energiahordozóval való működtetésnél).

Napenergia építészeti hasznosítása

Mielőtt a napenergia aktív hasznosítá­sáról szólnánk, foglaljuk össze röviden a passzív hasznosítás lényegét. Az építészeti (passzív) hasznosítás azt jelenti, hogy az épületeket eleve úgy építik, hogy azok természetes úton, különleges gépészeti jellegű szerkeze­tek nélkül is minél több napenergiát tud­janak felfogni, tárolni és hasznosítani.

Ha az épület fizikai adottságai megfe­lelőek (ideális tájolás, jó hőszigetelés, ésszerű építészeti megoldások stb.), akkor az átmeneti évszakokban a helyi­ségek fűtése is lehetséges napenergiával. A napenergia épületekben való passzív hasznosításakor két fontos szempontot kell figyelembe venni: az egyik a falak részesedése a napsugárzásból, a másik pedig az ablakokon át az épületbe jutó sugárzás mennyisége. A falak kedvező besugárzásának meghatározásakor, a benapozás szer­kesztésekor figyelembe kell venni az épület tájolását, a sugárzás útjában lévő tereptárgyakat és a szomszédos épületeket.

Az ablakokon át a helyiségekbe jutó napsugárzás tervezése, számbavétele rendkívül fontos. Ennek legfőbb oka, hogy a napenergia-hasznosítás tekin­tetében egyrészt arra törekszünk, hogy a lehető legtöbb energiát nyerjük, különösen a téli, de az őszi és a tavaszi időszakokban is. Ugyanakkor nyáron el kell kerülni a közvetlen napenergia be­sugárzásából származó felmelegedést. Ennek a problémának a klasszikus megoldását jelenti az árnyékoló előtető, ami a magasan járó nyári Napot kevésbé engedi be az épületbe, mint az alacsony állású téli Napot.

A déli oldalra épített üvegezett terasz a fűtési energia költségét csökkenti. Az alacsony napmagasság miatt télen a helyiséget maximális besugárzás éri, ugyanakkor a nagy nyári besugárzás a tető árnyékoló hatása miatt kiszűrhető.

A napenergia aktív hasznosítása

A napenergia aktív hasznosítása esetén gépészeti jellegű berendezések alakítják a napenergiát villamos vagy hőenergiá­vá, elterjedtebb eszközei a víz és a leve­gő melegítésére szolgáló napkollektorok. Ma már terjedőben vannak a vákuum kollektorok is. A napenergiát legszélesebb körben a mezőgazdaságban alkalmazzák a termények szárítására, tartósítására, technológiai célú hőközlésre, az állattartó épületek és telepek, növényházak fűtésére.

A különböző hazai és külföldi cégek ma már sokféle napenergia-hasznosító berendezést kínálnak. Hazánkban a szo­láris használati melegvíz-készítés ésszerű és indokolt, mert az ország napsugárzási viszonyai ezt teszik lehetővé (4. 34 ábra).

4.34 ábra. Napenergia aktív hasznosítá­sával pótolt használati melegvíz- és fűtési energia (kísérleti családi házban) a nyolc­vanas évek végén; a) pince; b) földszint; c) padlástéri alaprajz; d) tető, felülről; 1 kollektor; 2 hőszigetelt hőtároló tartály meleg víz részére; 3 kandalló.

A növekvő energiaárak egyre inkább ráirányítják a házak tulajdonosainak, üzemeltetőinek, lakóinak figyelmét arra, hogy csökkenteniük kell energiafel­használásukat, mert így az áremelések­ből adódó többletköltségek egy részét kompenzálni tudják. Cél tehát az épület hőmegtartó képességének növelése, a hő-és melegvíz-ellátási rendszer korszerű­sítése, a Nap sugárzó energiájának minél nagyobb mértékű hasznosításával.

A napkollektorok ma inkább családi házak, panziók, üdülők, kempingek déli tájolású tetőrészének héjazatára vagy héjazatába kerülnek. Egy családi házban élő négytagú család melegvíz-igényének éves átlagban kb. 60%-a biztosítható egy 4 m²-es kollektorfelülettel. Ha a szabadban el­helyezett kollektorban melegebb a folya­dék, mint a tároló vize, akkor a szivattyú elindul és az automatika addig tartja fenn az áramlást, amíg a hőmérséklet­különbség ki nem egyenlítődik. Így a tárolóba beépített hőcserélő segítségé­vel a nap folyamán fokozatosan meleg­szik fel a víz. Az összes napenergia kétharmad része május és szeptember közötti időszakban jut hazánk területére.

Nagyobb rendszerek alkalmazására is lehetőség van, kisebb fűtési egységek, nyári használati melegvíz-előállítási igénye esetén. Ezeket a rendszereket az épületek felújításával egy időben és azzal összhangban kell elkészíteni, mert így olcsóbbá tehető az alkalmazásuk. A napenergia közvetlen hasznosításának előnyei közé tartozik, hogy teljesen környezetbarát, hogy maga az energia „ingyen” van, hogy korlátlan ideig és korlátlan mennyiségben áll rendelke­zésre, hogy a hasznosított energia nem változtatja meg a földi energiaegyensúlyt.

Ahol a ház mellé úszómedence kerül, további jelentősége van a napenergia aktív hasznosításának, a fedetlen me­dence használati ideje megduplázódik egy néhány m²-es kollektor (+rendszer) telepítésével:

• 25-30m³-nél 4-5m²
• további 0,15-0,20 m²/m³ arányú kollektrofelület szükséges.

Fedett vagy zárt terű medence esetén, a határoló (vagy fedő) anyag hőveszteségétől függően, a kollektorfelület 60-70%-ával kell számolnunk. A rendszer működésénél a kollektorok a vízforgató körben, a szűrő után épített hőcserélőn keresztül fűtik a medence vizét. A meg­felelő vízhőmérséklet eléréséhez leg­alább a medence vízfelületének felével megegyező nagyságú kollektormező felszerelése szükséges.

Bizonyos feltételek teljesülése esetén lehetőség van arra, hogy a napkollek­torokat felhasználják épületek kiegészí­tő fűtésére is. Elsősorban jól hőszigetelt, tehát kis hőveszteségű és alacsony hőmérsékletű melegvizes fűtéssel (pl. pad­ló- vagy falfűtés) ellátott épületek esetén alkalmazható. Az elérhető megtakarítás általában 20-30 százalék. A kollek­torokat főleg akkor célszerű fűtésre is használni, ha az épülethez medence is tartozik, mert ekkor biztosított a fűtés miatt szükséges nagy felületű kollek­tormező nyári kihasználása. Az aktív napenergia-rendszer lénye­gében egy általános felépítésű használati melegvíz-készítő rendszer kialakításával azonos.

A rendszer három fő része:

• napkollektorok;
• melegvíz-tárolók;
• csővezetékrendszer, valamint a mű­ködtető és szabályozó berendezések.

A napkollektorok alakítják át a napsu­gárzás energiáját hőenergiává. A napkol­lektor tulajdonképpen egy elöl üvege­zett, hátul hőszigetelt doboz, amelyben egy fekete elnyelő lemezre erősített csőkígyó vagy csőjáratos lemez talál­ható. A kollektor teljesítőképessége, vagyis magas hatásfoka elsősorban az elnyelő lemez, az ún. abszorber mi­nőségétől függ. A korszerű kollektorok mindegyike szelektív bevonatú abszorberrel készül. A szelektivitás azt jelenti, hogy a lemez a rövid hullámhosszú napsugárzást elnyeli, a hosszabb hullám­hosszú saját kisugárzást pedig vissza­tartja, ezáltal a kollektoroknak igen kicsi a sugárzási veszteségük. A konvektív hőveszteség is csökkenthető vákuumos vagy vákuumcsöves kollektorral, mivel azonban ezek ára még magas, ezért elterjedésük egyelőre nem várható. A jó minőségű síkkollektorok átlagos nyári hatásfoka általában 60-70 százalék.

Mivel a napsütés és a melegvíz-fo­gyasztás időtartama általában nem esik egybe, ezért napkollektoros rendszer esetén mindig tárolót kell alkalmazni. Ennek nagysága általában a napi fo­gyasztással egyezik meg. Családi házak esetében a leggyakoribb a három-ötszáz literes tároló. A tárolóba hőcserélőt kell beépíteni, mivel az egész éves üzem miatt a kollektorokban fagyálló folya­dék kering. A kollektor-hőcserélőn kívül a tároló felső részébe elektromos fűtőpat­ron vagy kazánhőcserélő is be van építve, így a szükséges meleg víz napsugárzás­ szegény időszakban is előállítható.

A napkollektoros rendszer működé­sét elektronikus szabályozó irányítja. A szabályozóhoz két hőérzékélő tar­tozik, az egyik a kollektorok, a másik a tároló hőmérsékletét méri. Ha a kollek­torok hőmérséklete a szabályzón beállított értékkel magasabb a tároló hőmérsékle­ténél, akkor a szabályozó bekapcsolja a keringető szivattyút, és mindaddig bekapcsolt állapotban tartja, míg a hőmérsékletkülönbség fennáll vagy a tá­roló el nem érte a beállított maximális hőmérsékletet.

A rendszerhez még szükséges egyéb elemeket, keringető szivattyút, biztonsági, szabályozó, töltő- és ürítő szerelvényeket általában egy szerelőtáblán, az ún. szoláris szerelési egységben helyezik el. A csővezeték többnyire rézből készül, kasírozott üveggyapottal hőszigetelve. A rendszer kiépítésénél alkalmazott anyagok kiválasztásánál figyelembe kell venni, hogy a maximális hőmérséklet akár 180 °C is lehet. Hogy a hőhordozó közeg ne kezdjen forrni, az alkalmazott üzemi nyomás 4-5 bar lehet (a bizton­sági szelep nyitónyomása 6 bar), ami magasabb a központi fűtésrendszerek­ben szokásos értéknél (4.35-4.36 ábrák).

4.35 ábra. Egyszerű napkollektor-rendszer, használati meleg víz előállítására 1 kollektor; 2 kazán; 3 bojler; 4 hőcserélő; 5 szoláris keringető rendszer szivattyúval; 6 keringető szivattyú; 7 előremenő; 8 vissza­térő szoláris csőrendszer; 9 hálózati víz­csatlakozás; 10 melegvíz-elvétel (fogyasztás).

4.36 ábra. Korszerű, kombinált napkollek­toros rendszer, belső központi fűtéshez kapcsolva; A fűtési rendszer; B cirkulációs melegvíz­rendszer; C hálózati (hideg víz) betáp; 1 napkollektor; 2 hőszigetelt falú melegvíz­tároló; 3 kazán; 4 szoláris szerelő egység, keringető szivattyúval és automatikával; 5 szoláris energiavezérlés; 6 kiegészítő elektromos patron; 7 fűtés tágulási tartálya;  8 napenergia; 9 melegvíz-tároló fűtés, keringető szivattyú; 10 fűtés keringető szi­vattyúja; 11 meleg víz cirkulációs szivattyúja;  12 automata légtelenítő; 13 biztonsági szelep; 14 nyomáscsökkentő;  15 vissza­csapó szelep; 16 biztonsági szelep; 17 fűtési csővezeték; 18 szolár keringető rendszer; 19 elektromos vezeték.

Napenergia-hasznosító rendszer meg­valósítható gravitációs keringetéssel is, ekkor a szivattyú és az automatika elmarad, így elektromos hálózatra sincs szükség, a rendszer segédenergia nélkül üzemel. Hátránya, hogy a tárolót a kol­lektorok szintje fölött kell elhelyezni, ami nem minden esetben lehetséges.

A kollektorokat többnyire épületek tetőszerkezetén helyezik el, a tetőfödés fölé, szerelőkeretre, a héjalás megbontása nélkül, vagy héjalás helyett a tetőszer­kezetbe beépítve. Az előbbi lényegesen egyszerűbb, és beázás szempontjából biztonságosabb, az utóbbi esetén kisebb a kollektorok hővesztesége, viszont a bá­dogozás nagyobb gondosságot igényel.

A déli tájolású kollektorok egész éves használat esetén kb. 45°-os dőlésszög­ben hasznosítják a legtöbb napenergiát. A felszerelés általában fix, a kollektorok napkövető forgatása nem szokásos. Ennek oka, hogy a jó minőségű nap­kollektorok a határozott irány nélküli, felhős időben előálló, ún. szórt sugárzást is hasznosítják, amelynek részaránya ha­zánkban jelentős, eléri az 50 százalékot.

A napenergia fotóvillamos hasznosítása

Hazánkban még nem igazán nyert „polgárjogot” a napenergia fotóvillamos hasznosítása, ami az épületek építésekor, felújításakor, az épülethomlokzatokba és tetőszerkezetekbe integrálva alkalmazható előnyösen, az esztétikai szem­pontok messzemenő figyelembevétele mellett. A napelemek vagy fotóvillamos ele­mek a Nap sugárzási energiáját közvet­lenül alakítják át villamos energiává. Az energiaátalakítási folyamat neve fotóvillamos energiaátalakítás. A nap­elemeket nagyobb egységekbe, modu­lokba szerelik. A piacon lévő napelemek energiaátalakítási hatásfoka – az előállí­tási technológiától függően – 6-17% között van. Ennél lényegesen nagyobb hatásfokú napelemek is készültek már, azonban ezek gyártásának megoldása a jövő feladata.

Napjainkban legfejlettebbek a szilíci­um alapanyagú napelemek. Az egykris­tályos vagy polikristályos szilícium a félvezető technika alapanyaga, rend­kívül stabil, kiváló anyag, jellemzői hosszú idő után sem változnak. A nap­elem készítéséhez szükséges nagy tisz­taságú szilíciumot homokból állítják elő, amelyből Földünkön óriási tar­talékkal rendelkezünk. A napelemhez csak néhány tized milliméter vastag szilíciumszelet szükséges, és ezek a nap­elemek a modulban műanyagba vannak beleágyazva és üveglappal védik őket. Bár az egykristályos szilíciumból készült napelemek drágábbak, jelenleg ezek az elemek a legjobb hatásfokúak (17%). A polikristályos napelemek elő­állítása egyszerűbb és olcsóbb, azonban hatásfokuk kisebb (13%).

A megvilágítástól a napelemek fe­szültsége széles tartományban kevéssé változik, a szolgáltatott áram azonban arányos a megvilágítással. A napelem által szolgáltatott teljesítmény így széles tartományban arányos a megvilágítás­sal. A napelemes áramforrás akkor ter­meli a legtöbb energiát, ha a napelemek felületét merőlegesen éri a sugárzás. Alkalmazási területe a lehető legszé­lesebb, az űrtechnikától a házépítési technikáig, bárhol. A szoláris vagy „0” fűtési energiafogyasztásnál a kollek­torokkal együtt a tetőre vagy az épület homlokzati falára szerelten alkalmazzák.

A kis energiafogyasztású épületeknél a fotóvillamos energia szerepe nem akkora, mint amekkora a technikai szempontok alapján lehetne, ugyanis, ahol van hálózati villamos energia, ott ezen energiaforrás a beruházási költségre vetítve lényegesen magasabb.