Nemzetközi élmezőnyben a magyar csapat
2012. augusztus 22. | Pfeningberger Bálint | 1900 | |
A Solar Decathlon egy kétévente meghirdetésre kerülő nemzetközi pályázat, melynek során a világ különböző országaiból jelentkező egyetemek mérhetik össze szakmai ismereteiket. A verseny lényege, hogy napenergia hasznosításával olyan házat tervezzenek a hallgatók, mely kielégíti a 21. századi igényeket. A feladat nem ér véget a tervezésnél, a tervezőasztalnál megálmodott elképzelést meg is kell valósítani.
Minden évben más és más helyszínen rendezik meg a versenyt, 2012-ben Madrid ad otthont a megmérettetésnek. Negyven egyetem közül a legjobb húsz csapatnak adatik meg a lehetőség, hogy meg is építse a házát. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem hallgatói idén első ízben kvalifikálták magukat a véghajrára. A fő célkitűzésünk az volt, hogy egy olyan hatékony energiafelhasználású épületet alkossunk, ami a 21. század követelményeinek a legkiválóbb módon felel meg.
Az épület üzemeltetésében az egyik legnagyobb költséget a hűtési és fűtési energia teszi ki. Az energiafogyasztás csökkentésével jelentős költségmegtakarítás érhető el, továbbá a környezet terhelése is kisebb. A szakágak szoros együttműködésével sikerült egy olyan épületet megalkotni, amiben ötvözni tudtuk a passzív megoldásokat a legmodernebb aktív rendszerekkel. A paszszív rendszerek önmagukban nem feltétlenül tudják kielégíteni az igényeket, ezért volt szükség aktív rendszerek beépítésre is. Az ilyen épület bármilyen körülmény között maximálisan ki tudja szolgálni a lakók igényeit. Már a tervezés során is arra törekedtünk, hogy az épületbe minél kevesebb berendezés kerüljön, ezzel is csökkentve a szükséges energia-felvételt, ezen felül a beépítési költségeket, valamint a meghibásodások számát. Ugyanakkor üzembiztos rendszert alkottunk meg, ami magában hordozza a biztonsági tartalékokat. Mindezek a döntések elsődlegesen a komfortigények kielégítésének a figyelembe vételével születtek meg, hiszen elsődleges célunk egy minél kellemesebb környezet megalkotása volt.
A hűtő-fűtő rendszer felépítése
Az épület hőszükségletének, hőterhelésének meghatározása különböző szimulációs programok segítségével történt. A ház virtuális modelljét megalkotva és a különböző paraméterek (külső hőmérséklet, árnyékolás stb.) beállítása után vizsgáltuk épületünket. Ez statikus szimuláció volt, de ezzel kapcsolatosan végeztünk dinamikus szimulációkat is. Ezek alapján hajtottuk végre a tervezés következő fázisait. Az épület mindenkori energiaigényét egy hőszivattyú látja el fűtési vagy hűtési üzemmódban, és szerepet kapott egy speciálisan erre a versenyre épített passzív hűtés is. Ez a két rendszer alkotja a gépészeti rendszer egyik legfontosabb részét. A házon belül külön kialakított gépészeti helyiségben, illetve a nyári falban találhatók a rendszer elemei. Elemek a nyári falban: egyedi gyártmányú puffertartály, a hőszivattyú kültéri egysége. Elemek a gépészeti helyiségben: hőszivattyú beltéri egysége, használati melegvíztartály 200, kisebb beltéri puffertartály 300 liter térfogattal.
Az aktív tömeg növelése
Elsődleges feladatunk volt az aktív tömeg növelése, ami kompenzálni tudja a nagy hőlengéseket. Figyelembe kellett venni az átmeneti időszakokat (tavasz és ősz), amikor a házakat napközben hűteni, éjszaka pedig fűteni kell. Ilyenkor fontos szerepet játszik a hőlengés, figyelni kell arra, nehogy az épület napközben nagyon felmelegedjen, majd pedig este túlságosan lehűljön. Ez mind komfort-, mind energetikai szempontból rossz. Az előbbi szempontból azért probléma, mert napközben melege van az embernek, éjszaka pedig fázik, energetikai szempontból pedig azért, mert a berendezés egész nap fogyaszt, hogy kielégítse a hűtési avagy a fűtési hőigényt. Amennyiben az épület megfelelő tömeggel rendelkezik, komfortosabb és energiatakarékosabb üzemeltetés lehetséges.
A ház épületgépészeti rendszere: 1. Használati melegvíztartály, 2. Légkezelő egység, 3. Hőszivattyú beltéri egység, 4. Felületfűtési puffertartály, 5. Hűtési puffertartály, 6. Használati hidegvíztartály, 7. Esővízgyűjtő, 8. Szennyvíztartály, 9. Hőszivattyú kültéri egység.
Ezt úgy oldottuk meg, hogy szigetelt tartályokat helyzetünk el az épületen kívül, hogy a bennük lévő közel 2,5 m³ víz keringtetésével érjük el az épület „mesterséges tömegnövelését”. Hűtésre elsősorban az álmennyezetet használjuk. Amennyiben az álmennyezet nem elegendő, akkor légtechnikai rásegítést alkalmazunk, vagy lehetőség van a padlóban is keringtetni a hűtővizet. Ez utóbbi megoldás azért szükséges, mert így lehetséges lesz az aktív rendszerek működtetése nélkül is temperálni a házat a verseny ideje alatt. Ez nem alkalmazható folyamatosan, mert a komfort szempontjából rossz megoldás lenne, mivel a túlságosan hideg padló rontja a komfortérzetet, amit célszerű elkerülni.
Az épület hűtése komoly mérnöki kihívás elé állított minket. Ötvöztük a passzív és aktív hűtési megoldásokat, a lehető legjobb hatásfok elérése érdekében. A pasz-szív megoldások alkalmazásával jelentős energiamennyiséget lehet megtakarítani a nyári időszak alatt. Az épület hűtése így esetenként biztosítható a hőszivattyú folytonos üzemeltetése nélkül is. Mivel a versenykörülmények között nincs lehetőség talajszondás hőszivattyú kiépítésére, így a hűtés aktív részét egy levegő-vizes hőszivattyú látja el. A berendezés biztosítja az épületen belüli stabil légállapotot.
A padló hűtés-fűtésrendszere
A padlóban két nagy zónát alakítottunk ki. Az első kör az ablakfelületek előtt található, azon a területen, amit a napsugárzás közvetlenül ér, a második pedig a lakás északi falához esik közelebb. A kétkörös padlórendszer abban az esetben nyer értelmet, ha egy napon belül fennáll majd a hűtés-fűtésigény is. Ez akkor lehetséges, ha átmeneti időszakban (ősszel vagy tavasszal) napsugárzás éri az ablak előtti felületet, ami melegedni kezd.
Ekkor lehetőségünk van külön indítani azt a padlókört, és részben elvezetni ezt a hőmennyiséget a puffertartályba. Amennyiben egy padlókörrel valósítanánk meg a csövezést, akkor csak a helyiségen belül oszlatnánk el a hőt a teljes járófelületen, a rendelkezésre álló hőmennyiség pedig nem jutna a tárolóba. Az így tárolt energia éjjel a puffertartály kisütésével felhasználható többek között fűtésre, temperálásra. Az álmennyezetben elhelyezett csövezés biztosítja, hogy sugárzásos hőátadással közel 50 W/m2 teljesítmény leadásra legyünk képesek. Ezzel a teljesítménnyel fedezni tudjuk a teljes hűtési hőigényt, extrém meleg esetén pedig a légtechnika (hűtött levegő) segítségével olyan többlet hűtőenergiát vezetünk be, amely biztosítani tudja a szükséges hűtőteljesítményt.
Éjszakai passzív hűtés
Az éjszakai passzív hűtés lényege, hogy a napközbeni hűtési hőigényt előállítsuk, úgy, hogy ehhez ne kelljen jelentősebb energiát befektetnünk. Itt jut jelentős szerephez az épület aktív tömegének növelése. Több köbméter vízzel fogjuk pótolni a hiányzó tömeget, amelyet a padlóban és a mennyezetben keringtetve aktív hűtő-fűtő tömeget kapunk. A víz több szempontból is ideális hűtő-fűtőközeg. A fajhője a legjobb, kellő mennyiségben áll rendelkezésre, és a szállítása nem jelent problémát, hiszen a közművek rendelkezésre állnak, továbbá a környezetre sincs káros hatása. A hűtési folyamathoz a tiszta, felhőmentes égboltot használjuk.
Ez a természetben előforduló leghatásosabb hűtőfelület. A felhőtlen égboltot úgy tekinthetjük, mint egy -40 °C-os, állandó hőmérsékletű sugárzó felület (lásd sivatagi éjszaka). Ez ideális lehet napközben, a hűtés során felmelegedett hűtővíz visszahűtésére. Egy éjszaka során újra elő tudunk állítani 17 °C-os hőmérsékletű vagy annál hidegebb hűtővizet, amit napközben az álmennyezetben elhelyezett csövezésben keringtetve hűtési funkciók ellátására tudunk tökéletesen alkalmazni. Ezzel a rendszerrel lehetővé tettük, hogy a hőszivattyú működését részben tehermentesítsük, lehetőséget biztosítva a pufferrendszerbe tárolt víz részbeni lehűtésére. Számításaink szerint ezzel jelentős energiamennyiséget takarítunk meg a hűtésnél. Amennyiben éjszaka nem hűl vissza (felhős égbolt) kellő mértékben a hűtővíz, akkor a hőszivattyú hűtési üzemmódban működik. Az energiafelhasználás minimalizálására törekedve, hűtés céljából ideálisabb a berendezést a hajnali órákban működtetni.
Fűtési rendszer kialakítása az épületben
A ház fűtési rendszere a hűtéshez hasonló módon van kialakítva. Lehetőségünk van az álmennyezetben vagy a padlóban lefektetett csövezést használni a fűtési hőigény kielégítésére. A két rendszer külön-külön is képes ellátni a fűtési feladatot, de amennyiben a lakó igényt tart rá, mindkét rendszer üzemelhet szinkronban. A nagy beépített felületekkel csökkenthető a hőleadó közeg hőmérséklete, ezáltal a fűtőberendezés hatékonysága nő. Téli időszakban elegendő csak az álmenynyezetet használni, hiszen a hősugárzás kellemes komfortkörülményeket tesz elérhetővé. Az alacsony sugárzásos hőmérséklet lehetővé teszi, hogy az alacsonyabb előremenő vízhőmérséklettel temperált felület kellemes komfortérzetet biztosítson.
A fentieket a kutatások is alátámasztják, melyek szerint egészségesebb télen a mennyezetfűtést használni, mivel a padlófűtéssel ellentétben nincs hatással a padlón összegyűlt szenynyeződésekre, így azok lenn maradnak. Ez csökkentheti mind a porallergia, mind az asztma kialakulását. Minél nagyobb a konvekció (a fajsúlykülönbség miatt fellépő légmozgás), annál nagyobb a szervezetünk porterhelése. A fűtés elindulása után sokkal többet köhögünk, és a fűtési szezont a tüdőnk is visszajelzi számunkra. Ugyanezt tapasztaljuk, ha a „szokásos” hűtéssel kerülünk szembe.
A felületfűtés-hűtésnél, miután lényegesen kisebb a hőmérsékleti lépcső, a hőközlés csökkentett hőmérsékletemeléssel és -csökkentéssel jár, ezért a por gyakorlatilag nem mozog, nem irritálja a légzőszerveinket. Megfelelően méretezett rendszerek esetében azt sem érzékeljük, hogy a hő vagy a hőelvonás honnan érkezik. „Csak úgy” kellemesen érezzük magunkat. Bízunk benne, hogy a tervezési munka során meghozott döntések a kivitelezés és az azt követő üzemeltetés során igazolást nyernek.