Faépület fűtése szezonális hőtárolóval

Az energia árak alakulását követve az utóbbi néhány évtizedben, elmondható, hogy bár egy adott időszakban a gazdasági, stabilitási, energiapolitikai és stratégiai szempontoknak köszönhetően kisebb-nagyobb ingadozások figyelhetők meg, nagyobb léptékben vizsgálva azonban, az árszint folyamatos emelkedést mutat. Míg korábban jellemzően a fosszilis energiaforrások (pl. kőszén, kőolaj, földgáz) jelentették a primer energia előállítás alapját, napjainkban egyre erősebb a nyomás a megújuló energiaformákra (pl. nap, szél) támaszkodó megoldások fejlesztése, alkalmazása tekintetében, ezzel is csökkentve a szén-dioxid lábnyomot és támogatva a fenntarthatóságot.

Lakossági oldalról közelítve meg a kérdést, az épületek energia-hatékonyságának növelése elsődleges fontosságú, mivel ez hosszú távon üzemeltetési szempontból, de összesítve is költségkímélőbb megoldást jelent, nem beszélve a természeti környezetre gyakorolt pozitív hatásokról. Ennek elősegítését célozzák a jelenleg hatályos hazai épületenergetikai szabványok és Európai Uniós direktívák. Az utóbbiak közé tartozó 31/2010/EU EPBD irányelv átdolgozás (EPBD recast) szerint, 2020. december 31-éig valamennyi új épületnek közel nulla energiaigényűnek kell lennie.

A könnyűszerkezetes faházak sem kivételek e tekintetben. A helyi adottságokat figyelembe vevő, gondos tervezéssel, fejlett technológiai megoldásokkal, a megfelelő hőszigetelő rendszer alkalmazásával meglepően alacsonyan tartható azok fűtési energia felhasználása. Számos példa közül az egyik legfigyelemreméltóbb talán Thorsten Chlupp közel nulla energiaigényű, könnyűszerkezetes faháza ("SunRise Home") Fairbanks-ben (Alaszka, USA), mely a 64. szélességi körön fekszik. A téli időszakban szükséges fűtési energiát alapvetően napkollektorokkal biztosítják, a hőenergia átmeneti tárolása egy nagyméretű (5000 gallonos) víztartályból és az épület alatti, mintegy 180 tonnányi, szigetelt homokrétegből álló, kombinált hőtároló rendszerben történik.
A fenti példában említett szezonális energia tárolóhoz hasonló rendszerekkel már a múlt század első felében is foglalkoztak, többek között a Massachusetts Institute of Technology (MIT), melynek egyik projektjében a magyar származású Telkes Mária tervezett egy glaubersóra, mint energiatároló közegre épülő rendszert. Az 1948-ban elkészült, kísérleti jelleggel működő lakóépület ("Dover Sun House") 100%-ban napenergiára támaszkodott, azonban a rendszer alacsony hatásfokúnak bizonyult (a döntően nyáron összegyűjtött napenergia nagyobb teleken nem fedezte a fűtési energia igényt), így később hagyományos fűtésre tértek át.

Az elmúlt évtizedekben, a szezonális hőtároló rendszerek közül talán a folyékony vízre, mint hőtároló közegre épülő változatok váltak a legsikeresebbé (pl. hatalmas tartályokban, szoláris tóban, talajvíz formájában). Általában ezek sem egy-egy lakóház fűtési igényét elégítik ki, hanem épületkomplexumokat, utcasorokat szolgálnak ki. Ennek fő oka, hogy a több hónapos tárolási időszak során olyan nagymértékű energiaveszteség lép fel, mely csak nagy tárolási térfogat (általában 500.000 liter felett) mellett válik kifizetődővé. A hagyományos, úgynevezett szenzibilis (jelentős hőmérséklet-növeléssel járó, a hőenergiát érzékelhető módon tároló) rendszerek mellett (víz, talaj, sóder, kő), az utóbbi néhány évtizedben intenzív kutatások indultak az un. fázisváltó anyagokat alkalmazó, látens (halmazállapot-változáson alapuló, csekély hőingadozással járó) hőtároló rendszerek terén is, de alkalmazhatóságuk jelenleg még számos (üzembiztonsági, tűzvédelmi, egészségvédelemi, stb.) problémát vet fel.

A Nyugat-magyarországi Egyetem Simonyi Károly Karának Innovációs Központja és az Ubrankovics Kft. együttműködésével Ágfalván megépült, nagypaneles technológiával gyártott, könnyűszerkezetes faház esetében, 2011 nyarán lehetőség nyílt egy kísérleti jellegű, szezonális hőtároló beüzemelésére. Az épület a hőhíd hatás csökkentése érdekében kettős külső határoló szerkezettel bír, a külső és a belső falrészben a vázszerkezetet adó lucfenyő gerendák eltérő osztásközzel, valamint egymáshoz képest eltolva helyezkednek el. A vázközökben a hőszigetelést döntően a közelmúltban szabadalmaztatott TÜKÖRPAN szigetelőrendszerrel biztosították. E sajátosságoknak köszönhetően, a faház rendkívül alacsony éves fűtési energia igénnyel bír (passzívház kategóriába sorolható).

A szezonális hőtároló tervezése során, a szenzibilis és látens hőtárolási módszerek közül az előbbi tűnt kiforrottabb és szabályozhatóbb megoldásnak, így ezt a lehetőséget választottuk. Hőtároló közegként egy viszonylag olcsó, szilikátos összetételű, szilárd, tömör anyag szolgált, ellentétben az általánosan elterjedt vízzel, mivel így a tároláshoz nem szükséges külön tartály. A választott anyag hőkapacitása a víznek csupán ötöde, azonban sűrűsége kétszer nagyobb, valamint lényegesen nagyobb üzemi hőmérséklet-különbség érhető el vele normál légköri nyomáson, halmazállapot-változás nélkül. Ennek eredményeképpen, a térfogatra vetített tárolható energia-sűrűség a vízével összemérhető.

A kísérleti hőtárolót a könnyűszerkezetes faház egy külön helyiségében építettük meg, így a hőtömb méretezésekor figyelembe kellett venni annak előre adott belső méreteit. Megfelelő szigetelés nélkül, a mintegy 200 celsius fokos tervezett üzemi hőmérséklet-különbség jelentős hőáramokat indukált volna, rontva a tömb hatékonyságát, és számottevően növelve a belső tér léghőmérsékletét. E probléma megoldását egy három rétegű szigetelőrendszer adta, melynek vastagsága közel 60 cm. A szezonális hőtároló felfűtéséhez, a megújuló energiaforrások közül a nyári időszakban bőségesen rendelkezésre álló napenergiát választottuk. A magas üzemi hőmérséklet eléréséhez, napkollektorok helyett napelem táblák mellett döntöttünk, melyek az épület tetején foglalnak helyet. A fűtési időszakban a faház fűtéséhez szükséges hőenergiát a hőtároló tetejére felszerelt hőcserélő készülék vonja ki a hőtömbből, és közvetlenül a belső tér levegőjét melegíti.

Az elmúlt időszakban a hőtároló kísérleti felfűtése és tesztelése megtörtént. A hőtömbben elhelyezett számos hőmérséklet- és hőáram-érzékelő nagymértékben segít a hőtárolóban zajló hőtani folyamatok megértésében, elemzésében.

Az eddigi eredmények kecsegtetőek, és azt mutatják, hogy amennyiben egy könnyűszerkezetes faház eleget tesz a passzívház követelményeknek, megfelelő szezonális hőtároló rendszer alkalmazásával, napenergiára támaszkodva akár egész évre fedezhető az épület fűtési energia szükséglete. A mérésekkel párhuzamosan számítógépes modellezést is végzünk, melynek célja a szezonális hőtároló paramétereinek optimalizálása, valamint a későbbi, egyedi igényeket szolgáló tervezés megalapozása.

Horváth Tibor - Dr. Pásztory Zoltán - NYME SKK IK