Eltárolhatom a nyári meleget, hogy télen fűtsek vele?

A hosszú, meleg nyár után megjött a hideg, hirtelen fagypont köré süllyedt a reggeli hőmérséklet. Hónapokig bővelkedtem a napsütésben, most pedig hirtelen kezd nagyon hiányozni. Ismét a fűtési energiára irányul a figyelmem és mérnökként már azon jár a fejem, hogy vajon eltehetném-e valamilyen hőtárolóval a nyáron felesleges meleget télire, hogy ne kelljen a fűtési energiáért fizetnem. Végül is léteznek hőtárolós fűtőtestek, amivel egy napra való hőt lehet tárolni és el is fér egy szobában, szóval csak „kicsit” nagyobbra kellene csinálni. Az lenne a terv, hogy a nyári napsugarak hőjét begyűjtöm, felmelegítek vele valamilyen anyagot, aztán annak a melegét veszem ki lassan a tél folyamán. Néhány kérdést kell csak tisztáznom, hogy kiderüljön, megvalósítható-e az ötlet:

-mekkora energia tárolásáról beszélünk egyáltalán?

-mekkora felületről kell nyáron összegyűjtenem a nap melegét?

-milyen és mennyi anyag tudja tárolni az adott hőmennyiséget?

-hogyan tudom hőszigetelni a tárolómat, hogy ne szökjön meg az összegyűjtött energia?

A cikk nem is ezen a honlapon lenne, ha nem a DockCalc szoftvert használnám a fenti számításokhoz, hiszen mindenféle mértékegységekre lesz szükségem, amit a szoftver nagyon leegyszerűsít számomra. Mindenekelőtt tudni akarom, mennyi energia kell egy évben a fűtéshez. Szerencsére vannak tapasztalati értékek az interneten, amik különböző lakások egy négyzetméternyi energiaigényét közelítik. Új lakások esetében jóval kevesebb, mint 100 kWh/m²/év az elvárás, de nem minden lakás ilyen modern, ezért 120 kWh/m²/évet vettem alapul. Szeretem a kerek számokat, így 100 m²-es lakással számolok. A szorzás egyszerű, máris látszik, hogy 12000 kWh nagyságrendű hőenergiát kell tárolnom.

Ez egyébként nagyjából 1000 liter olaj elégetésével egyenértékű. Ennyi drága és környezet szennyező olaj megspórolása bizony szép feladat.

Most lássuk, hogy mekkora felületről kellene begyűjtenem a napsugarakat, hogy ez a hőmennyiség összegyűljön az év folyamán. Ehhez persze kellet találnom adatokat az éves napsütés mennyiségéröl, például itt:

https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/germany

Bajorországban lakom így szerencsésebb a helyzet, mint északabbra, a térkép alapján 1200 napos órával számolhatok egy évben. Igazából a térkép adatai kWh/kWp vagyis kilowattóra per kilowatt névleges csúcsteljesítményben vannak megadva, kifejezetten elektromos teljesítmény adó napelemek számára. Ezt némi lazasággal átlagos évi egyenértékű napos órák számának tekintem. Úgy gondolom, hogy a napsugárzás melegét hasznosító kollektorok nyáron sokkal hatékonyabbak, mint az elektromos napelemek, így a teljes napenergia 50% át kinyerhetőnek vettem (szemben az elektromos napelemek szerény 20%-os hatásfokával). Ha tehát az 12000 kWh-t elosztom az 1200 napos órával és a napsugárzás közismert 1 kW/m²-es maximumával, akkor 50%-os hatásfok mellett 20 m²-es kollektor felületet kapok:

Ennyit talán megérne az, ha soha többé nem kellene fűtésért fizetnem.

Most áttérek a hő tárolásának a problematikájára. Nem kell sokat keresgéljek hőkapacitás-táblázatokban, hogy belássam: meleg víz formájában szeretném a hőt tárolni.

Hogy miért? Mert a víz nagy mennyiségben is hozzáférhető, megfizethető, a napkollektor erre van tervezve és világbajnok nagy hőkapacitása van: 4200J/kg/K. Nem véletlen, hogy őselemként tisztelik, hiszen az élet alapja, fantasztikus anyag, sokkal jobban meg kellene becsülnünk.

Mellesleg megjegyzem: a víz hőkapacitása a kalória mértékegységünk kiindulási alapja: egy kalória (cal) egy gramm víz egy Celsiusfokkal való felmelegítéséhez szükséges hőenergia.Az ételek csomagolásán pedig ennek az ezerszerese, a kilokalória (kcal) olvasható.

Kell néhány feltevést tennem képzeletbeli hőtárolómat illetően:

-Úgy gondolom, hogy nyár végére 95 Celsius fokra melegítem fel a hőtárolóm vizét.

-Szeretném, ha a tél végére még 65 Celsius fokos meleg lenne, hogy a fűtés hatékonyan működjön vele.

Ezekkel az adatokkal dolgozva elosztom a 12000 kWh-t 30 Celsius hőmérséklet-különbséggel, majd a víz hőkapacitásával (4200J/kg/K).

Az így kapott 342 tonna némi homlokráncolást vált ki belőlem, de még elosztom azt a víz 1000 kg/m³ sűrűségével, hogy a sokkoló, nagyjából 342 m³-es térfogat álljon előttem eredményként.

Próbálom ezt a térfogatot, mint 2 m mély köralakú medencét elképzelni, de sajnos majdnem 15 m-es átmerő adódik ki, ami leginkább egy menő szálloda kertjéhez illik, nem pedig egy a fűtéssel spórolni vágyó kisember telkére.

A kiábrándult álmodozó alkudozása zajlik a fejemben és úgy érvel, hogy biztosan lehet a késő őszi és kora tavaszi napsugarakkal is még számolni, hogy ne kelljen olyan nagy medence, de 10 méternél kisebbet még így sem merek elhinni. Kezdeti lelkesedésem már a múlté, pedig még a hőszigetelést át sem gondoltam. A DockCalc szoftver képlet-gyűjtemény funkciója hiába segít a medence felületét könnyen kiszámolni, a 435 m² érezteti, hogy nem lesz egyszerű a megoldás. Ha ugyanis nem akarok fél évre több hőveszteséget megengedni, mint az összes tárolt hő 5%-a (600 kWh), az egész medence nem adhat le több, mint 136 W-os hőveszteséget, ami 0.314 W/m²-t jelent. Hogy ez megoldható vagy sem, attól függ milyen a szigetelésem hatékonysága. A népszerű Styropor-panelek (Magyarországon Hungarocell-nek hívják) hőszigetelése 0.035 W/m/K, ami úgy is érthető, hogy 1 méter vastagság esetén fokonként és négyzetméterenként 0.035 W hőt enged megszökni. Az én forró vizem és a téli időjárás között azonban legalább 70 Celsius fok különbség lesz, vagyis 1 méteres hőszigetelés már 2.45 W-ot enged át négyzetméterenként, pedig 0.314 volt a megengedett érték. A két szám arányából sejthető a keserű igazság: kb. 7 méter vastag hőszigetelés kellene a medencémre minden irányban, hogy ne szökhessen meg az energia mire felhasználásra kerülne.

Ilyesmi pedig finoman szólva nem megoldható, sajnos fel kell ébrednem az álmomból.

Amilyen jól hangzott az, hogy egész normális felületű kollektor kellett volna, annyira lelombozó a szükséges víz mennyisége és a szigetelés megvalósíthatatlansága. Ha nem így lenne, bizonyára már sok ház így kaphatná a téli meleget és rengeteg környezetszennyezést megspórolhattunk volna. Igaz, hogy kisebb energiatároló alkalmazása is sok fűtési energiát spórolhat. Szerencsére az időjárás olyan sokoldalú, hogy a fűtési szezonban is vannak napsütéses fázisok, így nem az egész energiát kell a „nyárból hozni”, így a szükséges hőtároló jóval kisebb lehet, mint a fenti nagyon pesszimista számításom.

Aki kevésbé ambicionált célt tűz ki és csak nyári zuhanyozáshoz szeretne napenergiás melegítőt, vagy csak fűtés-rásegítésre alkalmaz napkollektort, bátran számoljon utána, hogy mekkora kollektor és mennyi víz mennyi energiát tárol. Minden ilyen számításhoz jó szívvel ajánlom a DockCalc szoftvert, amióta megcsináltam, mással nem is kezdek hozzá ilyen becslésekhez. Ha tetszik, itt tudod letölteni.

A fenti számítás itt tölthető le: