Tudatos épületenergetika: Automatizált okosotthon, háztartási energiatárolás

A kényelmi szempontokon túl az otthonok automatizációja energetikai szempontból is számos előnnyel jár, melynek köszönhetően csökkenthető az energiafelhasználás. Az automatizált rendszerek egyúttal a helyben termelt energia optimális felhasználását is elősegítik, ehhez azonban arra is szükség van, hogy ez megfelelő módon legyen tárolva.

Épületeink energiafelhasználása sem a nap folyamán, sem éves távlatban nem egyenletes, ugyanígy a helyi energiatermelés is erősen ingadozik napi és éves szinten is[1]. Az előző cikkeimben említett energiafogyasztást csökkentő technológiák önmagukban is képesek jelentős megtakarítást eredményezni. A vastagabb hőszigetelés, a légzárás vagy a hővisszanyerő szellőzés mind csökkenti az energia-felvételt. Jelen korunkban azonban egyre terjednek a helyben megtermelt megújuló energiatermelési kapacitások a családi házak esetén is. A helyszíni termelés és annak felhasználása nincs szinkronban, így tárolókapacitás hiányában a megtermelt elektromos áram nem tud helyben hasznosulni, viszont a használati csúcsidőszakokban kénytelenek vagyunk energiát vételezni külső hálózatról.[2] Manapság egyre népszerűbb a sziget üzemű lakóépületek lehetősége, de ugyanígy fontos, hogy a helyi energiatermelés eredménye helyben azonnal hasznosuljon. Az utóbbi ötven év technológiai fejlesztéseinek eredménye, hogy akár már lakóingatlanjaink működése is nagymértékben automatizálható. Ily módon a házban élő emberek közvetlen beavatkozása nélkül is lehetséges úgy felhasználni a megtermelt energiát, hogy a lakóminőség semmilyen csorbát nem szenved. Másodlagos – de marketingértékben jelentősen túlértékelt – mellékhatás, hogy ezáltal kényelmesebben vezérelhetjük családi házunk gépészeti berendezéseit is.

Önmagában az otthonunk gépészeti rendszereinek automatizált vezérlése többleti energia megtakarítást eredményez, ahogyan mondjuk az épület hőszigetelése, vagy egy hővisszanyerő szellőztető rendszer. Ennek eredményeképp még alacsonyabb külső energiafelvételt érhetünk el lakóházunknál. Passzív és aktív ház esetén elengedhetetlen a megújuló energia és ház automatizálásának beépítése a kitűzött energetikai cél eléréséhez.

A családi házaknál megtermelhető napenergia nagyon szélsőségesen változó erőforrás. Nem csak a kiszámítható nappalok és éjszakák váltakozása, de az időjárás is nagymértékben befolyásolja a napos órák számát.[3] A napi rutin viszont eltérő felhasználást igényel. Még a mai, Covid utáni világban is elmondható, hogy a reggeli órákban aktívabb a lakosság és az esti munkaidő utáni órákban is intenzívebben fogyasztunk otthoni környezetünkben. Napi két fogyasztási csúcs tehát jól behatárolja életvitelünket: a reggeli munkába meneti előkészületi fázis, és a késő délutáni, kora esti órák. Ekkor fogyasztjuk el energiaszükségleteink túlnyomó részét. Ilyenkor történik a főzés, a mosás, a takarítás nagy része, hiszen ilyenkor van otthon az emberek többsége. Ugyanakkor a helyi napenergia-, és más szabályozás alá eső országok esetén a szélenergia termelés csúcsai nem esnek egybe a felhasználás csúcspontjaival. Így a megtermelt energiát jó lenne helyben tárolni, vagy közvetlenül elfogyasztani, viszont a termelés csúcsidőszakai a dél körüli órákra, vagy szélenergia estén az esti időszakra esnek. Ennek eredményeképp jelentős eltérés mutatkozik az otthon eltöltött órák és a napsütéses vagy szeles órák előfordulása között. A megtermelt villamosenergia alapesetben az országos vagy európai energiahálózatba kerül, és jobb esetben felhasználja valamelyik ipari fogyasztó vagy középület, de az is előfordulhat, hogy a megtermelt energia felhasználás nélkül elvész. A napenergiából megtermelt áram általában a környékben, a településen hasznosul, de az lenne a leghatékonyabb, ha el sem hagyná a megtermelés helyszínét, és már ott egyből hasznosulna. A teljes energiamennyiség helyben tartásához több technológia együttes használata szükséges.

Elsősorban a fogyasztást kell úgy időzíteni, hogy szinkronban legyen a termeléssel. Sok esteben ez nem megvalósítható, hiszen az épület világítása akkor szükséges, amikor emberek tartózkodnak benne. Konyhai eszközeinket (sütő, főzőlap) akkor működtetjük, amikor mindennapi tevékenységeket végzünk otthonunkban. A mosógép és mosogatógép, valamint automata takarító eszközök működtethetők programozottan, amikor nem vagyunk otthon, de teljes energiafelhasználás szempontjából a világítás, a főzés és az összes többi elektronikai eszköz fogyasztása csak az összes felhasználás 20%-át teszi ki. Azzal, hogy ezeket a háztartási nagygépeket a nappali időszakban működtetjük, megnövelhetjük a helyi elektromos áramfelhasználást a fő energiatermelési időszakban. Ez viszont nagyobb tudatossági szintet kíván meg a lakóktól, például, hogy előre készítsék a mosógépbe a kimosandó ruhákat, szóval ez kevésbé kényelmes életvitelt eredményez.

A melegvízkészítésre és fűtésre felhasznált energia mennyisége teszi ki a felhasználás többségét (77,9%)[4]. Korszerű lakóépületnél a használati melegvíz-termelés időzíthető a nappali órákra és egy jól hőszigetelt puffertartályban a melegvíz eltárolható egészen a felhasználásig. Nyilván ahhoz, hogy a teljes családnak elég melegvíz jusson, a rendszer kapacitását gondosan méretezni kell. A fűtés – mint a legnagyobb energiaigényű otthoni rendszer – is részben működtethető a nappali időben, bár az esti órákban veszíti el az épület a hőmennyiségének legnagyobb részét. Így csak akkor lehet kvázi "előre dolgozni", ha hőpuffer[5] épületrészeket tervezünk be az épületbe, ahol a tárolt hőt az esti órákban felhasználhatjuk. Ehhez is a gondos előtervezés szükséges, és nagy tömegű építőanyagokat kell felhasználni, viszont így jelentős megtakarítást tudunk elérni energiaköltségeinkből.

Az akkumulátor technológia fejlődésével végre nagyságrendileg olcsóbbá váltak az elektromos áram raktározására képes eszközök[6]. Már anyagilag is relevánssá vált egy nagyobb kapacitású akkumulátor beépítése háztartási célokra is. Egyes gyártók ebbe a körbe vonják be az elektromos gépjárművek akkumulátorait is[7], ha a megtermelt elektromos kapacitás meghaladja az autó rendszeres üzemeltetéséhez szükséges energiafelhasználás mértékét, és besegítenek az éjszakai vagy szélcsendes időszakokban a ház szükségleteinek kielégítésébe. Mivel a megújuló energiaforrások és a legkorszerűbb hőszivattyús hűtő/fűtő rendszerek elektromos áram alapúak, az elektromos áram akkumulátoros tárolása egyértelműen egy nagyon hatékony módszer a helyben megtermelt energia ideiglenes tárolására. A különböző elszámolási módszerek és állami szubvenciókkal befolyásolt átvételi villamosenergia árak nem mérvadók hosszútávon, hiszen rendszerint kivezetésre kerülnek és függenek a politikai közegtől. Így a korábbi gyakorlat, miszerint a villamosenergia hálózatot használjuk akkumulátorként és éves referenciaidőszakban számoljuk el a fogyasztást és a termelést, valószínűleg nem lesz elérhetőek a jövőben. Ezért nem is foglalkozom velük cikkemben. Az eltárolt energiát esti időben felhasználva akár teljes sziget üzemre állhatunk át. Viszont a napos órák számának eloszlása és a nap beesési szöge nem állandó az év folyamán, így a téli évszakban nagyságrenddel kevesebb elektromos áramot tudunk termelni napelemekkel. Ebből következik, hogy tökéletes szigetüzem nehezen valósítható meg a komfortszint csökkenése nélkül.

Az automatizáció fejlődése begyűrűzik a lakóépületek világába is. A technológiai marketing szerint a tökéletes világ az, amikor a lakóépület minden rendszerét egy okostelefon érintőképernyőjével lehet vezérelni, és minden manipuláció távvezérléssel történik. Legtöbbször a világítás ki- és bekapcsolása, valamint az audiovizuális rendszerek vezérlése van eladva "okosház" kifejezés alatt. Úgy, hogy a világításra elhasznált energia szinte jelentéktelen, ezek csak kényelmi lehetőségek. Másik legnépszerűbb terület az árnyékolók vezérlése, melyekkel napos időben jól csökkenthető a hűtési energiaigény. A redőnyök és egyéb árnyékolók automatikus vezérlésével jól szinten tartható a belső hőmérséklet. Ugyanakkor a mozgatómotorok kiépítése jelentős költséget emészt fel, és sokszor további hőhíd problémákat is okozhat. Szerencsére a fűtésrendszer-, napelem-, háztartási gép- vagy szellőztetőrendszer gyártók is hallgattak az idők szelére, és szenzorokat és vezérlő applikációt fejlesztettek az eszközeihez. Valódi előnye ezeknek az, hogy az eszközök energiafelvétele időzíthető a napelemek termelési maximumához és a felhasználási csúcsokhoz. Ezen felül pedig jelentős kényelmi funkciókkal is ellátják a lakókat: nem kell a fűtés vagy a hűtés beindítása és a hatása közötti időt kivárni, mivel időzíthető, távvezérelhető az adott rendszer. Egy helyről irányítható az épület összes paramétere (hőmérséklet, páratartalom), monitorozható a felhasznált és a megtermelt energia, ezáltal a családi költségvetés kiszámíthatóbbá válik.

Alacsony energiafelhasználású lakóépületnél vagy passzív házaknál alapvetően szükséges a vastag hőszigetelés, a hőhídmentesség, a légzáróság, hogy teljesülhessen az elvárt energetikai követelmény. Esetlegesen magasabb energetikai elvárás (aktív ház), vagy drága befektetés esetén a fenntartási költségek minimalizálása miatt a ház gépészeti rendszereinek működése, automatizálása és a működés optimalizálása elengedhetetlen. Az esetleges megújuló energiatermelő eszközök termelési időszakának és a fogyasztási csúcsidőszakoknak az összehangolása, és egyes nagyfogyasztók működésének átütemezése során nagyon nagy hasznát vehetjük az egyes otthonautomatizációs rendszereknek. Önmagukban viszont a központi vezérlés egy érintőképernyős okostelefon segítségével nem fog jelentős megtakarítást okozni. Ahhoz jelentős alaprendszerek és építészei megoldások megléte szükséges. A megfelelő tájolás és benapozás, vagy kellő vastagságú hőszigetelés, mindenre kiterjedően megfelelően méretezett gépészeti rendszer nem váltható ki egy applikáció segítségével. Ugyanakkor ezek a rendszerek javarészt minimális többletbefektetéssel még hatékonyabbá tehetők, mely hosszútávon még optimálisabb működést, kisebb költséget és hosszabb élettartamot eredményeznek a tulajdonosok számára. A kényelmesebb működtetés csak másodlagos előny a stabil, kiszámítható, visszaellenőrizhető működés mellett. Korunk fő informatikai csapásiránya az automatizáció. Mivel egy épület energetikai rendszere soktényezős és -szereplős rendszer, annak maximálisan hatékony működtetése nagyon jól önállósítható folyamat az automatizáció segítségével. Így csúcsra járatható az a technológia, amit családi házunkba beépítettünk, továbbá kényelmessé és kiszámíthatóvá tehető az épület üzemeltetése. Mondhatni, így tehető fel energetikai szempontból a korona az eddigi cikkeimben megvizsgált témák összességére.

Beliczay Gábor

[1] https://www.researchgate.net/figure/Annual-distribution-of-internal-solar-radiation-for-different-percentage-shading-Sh_fig3_335398687

[2] https://www.tec.org.au/solar_batteries_boom; https://www.mysolarquotes.co.nz/about-solar-power/residential/solar-power-battery-storage/

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Dunkelflaute

[4] https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Energy_consumption_in_households

[5] https://de.wikipedia.org/wiki/Thermische_Bauteilaktivierung

[6] https://ourworldindata.org/battery-price-decline

[7] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544225002555

Szerk.: Hulesch Máté