Geotermikus hőszivattyú

1. A geotermikus hőszivattyú rendszerek COP értékének alakulása, az alkalmazás hazai tapasztalatai

A hőszivattyús rendszerek tervezésében, kivitelezésében szerzett tapasztalatom alapján úgy vélem joggal kijelenthetem azt, hogy ha ma Magyarországon valaki hőszivattyút, hőszivattyús rendszereket említ, akkor nem a környezetvédelmi technikát, a komfortnövelés lehetőségét, az ellátás biztonságát látja, hanem kizárólagosan az energia megtakarítás, az energia költség csökkentésének lehetőségét! Kizárólag ez alapján ítélik meg az alkalmazás lehetőségét, szükségességét, mind felhasználói, mind állami döntéshozói szinten.

A fentiek miatt ezért Magyarországon kényszerítő erő működik a COP érték mind magasabb értékre emelésére, hiszen ez „legalizálhatja” a hőszivattyúk mind szélesebb körű alkalmazását.

Ez a kényszerítő erő – az energia piac hazánkétól eltérő összetétele miatt - az Európai Unió területén, s a tengerentúlon sem jellemző. Tapasztalatom szerint a hőszivattyús konstrukciók nincsenek „kiélezve” a hazai, az Európaitól lényegesen eltérő, geotermikus és magasabb követelményi viszonyokra.

Minden Rosszban van azonban valami jó! Ez a jelenlegi helyzet meg kell, hogy mozgassa a témával foglalkozó magyar mérnökök fantáziáját. Meg kell vizsgálni, hogy milyen lehetőségek vannak a jelenlegi technikák és technológiák alkalmazásakor illetve továbbfejlesztésekor a COP érték növelésének! Állítom, hogy a fejlesztés lehetősége adott mind technikai (geotermikus hőszivattyú), mind technológiai területen.

A készülék gyártóktól függetlenül, akik kényszerítő okok híján a könnyebb utat választva (olcsóbb készülék, nagyobb profit, kevesebb típus, kisebb tervezési költségek) nem törekednek a mind „hatásosabb” készülékek előállítására - a kompresszor gyártás területén további jelentős elmozdulás tapasztalható. Megjelentek a kimondottan hőszivattyús alkalmazásra fejlesztett „scroll” kompresszorok, s így a fejlesztés lehetősége a készülékek területén is lehetséges.

Készülékek területén hazánkban a kimondottan földhő hasznosításra szánt „geotermikus hőszivattyú” fejlesztésnek van nagy jelentősége. Mi a geotermikus hőszivattyú? –jelenlegi tapasztalatom alapján már minden folyadék-víz hőszivattyút (még kimondottan hűtőgépet is) „geotermikus hőszivattyúnak” neveznek, -talán mert jól hangzik. A „geotermikus hőszivattyú” azonban nem csak a hőnyerési mód miatt viseli ezt a jelzőt a nemzetközi gyakorlatban, hanem a konstrukciós kialakítása miatt is! Ezekben a készülékekben az a hőmérsékleti sáv, - amelyben a készülékeket alkalmazni lehet - a lehető legjobban le van szűkítve, a hűtőgáz és folyadék oldali delta"t" értékek a lehető legszűkebbre vannak méretezve. Speciális hőszivattyús alkalmazásra kifejlesztett koaxiális elpárologtatóval és kondenzátorral vannak szerelve, amelyek lehetővé teszik a kondenzátor hőmérséklettel közel azonos hőmérsékletű fűtővíz előállítását (ezen paramétereket már az új fejlesztésű lemezes elpárologtatók és kondenzátok is megközelítik).

Geotermikus hőszivattyú a gyakorlatban

A „geotermikus hőszivattyú” a gyakorlatban az adott hőnyerési módra tervezett, az átlagosnál nagyobb bekerülési költséggel előállított, az átlagosnál nagyobb COP értékkel rendelkező speciális hőszivattyús készüléket jelent.
Az alábbi ábrán (1.kép) látható, hogy milyen nagy jelentősége van a COP érték szempontjából az elpárologtató és kondenzátor megválasztásának, a delta"t" értékek csökkentésének.

A kép jobb oldalán látható az elpárologtató sematikus rajza.

Az 1. esetben az R407C hűtőközeg –60C-os hőmérsékleten folyadék állapotban jut be azelpárologtatóba és 50C-os szívógáz túlhevítést alkalmazva –10C-on hagyja el gőz halmazállapotban. Az elpárologtatót delta"t"=100C-ra méretezve, ehhez az értékhez 40C-os talajból feljövő vízhőmérséklet tartozik.

A 2. esetben az elpárologtatót delta"t"=80 C-ra tervezve a 40C-os feljövő talajvíz hőmérséklethez csak –40C-os elpárolgási hőmérséklet tartozik! A 20C elpárolgási hőmérséklet növekedés megközelítően COP=0,3 növekedést jelent! Természetesen a tervezés nem ilyen egyszerű, hiszen a delta"t " csökkentésének egyéb vonzatai vannak (elpárologtató, kondenzátor méret növekedés, tömegáram növekedés stb.), amelyeket kompenzálni szükséges, illetve célszerű a hőszivattyú alkalmazási tartományának ésszerű - a gyakorlathoz alkalmazkodó - szűkítésével.
Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a földhő hasznosításra, magasabb hőfokú (18-25 0C) hulladékhő hasznosításra, 0C alatti közegek hőjének hasznosítására(levegő) külön a célra orientált hőszivattyú típusokat célszerű alkalmazni, ha célunk a mind magasabb COP érték elérése!

A COP érték javításának technológiai tényezői közül meg kell említenem a „kompenzált hőfelhasználás”-i módot, amely a hőszivattyús rendszerek hatásosságát alapjaiban határozza meg, s ez alapján értelmezhetőek azok az állítások, hogy a jelenlegi geotermikus hőszivattyú rendszerek segítségével vertikális zárt hurkú hőnyerési mód alkalmazásával elérhető az évi COP=4,5-5 közötti érték!
A kompenzált felhasználás alatt értjük a külső levegő hőmérséklet alapján történő fűtési előremenő hőmérséklet szabályozását. Ezt a metódust egy új generációs scroll kompresszornál az 1.ábrán láthatjuk.
Az 500C-os kondenzációs ,10C-os feljövő talajvíz, és 120C-os fűtési határhőmérsékletnél a budapesti átlag hőmérsékleti adatokkal számolva optimális esetben az elérhető évi átlagosCOP érték a 3.ábrán követhető nyomon.  

2.ábra

A bevitt alapadatok alapján látható, ha a kondenzációs hőmérsékletet a külső hőmérséklet függvényében 32-520C-között változtatjuk, akkor optimális esetben elérhető az évi átlagosCOP=5,2 érték (cirkulációs szivattyút beleszámítva COP=5-5,1). Nem kompenzált felhasználás esetében azonban – kedvező talajviszonyok esetében - az évi átlagos COP=3,8-4,0 körüli érték!

3.ábra

A fentiekből látható, hogy a hőszivattyús tervezést a COP érték optimalizálása érdekében nagyon körültekintően, a belső fűtési rendszerrel összhangban kell megvalósítani!

2. A geotermikus hőszivattyú alkalmazásának hazai tapasztalatai

A hőszivattyús rendszerek alkalmazásánál a hazai gyakorlatban elvárt, hogy monovalensrendszerek kerüljenek kiépítésre. A mi kedvező talajviszonyaink között, geotermikus hőszivattyúkkal, vertikális zárt hurkú rendszerekkel ez megoldható a tervezett paraméterek között.
A rendszerek alkalmazásának, tervezésének azonban egyéb fűtési rendszerektől eltérő sajátosságai vannak - amelyekkel a megrendelők, s esetenként a szakemberek sincsenek tisztában. Ez a sajátosság az esetek mintegy 10-20%-ban a megrendelők részéről pillanatnyi értetlenséget, negatív visszhangot vált ki. A legnyilvánvalóbb eltérés egy gázkazános rendszerhez képest a következő: -egy gázkazános fűtési rendszer tervezésénél az épület szerkezeti elemei alapján a tervező meghatározza a (–13)-(-150C) külső hőmérséklethez, illetve a szabványos belső hőmérsékletekhez tartozó hőveszteség értéket. Ez egy szükséges gázkazán teljesítmény értékét (kW) határoz meg.
Amennyiben egy ilyen gázkazán kerül beépítésre, akkor semmi korlátja (csak a felhasználó pénztárcája) nincs annak, hogy részterheléseknél milyen belső hőmérsékleteket tart a megrendelő, illetve a fűtési szezonban hány üzemórát üzemel a készülék! - Az elvárás ezen gyakorlatnak megfelelően a hőszivattyús rendszerek esetében is fennáll, ami nem vág össze a vertikális zárt hurkú hőnyerési móddal kombinált hőszivattyús rendszerek sajátosságával.

Az első sajátosság az, hogy a hőszivattyús rendszerek túltervezése - ellentétben a gázkazános rendszerekhez képest - igen költséges, és megtérülés szempontjából értelmetlen megoldás. A pontos hőtechnikai tervezés ezért elengedhetetlen. A hőmérsékleti szélsőségek áthidalása ilyen esetekben vagy a komfort csökkentésével (nem használt szobák hőmérsékletének csökkentése, légcsere csökkentése), vagy beépített elektromos puffer igénybevételével történhet. Ez a megrendelők részéről általában érthető és elfogadott sajátosság.

A második sajátossága a rendszernek az, hogy míg a gázkazános rendszert teljesítményre (kW) kell méretezni, addig egy hőszivattyús rendszernél a talajból egy fűtési szezon alatt kivett kWh energia mennyiséget kell meghatározni, amely megszabja a hőszivattyú fűtési szezonban futott óráinak számát! Ezt speciális tervező program segítségével lehet - a talajviszonyok pontos ismeretében - meghatározni. Ebből a sajátosságból keletkező problémát egy viszonylag nagy hőszivattyús rendszeren keresztül mutatom be.

1.sz.tervlap

Az 1.sz tervlap mutatja, hogy a Kecskeméti 41 lakásos társasház (lásd.1.kép) vertikális zárthurkú geotermikus hőszivattyús rendszerénél alkalmazott „NORDIC” Wec-250-HACW típusú készüléknek a fűtési szezonban 1745 h-t kell működnie, a szabványok alapján készült hőtechnikai számítást figyelembe véve, s ezalatt a talajból 94.332,0 kWh energiát kell kivennie (a társasháznál 2db hőszivattyú van beépítve). A hőtechnikai tervezés dokumentált, a kapott építészeti rajz alapján szabványosan készült.

1.kép

A hibajelenség a második fűtési szezonban következett be, amikor is a kollektor rendszer túlhűlt, s a leghidegebb napokban teljes terheléssel nem volt képes dolgozni, a rendszerbe kisegítő gázkazán lett beépítve. Ekkor a szakértői reakciók is azt támasztották alá, hogy a kollektor rendszer alá lett tervezve. A harmadik fűtési szezont már kisegítő gázkazánnal, s egy új szabályozó berendezéssel vitte végig a társasház. Az új berendezés regisztrálta a készülékek futási idejét (a hőszivattyúk pillanatnyi teljesítményét bemértük), s ez alapján a rendszerben levő két készülék a 2x1745h-hoz képest közel háromszor annyit üzemelt! - Tehát a kollektor rendszer kibírta a tervezetthez képest háromszor nagyobb terhelést, de ez természetesen lényeges COP érték csökkenéssel járt!

A probléma gyökere tehát a kivitelezett épület, s esetlegesen a felhasználói magatartás tervezettől való eltérésében keresendő. A példát azért hoztam, mert ez hűen tükrözi a vertikális zárt hurkú hőszivattyús rendszerek alkalmazásának legnagyobb problematikáját, azt, hogy ezen rendszereket, mint előzőekben említettem, évi kivett kWh-ra és futási időre lehet méretezni és nem kW teljesítményre. A talajban ugyanis folyamatos hőáram van, de a hő terjedési sebessége igen lassú, a teljes regenerációhoz hónapokra van szükség. Az átlagos kollektor terhelhetőséget a hőszivattyú gyártók ennek ellenére általában kW/100m-ben adják meg. - Ez egy nagyon bizonytalan meghatározás, hiszen az épület jellegét, a hőfelhasználás módját nem veszi figyelembe!

A rendszerek ezen sajátosságát a felhasználók csak nagyon nehezen veszik tudomásul. Probléma ebből természetesen ott jelentkezik, ahol a tervtől a megvalósulás minősége, a felhasználó komfortigénye lényegesen eltér. A rendszerek pillanatnyi megítélésében a fentiek miatt gondot jelent az új épületek kiszáradási fázisa! Ez tapasztalataink alapján 3 év alatt megy végbe, s ez alatt egy folyamatosan csökkenő fűtési energia igénnyel számolhat a Tulajdonos. Tehát a tervben prognosztizált futási időhöz és ezzel összefüggő COP értékhez valójában a harmadik fűtési szezonban ér el hőszivattyús rendszer.

A hőszivattyús rendszerek alkalmazását felhasználói oldalról is tanulni kell - el kell fogadni, hogy a geotermikus hőszivattyú fűtési/hűtési/HMV rendszer energiatakarékos és környezetkímélő, de építészeti és felhasználói oldalról is ezt a szemléletet kívánja meg!

A Magyarországon is bevezetendő energia audit megítélésem szerint sokat segíthet a geotermikus hőszivattyú rendszerek tervezésénél és alkalmazásánál!

           Fodor Zoltán
           Vez.tervező
Megújuló energia szakértő