A "Magyar Épületgépészetben" megtisztelő módon rendelkezésemre álló információ közlési lehetőséget szeretném arra felhasználni, hogy bemutassam Önöknek a geotermikus hőszivattyúk széleskörű felhasználásának lehetőségeit, értelmét, s a felhasználás buktatóit.
Bemutatom Önöknek azt az alkalmazási metódust - hőnyerési mód, rendszer tervezés - valamint azt a készüléktípust, amely elemzéseink szerint a mi földtani viszonyaink között a legjobb évi átlagos COP értéket biztosítja a hőszivattyúk alkalmazásakor, valamint kitérek a készülékfejlesztés további lehetőségeire.
Ezen írásom alapját az okt.19.-i Debreceni Tudományos ülésszakon tartott előadásom anyaga adja.
Ismereteim szerint a szakmában is megfogalmazott ellenérv a hőszivattyús rendszerekkel szemben, hogy elektromos energiát használnak fűtésre, hűtésre és HMV előállításra, s a rendszerek alacsony átlagos COP értéke nem hozza meg a kívánt energia megtakarítást és az elvárható környezetvédelmi előnyt.
Ezen írásommal szeretnék hozzájárulni a hőszivattyúkkal kapcsolatos kép árnyalásához. Nem értek egyet azzal a nézettel sem, amely azt hangoztatja - teljesen mindegy, hogy a hőszivattyús rendszerek milyen COP értékkel működnek, lényeg a helyi károsanyag kibocsátás „0” értékre csökkentése.
Véleményem szerint, nekünk mérnököknek mindent meg kell tennünk annak érdekében, hogy adottságainkat legoptimálisabban kihasználó legmagasabb évi COP értéket biztosító hőszivattyús rendszereket építsünk, amely így a lehető legnagyobb primer energia megtakarítást, s ezzel összhangban a legnagyobb környezetvédelmi előnyt biztosítja.
Az alkalmazott hőnyerési mód
A magyarországi viszonyokra installált geotermikus hőszivattyús rendszer kialakításánál a rendelkezésemre álló számítógépes szoftverekkel elemzéseket végeztem a különféle hőnyerési módok alkalmazhatóságát illetően.
Legfőbb szempontként jelentkezett ennél az elemzésnél:
- az évi átlagos COP érték maximalizálása
- az üzembiztonság
- megvalósíthatóság
Az elemzés konklúziója, hogy a fenti feltételek együttes érvényesítésének a magyarországi geotermikus adottságaink figyelembe vételével a vertikális zárt hurkú rendszerek tudnak a legjobban eleget tenni.
A vertikális zárt hurkú rendszerek sikeres – magas évi átlagos COP érték - alkalmazhatóságának két lényeges paramétere a geotermikus gradiens, valamint az átlagos talaj konduktivitás.
A kárpát medence, de különösen Magyarország területe alatt a földkéreg az átlagosnál vékonyabb, s ezért hazánk adottságai az említett paramétereket illetően igen kedvezőek.
A föld belsejéből kifelé irányuló hőáram (a gradiens és talaj konduktivitás szorzata) átlagos értéke 90-100 mWatt/m2 ami mintegy kétszerese a kontinentális átlagnak!
Amint az alábbi ábrából is látszik, Magyarországon belül is a legjobb adottságú terület a Dél-Alföldi régióval megegyező terület, de az európai átlaghoz képest mindenhol jobb lehetőségekkel rendelkezünk a zárt kollektoros földhő hasznosítást illetően.
 1.ábra Magyarország geotermikus térképe
A fenti megállapításom a vertikális zárt hurkú rendszerek alkalmazhatóságára vonatkozóan nem zárja ki azt, hogy minden projektnél meg kell vizsgálni, a helyi adottságok figyelembe vételével, egyéb esetlegesen kedvezőbb hőnyerési mód alkalmazhatóságát. (hulladékhő, nyíltvíz közelsége, pozitív kút megléte, stb).
Geotermikus hőszivattyúkAz újgenerációs hőszivattyúknál alkalmazott kompresszorok jellemzői
A spirál kompresszorokkal 1905-ben Francia mérnök Jean Creux kezdett el foglalkozni. A technológia fejletlensége miatt a működő prototípusnak várnia kellett a század II. feléig.
A háború utáni években kifejlesztett nagy precizitású gépi szerszámok tették lehetővé ezen spirál kompresszorok(lásd.:2.ábra) sorozatgyártásának megvalósítását.
 2.ábra
Ezen kompresszorok működési elve alapvetően különbözik a hagyományos dugattyús kompresszorokétól. Ennek következtében számos előnye van mind működésben, mind szerkezetében, mind funkciójában.
A spirál kompresszorok megjelenése radikális áttörést jelent a technológiában, ami jelentősen megváltoztatta a hőszivattyúk szerkezetét teljesítményét és élettartamát.
-Mindezen tényezők együttesen azt jelentik, hogy a scroll kompresszorok jelentős javulást jelentenek az energia szállítás hatásfokában a hagyományos dugattyús kompresszorokhoz képest.
Az alábbi 3.ábra alapján látható, hogy a COP érték 15-25%-al növekedett a hajtómotor teljesítmény függvényében, amely a hőszivattyús technikát alapjaiban változtatta meg.
 3.ábra Geotermikus hőszivattyúk jellemzői
Közepes, illetve magas hőfokszintre tervezett készülékek, ami azt jelenti, hogy (-90C)-(+100C) közötti elpárologtatási hőmérsékleteken dolgoznak.
Jellemzőjük a lehető legkisebb hűtőközeg/folyadék hőmérséklet különbség kialakítása mind az elpárologtató, mind a kondenzátor oldalon, amely ezzel a COP értéket jelentősen növeli (lásd.:4.ábra).
 4.ábra
A folyadék-víz geotermikus hőszivattyúkhoz a fentiek miatt koaxiális kondenzátorokat és elpárologtatókat fejlesztettek ki amelyekkel lehetővé vált a hűtőközeg/folyadék hőmérséklet különbség minimalizálása. Az új hőszivattyús fejlesztések azonban a lemezes elpárologtatóknál és kondenzátoroknál is beindultak, s már található a piacon olyan lemezes kondenzátor és elpárologtató (reverzibilis rendszerhez is) amely képes minimalizálni a hőmérséklet különbséget, sőt a kilépő fűtővíz hőmérséklet pár C-al magasabb lehet, mint a kondenzátorból kilépő hűtőközeg hőmérséklete.
A valóságban a hőszivattyúk megítélése, az adott feladatra történő kiválasztása a felhasználó részéről majdnem lehetetlen. Tapasztalataim alapján neves európai gyártók a készülékeik adott hőfokszinthez tartozó COP értékeinek megadásakor a kompresszorok elméleti értékeit tüntetik fel, s nem a mért laboratóriumi értékeket! A készülékek energetikai jósági foka azonban - megítélésem szerint - sok esetben kívánnivalót hagy maga után. Jól látható a legegyszerűbb kivitelre való törekvés, amelynek következménye a szívó, -nyomó és folyadékvezetékek keresztmetszetének minimalizálása, amelyek jelentős energetikai veszteséget okoznak a készülék működésében, főleg a részterhelések időszakában, amikor a tömegáramok növekednek a rendszerben. Emiatt az évi átlagos COP értékek közel sem úgy alakulnak, mint az elméletileg elvárható lenne.
A megoldás a tesztlaboratóriumi eredmények bemutatása, esetleg magyarországi elvégzése lehetne, a készülékek teljes működési tartományára vonatkozóan. Ennek lehetőségét a hazai földhő hőszivattyús szervezet megalakulása jelenthetné.
A készülékfejlesztés lehetőségei, az évi átlagos COP érték alakulása
Az elmúlt években egyes kompresszorgyártóknál megindult a fejlesztés a speciális hőszivattyús kompresszorok kifejlesztésére, melynek következtében az elmúlt évben megjelent a speciálisan hőszivattyús alkalmazásra szánt gőzbefecskendezéses kompresszorcsalád.
Az elvi séma (lásd.:5.ábra) alapján látható, hogy a kompresszor külön gőzcsonkkal rendelkezik. A gőzképzést a rendszerbe illesztett ekonomizerel, valamint a működtetéséhez szükséges expanziós szeleppel oldják meg.
 5.ábra
Jellemzője:
- -Az eddigi átlagos max.100C-os elpárologtatási hőmérséklet 150C-ra emelkedett, s a földhő hasznosításra jellemző (+20C)-(-90C) hőfokszinten 64-650C-fok kondenzációs hőmérséklet érhető el.
- -Jobb teljesítmény. A teljesítmény javulását a rendszerben levő entalpia növelésével éri el, s nem a tömegáram növelésével.
- -Megnövelt COP érték. A hatásfok növekszik annak a ténynek köszönhetően, hogy a leadott teljesítmény növekedése nagyobb, mint a kompresszor által felvett teljesítmény növekedése.
- -Előnyös költség és energiafogyasztás. Ezen kompresszorokkal szerelt hőszivattyúkkal lehetővé válik radiátoros rendszerek üzemeltetése is.
- Az alábbi ábrák (lásd.:6-7.ábra) egy ilyen kompresszorral valamint új fejlesztésű lemezes elpárologtatóval és kondenzátorral szerelt geotermikus hőszivattyúval elérhető évi COP értékét ábrázolja.
 6.ábra
A gyári kalkulációs program budapesti küls? légh?mérsékleti adatokkal dolgozik. Az energiafelhasználás „kompenzált” ami azt jelenti, hogy a mindenkori kondenzációs h?mérséklet a küls? h?mérséklet függvényében változik.
A beállított paraméterek:
- 480C-os max.kilépő fűtővíz hőmérséklet
- 120C-os fűtési határhőmérséklet
- 3,10C-os kondenzátor oldali hőmérséklet különbség
- 6,00C-os elpárologtató oldali hőmérséklet különbség
- 3,50C-os átlagos talajból feljövő vízhőmérséklet
A fenti paraméterek jól megválasztott elpárologtatóval, és kondenzátorral megvalósíthatók.
Ezen paraméterekkel, kompenzált energia felhasználás alkalmazásával egy 0/350C –on (elpárologtató/kondenzátor h?mérséklet) 13 kW fűtési teljesítményű reverzibilis hőszivattyúval - vertikális zárt hurkú hőnyerési mód alkalmazásával - elérhető az évi átlagos COP=5,14 érték (lásd.:7.ábra).
Ez a lehetőség alapjaiban változtathatja meg a hőszivattyúk alkalmazhatóságát és energetikai megítélését!
Az említett évi átlagos COP érték megvalósulása csak egy lehetőség, amely függ a rendszer szabályozásától, a fűtési rendszer pontos tervezésétől, és a felhasználói magatartástól.
 7.ábra Zárt hurkú rendszerek tervezési metódusa
Az adott típusú geotermikus hőszivattyúhoz szükséges földkollektorok hosszának megállapítása, a hidraulikai paraméterek kiszámítása a fűtés és hűtéstechnikai ismereteken túl geológiai ismereteket is feltételez, valamint olyan számítási metódust amely tapasztalatokon kísérleteken alapul.
A szoftveres tervezés – amely figyelembe veszi:
- A talajból kivett évi hőmennyiség (kWh) nagyságát
- A geotermikus gradiens helyi értékét
- A talaj átlagos hővezetési tényezőjét
- A kollektor rendszer paramétereit(csőminőség, méret, furatátmérő, távtartók, kollektor távolság, tömedékelés, mélység)
- A tervezett évi átlagos COP értékét
- Az átlagos külső hőmérsékleti viszonyokat
- Lehetővé teszi, hogy a vertikális zárt hurkú rendszereket biztonsággal tervezni lehessen, s a tervezési határok között ne forduljon elő a talaj túlhűlése és a rendszer leállása
A tervezés lényeges sajátossága, hogy a tervezés alapjául a talajból kivett évi energiamennyiség (kWh) szolgál, s nem a gázkazános rendszereknél megszokott csúcsteljesítmény (kW) szükségletet kell csupán meghatározni. A tervezési eltérés azzal magyarázható, hogy a talajban a hő teljes visszapótlása viszonylag lassú folyamat, heteket, hónapokat vesz igénybe.
Amennyiben tehát a talajból egy fűtési szezonon belül lényegesen több energiát veszünk ki, mint a tervezett, a talaj folyamatosan hűl, romlik az évi átlagos COP érték, s durva esetben a túlhűlés a rendszer leállásához vezethet.
A fentiek alapján tehát egy épület évi fűtési energiafogyasztásának pontos meghatározása lényegi befolyásoló hatással van a rendszer évi átlagos COP értékére!
Emiatt az új épületeknél el?írt energia audit lényeges segítséget jelent a hőszivattyús rendszerek tervezőinek.
Végezetül meg kell említenem a felhasználói magatartást, amely mint előzőekben említettem szintén jelentős hatással lehet az évi átlagos COP érték alakulására.
A belső hőmérsékletek tervezettől tartósan eltérő - növelt - értékei jelentősen növelik a talajból kiveendő évi energia mennyiséget, s a tervezettől eltérő érték maga után vonja az évi átlagos COP érték változását!
A fentiek alapján látható, hogy a lehetősége mind technikai, mind technológiai, mind tervezési oldalról megvan annak, hogy határozottan gazdaságos hőszivattyús rendszereket építsünk ki, de ehhez mind tervezői, mind kivitelezői, s nem utolsó sorban felhasználói oldalról meg kell ismerni a rendszer sajátosságait, s ennek alapján maximálisan kihasználni a rendszer adta lehetőségeket.
Fodor Zoltán
Okl.gépészm.,épületgépészm.
G-1/04-039-2000 Ép.gép.vez.tervező
G-B-16/04-039-2000 Megújuló energia hasznosítási szakértő
|
Publikációk 
