SZLOVÉNIA-MAGYARORSZÁG OPERATÍV PROGRAM FÖLDHŐS HŐSZIVATTYÚ KÉZIKÖNYV

Átírás

1 SZLOVÉNIA-MAGYARORSZÁG OPERATÍV PROGRAM FÖLDHŐS HŐSZIVATTYÚ KÉZIKÖNYV a Geotermikus hasznosítások számbavétele, a hévízadók értékelése és a közös hévízgazdálkodási terv előkészítése a Mura-Zala medencében projekt keretében T-JAM

2 Projekt partnerek: Szlovén Földtani Szolgálat Nyugat-dunántúli Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság Készítették: Andrej Lapanje (GeoZs) Dušan Rajver (GeoZs) Székely Edgár (NYUDUKÖVIZIG) Közreműködtek: Špela Kumelj (GeoZs) Joerg Prestor (GeoZs) Simon Mozetič (GeoZs) Juhász István) (NYUDUKÖVIZIG) Bányai Péter (NYUDUKÖVIZIG) Tóth Laura (NYUDUKÖVIZIG) Hamza István (NYUDUKÖVIZIG) GeoZS igazgatója: Doc. Marko Komac Ph.D. NYUDUKÖVIZIG igazgatója Nádor István Ljubljana, Szombathely, augusztus 31.

3

4 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés A felszín alatti hőmérséklet és a geotermikus energia Földtani alapok A hőszivattyúk működésének alapjai Hűtésre használt földhős hőszivattyúk Sekély geotermikus rendszerek Földszondás hőszivattyúk Víz alapú hőszivattyúk A földhős hőszivattyúk előnyei és hátrányai Gyakorlati tényezők Környezeti vonatkozások A földhős hőszivattyúk piaca Jogszabályi keretek Európai jogszabályok Magyar jogszabályok A földhős hőszivattyúk telepítésének szabályozási problémái a gyakorlatban A földhős hőszivattyúk pénzügyi ösztönzői és akadályai Pénzügyi ösztönzők Magyarországon Irodalomjegyzék A témához kapcsolódó internetes források...37

5 Ábrajegyzék 1. ábra Hőmérséklet-mélység függvény a Malence obszervatórium mérései alapján (T-z függvény minden hónap 15. napjának mérései alapján 2008-ban). A fekete vonal az éves középhőmérséklet ábra Napi átlaghőmérsékletek 1 és 10 m-es mélységben a Malence obszervatóriumban december 1. és április 14.-e között ábra Különböző fúrási módszerek Szlovéniában. Az alap térkép egyszerűsített földtani térkép.5 4. ábra Vízadó típusok standard vízföldtani jelkulcs alapján (Struckmeier et al., 1995 nyomán) ábra A hőszivattyú felépítésének elve (after 6. ábra Földszondás rendszer hőcserélővel (Lund, 2008) ábra A földhős hőszivattyúk különböző típusai a szondák elrendezése alapján (Sanner, 2010) ábra Vízszintes talajkollektoros hurkok elhelyezése ( 9. ábra Földszondás rendszer ( 10. ábra Fúrás mélyítése szonda elhelyezése céljából (Foto: Aleksander Bokan) ábra Próbaszivattyúzás (Foto: Aleksander Bokan) ábra Visszatápláló kutak sorozata egy nagyobb víz alapú földhő szivattyús rendszernél (Foto: Aleksander Bokan) ábra Európa növekvő földhős hőszivattyú piaca (Sanner, 2010) ábra Az eladott földős hőszivattyú egységek száma Németországban (Sanner, 2010) Táblázatjegyzék 1. Táblázat Hőkivételi értékek (VDI 4640 part 2, évi állapot)...18

6 1. Bevezetés Jelenleg Európában a megújuló energiaforrások felhasználása növekedést mutat, részben az energiahordozók esetében jelentkező importfüggőség mérséklésére irányuló tendenciák, részben a kyoto-i egyezmény CO 2 kibocsátás csökkentésére vállalt kötelezettség miatt, valamint vonzó az ilyen módon biztosítható alacsonyabb energia ár is. A geotermikus energia egyike a megújuló energiaforrásoknak. A legmegfelelőbb definíció, amit az Európai Unió és az EGEC közösség is használ a következő:»a geotermikus energia a földfelszín alatt hő formájában tárolt energiát jelenti «(EU Direktíva 2009/28/EC a megújuló energiaforrások támogatásáról). A geotermikus energia hasznosítására sokféle technológia áll rendelkezésre. Alkalmazhatóságuk korlátja leginkább a hőmérsékletétől függ, ezért a felhasználási terület elkülöníthető sekély- és mély geotermikus energiára. A geotermikus rendszerek csoportosítása alapján sekély geotermikus rendszerekről beszélünk kb. 400 m-es mélységig és 25 C hőmérsékletig. Ezt a felosztást a Német Szövetségi Energiagazdálkodási Hivatal határozta meg 1987-ben, és azóta elfogadottan alkalmazzák Európában (pl. VDI 4640 útmutató). A sekély és mély geotermikus rendszer határa nincs hivatalosan definiálva sem Szlovéniában, sem Magyarországon. Európában a megújuló energiaforrások egyik legátfogóbb felhasználási területe a hőszivattyúk használata fűtésre, hűtésre háztartási melegvíz ellátására. Több hőszivattyú típus létezik, pl. levegős, vizes és földhő alapú. A jelenlegi összeállításban csak azok a földhős hőszivattyúk szerepelnek, amelyeket a 2010/31/EC EU Irányelvben az alábbiak szerint definiáltak: egy olyan berendezés, készülék vagy rendszer, amely a természeti környezetből (talajvíz vagy a felszín alatti képződmények) hőt szállít az épületbe, vagy ipari használatra a természetes hőáramlás megfordításával, vagyis az alacsonyabb hőmérséklet felől a magasabb felé. A reverzibilis hőszivattyúkkal a hőszállítás iránya fordított is lehet, vagyis az épületből a környezet felé is működhet. A földhős hőszivattyúk (GSHP) a megújuló energiaforrások hatékony hasznosítási módjai, melyek nemcsak lakóházak és irodák fűtésére és hűtésére, hanem a háztartás használati melegvíz ellátására is alkalmasak. Nagy előnyük, hogy a természetben előforduló meglévő hőt gyűjtik össze, nem pedig fosszilis tüzelőanyagok elégetésével nyernek energiát. Az ajánlásban először egy átfogó képet adunk az alapvető földtani és geotermikus jellemzőkről, valamint a hőföldtan alapjairól, amely az alacsony entalpiájú hő (hőmérséklet < 30 C, mélység <200 m) előfordulásával, mozgásával és felhasználásával foglalkozik (Banks, 2008). Az 5. fejezetben a hőszivattyú üzemeltetését, a lehetőségeit és alkalmazhatóságát írjuk le. Ezután bemutatjuk az európai és magyar jogi kereteket, amelyek támogatják és szabályozzák a földhős hőszivattyús technológiát. Bár ez egy elterjedt, a megújuló energiaforrások felhasználására szolgáló technológia, ugyanakkor befektetési költsége magasabb, így nem versenyképes a hagyományos energiaforrásokra alapuló energiatermeléssel. Az államnak támogató mechanizmusokkal kellene segíteni ennek legyőzését, mint például alacsony kamatú kölcsönök, egyéb támogatások és részbeni vagy teljes adófizetési kötelezettség eltörlése. Még bőven van tennivaló ebben az ügyben. A fentiek alapján a jelen ajánlás célja, hogy bemutassa az alapvető hőszivattyú jellemzőket, a fontos hőszivattyú fejlesztési és üzembe helyezési kérdéseket, és felhívja a figyelmet a tervezés fontosságára. A földhős hőszivattyú rendszerek fenntartható és sikeres tervezéséhez különféle szakértői ismeretek integrálása szükséges: építészek, fűtési és légkondicionáló 1

7 berendezéseket telepítő szakemberek, geológusok, fúrómesterek, mivel csak a csapatmunka hozhatja meg a legjobb eredményt. A tanulmány végén található irodalomjegyzék és a kapcsolódó weboldalak listája alapján további információk szerezhetők a hőszivattyúkról, mivel ebben a munkában nem tudtunk minden részletre kitérni. 2. A felszín alatti hőmérséklet és a geotermikus energia A szilárd földfelszín alatt elhelyezkedő kőzetek, üledékek és a felszín alatti vizek tárolják a hőt; a felszínközeli képződmények egy óriási hőtárolóként is értelmezhetőek. A talajt nyáron a napsugárzás energiája melegíti fel. A természetes anyagok hővezető képessége alacsony, ez akadályozza meg a tárolt hő azonnali kisugárzását, de másrészről nem annyira alacsony, vagyis a felszín alatti hőt hőcserélővel hasznosíthatjuk. Fajlagos hőkapacitásnak hívjuk az anyagok hőtároló képességét. Ez megmutatja, hogy mennyi hő nyerhető ki 1 köbméter kőzet 1 K fokos hőmérséklet csökkenéséből. A hőátadás három fő mechanizmussal történhet: - Kondukció (hővezetés) - Konvekció (hőáramlás) - Sugárzás A kőzetek hővezetése leginkább az ásványi összetételtől (ha a kvarctartalom nagyobb, ez az érték is nagyobb), a porozitástól (víztartalom) és az anyag áteresztőképességétől (permeabilitás) függ. A kőzetek tipikus hővezető képessége 1 és 4 W/(m K) között változik. A víz hőkapacitása 4186 J/(kg K), a legtöbb kőzetnél ez az érték 800 és 1000 J/(kg K) között változik. Ez számunkra azt jelenti, hogy nagy mennyiségű hőt lehet nyerni felszínalatti vizek által szállított hőáramlásából. A földhős hőszivattyúk tervezéséhez és méretezéséhez fontos tudni, hogyan változik a felszín alatti sekély térrészben a hőmérséklet a közép-európai klimatikus viszonyok között. Erre a kérdésre a legalább 20 m-ig mélységig lehatoló mérési idősorok adhatnak választ. 2

8 1. ábra Hőmérséklet-mélység függvény a Malence obszervatórium mérései alapján (T-z függvény minden hónap 15. napjának mérései alapján 2008-ban). A fekete vonal az éves középhőmérséklet. A felszín közeli hőmérsékletet az évi középhőmérséklet határozza meg leginkább, vagyis az a hő, amit a földhős hőszivattyúkkal innen kinyerünk, lényegében a földfelszínt melegítő napenergiából származik. A Föld külső hőenergiája a napsugárzásból származik. Nyáron a Föld felszíne az intenzív napsugárzás és a megemelkedett hőmérséklet miatt felmelegszik. A legtipikusabb periodikus változás a napi és az éves hőingás a földfelszínen, ami a felszín alatti hőmérséklet-eloszlások (T-z profilok) alakjára is kihat. Az éves hőmérsékletváltozás majdnem 20-szor mélyebbre hatol, mint a napi szintű, amely csupán 1-2 méterig érezteti hatását. Az éves változásokat a malence-i megfigyelőállomás adatai alapján szerkesztett hőmérsékleti profilok is mutatják. Az ábrán Iátható, hogy a napsugárzás hője csak néhány tíz méterre hatol le a földfelszín alá. Néhány éves monitorozás ugyanannál a megfigyelőállomásnál lehetőséget teremtett a napi átlaghőmérséklet ingásának nyomon követésére különböző mélységekben (2. ábra). 3

9 2. ábra Napi átlaghőmérsékletek 1 és 10 m-es mélységben a Malence obszervatóriumban december 1. és április 14.-e között Mindkét ábrából kitűnik, hogy az éves változás már 10 méter mélységig is sokat csökken, bár kisebb különbségek (néhány tized fok) még 20 méterig követhetők. A 2. ábrából az is látszik, hogy a hőmérsékleti görbén a maximumok és minimumok késnek időben. A változás értékeit a felszín közeli térrész földtani felépítése, a kőzetek és talajok tulajdonságai befolyásolják. A Föld jelenlegi hőmérséklet tere belső (bolygó) és külső (kozmikus) források eredője. A belső forrás leginkább a radioaktív bomlásból felszabaduló hő, emellett kevesebb energia származik bolygónk keletkezéséből maradandóan. A Föld hője folyamatosan sugárzik ki a felszínen keresztül az űrbe (Univerzum), amit hőáramlás sűrűségének meghatározásával (HFD) tudunk követni. A jelenlegi hőáram sűrűség érték alapján kb. 83% származik a radioaktív izotópok bomlásából, és csak 17% a Föld hűléséből (Gosar & Ravnik, 2007). A hőáram értékeket legjobban mélyfúrásokban folyamatos hőmérsékletméréssel lehet meghatározni (hőmérsékleti gradiens), valamint a mélyszelvényében a kőzetek hővezető képességének meghatározása alapján. Az átlag hőáram sűrűség a Földön 87 mw/m 2, a kontinenseken csak 65 mw/m 2. A földkéreg fölső néhány kilométeres részének geotermális gradiense a kontinenseken átlagosan 30 C/km. 4

10 3. Földtani alapok A földhős hőszivattyúk tervezésénél a földtani adottságokon a tervező nem tud változtatni. A tervezésnek alkalmazkodni kell a geológiához, és ehhez földtani adatok ismerete szükséges (Sanner, 2010): A kőzetek típusa és keménysége (földhős hőszivattyú telepítéshez fúrás, pl. fúrólyuk vagy kút mélyítése) A földtani közeg hőmérsékleti jellemzői (földhős hőszivattyú működtetése) A felszín alatti vizek helyzete (földhős hőszivattyú telepítéskor fúrásához és a szivattyú működtetéshez) Egy régió földtani fejlődése nagyon sokféle lehet geológiai koronként. Az idő folyamán különféle kőzetek és talajok alakulnak ki, melyek sokféle átalakuláson mennek keresztül, ezek közül a legfontosabb a tömörödés és a víztelenedés, amely az üledékképződés közben meglévő fizikai paraméterektől (hőmérséklet, nyomás) és természetesen a folyadékok jelenlététől függ. Mivel Szlovénia földtani felépítése elég változatos, azokon a területeken, ahol különböző kőzettípusok találhatóak, a fúrási körülmények gyors változása várható. Észak-kelet Szlovéniában (csakúgy, mint Zala és Vas megyében, Magyarországon), ahol uralkodóan a tercier törmelékes üledékes kőzetek együtt fordulnak elő negyedidőszaki üledékekkel, a rotary (iszapöblítéses) fúrás technikája (beleértve az időszakos csövezést) az elterjedt és kedvelt módszer. Karbonátos, magmás és metamorf kőzetekből álló területeken ütvefúrót célszerű használni, legalább 250 méterig. 3. ábra Különböző fúrási módszerek Szlovéniában. Az alap térkép egyszerűsített földtani térkép. 5

11 A terület vízföldtani felépítése szintén befolyásolja a fúrási mód és még inkább a megfelelő hőszivattyú technológia kiválasztását. A következő vízadó típusokat különböztetjük meg (Struckmeier et al., 1995): 4. ábra Vízadó típusok standard vízföldtani jelkulcs alapján (Struckmeier et al., 1995 nyomán) A helyi földtani felépítés ismerete fontos a megfelelő fúrási technológia kiválasztásához, a kőzettani változatosságból adódó meglepetések elkerüléséhez (amikor keményebb vagy lazább rétegek találkoznak), illetve hidrogeológiai problémák elkerüléséhez is. Különleges helyzet állhat elő, amikor a fúrás során fúrási módszert kell váltani, különösen, ha a fúrás kőzettanilag kevert területen mélyül (pl. karbonátos és agyagos kőzetek váltakozásánál), ahol a keménység és az áteresztőképesség is változik. Repedezett vízadóknál az ütvefúrás az előnyben részesített módszer. Óvatosnak kell lennünk, amikor a fúrás mélységi, vagy artézi vízadóba mélyül, főleg mikor a hőcserélő függőleges furata készül (BHE). Az artézi vízadóknál a visszasajtolás is sokkal bonyolultabb. A szemcseközi porozitással rendelkező konszolidálatlan üledékeknél ideiglenes szűrőzés szükséges, és a fúrási módszer jellemzően a rotary. A földtani közeg hőmérsékleti paramétereinek ismerete fontos a fúrásban levő hőcserélő megfelelő tervezéséhez (Sanner, 2010). Olyan területen, ahol a kondukciós hővezetés a jellemző, a fúrásban levő hőcserélő telepítéséhez alapvető a hővezető képesség (λ) ismerete alapvető, ez az érték a gyakorlatban 1 és 4 W/(m K) között változik. Az áteresztőképesség és a felszín alatti víz áramlásának ismerete a földhős hőszivattyúknál fontos, de maga a felszín alatti víz is befolyásolhatja a fúrólyukban levő hőcserélő hatékonyságát (amikor a Darcyáramlás magas). Olyan projekteknél ahol a beépített hőkapacitás kb. 50 kw vagy annál több, a hőelnyeletési /szondateszt elvégzése egy bevett eljárás a földhő paraméterek megállapításához. 6

12 4. A hőszivattyúk működésének alapjai A hőszivattyú egy olyan berendezés, amely képes hőt átadni egy alacsonyabb hőmérsékletű környezetből (felszíni víz, felszín alatti víz, kőzetek) egy magasabb hőmérsékletűbe (központi fűtés). A hőszivattyúnak elektromos áramra van szüksége, hogy mechanikai munkát végezzen. A földhős hőszivattyúk azt az elvet használják ki, hogy a föld felszín alatt éves szinten viszonylag állandó a hőmérséklet, télen melegebb, nyáron hidegebb, mint a környező levegő, hasonlóan mint egy karsztos barlang esetében. Télen a tárolt hő a földtani közegből, vagy a felszín alatti vízből az épületbe szállítható, míg nyáron a hő az épületből a felszín alá vihető. Más szavakkal, a talaj és az alatta lévő közeg hőforrásként üzemel télen és hőelnyelőként nyáron. A hőszivattyúk a hőt úgy továbbítják, hogy egy munkaközeget (folyadékot) keringetnek egy kompressziós-expanziós körfolyamatban (Banks, 2008, p.62): 1. A hőkicserélőben (párologtató) a munkaközeg nagyon alacsony hőfokon kering. Amikor ez elkezd forrni és gáz halmazállapotúvá válik, az elsődleges folyadékkal történő hőkicserélődés miatt elnyeli a párologáskor felszabaduló hőt. 2. A munkaközeg most már magasabb hőmérsékleten gáz halmazállapotban áthalad a kompresszoron, amit áram működtet. Amikor a gázt a kompresszor összenyomja, a hőmérséklet emelkedik. Az összenyomott gáz tehát magas hőmérsékleten lép ki a kompresszorból. 3. A felmelegített gáz halmazállapotú munkaközeg áthalad egy másik hőcserélőn (ez a kondenzátor). A gáz elkezd lecsapódni és ismét folyadékká alakul, miközben hőt ad le, ami átadódik a fogyasztói körbe (pl. távfűtés). A kondenzátor elhagyása után, a munkaközeg még mindig nyomás alatt van. 4. A munkaközeg úgy fejezi be a körfolyamatot, hogy áthalad az expanziós szelepen, erőteljesen lehűl és egyúttal kikerül a nyomás alól. 5. ábra A hőszivattyú felépítésének elve (after A hőszivattyún belül a munkaközegnek hőmérsékleti szempontból stabilanak kell lennie, megfelelő hőkapacitással rendelkeznie, illetve az illékonysági/forráspontnak összhangban kell lenni a hőszivattyú működési hőmérsékletével és nyomásával, és a környezeti kritériumoknak is meg kell felelnie. 7

13 Az elektromos energia, amit a hőszivattyú kompresszorának működtetésére használnak átalakul, részben hangenergiává (a kompresszor zúgása), de a többsége hőenergiává, amit a munkaközeg felvesz és a kondenzátorban ki kell nyerni a fogyasztói oldalon (5. ábra). A hőszivattyú folyadékának üzemhőmérséklete meg kell hogy feleljen a háztartás fűtési rendszerének, ami többféle lehet: >60 C C C C egy régebbi, hagyományos forró-vizes központi fűtési rendszer esetén, egy modernebb, alacsony hőmérsékleten működő központi fűtési rendszer esetén nagy fűtőtest felületekkel, padlófűtéses központi fűtési rendszer esetén, ha meleg levegő keringetést használunk, mint fűtőeszköz. A hőszivattyú hatékonyságára általában a teljesítménytényező (COP H ) utal és attól függ, hogy a munkaközeg hőmérsékletét mekkorára kell emelni. A hőszivattyú hatékonysága csökken, ha nő a szükséges leadási hőmérséklet és csökken a forrás hőmérséklete. Egy adott hőszivattyú nem rendelkezik kötött COP H értékkel: ez a működési körülményektől és a hőmérséklettől függ. A hőszivattyú hatékonysága (COP H ) akkor a legjobb, ha a fogadó és a forrás (környezeti) oldal hőmérséklet különbsége minimális. A teljesítménytényező egy ideális Carnot-féle termodinamikai körfolyamatban (Heap, 1979):, ahol H E Θ 1 Θ 2 a megemelt hőmérsékleten átadott hő, elektromos áram input a hőszivattyú kompresszor számára, folyadék hőmérséklet a hőleadó oldalon folyadék hőmérséklet a hőforrás oldalon (felszín alatti víz, kőzet vagy talaj). A hőszivattyú valódi COP H értéke a gyakorlatban több ok miatt is alacsonyabb, mint az ideális, Heap, 1979): Az elpárologtató hőmérséklete általában jelentősen a környezeti forrás hőmérséklete alatt van, hogy biztosítsák a kinetikailag gyors hőcserét a környezet és a munkafolyadék között. Hasonlóan, a kondenzátor hőmérséklete is magasabb, mint a fűtendő hely hőmérséklete, A valódi gőz kompressziós hőszivattyúk nem használják az ideális Carnot-féle körfolyamatot, de gyakran használják az úgynevezett Rankine-féle körfolyamatot, ami praktikusabb, de kevésbé hatékony, Kompressziós hatáscsökkenés vagy más elégtelenségek a rendszerben. Vegyünk például egy egyszerű víz alapú hőszivattyút, ami azon alapul, hogy a felszín alatti vizet kiszivattyúzzák egy kútból, és nézzük meg mennyi hőt tudunk kinyerni ideális körülmények között. Szlovéniában és Magyarországon a felszín alatti víz (pl. talajvíz) hőmérséklete kb. 11 C fok körül várható. Feltételezzük, hogy Q=1 l/s hozamot tudunk a kútból kiszivattyúzni, ami bekerül a hőszivattyú párologtató egységébe. A hőszivattyú kinyerni a víz hőtartalmát (G) így annak hőmérséklete csökken. A tipikus hőmérséklet esés 8

14 ( θ) nagyjából 5 C körüli, tehát a kapott vízhőmérséklet 11 C 5 C = 6 C, amit ugyanabba a vízadóba kell visszajuttatni. A kinyert hő egy magasabb hőmérsékletre kerül a hőszivattyúban, amit a háztartás fűtési rendszere felhasználhat. Azt feltételezve, hogy az akusztikus zaj miatti energiaveszteség elhanyagolható és az összes kinyert hő, valamint a kompressziós hő hatékonyan a felhasználás helyére jut, az összes fűtőhatás (H): H G + E, ahol G a felszínközeli képződményekből kinyert hő, és E az elektromos energia input: Összefüggésbe hozhatjuk a kinyert hőt az (víz)áramlás sebességével (Q), a hőmérséklet a hőszivattyún keresztül haladva esik ( θ 5 C) és a víz fajlagos hőkapacitása (Sw = 4186 J/(L K)): Így, ha Q = 1 L/s, akkor G = Q θ S w = 1 L/s 5 K 4186 J/(L K) = 20,93 kw. Ha elérhető egy hőszivattyú teljesítménytényezője (COP H ) 4-es értékű, és tudva azt, hogy, ez azt jelenti, hogy H = 20,93 kw * 4/3 = 27,9 kw in E = 6,97 kw. Figyelembe kell venni, hogy a felhasznált elektromos áram egy része a kútból történő szivattyúzásra, illetve a fűtőrendszer szivattyúinak működtetésére fordítódik. Emiatt a hőszivattyú szezonális teljesítmény faktora SPF H, ami a COP H teljesítménytényező egy átlag teljes fűtési idényben. Egy rendszer szezonális teljesítmény faktora (SSPF H ), az amit figyelembe kell venni a korábban definiált rendszer összes elektromos áram ráfordításánál. 9

15 4.1 Hűtésre használt földhős hőszivattyúk Ha megfordítjuk a földhős hőszivattyút, vagyis kivesszük a hőt az épületből és visszajuttatjuk a földtani közegbe vagy a felszínalatti vízbe, akkor a hőszivattyú hűtő üzemmódjáról beszélhetünk. Eközben a földtani közegnek vagy a felszínalatti víznek néhány fokkal megnő a hőmérséklete. Szintén meghatározhatjuk a COP C teljesítmény tényezőt, ami egyenlő ahol C az a hőmennyiség, amit kivontunk az épületből (kw)., Az összes hő amit a földtani közegbe visszajuttatunk: Ha összehasonlítjuk ezt az egyenletet azzal az egyenlettel, ami a hőszivattyú fűtő módját mutatja, azt láthatjuk, hogy az a hőmennyiség, amit visszajuttatunk a földbe ahhoz hogy 1 kw hűtőhatást elérjünk, jelentősen nagyobb, mint az a hőmennyiség amit kinyerünk a földből, ahhoz hogy 1 kw fűtőhatáshoz jussunk. Fűtő módban, az az elektromos energia, ami a hőszivattyút működteti, hasznos hőnek számít, hozzájárulva a ház fűtéséhez. Hűtő üzemmódban az elektromos energia inkább hőveszteségnek számít, amit ki kell vonni az épületből. A hőszivattyút hűtésre használni sem nem olcsó, sem nem hatékony legalábbis a CO 2 kibocsátást tekintve a szabad hűtéssel szemben, ahol hideg víz kering a központi fűtés rendszerében, de kb %-kal mégis hatékonyabb, mint a hagyományos légkondicionálók (Banks, 2008).. 10

16 5. Sekély geotermikus rendszerek Mindkét típusú földhős hőszivattyú (talajszondás, illetve vízkutas) a földtani közeg (felszínközeli rétegek) hőjét használja, ami általában 5 és 30 C közötti tartományban mozog, (Lund, 2000, p.209): hőszállítás egy alacsony hőmérsékletű forrástól egy magasabb hőmérsékletű tározóba (fűtés), vagy hőelvonás egy magasabb hőmérsékletű forrástól és visszajuttatás egy alacsonyabb hőmérsékletű tározóba, ami a helység/ek hűtését biztosítja. Általánosságban, arra, hogy a földtani közeg állandóan alacsony hőmérsékletét felhasználhassuk, két lehetőség kínálkozik: 1. A hőmérséklet felemelése hőszivattyúval egy felhasználható szintre földhős hőszivattyú (GSHP), 2. A földtani közeg hőmérsékletének megemelése hőtárolással (hűtő üzemmód), vagy a talaj hőmérsékletének csökkentése hőelvonással (fűtő üzemmód); amikor mesterségesen megváltoztatjuk a felszínközeli térrész hőmérsékletét Földalatti Hőenergia Tárolás (UTES). A sekély geotermikus rendszerek nagyon rugalmasak és jól illeszthetők mindenféle földtani környezetbe. A talaj/föld rendszert hőszivattyúhoz kapcsolva megfelelően magas hőmérséklet elérésére van lehetőség. Ennek két fő típusa van: a zárt rendszerű földszondás hőszivattyúk (GCHP) és a nyílt rendszerű víz alapú hőszivattyúk. Többféle sekély geotermikus módszer létezik a felszínközeli hő kinyerésére (Sanner, 2010; Lund, 2008): Zárt rendszerű földszondás hőszivattyúk: Mélység Talajkollektor (vízszintes hurok) Földszonda (függőleges) Energia cölöpök (alapozáskor) m m 8-45 m Nyílt rendszerű víz alapú hőszivattyúk: Felszínalatti vízkút Bányák és csatornák vize Kisebb-nagyobb tavak vize 4-50 m Egy hatékony módszer a nyitott rendszerek esetében, pl. a talajvíz kút. Itt hőszállítás történik a földtani közegből a kút felé nyomáskülönbség alapján (szivattyúzás). Szükség van mind egy termelő-, mind egy nyelető kútra (Sanner, 2010). 11

17 Egy földhős hőszivattyú energia teljesítménye három elsődleges faktortól függhet (Lund, 2000, p. 219): a hőszivattyú, a keringető szivattyú vagy kútszivattyúk, a földtani közeg vagy a felszínalatti víz jellemzői. A hőszivattyú a legnagyobb energiafogyasztó a rendszerben (Lund, 2000, p.219). Teljesítménye két tényezőtől függ: maga a berendezés teljesítménye és az a vízhőmérséklet, ami a földhő eredménye (akár fűtő, akár hűtő üzemmódban). Egy hatékony rendszer összeszállításánál a legfontosabb, hogy hatékony hőszivattyút alkalmazzunk. Egy földhős hőszivattyú rendszer bővítése, átalakítása bonyolult és drága, azért, hogy egy már beépített hőszivattyú teljesítményét növeljük. A vízszintes talajkollektoros módszer mellett egy másik hatékony módszer zárt rendszerben a függőleges földszondás rendszer. Ezekben a rendszerekben fagyálló folyadék kering egy zárt csőrendszerben, ami a fúráshoz vagy egy vízszintes árokhoz csatlakozik. Fűtő üzemmódban a lehűlt folyadék (jellemzően víz valamilyen adalékanyaggal, mint glikol vagy egyéb fagyálló oldat, pl. etanol vagy só) kering és kondukcióval veszi fel a hőt a földtani közegből, aztán hőszivattyú segítségével leadja azt. Hűtő üzemmódban a felmelegedett szállító folyadék halad a fordított üzemmódba kapcsolt hőszivattyútól a földtani közeg felé, és részben leadja a hőt a viszonylagosan hidegebb közegnek. Az árkokba telepített talajkollektorok használata az egyike a legolcsóbb zárt rendszerű hőszivattyús alkalmazásoknak. Az árkok optimális mélysége 1,2 és 2 m között van, így egyszerűen kiáshatók és ez a mélység megfelelő ahhoz, hogy az itt tárolt hő elegendő legyen a téli fűtéshez. Ugyanakkor a megfelelő nedvesség és szigetelés is biztosított a téli fagy ellen, de másfelől elég sekély, hogy a nyári hónapokban a Nap és a levegő hője ismét felmelegítse a csövek körüli térrészt. 12

18 6. ábra Földszondás rendszer hőcserélővel (Lund, 2008). A hő a földtani közegtől a szondáshoz szállítódik a hőmérséklet különbség alapján (Sanner, 2010). A módszer előnyei a következők: Nem igényel rendszeres karbantartást Biztonságosan működtethető Elméletileg bárhol kivitelezhető A hátrányok a következők: A fúrásonkénti kapacitás korlátozott A hőforrás viszonylag alacsony hőmérsékletű 13

19 A fent említett sekély geotermikus módszereket figyelembe véve, a következő típusú földhős hőszivattyúkat használják általában (Sanner, 2010): Koaxiális BHE U-csöves BHE Spirális BHE Felszín alatti víz kút Talajkollektor glikollal, vagy közvetlen hőtágulással, vagy direkt keringéssel (DX), amihez alkoholt használnak, ami nem annyira korrodáló, mint a sós víz (CaCl 2 ). Ez utóbbinál a köztes hőcserélőt és a folyadékot eltávolítják. A munkaközeg magasabb költsége és a rendszer megbízhatósága is kompromisszumokat igényel. Ezért, valamint a környezeti vonatkozások miatt a DX földhős hőszivattyúk jövője nem tisztázott (Lund, 2000, p.211). A DX összeállítás gyakoribb volt a földhős hőszivattyú rendszerek korai éveiben (Banks, 2008). 7. ábra A földhős hőszivattyúk különböző típusai a szondák elrendezése alapján (Sanner, 2010). 14

20 5.1 Földszondás hőszivattyúk Összességében nézve, a következő megoldások ismertek (Lund, 2008): Hőkinyerés földből (zárt rendszer), ahol a csőrendszert közvetlenül a földbe helyezik el. Általában összeolvasztott műanyag cső, melyben víz vagy fagyálló folyadék (20% propilén glikol) kering: o Horizontális o Vertikális (BHE) o Spirálcső függőleges lyukban o Spirálok vízszintes árokban o Épület alapba elhelyezett o Közvetlen hőtágulás (nincs hőkicserélő) Egy vagy több csőrendszer/hurok egy lyukban, vagy cölöpben. A hőt egy talajkollektoros rendszer gyűjti össze, ami általában egyenes vagy spirális csövekből áll és 1,2 2 m mély árkokban minimálisan 1,5 m-es közökkel helyezik el egyenes csövek esetében, míg 3 5 m-es a közökkel a sprilálcsövek esetében (Lund, 2000, p.211; Banks, 2008, p ). Így minimális a hő interferencia a csövek között; mindamellett ezt a rendszert a napsugárzás befolyásolja. Tehát itt a napenergia talajban tárolt részét használják. A kemény PVC köpennyel ellátott rézcsövek vagy polietilén csövek hossza elérheti a néhány száz métert. A talaj hőmérséklete elsősorban a levegő hőmérsékletének változásától függ. A napsugárzás a talaj hőmérsékletének ciklikus változását okozza, ami időben eltolódva érvényesül és csökken a mélységgel a talaj szigetelő tulajdonsága és hődiffúziója miatt, ahogy az a 2. ábrán is látszik. Mindazonáltal a hőmérséklet sokkal stabilabb, mint a levegős hőszivattyú egységeknél. A nedves talajnak nagyobb a hőingása, mint a száraznak. A vízszintes csőrendszert dupla rétegben is elhelyezhetik, pl. az első csőrakat 1,2 m-es mélységben, a második (visszaáramlást biztosító) csőrakat 1,8 m-es mélységben. Nagyon sokféle vízszintes árkos elhelyezési mód létezik (Banks, 2008; Lund, 2000). A hatékonyságuk elsősorban a talaj hővezető képességétől és nedvességtartalmától, valamint a felszín alatti víz jelenlététől függ. 8. ábra Vízszintes talajkollektoros hurkok elhelyezése ( 15

21 Annak a területnek, ahol elhelyezik a talajkollektorokat, elég nagynak kell lennie, hogy nyáron a napból származó és légköri hő kellőképp feltöltse, így pótolva a felhasznált hőt (Banks, 2008, p.184). A földtani közegnek megfelelő mértékű hővezető képességgel kell rendelkeznie, hogy hatékonyan tudja a hőt átadni a kollektoroknak. A kapcsolatnak a földtani közeg és a csövek közt hőtanilag hatékonynak kell lenni, és a csövet tartós, ellenálló és megfelelő hővezető tulajdonságú anyagból kell készíteni. Szintén nagyon fontos a szállító folyadék helyes megválasztása, mivel a csövek falával hatékony hőcserét kell biztosítania és ehhez bizonyos feltételeknek teljesülni kell: alacsony viszkozitás a turbulens áramlás biztosítására a csövekben, magas hőkapacitás, a fagyáspont legyen a minimális üzemhőmérséklet alatt, és környezeti szempontból is elfogadhatónak kell lennie (alacsony toxicitás, ne legyen gyúlékony). A fúrásokban elhelyezett földszonda (BHE) egy fúrólyukban elhelyezett vertikális spirálcsöves szonda. A hőátadáshoz a csövekben vízalapú, vagy fagyálló folyadék található. A vertikális szondát a terület éves középhőmérséklete és a geotermikus gradiens határolja be a geotermikus energia optimális hasznosulása céljából. A vertikális szonda környezetében közel állandó a hőmérséklet. A fúrási mélység általában 70 és 150 m közötti, de valamivel sekélyebb is lehet ott, ahol a geotermikus gradiens értéke magasabb. Németországban és Ausztriában a fúrólyukakban elhelyezett szondák közti távolság nem lehet kevesebb, mint 6 m. Ott használnak vertikális szondákat, ahol a hely mérete korlátozott a talajkollektorok számára, vagy az árkok kiásása megbolygatná a táj arculatát. Ugyanakkor a fúrási költségek még elfogadhatóak. 9. ábra Földszondás rendszer ( A kis fúrásokban elhelyezett hőcserélő rendszerekhez szükséges mélység tervezése általában a táblázatba foglalt fajlagos hőkivételi értékek alapján történik (pl. VDI 4640 Bl. 2; Sanner, 2010). Általánosan megfigyelt hiba több európai projektben, hogy általában mindenhol 50 W/m értéket használnak, figyelmen kívül hagyva a földtani felépítésből adódó különbségeket! Rendszerint a fajlagos hőkivétel értéke1800 h/a (csak fűtés) vagy 2400 h/a (fűtés és a használati meleg víz ellátása). 16

22 10. ábra Fúrás mélyítése szonda elhelyezése céljából (Foto: Aleksander Bokan) A fúrásokba telepített szondák éves működése 1800 és 2400 óra közé esik hűtés nélkül, a fajlagos hőkivétel mértékét a következő táblázattal határozhatjuk meg (Sanner, 2010). A terv felvázolásához a fűtés és a háztartás meleg víz ellátásának hőszükségletét is figyelembe kell venni. A földtani közeg hőmérsékleti paramétereinek ismerete fontos a megfelelő földszonda tervezéséhez (Sanner, 2010). A túlnyomórészt kondukciós hőátvitellel működő földszondák esetében a hővezető képesség (λ) értéke alapvető kérdés; értéke a gyakorlatban 1 és 4 W/(m K) között változik. A felszínalatti vízbázisú hőszivattyúk esetén az áteresztőképesség és a vízáramlás ismerete fontos, de a felszínalatti víz a szonda hatékonyságát is befolyásolja (amikor a Darcy-áramlás jelentős, de nem túlságosan, máskülönben negatív a hatás). 17

23 1. Táblázat Hőkivételi értékek (VDI 4640 part 2, évi állapot) Földtani közeg hőkivétel, W/m 1800 óra 2400 óra Általános iránymutató értékek: Száraz üledék (λ < 1,5 W/(m K)) Kőzet és vízzel telített üledék (λ < 1,5 3, W/(m K)) Konszolidált kőzet nagy hővezető képességgel (λ > 3,0 W/(m K)) Egyes kőzettípusok: Kavics, homok; száraz < 25 < 20 Kavics, homok; vízzel telített Erős felszín alatti vízáramlás a kavicsban és a homokban Agyag, vályog; nedves Mészkő (tömör) Homokkő Szilikát-dús magmás kőzet (pl. gránit) Bázikus magmás kőzet (pl. bazalt) Gneisz Az értékek jelentősen változhatnak a kőzetanyag állapotától függően, mint pl. repedezettség, palásság, mállás foka, stb. Hogy nagyobb működési óraszámot kapjunk (pl. úszómedencék fűtése, extrém időjárási körülmények, stb.), szükség van a fent említett hőkivétel mértékének olyan mérvű csökkentésére, hogy az a maximálisan megengedett kivételi munka értékét (hőkivétel x 1800 óra/év, vagy 2400 óra/év) ne haladja meg. Ha ez a kivételi mérték meghaladja az említett értéket, túlhűlés, valamint a fagyási és olvadási körülmények váltakozása várható a hőcserélő körül. A hőszivattyú hatékonysága ilyenkor jelentősen csökkenhet. A hőkivétel említett értékei a meglévő fúrásokban levő szonda adatokból származnak és ezeket kellene alapul venni, ha adott helyen nincs más hővezető képesség adat. A kisméretű fúrásokban levő szondák nagyobb részénél a fenti táblázatba foglalt értékeket csökkenteni kell. Ha a fűtés és a hűtés váltakozik egymással, kívánatos a földtani közeg valamilyen mértékű hő-regenerációja. Ha a felszín alatti kőzetek és a talaj hővezető képességének részletes elemzése nem történt meg, nem szabad 25 W/m-t meghaladó hőt kivonni egy önálló családi ház vagy hasonló építmény hűtése miatt és azt a felszín alá visszajuttani. Olyan esetekben, amikor a beépített hőkapacitás 50 kw vagy több (egyes esetekben Németországban 30 kw-ot veszik figyelembe) hőelnyeletési tesztet végeznek a felszín alatti hőmérsékleti paraméterek meghatározására (hővezető képesség, a fúrólyuk hőellenállása). 18

24 5.2 Víz alapú hőszivattyúk A víz alapú hőszivattyúk általában 2.5 és 35 kw közötti névleges teljesítménnyel rendelkeznek. A felszín alatti vagy felszíni vízzel működő rendszerek (nyílt rendszer) kutak, tavak vizét használják. A vízforrás lehet (Lund, 2008): Kút vize Tó (kisebb is) vize Bánya vize Csatorna vize A fagyálló folyadék: évek óta leginkább a következő folyadékokat használják: R- 410A és R-407C. A hatékonyság (COP és EER Energia Hatékonysági Arány) a bemenő víz hőmérsékletétől függ. Egy víz alapú hőszivattyús kút megtervezéséhez a következő alapinformációkra van szükség (Banks, 2008; p.113): Meg kell tudni van-e vízadó a projekt területén és milyen tulajdonságokkal rendelkezik, A kút mélységének tervezéséhez tudni kell a vízadó réteg mélységét, a víz szintjét a vízadóban és bizonyos fokig a vízadó hidraulikai paramétereit, A kút átmérője a kút hozamától, és ebből következően a szükséges szivattyú átmérőjétől is függ, (aminek jól kell illeszkedni a kúthoz), A kút tervezett hozama a vízadó hidraulikai tulajdonságaitól, valamint a szükséges fűtési/hűtési terheléstől függ, A szükséges kút típusát és így a költségét is a vízadó kőzettani felépítése és a hidrogeológiai tulajdonságai határozzák meg. Amikor a felszín alatti vízkutas hőszivattyú rendszert kialakítják, vízjogi engedély beszerzése szükséges. Hogy ez a feltétel teljesüljön, próbaszivattyúzást kell végezni, ami igazolja, hogy a szükséges vízmennyiség kitermelhető a kútból a környezet károsodása, valamint a vízadó többi felhasználójának korlátozása nélkül. 19

25 11. ábra Próbaszivattyúzás (Foto: Aleksander Bokan) A termelő és visszatápláló kúthoz szükséges fúrási mélységét hidrogeológiai térképek és szelvények, vagy a meglévő és naprakész kút, illetve fúrási adatok segítségével határozhatjuk meg. Ezeket a típusú hőszivattyús rendszereket többnyire megfelelő földtani ismertségű területeken alkalmazzák, üledékes medencékben és alluviális völgyekben. Általában elég az első jelentős kavics vagy homokos kavics vízadót elérni, hacsak nincs korlátozva az utánpótlás, mert akkor nagyobb fúrási mélység szükséges, vagy előfordulhat, hogy egyáltalán nem szabad kitermelést folytatni. Gyakori tervezési hibák (nehézségek), amik előfordulhatnak a nyílt hőszivattyús rendszerek telepítésénél a következők (Banks, 2008; p.148): Hidrogeológus szakértői vélemények hiánya (ajánlások, stb.), A vízadók hidraulikai tulajdonságainak túlbecsülése, ami alacsonyabb vízhozamot eredményez, mint amit a kiválasztott hőszivattyúhoz terveztek, Nem veszik figyelembe, hogy a felhasznált víz elhelyezését, a használt víz visszasajtolását meg kell oldani, Helytelenül ítélik meg a felszín alatti víz kémiai összetételéből és mikrobiológiai tulajdonságaiból adódó lehetséges nehézségeket (pl. gond lehet a vízkő kiválás és/vagy Fe baktériumok, melyek vízkövet képeznek vagy károsítják a hőcserélőt), Nem figyelnek a termelő és a nyelető kút közti lehetséges termális/hidraulikai kölcsönhatásokra, ami a rendszer hatékonyságát veszélyezteti. 20

26 Amivel a problémák a minimumra csökkenthetők (Banks, 2008; p.116): Magas nyomást tartani a vízáramlási rendszerben, hogy megelőzzük CO 2 kigázosodást a hőcserélőben, Megelőzni a felszín alatti víz és a légköri oxigén kapcsolatba lépését (pl. zárt rendszer), Kis mennyiségben csíraölő vagy csökkentő vegyszert adagolni, hogy meggátoljuk a biofilm képződést, illetve a vastartalmú fémek oxidációját, Rendszeres karbantartás: a hőcserélő átmosása savval vagy saját mosószerrel, illetve reagenssel, hogy eltávolítsuk a kalcit vagy mangán/vas oxihidroxid lerakódásokat; olyan hőcserélő választása, ami szétszedhető a tisztításhoz. Azt a felszín alatti vizet, amiből hőt vonunk el a hőcserélővel fűtési üzemmódban, illetve ami a hőt fogadja hűtési módban, ugyanabba a vízadóba kell visszajuttatni, ahonnan kitermeltük. 21

27 12. ábra Visszatápláló kutak sorozata egy nagyobb víz alapú földhő szivattyús rendszernél (Foto: Aleksander Bokan) 5.3 A földhős hőszivattyúk előnyei és hátrányai Ebben a fejezetben összehasonlítjuk a víz alapú (nyílt) és földhőszondás (zárt) rendszereket, valamint a levegős hőszivattyúkat és a földgáz alapú fűtési rendszereket. Mindezen technológiáknak vannak előnyei és hátrányai is, és hogy adott esetben melyik a legkedvezőbb, az sok tényezőtől függ. A földhős hőszivattyúkat nem érinti a hőforrás változékonyságának problémája, mivel a földtani közeg hőmérséklete egész évben közel állandó. A talaj típusának és nedvességi viszonyainak függvényében, a felszín alatti közeg (és a talajvíz) hőmérséklete 10 méter alatt csak keveset vagy egyáltalán nem változik (Lund, 2000; p.209). 22

28 A víz alapú (nyílt rendszer) és a földhőszondás (zárt rendszer) hőszivattyúk összehasonlítása A nyílt rendszerű földhős hőszivattyúk előnyei a következők (Banks, 2008, p.122; Sanner, 2010): A természetes közeg (felszín alatti víz) magas hőkapacitása, ami a felszín alatti állandó hőmérséklethez köthető; viszonylag alacsony költségigény, A hőt mesterséges konvekcióval vonják ki, semmint felszín alatti kondukcióval; így fúrólyukanként több hő nyerhető, mint a zárt rendszerekből, A hőforrás relatív magas hőmérséklete. A nyílt rendszerű földhős hőszivattyúknak vannak hátrányai is (Banks, 2008, p.122; Sanner, 2010): Függenek a földtani felépítéstől. Szükségük van egy vízadóra, ami képes megfelelő hozamot biztosítani, Szükségük van megfelelően kivitelezett, tartós (drága) vízkutakra, szivattyúval, monitoring rendszerrel és ellenőrző mechanizmussal, Vállalni kell a felszín alatti víz kivételével járó szivattyúzási költségeket, Meg kell oldani a használt víz legális visszajuttatását ugyanabba a vízadóba vagy levezető árokba, Általában szükség lesz víztermelési és visszasajtolási engedélyre, Elképzelhető, hogy monitorozni kell a vízkémiai paramétereket; a kutak és egyéb tartozékok karbantartást igényelnek, hogy megelőzzék a dugulást, biofilm képződést, eltömődést vagy a hőszivattyúk, hőcserélők és kutak korrodálódását. A földhős hőszivattyúk és a levegős hőszivattyúk összehasonlítása A földhős hőszivattyúk néhány előnye a levegővel működő hőszivattyúkkal szemben (Lund, 2000, 2008): Kevesebb energiát igényelnek a működéshez, vagyis olcsóbbak üzemeltethetőek, A földtani közegre, vagy a felszínalatti vízre épülnek, ami stabilabb energiaforrás, mint a levegő (emiatt %-kal hatékonyabbak a levegős hőszivattyúknál), Nem igényelnek kiegészítő energiát szélsőséges léghőmérsékleti viszonyok között, Kevesebb fagyálló folyadékot igényelnek, Egyszerűbb a tervezésük és kevesebb a karbantartási igény, Nem szükséges a külső elhelyezés, kitéve az időjárás viszontagságainak, Hosszabb a berendezések élettartama, A legalacsonyabb a CO 2 kibocsátása az összes fűtési mód közül. A főbb hátrányok a levegős hőszivattyúkkal összehasonlítva (Lund, 2000, 2008): 23

29 Több kezdeti befektetési költség: plusz kiadás a hőcserélő csöveinek beásása vagy a kutak lefúrása a zárt vagy nyitott rendszerek kialakításához; emiatt 30-50%-al drágábbak a levegőt felhasználó egységekhez képest, Hiány van jól képzett és tapasztalt tervező, illetve kivitelező szakemberekből, A kormányzati döntéshozók támogatásának hiánya, A kis mélységbe telepített hőcserélőket befolyásolja a levegő hőmérséklete és a napsugárzási viszonyok, így 30 50%-kal több cső lefektetése szükséges a biztos energiaszolgáltatáshoz. A földhős hőszivattyúk összehasonlítása a földgáz alapú fűtési rendszerrel A földhős hőszivattyúk hátránya, hogy a kezdeti költségek magasabbak, mint a hagyományos vezetékes gázfűtés esetén. Előnyök: alacsonyabb CO 2 kibocsátás és hosszabb hőszivattyú élettartam (20 25 év) a gázkazánhoz (12 év) képest; nincs költsége a gázkészülék éves rendszeres ellenőrzésének; a gazdasági oldal államilag támogatott. Ott, ahol a gázszolgáltatás ki van építve, nem a gazdasági, hanem elsősorban a környezetvédelmi megfontolások uralkodnak egy földhős hőszivattyú rendszer kiépítésénél, melyekre ráadásul a megújuló energiaforrásokra (RES) vonatkozó szabályozás érvényes. Azt is fontos tudni, hogy minél nagyobb a földhős hőszivattyú, annál olcsóbb a beépített hőenergiát tekintve (kw). Vagyis minél nagyobb az épület, annál kevesebbe kerül a kezdeti befektetés egy földhős hőszivattyú rendszer kiépítéséhez, tehát az üzembe helyezés így gazdaságilag is jobban indokolható. 5.4 Gyakorlati tényezők A földhős hőszivattyúk alacsony zajkibocsátással rendelkeznek, de nem teljesen zajtalan a működésük. Biztosítani kell egy szigetelt és rezgésbiztos fülkét számukra, elválasztva a fő élettértől. A földhős hőszivattyúk az elektromos áramot nagyon hatékonyan használják fel. 10 kw egységnyi energia megtermeléséhez csak 2,5 kw elektromos energia szükséges (Banks, 2008). A beindításnál a kompresszor jelentősen több energiát igényel, mint a normál üzemmenet során (ez akár háromszoros mennyiségig is elmehet). A hőszivattyú beindításakor több mint 20 kw kell, ez háromfázisú villamos energia ellátást tehet szükségessé. A földhős hőszivattyúk leghatékonyabban (legmagasabb COP H ) alacsony hőmérsékleti kimenettel működnek, folyamatosan, hosszabb működési időszakkal. A földszondákat át lehet alakítani régebbi fűtési rendszerekhez is, de lehet, hogy nem tudnak teljesen komfortos hőmérsékleti szintet biztosítani. Egy egyszerű és rugalmas megoldás a földhős hűtés és fűtés megoldására a nagy kereskedelmi és ipari komplexumok esetében, ha valamilyen folyadékot keringetnek egy úgynevezett épület kollektor körül az egyes fűtő/hűtő blokkokon belül, amit a hőszivattyú lehűt vagy felmelegít. A kollektorok tetejére telepített ventilátor egységek végzik a meleg és hideg levegő továbbítását a helységekbe (Banks, 2008). 24

30 A földhős hőszivattyúk a háztartás használati melegvíz ellátását is biztosítani tudják, habár a legtöbb földhős hőszivattyús rendszer hatékonysága lecsökken ilyen magas hőmérsékleten. Például, a hőszivattyú COP H értéke 55 C-os meleg víz szolgáltatása esetén 2-re is lecsökkenhet (Banks, 2008). Sőt továbbmenve, a háztartás meleg vizének ideális hőmérséklete 60 C fölött van a Legionella baktérium okozta problémák elkerülésére. Egy alternatív lehetőség, hogy a hőszivattyút arra használjuk, hogy kb. 45 C-ra melegítse fel a vizet, és azután egy hagyományos tartós elemes melegítő egység növeli tovább a hőmérsékletet 60 C fölé. Az is fontos, hogyan tervezzünk meg egy hőszivattyút, igazodva a fűtési csúcsidőszakhoz, figyelembe véve a leghidegebb napok igényét egy átlagos évben. Ha figyelembe vesszük az év közbeni hőingást, azt láthatjuk, hogy a legalacsonyabb hőmérséklet (vagyis a legnagyobb fűtésigény), csak néhány nap évente. Mivel a befektetési költségek a szivattyú kapacitásával függnek össze, célszerű nem olyan szivattyút választani, ami a fűtési csúcsnak felel meg. Skandináviában úgy számolták, hogy egy olyan földhős hőszivattyú, ami a várt fűtési csúcs igényének nagyjából 60%-át képes kielégíteni, az egész fűtési szezon igényének 90%-át tudja biztosítani (Banks, 2008, p. 107). A maradék 10% pótlására egy kiegészítő hőforrást kell biztosítani. Ha túl magas kapacitású földhős hőszivattyút telepítünk, és túl kicsi a hőtárolás, ami pufferként szolgál, állandóan ki-be kapcsol a rendszer és ez a kompresszor gyorsabb amortizálódásához vezet. Ráadásul, azt is tudni kell, hogy a földhős hőszivattyúk alapterhelésen dolgoznak maximális energia hatékonysággal és nem különösebben érzékenyek a rövid távú hőmérsékleti ingadozásra. A csúcsidőszak fűtési igényeinek kiszolgálására, hagyományosabb forrást kell használni. A földhős hőszivattyú biztonságos és megbízható működéséhez ajánlott a hőraktározás használata is, mint pl. forró vizes tartályok, így a rendszer védve van valamilyen hirtelen rövidtávú probléma jelentkezésekor. A hőszivattyú ismét bekapcsol, amikor a vízraktárban a hőmérséklet egy bizonyos küszöbérték alá esik. Így megelőzhető a kompresszor állandó kapcsolgatása és kivédhető a gyors elhasználódás. A hő tárolásának más módszere, például egy padlófűtési rendszer kiépítése a vastag beton födémbe, amit a földhős hőszivattyú éjjel felmelegít és napközben kisugározva fűti a helységeket. Ha a földhős hőszivattyús rendszert kombinált módon, azaz fűtésre és hűtésre is használjuk, a szivattyú kapacitását a nyári hűtési igény alapján határozzuk meg, ne a fűtési szükséglet alapján. 5.5 Környezeti vonatkozások A földhő technológiák több területén, Szlovéniában és Magyarországon a felszín alatti hő forrás megfelelő használata nincs törvényileg szabályozva. Jogerős törvényi szabályozás hiányában, a szabályozók és a hozzáértő kereskedelmi szervezeteknek szándékában áll megalkotni a legjobb gyakorlat kódexét, elsősorban a fejlett hőszivattyú piaccal rendelkező országokban, mint az Egyesült Államok, Németország, Svédország, Svájc és Ausztria. Ebben a fejezetben, megpróbáljuk meghatározni azokat az elsődleges tényezőket, amelyek a szabályalkotók és fejlesztők legjobb gyakorlat elvének kialakításához szükségesek. Ezek jellemzően három félék lehetnek (Banks, 2008): 25

31 - szabályozók az épületek hőhatékonyságára és a hőszivattyú rendszer teljesítményére vonatkozólag, - a felszín alatti víz szennyeződése és a tervezett földhő kiaknázás hidrogeológiai hatásának vonatkozásai, - a felszín alatti közeg hőmérséklet változásának hatása a hő kivételével és visszasajtolásával összefüggésben. Környezetvédelmi szempontból a két utóbbi érdemel figyelmet, mivel az első kérdést az 5. fejezetben fejtettük ki. A környezetvédelmi szabályzások gyakran a fúrással és a földhő technológiával összefüggő, a vízadókra gyakorolt lehetséges hidrogeológiai hatásokkal foglalkoznak. A zárt rendszereknél, mivel nincs tényleges vízkivétel vagy bármiféle szennyezés veszély (hacsak nem szivárog a rendszer), így jogi eszközök sincsenek környezetvédelmi szempontok érvénesítésére. A szabályozást készítőknek viszont foglalkozni kell a zárt rendszereknél az ellenőrizetlen vagy tapasztalatlan fúrósok által végzett fúrásokkal, mivel ezek a vízbázis szennyeződését okozhatják. Előfordulhat, hogy a felszínen lévő szennyeződés lejut a rosszul kivitelezett fúráson át, vagy az eddig elválasztott vízadó szintek összekapcsolódnak, vagy az artézi vízadót tudtukon kívül átfúrják (Banks, 2008). Sőt a szabályozáskor a fagyálló folyadék talajba szivárgását is lehetséges szennyeződésként figyelembe kell venni (Banks, 2008). Ha a nyitott rendszereket tekintjük, a szabályalkotóknak rendelkezésre áll néhány meglévő törvény a felügyelet gyakorlására, elsősorban a vízgazdálkodással kapcsolatos törvény, ami a vízkitermelés engedélyezését szabályozza. A környezetre vonatkozó szabályzók általában a vízadóra vonatkozó káros hatások határértékeit rögzítik, és a környezetet, illetve más felhasználók érdekeit védik. A szabályozók a megengedhető vízkivételi határértékek megadásával vagy a felhasznált víz eredeti vízadójába kötelezően végzendő 100%-os vízvisszasajtolásával a vízadókat kívánják védeni a kedvezőtlen mennyiségi és minőségi változásoktól (pl. vízszint változások, a kémiai összetétel megváltozása, a felszín alatti víz hőmérsékletének nagyléptékű változása a földhős hőszivattyú közvetlen környezetén kívül (Banks, 2008). A káros hatások a következők lehetnek: A hő elvonása a talajfagyást és fagyemelkedést okozhat. A talaj átfagyása károsíthatja az építményeket, a beásott kiszolgáló egységeket és a növények gyökereit, A földtani közeg melegedése hőtágulást okoz, ami geotechnikai következményekkel jár, vagy kiszáradhat a talaj a párolgás miatt, A hő interferencia a szomszédos zárt rendszerű kollektorok között csökkenti az egységek hatékonyságát. 5.6 A földhős hőszivattyúk piaca A hőszivattyúkat mind fűtésre, mind hűtésre használják. Hőkapacitásuk mértéke 3 kw t és 150 kw t között változik, míg egy tipikus egységnek 12 kw t a kapacitása. A világ minden táján 33 26