KÜLÖNLEGES ÉPÜLETTECHNIKAI RENDSZEREK

Átírás

1 KÜLÖNLEGES ÉPÜLETTECHNIKAI RENDSZEREK

2 KÜLÖNLEGES ÉPÜLETTECHNIKAI RENDSZEREK Dr. Böszörmény László TERC Kft. Budapest 2013 Dr. Böszörmény László 2013

3 Kézrat lezárva: január 15. ISBN Kadja a TERC Kereskedelm és Szolgáltató Kft. Szakkönyvkadó Üzletága az 1795-ben alapított Magyar Könyvkadók és Könyvterjesztők Egyesülésének a tagja A kadásért felel: a kft. gazgatója Felelős szerkesztő: Léva-Kanyó Judt Műszak szerkesztő: TERC Kft. Terjedelem: 875 szerző ív

4 TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS ÉPÜLETI HŐIGÉNYEK ÉS ELLÁTÁSUK MÓDJAI ÉPÜLETI HŐIGÉNYEK ÉRTELMEZÉSE Fűtés és hűtés hőgények Használat melegvíz-ellátás hőgénye Lakóépület hőellátásának év tartamdagramja AZ ÉPÜLETI HŐIGÉNYEK CSÖKKENTÉSÉRE ALKALMAZHATÓ ÉPÜLETTECHNIKAI BEAVATKOZÁSOK AZ ÉPÜLETSZERKEZETI ELEMEKEN ALKALMAZHATÓ BEAVATKOZÁSOK Utólagos hőszgetelés Nyílászárókon alkalmazható beavatkozások Szolárs nyereség Téralakítás ÉPÜLETGÉPÉSZETI RENDSZEREKEN ALKALMAZHATÓ BEAVATKOZÁSOK ÜZEMELTETÉSI SZERVEZÉSI JAVASLATOK A FŰTÉSI RENDSZEREK TERMODINAMIKAI MINŐSÉGÉNEK ÉRTÉKELÉSE A FŰTÉSI RENDSZER TERMODINAMIKAI ÉRTELMEZÉSE HAGYOMÁNYOS FŰTÉSI RENDSZEREK NEM HAGYOMÁNYOS FŰTÉSI RENDSZEREK Kapcsolt energatermelésen alapuló fűtés rendszerek A hőszvattyú alkalmazásán alapuló fűtés rendszer NEM HAGYOMÁNYOS FŰTÉSI RENDSZEREK ÁLTALÁNOS PROBLÉMÁIRÓL KAPCSOLT ENERGIATERMELÉSEN ALAPULÓ FŰTÉSI RENDSZER STRUKTÚRÁJA MEGVÁLASZTÁSÁNAK NÉHÁNY SZEMPONTJA Kapcsolt energatermelésen alapuló fűtés rendszer energa- és költséghatékonysága HŐSZIVATTYÚ ALKALMAZÁSÁN ALAPULÓ FŰTÉSI RENDSZEREK ENERGIA- ÉS KÖLTSÉGHATÉKONYSÁGA Hőszvattyú mnt az alacsony hőmérsékletű hőforrások hasznosításának eszköze A hőszvattyúzás legsmertebb alkalmazása Hőszvattyú alkalmazásán alapuló hőellátás versenyképessége az energahatékonyság szempontjából Fűtés és hűtés gények újszerű kapcsolt kelégítése a geotermkus energa hasznosításánál TÖBBFOKOZATÚ HŐSZIVATTYÚZÁS A HŐSZIVATTYÚ ÁLLANDÓSULT ÜZEME MATEMATIKAI MODELLEZÉSÉNEK TERMODINAMIKAI SZEMPONTJAI A TÖBBFOKOZATÚ HŐSZIVATTYÚ DEKOMPOZÍCIÓJA A dekompozícó első szntje parcáls hőszvattyúk A dekompozícó másodk szntje belső alrendszerek A hőszvattyú külső alrendszere A HŐSZIVATTYÚ ELEMENTÁRIS ALRENDSZEREINEK MATEMATIKAI LEÍRÁSA A BÁZISMODELL KOMPOZÍCIÓJA A külső alrendszerek matematka leírása A parcáls hőszvattyú fűtő- és hűtőteljesítményének elvezetését bztosító belső alrendszerek leírása

5 6.3.3 A parcáls hőszvattyú munkaközegének sűrítését és expanzóját megvalósító alrendszer leírása A parcáls hőszvattyú folyamat- és mérlegegyenlete A HŐSZIVATTYÚ RENDSZER MATEMATIKAI MODELLJÉNEK AZONOSÍTÁSA A mennység és mnőség veszteségek mutató E C és M alrendszerekben végbemenő energaátalakulással járó mennység és mnőség veszteségek A kondenzátor és az elpárologtató között hővsszakerülés a kompresszó és a fojtás rreverzbltásának mutató A hőszvattyúk munkaközegenek jellemző és alkalmazásuk szempontja A TÖBBFOKOZATÚ HŐSZIVATTYÚZÁS TERVEZÉSÉNEK GAZDASÁGOSSÁGI VONATKOZÁSAI A mnmáls hőmérsékletkülönbség meghatározása a párologtatókban és kondenzátorokban A parcáls hőszvattyúk optmáls száma A fokozatszám és a mnmáls hőmérsékletkülönbség kombnácójának optmalzálása A legksebb költségek szernt tervezés elvének alternatív alkalmazása KAPCSOLT ENERGIATERMELÉS ÉS TÖBBFOKOZATÚ HŐSZIVATTYÚZÁS A NAPENERGIÁVAL TÁMOGATOTT TÁVHŐELLÁTÁSBAN A NAPENERGIA RÉSZARÁNYÁNAK NÖVELÉSE AZ ÉPÜLETI HŐELLÁTÁSBAN SZEZONÁLIS HŐTÁROLÁS AZ SDH RENDSZEREKBEN SZEZONÁLIS HŐTÁROLÁSON ALAPULÓ SDH RENDSZEREK VERSENYKÉPESSÉGÉNEK TÁVLATAI A NAPENERGIA SZEZONÁLIS HŐTÁROLÁSÁN ALAPULÓ TÁVHŐELLÁTÁS KUTATÁSÁNAK ÉS FEJLESZTÉSÉNEK LEHETSÉGES ÚTJAI A NAPENERGIA SZEZONÁLIS TÁROLÁSÁN ALAPULÓ TÁVHŐELLÁTÓ RENDSZER EGY KONKRÉT VÁLTOZATÁNAK ENERGIAMÉRLEGE MELEGVIZES SZEZONÁLIS HŐTÁROLÓ HŐMÉRSÉKLETI RÉTEGEZŐDÉSÉNEK EGYSZERŰSÍTETT VIZSGÁLATA Homogén és rétegeződő hőtároló A matematka leírás termodnamka alapja Hőmérséklet rétegeződés a feltöltésnél A hőtároló kmerítésénél megvalósuló hőmérséklet rétegeződés A matematka modell pontosságának szempontja ALACSONY ENERGIAIGÉNYŰ ÉS PASSZÍVHÁZAK HŐELLÁTÓ RENDSZEREI AZ ALACSONY ENERGIAIGÉNYŰ ÉS PASSZÍVHÁZAK SZELLŐZTETÉSE ALACSONY ENERGIAIGÉNYŰ ÉS PASSZÍVNÁZAK FŰTÉSE ALACSONY ENERGIAIGÉNYŰ ÉS PASSZÍVHÁZAK INTEGRÁLT SZELLŐZTETÉSI ÉS FŰTÉSI RENDSZERE Az ATREA ntegrált légtechnka rendszer jellemzése A DUPLEX típusú ntegrált légkezelő berendezés Az ATREA ntegrált légtechnka rendszer általános rendszerstruktúrája FELHASZNÁLT IRODALOM

6 ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK JEGYZÉKE A terület m 2 A annutás tényező 1/a B - beszerzés költség Ft B anerga J anergáram W c fajlagos hőkapactás J/kg.K D hőfoknapok száma K E vllamos energa Wh E exerga J exergaáram W e fajlagos exerga J/s f fajlagos energaköltségek /m 2 G prmerenerga tüzelőhő J H u fűtőérték J/kg H entalpa J H eltalpaáram J/s h fajlagos entalpa J/kg m tömeg kg m tömegáram kg/s P vllamos teljesítmény W p fajlagos költség egységár /kg Q hő J Q hőáram hőteljesítmény J/s q kamatozás tényező S entrópa J/K S entrópa áram J/K.s s fajlagos entrópa J/kg.K T hőmérséklet K C t hőmérséklet C V térfogat m 3 V térfogatáram m 3 /s kapcsolt energatermeléssel elért prmerenerga megtakarítás fajlagos anerga J/kg fajlagos exerga J/kg energa önfogyasztás MWh/MWh exerga hatásfok fajlagos földgáz-megtakarítás MWh/MWh összehasonlító hatásfok hatásfok sűrűség kg/m 3 kapcsolt energaarány MWh/MWh 6

7 dő h fajlagos fűtőhatás (khasználás fok) veszteségtényező 7

8 TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE 2.1 táblázat: A kbocsátás fő összetevő a leggyakrabban használt tüzelők égetéséből táblázat: Család házak energetka jellemző táblázat: Az egyes mkroturbnákkal elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 065 esetében táblázat: A mkroturbnák egydejű üzemeltetésével elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 065 esetében táblázat: A mkroturbnák egydejű üzemeltetésével elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 075 esetében táblázat: Az egyes mkroturbnákkal elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 075 esetében táblázat: Az egyes mkroturbnákkal elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 085 esetében táblázat: Az egyes mkroturbnákkal elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 085 esetében táblázat: A hőszvattyúzás vzsgált eljárásanak energetka jellemző táblázat: Különböző hőtermelés eljárások fajlagos földgázfelhasználásának tájékoztató értéke táblázat: Az összehasonlított parcáls hőszvattyúmodellek jellemző paramétere táblázat: Az összehasonlított hőszvattyúmodellek által évente fogyasztott és szolgáltatott energa értéke táblázat: A hőszvattyúzás energetka paramétere az n fokozatszám függvényében táblázat: Napenerga szezonáls tárolásán alapuló hőellátás rendszer vzsgált változatának összehasonlítása hagyományos rendszerrel

9 ÁBRÁK JEGYZÉKE 2.1 ábra: Az épület energagény és annak struktúrája az EU-ban ábra: Az épület hőellátás néhány módjának összehasonlítása ábra: A fűtés és hűtés év hőfokhídja ábra: Elmélet és valóságos fűtés és hűtés hőgények a külső hőmérséklet függvényében ábra: Elmélet és valóságos év fűtés és hűtés tartamdagramok ábra: A használat melegvíz-ellátás lehetséges nap lefolyása és átlaga ábra: Az épületek együttes hőellátásának tartamdagramja ábra: Alacsony energagényű vagy passzívház teljes hőellátásának alternatív tartamdagramja ábra: Különleges épületek meleg és hdeg hőteljesítmény- lletve vllamos teljesítmény-gényének év változása ábra: A hőáram exergájának változása anergává az épületszerkezeten való átlépésnél ábra: Fűtés rendszer egyszerűsített termdnamka értelmezése ábra: A csúcshőteljesítmény megosztása kapcsolt és közvetlen hőtermelés között ábra: A nyereség és az eszközarányos nyereség a kapcsolt energatermelés képítése függvényében ábra: A beépítendő mkroturbnás kapcsolt energatermelő egységek feltételezett év khasználás ddőtartama ábra: A nyereség alakulása a kapcsolt energatermelő egységek számának függvényében a kapcsolt energaarány és 065 értékenél ábra: A kompresszoros hőszvattyú működés elvének llusztrácója ábra: Hőszvattyús fűtés rendszer talajkollektoros változatának elve ábra: Hőszvattyús fűtés rendszer talajszondás változatának elve ábra: Hőszvattyús fűtés rendszer talajvzes változatának elve ábra: Hőszvattyús fűtés rendszer külső levegős változatának elve ábra: Masszív abszorber alkalmazásán alapuló hőszvattyús fűtés rendszer elve ábra: A fűtés és hűtés gény kapcsolt kelégítésének elv sémája a geotermkus energa hasznosításánál ábra: Az összetett hőszvattyú-rendszer dekompozícójának első szntje ábra: Az aszmmetrkus hőszvattyúmodell elve ábra: A parcáls hőszvattyú vzsgált változata ábra: A parcáls hőszvattyú alrendszerekre bontásának elve ábra: A többfokozatú hőszvattyú-rendszer elementárs alrendszerekre való végleges bontásának elve ábra: A HP parcáls hőszvattyú elementárs alrendszere és azok jellemző ábra: A kompresszor eredő rreverzíbls hatásfoka és fokozat hatásfoka között összefüggés ábra: A parcáls hőszvattyú rreverzíbls gőzkörfolyamata TS és S dagramban ábra: A parcáls hőszvattyú állandósult teljesítménymérlegének grafkus szemléltetése ábra: Telített zobután gőz reverzíbls és rreverzíbls sűrítése log p-h dagramban (a) túlhevített zobután gőz sűrítése log p-h dagramban (b) ábra: A többfokozatú hőszvattyú általános számítás vázlata H 9

10 7.1 ábra: A szezonáls hőtároláson alapuló szolárs távhőellátó rendszer elve Fredrchshafen-projekt ábra: A Fredrchshafen-projekt nagytérfogatú szezonáls hőtárolója alakjának tervezése ábra: A szezonáls hőtárolók tpusa ábra: Melegvzes szezonáls hőtároló építés közben (a háttérben nagyfelületű kollektorokból kalakított kollektor-mező) ábra: A szolárs hőellátás fajlagos költsége különböző rendszerekben ábra: A hőtárolók fajlagos költsége a térfogat függvényében ábra: A szezonáls hőtároló vze hőmérsékletének feltételezett változása az év folyamán ábra: Az nnovált rendszerstruktúrájú szezonáls hőtároláson alapuló szolárs távhőellátó rendszer elv vázlata ábra: Az év általános energamérleg Sankey-dagramja ábra: A fogyasztó rendszer hőgénye fedezésének struktúrája ábra: A rétegeződő szezonáls hőtároló elv modellje ábra: A hőmérséklet rétegeződés szmulácója eredményenek szemléltetés módja a hőtároló töltésénél ábra: Család ház megújuló energaforrásokon alapuló hőellátásának elv lehetősége ábra: A hővsszanyerő szellőztetés elve tél üzemmód ábra: Az ATREA ntegrált légtechnka rendszer elve ábra: Az ATREA ntegrált légtechnka rendszer általános rendszerstruktúrája

11 1. BEVEZETÉS A harmadk évezred küszöbén az ember cvlzácó fejlődésének egy eléggé krtkus szakaszába lépett. A rohamosan növekvő számú emberség az élet mnőségére támasztott egyre növekvő génye kelégítése érdekében a természet erőforrások kmerülésének folyamatát oly mértékben felgyorsította hogy a fejlődés fenntarthatósága az emberség legnagyobb globáls problémá közé került. A fenntartható fejlődés fogalma a Brundtland-jelentésből vált vlágszerte smertté. A szernt ez a fejlődés olyan formája amely a jelen gényenek kelégítése mellett nem fosztja meg a jövő generácót saját szükségletek kelégítésének lehetőségétől. A kmerülő természet forrásokból származó anyagok nagy része (pl. fémek építőanyagok) a felhasználás után vsszaforgatható. Ezzel szemben a fosszls energahodozók az energatartalmuk khasználása után legföljebb környezetszennyezést okoznak a Föld tartalékanak rohamos csökkenése mellett. Következésképpen a fosszls energaforrások ésszerű khasználása a fenntartható fejlődés egyk alapvető követelménye de a rajtuk alapuló energaellátás fenntarthatósága a legtakarékosabb felhasználás esetében s dőben erősen korlátozott. A kőolaj földgáz és a hasadóanyagok smert készlete a leggyakorbb becslések szernt már ennek az évszázadnak a közepe körül kmerülnek. Ismerünk ugyan valamvel optmstább előrejelzéseket s amelyek új lelőhelyek felfedezésének tényére hvatkoznak Ez ugyan tagadhatatlan de semmt nem változtat azon hogy az emberség történelmleg nagyon rövd dőn belül szembesül a fosszls energahordozók készlete kmerülésének kellemetlen tényével. A tartósan fenntartható energaellátás csak a kmeríthetetlen energaforrásokból lehetséges. Ezért az energahordozók ésszerű khasználása alatt nem csak az energagények csökkentését és az energaellátás hatékonyságának növelését kell érten hanem a fosszls energahordozók helyettesítését s mndeütt ahol ez műszaklag kvtelezhető és gazdaságosság szempontból elfogadható. Ezt természetesen nem lehet megoldan egyk napról a máskra. Hosszú évtzedekg tartó bonyolult folyamat lesz. Ennek jelenleg abban a kezdet stádumában vagyunk amelyben alternatív megoldásként a megújuló energaforrások jönnek számításba. Ezek közé soroljuk a napenerga egyes formát és a geotermkus energát am a szó szoros értelmében nem megújuló mert a napenergához mérten a készlete eléggé jelentéktelen de így s jóval meghaladja a fosszls energehordozók potencálját. A megújuló energák versenyképessége a jelenleg gazdaság környezetben aránylag gyenge. A felhasználásuknak vszont több vtathatatlan előnye van (a környezetterhelés 11

12 csökkentése a külkereskedelm mérleg és az energaellátás bztonságának és megbízhatóságának a javítása valamnt a haza foglalkoztatottság növelése) amelyek a pac körülmények között nem érvényesülnek elég hatékonyan. Ezért az állam regonáls és hely energapoltka által támogatásuk kétségtelenül ndokolt. A támogatás mértékének és kedvezményezettenek kválasztásánál nagyon körültekntően kell eljárn hogy mnél közelebb kerüljünk az EU smert teljesíthetetlennek tűnő de ennek ellenére elfogadott 3 x 20%-os célktűzéséhez a pac vszonyok túlzott elferdítése nélkül. Ezen a célktűzések elérésére a legnagyobb potrencál kétségtelenül az épületek hőellátása területén van. Ezt bzonyítja többek között az a tény s hogy az RHC (Renewable Heatng/Coolng) European Technology Platform szernt Európában az épületek fűtése és hűtése területén a megújuló energák részaránya 2030-g elér az 50 és 2050-g a 100%- ot. Eme tantárgy elsődleges célja ösztönözn a hallgatókat az épülettechnka problémák olyan megoldására amely legalább hosszú távon hozzájárul ennek a stratéga célnak az eléréséhez. 12

13 2. ÉPÜLETI HŐIGÉNYEK ÉS ELLÁTÁSUK MÓDJAI Az EU-ban az épületek energaellátása az 2.1 ábra tanúsága szernt 2005-ből származó adatok szernt a prmerenerga-felhasználás döntő részéért felelős. Ez azóta bzonyos mértékben csökkent ugyan de kétségtelen hogy ezen a területen ma s az energamegtakarításnak jelentős potencálja van amely aránylag könnyen mozgósítható. A lakóházakban a hőellátás tehát a fűtés és vízmelegítés együttes hőgénye elérhet és meghaladhatja a 80%-ot. Magyarországon az épületek jelentős része energetka szempontból korszerűtlen. A statsztkák alapján 2008-ban a lakosság energafelhasználás legnagyobb része 7585%-a a fűtés hőgény fedezésére míg 1073%-a melegvíz-előállításra fordítódk emellett csak 715%-ot tesz k a főzés energagénye. Annak ellenére hogy az évnek csupán egy részében van szükség fűtésre mégs ez tesz k a legnagyobb részarányt. 2.1 ábra: Az épület energagény és annak struktúrája az EU-ban Forrás: [1] A fűtés közel 60%-át 2004-ben földgázból fedezte a magyar lakosság. Jelentős részt (1772%) képvsel a távfűtés s mely főleg város panelházakra jellemző és részben szntén földgázalapú ben hazánkban 93 településen 220 távfűtőrendszer működött a távfűtött lakások száma kb. 650 ezer. 13

14 Az olajjal és elektromos árammal történő hőenerga-előállítás csupán elenyészően ks százalékot képvsel (140%) ugyanakkor a hagyományos tüzelés módok mnt például a tűzfa- a szén- és a vegyes tüzelés összesen csaknem megegyezk a távfűtés részarányával. A gázzal történő fűtés elsősorban kényelm szempontok matt ennyre népszerű. Hazánkban 3125 településéből 2596 kapcsolódk földgázhálózathoz így csaknem az ország egész területét behálózza gázvezetékrendszer. Mndazonáltal nem szabad megfeledkeznünk arról hogy a földgáz tartaléka végesek tehát kmeríthetőek és az energagények növekedése következtében a felhasználás hatékonyságának növelése ellenére a kmerülés folyamata aggasztó méreteket öltött. Az épületek hőgénye döntő részének (fűtés melegvíz-készítés és lényegében a hűtés s) kelégítésére alacsony hőmérsékletű hőt használunk. Ezt a hőgényt általában alacsony hőmérsékletszntű hőforrásokból (megújuló energa hulladékhő) s k lehet elégíten. Ennek ellenére erre a célra Magyarországon meghatározó mértékben a legnemesebb és legdrágább fosszls energahordozó a földgáz van felhasználva méghozzá többnyre alacsony hatékonyságú közvetlen hőtermeléssel. Ez a részarány ugyan főleg a gázár emelkedésének köszönhetően csökkenő tendencát mutat de ez nem változtat a tényen hogy a földgáz szerepe az épület hőgények ellátásánál még sokág ndokolatlanul túlsúlyos marad. Ez annál nkább hátrányos hogy Magyarország földgázgényét több mnt 80%-ban orosz mportból kénytelen fedezn. A legutóbb orosz ukrán gázvszály ékes bzonyítéka annak hogy a gázellátás magas és egyrányú mportfüggősége a nemzetgazdaság részére komoly kockázat tényező. Ezért ennek megosztása de elsősorban csökkentése problémáját a mndenkor magyar kormány energapoltkájának kemelt fgyelemmel kellene kezelne. A fent említett tényekből kfolyólag a földgázfogyasztás csökkentésének legnagyobb potencálja az épületek hőellátásánál mutatkozk. Az erre rányuló ntézkedéseket három nagy csoportba lehet soroln: az energagények csökkentése a fogyasztó oldalon (DSM Demand Sde Management); az energahatékonyság növelése a termelés szállítás és elosztás oldalán (SSM Supply Sde Management); a fosszls energahordozók helyettesítése megújuló energaforrásokkal a termelés és szolgáltatás oldalon. A termelő és fogyasztó oldal között a decentralzált hőellátás esetében amkor a hőtermelés magában a fűtött épületben valósul meg a határ nagymértékben elmosódk. Az épületek hőgényének csökkentésére a DSM ntézkedések széles skálája alkalmazható pl. hőszgetelés a nyílászárók cseréje a fűtés rendszer beszabályozása és korszerűsítése az új épületeknél a megfelelő tájolással elérhető passzív napenergahasznosítás stb. Az elérhető hőgény-csökkenés s széles tartományban (20 100%) mozoghat. Konkrét esetekben nagyon eltérő eredményeket lehet elérn. Az ország teljes energafelhasználása szempontjából az épületek átlagos hőgénye a mérvadó. Az energatermelés -szállítás és -elosztás hatékonysága elsősorban az egy bzonyos épület hőgény kelégítéséhez felhasznált prmerenerga mennységével mérhető. A hőellátó rendszer jellegétől és a műszak kvtelezés színvonalától függően ez szntén széles tartományban változhat. Ezt a tényt támasztja alá a hőellátás néhány módjának összehasonlítása a 2.2 ábra alapján. Ez a Német Szövetség Gazdaság Mnsztérumnak a 90-es évek első feléből származő adata alapján volt kdolgozva. Az tt szemléltetett 14

15 energamérlegek ma már túl pesszmstának tűnnek de az egyes hőellátás koncepcók vszonyított hatékonyságáról elég hteles képet festenek. Kétségtelen hogy a vllamos energa épület hőellátás célokra való felhasználása nagyon fogyasztóbarát és gyakran környezetbarátnak s van ttulálva de az alacsony hatásfokú vllamosenerga-termelés esetében valójában a legnagyobb környezetterhelést okozó energetka barbárság és az alkalmazását csak kvételes esetekre kellene korlátozn. Akkor s az éjszaka árammal termelt és megfelelően tárolt hő felhasználását kellene előnyben részesíten. 2.2 ábra: Az épület hőellátás néhány módjának összehasonlítása A földgázalapú közvetlen hőtermelés által megvalósított épület hőellátásnál a földgázfelhasználás csökkentésének lehetősége a hőtermelés hatásfokának növelésével a kondenzácós kazánok alkalmazásával lényegében kmerülnek. Ezzel szemben a földgáz 15

16 bo-tüzelőanyaggal való kváltása elméletleg egyszerűen és teljes mértékben megoldható. A leggyakrabban használt tüzelőanyagok fontosabb kbocsátásanak összehasonlításából (2.1 táblázat) nylvánvaló hogy a valóság nem ennyre egyértelmű. A botüzelőanyagokat ugyan CO 2 -neutrálsnak tartjuk de a környezetet káros anyagok kbocsátásával jobban terhelk mnt a földgáz. Emellett a felhasználásuk hatékonysága alacsonyabb és az energaellátásra felhasználható bomassza s csak korlátozott mennységben áll rendelkezésre. Az épületekben a belső hőkomfort bebztosításához elegendő a hőmérsékletet o C- on tartan. Ez alg haladja meg a természetes hőforrások (külső levegő felszín víz talajvíz talaj) hőmérsékletét. Eszernt elméletleg az lyen megújuló enegaforrásokból hőszvattyú által termelt hővel ezt a hőgényt hatékonyan lehetne fedezn. Ennek megfelelően a masszív marketng-támogatásnak s köszönhetően a hőszvattyú alkalmazásán alapuló hőellátás egyre népszerűbb. A hőszvattyút gyakran mnt valamlyen perpetuum moblét s kínálják mvelhogy az 1kW-ból képes 3 kw-ot fejleszten. Ez így magában nem tsztességes mert hozzá kellene fűzn hogy (általában) vllamos energát használ fel am a legnemesebb végenerga (tszta exerga) és alacsony hőmérsékletű hőenergát termel amelynek exergatartalma nagyon kcs. 2.1 táblázat: A kbocsátás fő összetevő a leggyakrabban használt tüzelők égetéséből Tüzelőanyag SO 2 [mg/mj] Por [mg/mj] NO x [mg/mj] CO 2 [g/mj] Tűzfa CO [mg/mj] Feketeszén Barnaszén Fűtőolaj Vlágítógáz Földgáz Bogáz Forrás: [9] Az energa hatékonyságát a prmerenerga-felhasználás nagysága alapján lehet megítéln. Mvel vszont a beruházás költségük jóval magasabb mnt a hagyományos közvetlen hőtermelőké a gazdaságosság hatékonyság feltétele a jóval alacsonyabb prmerenerga-felhasználás. Alkalmazásuknak az energapoltka által támogatása csak akkor ndokolt ha ez a szempont messzemenően érvényesítve van. A 2.2 ábrából levonható legfontosabb tanulság az hogy az épület hőellátás prmerenerga-felhasználása által okozott környezetterhelés akkor a legalacsonyabb ha az nap- lletve geotermkus energa által van megvalósítva. 16

17 Magyarország jelentős épület hőellátásra alkalmas földhőpotencállal rendelkezk amely erre a célra jelenleg csak nagyon ks mértékben van khasználva. A közelmúlt gázellátás válságát követően és a gázár növekedésének veszélye következtében s a földhőhasznosítás ránt egyre nő az érdeklődés de mnt reáls lehetőség csak néhány mkrorégóban jöhet számításba. Ezzel szemben a napenerga ksebb-nagyobb mértékben mndenütt hasznosítható és am lényeges gyakorlatlag korlátlan deg mert a Nap óránként több energát sugároz a Földre mnt annak teljes év energaszükséglete és ez a folyamat még több mnt 4 mllárd évg fog tartan. A teljesen napenergával való hőellátás ugyan elméletleg lehetséges és gyakorlatlag megvalósítható de ellenben a geotermkus energával az alacsony energasűrűség és főleg a hőkínálat és hőszükséglet között dőben eltolódás matt magas beruházás költségek matt általánosságban nem célszerű. Teljesen ndokolt vszont a napenerga és bo-tüzelőanyagok kombnácóján alapuló hatékony hőellátás lehetőségenek kutatása. Ez látszólagosan szntén teljesen a napenerga hasznosításán alapul mvel a botüzelőanyagok a napenerga vegyleg tárolt formája. 2.1 Épület hőgények értelmezése Az épületek fűtésre és melegvíz-termelésre meleg hőt és egyre gyakrabban hűtésre lletve légkondconálásra hdeg hőt gényelnek. A meleg és hdeg hő termelés problémát többnyre külön vzsgálják. (A 2.2 ábrán a 100% hőgény szntén csak meleg hőgényt jelent.) Ennek az az oka hogy termodnamka mnőségük és termelésük módja lényegesen különböznek. Míg a meleg hő termelése a hő alacsonyabb hőmérséklet szntről magasabb hőmérséklet szntre való spontán áramlásán alapul addg a hdeg energa termeléséhez ennek a spontán folyamatnak a megfordítása szükséges amhez elengedhetetlen a fordított termodnamka körfolyamat alkalmazása. Összehasonlításukat egyrészt a prmerenerga-felhasználás másrészt a beruházás költségek vzsgálata tesz lehetővé. A meleg és hdeg hőt hasznosító berendezések működés elvüket tekntve elméletleg lehetnek azonosak és gyakran így s vannak használva de sokszor különbözőek. Termelésük és szolgáltatásuk kedvező esetekben lehet közös s Fűtés és hűtés hőgények A hőkomfort bebztosítása érdekében az épületekben télen fűtés nyáron hűtés (légkondconálás) gény merül fel. Közös vonásuk hogy mndkét hőgény főleg a T k külső levegőhőmérséklettől függ. A külső levegőhőmérséklet év tartamdagramját a 2.3 ábra szemléltet. Az elmélet fűtés hőteljesítmény pllanatny nagysága Q U A ( T T ) (2.1) f 0 f f b k ahol: U f a hőátvtel tényező W/(m 2 K); A f a fűtendő épület határoló felülete m 2 ; T b (= 20 C) a fűtött helység belső hőmérséklete. 17

18 2.3 ábra: A fűtés és hűtés év hőfokhídja Forrás: [7] Ha a fűtés gény T k = 12 C külső hőmérsékletg tart amnek 0 f 0 dőntervallum felel meg akkor az év elmélet fűtés hőgény a Q f 0 U f A f 0 f ( Tb Tk ) d U fv Af D f 0 0 (2.2) összefüggéssel fejezhető k amelyben a fűtés hőfokhíd amt a német szakrodalom hatására hőfoknapok számaként s smerünk D f 0 z f 0 f 0 ( Tb Tk ) d ( Tb Tkj ) 0 j 1 (2.3) ahol: z f0 a fűtés napok száma a 0 f 0 dőtartamban T kj a j-edk fűtés nap átlagos külső hőmérséklete [ C K]. Hasonlóképpen fejezhetjük k a pllanatny elmélet hűtés hőteljesítményt s Q U A ( T T ) (2.4) h0 h h k b ahol: U h a hőátvtel tényező [W/(m 2 K)]; A h a hűtendő épület határoló felülete [m 2 ]. A T k 22 C külső hőmérséklet esetén a folyamat év hőgényét a h0 év dőtartamban megvalósuló hűtés h0 h ôv h ( Tk Tb ) d U h Ah Dh 0 h0 Q U A (2.5) 18

19 összefüggéssel fejezhetjük k amelyben a hűtés hőfokhíd lletve hőfoknapok száma D év z h 0 h0 Tk Tb ) d ( Tkj Tb ) j 1 h0 ( (2.6) ahol: z h0 a hűtés napok száma a külső levegőhőmérséklete [ C K]. h0 év dőtartamban T kj a j-edk hűtés nap átlagos A valóságos fűtés és hűtés vszonyok az elméletnél lényegesen különböznek. A valóságos hőtranszportot számos véletlenszerű hatás s befolyásolhatja. Ilyen például a szél amely növel a fal és a külső levegő között hőátlépés tényezőt és ezáltal az U hőátvtel tényező értékét s. Ez növel a transzmsszós hőveszteséget lletve nyereséget. Fgyelembe kell venn továbbá a határoló felület nyílászárónak résen keresztül megvalósuló légcsere lletve a közvetlen szellőztetés által szállított hőt ( Q fv lletve Q hv fltrácós fűtés lletve hűtés veszteség). A transzmsszós energaáramok mellett a Q b belső hőtermelés és a napsugárzás által fejlesztett Q s hőnyereség a fltrácós veszteséggel ellentétben az elmélet fűtés hőteljesítményt csökkent. Az előbb meggondolások szernt a valós fűtés teljesítményt a Q f Q Q Q Q 0 (2.7) f fv b s összefüggéssel fejezhetjük k. A régebb éptésű épületeknél a fltrácós veszteség általában meghaladja a belső hőtermelés és a szolárs hőnyereség összegét ezért a valós fűtés teljesítmény általában valamvel nagyobb az elméletnél Q f Q Q Q Q 0 > Q 0 f fv b s f de a szgorodó energatakarékosság rányelvek hatására a fejlődés egyre nkább az alacsony energagényű és passzvházak rányába terelődk és ez a vszony valószínűleg megfordul Q f Q Q Q Q 0 Q 0 f fv b s f Az épületek hőgényének csökkentése napjank elsőrendű feladata közzé tartozk annál s nkább hogy ezen a területen az energa-megtakarításnak hatalmas aránylag könnyen mozgósítható tartaléka vannak. A valós fűtés hőgény csökkentésének lehetséges módjat a (2.7) összefüggés alapján lehet meghatározn. Eszernt az elmélet hőgényt és a fltrácós veszteséget csökkenten kell míg a belső hőtermelést és a szolárs nyereséget lehetőleg növeln. A gyakorlat tapasztalatokból nylvánvaló hogy a leghatékonyabb energatakarékosság beavatkozás az Q f 0 elmélet fűtés hőgény (transzmsszós hőveszteség) csökkentése az U f hőátvtel tényező csökkentése által am a létező épületek esetében pótlagos hőszgeteléssel érhető el míg az új építésű épületeknél az erre vonatkozó egyre szgorúbbá váló drektívák betartásával. 19

20 A Q fv fltrácós hőveszteség a fűtött helységek és a környezet között légcserétől függ. Mvel az egészségügy követelmények betartása érdekében bzonyos nagyságú légcsere elkerülhetetlen annak csökkentése s csak az ennek megfelelő szntg csökkenthető megfelelő légtömörségű nyílászárók alkalmazásával. A légtömörség bzonyos szntjén felül (pl. a passzívházaknál) a szükséges légcserét már gép szellőztetéssel kell megoldan. A Q b belső hőnyereség abszolut értékben gyakorlatag állandónak vehető. Háztartás vllamosenerga-fogyasztók (főleg a vlágtótestek) hatékonysága ugyan növekszk am a fogyasztás és így a hőtermelés csökkenésével jár de ezt ellensúlyozhatja a várhatóan növekvő számuk. A transzmsszós és fltrácós hőveszteség jelentős csökkenése mellett a Q s szolárs hőnyereség szerepe jelentősen növekszk. A helyesen megtervezett passzívházak fűtés energamérlegében meghatározó szerepe van. A fűtés teljesítménnyel ellentétben a szükséges hűtés teljesítményt a belső hőforrások hőteljesítménye és a napsugárzás által gerjesztett hőnyereség növel éspedg vszonylag jóval jelentősebben. Számszerűleg a hűtés hőteljesítményt a Q h Q Q Q Q 0 (2.8) h hv b s összefüggés alapján határozhatjuk meg. A valós fűtés hőgénnyel ellentétben mndg érvényes hogy Q h Qh0 Qhv Qb Qs h0 Q Az elmélet és valóságos fűtés és hűtés hőteljesítményeket a külső levegőhőmérséklet függvényében a 2.4 ábra mutatja be. 2.4 ábra: Elmélet és valóságos fűtés és hűtés hőgények a külső hőmérséklet függvényében Forrás: [7] Q * h vrtuáls A már smert tényeken kívül fgyelemre méltó a hűtés teljesítménynek a tartamdagram szernt lefolyása amely azt mutatja hogy a fűtés és hűtés gények 20

21 egydejűleg s jelentkezhetnek. A tapasztalatok alapján ez a gyakorlatban gyakran előfordulhat de aránylag rövd dőtartamban és mvel a hűtés pl. naponta nem folyamatos a görbe alatt terület nem felel meg az év hűtés génynek. Teljesen reáls követelmény lehet például hogy egy szálloda dél fekvésű konferencatermét a jelentős szolárs nyereség és a belső hőtermelés következtében hűten kell míg az észak fekvésű szobákat még fűtk. Az fűtés és hűtés év tartamdagramok a 2.5 ábrán vannak szemléltetve. A fűtés esetében az elmélet teljesítménynek Q f 0( ) görbe szernt lefolyása általában csak ks mértékben különbözk a valóságos fűtés teljesítmény lefolyásától amelyet a Q ( ) görbe szemléltet. Feltételezhető hogy az elmélet és valóságos fűtés csúcsgények jó megközelítéssel egyenlőek:. Ezzel szemben a valóságos hűtés teljesítmény Q f 0 Q f 0cs f az elméletnél mndg nagyobb:. Q hcs > Qh 0 cs 2.5 ábra: Elmélet és valóságos év fűtés és hűtés tartamdagramok Forrás: [7] Az elmélet és valóságos fűtés és hűtés teljesítmények év tartamdagramjanak összehasonlításából levonható következtetések: A leglényegesebb különbség hogy például a külső levegőhőmérséklet T k =12 22 tartományában lletve az ennek megfelelő f 0 h0 dőtartamban elmélet vszonyoknál sem fűtés sem hűtés gény nncs. A valóságban ez a szünet csökken sőt bzonyos esetekben a fűtés és hűtés gények egydejűleg s megjelenhetnek. A valóságos fűtés és hűtés gények nem ugrásszerűen hanem folyamatosan szűnnek meg. Időtartamuk nagyobb mnt az elméleté: f > f 0 ( év h) > ( év h 0) A valóságos év csúcskhasználás dőtartamok nagyobbak mnt az elméletek: fűtés esetén Q f fcs > Q fcs fcs0 Q Q f 0 fcs 21

22 lletve hűtés esetén s nagy valószínűséggel Q h hcs > Q hcs hcsé Q Q h 0 hcs A fűtés és hűtés valóságos jelleggörbé a gyakorlatban bzonyos vzsgálatok céljara egyszerűsíthetőek a pontosságra támasztott (nem túl szgorú) követelmények betartásával. Az épületek hasznos fűtés és hűtés hőgényét EU rányelvek épületenergetka szabályozások és hatóság előrások határozzák meg (7/2006. (V. 24.) TNM rendelet az épületek energetka jellemzőnek meghatározásáról). Ezek többek között érntk és mnősítk az határoló falak és nylászárók megkövetelt hőátvtel tényezőjét az épületek fajlagos év fűtés és hűtés energafelhasználását Használat melegvíz-ellátás hőgénye A használat meleg víz (HMV) előállításához szükséges hőteljesítményt a Q m c T T ) (2.9) HMV HMV ( m h összefüggéssel fejezhetjük k ahol: m HMV a használat meleg víz tömegárama [kg/s]; c a víz fajlagos hőkapactása [kj/(kgk)]; T m T h a meleg lletve hdeg víz hőmérséklete [ C K]. 2.6 ábra: A használat melegvíz-ellátás lehetséges nap lefolyása és átlaga Forrás: [7] Ahogy a 2.6 ábrán szemléltetett példa s bzonyítja a használat melegvízfogyasztás a nap folyamán jelentősen ngadozk. A hőtermelő a szükséges teljesítményt általában nem 22

23 tudja követn lletve nem lenne célszerű azt a csúcsteljesítményre méretezn és a változások követésére tervezn. Hőtároló beépítésével azt elegendő a d m TV d m TV 0 (2.10) d átlagos nap melegvízgényre lletve Q m c T T ) (2.11) TV TV p( TV SV nap átlagos hőteljesítményre méretezn. Mvel ez a külső hőmérséklettől gyakorlatlag független az év folyamán állandónak vehető és az év khasználás dő TV Q Q TV TV a 8760 h/a ahol: Q HMV a használat melegvízellátás év hőgénye Lakóépület hőellátásának év tartamdagramja Az épületek hőgénye típusuktól és a kvtelezésük mnőségétől függően esetenként eltérő. A lakóépületek az éghajlatunknak megfelelően fűtést gényelnek és emellett általános követelmény a használat melegvíztermelés s. A belső mkroklíma mnőségére támasztott növekvő követelmények azt eredményezk hogy egyes helységek hűtésének génye s felmerül. 2.7 ábra: Az épületek együttes hőellátásának tartamdagramja Forrás: [7] A 2.7 ábra az év folyamán gyakorlatlag állandó használat melegvíz-ellátás és a szezonálsan változó fűtés lletve hűtés együttes tartamdagramját szemléltet amely az 23

24 éghajlat vszonyanknak megfelelően főleg a hagyományos építésű lakóépületekre jellemző. Eszernt az együttes év hőgényt a Q Q f Q HMV Q h Q fcs fcs Q HMV HMV Q (2.12) ha feltételezzük hogy a fűtés csúcsteljesítmény nagyobb mnt a hűtés akkor a a teljes hőellátás csúcshőgénye Q cs Q Q (2.13) fcs HMV és az év hőellátás év csúcskhasználás dőtartama Q Q Q Q Q Q f HMV h m h cs Q cs Q fcs Q (2.14) HMV Q cs Mvel a fűtésre és a használat meleg víz előállítására felhasznált meleg hő termelés folyamata lényegesen különbözk a hdeg hő termelésétől célszerű ezeket megkülönböztetve vzsgáln. A hcs hcs Q m Q f Q HMV meleg hő csúcskhasználás dőtartama m Q Q m cs A év csúcskhasználás dőtartam lényegesen függ attól hogy az épület hőellátása mlyen feladatokból áll. Ha csak a fűtést vesszük fgyelembe akkor az év csúcskhasználás dőtartam a fcs h/a tartományban várható am a fűtés erőteljes szezonaltására utal. Ha a teljes meleghő-felhasználást tehát a fűtést és használat melegvíztermelést együtt vzsgáljuk akkor a csúcskhasználás dőtartama a valószínűleg a m h/a tartományban lesz. A teljes hőellátás (fűtés+hmvtermelés+hűtés) csúcskhasználás dőtartama cs > 3000 h/a Alacsony energagényű és passzívházak hőgénye A 2.7 ábrán szemlétetett hőellátás tartamdagram a ma használatban lévő hagyományos építésű lakóházakra jellemző. Az EU rányelvenek megfelelően az épületek energafelhasználását radkálsan csökkenten kell. Az erre rányuló leghatékonyabb ntézkedéseket a fogyasztó oldalon lehet foganatosítan a hőgények csökkentésével. Ezért az alacsony energagényű és passzívházak egyre nagyobb teret hódítanak az építőparban. Az épületek alacsony energagénye érdekében a tervezés és kvtelezés valamnt az üzemelés fázsában a következő alapelvek betartása szükséges: a telek kedvező tájolása a lakott helységek dél oldalra való tervezése a passzív szolárs nyereség hasznosítása érdekében az épület lehetőleg kompakt alakjának választása (a határoló felület és a térfogat arányának kedvező értéke) 24

25 hőhdak nélkül tervezés és kvtelezés a határoló épületszerkezetek alacsony hőátlépés tényezője [külső falak: U < 015 W/(m 2 K) tető: U < 012 W/(m 2 K) nylászárók: U < 10 W/(m 2 K)] alacsony gyártás energagényű éptőanyagok alkalmazása (fa szalma nád stb.) az épület tökéletes légtömörsége (Blower door test alapján n <06 1/h p = 50 Pa nyomásesésnél) hővsszanyerős szabályozott szellőztetés alkalmazása előnyösen meleglevegős fűtéssel kombnálva a belső hőforrások hasznosításával pótlagos bomassza alapú bztonság hőforrás beépítése (kazán kandalló kályha) napenerga aktív hasznosítása napkollektorok alkalmazásával a használat meleg víz készítésére és a fűtés támogatására energahatékony fogyasztók alkalmazása. A hagyományos építésű valamnt az alacsony energagényű és energetkalag passzív család házak jellemző a 2.2 táblázatban vannak összehasonlítva. 2.2 táblázat: Család házak energetka jellemző Paraméter Egység Hagyományos Alacsony Energetkalag építésű család energagényű passzív család ház család ház ház A fűtés- és kwh/a akár akár ** szellőztetésre felhasznált hő * A fűtés és W/m szellőztetéshez szükséges fajlagos hőteljesítmény A fűtés és szellőztetés kwh/(m 2 a) fajlagos hőfogyasztása A használat melegvíztermelés kwh/(m 2 a) fajlagos hőfogyasztása A fajlagos kwh/(m 2 a) vllamosenergafogyasztás A teljes fajlagos kwh/(m 2 a) energafogyasztás (a hűtés nélkül) A teljes fajlagos kwh/(m 2 a) 120 prmerenergafelhasználás Az előírt hőátvtel W/(m 2 K) tényező falak Az előírt hőátvtel W/(m 2 K) tényező nyílászárók Forrás: [40] * egy átlagos 140 m 2 alapterületű család házra érvényes. ** az energetkalag passzív házban a fűtés hőgény kb. 35%-át a belső hőforrások 30%- át a szolárs hőnyereség fedez így a valóságos hőfelhasználás 35%. 25

26 Az alacsony energagényesség alapelvenek gyakorlat érvényesítése lényegesen befolyásolja a teljes hőellátás tartamdagramját: 1. A transzmsszós hőveszteség radkáls csökkenése következtében a fűtés hőgényét nagymértékben a fltrácós veszteség a belső hőtermelés és a szolárs hőnyereség határozzák meg. A valóságos fűtőteljesítmény gy ksebb lehet az elméletnél. 2. A fűtés és hűtés nélkül dőtartam a hagyományos építésű épületekhez vszonyítva jelentősen növekszk. 3. A fűtés csúcshőgénye ksebb lehet a hűtés csúcshőgénytől. Az alacsony energagényű és energetkalag passzív házak teljes hőellátásának tartamdagramja a 2.8 ábra szernt módosulhat. 2.8 ábra: Alacsony energagényű vagy passzívház teljes hőellátásának alternatív tartamdagramja Épület hőellátás különleges esete A lakóépületek mellett vannak olyan létesítmények amelyek a jelentős belső hőtermelés és a szolárs nyereség kövelkeztében az egész év folyamán a meleg hő génye mellett (fűtés és használat melegvíztermelés) dőnként hűtés gény s felmerül (pl. áruházak színházak par épületek). Ilyen esetekben a Q m meleg Q h hdeg hőteljesítmény valamnt a P vllamos teljesítmény relatív hav változását az év folyamán hozzávetőlegesen a 2.9 ábrán feltüntetett görbék szernt lehet szemléltetn. 26

27 2.9 ábra: Különleges épületek meleg és hdeg hőteljesítmény- lletve vllamos teljesítmény-gényének év változása Forrás: [7] A fűtés és hűtés hőgények termodnamka értelmezésénél a meleg hőt és hdeg hőt összeadhatónak azonos értékűnek tekntk. Ez bzonyos esetekben megengedhető sőt ndokolt s de általában a meleg és hdeg hő nem egyenértékű mert a termelés folyamatak többnyre lényegesen különböznek. Hteles összehasonlításukhoz a prmerenerga-felhasználás nyújt megfelelő alapot. 27

28 3. AZ ÉPÜLETI HŐIGÉNYEK CSÖKKENTÉSÉRE ALKALMAZHATÓ ÉPÜLETTECHNIKAI BEAVATKOZÁSOK A decentralzált hőellátás esetében (főleg család házak és más hasonló méretű épületek fűtése) a fogyasztó és termelő oldal határa annyra összemosódnak hogy ndokolttá válk a hőgények csökkentésére rányuló beavatkozások együttes vzsgálata. Ezeket nkább a szernt érdemes megkülönboztetn hogy épületszerkezet vagy épületgépészet elemekre rányulnak-e. 3.1 Az épületszerkezet elemeken alkalmazható beavatkozások A legfőbb területek ahol energa takarítható meg az épület határoló szerkezete épületgépészet és épületvllamosság berendezése technológá. A beavatkozás módszerének megválasztásakor az alapvető kérdés hogy az épület eredet arculatának megtartása követelmény-e avagy az épület karaktere megváltoztatható Utólagos hőszgetelés Falak hőszgetelése A falak utólagos hőszgetelése többféle közvetlen és közvetett módon befolyásolja az épület energamérlegét és számos közvetett épületfzka és hőérzet következménnyel bír. Az energa-megtakarítás azonban a hőátbocsátás tényezők arányánál kedvezőbb mértékben változk ha az utólagos hőszgetelést a falszerkezet külső oldalán helyezzük el mert a hőhdak matt veszteségek csökkennek. A külső határoló falszerkezetek pótlólagos kegészítő hővédelmére a műszak-építészet állapot és génysznt mérlegelése alapján az alább elv rendszerek állnak rendelkezésre: hőszgetelő vakolatok külső hőszgetelés kéregvakolattal külső hőszgetelés légréssel belső oldal utólagos hőszgetelés. 28

29 Tető hőszgetelése Olyan esetekben amkor a hőszgetelés nedves a szerkezetet úgy kell kalakítan hogy abból a víz eltávozása a szerkezet károsodása nélkül játszódjék le. Ha a tető jó állapotban van és az egyéb feltételek s adottak hőtechnka tulajdonsága zöldesítéssel s javíthatók. A zöldesítés csekély mértékben javítja a hőátbocsátás ellenállást jelentősen növel a hőtároló-képességet nedvességmegtartó hatása és a növények által elpárologtatott víz (evaporatív) hűtőhatása mérsékl a nyár hőterhelést. Pnce és árkádfödém szgetelése Az alulhőszgetelt pncefödémek utólagos hőszgetelése energetka szempontból kevéssé hatékony mnt a külső légtérrel érntkező épülethatároló szerkezeteké ám állagvédelm és hőérzet szempontból gen fontos (az előírt padlófelület hőmérséklet bztosítása érdekében). Ha a teherhordó szerkezethez rögzített álmennyezet készítése az gény a hőszgetelés a két szerkezet réteg közé kerül. Ha nem álmennyezet hanem alsó oldal építőlemez-burkolat készítése az gény a hőszgetelés vastagságának megfelelő magasság méretű a teherhordó födémhez rögzített tartóbordákat kell a burkolat fogadására beépíten. Padlás szgetelése A padlásfödémek a legegyszerűbben és leggazdaságosabban hőszgetelhető épületszerkezetek. Erre utal az egyszerű rétegfelépítés és az hogy a hőszgetelő táblákat felülről és külön rögzítés nélkül lehet beépíten am tt egyszerű elhelyezést fektetést jelent. Tetőterek szgetelése A tetőterek hőszgetelését kétféle szempontból s lehet értelmezn. Egyrészt magát a tetőteret körülvevő szerkezetet hőszgeteljük amely az ottan lakóteret választja el a külső környezettől másrészt az épület alsó lakószntje felett hozunk létre egy fűtött teret amely felé az alsó szntről a továbbakban nem alakul k hőveszteség Nyílászárókon alkalmazható beavatkozások Az üvegezett transzparens nyílászárók energamérlege gen sok tényező függvénye. Az energamérleg összetevő a transzmsszós hőveszteség a sugárzás nyereség a légcsere a működés és beépítés hézagokon át a hőérzetre gyakorolt közvetlen hatások lletve az ezek ellentételezésére szükséges energaáramok a természetes megvlágítás. A nyílászárók szerepe az épület egészének energamérlegében természetesen függ a homlokzatok üvegezés arányától az üvegezett felületek és az épület térfogatának arányától a benapozás feltételektől a nyílászárók beépítés és működés hézaganak hosszúságától valamnt az épület és a környezet között nyomáskülönbségtől. Fontos szerepet játszhatnak a társított szerkezetek s. Légrések tömítése Amennyben az épület spontán fltrácós levegőforgalma meghaladja a szükséges légcsereszámot az ablakok beépítés és működés hézaganak tömítésével érdem eredmények érhetők el. Meglévő üvegezés bevonatolása Az üvegezést lletően alapvető kérdés a rétegek száma. A hőátbocsátás tényező elsősorban a légréteg vastagságától és függőleges méretétől függ. A hőátbocsátás 29

30 tényező a két üvegtábla között tér nemesgázzal való feltöltése valamnt az üveg felületének specáls ks emsszós tényezőjű bevonatolása révén javítható. A ks emsszós tényezőjű felület-bevonatolás elsősorban az üvegezés által a hosszúhullámú nfravörös tartományban ksugárzott energaáram azaz a hőveszteség csökkentését célozza. Új üvegréteg hozzáépítése A hőveszteség radkáls csökkentése az üvegezés módosításával vagy tovább réteg beépítésével lehetséges. Ez a gyakorlatban főleg a kettős üvegezés bővítésével valósul meg. A passzvház tulajdonságanak eléréséhez ugyans a hármas üvegezés elengedhetetlenül szükséges. Ablakok cseréje A nyílászárók cseréjének során olyan új nyílászárók kerülhetnek beépítésre melyek a legújabb technológák révén készültek és gyárlag bztosíthatják mndazokat az opcókat melyeket meglévő nyílászárókon utólag létesíthetünk. Ezek az opcók lehetnek az acélmerevítésű műanyag tok hővédő bevonat többszörös üvegezés megfelelő légzárás stb. Társított szerkezet alkalmazása Az ablakok hővesztesége csökkenthető mozgatható társított szerkezetek alkalmazásával vagy ha lyenek eredetleg s voltak mnőség cseréjével. A megfelelő társított szerkezet kválasztásával az épület eredet jellegének megőrzése éppúgy lehetséges mnt markáns módosítása. Mnél rosszabb az eredet nyílászárók mnősége annál jelentősebb a társított szerkezetekkel elérhető eredmény. Nyílászáróüveg-fólák A fólával ellátott nyílászáró-üveg alkalmazásával megnövelhető a belső komfortérzet csökkenthető az energaköltség. Síküvegfólák Különböző fémszórt alumínumszórt UV-kezelt és kémalag színezett polészterrétegek különleges ragasztóval összelamnált kombnácója mely betörés- hő- betekntés- UVés fényvédelmet nyújt. Tükröző fólák A Nap ellen védő tükröződő fólák kszűrk a Nap káros hőhatását és vakító sugarat a fényt és a vlágosságot azonban beengedk. Ezáltal az épületet hűvösebbé teszk csökkentve a belső hőmérsékletet a napsugárzás vakító hatását. Típustól függően a beérkező fény kszűrése 12 93% között mozog az UV-védelem pedg 999%-os. Nem tükröződő fólák Ezek a fólák tükröződés nélkül képesek a hő- és fényvédelemre de hatásfokuk némleg rosszabb mnt a tükröződő fóláké. Bztonság fólák Az ablak belső felületére erősített fóla lényegesen javít a meglévő síküveg mnőségén növelve a szlárdságát mnek következtében fokozódk a bztonság. 30

31 3.1.3 Szolárs nyereség Az épületek energetka tulajdonságanak jobbítása nemcsak a veszteségáramok csökkentése hanem a nyereségáramok növelése és azok hasznosítás fokának javítása révén s lehetséges. Ez az út természetesen csak akkor követhető ha az épületnek jól tájolt kellően benapozott homlokzata() van(nak). Külső falszerkezetek átalakítása tömegfallá (Trombe-fal) A meglévő külső falak elé épített üvegezéssel energagyűjtő és -tároló szerkezet elemeket alakíthatunk k. Ezek szerkezetleg egy masszív külső falból ( tömegfal ) és az eléépített üvegezésből állnak. Ezt mozgatható árnyékoló-szerkezet valamnt Trombefalak esetében a tömegfalban kalakított nytható-zárható szellőzőnyílások egészítk k. Transzparens hőszgetelések A transzparens hőszgetelés egyesít a defenzív és a szolárs jellegű beavatkozások előnyet. A transzparens (átlátszó) hőszgetelések lényege az hogy a külső falak külső síkját a napsugárzást többé-kevésbé áteresztő hőszgeteléssel burkoljuk. Ez többnyre a fal síkjára merőleges néhány mm átmérőjű sejtekből álló struktúrájú de állhat a fal síkjával párhuzamos fólákból granulátumból vagy szálasanyagból s. Ezt kívülről az dőjárás hatások ellen üveg fed. A beeső sugárzás energa nagy részének elnyelése a hőszgetelés mögött a fal síkján történk. Ezt a síkot a környezettől a hőszgetelő réteg választja el az elnyelt energa nagy része a ks ellenállású nagy tárolóképességű falba hatol be. A hőszgetelés és a fal érntkezés síkján olyan magas hőmérséklet alakul k hogy a helységnek a szerkezeten keresztül gyakran hőnyeresége van de még borúsabb dőben s a hőveszteségek lényegesen csökkennek. Napterek Naptereknek nevezzük azokat a tereket amelyeknek legalább egy (gyakorta több jellemzően nagy) transzparens külső szerkezete van az anyaépülettel közvetlen kapcsolatban vannak és mesterséges fűtésük nncs. A napterek többféleképpen befolyásolják az épület energamérlegét melynek főbb összetevő a pufferhatás a konvektív energaáramok (a szellőző levegő előmelegítése) a sugárzás nyereség és a hőtárolás Téralakítás Adott esetben gény lehet arra hogy egy meglévő épülethez fűtetlen toldalékot (például garázst) vagy a korább lapostető fölé magastetőt építsenek. Az így kalakult fűtetlen terek padlások puffer zónák az eredet épület hőveszteségét csökkentk. 3.2 Épületgépészet rendszereken alkalmazható beavatkozások A fűtés rendszerek korszerűsítése történhet utólagos hőszgetelés nélkül vszont utólagos hőszgetelés esetén mnden esetben szükséges a fűtés rendszert megvzsgáln és az új vszonyokhoz alakítan. Fűtéskorszerűsítés során a veszteségcsökkentés a cél mely származhat a termelésből vagy az elosztásból. A hőtermelés veszteség csökkenthető jobb hatásfokú hőtermelő beépítésével az elosztás veszteség pedg beszabályozással megfelelő szabályozással mérsékelhető. 31

32 Radátorok hatékonyságának növelése A hagyományos fűtőtestek hőleadása sugárzás és főként konvekcó útján valósul meg. A hőleadók megfelelő üzemvtelét az gazolja ha azok mndenhol egyformán melegek. Ha a hőleadók nem mndenhol egyformán melegek akkor feltételezhető hogy légréteg maradt bennük amt légtelenítéssel kell a szabadba engedn. A konvekcós hőleadás hatékonysága növelhető a szabad légáram bztosításával. Célszerű megfgyeln hogy nem takarják-e a fűtőtesteket a levegő áramlását gátló elemek mnt a sötétítő függöny esetleg nncs-e a fűtőtest burkolva. Kazán lezárása vagy fűtéscsökkentés üzemszünet alatt Az épületek hőveszteségéből származó veszteség csökkenthető az éjszaka és hétvég kazánlezárással vagy fűtéscsökkentéssel. A leállás lletve a csökkentés szntjét a hőforrás és a fűtött rendszer smeretében műszak és gazdaság elemzés alapján kell meghatározn. Kazánégő és előremenő vízhőmérséklet beállítása A kazánégő beállításával csökkenthető a füstgáz O 2 -tartalma és ezáltal növelhető a kazán hatásfoka. Az előremenő fűtővíz-hőmérséklet beállításával égtáj szernt szabályozással bztosítható hogy a fűtés rendszer a méretezésnek megfelelő teljesítményen üzemeljen és ha a szabályozás megfelelő ne eredményezzen alulvagy túlfűtöttséget. Csővezetékek és szerelvények hőszgetelése A fűtés hálózat csővezetéken szerelvényen és megfogásan jelentkező hőveszteség növel a fűtőberendezések üzemköltségét. Ez az energaveszteség lletve üzemköltség hőszgeteléssel csökkenthető. Automatkus szabályozás A korszerű központ szabályozórendszer lényegében a fűtés rendszer agyközpontja melynek feladata hogy az utánkapcsolt egyed szabályozókkal együtt optmalzálja a teljes hasznos hőbevtelt fgyelembe véve a csővezetékek hőleadását s. Bztosítana kell hogy a rendszer az adott körülmények között mnmáls veszteséggel működjék a hozzákapcsolt használat meleg víz és egyéb hőellátó rendszerek optmáls üzemével együtt. Felügyeln kell a fűtés menetrendet és bztosítana kell a teljes rendszer valamenny vllamos hajtású berendezésének dő- és teljesítményfüggő vezérlését. Mnd energatakarékosság mnd komfortérzet szempontjából előnyös az égtáj szernt épülettagolás megoldása. A szabályozás lehet: Értéktartó szabályozás A helységhőmérséklet érzékelője a felső határérték elérésekor kkapcsolja a fűtőberendezést majd az alsó határértéknél bekapcsolja így szakaszos üzemelést eredményez. Követő szabályozás A hőszállítás mértéke (hőhordozó hőmérséklete vagy mennysége) az uralkodó zavaró jellemző (dőjárás vagy külső hőmérséklet) alakulását követ. Ezt a megoldást tpkusan ott használják ahol egy épület két homlokzata erőteljesen két égtáj felé néz és lyenkor érdemes égtáj szernt bontan a szabályozást. 32

33 Menetrend szabályozás Megfelelő óraszerkezettel az előírt érték nap és het dőtartamon belül változásának rendje tetszés szernt megszabható. Kaszkádszabályozás A szabályozás körön belül újabb kör kalakításával a hatáslánc hurkolttá tehető. A szabályozott szakaszok lehetnek a fűtött helység a vezetékek és hőleadók a kazán míg zavaró jellemzők az dőjárás és a vsszatérő vízhőmérséklet. Költségosztók alkalmazása Elsősorban távfűtött épületeknél gyakran felmerül az az gény hogy az épület teljes energafogyasztását korrekt módon megosszák az épület különböző használó vagy helysége között. Ezt a célt szolgálják a vszonylag alacsony költségű ún. fűtés költségmegosztók. Ezek az egyes radátorokra szerelt ks készülékek nem mérk közvetlenül abszolút értékben a radátorok hőleadását hanem csak egy azzal arányos jellemzőt. Ha ezek az értékek az épület összes hőleadójára rendelkezésre állnak meghatározható hogy az épület által elfogyasztott összes hőmennységből az egyes hőleadók hogyan részesednek azaz a teljes fűtés költségfogyasztás arányos módon felosztható. Beszabályozás Az épületek fűtése során jelentős többletkadást okoz a szükségesnél nagyobb helységhőmérséklet. A hatékony működés alapja hogy a névleges térfogatáramok a rendszer mnden részén mnden üzemállapotban rendelkezésre álljanak. Ennek elérésére az egyetlen mód a rendszer teljes hdraulka beszabályozása. Ez azt jelent hogy a rendszer névleges térfogatáram-értékenek kalakítása érdekében a beszabályozásra szolgáló szerelvényeken kalakuló nyomáskülönbségeket meg kell mérn és be kell állítan. Fűtőtestek hőteljesítményének változtatása A fűtőtesteknél a hely szabályozás lehetőségével a helységben tartózkodók élhetnek ha a túlfűtés előáll vagy a benntartózkodók komfortérzete megkívánja. Ebből következk hogy a fűtőtestnél olyan szerelvényre van szükség amely előbeállítást nytás-zárást és szabályozást tesz lehetővé. Erre a célra alakították k a kettős-beállítású radátorszelepeket. Fűtőberendezés rekonstrukcója Egy épület energafelhasználásának jelentős része a hőellátásban hasznosul hol jobb hol rosszabb eredménnyel. El kell dönten hogy egy új típusú modern tüzelőberendezésre történő cseréje ndokolt-e! Az energahatékonyság növelésére a tüzelőberendezés rekonstrukcójára nézve két lehetőség kínálkozk. Az egyk az alacsony hőmérsékletű kazánok üzembe állítása a másk a kondenzácós kazántechnka alkalmazása. Ezek esetében a megtakarítás jelentős am nagyrészt a hagyományos kazánokhoz képest csökkentett füstgázhőmérsékletnek részben a készenlét veszteség csökkentésének köszönhető. HMV-előállító rendszeren alkalmazható beavatkozások A használat melegvízellátó rendszereknél a nem megfelelő üzem gyakran bosszúságot okoz amt még az ebből adódó gen jelentős víz- és energaveszteség s tetéz. Ilyen problémák lehetnek ha a meleg víz nem elegendő mennységű nem megfelelő 33

34 hőmérsékletű vételezés rendellenességek jelentkeznek. Ezek elkerülhetőek a megfelelő tervezéssel de főként a jól megválasztott ellátórendszerrel. A szakrodalmakban és a bevett gépészet tervezésekben a HMV-ellátó rendszerek kalakítására több megoldás létezk. Ezen megoldások csoportosítása történhet az ellátás módja (központ vagy egyed) vagy a felhasznált energaforrás (vllamos energa vagy földgáz) szernt. Ezeknek a rendszerkalakításoknak az összehasonlítására a legmegfelelőbb mód az ellátás hatásfokának vzsgálata. A vllamos energával történő HMV-előállítás tűnk a leggazdaságosabbnak ott s az átfolyós mely csaknem 100%-os hatékonyságot mutat. A vllamos energával történő tárolós HMV-előállítás (vllanybojler) az átfolyóshoz képest kedvezőtlenebb mnek oka a tárolás veszteségekben keresendő mely veszteség a nap felhasználás csökkenésével nagyobb értékűvé válk ezáltal csökken az energafelhasználás hatékonysága s. A gázüzemű HMV-előállításnál s érezhető az átfolyós megoldás előnye csak az termelődk meg am felhasználásra kerül. Ez azonban csak egy jól szabályozott átfolyós vízmelegítőnél gaz. A hatékonyság szempontjából középtájon helyezkednek el a gázenergával üzemelő tárolós megoldások. A csökkenő nap felhasználással csökkenő hatékonyság tt s a tárolás veszteségek relatív növekedésének eredménye. Bzonyos méretet meghaladó melegvízhálózat esetén a crkulácós rendszer elengedhetetlen. Ennek célja hogy a csapolókon történő vételezéskor sznte azonnal rendelkezésre álljon a meleg víz. Az épület használatán kívül dőszakban célszerű a crkulácót szüneteltetn mvel az azonnal melegvízgény lyenkor szükségtelen valamnt leállításával hő- és vllamos energa takarítható meg. A crkulácós rendszer üzemeltetés dejét a melegvízhálózatban kerngetett víztérfogat felfűtés dejének és az épület üzemdejének smeretében kell meghatározn. 3.3 Üzemeltetés szervezés javaslatok Egy ntézmény üzemeltetésében számos apró probléma merül fel mely a fgyelmetlenségnek tudható be azonban halmozottan már érezhető pazarlást okoznak. Ezek kküszöbölésére tett javaslatoknak nncs vagy csak mnmáls költségvonzata van így azonnal végrehajthatók. Energaellátás szerződések felülvzsgálata A közüzem szerződések megkötésekor a beépített legmagasabb azaz csúcsfogyasztás után történk a fogyasztó besorolás am döntően befolyásolja mnd az alapdíj mértékét mnd a fogyasztott energafajta egységárát. Ezen szerződések megújítása évente történk az azt megelőző év lekötés adatok módosítása nélkül hacsak a fogyasztó nem nyújt be erre nézve gényt. Sok esetben az évek folyamán történt ksebb üzemvtel szabályozás változtatások vagy rendszerelemekbe történt beavatkozások fokozatosan csökkentették a csúcsgényt mnek következtében meg kell vzsgáln a lekötés csökkenthetőségének lehetőségét. Helységhőmérséklet csökkentése Számos esetben tapasztalható hogy a helységhőmérsékletek a követelményértékeket 1 2 C-kal meghaladják am 6 12% hőfelhasználás-növekményt eredményez. Központ fűtésszabályozás esetén fontos a megfelelő referencahelység kválasztása a helységhőmérséklet-korrekcó matt. 34

35 Helységek funkcónként leválasztása Az épületek egy részénél találhatók olyan helységek melyek az üzemdőn túl s használatban vannak. Ezen helységek kszolgálásánál nncs szükség az egész épület fűtésére így érdemes őket leválasztan a rendszerről így megtakarítva az objektum egészének vagy jelentős részének fűtését. 35

36 4. A FŰTÉSI RENDSZEREK TERMODINAMIKAI MINŐSÉGÉNEK ÉRTÉKELÉSE Az Európa Bzottság kemelt fgyelmet szentel a lakosság energaszükségletének kelégítése által okozott környzetszennyeződés csökkentésének és elhatározta a Tartósan fenntartható energetka európa fórumának létrehozását. A tartósan fenntartható energaellátás alapvető feltételének a fosszls energaforrások lehető legésszerűbb khasználását tartja az energahatékonyság növelése által. Ennek érdekében a tagországokat akcóterv kdolgozására kötelezte. Ez valamféle forgatókönyvnek tartható amely konkretzálja hogy mlyen ntézkedések foganatosítása szükséges az egyes tagországok szntjén az EU által vállalt kötelezettségek teljesítésének támogatására. Az energahatékonyság növelésének vszont áthághatatlan határokat szabnak a termomechanka törvények. Ezenkívül a fosszls alapú energaellátás tartóssága az elméletleg lehetséges legmagasabb hatékonyság esetében s csak évtzedekben mérhető. Valójában tehát a tartósan fenntartható energaellátás érdekében az energahatékonység növelése mellett a fosszls energahordozóknak megújuló energaforrásokkal való helyettesítése szükséges abban az esetben ha az lehetséges és gazdaságosság szempontból elfogadható. Erre a legjobb lehetőség az épületfűtés energagényének kelégítésénél van mvel ebben az esetben a belső és külső hőmérséklet között aránylag ks különbség fenntartása szükséges am fosszls tüzelőanyag elégetése nélkül s aránylag könnyen megoldható. 4.1 A fűtés rendszer termodnamka értelmezése A fűtés rendszer alapvető feladata az épületben az gényelt mkroklímához szükséges környzetnél magasabb hőmérséklet bebztosítása. A hőmérsékletkülönbség következtében az épületből hőveszteségnek nevezett Q hőáram lép k a környezetbe. A termodnamka alaptörvények szernt ez a hőáram két összetevőre bontható éspedg az E Q exergaáramra és B Q anergaáramra (4.1 ábra). Az épületszerkezeten való áthaladás közben rreverzbltás következtében az exerga anergává alakul át. Állandósult üzemmódban a fűtés rendszernek azonos nagyságú és összetételű hőáramot kell az épületbe vezetn ezért ez a rendszer fűtőteljesítményével azonos. Azt az 36

37 egyszerűsített termodnamka értelmezés szernt a következő mérlegegyenlettel lehet kfejezn (4.2 ábra): ahol: Q m H t u Q k Q (4.1) v m t az dőegység alatt elégetett tüzelőanyag mennysége [kg/s]; fűtőértéke [kj/(kg.s)]; hővesztesége [kj]. Q k a környezetből felvett hőáram [kw]; H u a tüzelőanyag Q v a fűtés rendszer T e T T e Q B Q E Q 4.1 ábra: A hőáram exergájának változása anergává az épületszerkezeten való átlépésnél 4.2 ábra: Fűtés rendszer egyszerűsített termdnamka értelmezése A fűtés gény kelégítését szolgáló hőellátás fenntarthatósága szempontjából döntő jelentőségű az elégetett tüzelőanyag mennysége. Ezért a fűtés rendszer termodnamka mnőségét célszerű a tüzelőanyag ll. a tüzelőhő khasználásának hatékonyságával jellemezn pl. az alább összefüggés alapján: Q Q Q k v 1 (4.2) m t H u m t H u m t H u Q k Q v a (4.2) szernt 1 érték adódk. Ezért ez a paraméter Kedvező esetben ha hatásfokként nem jellemezhető. Logkusnak tűnk a fajlagos fűtőhatás elnevezés A 37

38 német nyelvű szakrodalomban használt Hezzahl kfejezés magyar megfelelője nkább a fűtés tényező lenne de nálunk általában gy nevezk a hőszvattyúk COP értékét s. A fűtés rendszer (4.1) egyenlettel kfejezett teljesítménymérlegének az m e t t E E E (4.3) Q k v exergamérleg felel meg ahol: e t a tüzelőanyag fajlagos exergája [kj/kg]; hőáram exergatartalma [kw]; hőáram exergatartalma [kw]. E k a Q k hőáram exergatartalma [kw]; E Q a Q E v a Q v Q hőáram lényegében tszta anerga ezért E 0 A környezetből felvett k k. A fűtés rendszer exergetka hatásfoka ebben az esetben a következő összefüggés szernt fejezhető k: E E Q v 1 (4.4) m tet m tet Tekntettel az smert E Q T e Q 1 T (4.5) összefüggésre a fajlagos fűtőhatást a következő egyenlettel lehet kfejezn: T T T t (4.6) e e H u ahol: T a belső hőmérséklet [K C]; T e külső hőmérséklet [K C]. Reverzíbls fűtés rendszer deáls esetében a tűzelőanyag csak az E Q exergaáram termelésére van felhasználva ezért 1.A (4.6) összefüggés szernt tehát a fajlagos fűtőhatás a T e t rev (4.7) T Te Hu összefüggés értékével van korlátozva. Mvel e t H u 1 04 egy adott belső hőmérséklet mellett ez csak a T e külső hőmérséklet függvénye. Ha pl. T 20 C annak a C ntervallumban való változása esetében rev a 871 és 6094 értékek között változk. 38

39 Mnden valóságos rreverzíbls fűtés rendszer ennél sokkal ksebb fajlagos fűtőhatással és annak megfelelő jóval nagyobb tüzelőanyag-felhasználással működk mert azt nagy exergaveszteség árán alakítják át fűtőteljesítménnyé. 4.2 Hagyományos fűtés rendszerek A hagyományos fűtés rendszerekben a fűtőteljesítmény közvetlenül a tüzelőanyag elégetéséből származk és annak anergája teljes mértékben az rreverzíbls átalakítás. folyamatok terméke. Az (4.1) mérlegegyenletben ebben az esetben Q k 0 és a hatásfokkal azonos fajlagos fűtőhatás értéke nem haladhatja meg az egyet: Q Q 1 1 (4.8) m t H u m t H u A legmagasabb valóságban el nem érhető exergetka hatásfok a (4.6) összefüggés szernt 1 esetében adódk: H u T max 1 (4.9) et T Ennek alapján a hagyományos fűtés rendszerek exergetka hatásfoka nagyon alacsony: +15 C külső hőmérsékletnél 0016 de 15 C-nál s csak Ha ezt összehasonlítjuk pl. egy gáz/gőzerőmű hatásfokával am elvleg azonos az exergetka hatásfokkal (csak vllamos energát termel a tüzelőanyagból am tszta exerga) és megközelíthet a 06-ot nylvánvalóvá válk hogy a földgáznak a legelterjedtebb hagyományos fűtés rendszerekben való felhasználása termodnamka barbárság. Ezekben a rendszerekben a tüzelőanyag exergája a fűtés szezonban csak kb. 5%-ra lenne khasználva még a megvalósíthatatlan veszteségmentes üzemelésnél s. Ez a tény a termodnamka másodk alaptörvényének következménye. A gázkazánok gyártó akkor sem tudnának rajta változtatn ha az energaveszteségeket teljesen kküszöbölnék tehát a termodnamka első alaptörvénye értelmében deáls termékekkel látnák el a pacot. A hagyományos fűtés rendszerekben a fűtőteljesítmény általában valamlyen közeg által van a fűtött helységekbe szállítva. Ezért a fajlagos fűtőhatást célszerű a Q Q f sz f Q m H f t u (4.10) összefüggéssel kfejezn ahol: Q f a hőforrás fűtőteljesítménye [kw]; f a hőforrás hatásfoka; sz a hőszállítás és -elosztás hatásfoka. 39

40 A (4.10) összefüggés folyamatos üzemmód esetében érvényes. Ha a kazán be- és kkapcsolással van szabályozva akkor fgyelembe kell venn a kazán kkapcsolása dején keletkező hőveszteséget pl. a hatásfokkal. A (4.10) összefüggés így a sz f u u (4.11) alakra módosul. A (4.10) és (4.11) egyenletek szernt elérhető fajlagos fűtőhatás értéke általában a tartományban változk de gyakran magasabb értékeket s elér. Ennek ellenére az elérhető exergetka hatásfok nagyon alacsony am a tüzelőanyag ésszerűtlen felhasználásának bzonyítéka. Abban az esetben amkor a tüzelőanyag elégetése közvetlenül a fűtött helységben történk nncs szállítás és elosztás veszteség tehát sz 1 és a fajlagos fűtőhatás értéke a hagyományos fűtés rendszerek kategórájában a legmagasabb lehet. Az előző meggondolások a kondenzácós kazánok esetében s érvényesek ha a fűtőérték helyett az égéshővel számolunk. A hagyományos fűtés rendszer CO 2 kbocsátása által okozott környzetterhelés mértéke egyenesen arányos a tüzelőanyag-fogyasztással és fordítottan a fajlagos fűtőhatás értékével. A fűtéstechnka fejlődése ennek javításának lehetőséget már lényegesen beszűkítette. Jelentősebb eredményt ezen a téren azonos fűtés gény kelégítése mellett már csak a fosszls tüzelőanyagnak megfelelő mnőségű bo-tüzelőanyaggal való helyettesítésével lehet elérn persze ha az égetés mnősége s megfelel a követelményeknek. 4.3 Nem hagyományos fűtés rendszerek A tüzelőanyag ésszerűbb khasználása terén jelentős előrelépést jelentenek a nem hagyományos fűtés rendszerek amelyeknél a fajlagos fűtőhatás általában 1. Ez azokban az esetekben érhető el amkor a fűtőteljesítmény (esetleg annak jelentős része) más energaátalakítás folyamat (leggyakrabban vllamosenerga-termelés) mellékterméke lletve a tüzelőanyag közvetett felhasználása mellett alacsony hőmérsékletű hőforrásból hőszvattyú segítségével van fejlesztve Kapcsolt energatermelésen alapuló fűtés rendszerek Ebbe a kategórába tartoznak azok a rendszerek amelyekben a Q fűtőteljesítmény a vllamosenerga-termelés mellékterméke. Ez a szemlélet az energaátalakítások természetes termodnamka rendjén alapul és azon az gyekezeten hogy a vllamos energa-termelésnél keletkező hulladékhő k legyen használva. A kapcsolt energatermelés alapflozófáját vszont célszerűbb úgy megfogalmazn hogy vllamos energa s legyen termelve ott ahol vszonylag nagy hőgényt pl. fűtés gényt kell kelégíten. Ennek alapján talán helyesebb lenne a vllamos energát jellemezn melléktermékként. 40

41 A kapcsolt energatermelés lényege az hogy a tüzelőanyag exergája nagy részben más fajta exergává vllamos enegává alakul és csak az aránylag ks exergatartalmú hulladékhő van felhasználva a fűtés gény kelégítésére. A termodnamka törvénye nem teszk lehetővé a kapcsolt energatermelés teljes tüzelőanayag-felhasználásának m m egzakt elosztását. Tájékozódó jelleggel m t t Q t P spekulatív módon feltételezhetjük hogy a vllamos teljesítmény fejlesztésénél olyan a tüzelőanyag-fogyasztás mnt egy hatásfokú referenca-erőműben. Eszernt a kapcsolt energatermelésen alapuló fűtés rendszer fajlagos fűtőhatása a Q m H Q Q m H t Q f t Q u f P ref ref sz 1 ref sz f (4.12) egyenlettel fejezhető k ahol: ( Q P) m H a kapcsolt energatermelés mennység f hatásfoka; a fajlagos kapcsolt energatermelés (mnőség jellemző); rendszer hőforrásának fajlagos fűtőhatása. t u f a fűtés A (4.12) egyenlet szernt a kapcsolt energatermelésen alapuló fűtés rendszer fajlagos fűtőhatását ugyan csak közelítően lehet meghatározn de a lehetséges egyet jóval meghaladó értékeket e rendszerek magas energahatékonyságának bzonyítékaként lehet elfogadn. Ez elsősorban annak tulajdonítható hogy a vllamosenerga-termelésnél keletkező anerga nagy része hasznosítva van. Az értékek esetében például a fajlagos fűtőhatás 4 8 lesz. ref sz Mvel a hőtermelésnél elsődleges célok egyke a túlsúlyos földgáz-felhasználás ésszerűen mnmáls szntre való csökkentése az energahatékonyságot célszerű a fajlagos földgázfelhasználás értékével jellemezn. Ezt a hagyományos fűtés rendszerek esetében mnt a kazán hatásfokának fordított értékét értelmezzük tehát a szállítás és elosztás veszteségek fgyelembevétele nélkül. Általános esetben helyesebbnek tűnk ehelyett a g m t H Q u 1 (4.13) defncót használn. Az előző fejezetekben fgyelembe vett értékek mellett a fajlagos földgáz-felhasználás az egyes fűtés rendszereknél a következőképpen alakul: új földgáz-kazán ( 0 9 ): 123 f rég földgáz-kazán ( ): kondenzácós kazán ( 1 05 ): 095 f f kapcsolt hőtermelés ( ): E 41

42 4.3.2 A hőszvattyú alkalmazásán alapuló fűtés rendszer A hőszvattyú alkalmazásán alapuló fűtés rendszereket a fajlagos fűtőhatás lehetséges 1 értéke alapján a nem hagyományos fűtés rendszerek kategórájába lehet soroln. A hőszvattyú fordított termodnamka körfolyamat megvalósítása által egy a környezethez közel hőmérsékleten lévő közegből elvont hőáram felhasználásával egy más közeget (esetünkben a fűtött helységekben lévő levegőt) a kívánt magasabb hőmérsékletre melegít. Ez azt jelent hogy a Q fűtőteljesítmény B Q anergaáramának döntő része a környzetből van merítve. Csak az aránylag ks E Q exergaáram és az anergaáram egy ks része származk tüzelőanyagból pl. földgázból ha a hőszvattyú hajtásához földgáztüzelésű hőerőműben termelt vllamos energa van felhasználva. A hőszvattyú legegyszerűbb és legelterjedtebb megoldása a vllamos meghajtású kompresszoros hőszvattyú. Az ennek felhasználásán alapuló fűtés rendszer fajlagos fűtőhatása a Q m H t u Q Q f Q f P k Pk P m Pm m H t u COP sz f m E sz f (4.14) egyenlettel fejezhető k ahol: P k a mechanka teljesítmény a hőszvattyú kompresszorának tengelyén [kw]; P m a motor által felvett vllamos teljesítmény [kw]; m a motor és tengelykapcsoló hatásfoka; COP f a hőszvattyú fajlagos fűtés tényezője; E a vllamos energa termelésének szállításának és elosztásának hatásfoka. A vllamos meghajtású hőszvattyú alkalmazásának energahatékonyságát általában a vllamos energa termelésének szállításának és elosztásának elég alacsony hatásfoka kedvezőtlenül befolyásolja. Ha vszont földgázalapú vllamosenerga-termeléssel feltételezünk akkor aránylag magas E 0 5 értékkel számolhatunk. Feltételezzük továbbá hogy sz m 0 95 akkor 045.COPf és a hőszvattyú a fűtőteljesítményt hatékonyabban fejleszt mnt a 90%-os hatásfokú kazán ha a fajlagos fűtés tényezője COP 2. Más esetben nagyobb lenne a prmerenerga esetünkben a földgáz f fogyasztása. A fűtés teljesítménytényező COP f értékével a hőszvattyú energahatékonyságát jellemezzük. Ahogy az a (4.14) egyenletből nylvánvaló COP Q f f (4.15) Pk 42

43 A fűtés teljesítménytényező veszteségmentes energaátalakítás folyamatokat feltételező eszmény értékét a termodnamka átlaghőnérsékletek felhasználásával a következő összefügéssel lehet kfejezn: ahol: Tf COPf 0 (4.16) T T f h T f a fűtésre kadott hőteljesítmény termodnamka átlaghőmérséklete [K]; T h a felvett hőteljesítmény termodnamka átlaghőmérséklete [K]. A gyakorlatban a fűtés tényező valós értéke eszmenél jóval ksebb: COP f. COPf 0 (4.17) Ahol a veszteségtényező értékét [7] szernt 0 4 -re vehetjük de nagyobb teljesítményeknél elérhet a 05 értéket. 43

44 5. NEM HAGYOMÁNYOS FŰTÉSI RENDSZEREK ÁLTALÁNOS PROBLÉMÁIRÓL 5.1 Kapcsolt energatermelésen alapuló fűtés rendszer struktúrája megválasztásának néhány szempontja A fajlagos fűtőhatás értéke híven jellemz a fűtés rendszer energahatékonyságát. Annak növelése a tüzelőanyag-fogyasztás és következésképpen a környezetterhelés csökkenésével jár. A nem hagyományos rendszerek amelyek fajlagos fűtőhatása általában meghaladja az 1-et lényegesen tőkegényesebbek mnt a hagyományos fűtés rendszerek. Ennek logkus következménye olyan kompromsszumos megoldások keresése amelyeknél a fűtés rendszer hőforrása egy az alapterhelés fedezésére üzemeltetett nem hagyományos alrendszerből (pl. gázmotoros gázturbnás vagy hőszvattyús egységből) és az aránylag rövd deg tartó csúcsterhelésben üzemelő hagyományos alrendszerből (kazán) tevődk össze. A rendszerstruktúra megválasztásának alapvető problémája a csúcsteljesítmény megosztása ezekre az alrendszerekre. Helytelen megosztása könnyen a fajlagos fűtőhatásnak 1 alá való csökkenéséhez vezethet Kapcsolt energatermelésen alapuló fűtés rendszer energaés költséghatékonysága A kapcsolt energatermelésű egység és kazán kombnácóján alapuló fűtés rendszer fajlagos fűtőhatását a m kz H Q u f sz m t Q H u sz 1 c 1 c kz ref (5.1) összefüggéssel lehet kfejezn ahol: részaránya; c Q th Q a kapcsoltan fejlesztett fűtőteljesítmény f m kz a kazán tüzelőanyag-fogyasztása [kg/s]; kz a kazán hatásfoka. 44

45 A tszta kapcsolt energatermelés esetében c 1 és a (5.1) összefüggés a (4.12)-vel azonos alakra módosul. Ha egy kapcsolt energatermelésű egység a fejezetben feltüntetett paramétetrekkel a csúcsterhelés fedezésére egy kz 0 9 hatásfokú azonos fűtőteljesítményű ( c 0 5 ) kazánnal van kombnálva akkor a fajlagos fűtőhatása 48-ról 138-ra csökken. A kapcsoltan fejlesztett fűtőteljesítmény tovább csökkenése az energahatékonyságot olyan mértékben ronthatja hogy a kapcsolt energatermelés ndokoltsága s vtathatóvá válhat. Ha pl. c 0 2 a fajlagos fűtőhatás re csökken am gyakorlatlag egy jó mnőségű kazánnal s elérhető jóval alacsonyabb beruházás költségek árán. Ennek ellenére a kapcsolt energatermelés a nagyobb év khasználásnak köszönhetően az lyen esetekben s előnyös lehet. Ez az év energamérleg alapján elvégzett gazdaságosság vzsgálat alapján kmutatható A csúcsteljesítmény megosztásának célfüggvénye A fajlagos fűtőhatás csak a fűtés rendszer energahatékonyságának értékelésére alkalmas. Ez gyakran nncs összhangban a gazdaságosság hatékonysággal amt a gyakorlatban általában döntő szempontnak fogadnak el. Ezért a csúcsteljesítmény olyan megosztásának lehetőségét kell keresn amelynél a gazdaságosság követelmények optmálsan vannak teljesítve. A problémát a 5.1 ábra alapján vzsgáljuk mközben célszerű feltételezn hogy a kapcsolt energatermelés hőre vetített bfe fajlagos beruházás költsége és a közvetlen hőtermelés bfm fajlagos beruházás költsége a teljesítménytől független. Továbbá a hőtermeléstől független állandónak tartjuk a fajlagos tüzelőhő-felhasználást és a fajlagos tüzelőköltséget s. Ilyen feltételek esetén és sztatkus gazdaság környezetben dq elementárs hőteljesítmény mellett a kapcsolt energatermelés beruházás többletköltségéből eredő év többletköltségteher dc a ( b b ) dq ab FE FM FE dq (5.2) ahol: a az annutás tényező (vagy a befektetett költség után elvárható év költséghozam aránya) [1/a]. 45

46 5.1 ábra: A csúcshőteljesítmény megosztása kapcsolt és közvetlen hőtermelés között Forrás: [7] Egydejűleg a dq dq kapcsolt hőtermeléssel elérhető év tüzelőköltség-megtakarítás a dc meg k dq k dq (5.3) Qmeg Qmeg összefüggéssel fejezhető k ahol a kapcsolt energatermeléssel elérhető fajlagos tüzelőköltség-megtakarítás k Qmeg k k (5.4) FM QFE A (5.4) egyenletben: k FM a közvetlen hőtermelés fajlagos tüzelőköltsége [Ft/MWh Ft/GJ]; k QFE a kapcsolt energatermelés hőre vetített fajlagos tüzelőköltsége [Ft/MWh Ft/GJ]. A C a a év khasználás dőtartamától független míg a dc meg ezzel arányos. A kapcsolt energatermelés mndaddg előnyös amg érvényes hogy lletve FE dc meg > dc a k > a b FE b ) (5.5) Qmeg FEh cs ( FM A kapcsolt energatermelés Q FEh gazdaságos határát lletve a kapcsolt energatermelés Q / Q gazdaságos beépítés arányt a h a( bfe b k Qmeg FM ) ab k Qmeg FE (5.6) év khasználás dőtartamnál kapjuk. A gyakorlatban a kapcsolt energatermelés képítés mértékét több gazdaság célfüggvény alapján határozhatjuk meg. 46

47 5.2 ábra: A nyereség és az eszközarányos nyereség a kapcsolt energatermelés képítése függvényében Forrás: [7] A befektető szemszögéből a gazdaság célfüggvényt a beruházás költségekre vetített nyereség (az eszközarányos nyereség) maxmuma képez. Vszonylag ks dq hőteljesítmény-növekedés esetében a B beruházás költségre eső a kapcsolt energatermelésből származó eszközarányos nyereség: Ny ny B b FE k Qme bfe g b FE max! (5.7) Az eszközarányos nyereség jelentősen függ az év khasználás dőtartamtól. Az értéke a lényegében egész éven át tartó használat melegvíztermelésnél a legnagyobb és a h év khasználás dőtartam esetében nullára csökken. Ez a célfüggvény azaz a vállalkozó érdek gyakran a kapcsolt energatermelés alulméretezését eredményez és lényegében csak a zsnórterhelésű használat melegvíztermelésre épül k. A másk esetben a tulajdonos (önkormányzat cég stb.) és a fogyasztó szemszögéből a gazdaság célfüggvényt a maxmálsan elérhető nyereségként lehet kfejezn: Ny Q FEh 0 dny ( k Qmeg ab ) dq max. (5.8) FE Ahogy 5.2 ábra mutatja a két célfüggvény szernt maxmum nem esk egybe. A nyereség maxmuma ( Ny max ) jelentősen meghaladja a HMV-termelésre való tervezés esetében a maxmáls eszközarányos nyereségnek megfelelő Ny 0 értéket. A maxmáls nyereség esetében az átlagos eszközarányos nyereség ksebb mnt a maxmáls eszközarányos nyereség. Ebből az s következk hogy a befektető lletve a tulajdonos és a fogyasztó érdeke nem azonos. Olyan beruházás klma kalakítására kell törekedn amely a fogyasztók a tulajdonosok érdekét helyez előtérbe de megfelel a vállalkozók érdekenek s A csúcsteljesítmény megosztásának konkrét esete Az eszközarányos és az összes nyereség alakulását a kapcsolt energatermelés képítés arányának függvényében célszerű egy konkrét esetben megvzsgáln például egy 1 MW csúcsteljesítményű fűtőerőmű tervezésénél. 47

48 A fűtőerőműben a kapcsolt energatermelést 70 kw vllamos teljesítményű és 108 kw hőteljesítményű mkroturbnás (IR Energy Systems 70LM) egységekkel javasoljuk megoldan. Alapvető probléma az eszközarányos és az összes nyereség meghatározása a mkroturbnás egységek számának függvényében. A [7] és [10] alapján a következő belépő adatokat lehet feltételezn: tüzelőanyag hőára: 216 /MWh mkroturbnás egység hőteljesítménye: 0108 MW mkroturbnás egység vllamos teljesítménye: 070 MW mkroturbnás egység kapcsolt energaaránya: 065 mkroturbnás egység mennység hatásfoka: 060 közvetlen hőtermelés hatásfoka: 085 közvetlen vllamosenerga-termelés hatásfoka: 037 közvetlen vllamosenerga-termelés egységköltsége: 82 /MWh fajlagos beruházás többletköltség: /MWh annutás tényező: 016 1/a Kétségtelen hogy kapcsolt energatermelő egységek alkalmazásának gazdaság hatékonysága annál nagyobb mnél nagyobb az év khasználásuk. Eszernt esetünkben a fűtőerőmű kapcsolt energatermelése gazdaság hatékonyságának feltételét úgy s meg lehet fogalmazn hogy a legksebb év khasználású mkroturbnás egységnek s nyereségesen kell üzemelne. Az eszközarányos és a teljes nyereség számszerű alakulását a [7] által leírt módszerrel lehet nyomon követn. A kapcsolt energatermelő egység üzemelése által okozott prmerenerga-megtakarítást célszerű a termelt hőre vonatkoztatn: Gmeg Q GT (5.8) Q GT ahol: G meg a mkroturbnás egység éves üzemeltetésével elérhető prmerenergamegtakarítás [MWh/a]; Q GT a mkroturbnás egység év hőtermelése [MWh/a]. A kapcsolt energatermelés energamérlegéből a (5.8) összefüggéssel meghatározott fajlagos prmerenerga-megtakarítást a következőképpen lehet kfejezn: ahol: Q GT GT 1 KE 1 G GT (5.9) E GT GT a mkroturbnás egység kapcsolt energaaránya KE QGT vllamosenerga-termelés hatásfoka; G GT E Q G GT a közvetlen GT GT - a mkroturbnás egység mennység hatásfoka; E GT a mkroturbnás egység vllamosenerga-termelése [MWh/a]; Q GT a mkroturbnás egység hőtermelése [MWh/a]. 48

49 A (5.8) és (5.9) összefüggések alapján a fajlagos prmerenerga-megtakarítást célszerű az alább képlettel kfejezn: [MWh/a] (5.10) G meg Q GT G GT A gazdaság hatékonyság fontos jellemzője a mkroturbnás egység hőtermelésére vetített fajlagos költségmegtakarítás Cmeg kg meg GT (5.11) Q GT amt [7] a következő összefüggéssel fejez k: k G meg GT k pg GT GT KE [ /MWh Ft/MWh] (5.12) G GT ahol: k KE a közvetlen vllamosenerga-termelés egységköltsége [ /MWh Ft/MWh]; p GGT a tüzelőanyag hőára a hőforrásban [ /MWh Ft/MWh]. Az év költségmegtakarítást az alább összefüggéssel lehet meghatározn: C meg QGT. kq meg GT [ /a Ft/a] (5.13) Ennek segítségével kfejezhetjük a mkroturbnás kapcsolt energatermelő egység által okozott nyereséget s: Ny C a. [ /a Ft/a] (5.14) meg B GT ahol: BGT QGTbGT a mkroturbnás egység beruházás többletköltsége [ Ft]; bgt a mkroturbnás egység hőtermelésre vetített fajlagos beruházás többletköltsége [ /MWh Ft/MWh]; a annutás tényező [1/a]. Az előző összefüggések segítségével meghatározhatjuk a nyereséget s. Ny B GT eszközarányos A felvázolt számítás menet az smert belépő adatok felhasználásával alkalmazható az eszközarányos és a teljes nyereség meghatározására a fűtőerőmű kapcsolt energatermelő alrendszere által termelt hő függvényében. Annak alapján meg lehet választan az alrendszer optmáls beépítendő hőteljesítményét. A probléma megoldása esetünkben a mkroturbnás egységek optmáls számának meghatározására vezethető vssza. A (5.8) kfejezéssel meghatározott célfüggvényt tt úgy lehet értelmezn hogy a beépített mkroturbnás egységek maxmáls nyereséget bebztosító optmáls száma olyan amelyknél a legksebb év khasználással üzemelő egység s növel a nyereséget. A hőteljesítmény év tartamdagrama alapján elméletleg legfeljebb 6 mkroturbnás egység beépítése jöhet számításba. Feltételezzük hogy közülük egy a használa meleg víz készítésére van felhasználva tehát gyakorlatlag egész évben üzemel. Tovább kettő a egész fűtés szezonban k van használva (lásd a 5.3 ábrát). A többt kevesebb év üzemóra-számmal lehetne khasználn ( h). 49

50 p ábra: A beépítendő mkroturbnás kapcsolt energatermelő egységek feltételezett év khasználás ddőtartama Az előző összefüggések a bemenő adatok felhasználásával lehetővé teszk az egyes mkroturbnás egységek üzemelésének eredményet: a ktermelt Q GT hőmennységet a megtakarított prmerenerga G meg mennységét a költségmegtakarítás C meg értékét a teljes nyereség Ny nagyságát az eszközarányos nyereség Ny/B értékét. A számítások eredménye a 5.1 táblázatban vannak összefoglalva. A fűtőerőművek tervezésének gyakorlatában eléggé elterjedt nézet hogy kapcsolt energatermelő alrendszert csak a használat meleg víz készítésére érdemes tervezn. Ebben az esetben csak a befektető érdeke van fgyelembe véve. Az üzemeltető érdeke a kapcsoltan termelt hő mennységének növelése. Mvel ez a prmerenerga-felhasználás csökkenése folytán alacsonyabb környezetterhelést eredményez összhangban van tátsadalm érdekekkel s. 5.1 táblázat: Az egyes mkroturbnákkal elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 065 esetében Az egységek sorszáma τ [h/a] Q GT [MWh/a] G meg [MWh/a] C meg [ /a] Ny [ /a] B [ ] Ny/ B [%/a]

51 Ahogy ez a 5.1 táblázatban összefoglalt eredményekből nylvánvaló esetünkben még a 4. mkroturbnás egység s növelné nem csak a prmerenerga-megtakarítást de a nyereséget s annak ellenére hogy nem üzemelne a teljes fűtés szezonban. Mvel az 5. és 6. mkroturbnás egység már nem nyereséget hanem veszteséget termelne 4 egység beépítése tűnk a legésszerűbbnek. A magasabb eszközarányos nyereség elérése érdekében elfogadható a 3 egység alkalmazásával számoló kompromsszumos megoldás s de a megalapozatlan 1 egység sznvonalára süllyedn nagy hba volna. Ezt az állítást egyértelműen megerősít a mkroturbnás egységek közös üzemeltetésének vzsgálata amelynek eredménye a 5.2 táblázatban vannak összefoglalva. 5.2 táblázat: A mkroturbnák egydejű üzemeltetésével elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 065 esetében Az egységek száma τ [h/rok] Q GT [MWh/rok] G meg [MWh/rok] C meg [ /rok] Ny [ /rok] B [ ] Ny/ B [%/rok] Az egydejűleg üzemelő kapcsolt energatermelő mkroturbnás egységek számával az év hőtermelés és az ezáltal elért prmerenerga- és költségmegtakarítás monotonon nőnek míg a költségarányos nyereség monotonon csökken. Ezzel szemben az összes nyereség az elvárásnak megfelelően a 4 egység közös üzemeltetéség növekszk de 5 lletve 6 egydejűleg üzemelő mkroturbna esetében csökken. Ez a tény a legmeggyőzőbb érv a 4 mkroturbnás egység beépítése érdekében. Érdekesen alakulnak a a mkroturbnás egységek közös üzemeltetésének mutató a 5.2 táblázat szernt. Míg az év nyereség az egységek n = 4 számánál maxmumot ér el és a tovább növelésnél már csökken a prmerenerga és a költségek megtakarítása az egységek számának függvényében folyamatosan nő. A kapcsolt energatermelés energahatékonyságának egyk legfontosabb jellemzője a σ GT kapcsolt energaarány. Ezért célszerű megvzsgáln hogyan befolyásolja ez a paraméter az éves energa- és költséghatékonyság mutatók alakulását. Ennek érdekében a számításokat amelyeknek eredménye a 5.1 és 5.2 táblázatokban vannak rögzítve elvégeztük a σ GT 075 és 085 értékenél s. Az eredményeket a táblázatok foglalják össze. 51

52 5.3 táblázat: A mkroturbnák egydejű üzemeltetésével elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 075 esetében Az egységek száma τ [h/a] Q GT [MWh/a] G meg [MWh/a] C meg [ /a] Ny [ /a] B [ ] Ny/ B [%/a] táblázat: Az egyes mkroturbnákkal elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 075 esetében Az egységek sorszáma τ [h/a] Q GT [MWh/a] G meg [MWh/a] C meg [ /a] Ny [ /a] B [ ] Ny/ B [%/a] táblázat: Az egyes mkroturbnákkal elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 085 esetében Az egységek száma τ [h/a] Q GT [MWh/a] G meg [MWh/a] C meg [ /a] Ny [ /a] B [ ] Ny/ B [%/a] táblázat: Az egyes mkroturbnákkal elérhető év prmerenerga- költségmegtakarítás és a nyereségek σ GT = 085 esetében Az egységek sorszáma τ [h/a] Q GT [MWh/a] G meg [MWh/a] C meg [ /a] Ny [ /a] B [ ] Ny/ B [%/a]

53 A prmerenerga-megtakarítás valamnt a nyereség alakulása a kapcsolt energatermelő egységek számának függvényében a kapcsolt energaarány σ GT = értéke esetében a 5.3 és 5.4 ábrán van szemléltetve ábra: A nyereség alakulása a kapcsolt energatermelő egységek számának függvényében a kapcsolt energaarány és 065 értékenél A kapcsolt energaaránynak az energa- és költséghatékonyság alakulására gyakorolt hatása vzsgálatából nylvánvaló hogy annak növelése esetében nő a prmerenerga- és költségmegtakarítás; a mkroturbnák optmáls száma nem változk; ha esetleg attól több egység lenne üzemeltetve az általuk produkált veszteség a kapcsolt energaarány növekedésével arányosan növekedne. Megjegyzés A számításokhoz szükséges adatok meghatározásánál egy konkrét mkroturbnás kapcsolt energatermelő egység (70 kw vllamos teljesítményű és 108 kw hőteljesítményű IR Energy Systems 70LM) használatát feltételeztük. Ebben az esetben a kapcsolt energaarány σ GT = 065. A tárgylagosság kedvéért meg kell jegyezn hogy 53

54 075 és 085 értékeket ugyanazzal az egységgel nem lehet elérn csak más nagyobb teljesítményű mkroturbnás de nkább más típusú pl. gázmotoros egységgel amelynek a több paramétere s különböznének. Nylvánvaló tehát hogy ezt fgyelembe véve a σ GT = esetében kcst más értékeket kapnánk mnt amlyenek a táblázatokban találhatók de nylvánvaló hogy az alakulásuk tendencája nem változna. 5.2 Hőszvattyú alkalmazásán alapuló fűtés rendszerek energaés költséghatékonysága Hőszvattyú mnt az alacsony hőmérsékletű hőforrások hasznosításának eszköze A hőszvattyú elve James Joule és Wlam Thomson (Lord Kelvn) angol tudósok munká nyomán már a 19. században smert volt de az első par hőszvattyú csak 1938-ban valósult meg az osztrák Peter Rtter von Rttnger tevékenysége eredményeként. Magyarország szempontjából örvendetes tény hogy a kompresszoros hőszvattyúzás technológájának fejlesztésében maradandó érdemeket szerzett Heller László s. Mvel a kmeríthetetlen alacsony hőmérsékletű természet hőforrások hőellátásra való hasznosítását csak hőszvattyúzás által lehet megvalósítan e technológa ránt főleg a 70-es évek olajválsága következtében nőtt meg jelentősen az érdeklődés. A hőszvattyúzás termodnamka jellegéből kfolyólag ez a technológa azokban az országokban terjedt el legnkább amelyekben a vllamos energa jelentős hányada vízerőművekben magas hatásfokkal van termelve és a földgázalapú hőellátás a kterjedt hálózat hánya következtében nem jelentős (Svédország Norvéga Svájc Németország Ausztra). Magyarországon hasonlóan mnt a több V4 tagállamban a hőszvattyúzás technológájának versenyképessége jóval alacsonyabb mert a földgáz túlsúlyos a lakosság hőellátásban a vllamos energa jelentős része hőerőművekben aránylag alacsony hatásfokkal van termelve de főleg azért mert támogatás nélkül azt valójában csak a lakosság egy szűk rétege engedhet meg magának például azok akk a gépkocsvásárlásnál előnyben részesít(het)k a BMW Mercedes vagy Aud márkát annak ellenére hogy a jóval olcsóbb Skoda Daca vagy Ka s tökéletesen megfelelne nekk. A hőszvattyúk gyártása és forgalmazása hőszvattyú alkalmazásán alapuló fűtés rendszerek tervezése és kvtelezése már sok fejlettebb országban jól jövedelmező üzletággá vált. Hasonló fejlődés reményében a hőszvattyúzás technológája már nálunk s aránylag masszív marketng támogatásban részesül. Ebben gyakran nem elég pontos vagy akár félrevezető érvek s fel vannak használva. A hőszvattyút gyakran úgy knálják a nem eléggé tájékozott potencáls felhasználónak mnt valamlyen perpetuum moblet amely 1 k kwh energa felhasználásával 3-4 kwh-t képes termeln. Ez lényegében gaz de az lenne a helyes ha hozzáfűznék hogy a felhasznált 1 kwh vllamos energa am a legnemesebb végenerga tszta exerga és a termelt 3-4 kwh jóval értéktelenebb alacsony hőmérsékletű hő tehát nagyon ks exergatartalmú energa. A gyártók terméksmertetőben s gyakran találkozunk azzal az érvvel hogy akár o C hőmérsékletű külső levegőből s tudnak hőt termeln a fűtés gények fedezésére. Ez ugyan lényegében gaz de félrevezető nformácó mert az lyen körülmények között az energahatékonyságuk annyra lecsökken hogy üzemeltetésük teljesen ésszerűtlenné válk. 54

55 A hőszvattyúzást támogató meggondolatlan érvelések terén legtovább talán egy a Szlovák Műszak Egyetemen tevékenykedő magát szaktekntélynek tartó professzor ment el ak felháborodva krtzálta a kormány döntését a napkollektorok telepítésének támogatásáról mert a hőszvattyúzás technológája lyen támogatásban nem részesül. Egy a TZB szakfolyóratban (a Magyar Épületgépészet szlováka megfelelője) közölt ckkében kfejtette véleményét mszernt a hőszvattyú hatékonyabban hasznosítja a napenergát mnt a napkollektor. Elsősorban meg kell jegyezn hogy egymástól lényegesen különböző hőtermelés technológákról van szó amelyeket nehéz objektíven összehasonlítan. Termodnamka értelmezésben a napkollektor hőtermelése spontán folyamat amelynél a hő magasabb hőmérséklet szntről magától áramlk az alacsonyabb hőmérséklet szntre. Ezzel szemben a hőszvattyús hőtermelés esetében a hőt egy alacsonyabb hőmérséklet szntről kell magasab hőmérséklet szntre emeln amhez fordított termodnamka körfolyamatot kell megvalósítan gényesebb berendezés alkalmazásával és jelentős energafelhasználás árán. A napkollektorokban kedvező dőjárás vszonyoknál a hőszállító munkaközeg a napsugárzás hatására o C hőmérsékletre könnyen felmelegszk és egy kerngtetőszvattyú segítségével aránylag alacsony segédenerga felhasználásával elszállítható a fogyasztókhoz. Ezzel szemben a hőszvattyú esetében a nap sugárzó energája tárolódk a természetes környezetben (felszín vzek talajvíz talaj levegő) mnt alacsony hőmérsékletű hő. Ezt a hőt emeljük a hőszvattyú segítségével a megfelelő hőmérsékletre többnyre o C-ról. Az a tény hogy a napenerga tárolt formáját használja k a hőszvattyús hőtermelésnek a napkollektorral szemben előnye mert kevésbé függ az dőjárás és éghajlat vszonyoktól valamnt a nappalok és éjszakák váltakozásától de energahatékonyabb hőtermelőnek semmképp sem lehet nevezn. A kompresszoros hőszvattyú működésének közsmert elvét a 4.8 ábra szemléltet. A hőszvattyúzás egy specáls munkaközeg zárt körben való kerngetése által valósul meg amely a hdeg oldalon az 1 párologtatóban ks nyomásnál felvesz az alacsony hőmérsékletű hőforrásból származó hőt az azt szállító munkaközegtől. Ez gyakran valamlyen fagyálló folyadék amely az elvont párolgás hőnek megfelelő mértékben lehűl. A gőz-halmazállapotú munkaközeget a 2 kompreszor a 3 kondenzátorba szállítja ahol nagyobb nyomásnál és az annak megfelelő magasabb hőmérsékleten lecsapódk. A kondenzhőt a fűtőkörben kerngtetett fűtővíz szállítja a fogyasztó rendszerbe ahol azt a hőfogyasztókban leadja. Az épületek hőellátása esetében a hőfogyasztók különböző fűtőtestek vagy hőtárolók. A lecsapódás után a kondenzátorból távozó folyékony munkaközeg nyomása a 4 expanzós szeleppel a párologtatóban uralkodó értékre van fojtva. Következésképpen ks része elpárolog gy a párologtatóba nedves gőz állapotában kerül. 55

56 5.5 ábra: A kompresszoros hőszvattyú működés elvének llusztrácója 1 párologtató 2 kompresszor 3 kondenzátor 4 expanzós szelep Forrás: [38] A hőszvattyúzás legsmertebb alkalmazása A hőszvattyúk gyakorlat alkalmazása legnkább a rendelkezésre álló alacsony hőmérsékletű hőforrás jellegétől és a hőelvonás módjától függ. Az épület hőgények kelégítésénél mnt hőforrás a talaj jön számításba mert a megfelelő mélységben a talajban tárolt napenerga aránylag állandó hőmérsékleten gyakorlatlag bárhol napszaktól és évszaktól sznte függetlenül rendelkezésre áll. A talajhő hasznosításának nagy előnye hogy nem korlátozza bonyolult engedélyeztetés eljárás. A talajhő elvonásának módja szernt kétféle rendszert különböztetünk meg: Talajkollektoros rendszer (5.6 ábra) A talajkollektor egy horzontáls kalakítású csőkígyó. Előnye hogy nem gényel nagy mélységet (az éghajlat vszonyok függvényében általában 15 2 m mélységbe van süllyesztve) hátránya vszont hogy vszonylag nagy területet kell bztosítan a talajba helyezett kollektornak. A knyerhető energa folyamatos és egy teljesen automatkus rendszer építhető k vele. 56

57 5.6 ábra: Hőszvattyús fűtés rendszer talajkollektoros változatának elve Forrás: [34] Talajszondás rendszer (4.7 ábra) A talajkollektoros rendszerhez vszonyítva nagy előnye hogy jóval ksebb a terület génye. Hátránya vszont hogy a Bányakaptányság engedélyével kezdhető csak el a kútfúrás melyben elhelyezk a szondákat. A talajszondák m mélységg érnek. Ebből nylvánvaló hogy ezek nkább már a geotermkus energát hasznosítják csak ksebb mértékben a talajban tárolt napenergát. Átlagosan véve a hőszvattyúval összekapcsolt talajszonda méterenként 30 és 70 W között hőteljesítményt képes fejleszten. Az elhelyezett szondákban egy szvattyú specáls folyadékot kerngtet mely felvesz a földhőt átadja a hőszvattyúnak és lehűlve vsszajut a melegebb talajrétegbe ahol újra fölmelegszk földhő felvétele következtében. 5.7 ábra: Hőszvattyús fűtés rendszer talajszondás változatának elve Forrás: [35] 57

58 Az építkezés helyszínén ez a kalakítás többnyre könnyen megoldható és hasonlóan mnt a talajkollektoros rendszer esetében tt s folyamatos a knyerhető energa és teljesen automatzálható a rendszer. A talajban tárolt napenerga a talajhő a talajvíz közvetítésével s könnyen knyerhető. A talajvíz hőmérséklete az év folyamán általában 7 12 o C között változk tehát gyakorlatlag állandónak teknthető. Azért a hőszvattyú alkalmazásán alapuló hőellátás szempontjából nagyon előnyös hőforrásnak számít. A hőszvattyús fűtés rendszer talajvzes klasszkus változatának elve a 5.8 ábrán van szemléltetve. A talajvíz a termelőkútból egy búvárszvattyú segítségével van a hőszvattyúba szállítva ahol a párologtatóban lehűl mközben leadja a szállított hő nagy részét. A lehűlt talajvíz egy nyelőkútba van vezetve esetleg patakba vagy folyóba. A talajvíz hője hőszvattyú segítségével az épület hőgények kelégítésére hatékonyan felhasználható. Hátránya hogy a kutak meglehetősen költséges fúrásához a vízügy hatóságok engedélye szükséges. A talajvíz hőjének hőszvattyúzással való hasznosítása különösen akkor lehet ésszerű ha már létező kutak vzének felhasználásán alapul. Erre jó lehetőség kínálkozk mvel sok településen a vízellátás központosítása után az addg vízellátásra szolgáló kutak fölöslegessé váltak és már csak öntözésre használják őket esetleg az esővíz evezetésére s. Ezeknek a kutaknak a vzét sok esetben föl lehetne használn mnt hőforrást hőszvattyús fűtőrendszerek létesítéséhez amelyekkel csökkenthető lenne a hőellátásnak földgáztól való függősége. 5.8 ábra: Hőszvattyús fűtés rendszer talajvzes változatának elve Forrás: [36] Az épület hőgények kelégítésére a külső levegőben tárolt napenergát lehet hőszvattyú segítségével a legegyszerűbben khasználn. Ezzel szemben a külső levegőnek mnt alacsony hőmérsékletű hőforrásnak nagy hátránya hogy a hőmérséklete széles határok között változk. Emellett a legalacsonyabb külső hőmérsékleteknél amkor a fűtés hőgény a legnagyobb a hőszvattyúzást csak nagyon alacsony energahatékonysággal lehet megvalósítan. 58

59 Hőszvattyús fűtés rendszer külső levegős változatának elve a 5.9 ábrán van szemléltetve. A külső levegőt ventlátor szállítja a hőszvattyú elpárologtatójába ahol lehűl mközben leadja hőenergája nagy részét a hőszvattyú munkaközegének. A lehűlt levegő vsszaáramlk a külső környezetbe. 5.9 ábra: Hőszvattyús fűtés rendszer külső levegős változatának elve Forrás: [37] A hőmérséklet-ngadozás matt a külső levegő a hőszvattyú számára sokkal megbízhatatlanabb hőforrás mnt a talaj lletve a talajvíz. Jobb megoldásnak számíthat a pnce lletve egyéb vermek belső levegőjében tárolt hőjének a felhasználása. A helységből elvezetett elhasznált levegőből a hőcserélő által megvalósított közvetlen hővsszanyerés után s sokszor hatékonyabban lehet hőszvattyúval fűtés gény fedezésére alkalmas hőt termeln. A külső levegő hőjét a leghatékonyabban úgy hasznosíthatjuk hogy hőszvattyú kompresszorát vllanymotor helyett gázmotorral hajtjuk mközben annak hulladékhője a ventlátor által beszívott külső levegőt felmelegít. Ezáltal lényegesen javulhat a hőszvattyúzás és a földgáz felhasználásának energahatékonysága. Ks pontatlansággal a külső levegőben tárolt hő ésszerűbb khasználását lehet megvalósítan masszív abszorber alkalmazásával (5.10 ábra). Ennek lényege hogy műanyag csőkígyót helyeznek el föld alatt vagy föld felett tégla- vagy betonfalban. A beton nagy hőtároló- és hővezetőképessége matt hasonlóan működk mnt a talaj a talajkollektoros rendszereknél. Közvetlenül hasznosítja a napsugarzás valamnt a levegő és az esővíz hőjét s. 59

60 5.10 ábra: Masszív abszorber alkalmazásán alapuló hőszvattyús fűtés rendszer elve Forrás: [38] Ez a kalakítás mód nagy felületeket gényel és ezért az alkalmazás lehetősége nagyon korlátozottak Hőszvattyú alkalmazásán alapuló hőellátás versenyképessége az energahatékonyság szempontjából A hőszvattyúzásnak az előző fejezetben vázolt klasszkus esetenél a környezet hő aránylag alacsony hőmérsékleten áll rendelkezésre amely többnyre nem haladja meg a o C-ot. A leírt alkalmazások közül a legmagasabb energahatékonyság a talajvzes rendszernél érhető el. Ez a költséghatékonyságban legnkább akkor nylvánul meg ha már létező kutak vzének hőjét hasznosítjuk. A hőellátás más módjaval való összehasonlítása szempontjából célszerű az lyen rendszert venn alapul és maxmáls 15 o C-os talajvízhőmérsékletet feltételezn. A (4.16) és (4.17) szernt nylvánvaló hogy a hőszvattyúzás energahatékonyságát jellemző fűtés tényező értéke legnkább a rendelkezésre álló hőforrás hőmérsékletétől függ. Ezért a hőszvattyúzás következő két alapvető lehetőségét célszerű megvzsgáln: a) a 30 C hőmérsékleten rendelkezésre álló hőhordozó közeg 5 C-ra való lehűtésével nyert hőteljesítmény khasználása pl. a már energetkalag közvetlenül hasznosított termálvíz továbbhűtése vagy hulladékhő-hasznosítás esetében. b) a 15 C körül hőmérsékletnél rendelkezésre álló hőhordozó 5 C-ra való lehűtésével nyert hőteljesítmény khasználása. 60

61 Mndkét esetben az alacsony hőmérsékletű fűtés rendszer működéséhez szükséges fűtővíz 35 C-ról 45 C-ra való melegítésével számolunk. A hőközlés termodnamka átlaghőmérsékletet a T T T n k (5.15) Tn ln T k összefüggés szernt lehet meghatározn ahol: T n a nagyobb és T k hőmérsékletet jelent [K]. a ksebb Eszernt a következő értékeket kapjuk: a fűtőteljesítmény leadása: T K (= 443 C) f a földhőteljesítmény felvétele: Th 2907 K (= 175 C) a fűtőteljesítmény leadása: T K (= 443 C) f a földhőteljesítmény felvétele: Th 282 K (= 93 C). A termodnamka középhőmérséklet fent értéke felhasználásával a hőszvattyúzás vzsgált esetere a (4.16) és (4.17) összefüggések alapján meg lehet határozn az eszmény és valós fűtés teljesítménytényezők értéket majd a (4.13) és (4.14) szernt a fajlagos fűtőhatás és a fajlagos földgáz-felhasználás értéket. Ezek az energetka jellemzők az 5.7 táblázatban vannak összefoglalva. 5.7 táblázat: A hőszvattyúzás vzsgált eljárásanak energetka jellemző Hőszvattyúzás eljárása 30 C-ról 5 C-ra való hűtés 15 C-ról 5 C-ra való hűtés Eszmény fűtés teljesítménytényező COP f 0 Valós fűtés teljesítménytényező COP f Fajlagos fűtőhatás Forrás: [7] Fajlagos földgázfelhasználás g Az 5.7 táblázat adataból nylvánvaló hogy a hőforrás 30 o C hőmérsékleténél a 15 o C-hoz vszonyítva még akkor s 30%-ot meghaladó javulás várható az energahatékonyságban ha csak egyszerű pontosabban egyfokozatú hőszvattyúzást veszünk fgyelembe. A többfokozatú hőszvattyúzás esetében vszont az energahatékonyság lényegesen növekedhet. A fűtés hő termelésének eljárásat az energetka hatékonyság szempontjából legcélszerűbb a fajlagos földgázfelhasználással jellemezn. Ennek tájékoztató értéket a 5.8 táblázatban foglaltuk össze. Az adatokból nylvánvaló hogy a földgázfelhasználás szempontjából legelőnyösebb a termálvíz közvetlen energetka hasznosítása. Annak 61

62 ellenére hogy a vllamos meghajtású hőszvattyús hőtermelés lényegében a vllamos hőtermelés jóval hatékonyabb de egyben magasabb beruházás költségeket génylő változata szntén hatékony eszköze lehet a földgázfelhasználás csökkentésének annál s nkább hogy a földgázalapú vllamosenerga-termelés részaránya aránylag kcs. Nylvánvaló az s hogy a földgázalapú hőtermelésen belül a kapcsolt hőtermelés előnybe részesítésével jelentős földgáz-megtakarítást lehet elérn a hagyományos fűtés rendszerekhez vszonyítva. 5.8 táblázat: Különböző hőtermelés eljárások fajlagos földgázfelhasználásának tájékoztató értéke Hőellátás rendszere Hőellátás alrendszere Fajlagos földgázfelhasználás Fosszls hőtermelés alapú Termálvíz közvetlen hőhasznosítása Hőszvattyús közvetett hőtermelés földgázkazán új - rég kondenzácós kazán kapcsolt hőtermelés normál fűtőrendszerek alacsony hőmérsékletű fűtőrendszerek termálvíz továbbhűtése 30 C / 5 C talajvíz hűtése 15 C / 5 C Forrás: [7] Fűtés és hűtés gények újszerű kapcsolt kelégítése a geotermkus energa hasznosításánál A globáls felmelegedés ténye mérésekkel elég meggyőzően bzonyított de az általánosan elfogadott hpotézst amely szernt ebben az ember tevékenységnek döntő szerepe van sokan köztük több jeles szaktekntély s megkérdőjelez. Vtathatatlan vszont hogy ez a folyamat a fűtés gények csökkenése mellett a hűtés gények növekedését déz elő. Ezért fokozott fgyelmet kell szenteln az épületek hdegenergával való ellátásának s. A 120 C körül hőmérsékletnél rendelkezésre álló termálvzet a fűtés dényben való közvetlen hőtermelés után a nyár dőszakban aránylag hetékonyan fel lehet használn hdegenerga-termelésre s abszorpcós hűtőberendezések segítségével. Ebben az esetben gondot okoznak az aránylag magas beruházás költségek és hdegenerga szállításával összefüggő problémák. Hűtőenerga-termelésre adszorpcós hűtőberendezések segítségével felhasználhatjuk a gyakrabban előforduló C hőmérsékletű termálvzet vagy az ennek megfelelő napenergát s amely a nyár dőszakban bőségesen rendelkezésre áll de ezek beruházás költsége még magasabbak. Mvel az abszorpcós és adszorpcós hűtőgépek egyaránt alacsony hűtés tényezővel működnek a hűtés energa mellett jelentős mennységű hulladékhőt s termelnek. Ha ennek hasznosítását csak részben vagy egyáltalán nem lehet megoldan (a nyár dőszakban ez gyakran előfordulhat) akkor azt a könyezetbe kell elvezetn am szntén költséggényes és ráadásul jelentős hőterheléssel jár. A hőszvattyúzás technológájának megvalósítására döntő mértékben a hűtőközeg mechankus kompresszóján alapuló hőszvattyúkat használnak. A működésük elvéből 62

63 következk hogy az elpárologtató oldalán hűtés és a kondenzátor oldalán fűtés teljesítményt fejlesztenek. Ezért elméletleg egész éven üzemeltethetők: a fűtés dényben fűtés nyáron pedg hűtés üzemmódban. Az lyen célú alkalmazásuk egyre gyakorbb. Az egész év khasználás lehetősége ugyan kedvező de hátrányuk hogy nyáron a fűtőteljesítmény és télen a hűtőteljesítmény nncs khasználva. A hőszvattyú energahatékonyságát a fűtés üzemmódban a (4.16) és (4.17) egyenletekkel meghatározott fűtés tényezővel lehet jellemezn. A hűtés üzemmód hatékonysága az Q h COPh P T f Th T h COP f 1 (5.16) összefüggéssel meghatározható valós hűtés teljesítménytényzővel értékelhetjük. A hűtés tehát kevésbbé hatékony. Ezenfelül gondot okoz a hulladékhő elvezetése. Ezért a rendszert úgy kellene tervezn hogy azt hasznosítan lehessen pl. a használat meleg víz gényének kelégítésére vagy fürdőmedence vzének melegítésére. Erre csak aránylag rtka esetben van szükség ezért ndokolt foglalkozn a hőszvattyú olyan alkalmazásával amely lehetővé tesz a fűtés és hűtés gények kapcsolt kelégítését. Jó példa erre a 5.11 ábrán szemléltetett koncepcó amely szernt ez a probléma a geotermkus energahasznosításnál újszerűen megvalósítható ábra: A fűtés és hűtés gény kapcsolt kelégítésének elv sémája a geotermkus energa hasznosításánál Ebben az esetben feltételezzük hogy a geotermkus energa 120 C körül hőmérséklettel áll rendelkezésre. Ha nncs lehetőség távhőellátó rendszerbe való betáplálásra akkor a felhasználás első fokozatában célszerű lehet a földhő-alapú vllamosenerga-termelés ORC technológa alkalmazásával. A másodk fokozatban a C hőmérsékletű termálvíz jól hasznosítható hagyományos fűtés rendszerekben kb. 40 C-g. A harmadk fokozatben 40 és 30 C között felhasználható alacsony hőmérsékletű fűtés rendszer közvetlen táplálására. A negyedk fokozatban a kb. 30 C-os termálvíz hatékonyan 63

64 felhasználható alacsony hőmérsékletű fűtés rendszerben hőszvattyú alkalmazásával. Ez csak a fűtés szezonban üzemelne és a fűtés gény kelégítése mellett az egydejűleg termelt hdegenerga egy szezonáls tárolóban lehetne tárolva. Ebben az esetben ajánlatos a termálvzet mnél jobban lehűten pl. 5 C körül hőmérsékletre. Ezzel a termelt hő és hdegenerga egyaránt növelhető. Ennek a megoldásnak van még egy vtathatatlan előnye. A termálvíz alacsony hőmérsékletre való lehűtése am a földhőforrás élettartamát lerövdít ellensúlyozva van azzal hogy a szezonáls hdegenerga-tároló kmerítésekor a fűtés szezonban a termálvíz a vsszasajtolás előtt vsszamelegíthető 20 C körül hőmérsékletre. Ez azt s jelent hogy nyáron a hűtött helységekből elvezetett hő nem a külső környezetet terhel hanem a tárolóba van betáplálva majd onnan a fűtés szezonban a termálvzzel a nyelőkúton keresztül jut a föld mélyébe. A hőszvattyú hűtő- és fűtőteljesítményének egydejű khasználása az energahatékonyság növeléséhez nagymértékben hozzájárulhat. Ezt egyértelműen bzonyítja a valós összevont teljesítménytényező amt az alább összefüggéssel lehet meghatározn: Q f Q h Tf T h COP f h COPf COPh (5.17) P Tf Th Tf T h Ilyen üzemmód csak rtkán fordulhat elő. Gyakorbb esetben a ktermelt hő vagy hdegenerga dőben eltolódva kerülhet felhasználásra. Ilyenkor merülnek fel a tárolás problémák amelyek természetesen veszteséggel járnak. Főleg lyen esetekben de általában s a hőszvattyú alkalmazásának hatékonyságát célszerűbb az év energaarány (Seasonal Performance Factor) értékével jellemezn: ahol: f Q f hqh SPFf h (5.18) E Q Q a hőszvattyú által egy év alatt termelt hő- és hdegenerga [MWh/a]; f h f h a hő- és hdegenerga veszteség tényező; E a hőszvattyúzás év vllamosenegafelhasználása [MWh/a]. Az épület fűtés és hűtés gények kapcsolt kelégítésének megvalósítását a geotermkus hőhasznosításnál de általában s kedvezően befolyásolja ha fűtés és hűtés hő ugyanazon berendezések közvetítésével kerül a fűtött/hűtött helységbe (fan col mennyezet vagy fal- fűtés/hűtés). A felvázolt koncepcó előnyösen alkalmazható a szolárs távfűtő rendszerekben s (Solar Dstrct Heatng SDH). A fűtés és hűtés hőgényeknek a hőszvattyú és szezonáls hőtároló együttműködésén alapuló kapcsolt kelégítése ezen rendszerek új generácójához vezet (Solar Dstrct Heatng/Coolng). 64

65 6. TÖBBFOKOZATÚ HŐSZIVATTYÚZÁS A hőszvattyú fűtés tényezőjének defnícója és az előző fejezetben közölt összehasonlító elemzés eredménye alapján nylvánvaló hogy a hőszvattyúzás energahatékonysága annál magasabb mnél ksebb a hőfelvétel és a hőleadás között hőmérsékletkülönbség. A hőszvattyúzás technológájának alkalmazásánál tehát törekedn kell a lehető legmagasabb hőmérsékletű hőforrás használatára a lehetőleg alacsony hőmérsékletű fűtés rendszer hőellátásánál. A gyakorlatban C-ra tehető az épületek fűtésénél már közvetlenül nem hasznosítható hőforrás hőmérséklete. Nylvánvaló hogy az lyen hőforrások felhasználásánál lehet a leghatékonyabban megvalósítan a hőszvattyúzás technológáját. Ilyen magas hőmérsékletnél a következő hőforrások állhatnak rendelkezésre: közvetlenül energetkalag tovább nem hasznosítható termálvíz par hulladékhőtárolók közvetlenül tovább nem hasznosítható maradékhője. A hőszvattyúzás legsmertebb alkalmazásaknál a hőforrás hőmérséklete csak rtkán haladja meg a 12 C-ot. Erről e hőmérsékletről a hőhordoző közeg egy fokozatban (egy párologtatóban) van 5 C körül hőmérsékletre lehűtve. Ez elméletleg lehetséges a magasabbb C-nál rendelkezésre álló hőforrások esetében s mközben a fűtés tényező magasabb értékét lehet elérn. Az energahatékonyság tovább növelése érdekében vszont célszerű megfontoln a több fokozatban való lehűtés lehetőségét. A többfokozatú hőszvattyúzás technológájának tervezésénél körültekntőbben kell eljárn mnt a hagyományos egy fokozatban megvalósított hőszvattyúzás alkalmazásánál mert általában jóval nagyobb teljesítmények jönnek számításba amelyeknél az energa- és költséghatékonyságra támasztott elvárások szgorúbbak. Általában konkrét üzemeltetés körülményekre tervezk de gyakran sorozatban gyártott egyfokozatú hőszvattyúk sorbakapcsolásával s meg lehet valósítan. Az első esetben a tervezéssel összefüggő problémák megoldásánál eredményesen fel lehet használn a matematka modellezés eszközet. 65

66 6.1 A hőszvattyú állandósult üzeme matematka modellezésének termodnamka szempontja A geotermkus energa vagy a hőtároló maradék hője khasználásának mértékét a hőszvattyú helyes alkalmazásával bzonyos határokon belül aránylag pontosan meghatározhatjuk. A mnőség mutatók mnt például az energahatékonyság és a gazdaságosság alakulása már távolról sem lyen egyértelmű. A geotermkus energával támogatott távhőellátás esetében például előfordulhat hogy a közvetlenül és a hőszvattyú által termelt fűtés hő kapcsoltan termelt hővel van kombnálva. Ha a megújuló energaforrások részaránya növelésének gényétől sarkallva a geotermkus energa hasznosításának mértékét a technka lehetőségeket maxmálsan khasználva növelnénk a kapcsolt energatermelésű erőmű üzemeltetése vszonylagosan gazdaságtalan lehetne még akkor s ha magának a hőszvattyú üzemének hatékonyság vzsgálata jó eredményekkel kecsegtetne. Ezért a geotermkus energa hasznosításának módjáról és mértékéről a földgáz és a földhő egydejű khasználásának alapos vzsgálata alapján kellene dönten. Egy lyen elemzés választ adhat többek között arra a kérdésre s hogy a földhőhasznosítás mértékének hőszvattyú által növelése mlyen alternatív koncepcó alapján lenne előnyösebb lletve hogy az egyáltalán megalapozott-e. Kétségtelen hogy az lyen vzsgálat elvégzése jelentősen megkönnyíthető egy megfelelő szoftver-csomag felhasználásával. Ennek egyk önálló modulját a hőszvattyú-alkalmazás átfogó vzsgálatának megoldására lehet kdolgozn. Ehhez a hőszvattyú állandósult üzemállapotanak matematka modellezése útján lehet eljutn. A beruházó lletve üzemeltető természetes elvárásanak megfelelően a hőszvattyú matematka modelljének lehetővé kellene tenne elsősorban az év üzemeltetés energamérlegének és gazdaságosság mutatónak meghatározását. Ehhez elengedhetetlenül szükséges a hőszvattyú állandósult üzemállapotanak modellezése amely lehetővé tesz a teljesítménymérleg meghatározását a környezet hőmérséklet függvényében. Esetünkben tehát a hőszvattyú modelljét sztatkusan kell értelmezn. Az egyes üzemállapotok jellemző az dőtől függetlenek lletve ez a függőség csak abban nylvánul meg hogy az év folyamán az dővel változk a környezet hőmérséklet am befolyásolja a hőszvattyú teljesítménymérlegét. Ez azt jelent hogy az állandósult üzemállapotok jellemzőnek meghatározására elegendő az egyensúly termodnamka törvényenek alkalmazása. Az egyes állapotok között aránylag rövd deg tartó átmenet jellemzőnek változását az dő függvényében nem szükséges vzsgáln. Ez mndenképpen kedvező tény mert elkerülhető a nem egyensúly termodnamka sokkal bonyolultabb elméletének alkalmazása am a hőszvattyú aránylag egyszerű sztatkus matematka modelljét lényegesen bonyolultabbá tenné. A hőszvattyúban végbemenő (az állandósult üzemállapotoknak megfelelő) energaátalakítás folyamatok matematka leírása a gyakorlatban többnyre az entalpaszemlélet alkalmazásán alapul a termodnamka első főtétele értelmében. Ennek hátránya hogy az energaátalakítás rreverzbltásaból eredő veszteségeket nem érzékel lletve közvetlenül nem fejez k az energaátalakítás hatásfokát befolyásoló tényezők szerepét közvetlenül nem mutatja k 66

67 nem érzékeltet közvetlenül hogy a munkavégzés szempontjából mlyen értékű a körfolyamatban áramló hő tehát nem tájékoztat a termodnamka másodk főtételének érvényesüléséről. Az entalpaszemlélet hányosságanak kküszöbölésére rányuló gyekezet vezetett a hő munkavégző képességét kfejező exerga fogalmának bevezetéséhez. Az exergaszemlélet előnye hogy az energaátalakítás rreverzbltásból eredő és mennység jellegű veszteséget egyaránt érzékel azokat helyleg és számszerűleg helyesen fejez k a hő értékét a munkává való átalakítás szempontjából tökéletesen a termodnamka törvényeknek megfelelően adja meg. Hátránya vszont hogy a hőt mereven csak a munkává való átalakítás szempontjából értékel. Ez a kzárólag vllamos energát termelő erőműben teljesen jogos és hőszolgáltatás esetében s célszerű lehet a termodnamka szempontok hangsúlyozása érdekében; kétségtelen vszont hogy a hőellátásban a fűtés hő a szemléletes különösen a fogyasztó számára mert őt közvetlenül annak költsége terhelk a hő exergája összetett fogalom amely az energetka hatékonyságot befolyásoló tényezők hatását s összevontan mutatja k. A hőszvattyú állandósult üzemállapotanak modellezéséhez szükséges matematka összefüggések levezetésére a [6]; [7] munkákban leírt hőmérséklet/entrópa-szemlélet használata tűnk a legalkalmasabbnak. A hőmérséklet/entrópa-szemlélet alapját a hőáramnak a termodnamka II. főtétele szernt Q T. S értelmezése adja ellentétben az entalpaszemlélettel amelynél az az I. főtétel szernt mnt entalpaáramok Q H különbsége van neghatározva. Ez lehetővé tesz hogy a hővel és annak átalakításával kapcsolatban mnél teljesebben megtartsuk és használjuk a hőáram ntenzív T és extenzív S jellemzőjét. Az exerga fogalma ebben az esetben ugyan nncs használva de az exergaszemlélet termodnamka alapja nagymértékben érvényesül. A hőmérséklet/entrópa-szemlélet lényegében ötvöz az entalpa- és az exergaszemlélet előnyet. Extenzív mennységként az energaátalakítás valóban jellemző mennységet és azok áramat használjuk. A hővel kapcsolatos elemzések során szükségszerűen az entrópa lletve az entrópaáram jön számításba de a végeredményekben a jellemző hő- és hőáramok jelennek meg. A hőmérséklet/entrópa-szemléletnél ntenzív mennységként a megfelelő átlaghőmérsékleteknek van központ sznte kzárólagos szerepe. Ezek dőben állandó értékű nhomogentása tartják fenn az energaátalakítás egyensúly folyamatát. Ugyanakkor az elmélet termodnamka szempontjából hányosságnak teknthető hogy az energetka vzsgálatokban ntenzív jellemzőként csak a hőmérsékletet használja a nyomást és a kéma potencált nem. 67

68 6.2 A többfokozatú hőszvattyú dekompozícója A többfokozatú hőszvattyú gyakran mnt távhőellátó rendszerbe ntegrált kegészítő hőforrás kerül alkalmazásra úgy hogy a fogyasztó rendszerből kedvező esetben 35 C körül hőmérséklettel vsszatérő és közvetlenül energetkalag nem hasznosítható hőhordozó munkaközeg tovább közel 30 K-kal való lehűtése által fűtés célokra felhasználható hőáramot fejleszt. A többfokozatú hőszvattyú kbernetka értelmezés szernt összetett rendszer. Az állandósult munkafolyamatanak szmulácójára alkalmas matematka modell megalkotásának szempontjából célszerű a dekompozícó/kompozícó kbernetka elvet alkalmazn. A m esetünkben ez a következő részfeladatok megoldását jelent: 1. Az összetett hőszvattyú rendszer parcáls hőszvattyúkra való első szntű és elementárs alrendszerekre való másodszntű dekompozícója. 2. Egy tetszőleges parcáls hőszvattyú matematka modelljének az ún. bázsmodellnek a kdolgozása a termodnamka és hőközlés folyamatok alaptörvényenek az elementárs alrendszerekre történő alkalmazásával (a kompozícó első szntje). 3. A hőszvattyú-rendszer matematka modelljének generálása rendszerstruktúrája és jellemzőnek formáls leírása alapján a bázs-modell felhasználásával (a kompozícó másodk szntje) A dekompozícó első szntje parcáls hőszvattyúk A hőszvattyú optmáls fokozatszámát a konkrét alkalmazástól függően kell meghatározn. Egyelőre tehát általánosságban n fokozatszámot feltételezünk. Emellett az összes fokozatnak önálló hőszvattyú jellege van tehát úgynevezett parcáls hőszvattyúnak teknthető. A HP hőszvattyú HP (=1n) parcáls hőszvattyúkra való bontása tehát az összetett hőszvattyú-rendszer dekompozícójának első természetes szntjeként fogható fel. Ennek elvét az 6.1 ábra szemléltet. HP. Q H... Q H1 Q H Q Hn HP 1 HP HP n.... W k W k1 W k W kn... Q G1 Q G Q Gn. 6.1 ábra: Az összetett hőszvattyú-rendszer dekompozícójának első szntje Q G 68

69 A HP összetett hőszvattyú-rendszer teljesítmény-paramétere az 6.1 ábrának megfelelő dekompozícója alapján: fűtőteljesítmény: n Q H Q H (6.1) 1 hűtőteljesítmény: n Q G Q G 1 (6.2) a felvett mechanka teljesítmény: n W K W K (6.3) 1 Az 6.1 ábrán szemléltetett dekompozícó a hagyományos parcáls hőszvattyú értelmezésének felel meg amely szernt körfolyamatának egyes részfolyamata egy fokozatban mennek végbe és ezért úgynevezett szmmetrkus modellről beszélhetünk. Konkrét gyakorlat almazásoknál a fűtővíz hőmérséklet-növekedése a kondenzátorban ll. az energetkalag hasznosítandó szekunder földhőhordozó (termálvíz) vagy hulladékhőhordozó közeg hőmérsékletcsökkenése az elpárologtatóban nagyban különbözhet. Ilyen esetben megfontolandó az aszmmetrkus modell alkalmazása amkor a párologtatás (esetleg a lecsapódás) és a sűrítés két fokozatban és a lecsapódás (vagy az elpárologtatás) egy fokozatban megy végbe. Valós körülmények között a szekunder földhőhordozó vagy hulladékhőhordozó munkaközeg hőmérsékletének változása nagyjából kétszeresen meghaladhatja a fűtővíz hőmérsékletváltozását. Ez tehát tpkusan olyan eset amkor az aszmmetrkus modell alkalmazása ndokolt lehet. Az 6.2 ábrának megfelelően a párologtatás sűrítés és fojtás két fokozatban míg a lecsapódás egy fokozatban történk.. Q H. W k1. W k2 HP. Q G1. Q G2 6.2 ábra: Az aszmmetrkus hőszvattyúmodell elve 69

70 Egy tetszőleges -edk parcáls hőszvattyú hűtőteljesítménye ll. felvett mechanka teljesítménye: Q Q Q (6.4) G G 1 G 2 lletve W W W (6.5) K K 1 K 2 Az aszmmetrkus hőszvattyú átmenetet képez az egy- és a kétfokozatú szmmetrkus elrendezés között. Alkalmazásának ndokoltsága egyszerűsített összehasonlító műszak gazdaságosság elemzés segítségével volt vzsgálva. Ahhoz hogy az összehasonlításnál fgyelembe vett változatokat egyenértékűeknek lehessen teknten mnden esetben a fontosabb paraméterek azonos értéke lettek a számolásnál fgyelembe véve konkrétan a kassa geotermkus projekt-tervezet alapján a következőképpen: a földhő szekunder szállító közegének és a fűtővíznek azonos belépő és klépő hőmérséklete: t 42 C t 26 C G G1 t 62 C t 70 C H H 1 a földhő szekunder szállító közegének tömegárama: m G 240 kg/s az alkalmazott munkaközeg: R134a. A számításnál továbbá feltételezzük hogy az zentropkus kompresszó hatásfoka rr = 085 a mechanka hatásfok m = 098 és a hűtőközeg és a fűtővíz ll. a hűtőközeg és a szekunder földhőhordozó között hőmérsékletkülönbség 5 K. A szekunder földhőhordozó lehűtéséhez szükséges hűtőteljesítmény valamnt a Q G CoolPack szoftver segítségével meghatározott fűtőteljesítmény a kompresszor Q H hajtásához felvett találhatók. teljesítmény és a COP fűtőtényező értéke az 6.1 táblázatban W K Ha feltételezzük hogy az elpárologtató kondenzátor és kompresszor fajlagos beruházás költsége azonosak az egyes változatok beruházás költsége s megközelítőleg azonosak lesznek. Ezzel szemben két szmmetrkus parcáls hőszvattyúnak egy aszmmetrkus hőszvattyú helyett alkalmazása esetén nagy a valószínűsége annak hogy tekntettel a ksebb teljesítményparaméterekre sorozatban gyártott elpárologtatókat kondenzátorokat és kompresszorokat lehetne használn. Ez esetben a fajlagos beruházás költségek alacsonyabbak lennének tehát a teljes beruházás költség szempontjából ez a változat lenne a legelőnyösebb. 70

71 6.1 táblázat: Az összehasonlított parcáls hőszvattyúmodellek jellemző paramétere Modell [MW] Q H [MW] W K [MW] COP [ - ] Q G S/ NS/ S/ Az összehasonlított parcáls hőszvattyú-modellek tehát a kompresszor által fogyasztott E vllamos energa és a távhőszolgáltató rendszernek leadott Q fűtés energa K szernt ítélhetők meg. Az egyes parcáls hőszvattyú-változatok struktúrá az 6.3 ábrán vannak szemléltetve. Év 6000 óra üzemeltetés dőt feltételezve a fogyasztott és szolgáltatott energamennységek az 6.2 táblázatban vannak összefoglalva. Az összehasonlítás azt az smert tényt bzonyítja hogy az egyfokozatú szmmetrkus és az egyfokozatú aszmmetrkus modell ll. az egyfokozatú aszmmetrkus és a kétfokozatú szmmetrkus modell között átmenetnél a COP fűtőtényező növekedése az energafogyasztás csökkenését eredményez. Hasonló mértékben csökken vszont a távhőszolgáltató rendszernek leadott hőmennység. Ez azt jelent hogy a bevétel és kadás alapján végzett gazdaság értékelés eredményenek abban az esetben lenne meghatározó jelentősége ha a vllamos energa és a hőenerga ára nagyobb mértékben különböznének mnt amlyennel általában számoln lehet. Mvel a hőszvattyú-rendszernek a szekunder földhőhordozó feltételezett 240 kg/s-os tömegáramát kb. 30 K-nel kellene lehűtene a parcáls hőszvattyúkra történő első szntű dekompozícó elkerülhetetlen feltételnek tűnk de a beruházás költségek szempontjából s előnyös lehet. Csupán a parcáls hőszvattyúk jellege és száma a kérdéses. Esetünkben a rosszabb szabályozhatóság szempontjából legalábbs de valószínűleg a rendkívül nagy teljesítményű kondenzátor alkalmazásának szüksége matt s az aszmmetrkus modell megvalósítása nem lenne ndokolt. Ésszerűbbnek tűnk azt két szmmetrkus elrendezésű parcáls hőszvattyúval helyettesíten. Az első szntű dekompozícó kulcsproblémája így a szmmetrkus parcáls hőszvattyúk legmegfelelőbb számának meghatározása. Unverzáls megoldás erre természetesen nem létezk ugyans az mnden esetben a konkrét alkalmazás feltételektől függ. Az exergaanalízsnek köszönhetően értékes nformácót kaphatunk a parcáls hőszvattyúk számának a teljes rendszer termodnamka tökéletességére gyakorolt hatásáról. Ezek általánosíthatók és később konkrétabb paraméterek smeretében a döntéshozatalkor felhasználhatók. H 71

72 6.2 táblázat: Az összehasonlított hőszvattyúmodellek által évente fogyasztott és szolgáltatott energa értéke Modell E K [GWh] Q H [TJ] S/ NS/ S/ ábra: A parcáls hőszvattyú vzsgált változata A dekompozícó másodk szntje belső alrendszerek A termodkamka felfogás értelmében a hőszvattyúzás olyan specáls munkaközeg felhasználása által megy végbe amely lehetővé tesz a szükséges nem smétlődő részfolyamatok zárt cklusban történő megvalósítását. A munkaközeg állapotváltozásara az elpárologtatóban a kompresszorban a kondenzátorban és a expanzós szelepben kerül sor. A dekompozícó első szntjének eredményeképpen nyert összes parcáls hőszvattyú tehát ezekre az elementárs alrendszerekre bontható ahogyan ez pl. a [13]; 72

73 [14] munkák alapján s nylvánvaló. Egy tetszőleges -edk HP parcáls hőszvattyút az 6.4 ábrának megfelelően tehát az alább elementárs alrendszerekre bonthatunk: E alrendszer elpárologtató K alrendszer kompresszor C alrendszer kondenzátor R alrendszer expanzós szelep A matematka modellezés szempontjából ezen alrendszerek tovább dekompozícója ugyan lehetséges lenne de nem ndokolt ezért ezt a szntet véglegesnek tekntjük. C K R E 6.4 ábra: A parcáls hőszvattyú alrendszerekre bontásának elve A hőszvattyú külső alrendszere A HP többfokozatú hőszvattyú többnyre távhőellátó rendszer hőközpontjának struktúrájába lenne ntegrálva ezért értelemszerűen együtt kell vele működne. Ez az együttműködés a fűtő- és hűtőteljesítmény generálásában és a mechanka teljesítmény felvevése által valósul meg. Az ezeket a szerepeket betöltő alrendszerek a belső alrendszerekhez hasonló sznten vannak. A fűtő- és hűtőteljesítmény leadása vszont a hőszvattyú egészét nemcsak annak parcáls hőszvattyút érnt. Ugyanez érvényes a kompresszorok hajtásához szükséges mechankus teljesítményre s feltéve ha ezek egy közös tengelyen vannak elhelyezve. A szabályozhatóságra támasztott magas követelmények matt a kompresszorok szokványos elkülönült meghajtását tarthatjuk előnyösebbnek. Ez esetben a mechanka teljesítmény felvételének alrendszere a parcáls hőszvattyúk alrendszere közé sorolható. Ellenben tekntettel arra hogy olyan energaátalakítás játszódk le benne amely nem része a hőszvattyú körfolyamatának célszerűbb azt a belső alrendszerektől elkülöníten. 73

74 A hőszvattyúrendszer elementárs alrendszerekre történő végleges bontása az 6.5 ábrán van szemléltetve ahol H az eredő fűtőteljesítmény leadását megvalósító külső alrendszer G az eredő hűtőteljesítmény leadását megvalósító külső alrendszer M az -edk parcáls hőszvattyú működtetéséhez szükséges mechanka teljesítmény felvevését megvalósító külső alrendszer. P. Q H.. H. Hn+1 H H. H1 S Hn+1 S H1. H. H+1 S H+1. H. H S H M M vk. W k P l. H. G1 S G1. H. G S G G. Q G. H. G+1 S G+1. H. Gn+1 S Gn ábra: A többfokozatú hőszvattyú-rendszer elementárs alrendszerekre való végleges bontásának elve Az E K C és R belső alrendszerek ahogy ez már nylvánvaló az -edk HP parcáls hőszvattyút képezk. 6.3 A hőszvattyú elementárs alrendszerenek matematka leírása a bázsmodell kompozícója A hőszvattyú-rendszer parcáls hőszvattyúkra való első szntű és elementárs alrendszerekre való másodk szntű dekompozícója az 6.2 fejezet alapján valósulhat meg. Az eredő matematka modell kompozícójánál a termodnamka törvényszerűségek elementárs alrendszerekre való alkalmazásának matematka nterpretácójából kell knduln. Ennek alapján négy alrendszerének matematka leírása alapján összeállítható egy tetszőleges parcáls hőszvattyú matematka modellje am a kompozícó első szntjének felel meg. Ez bázsmodellként használható fel a hőszvattyú-rendszer eredő matematka modelljének megalkotásához a kompozícó másodk szntjének keretében. A konkrét rendszerstruktúra és paraméterenek leírása és a bázsmodell alapján ez egy megfelelő szoftver alkalmazásával számítógép segítségével előnyösen elvégezhető. Ebben az 74

75 esetben az eredő matematka modell vrtuáls csak a számítógép memórájában jelenk meg ahol a kívánt feladatok megoldásánál van felhasználva. Ezek közé a feladatok közé tartoznak elsősorban: a hőszvattyú állandósult üzemvtele teljesítménymérlegének meghatározása a környezet hőmérséklet függvényében a hőszvattyú év üzemeltetés energamérlegének meghatározása a hőszvattyúzás fontosabb gazdaságosság mutatónak meghatározása. Ahogy az előző megfontolások alapján nylvánvaló az elementárs alrendszerek matematka leírása és értelemszerűen a bázsmodell s az entrópa-hőmérséklet szemlélet alkalmazásán alapul. Ezzel a [6] és [7] források kmerítő részletességgel foglalkoznak. Ezért a szükséges matematka összefüggések a továbbakban nagyrészt levezetés és bzonyítás nélkül vannak alkalmazva. Esetenként ndokolt az entalpaszemlélettel kombnált leírások használata s A külső alrendszerek matematka leírása A fűtőteljesítmény és hűtőteljesítmény elvezetését megvalósító H és G alrendszerekbe csak az adott belépő és klépő áramokat célszerű besoroln. Az 6.5 ábrán ugyan a szvattyú besorolásának elv lehetősége s ábrázolva van de ez nkább a hőteljesítmény átvtelének alrendszerébe tartozk és ez nem tárgya érdeklődésünknek. A H külső alrendszer által a HP hőszvattyú Q H H H n 1 H H 1 (6.6) fűtőteljesítménye és a G külső alrendszer által G H G 1 H G n1 (6.7) Q hűtőteljesítménye van elvezetve. Az ly módon meghatározott alrendszerekben nem történk energaátalakulás ezért nem számolunk veszteségekkel. A mechanka teljesítmény HP parcáls hőszvattyú által felvételét megvalósító M külső alrendszerbe besorolható az elektromotor és a tengelykapcsoló (lásd 6.6 ábra). Ebbe az alrendszerbe P vllamos teljesítmény lép be és a K belső alrendszernek W K mechanka teljesítményt ad le. Ennek mennység hatásfoka W K mm vk M E P (6.8) ahol vk a kompresszor mechanka hatásfoka M az elektromotor hatásfoka E a vllamos fogyasztás hatásfoka. 75

76 P M. H. H+1 S H+1. Q H _ T H. mc S rrc rrc.. H H S H C. _ Q C T C.. _ Q KTK H. K S K R.. H R SR. Q R. W K K. H. G S G.. H E SE. _... _ QT F F Q E H R S R T E Q R.. H. G+1 S G+1 E S rre. Q G. _ T G rre me 6.6 ábra: A HP parcáls hőszvattyú elementárs alrendszere és azok jellemző A parcáls hőszvattyú fűtő- és hűtőteljesítményének elvezetését bztosító belső alrendszerek leírása A HP parcáls hőszvattyú alrendszereben energaátalakulás megy végbe amelynek köszönhetően megvalósul a fordított gőzkörfolyamat. Az E alrendszer a HP parcáls hőszvattyú hűtőteljesítményének elvezetését és egydejűleg a gőzkörfolyamat egyk részfolyamatát a párologtatást valósítja meg. A szekunder földhőhordozó által az E alrendszer Q H H (6.9) G G G 1 hőáramot vesz fel melynek termodnamka átlaghőmérséklete H G H G 1 TG (6.10) S G S G 1 Ebben az alrendszerben a hőcsere lokáls rreverzbltás következtében mnőség veszteséget okoz melyet a lokáls rreverzbltás tényező segítségével vesszünk rre fgyelembe. Az E alrendszerből klépő hőáram termodnamka átlaghőmérséklete T E TG (6.11) rre 76

77 Az E alrendszerben mennység veszteségekkel s számolnunk kell amelyeket a Q E Q F Q R me (6.12) Q G Q G mennység hatásfokkal veszünk fgyelembe. A C alrendszer a HP parcáls hőszvattyú fűtőteljesítményének elvezetését és a gőzkörfolyamat egyk részfolyamatát a lecsapódást valósítja meg. A fűtővíz által ebből az alrendszerből elvezetett hőteljesítmény (6.13) Q H H H 1 H H melynek termodnamka átlaghőmérséklete H H H 1 H TH. (6.14) S H 1 S H Ha feltételezzük hogy a kondenzátor lokáls rreverzbltás tényezője rrc akkor az -edk alrendszerbe belépő hőáram termodnamka átlaghőmérséklete T H H (6.15) K R C TH rrc S K S R A C alrendszerben keletkező mennység veszteség a Q Q H H mc (6.16) Q C Q K Q R mennység hatásfokkal fejezhető k A parcáls hőszvattyú munkaközegének sűrítését és expanzóját megvalósító alrendszer leírása A HP döntő eleme a K alrendszer amelyben a kompresszor található. A kompresszor mechanka teljesítményt vesz le az M alrendszerből amelynek segítségével a W K szekunder földhőhordozóból alacsony T hőmérséklet mellett nyert E hőáramból Q F nagyobb T termodnamka átlaghőmérsékletű K hőáramot képez. Q K A K alrendszerrel szorosan összefügg az R alrendszer amely a C és E alrendszereket elkülönít nyomás szempontjából és e két alrendszer között hőáramot juttat vssza a kompresszorral ellenkező rányban. Az energaátalakulás termodnamka vzsgálatakor megszokott módszerrel összhangban a K és R alrendszerekben nem számolunk rreverzbltás okozta mennység veszteségekkel. A kompresszorban keletkező veszteségeket az energaátalakulás határhőmérsékletektől függő rreverzbltása okozza. Ezek hatását állandó rr a kompresszó rreverzbltását fgyelembe vevő hatásfokértéknél vzsgáljuk. Q R 77

78 A T és E T termodnamka határhőmérsékletek között kompresszóhoz szükséges K mechanka teljesítmény a [6] és [7] felhasználásával a W 1 TK rr K 1 T E vagy a W K Q F (6.17) TK 1 1Q F (6.18) T T rrk egyenlettel fejezhető k. Az alacsonyabb T hőmérsékletről magasabb T hőmérsékletre emelt hőteljesítmény E K Q K 1 TK rr Q F (6.19) T E ll. 1 T 1 K Q K 1 Q F T E rrk (6.20) A kompresszor termodnamka összhatásfoka a (6.18) és (6.20) kfejezésekben a rrk a W Krev W K rreverzíbls kompresszóhoz szükséges mechanka teljesítmény arányaként van defnálva: W (6.21) Krev rrk W K A (6.17) és (6.18) ll. (6.19) és (6.20) összehasonlításából következk a kompresszor eredő rreverzíbls hatásfoka és egy kompresszorfokozat rreverzíbls hatásfoka között összefüggés: TK 1 TE rrk 1 rr (6.22) TK rr 1 TE Eszernt a kompresszor eredő rreverzíbls hatásfoka mndg ksebb egy fokozat rreverzíbls hatásfokánál. Ez abból következk hogy a bevtt mechanka energa kompresszó elején hővé alakuló részét a későbbeknek komprmáln kell. A két hatásfok között különbség a T K TE hőmérsékletarány növelésével nő. Ez a növekedés annál érezhetőbb mnél ksebb a kompresszorfokozat ábra). rr rreverzíbls hatásfoka (lásd

79 1 rrk 09 rr = ábra: A kompresszor eredő rreverzíbls hatásfoka és fokozat hatásfoka között összefüggés Forrás: [7] A K alrendszerben kompresszó által keletkezett Q K hőteljesítményből az E alrendszerbe hőteljesítmény kerül vssza az R alrendszeren keresztül. A Q R hővsszakerülés lehetséges hszen a zárt körfolyamatban a munkaközeg hőmérséklete nagyobb a C alrendszerben mnt az E alrendszerben. A parcáls hőszvattyú (lásd 6.8 ábra) alapján: TS és HS dagramban ábrázolt rreverzbls gőzkörfolyamata (6.23) Q F H F H F TE S F és (6.24) Q K H K H F ahol F és K a kompresszó tényleges kezdő- és végpontja F vszont a parcáls hőszvattyú körfolyamatának fktív pontja amely a munkaközeg T hőmérsékletéhez tartozó telített folyadék állapotát jelent S S. S F F F ' E 79

80 80 A kompresszóval generált K Q hőteljesítmény nem hasznosítható teljes mértékben mvel a sűrített munkaközegből nem az F pontg vonhatjuk el a hőt hanem csak az R pontg. A hasznosítás mértéke az K C K R K F K R K Q Q Q Q Q H H H H r (6.25) aránnyal fejezhető k ahol a C alrendszerből az E alrendszerbe vsszakerülő hőteljesítmény F R R H H Q. Tekntettel a hővsszakerülésre az E alrendszerből a K alrendszerbe továbbítandó hőteljesítmény K E R F E Q r T T Q Q Q rr C 1 ) (1 (6.26) A sűrített munkaközeg K Q hőteljesítményének termodnamka középhőmérséklete F K F K K S S H H T ' '. (6.27) Ehhez hasonlóan a C alrendszerbe hasznosan leadott R K C Q Q Q hőteljesítmény termodnamka átlaghőmérséklete R K R K C S S H H T (6.28) A két termodnamka középhőmérséklet aránya K C R T T. (6.29)

81 T K _ T K _ T C _ H +1 T H R _ G F =E H T G G +1 E _ T E S rre F S rrc S F S R S E S F S K S rrr S F S rrk Ṡ. H K F R E W K. Q C.. Q E. Q R.. Q F F Q K S F S R S E S rrr S F S K S rrk Ṡ S F 6.8 ábra: A parcáls hőszvattyú rreverzíbls gőzkörfolyamata TS és Forrás: [7] H S dagramban 81

82 82 A R Q hőteljesítmény fojtással jut a C alrendszerből az E alrendszerbe am F R rrr S S S (6.30) entrópaáram-növekedést okoz A parcáls hőszvattyú folyamat- és mérlegegyenlete A előző fejezetekben taglalt belső alrendszerek leírásához szükséges matematka összefüggések alapján levezethetők a HP parcáls hőszvattyú folyamat- és mérlegegyenlete. Ezt két lépésben célszerű megtenn előbb az rreverzíbls energaátalakítás K és R alrendszerere majd az E és C alrendszerekben keletkező mennység veszteségeket fgyelembe véve a parcáls hőszvattyú alrendszerre. A K és R alrendszerek együttes folyamategyenlete a (6.19) (6.25) (6.26) és (6.29) összefüggések felhasználásával: E C R E F E K K c Q r T T r Q T T r r Q Q rr rr 1 1 ) (1 (6.31) ll. a (6.18) fgyelembevételével: K C R E K E K E K C W T T r W T T T T r Q rr rr rr (6.32) A mérlegegyenlet pedg C K E Q W Q (6.33) Egy tetszőleges -edk HP parcáls hőszvattyú folyamategyenlete a (6.8) (6.12) (6.16) és (6.22) összefüggések fgyelembevételével: G rrc rre H R G me mc E C R E mc C mc H Q r T T r Q r T T r Q Q rr rr 1 1 ) (1 ) (1 (6.34)

83 ll. a (6.23) alapján: Q H Q C mc TE 1 TC r R 1 rr W K I 1 T mc T H G R rre mm mc 1 r rr rr P (6.35) A HP parcáls hőszvattyú eredő mérlegegyenlete értelemszerűen me Q G mm P mc Q H (6.36) Tekntettel a (6.34) vagy (6.35) mérlegegyenletre a parcáls hőszvattyú teljesítménymérlege Sankey dagramban ábrázolható (lásd 6.9 ábra) P l P M X mm X. W K r TE 1 T C R 1 rr C Q G E X me X K TE T C R r 1 rr (1 r ) X mc = Q H. Q. E Q C Q le R Q R Q lc 6.9 ábra: A parcáls hőszvattyú állandósult teljesítménymérlegének grafkus szemléltetése Forrás: [4] A (6.34) (6.35) és (6.36) összefüggések egy tetszőleges HP parcáls hőszvattyú matematka modelljének alapjául szolgálnak am a kompozícó másodk szntjén bázsmodellként használható a teljes hőszvattyú-rendszer eredő modelljének 83

84 generálásához egy megfelelő szoftver-modul által. Az egyenletek struktúrájából nylvánvaló hogy a folyamategyenleteket a termodnamka átlaghőmérsékletek a lokáls és kompresszóval arányos rreverzbltások a hővsszakerülés és az alrendszerek mennység vesztesége befolyásolják a teljesítménymérleget csak a parcáls hőszvattyú egyes alrendszerenek mennység vesztesége befolyásolják. A (6.34) folyamategyenlet a Q COP P (6.37) H megszokott formában s kfejezhető ahol COP mc mm r (6.38) 1 T T H G R rre rr 1 rr a mennység és mnőség veszteségekkel működő HP parcáls hőszvattyú fűtés tényezője. A hőszvattyúzás deáls veszteségektől mentes működése esetén a fűtés tényező COP 0 TH (6.39) T T H G A reáls hőszvattyú fűtés tényezőjét a gyakorlatban gyakran az deáls hőszvattyú fűtés tényezője és a mennység ll. mnőség veszteségeket fgyelembe vevő korrekcós együttható segítségével fejezzük k. Ennek értelmében a (6.38) kfejezést a COP T H COP0 (6.40) TH TG összefüggéssel lehet kfejezn. A COP COP0 korrekcós együttható a hőszvattyú ún. összehasonlító hatásfokaként s smert. Értékét konkrét esetben gyakorlat tapasztalatok alapján többnyre elfogadható pontossággal meg tudjuk meghatározn. A fűtés tényező lyen jellegű kfejezése a gyakorlatban hasznos a (6.38) összefüggéssel szemben vszont az a hátránya hogy nem vesz fgyelembe az egyes alrendszerekben keletkező mennység és mnőség veszteségek hatását a hőszvattyúzás hatékonyságára. Így olyan smeretekkel lehetünk szegényebbek amelyeket a rendszer tökéletesítésére használhatnánk fel. 84

85 6.4 A hőszvattyú rendszer matematka modelljének azonosítása A HP parcáls hőszvattyú alrendszereben végbemenő energaátalakulás folyamatokat a (6.34) (6.35) és (6.36) folyamat- ll. mérlegegyenletekkel lehet leírn. Ezek az energaátalakulásnál keletkező mennység és mnőség veszteségeket egyaránt fgyelembe veszk. A dekompozícó/kompozícó elvének megfelelően ezek az egyenletek a hőszvattyú-rendszer matematka modelljének generálásakor bázsmodellként alkalmazhatók az egyes parcáls hőszvattyúkra. Ahhoz hogy a matematka modell egyenlete megoldhatók legyenek hogy megbízható és kelégítő pontosságú nformácókat szolgáltassanak a konkrét felhasználásnál kellő fgyelmet kell szenteln az ezekben előforduló smeretlen paraméterek meghatározásának. Gondolunk tt azon paraméterekre amelyek az elpárologtatóban és a kondenzátorban lejátszódó energaátalakuláskor keletkező mennység veszteségeket valamnt a kompresszónál fojtásnál és hővsszakerülésnél keletkező mennység veszteségeket veszk fgyelembe. A hőszvattyú állandósult üzemállapotanak matematka modelljére támasztott természetes követelmény a lehető legmagasabb szntű unverzaltás hogy széles körben felhasználható legyen. Ez fontos szempont amt a matematka modell azonosításánál ls a szmulácós szoftver kdolgozásánál fgyelembe kell venn A mennység és mnőség veszteségek mutató A távhőellátó rendszerbe ntegrált többfokozatú hőszvattyú állandósult üzemvtel állapotanak modellezéséhez a legfontosabb bemenő adat a távfűtőrendszerből vsszatérő fűtővíz hőmérséklete. A parcáls kondenzátorokban erről a T Hn hőmérsékletről melegszk T Hout véghőmérsékletre. Ez a hőmérséklet nagy mértékben befolyásolja a szekunder hűtött hőhordozó közeg T Gn hőmérsékletét amelyről a parcáls elpárologtatókban T Gout hőmérsékletre hűl le. A a matematka modellben ezekre a hőmérsékletekre a következő jelölések érvényesek: T T 1 lletve Hn T H Gn T G1 Hout T H n T T Gout T G n1. Mndemellett az elvezetett eredő fűtő- és hűtőteljesítményre a Q H lletve H H (6.41) H n 1 H 1 Q H H (6.42) G G 1 G n1 összefüggések érvényesek. A vsszatérő fűtővíz T Hn hőmérséklete elsősorban a környezet hőmérséklettől és a rendszer működésének sajátosságatól tehát általunk nem vagy már működő rendszer esetében csak ks mértékben befolyásolható tényezőktől függ. A hűtött hőhordozó közeg 85

86 T Gn bemenő hőmérsékletét több tényező s befolyásolhatja attól függően hogy mlyen a hasznosított alacsony hőmérsékletű hőforrás jellege. Kvételes rtka esetben állandónak teknthetjük. Ahhoz hogy lehetővé tegyük a hőszvattyú állandósult üzemvtelének modellezését konkrét körülmények között szükséges eme áramok bemenő hőmérsékletének meghatározása. Mután döntöttünk a parcáls hőszvattyúk n számáról és a T T T hőmérsékletkülönbségről (az egyes parcáls elpárologtatókban G G G 1 különbözhet) a szekunder földhőhordozó klépő hőmérséklete a T Gout T n TG (6.43) G n 1 összefüggéssel fejezhető k. Ehhez hasonlóan a fűtővíz klépő hőmérséklete n T Hout THn TH 1 (6.44) ahol az egy parcáls kondenzátorban elért hőmérsékletnövekedés. T H TH 1 TH Ha smert a szekunder hűtött hőhordozó m G tömegárama a parcáls hőszvattyú Q G hűtőteljesítményét a Q G H G H G 1 összefüggés egyértelműen meghatározza. Tekntettel arra hogy a víz hőmérséklete csak ks mértékben változk fajlagos hőkapactása állandónak teknthető és érvényes: (6.45) Q G mgc ptg A parcáls hőszvattyú bemenő adata. hűtőteljesítménye a (6.34) folyamategyenlet legfontosabb Q G E C és M alrendszerekben végbemenő energaátalakulással járó mennység és mnőség veszteségek Az elpárologtató ll. a kondenzátor és a környezet között hőátadás okozta mennység veszteségeket a me és mc hatásfokok által lehet fgyelembe venn. Ezek értéke a (6.34) folyamategyenlet és a (6.36) mérlegegyenlet tovább fontos bemenő adata és a gyakorlat tapasztalatok alapján elfogadható pontossággal meghatározhatók. Ugyanez érvényes az M alrendszerben keletkező mennység veszteségekre. Ez az alrendszer vllamos energával van táplálva amt a K alrendszerben a hűtőközeg komprmálásához szükséges mechanka energává alakít át. Az tt keletkező veszteségeket az M alrendszer mennység hatásfoka által lehet fgyelembe venn. mm Értéke szükséges a (6.35) folyamategyenlet és a (6.36) mérlegegyenlet megoldásához és úgyszntén kellő pontossággal meghatározható a gyakorlat tapasztalatok alapján. 86

87 A termodnamka másodk főtétele értelmében a magasabb hőmérsékletszntről alacsonyabb hőmérsékletszntre történő hőátvtel a fellépő rreverzbltások következtében csökkent az átvtt hőáram mnőségét. A parcáls hőszvattyú elpárologtatójában és kondenzátorában keletkező mnőség veszteségeket a (6.34) folyamategyenletben rre és rrc lokáls rreverzbltás tényező fejez k. A [6] és [7] alapján az elpárologtató lokáls rreverzbltás tényezőjét a S rre rre 1 (6.46) S S lletve E G G 1 TG rre (6.47) T összefüggés fejez k. A (6.45) összefüggésben a szekunder hűtött hőhordozó és a hőszvattyú S rre munkaközege között végbemenő hőátadás rreverzbltása által okozott entrópaáramnövekedés. Esetünkben az egyszerűbb (6.47) összefüggés használata előnyösebb. Ha feltételezzük hogy a hőszvattyú munkaközegének túlmelegedése a elpárologtatóban elhanyagolható annak termodnamka középhőmérséklete a párologtatás hőmérséklettel lesz azonos T E TE. A Q G hőáram termodnamka középhőmérsékletét megadja a (6.10) összefüggés. Ha feltételezzük hogy c p = konst. am a m esetünkben kellő pontossággal érvényes: TG TG 1 T G (6.48) TG ln T G 1 A defnícónak megfelelően a kondenzátorban a szekunder földhőhordozó és a hűtőközeg között hőátadás lokáls rreverzbltásának tényezője de a S rrc rrc 1 (6.49) S S H K R TC rrc (6.50) T összefüggéssel s kfejezhető. 87

88 A hőáram termodnamka átlaghőmérsékletének kfejezésére a Q H T H H H 1 H H S H 1 S H (6.51) defnícós összefüggés helyett ez esetben s célszerűbb a T H TH 1 TH (6.52) TH 1 ln T H összefüggés használata. Tekntettel a fűtővíz ks mértékű hőmérsékletváltozására a kondenzátorban lecsapódott munkaközeg esetleges hőmérsékletcsökkenésének hatása a T C termodnamka átlaghőmérsékletre elhanyagolható. Fgyelembe kell vszont vennünk azt a tényt hogy a munkaközeg túlhevített gőz állapotában kerül a kondenzátorba. Ez ugyans a használt munkaközeg fzka tulajdonságatól függően nem elhanyagolható mértékben növelhet a Q C hőáram T C termodnamka átlaghőmérsékletét a T C kondenzácós hőmérséklethez képest. A kondenzácó termodnamka átlaghőmérsékletének meghatározásához az alkalmazott munkaközeg állapotjellemzőnek számítása szükséges az érntett pontokban A kondenzátor és az elpárologtató között hővsszakerülés a kompresszó és a fojtás rreverzbltásának mutató A a kompresszor által generált hőáram mennység khasználásának a (6.25) kfejezéssel való fgyelembevételére az r tényező lett bevezetve. Ez a tényező tekntettel a (6.34) folyamategyenletre szntén a matematka modell fontos bemenő adata. Értékének meghatározásához a parcáls hőszvattyú körfolyamatában alkalmazott hűtőközeg entalpájának meghatározása szükséges K R és F pontokban. Tovább fontos paraméter amely a kondenzátor és az elpárologtató között megvalósuló hővsszakerüléstől de legfőképp e folyamat rreverzbltásától függ a (6.29) kfejezéssel meghatározott termodnamka átlaghőmérséklet-arány. Értékének meghatározása a R (6.34) folyamategyenlet alkalmazásához szükséges. A (6.27) és (6.28) összefüggések szernt ehhez a hűtőközeg állapotjellemzőt kell meghatározn a körfolyamat fontosabb pontjaban (konkrétan az entalpát és az entrópát a K R és a F pontokban). A (6.34) folyamategyenletben a munkaközeg kompresszójának rreverzbltását a kompresszor fokozat hatásfoka fejez k. Ennek értéke a gyakorlat tapasztalatok rr alapján kellő pontossággal meghatározható. A T C r és R paraméterek meghatározásához az alkalmazott munkaközeg állapotjellemzőnek meghatározása szükségeltetk az érntett pontokban. Az adott munkaközeg fajlagos entalpája és fajlagos entrópája vszonylag összetett matematka képletekkel fejezhető k. Esetünkben elsősorban az exponencáls függvények megjelenése a zavaró. Ezek ugyans döntően befolyásolhatják a matematka modell futamdejét főleg a környezet hőmérséklettartomány fnomabb felosztásánál valamnt 88

89 nagyobb fokozatszám választásánál. Az alább egyenletek célja az hogy a munkaközeg szükséges jellemzőnek számítását lehetővé tegye és mndemellett kellő pontosságot nyújtson. A munkaközeg állapotától függően az egyes állapotjellemzők kfejezéséhez a következő egyenleteket lehet alkalmazn a [4] alapján: 1. Telítettség nyomás a hőmérséklet függvényében p K (6.53) K 2. t K 3. t K 4. t K 5. t 2. Telített folyadék fajlagos entalpája a hőmérséklet függvényében h K (6.54) K 7. t K8. t K 9. t 3. Telített gőz fajlagos entalpája a hőmérséklet függvényében h K (6.55) K11. t K12. t K13. t K14. t K15. t K16. t 4. Telített folyadék fajlagos entrópája a hőmérséklet függvényében s K (6.56) K18. t K19. t K 20. t 5. Telített gőz fajlagos entrópája a hőmérséklet függvényében s K (6.57) K 22. t K 23. t K 24. t K 25. t K 26. t K 27. t 6. Telítettség hőmérséklet a nyomás függvényében K 29 p K 30. p K 31. p K 32. t K. p (6.58) Túlhevített gőz fajlagos entalpája a hőmérséklet és nyomás függvényében h K. p T K (6.59) p K 34. p K 35. T K 36. T K Túlhevített gőz fajlagos entrópája a hőmérséklet és nyomás függvényében s K. p T K (6.60) p K 40. p K 41. T K 42. T K Túlhevített gőz hőmérséklete a nyomás és fajlagos entalpa függvényében 2 2 ln p K 47. h K 48. h K 49.ln p h 50 t K. K (6.61) 45 ln p K Túlhevített gőz fajlagos entalpája a nyomás és fajlagos entrópa függvényében 2 2 ln p K 53. s K 54. s K 55.ln p s 56 h K. K (6.62) 51 ln p K

90 A munkakörfolyamat egyes pontjaban de elsősorban a kompresszor szívócsonkjában fontos a munkaközeg sűrűségének meghatározása. Az erre vonatkozó egyenletek a munkaközeg állapotától függően a következők: 11. Telített folyadék sűrűsége a hőmérséklet függvényében K K 58. t K 59. t K 60. t K 61. t (6.63) 12. Telített gőz sűrűsége a hőmérséklet függvényében K K 63. t K 64. t K 65. t K 66. t K 67. t K 68. t (6.64) 13. Túlhevített gőz sűrűsége a nyomás és hőmérséklet függvényében K p K 70. p K 71. T K 72. T K 73. p. T K 74. p. T K 75 (6.65) Ha a fent egyenletekbe a nyomást kpa-ban és a hőmérsékletet C-ban helyettesítjük be a fajlagos entalpát kj/kg-ban a fajlagos entrópát pedg kj/(kg.k)-ban kapjuk meg. Kvételt képeznek a túlhevített gőz paraméterenek számítására szolgáló egyenletek melyekben a hőmérsékletet K-ban kell behelyettesíten. Túlhűtött folyadék állapotában lévő munkaközeg entalpáját és entrópáját hőmérsékletének megfelelő telített folyadékéval vehetjük egyenlőnek. A a Nemzetköz Hűtéstechnka Intézet (IIR) rányelve alapján a referenca-állapotra érvényes: 0 C-nál a telített folyadék fajlagos entalpája 200 kj/kg fajlagos entrópája pedg 1 kj/(kg.k). A fent közölt egyenletekben előforduló együtthatók értéke a telítettség állapotban C hőmérséklettartományra és túlhevített gőz állapotban 5 45 K túlhevítés esetére az R134a R290 R1270 ás R215fa munkaközegekre a [4] forrásban közölt táblázatban vannak összefoglalva. Az együtthatók ott feltüntetett értéke felhasználásával a körfolyamat jellemző pontjaban megfelelő pontossággal meg lehet határozn a fajlagos entalpa entrópa esetleg hőmérséklet értékét A hőszvattyúk munkaközegenek jellemző és alkalmazásuk szempontja Az Európa Unó környzetvédelm poltkája egyre szgorúbb előírásokkal szabályozza a környzetkárosító hűtőközegek használatát a hűtés- klíma és hőszvattyú alkalmazásokban. Az ózonréteget a klórtartalmuk matt legnkább károsító halogenzált szénhdrogének az R11 és R12 használatát már régen betltották. Az egyelőre még engedélyezett fluórtartalmú halogénezett szénhdrogéneket használó hűtőkörökkel kedvező energahatékonyságot lehet ugyan elérn de ezek a környezetbe kerülve erős üvegházhatást fejtenek k és ezáltal nagymértékben hozzájárulhatnak a globáls felmelegedéshez. 90

91 A többfokozatú hőszvattyúk munkaközege helyes megválasztásának a következő két okból fokozott fgyelmet kell szenteln: az egyes parcáls hőszvattyúk körfolyamata eléggé eltérő vszonyok között működnek és ezért ezekben gyakran különböző munkaközegek alkalmazása ndokolt lehet. zömével nagyteljesítményű rendszerekről van szó amelyeknél az energahatékonyság és környezetkárosítás szempontja törvényszerűen nagyobb súllyal esnek latba. Tekntettel a globáls felmelegedéssel járó reáls veszélyekre az EU energa- és környezetvédelm poltkájának legfőbb célktűzésehez tartozk a nagy globáls felmelegítés hatással rendelkező hűtőközegek (pl. R134a R407C) alkalmazásának korlátozása ll. hosszú távon ezek betltása. Egyes tagállamokban (Dána Ausztra) az átlagnál szgorúbbak az előírások és az lyen hűtőközegekkel működő berendezések használatát környezetvédelm adóval terhelk. Várhatóan az ehhez hasonló előírások előbb-utóbb az egész unó területén elterjednek a végleges betltásukg. Ezek a tények nagy khívást jelentenek a kutatás és fejlesztés számára amelynek a környezetbarát alternatív hűtőközegek alkalmazása az egyk legdőszerűbb témája lett. A fő cél olyan hűtőközegek alkalmazását elterjeszten amelyekkel alacsonyabb globáls felmelegítés hatás mellett legalább hasonló energahatékonyságot lehet elérn. A hőszvattyúk munkaközege alkalmazásának a környezetre gyakorolt közvetlen és közvetett hatását a teljes egyenértékű felmelegítés hatás az ún. TEWI-faktor (Total Equvalent Warmng Impact) fejez k amely a TEWI=GWP.L.n+GWP.m.(1- rec )+n.e a. (6.66) egyenlettel határozható meg ahol GWP-a hűtőközeg globáls felmelegítés hatása [ ]; L a hűtőközegnek egy év alatt a környezetbe szvárgó mennysége [kg/a]; m a hűtőkörben kerngő munkaközeg tömege [kg]; n a hűtőkör élettartama [a]; rec a munkaközegnek az élettartam lejárta után vsszaszerzésének mértéke [ ]; E a a hűtőkör év energafogyasztása [kwh/a]; a kompresszor hajtásához szükséges 1 kwh mechankus energa előállításával járó szén-doxd-kbocsátás [kg/kwh]. GWP a szén-doxd globáls felmelegítés hatásához van vszonyítva ennek értéke 100 év légkör élettartam esetén GWP = 1. A TEWI első két összetevője a hűtőközeg alkalmazásának a környezetre gyakorolt közvetlen globáls hatását míg a harmadk annak közvetett hatását fejez k. Az első két összetevő elsősorban a fél-hermetkus vagy nytott kompresszoros rendszereknél jelentős tehát az összhatás nagy részét képezhet. Ellentétes a helyzet a hermetkusan zárt kompresszoros köröknél ahol a környezetbe való párolgás valószínűsége mnmálsra csökkenthető és a közvetett hatásnak van döntő szerepe. Az első és másodk generácójú munkaközegek tszta szénhdrogénekkel való helyettesítésének alapfeltétele a legalább azonos de lehetőleg kedvezőbb energahatékonyság. A hőszvattyú alkalmazásokban jelenleg még domnáló másodk generácójú hdrofluorokarbon R134a-tetrafluoroetán mellett egyre népszerűbbek a jövő szempontjából alternatív megoldásként kínálkozó harmadk generácójú munkaközegek. 91

92 Ezek a megfelellő tulajdoságokkal rendelkező tszta szénhdrogének (R600a-zobután R290-propán R1270-proplén és egy fluór/tszta szénhdrogén-keverék R245fapentafluoropropán). Turbókompresszoros alkalmazásokban az ún. zeotropkus (hőmérséklet-csúszással rendelkező pl. R407C) keverékek nem alkalmazhatók. A nagyteljestményű többfokozatú hőszvattyúkban alkalmazható munkaközegek jellemzőnek vzsgálata alapján a következő tanulságot lehet levonn: 1. A tszta szénhdrogének móltömege lényegesen ksebb az R134a munkaközegéhez vszonyítva. Nagyteljesítményű alkalmazásokban kzárólag centrfugáls turbókompresszor alkalmas a munkaközeg sűrítésére. Tekntettel arra hogy ennek dffuzorában a gáz molekulájának knetkus energája nyomás energává alakul át nagy előnyt jelent a gáz molekulájának nagyobb tömege. Ellenkező esetben a kompresszót több fokozatban kell megvalósítan. 2. Egységny fűtőteljesítmény fejlesztéséhez propán és proplén alkalmazásakor a beszívott munkaközeg térfogatárama érezhetően ksebb mnt az R134a és R600a esetében am azt jelent hogy a berendezések ksebb méretűek lesznek. Ezt az előnyt azonban az előző pontban említett több fokozat szükségessége nagymértékben ellensúlyozhatja am nagyobb tőkegényességhez vezethet. 3. A turbókompresszorban megvalósuló sűrítés szempontjából lényeges a kondenzácós és elpárologtatás nyomás különbsége. Mnél nagyobb ez az érték annál több fokozat szükséges a gőz kívánt nyomásának eléréséhez. 4. Rendkívül érdekes tulajdonságokkal rendelkezk a duzzasztóanyagként s smert pentafluoropropán. Ennek telítettség nyomása 10 C-nál az atmoszferkus nyomásnál alacsonyabb és 30 C-nál s csak enyhén a fölött van. Előnyös móltömegének köszönhetően nagyteljesítményű hőszvattyúkban géretes alternatív munkaközeg lehet a jövőben. Alkalmazása azonban kzárólag nagy párologtatás hőmérsékleteknél jöhet számításba. A tszta szénhdrogének az EN valamnt az IEC A2 szabvány alapján a nagyon gyúlékony és kevésbé mérgező hűtőközegek csoportjába sorolhatók. Ez értelemszerűen fokozott bztonság előírások betartását vonja maga után. Esetünkben az ATEX 100 szabvány szernt kell eljárn. Nagyteljesítményű berendezésekben sznte kzárólag elárasztott elpárologtatók vannak alkalmazva. Az ebből klépő gőz nedvességtartalma a folyadékgyűjtőben leválk s a turbókompresszor telített gőzt szív be. Az zobután vagy pentafluoropropán és a több alkalmazható munkaközeg között egy lényeges különbséget tapasztalhatunk. Nevezetesen azt hogy a felső telítettség görbe és a telítettség nyomás metszéspontjából húzott zentropa meredekebb a felső telítettség görbénél. Ebből az következk hogy amennyben a gőz sűrítése reverzíbls lenne az egész folyamat enyhén nedves gőz tartományában játszódna le ahogy ezt a 6.10/a ábrán szemléltetjük log p-h dagramban zobután munkaközeg esetén (a felső telítettség görbét fekete színnel az zotermákat pros színnel továbbá a telítettség görbén lévő 1 pont és 2s pont között végbemenő zentropkus sűrítést lla színnel jelöljük). Ez a gőzturbnáknál tapasztalható az élettartamot csökkentő erózóhoz vezetne. Ezt megelőzendő a kompresszor túlhevített gőzt kell hogy beszívjon. Ezért ndokolt fokozott fgyelmet szenteln az smert zentropkus hatásfok smeretében a 92

93 megfelelő túlhevítés meghatározásának. Túlhevített zobután gőz rreverzíbls sűrítése log p-h dagramban a 6.10/b ábrán van szemléltetve. a) b) 6.10 ábra: Telített zobután gőz reverzíbls és rreverzíbls sűrítése log p-h dagramban (a) túlhevített zobután gőz sűrítése log p-h dagramban (b) Forrás: [4] A hőszvattyú körfolyamatának megvalósításához munkaközegként elvleg alkalmazható a szén-doxd s. Annak móltömege a tszta szénhdrogénekéhez hasonlóan kcs és rendkívül alacsony a krtkus hőmérséklete (31 C). Ez azt jelent hogy a szén-doxdot alkalmazó hőszvattyú körfolyamata kzárólag transzkrtkus körben valósítható meg. Ilyen körfolyamatban kondenzácó helyett a szuperkrtkus gáz hűtésére van szükség melynek során annak hőmérséklete a hőcserélő felületén folyamatosan változk. Ezért a szén-doxd alkalmazása csak olyan esetben ndokolt ha a fűtőrendszer magas hőmérsékletszntű (pl. fűtőtestek) körre és alacsony hőmérsékletszntű (pl. padlófűtés) körre van osztva am eléggé gyakran előnyösen alkalmazott megoldás. Versenyképességének alapfeltétele a szuperkrtkus gáz lehető legjobb lehűtése. 6.5 A többfokozatú hőszvattyúzás tervezésének gazdaságosság vonatkozása A többfokozatú hőszvattyúzás technológája különlegesen jól alkalmazható a szolárs távfűtő rendszerek (SDH rendszer Solar Dstrct Heatng) nnovácójánál. Az lyen rendszer szezonáls hőtárolóval üzemel amely közvetlenül 35 C körül hőmérsékletre merül k. Ilyen hőmérsékletnél a hőtartalma még jelentős de már csak hőszvattyú alkalmazásával használható k épületek fűtésére. Az a hőtárolót 5 C körül hőmérsékletre hűthet le a fűtés hő termelése közben. Ha a rendszer helyesen van tervezve és szabályozva ez a fűtés szezon vége felé következk be amkor már gyakran hűtés gény lép fel. Ennek kelégítésére az mmár hdegenergát tartalmazó hőtárolót előnyösen fel lehet használn. Igy a hőszvattyú alkalmazása rendkívül hatékony mvel nem csak a fűtő- hanem hűtőhatása s k van használva. Az energahatékonyság így lényegesen növelhető am természetesen a költséghatékonyság növekedését s elődéz. A gazdaságosság mutatókat hőszvattyúzás koncepcójának helyes megválasztásával s lényegesen javítan lehet. 93

94 Mnt smeretes a hőszvattyú feladata mndenekelőtt a következő funkcók problémamentes elvégzése: az alacsony hőmérsékletű hő szekunder hordozó közegéből való hőelvonás a párologtatóban a párologtatóban felvett és a kompresszor hajtásához felhasznált mechanka munkának megfelelő hő leadása a magas hőmérsékletű hő hordozó közegének (fűtővíz) a kondenzátorban. A vzsgált esethez hasonló alkalmazásoknál az általában szélsőségesen nagy teljesítményekből kfolyólag sokszor nem lehetséges vagy az elérhető alacsony hatékonység matt nem ésszerű a hagyományos sorozatban gyártott hőszvattyúk használata. Ilyenkor a többfokozatú hőszvattyúzás technológáját az adott körülményekre szabva kell megtervezn. Ezzel kapcsolatban az alább két alapvető problémakör megoldásának kell kemelt fgyelmet szenteln: 1. A többfokozatú HP-szvattyú alapvető paraméterenek meghatározása a legalacsonyabb költségek szernt való tervezés elvének betartása mellett (Least Cost Plannng LCP). 2. Az optmalzált szerkezet megoldású hőszvattyú üzemeltetése gazdaságosságának vzsgálata annak eldöntésére hogy mlyen feltételek mellett érdemes a többfokozatú hőszvattyúzás alkalmazásának gondolatával foglalkozn. Az 1. témakör általános jellegű megoldást feltételez amely lehetővé tesz az üzemeltetés különlegességenek fgyelembevételét s. A konkrét formája matematka modell és annak szoftver megjelenítése lehet amely lehetővé tesz: az optmalzált paraméterek olyan értékenek meghatározását amelyeknél a hőszvattyúzás költsége mnmálsak lennének megvzsgáln néhány nehezen azonosítható paraméter hatását a hőszvattyúzás gazdaságosságának alakulására. A 2. témakör megoldásának tartalmazna kell a hőszvattyú éves üzemeltetése gazdaságosságának vzsgálatát amelynek alapján eldönthető hogy ndokolt-e az alkalmazása a rendelkezésre álló konkrét körülmények között például a már említett szolárs távhőellátó rendszer struktúrájában. A költségek mnmalzálásának gényét ugyan ez a probléma hlette de a megoldásnak érthetően nkább általános jellegűnek kell lenne hogy más konkrét esetekben s alkalmazn lehessen. A fejezetben a hőszvattyúnak az entrópa-hőmérséklet szemlélet alkalmazásából adódó folyamat- és mérlegegyenlete vannak leírva. Ezek pontos képet adnak a hőszvattyú állandósult üzeméről abban az esetben ha az egyenletben szereplő segéd-paraméterek értéket kellő pontossággal meg tudjuk állapítan. A matematka leírás gyenge pontja éppen ez a tény ugyans néhány paraméter értékének meghatározása szakrodalm adatok hánya matt csak aránylag gényes ksérletek eredménye alapján lehetséges amelyek megvalósítására csak rtkán van lehetőség. Ebből kfolyólag az alapvető paraméterek optmáls értékenek meghatározásánál jóval egyszerőbb matematka leírásból ndulhatunk k amelyben az egyedül aránylag bzonytalan értékű paraméter az összehasonlító hatásfok (néhány rodalm forrásból exergetka hatásfokként s smert). 94

95 Ennek értéke aránylag szűk tartományban változk és a gyakorlat tapasztalatok alapján elég megbízhatóan meghatározható. Az egyszerűbb leírás használata teljes mértékben elfogadható az alapvető paraméterek optmáls értékenek meghatározásánál ha az optmum keresése különböző alternatívák íösszehasonlításán alapul. Ebben az esetben ugyans mnden alternatva pontosságát hasonlóan befolyásolja az egyszerűsítés. A 2. témakör problémának megoldásánál már fontosabbak az energák lletve energaáramok valós értéke ezért a fejezetben található pontosabb folyamat- és mérlegegyenletek használata ajánlott. Erre a [4] forrás knál alternatv megoldást. Mnt általában az egyszerűsített matematka leírás használatánál s a többfokozatú hőszvattyú dekompozícójából ndulunk k. Feltételezzük hogy a dekompozcó első szntjének lényege a hőszvattyúnak n parcáls hőszvattyúra való felbontása. Az egyszerűsítéshez tartozk az s hogy a munkaközegek hőmérsékletét a párologtatókban és kondenzátorokban állandónak vesszük. A hőhordozó munkaközegek hőmérséklete valamnt a párologtatás és lecsapódás hőmérséklete az egyes parcáls hőszvattyúkban a T H dagramban vannak szemléltetve a 6.11 ábrán ábra: A többfokozatú hőszvattyú általános számítás vázlata Az optmalzálás fő célja meghatározn a hőszvattyú fő paraméteret amelyeknél a teljes éves költségek mnmálsak lennének. Ezért mndenekelőtt meg kell határozn hogy mlyen paraméterek mlyen költségeket befolyásolnak legnkább és hogyan. Abból a feltételből ndulunk k hogy smerjük a HP hőszvattyú párologtatójában hűtött hőhordozó közeg T G1 belépő és T Gn+1 klépő hőmérsékletét és m G tömegáramát. Ebből adódk a teljes hűtőteljesítmény: Q m c ( T T ) 1 (6.67) E G p G 1 G n 95

96 A teljes hűtőteljesítmény egyenlő felosztásával az n parcáls hőszvattyúra smertté válnak a HP parcáls hőszvattyúkhoz tartozó T G belépő és T G+1 klépő hőmérsékletek s. Hasonlóan feltételezzük hogy smerjük a melegített fűtővíz T H1 és T Hn+1 hőmérsékletét a HP hőszvattyú bemenetén és kmenetén. Következésképpen smertek az egyes HP hőszvattyúk T H és T H+1 belépő és klépő hőmérséklete s A mnmáls hőmérsékletkülönbség meghatározása a párologtatókban és kondenzátorokban A hűtött és melegített tömegáramok hőmérséklete szernt az egyes parcáls hőszvattyúkban a párologtatás T E és lecsapódás T C hőmérsékleteket a párolgó és hűtött lletve lecsapódó és melegített munkaközegek között mnmáls T mn hőmérsékletkülönbség szernt lehet meghatározn. A mnmáls hőmérsékletkülönbség a hőszvattyú egyk legfontosabb paramétere amely lényegesen befolyásolja az energa- és költséghatékonyságot. Annak növelése a párologtatás és lecsapódás hőmérsékletek között különbséget növel és ezáltal romlk a COP fűtés tényező értéke. Következésképpen nőnek a hőszvattyúzás CR( T mn ) üzemeltetés költsége a növekvő energafelhasználás matt. Ugyanakkor a nagyobb mnmáls hőmérsékletkülönbség a párologtatók és kondenzátorok hőcserélő felületenek nagyságára ksebb gényt támaszt. Ezáltal csökkennek a CI( T mn ) beruházás költségek. Nylvánvaló tehát a mnmáls hőmérsékletkülönbség értéke döntő mértékben befolyásolja a hőszvattyúzás költségenek alakulását. Ezt a tényt különösen a nagyteljesítményű többfokozatú hőszvattyúk esetében nem lenne szabad fgyelmen kvül hagyn. Az előző tényekből nylvánvaló hogy a hőszvattyúzás CT( T mn ) teljes év költsége a mnmáls hőmérsékletkülönbség egy bzonyos ( T mn ) opt értéke mellett mnmáls lesz. A célfüggvény tehát a következő alakban fejezhető k: CT[( T mn ) opt ] = CI[( T mn ) opt ]+CR[( T mn ) opt ] = mn (CT 1 CT j CT N ) (6.68) ahol CT 1 CT j CT N a hőszvattyúzás teljes költsége a különböző T mn. értékekkel tervezett alternatv megoldásoknál. A gyakorlatban eléggé elterjedt az a szemlélet hogy a víz-víz típusú hőszvattyúk esetében T mn értékét 5 K körül kell választan. Ennek a paraméternek a hatása a költségekre túlságosan nagy ahhoz hogy ezt a szemléletet maradéktalanul elfogadjuk. Különösen a nagyteljesítményű többfokozatú hőszvattyúk esetében az a ( T mn ) opt érték meghatározását mndenképpen ndokoltnak tarthatjuk A parcáls hőszvattyúk optmáls száma A hőszvattyú fokozatanak lletve a parccáls hőszvattyúk n száma a beruházás és üzemeltetés költségeket szntén fordított értelemben befolyásolja. 96

97 A fokozatok számával a növekszk a fűtés tényező és ennek következtében csökken a hőszvattyú energafelhasználása tehát az üzemeltetés CR(n) költsége s. Ezzel szemben a bonyolultabb szerkezet felépítés növel a CI(n) beruházás költségeket. A hőszvattyúzás teljes CT(n) költsége egy bzonyos optmáls n opt fokozatszám mellett mnmálsak. A célfüggvény tehát a következő alakban fejezhető k: CT(n opt ) = CI(n opt ) + CR(n opt ) = mn (CT 1 CT CT M ) (6.69) ahol CT 1 CT CT M a hőszvattyúzás teljes költsége a fokozatszám különböző értékevel tervezett alternatv megoldásoknál A fokozatszám és a mnmáls hőmérsékletkülönbség kombnácójának optmalzálása A többfokozatú hőszvattyúzás kétparaméterű optmalzácóját úgy értelmezhetjük mnt a T mn és n értékek olyan ( T mn n) opt kombnácójának meghatározását amelynél a teljes költség mnmáls értéke várható. Ez az eljárás két szakaszba osztható: 1. a fokozatszámok mnden számításba vehető értékénél meghatározzzuk a teljes költséget mnden reáls T mn értékre. 2. meghatározzuk az így nyert halmaz mnmáls tagját és az annak megfelelő ( T mn n) opt kombnácót. A célfüggvényt eszernt a következő alakban fejezhetjük k: CT[( T mn n) opt ] =CI[( T mn n) opt ] + CR[( T mn n) opt ] = = mn {[mn (CT 1 CT j CT a )] 1 [mn (CT 1 CT j CT a )] [mn (CT 1 CT j CT a )] M } (6.70) A legksebb költségek szernt tervezés elvének alternatív alkalmazása A legksebb költségek szernt tervezés (LCP Least Cost Plannng) elvének alkalmazásánál a hőszvattyú egyszerű mérleg- és folyamategyenletének alkalmazását tartjuk ésszerűnek. A eljárás célja a hőszvattyú tervezésénél a mnmáls teljes költségek elérésére törekedn. Az előző fejezetben vázolt megfontolások alapján a T mn és n optmáls kombnácójának meghatározása az elsődleges cél. A feladat megoldásánál feltételezhetjük hogy a fokozatok lehetséges száma maxmálsan 5 lehet. Ezt a feltételezést konkrét adatokkal támaszthatjuk alá. A többfokozatú hőszvattyúzásnak a 7. fejezetben leírt alkalmazásánál a hőszvattyú a szezonáls hőtároló 35 C-os vzét 5 C-ra hűt. A kerngtetőszvattyú 12 kg/s vzet szállít a párologtatóba. A kondenzátorokban a fűtővíz a 40 C-os belépő hőmérsékletről 60 Cra melegszk. Ha T mn = 5 K mnmáls hőmérsékletkülönbséget feltételezünk akkor a hőszvattyúzás folyamatának energetka paramétere a különböző fokozatszámok esetében a 6.3 táblázat szernt változnak. 97

98 6.3 táblázat: A hőszvattyúzás energetka paramétere az n fokozatszám függvényében Q E hűtőteljesítmény; T E párolgás hőmérséklet; T C lecsapódás hőmérséklet; COP fűtés tényező; Q C fűtőteljesítmény; W felhasznált mechanka teljesítmény. A 6.3 táblázatban összefoglalt eredmények közül különösen fgyelemre méltó a COP fűtés tényező alakulása a fokozatszám függvényében. Az a tény hogy a hőszvattyúzás két fokozatra való felosztásánál a COP értéke 26-ről 417-re növekszk egyértelműen bzonyítja a több fokozatba való felosztás ndokoltságát. Három fokozat választása kettő helyett már lényegesen ksebb növekedést eredményez COP = 443 értékre. Még ksebb a növekedés ha három fokozat helyett négyet választunk (COP = 457) míg öt fokozat választása négy helyett (COP = 466) már energahatékonyság szempontjából gyakorlatlag ndokolatlan mvel az üzemeltetés költségek csökkenése nagy valószínűséggel nem ellensúlyoznák a beruházás költségek növekedését. A fent meggondolások alapján leszögezhetjük hogy fokozatok számát a hűtés hőmérsékletkülönbség függvényében kettő és négy között célszerű választan. A (6.70) célfüggvénnyel meghatározott kétparaméteres optmalzácó helyett elegendő elvégezn a (6.68) célfüggvénnyel kfejezett egyparaméteres optmalzácót az előző megfontolások alapján megválasztott fokozatszámok esetére. Mnt már smert egy konkrét fokozatszám esetében az energa- és költséghatékonyság legnkább a munkaközegek között T mn mnmáls hőmérsékletkülönbségtől függ a párologtatókban és kondenzátorokban. Annak növekedése lletve csökkenése az energahatékonységot és a költségeket ellentétesen befolyásolja. A mnmáls hőmérsékletkülönbséggel a COP fűtés tényező értéke és következésképpen az energafelhasználás és a CR üzemeltetés költségek fordtottan arányosak. Ezzel szemben a párologtatók és kondenzátorok hőcserélő felülete és ebből kfolyólag a CI beruházás költségek s egyenesen arányosak a mnmáls hőmérsékletkülönbséggel. 98

99 Nylvánvaló hogy a CT = CI + CR = CT( T mn ) = CI( T mn ) + CR( T mn ) (6.71) teljes költség egy bzonyos ( T mn ) opt értéknél mnmáls lesz. Ez az érték analtkusan következő feltétel alapján határozható meg: CT T ( mn 0 ) (6.72) A (6.72) összefüggés kfejezése meglehetősen bonyolult nehezen kezelhető lenne még akkor s ha a CT = CT( T mn ) (6.73) függvény kfejezésénél az egyszerű folyamat és mérlegegyenletet használnánk. Ezért és más egyéb okokból kfolyólag a numerkus megoldás látszk előnyösebbnek A mnmáls hőmérsékletkülönbség ( T mn ) opt optmáls értéke numerkus módszer alkalmazása esetében a következő feltételből adódk: CT[( T mn ) opt ]=CI[( T mn ) opt ]+CR[( T mn ) opt ] = mn (CT 1 CT j CT N ) (6.73) ( T mn ) opt ahol: CT 1 CT j CT N teljes költsége. a különböző T mn értékkel tervezett hőszvattyúzás alternatívák A numerkus módszer hátránya hogy bzonyos önkényesen megválasztott T mn értékekkel tervezett hőszvattyúzás alternatívákat vzsgálunk. Igy az eredmény megbízhatatlanabb mnt az analtkus megoldás esetében mert a keresett optmáls érték két kválasztott érték között lehet. Ezért valójában valamféle kváz optmáls hőmérsékletkülönbséget határozunk meg Ez annál közelebb áll a valód optmáls értékhez mnél sűrűbben választjuk a T mn értéket A költségek kfejezése a mnmáls hőmérsékletkülönbség függvényében Ahhoz hogy a (6.73) célfüggvény szernt a mnmáls hőmérsékletkülönbség optmáls értékét meghatározhassuk k kell fejeznünk a teljes költséget a T mn segítségével vagys konkretzáln a (6.73) függvényt. Nylvánvaló hogy csak azokat a költségeket lehet fgyelembe venn amelyek a teljes költség szempontjából meghatározók és amelyeket egyértelműen k tudjuk fejezn a mnmáls hőmérsékletkülönbség függvényében. Szerencsére a legjelentősebb költségek esetében ez a függvény aránylag könnyen számszerűsíthető. Az üzemeltetés költségek közül desorolható a meghatározó jelentőségű energaköltség pontosabban a kompresszorok hajtására felhasznált vllamos energa költsége. A beruházás költségek közül a párologtatók kompresszorok és kondenzátorok költsége. 99

100 Beruházás költség A beruházás költséget a beszerzés költségnek az élettartam egy évére eső részeként határozzuk meg a következő összefüggés szernt: CI = ab = Z p(1 p) B Z (1 p) 1 (6.74) ahol: B a beszerzés költség Ft a annutás tényező 1/a p kamatláb Z élettartam. A B teljes beszerzés költséget egyszerűsítve a párologtatók B E kondenzátorok B C és kompresszorok B K beszerzés költségenek összegeként fejezhetjük k: B = B E + B C + B K = B T ) B ( T ) B ( T ) B ( T ) (6.75) ( mn E mn C mn K mn Ahhoz hogy a (6.75) összefüggést konkrét alakra hozhassuk a párologtatók kondenzátorok ls kompresszorok beszerzés költséget a T mn. mnmáls hőmérsékletkülönbség függvényében kell matematkalag kfejezn. A HP hőszvattyú párologtatónak teljes beszerzés költsége egyenesen arányos a teljes hőcserélő felület nagyságával tehát a parcáls párologtatók hőcserélő felületenek összegével: B E n B b n A E E E (6.76) 1 1 Ahol a HP parcáls párologtató hőcserélő felületét az alább összefüggés által fejezhetjük k: Q E TG T AE ln U T T E G mn mn (6.77) Hasonlóképpen fejezhetjük k a HP hőszvattyú kondenzátoranak teljes beszerzés költségét a parcáls kondenzátorok hőcserélő felületenek segítségével: B C n B b n A C C C (6.78) 1 1 Ahol a HP parcáls hőszvattyú hőcserélő felülete a mnmáls hőmérsékletkülönbség függvényében az alább összefüggéssel fejezhető k: A Q C C ln U CTH TH T T mn mn (6.79) 100

101 A (676). (6.77) (6.78) és (6.79) összefüggésekben használt jelölések jelentősége a következő: b E b C a hőszvattyú párologtatónak lletve kondenzátoranak fajlagos beszerzés költsége /m 2 Ft/m 2 ; U E U C a párologtatókban lletve kondenzátorokban fennálló hőátbocsátás Q E QC tényező kw/m 2 K; a HP parcáls hőszvattyú párologtatójának hűtőteljesítménye G T H lletve a kondenzátorának fűtőteljesítménye kw; T a hűtött lletve fűtött munkaközeg hőmérsékletváltozása a HP parcáls hőszvattyú párologtatóján lletve kondenzátorán K. A fűtőteljesítmény a (6.79) összefüggésben szntén a mnmáls hőmérsékletkülönbségtől függ a következő egyszerű mérlegegyenlet szernt: Q Q T ) Q W ( ) (6.80) C C ( mn E K Tmn És kfejezhetjük az smert egyszerű folyamategyenlet szernt: COP Q C Q E (6.81) COP 1 A HP parcáls hőszvattyú fűtés tényezőjét a munkaközeg T E párolgás és a T C lecsapódás hőmérsékletek felhasználásával az alább jól smert összefüggés szernt fejezhetjük k: COP TC (6.82) T T C E Ebben feltételezzük hogy a parcáls hőszvattyúk összehasonlító hatásfoka egyenlő. Valójában konkrét alkalmazásoknál ez nem egészen helytálló főleg akkor ha azok különböző munkaközegekkel működnek. Ez az érték vszont elég szűk tartományban változk ezért annak elhanyagolását ndokoltnak tarthatjuk annál s nkább hogy nem állnak rendelkezésre olyan smeretek és adatok melyek alapján fgyelembe lehetne venn az eltérő munkakörülmények hatását. A párolgás és lecsapódás hőmérsékleteket a 6.11 ábra alapján az alább összefüggésekkel fejezhetjük k: T T E TG 1 TG Tmn (6.83) C TH 1 TH Tmn (6.84) A HP hőszvattyú kompresszoranak beszerzés költsége egyenesen arányos a sűrítéshez szükséges W K teljes mechanka teljesítménnyel amt a parcáls hőszvattyúk által génybe vett W K teljesítmények összegeként fejezhetünk k. Ha b K ( /kw Ft/kW) 101

102 fajlagos beszerzés költséggel számolunk a kompresszorok teljes beszerzés költségét az alább összefüggéssel fejezhetjük k: B K n B b W b n W K K K K K (6.85) 1 1 a HP parcáls hőszvattyúban génybe vett W K mechanka teljesítményt a (6.80) mérlegegyenlet alapján lehet meghatározn. Az előző megfontolások akkor s érvényesek ha valamelyk parcáls hőszvattyúban történetesen két fokozatban kell megvalósítan a sűrítést. Abban az esetben a W K a két fokozatban génybe vett teljesítmények összege Az üzemeltetés költségek fgyelembevétele Az üzemeltetés költségek közül s azokat tudjuk fgyelembe venn amelyek a teljes költségek döntő részét képezk egyértelműen függnek a mnmáls hőmérsékletkülönbségtől és ez a matematka eszközevel egyszerűen kfejezhető. Ezeknek a feltételeknek csak kompresszorok hajtásához felhasznált vllamos energa költsége felel meg. Az üzemeltetés teljes év költségét a fent meggondolások alapján az alább összefüggéssel fejezhetjük k: CR CR T c P T c W ( T K mn ( mn) e M ( mn) e M ) (6.86) ahol c e a vllamosenerga-felhasználás egységköltsége /kwh Ft/kWh; τ az év khasználás dőtartam h/a; M a kompresszorok vllamos hajtásának hatásfoka; P M a kompresszorok hajtásához szükséges vllamos teljesítmény kw A legksebb költségek szernt tervezés konkrét példájából levonható következtetések A nagyteljesítményű többfokozatú hőszvattyú legksebb költségek szernt tervezésének az előző fejezetekben leírt módszere a 7. fejezetben vázolt rendszer konkrét esetében a [32] forrásban volt kísérlet jelleggel alkalmazva. A költségek alakulása vzsgálatának eredményeből a következő tanulságokat lehet levonn: 1. Ha az alacsony hőmérsékletű hőforrás munkaközegét kb. 30 K-kal hűthetjük le azt 3-4 fokozatban célszerű megvalósítan. A nagyobb fokozatszám esetében ugyan csökkennek az üzemeltetés költsége de annak mértéke már nagy valószínűséggel nem ellensúlyozná a bonyolultabbá váló rendszer beszerzés költségének növekedését valamnt a megbízhatóság csökkenését amt nehéz lenne számszerűsíten. Hogy végül 3 vagy 4 fokozatot választunk az főleg attól függ hogy melyk változat esetében lehet több sorozatban gyártott alkatrészt felhasználn. 102

103 2. Az éves költségek között domnáns az üzemeltetés költsége. Ez a mnmáls hőmérsékletkülönbség csökkenésével folyamatosan csökken. A vzsgált T mn = K esetekben az energaköltség csökkenését nem ellensúlyozza a beszerzés költségek növekedése. Ezért a T mn = 2 K választása ajánlatos de más szempontoktól függően akár ksebb értékkel s számolhatunk. 103

104 7. KAPCSOLT ENERGIATERMELÉS ÉS TÖBBFOKOZATÚ HŐSZIVATTYÚZÁS A NAPENERGIÁVAL TÁMOGATOTT TÁVHŐELLÁTÁSBAN Az Európa Unóban az épületek a teljes energa-felhasználásnak több mnt 40%-ával részesülnek. Ennek lehetséges növekedése reáls veszélyt jelent az üvegházhatást elődéző gázok kbocsátásának csökkentésére rányuló tervekre. Ezt szem előtt tartva lett kadva az Európa Parlament és az Európa Tanács 2002/91/ES sz. rányelve az épületek energahatékonyságáról. Ennek értelmében a tagállamoknak 2006 januárjától kötelező szabályokat kellett elfogadnuk az épületek energahatékonyságának növelése érdekében. Az említett rányelv szellemében az új és felújított épületek esetében el kell érn hogy a fűtés energagénye egy ésszerűen mnmáls szntre legyen csökkentve elsősorban az épületszerkezetek hőtechnka tulajdonságanak javítása által Demand Sde Management ennek a mnmalzált fűtőgénynek a kelégítése a fűtőrendszer és a tüzelőanyag helyes megválasztása által ésszerűen mnmáls környzetszennyezés mellett valósuljon meg Supply Sde Management. Míg a Demand Sde Management területén a megoldandó feladatok eléggé egyértelműek és azok eredményét kellő pontosságal előre lehet látn a Supply Sde Management sokkal többféle ntézkedés nehezebben felmérhető eredménye által valósulhat meg. A fűtés gény kelégítését szolgáló fosszls alapú energaellátás környezetkárosításának az energahatékonyság növelése által való mérséklése természetesen elengedetlenül szükséges. A legelterjedtebb hagyományos fűtés rendszereknél ennek átléphetetlen határt szabnak a termomechanka törvénye a fajlagos fűtőhatás maxmálsan elérhető 1 értékével am a tüzelőanyag-felhasználás 100%-os mennység hatásfokának felelne meg. A mnőség khasználása vszont még így s szánalmas lenne. Ezt bzonyítja az a tény hogy a tüzelőanyag exergájának év átlagban csak mntegy 5%-a lenne hasznosítva. 104

105 Tekntettel a felvázolt tényekre az adott fűtés gény kelégítését szolgáló hőellátás fenntarthatóságát legnkább az alább ntézkedések foganatosítása által lehet megközelíten: a nem hagyományos fűtés rendszerek részarányának növelése tehát a fosszls tüzelőanyagoknak kapcsolt energatermelés által hatékonyabb khasználása valamnt alacsony hőmérsékletű hőforrások hőszvattyú által való hasznosítása a fosszls tüzelőanyag helyettesítése közvetlenül hasznosított napenergával és/vagy CO 2 -neutráls bo-tüzelőanyaggal tehát a napenerga tárolt formájával ahol ez a környezetvédelem követelményenek betartása mellett gazdaságosan megoldható A hőellátásban a földgáz szerepe tekntettel a készletek gyors kmerülésére és az mport mértékére lényegesen túlméretezett. Mnt legmegfelelőbb alternatv tüzelőanyag általában a bomassza van emlegetve. Tény vszont hogy a bomasszából a vegyleg megkötött napenergát csak nem elhanyagolható környezetterhelés árán tudjuk vsszanyern; az energetkalag hasznosítható bomassza mennysége erősen korlátozott mvel az az élelmezés gények kelégítésénél mással nem helyettesíthető; napkollektorokkal szer több hő termelhető mnt az azonos nagyságú területen termelt bomasszából. Ezek a tények egyértelműen bzonyítják hogy prortás-váltásra lenne szükség a napenerga közvetlen hasznosítása érdekében. Mvel a napsugárzás gyakorlatlag kmeríthetetlen energaforrásnak tartható ennek skere elsősorban attól függ hogy mlyen mértékben és egyáltalán skerül-e költséghatékonyan megoldan a napsugárzás által termelt hő szezonáls tárolását. Az eddg tapasztalatok azt mutatják hogy ez nkább a nagyobb teljesítményeknél lehet reáls alternatíva. Ezért az úgynevezett SDH (Solar Dstrct Heatng) rendszerek fejlesztése az EU energapoltkájának kemelt támogatását élvez. 7.1 A napenerga részarányának növelése az épület hőellátásban Ha a napenerga aktív felhasználásáról van szó többnyre a használat meleg víz esetleg medencevíz melegítése jut eszünkbe. A használat meleg vízre tervezett rendszerekben napenergával az éves hőfogyasztásnak csak kb. 15%-át lehet fedezn. A fűtésre való felhasználás lehetősége erősen korlátozottak mvel a fűtés hőgény és a napenergából termelhető hő év lefolyásában féléves eltolódás van. A hőgény télen a legnagyobb amkor a napenergából nyerhető hőmennység a legksebb míg nyáron az arányok fordítottak. A fűtés támogatása ezért csak a tavasz és ősz átmenet dőszak aránylag rövd végső lletve kezdet szakaszára korlátozódk még az erre a célra tervezett napenerga-hasznosító rendszerben s ha annak hőtárolója a haza gyakorlatnak megfelelően a szolárs hőt csak rövd dőre néhány napra képes tároln. Ezekben a rendszerekben a fűtés és használat meleg víz készítése teljes év hőgényének kb. 30%- át lehet napenergával fedezn. Ez a szolárs részarány következetes rendszertervezéssel ugyan bzonyos mértékben növelhető lletve kedvező esetekben a nyár üzemmódban a szolárs hőteljesítmény-felesleget fel lehet használn medencevíz melegítésére hűtésre vagy szártásra de gaz áttörést csak szezonáls hőtárolók alkalmazásával lehet elérn. 105

106 A napenerga szezonáls hőtárolásán alapuló kombnált távhőellátó (SDH) rendszerekben a hasznosított napenerga részaránya elérhet az 40 70%-ot am jóval közelebb áll a 2.2 ábrán szemléltetett kzárólagosan napenerga-alapú hőellátás esetéhez. Ezek a rendszerek a kutatás és fejlesztés kezdet szakaszában vannak de már több demonstrácós projekt üzemeltetésének többnyre kedvező tapalasztalatat smerjük. Ezek főleg Svédországban Dánában Kanadában és Németországban voltak megvalósítva. A rendszer klasszkusnak tartható elve a németország Fredrchshafenben megvalósított projekt fő paraméterevel az 7.1 ábrán van szemléltetve. A napenerga a hőfogyasztó épületek tetőszerkezetébe ntegrált vagy erre a célra létesített acél- ll. fakonstrukcón elhelyezett kollektorokban hasznos hőenergává alakul am fagyálló hőszállító közeg által hőcserélő és szvattyúk közreműködésével egy nagykapactású szezonáls hőtárolóba van szállítva főleg nyár dőszakban. A fűtés szezonban az épületek hőfogyasztó hagyományos módon fűtővíz segítségével hőcserélő és szvattyúk közreműködésével vannak ellátva a tárolóból. A rendszer általában fosszls tüzelővel működő kazánnal van kbővítve. A Fredrchshafen-projekt esetében amelyre főleg a hőtároló rendkívül nagy kapactása jellemző ez egy kondenzácós gázkazán. 7.1 ábra: A szezonáls hőtároláson alapuló szolárs távhőellátó rendszer elve Fredrchshafen-projekt Forrás: [22] 7.2 Szezonáls hőtárolás az SDH rendszerekben A szezonáls hőtárolás legnagyobb problémája a határoló felületeken fellépő hőveszteség. Ennek csökkentése érdekében a megfelelő hőszgetelés alkalmazása mellett a tároló alakja megválasztásának s kellő fgyelmet kell szenteln. Ez azt jelent hogy a tároló felületének és térfogatának A/V arányát a lehető legksebb értékre kell tervezn. Az deáls alak természetesen a gömb lenne amelynél ez az arány mnmáls. A gyakorlatban ez természetesen megvalósíthatatlan de nagymértékben megközelíthető. 106

107 Az alak tényező értékének helyes megválasztása annál fontosabb mnél nagyobb a tároló térfogata. A Fredrchshafen-projekt szezonáls hőtárolója tervezésénél az optmáls vagy nkább kvázoptmáls alak megválasztásának folyamata a 7.2 ábrán van szemléltetve. 7.2 ábra: A Fredrchshafen-projekt nagytérfogatú szezonáls hőtárolója alakjának tervezése Forrás: [22] 107

108 Annak ellenére hogy szolárs hő tárolásának alternatív technológá ntenzív kutatás és fejlesztés tárgyát képezk ezek a rövd dejű hőtárolással ellentétben a szezonáls hőtárolás gyakorlatában még nem érvényesülnek. Igy jelenleg az alább négy tároló-típus lletve ezek kombnácójának alkalmazása terjedt el: melegvzes hőtároló tárolókapactás: kwh/m 3 kavcs víz típusú hőtároló tárolókapactás: kwh/m 3 talajszondás hőtároló tárolókapactás: kwh/m 3 aqufer típusú hőtároló tárolókapactás: kwh/m 3 Ezen hőtárolók elve a 7.3 ábrán van szemléltetve. 7.3 ábra: A szezonáls hőtárolók tpusa Forrás: [22] A gyakorlatban a melegvzes tárolók használata a leggyakorbb. A szakma körökben elterjedt nézet szernt energa- és költséghatékonyságuk csak 1000 m 3 fölött térfogatnál érhető el. A gyakorlat tapasztalatok azt bzonyítják hogy fajlagos beszerzés költségük a térfogat növekedésével exponencálsan csökken. Ahogy az a 7.4 ábrából nylvánvaló a melegvzes szezonáls hőtárolók általában vasbetonból épült részben a talajba süllyesztett gényes létesítmények. Említésre méltó tény hogy belülről általában rozsdamentes acéllemezzel vannak burkolva am a költséget jelentősen növel. A kutatás/fejlesztés egyk fontos feladata olyan megoldások kdolgozása amelyeknél ez megtakarítható. Ezekből a tényekből nylvánvaló hogy a szezonáls hőtárolás költséghatékony alkalmazása a távhőellátó rendszerekben lesz lehetséges. Az lyen rendszereket az angol 108

109 szakrodalomban SDH (Solar Dstrct Heatng) systems míg a németben solare Nahwärmesysteme néven smerjük. Az első jelentősebb SDH rendszer a svédország Kungälv-projekt m2-es kollektormezővel de eddg a legnagyobb m2-el a Marstal-projekt Dánában. Hazánkban és az egész közép- és kelet-európa régóban az lyen rendszerek gyakorlat alkalmazása ma még a jövő zenéjének tűnk de bztosra vehető hogy ez a jövő eléggé közel. Az EU több fejlettebb országában már elkezdődött. Főleg Németországot Dánát és Svédországot kell ezzel kapcsolatban kemeln. Hazánkban a napenerga hasznosításának feltétele jobbak mnt az említett országokban és mnden bzonnyal csak dő kérdése meg persze a gazdaság környezet alakulásáé hogy mkor válk reáls alternatívává nálunk s. 7.4 ábra: Melegvzes szezonáls hőtároló építés közben (a háttérben nagyfelületű kollektorokból kalakított kollektor-mező) Forrás: [21] 7.3 Szezonáls hőtároláson alapuló SDH rendszerek versenyképességének távlata Szakma körökben de lakusok között s eléggé elterjedt nézet hogy a szolárs hőellátás versenyképessége általában a más technológákhoz vszonyítva aránylag gyenge. A valóságban ez nem annyra egyértelmű mnt amlyennek tűnk és a különböző szolárs rendszerek között s lényeges különbségek lehetnek. A rövd dejű hőtárolással működő szolárs rendszerekben a tároló beszerzés költsége a teljes költségeknek a 25 30%-át képez. Ezzel szemben a szezonáls hőtároló esetében 109

110 ez a részarány 45 50%. Ebből a tényből kfolyólag a szezonáls hőtermelésen alapuló SDH rendszereket versenyképességük szempontjából örökre elfeledhetnék. A Németországban megvalósított demonstrácós projekteknek a [24] forrásban közzétett meglepő tapasztalata ennek ellentmondanak. Ebben a munkában három szolárs hőellátó rendszer van összehasonlítva a fajlagos költségek alapján (lásd a 7.5 ábrát): a) ks decentralzált rendszerek rövd dejű hőtárolóval amelyeknél a kollektorfelület nagysága nem haladja meg a 10 m 2 -t és a szolárs részarány a 15%-ot; b) nagy rendszerek rövd dejű hőtárolóval amelyekben a kollektorfelület nagysága meghaladja a 100 m 2 t és a szolárs részarány 20%-nál ksebb; c) szezonáls hőtároló alkalmazásán alapuló SDH rendszerek amelyekben a kollektor-mező felülete szélsőségesen nagy ezer-tzezer nagyságrendű és a szolárs részarány 50 70%. Az összehasonlításból nylvánvaló hogy a legelterjedtebb ks szolárs rendszerek hőtermelése a legköltségesebb. Érdekesen alakul a rövd dejű és szezonáls hőtároláson alapuló nagy lletve szélsőségesen nagy rendszerek b) és c) eset összehasonlítása. Ebből a rövd dejű hőtárolás jön k előnyösebbnek. Fgyelembe kell vszont venn hogy a szemléltetett adatok a 90-es évekből származnak. Azóta az energaárak megugrottak. Mvel a szezonáls hőtárolás esetében az energa-megtakarítás jóval nagyobb az SDH rendszer erre kevésbé érzékeny és az arányok ma akár fordítottak s lehetnek. a) b) c) 7.5 ábra: A szolárs hőellátás fajlagos költsége különböző rendszerekben Forrás: [24] A költségek összehasonlításának helyességét gazolja az a tény s hogy a hőtárolók fajlagos költsége ahogy ez a 7.6 ábrából nylvánvaló a térfogat növekedésével exponencálsan csökken. 110

111 7.6 ábra: A hőtárolók fajlagos költsége a térfogat függvényében Forrás: [24] A költséghatékonyság vzsgálata alapján fontos hpotézst lehet megfogalmazn: Hazánkban a szezonáls hőtároláson alapuló SDH rendszereket költséghatékonyabban lehetne megvalósítan mnt Németországban ezért elméletleg versenyképesebbek lehetnének. Ezt a feltevést az alább tények bzonyíthatják: az éghajlat vszonyok kedvezőbbek ezért az azonos kollektorfelülettel rendelkező rendszer hőtermelése és ezáltal az energaköltség megtakarítása nagyobb lenne; a szezonáls hőtároláson alapuló SDH rendszerekben a hőtároló beszerzés költsége magasan domnál a teljes beszerzés költség struktúrájában és ennek meghatározó része bérköltség amely Magyarországon a jóval olcsóbb munkaerő matt sokkal kedvezőbben alakulna. Kétségtelen hogy az energaárak növekedése a szezonáls hőtároláson alapuló SDH rendszereket a pac körülmények között dővel versenyképessé tesz. Össztársadalm érdek hogy ez az dő mnél rövdebb legyen. Ezért ezeknek a rendszereknek a kutatására és fejlesztésére nagy hangsúlyt kell helyezn. Mvel a szezonáls hőtárolás beszerzés költsége domnáns a költségek csökkentésére ezen a területen van legnkább lehetőség mégpedg a rendszerstruktúra és az üzemeltetés módjának nnovácójával. A hagyományos SDH rendszerekben a hőtároló kapactását a tároló vzének 35 C körül hőmérsékletre való lehűlésével lehet közvetlenül khasználn. Az lyen hőmérsékleten rendelkezésre álló nagy mennységű vízből nagyteljesítményű többfokozatú hőszvattyúzással még a fűtés gények kelégítésére alkalmas hőteljesítményt lehet hatékonyan fejleszten annak 5 C körül hőmérsékletre való lehűtésével. Ezáltal a tároló kapactása lényegesen megnőne. A hőmérséklet rétegeződést khasználva a rendszer szabályozását elméletleg meg lehet úgy oldan hogy a tároló vze nagyjából a fűtés szezon végére hűljön k teljes mértékben erre a hőmérsékletre. Ha a nyár dőszakban lyen alacsony hőmérsékletről melegítenék a tároló vzét a kollektorok magasabb hatásfokkal működnének. Ennek ellenére célszerűbb lenne úgy rányítan a feltöltés folyamatát hogy a tároló vze a vsszamelegítés első 111

112 szakaszában kb. 20 C-g hűtés gények fedezésére lenne felhasználva és a másodk szakaszban melegedne fel a kollektorokban a végső C hőmérsékletre. A kollektorok hatásfoka így s magasabb lenne mnt a hagyományos rendszerekben 35 C körül hőmérsékletről való vsszamelegítésnél de a hűtőhatás khasználása a rendszer működésének gazdaságossága szempontjából jóval értékesebb. A hőszvattyúval együttműködő hőtároló feltöltésénél és kmerítésénél a víz hőmérsékletének feltételezett dőben lefolyása a 7.7 ábrán van szemléltetve. A szezonáls hőtárolóval való együttműködés lehetővé tesz hogy a nagyteljesítményű többfokozatú hőszvattyúnak a hagyományos alkalmazásokkal ellentétben az egydejűleg fejlesztett fűtő- és hűtőhatása s k legyen használva. A fűtőhatás közvetlenül a hűtőhatás a tárolás után dőben eltolódva. Ez az energa- és költséghatékonyság szempontjából rendkívül fontos lehet és hatására az SDH rendszer SDH/C (Solar Dstrct Heatng/Coolng) rendszerré válk mvel fogyasztó rendszer a fűtés gényén kívül a hűtés gényét s legalább részben el tudja látn. 7.7 ábra: A szezonáls hőtároló vze hőmérsékletének feltételezett változása az év folyamán 7.4 A napenerga szezonáls hőtárolásán alapuló távhőellátás kutatásának és fejlesztésének lehetséges útja A hagyományos rövd dejű hőtároláson alapuló napenergával támogatott épület hőellátás pac körülmények között zökkenőmentes megbízható földgázellátás esetében pénzügy ösztönzés hányában nem eléggé csábító a tulajdonosok ll. üzemeltetők számára annak ellenére hogy a helyes tervezés és kvtelezés eredményeképpen a többletköltségek a rendszer élettartama letelte előtt megtérülnek. 112

113 Az EU három 20%-os célktűzése érdekében a megújuló energák támogatására a tagországok különböző ntézkedéseket foganatosítanak. A leghatékonyabb a pénzügy támogatás de ezt megfontoltan kell alkalmazn hogy a pac vszonyok ne deformálódjanak túlságosan. Ezen a téren vannak még hányosságok. Példaként említhető hogy a szlovák kormány közelmúltban a napkollektorok telepítésének támogatását hozzáférhetővé tette a magánszemélyek számára s. Ez magában poztív fejlemény. Az vszont már meggondolatlan lépés volt hogy a bomassza-tüzelésű kazánok támogatását s kterjesztette. Ez ugyans aránylag gyorsan megtérülő beruházás volt már abban az dőben s. Ehelyett a napkollektorok és bomassza-kazánok kombnácójának támogatása lett volna ndokolt ha ez a földgáz kváltását eredményez. Ez remélhetőleg a bomassza és napenerga kombnácóján alapuló hőellátás terjedését a család házakban nagymértékben ösztönözné tehát az egyed hőellátás konkrét eseteben növelné a földgáz megújuló energával való teljes kváltásának esélyet. Ezekben a rendszerekben természetesen rövd dejű hőtárolás jöhet számításba. Ez azt jelent hogy a napenerga részaránya a rendszer tervezésétől függően jóval elmarad a bomassza részarányától. Az energaellátás fenntarthatósága és a környezetterhelés szempontjából előnyösebb lenne a fordított arány. Ez szezonáls hőtárolás alkalmazásával érhető el amt érthető módon nkább a szolárs távhőellátásnál lehet hatékonyan alkalmazn. A bomassza részarányának növelése mellett ennek tovább előnye hogy a hőközpontban olyan szekunder ntézkedéseket lehet alkalmazn a károsanyag-kbocsátás csökkentésére amelyek az egyén hőellátásnál nem jöhetnek számításba. Nem elhanyagolható az a tény sem hogy a nagyobb teljesítményeknél gazdaságosabban lehet alkalmazn olyan energahatékony és környezetbarát technológákat mnt a kapcsolt energatermelés és a hőszvattyúzás. A jelenleg üzemben lévő napenerga szezonáls hőtárolásán alapuló távhőellátó rendszerek tapasztalataból kndulva a hatékonyságuk növelése érdekében a kutatás és fejlesztés keretében többféle nnovácó lehetőségét kellene megvzsgáln: a kegészítő hőforrásban földgáz helyett bo-tüzelőanyag használata a kzárólag megújuló energán alapuló hőellátás elérése céljából; a bo-tüzelőanyag közvetlen hőtermelés helyett kapcsolt energatermelésre való felhasználása; a szezonáls hőtároló kapactásának növelése hőszvattyú segítségével úgy hogy ezenfelül a hőmérséklet rétegeződés khasználásával lehetővé váljon a lényegében melléktermékként generált hűtőteljesítmény khasználása s. Ezeket az nnovácós lehetőségeket fgyelembe véve a kutatás és fejlesztés tárgyát képező napenerga szezonáls hőtárolásán alapuló távhőellátó rendszer lehetséges alternatívájának elve egyszerűsített formában a 7.8 ábrán van szemléltetve. 113

114 7.8 ábra: Az nnovált rendszerstruktúrájú szezonáls hőtároláson alapuló szolárs távhőellátó rendszer elv vázlata 1 napkollektorok 2 kapcsolt energatermelő egység 3 szezonáls hőtároló 4 hőszvattyú 5 kazán 6 hőfogyasztó rendszer 7 hdegenergát fogyasztó rendszer Ahogy az év energamérleg 7.9 ábrán szemléltetett Sankey-dagramjából nylvánvaló az lyen rendszer az épületeknek nem csak a hőgényét de nagymértékben vagy akár teljesen a vllamosenerga- és hűtés gényét s fedezhet megújuló energaforrásokból. 7.9 ábra: Az év általános energamérleg Sankey-dagramja 1 szezonáls hőtároló 2 hőszvattyú 3 kapcsolt energatermelő egység 4 kazán 114

115 Az 7.9 ábrán az év energamérlegben a következő jelöléseket használtuk: Q 1 Q 1.1 Q 1.2 Q 1.3 Q 1.4 Q 1.5 Q 1.6 Q 1.9 Q 2 Q 2.1 Q 3 Q 3.1 Q H Q DHW Q C E 1 E 2 E N a napkollektorok által termelt hőmennység a hőfogyasztó rendszerbe a fűtés szezonban közvetlenül betáplált szolárs hő a hőfogyasztó rendszerbe a fűtés szezonban a hőtárolóból közvetlenül betáplált szolárs hő a hőfogyasztó rendszerbe a fűtés szezonban a hőtárolóból közvetve hőszvattyú közreműködésével betáplált szolárs hő a hőszvattyú által a a hőtárolóból ktermelt szolárs hő a hőtárolóba nyáron betáplált szolárs hő a hdegenerga-fogyasztókból a hőtárolóba elvezetett környezet hő a fogyasztó rendszerbe betáplált hdegenerga a kapcsolt energatermelő egység tüzelőhő-felhasználása a fogyasztó rendszerbe betáplált kapcsoltan termelt hő a kazán tüzelőhő felhasználása a kazánból a fogyasztó rendszerbe betáplált hő a fűtés év hőgénye a használat meleg víz készítésének év hőgénye az épületek és az égés levegő hűtésére felhasznált hdegenerga kapcsoltan termelt vllamos energa a hőszvattyú üzemeltetésének vllamosenerga-génye a hálózatba betáplált vllamos energa. Az eddg tapasztalatok szernt s a távhőellátásnál a hasznosított napenerga fajlagos költsége alacsonyabbak lehetnek mnt az egyed megoldásoknál és a hőteljesítmény növelésével csökkennek. Az 7.8 ábrán szemléltetett nnovált rendszer jó gazdaságosság mutatónak feltétele annál s nkább a nagyobb hőteljesítmény mert a kapcsolt energatermelés gazdaság előnye s nkább a nagyobb teljesítményeknél érvényesülnek. A napenerga adott részaránya mellett ezt temészetesen korlátozza a szezonáls hőtároláshoz szükséges térfogat. Annak növelése ugyan a hőtároló fajlagos költségenek csökkenéséhez vezet de egy bzonyos határon túl a megvalósítás lehetőséget különböző építőtechnka elhelyezés és egyéb problémák nagymértékben korlátozhatják. 7.5 A napenerga szezonáls tárolásán alapuló távhőellátó rendszer egy konkrét változatának energamérlege A napenerga szezonáls tárolásán alapuló távhőellátó rendszerek megvalósítás esélye vzsgálatának érdekében ndokoltnak tartottuk a 7.8 ábra szernt rendszer egy lehetséges változata emergamérlegének egyszerű elemzését. Kassa környék fogyasztó rendszert feltételeztünk 1 MW maxmáls hőveszteséggel (kb. 100 család ház hőgénye). Ismert tény hogy a kapcsolt energatermelés gazdaságosságának alapfeltétele a magas év khasználás dőtartam. Ezért ajánlatos a használat meleg víz készítésére méretezn. Igy elméletleg egész évben üzemeltethető. Tekntettel a hőgények egyenlőtlen dőbel eloszlására az ellátás rugalmassága és hatékonysága érdekében rövd dejű hőtárolás alkalmazása szükséges. Az 7.8 ábrán látható egyszerűsített rendszerstruktúrában ez nncs szemléltetve. Mvel a rendszer esetleges megvalósítása közelében bogáz-termelés lehetősége körvonalazódk gázmotoros vagy mkroturbnás egység alkalmazása jöhet legnkább számításba. Esetünkben a mkroturbnát tartjuk a jobb megoldásnak elsősorban azért 115

116 mvel annak a vllamos teljesítménye az égés levegő hűtésével jelentősen növelhető és erre a lényegében a hőellátás melléktermékeként keletkező hdegenergát előnyösen fel lehet használn. Konkrétan egy 70 kw vllamos teljesítményű és 108 kw hőteljesítményű mkroturbna alkalmazásával számoltunk. A javasolt koncepcóban a fűtés hőgény napenerga és a kazánban szlárd bomassza égetésével nyert hő kombnácójával van fedezve. Esetünkben a nagyjából 43%-os szolárs részarány eléréséhez kb m 2 aktív kollektorfelület és m 3 térfogatú melegvzes szezonáls hőtároló lenne szükséges. A napkollektorokkal nyáron termelt hőt teljes mértékben a hőtárolóba kell betápláln am ezáltal kb. 85 C-ra töltődk fel. A fűtés szezon első szakaszában kb. december végég a fűtés hőgény a kazánnal és a napkollektorokkal közvetlenül termelt hő valamnt a hőtartályban tárolt szolárs hő közvetlen felhasználásával lenne kelégítve. A hőtároló ezáltal feltehetően kb. 35 C-g merül k. Az ennek megfelelő alacsony hőmérsékletszntű maradék-hő a napkollektorokban és a kazánban termelt hővel együtt a másodk szakaszban a hőszvattyú által van a fogyasztó rendszerbe betáplálva. Következésképpen a hőtároló 5 C körül hőmérsékletre merül k. Ez lényegében azt jelent hogy a fűtés szezon elteltével a hőtároló hdegenerga-tárolóvá válk és felhasználható hűtés gények kelégítésére. Az épület hdegenerga-fogyasztók ellátása mellett nagy jelentősége van az önfogyasztás fedezésének s am a turbna égés levegőjének hűtését jelent. Ez a vllamos teljesítmény és a hatásfok növeléséhez vezet lletve magakadályozza azok csökkenését amt a magas környezet hőmérséklet okozna. A nyár dőszakban a hőtároló feltöltése és a hdegenerga hasznosítása egydejűleg mennek végbe. A fogyasztókból elvezetett hő nem terhel a környezetet mnt a hagyományos hűtés rendszerek esetében hanem a kollektorokban khasznált napenergával együtt betápláljuk a hőtárolóba és a fűtés szezonban hasznosítjuk a hőellátásnál. Hozzávetőlegesen 160 MWh/a hdegenergát lehet melléktermékként hasznosítan a nyár hűtés gények fedezésére. Ha a hűtés tényező értékét 45-re vesszük a hagyományos kompresszoros hűtés rendszerhez vszonyítva ez 355 MWh/a vllamosenerga-megtakarítást eredményez. A vllamos energa feltételezett 37%-os termelés szállítás és elosztás hatásfoka esetében ez 959 MWh/a prmerenergának felel meg. Megjegyzés: A hűtőközeg a hdegenerga-fogyasztókban 20 C körül hőmérsékletre melegedne fel. Ezért megfontolandó a kollektorok és fotocellás panelok olyan kombnácójának lehetősége amelynél ez a hűtőközeg fel lenne használva a fotocellás panelok hűtésére. Ezáltal ugyans nő a hatásfokuk. (Ezzel a lehetőséggel az energamérlegben egyenlőre nem számoltunk). Végül az gy kb. 30 C-ra felmelegedett hűtőközeg szállítaná el a kollektorokból a szolárs hőt és töltené fel a hőtárolót újra a 85 C körül hőmérsékletre. A hőszvattyú helyes alkalmazása a rendszer hatékonyságát lényegesen növel azáltal hogy növel a hőtároló kapactását tehát csökkent a szükséges térfogatot; lehetővé tesz az épületek hűtés gényének fedezését; a mkroturbna égés levegőjének hűtésével növel a kapcsoltan termelt vllamos energa mennységét. 116

117 A hagyományos hőszvattyú-alkalmazásokkal szemben ebben az esetben a khasználható hőfokhíd lényegesen nagyobb. Ezért a magasabb hatékonyság elérése érdekében többfokozatú hőszvattyúzást kell alkalmazn ellentétben az 7.8 ábrán szemléltetett rendszerstrutúrával ahol a jobb átteknthetőség érdekében csak egy fokozat van ábrázolva. Ha a kollektorok dél felé való tájolását feltételezzük 30 -os dőlésszög mellett akkor a fogyasztó rendszer éves hőgénye a következőképpen lenne fedezve a egyes hőforrások szernt (7.10 ábra): kapcsoltan termelt hő: Q DHW = 8515 MWh/a a napkollektorokból közvetlenül: Q 11 = 3040 MWh/a a hőtárolóból közvetlenül: Q 12 = 5197 MWh/a a hőtárolóból hőszvattyú által: Q 13 = 4908 MWh/a a kazánból: Q 31 = MWh/a. A HŐIGÉNYEK FEDEZÉSÉNEK STRUKTÚRÁJA MWh Január Áprls Júlus Október Hónap Kazán MWh Hőtároló - HSz MWh Hőtároló - közvetlen MWh Napkollektorok MWh Kapcsolt hő MWh 7.10 ábra: A fogyasztó rendszer hőgénye fedezésének struktúrája A javasolt koncepcónál a kapcsolt energatermelő egység a használat meleg víz készítése hőgényének fedezésével egydejűleg 6132 MWh/a vllamos energát termelhet. Ha leszámítjuk az önfogyasztást am főleg a hőszvattyúzás energagényének kelégítése a vllamosenerga-rendszerbe mntegy 460 MWh/a energát lehet előnyös áron eladn. A hagyományos hőellátó rendszer esetében ez MWh/a prmerenerga-ráfordítással lenne ktermelve. 117

118 7.1 táblázat: Napenerga szezonáls tárolásán alapuló hőellátás rendszer vzsgált változatának összehasonlítása hagyományos rendszerrel Napenerga szezonáls Hagyományos hőellátás hőtárolásán alapuló hőellátás Maxmáls fűtés hőteljesítmény 1 MW 1 MW A HM készítésének 0108 MW 0108 MW hőgénye Hő-/hdegenergatermelő berendezések Prmerenergafogyasztás Kapcsolt energatermelő egység (bogáz 70 kwe 108 kwth) Napkollektorok (2000 m 2 ) és szezonáls hőtároló ( m 3 ) Hőszvattyú (022 MW) Kazán (bogáz vagy szlárd bomassza 07 MW) Kazán (földgáz 12 MW) Kompresszoros hűtőberendezés (02 MW) MWh/a MWh/a (hőtermelés) 959 MWh/a (hdegenerga-termelés) MWh/a (vllamosenerga-termelés) Hőtermelés 3484 MWh/a 3484 MWh/a Vllamosenergaszolgáltatás 460 MWh/a 0 Hdegenerga-termelés 160 MWh/a / 0 0 / 355 MWh/a / hűtés vllamosenergafogyasztása A napenerga szezonáls tárolásán alapuló hőellátás rendszer vzsgált változata enegamérlegének fontosabb tételet a 7.1 táblázatban foglaltuk össze amely lehetővé tesz a megfelelő hagyományos rendszerrel való összehasonlítást s. Az 7.1 táblázat adataból nylvánvaló hogy a napenerga szezonáls tárolásán alapuló hőellátó rendszer vzsgált változatára a magas beruházás költséggény jellemző. Ezzel szemben az üzemeltetés év energamérlege jóval kedvezőbb mnt a hagyományos földgázalapú hőellátás esetében. Különösen fontos az a tény hogy a kb. 460 MWh/a energa eladása a vllamosenerga-rendszerbe /a bevételt jelentene (adózás előtt) és CO 2 -kbocsátás csökkentésének esetleges előnyös értékesítése ezt tovább kb /a-val növelné. Hogy mndez mlyen mértékben javíthatja a rendszer gazdaságosságát lletve mlyen ntézkedések alkalmazása lenne célszerű a versenyképességének támogatására egy átfogó megvalósíthatóság tanulmány keretében kellene megvzsgáln. 118

119 7.6 Melegvzes szezonáls hőtároló hőmérséklet rétegeződésének egyszerűsített vzsgálata Energetka szakembereket már hosszú deje foglalkoztatja az a probléma hogy mlyen alternatív energaforrásokkal lehetne kváltan a fosszls energahordozókat amelyek készlete a nem túl távol jövőben teljesen kmerülnek. Bár végleges megoldásnak nem teknthető jelenleg a megújuló energaforrások ntenzívebb khasználása került az érdeklődés középpontjába. Ismert tény hogy a napsugárzástól a Föld egy óra alatt több energát nyer mnt a teljes év energaszükséglete és ez a folyamat a tudósok szernt még több mnt 4 mllárd évg fog tartan. Ezért érthető hogy mnt a legfontosabb elsődleges megújuló sőt ellentétben a geotermkus energával lényegében kmeríthetetlen energaforrás jön számításba. A fzka lényegének megfelelően a Nap sugárzás energáját legnkább a hőellátásnál lehet hasznosítan. Ennek legnagyobb buktatója hogy a napsugárzásból termelhető hasznos hő mennysége és mnősége s erősen függ a napszakok és évszakok valamnt az dőjárás és éghajlat vszonyok váltakozásától. A szolárs hőtermelés általában olyankor a legntenzívebb amkor arra legkevésbé van szükség és fordítva. Ezért a szolárs hőellátás szempontjából kulcsfontosságú a hőtárolás problémák megoldása. A Nap sugárzó energájának hosszú dejű tárolását a természet ésszerűen megoldotta a fotoszntézs által amely a bomassza keletkezésével nylvánul meg. A bomassza mnt könnyen tárolható szállítható és sokoldalúan felhasználható vegyleg kötött napenergaforma a jelenleg legfontosabbnak tartott megújuló energaforrásunk. Ennek ellenére az energatermelésre való felhasználása erősen korlátozott mert elsősorban az élelmezés gényeket hvatott kelégíten. Ezenfelül nem elhanyagolható az a tény sem hogy egyenlő nagyságú területen napkollektorokkal szer anny hőt lehet termeln mnt amenny a megtermelt bomasszából nyerhető. Nem véletlen hogy a hőgények kelégítésénél egyre nagyobb szerep jut a szolárs hőtermelésnek amely a környezetet jóval kevésbé terhel mnt a bomassza lyen célú felhasználása. Vszont a szolárs hő tárolása és szállítása sokkal gényesebb. A napszakok és az dőjárás változása által okozott problémák kezelésére szolgáló rövd dejű hőtárolás már jelenleg s hatékonyan megoldható de a kutatás és fejlesztés ezen a téren s tovább folyk. A szolárs hőellátásban az gaz áttörést szezonáls hőtárolással lehet elérn. Ennek célja a nyáron termelt szolárs hőfölösleg tárolása a fűtés szezonra amkor nem csak a használat víz melegítésére hanem fűtés gények kelégítésére s fel lehet használn. Igy a rendszer a méretezésétől függően akár a 100%-os szolárs részarányt s el lehet érn de a szakemberek többnyre a 40 70%-ra való méretezést tartják ésszerűnek. Ezzel szemben a rövd dejű hőtárolás esetében ez a fontos mutató általában nem ér el a 30%-ot. A szezonáls hőtárolással elsőként Svédországban és Dánában kezdtek el foglalkozn de ma már a legtöbb nformácó a Németországban megvalósított projektekről áll rendelkezésre. Ezekből nylvánvaló hogy a szezonáls hőtároló a szolárs távhőellátó rendszer legtőkegényesebb része ezért kemelt fgyelmet kell szenteln a tervezés kvtelezés és üzemeltetés problémának. A tervezésnél a matematka modellezés s eredményesen alkalmazható főleg a feltöltés és kmerítés dnamkus folyamatanak analtkus vzsgálatánál. Ennek eredménye hatékonyan segíthetk a fő célktűzés elérését: olyan szerkezet megoldást és üzemeltetés stratégát találn amelynél a tárolóban a víz hőmérsékletének év lefolyása nagyjából megfelel a 7.7 ábrán szemléltetettnek. 119

120 Első lépésként az ezen folyamatok dnamkájának matematka leírását kell elvégezn. Mvel a tervezés támogatásánál a matematka modell egyszerűsége és könnyű kezelhetősége fontos követelmény kezdet szakaszban a folyamatok és állapotok egyszerűsített leírását találtuk előnyösnek Homogén és rétegeződő hőtároló A melegvzes hőtárolóban a megfelelő szerkezet felépítés esetében a hőmérséklet rétegeződés a feltöltés és kmerítés dnamkus folyamata során alakul k. A vzsgálatához szükséges matematka leírás érdekében az egyk legfontosabb egyszerűsítés a homogén hőtároló fogalma. Ennél feltételezzük hogy hőtárolóban található munkaközeg hőmérséklete a tökéletes keveredés következtében a térfogat mnden pontjában egyenlő csak dőben változhat. A homogén hőtároló esetében tehát nem alakul k hőmérséklet rétegeződés. Ha a munkaközeg a különböző hőmérséklettel úgy van betáplálva lletve elvezetve hogy a sűrűség különbözősége nem váltja k a függőleges rányú konvektív keveredést am a hőmérséklet gyors kegyenlítődéséhez vezetne rétegeződő tárolóról beszélhetünk. A rétegeződő tároló modelljénél feltételezzük hogy az vékony vízszntes rétegek halmaza (7.11 ábra) amelyekben a munkaközeg hőmérséklete térben nem változk csak dőben. Ez azt jelent hogy mnden egyes réteget homogén parcáls hőtárolóként vzsgálhatunk ábra: A rétegeződő szezonáls hőtároló elv modellje 120

121 A rövd dejű tárolásra alkalmas nyomásos hőtároló hőmérséklet rétegeződésének egyszerű matematka leírásával [8] foglalkozunk. A szezonáls hőtárolásra vszont esetünkben csak nytott nyomásmentes tároló alkalmazása jöhet számításba. Ezenkívül a részletesebb elemzés szernt a [8] forrásban közölt matematka leírás néhány részletének helyessége megkérdőjelezhető. Ezért célszerűnek találtuk egy új matematka modell kdolgozását amely lehetővé tesz a melegvzes szezonáls hőtároló hőmérséklet rétegeződésének vzsgálatát a feltöltés és kmerítés folyamatoknál. Erre a problémára javasolnak általános megoldást a [5] szerző. Ebben a [8] hatására feltételezk hogy feltöltés és kürítés folyamatok egydejűleg s végbemehetnek. Ez a matematka modellt fölöslegesen tesz nehezen kezelhetővé mvel esetünkben a feltöltés és kmerítés folyamatok egydejűsége nem jön számításba A matematka leírás termodnamka alapja Az esetleges tévedések valószínűségének csökkentése érdekében célszerű a termodnamka alapokból knduln. Mnden egyes réteg nytott termodnamka rendszerként kezelhető amelyben az energa dőben változását a termodnamka I. főtétele alkalmazásával több belépő és klépő tömegáramot feltételezve [2] szernt a következő mérlegegyenlet felhasználásával írhatjuk le: de dt Q P n m n 2 v ( h 2 gz) n out m out 2 v ( h 2 gz) out (7.1) ahol E a rendszer teljes energája [J]; Q a rendszer és környezete között kalakult hőáram (felvett vagy leadott hő) [W]; P a rendszer és környezete között mechanka együtthatás (felvett vagy leadott teljestmény) [W]; m n a rendszerbe belépő tömegáram [kg/s]; m out a rendszerből klépő tömegáram [kg/s]; h n / h out a belépő/klépő tömegáram fajlagos entelpája [J/kg]; 2 v 2 n 2 v 2 tömegáram fajlagos knetka energája [J/kg]; n out tömegáram fajlagos potencáls energája [J/kg]. out a belépő/klépő g z g z a belépő/klépő A (7.1) egyenlet esetünkben mnden egyes rétegre egyszerűsített formában alkalmazható. A rendszer és környezete között esetünkben nncs mechanka együtthatás tehát P = 0. Továbbá feltételezzük hogy a rendszer teljes energájából a hőmérséklettől való függőség matt s elég fgyelembe venn a belső energát és a knetka valamnt a potencáls energa elhanyagolható. Ezek szernt érvényes: de du m c v dt 2 v 2 n 2 v 2 out 0 ( g. z) ( g. z) 0 n out 121

122 És egy tetszőleges -edk réteg mérlegegyenlete a mc v dt dt Q n m h m h n out out (7.2) alakra módosul. ahol m a rétegben (homogén tárolóban) található munkaközeg tömege [kg]. A munkaközeg fajlagos entalpája a h c p T összefüggéssel fejezhető k. Mvel a munkaközeg folyadék esetünkben víz a c v és c p fajlagos hőkapactások értéke egyenlők tehát írhatjuk: c c v c p. Mnden réteg anyagmérlegét egyszerűen lehet kfejezn. A feltöltésnél amkor a tároló a munkaközeg m tömegáramával töltődk fel: z n m n m out out m z A kmerítésnél amkor a munkaközeg tömegárama m s : n m n m out out m s Hőmérséklet rétegeződés a feltöltésnél A hőtároló feltöltésének legegyszerűbb esete ha az a tároló folyadék állandó T zn hőmérsékletű m z tömegáramával valósul meg. Az 7.11 ábrán tehát az m s 0 összefüggést feltételezzük. Ebben a folyamatban az egyes rétegek hőmérséklete fölülről lefelé fokozatosan csökken. Az egyes rétegekben a tároló munkaközeg hőmérsékletének dőben lefolyását a (7.2) egyszerű dfferencálegyenlettel lehet leírn. Ezt a hőmérséklet rétegeződés vzsgálata céljából a feltöltésnél a következő alakban célszerű kfejezn egy tetszőleges -edk rétegre: dt dt ( m c Q mz h 1 h ) Q Qm ahol: Q az -edk réteg és környezete között teljes hőáram [W]; Q m (7.3) az -edk rétegbe a tároló közeg tömegárama által szállított hőáram) [W]. Az -edk réteg és környezete között hőáramot célszerű a következőképpen kfejezn: Q Q s Q c n Q c out (7.4) ahol: az -edk réteg és a külső környezet között hőáram (hőveszteség ll. -nyereség) Q s [W]; Q c n az -edk rétegbe a magasabb hőmérsékletű szomszédos rétegből átlépő konduktív hőáram [W]; Q c out szomszédos rétegbe átlépő konduktív hőáram [W]. az -edk rétegből az alacsonyabb hőmérsékletű 122

123 A külső környezet hőmérsékletét T Ö -ra véve egy tetszőleges -edk rétegre felírható: Q s U A T To (7.5) Az 1 K hőmérsékletkülönbségnél fellépő A rétegek esetében a következő kfejezés érvényes: U A U s Az ahol: U fajlagos hőáramra az = 2 és N között (7.6) U s a külső környezet és a rétegben lévő tároló munkaközeg között hőátbocsátás együttható [W/m 2.K]; határoló felület [m 2 ]. A z D z a z vastagságú réteg és a külső környezet között Az N+1-edk rétegre felírható: U A U D AD ahol: D (7.7) U a tároló fenék-felületére érvényes hőátbocsátás együttható [W/m 2.K]; tároló fenék-felületének nagysága [m 2 ]. AD a Az = 1 réteg és környezete között hőáram kfejezését a nyomásos tárolóhoz vszonyítva bonyolultabbá tesz a víz szabad felszíne fölött levegőréteg. A felszínből klépő hőáram szabad konvekcó sugárzás és párolgás közös eredménye. Ebben az esetben a rétegből és a felszín fölött lévő levegőrétegből a környezetbe elvezetett eredő hőáram közelítően a következő összefüggéssel fejezhető k: Q s. A U. A Us Az. O. U. A. A Ebből adódk: U ahol: v q v v T T T T v v. A U. A q O (7.8) v q v v A Us Az (7.9) Uv. Av. Aq v a víz felszínén kalakuló eredő hőátlépés együttható [W/m 2.K]; Uv levegőréteg és külső környezet között hőátbocsátás együttható [W/m 2.K]; levegőréteg határoló felületének nagysága [m 2 ]. Av a a Az -edk réteg és a szomszédos rétegek között konduktív hőáramokat a következő összefüggésekkel fejezhetjük k: Q Q ef c n Aq ( T 1 A z z T ) ( T T ) 1 ef c out q ahol: ef (7.10) (7.11) a víz effektív hővezetés tényezője [W/m.K]; z a rétegek vastagsága [m]. A (7.3) összefüggésben a tároló közeg tömegárama által az -edk rétegbe szállított hőáramot a következő kfejezéssel adhatjuk meg: Q m mzc( T 1 T ) (7.12) 123

124 Az = 1 réteg esetében Q m c( T ) 1 (7.13) m z z n T ahol: T zn az = 1 rétegbe belépő tömegáram hőmérséklete [ C K]. Az = N+1 réteg zárt rendszernek teknthető ezért m 0 és következésképpen Q m 0. Az előző megfontolásokat fgyelembe véve egy tetszőleges - edk réteg hőmérséklete dőben lefolyása vzsgálatára a (7.3) dfferencálegyenletet a következőképpen módosíthatjuk: dt m c dt ef ef ( U. A) ( T T0 ). Aq ( T 1 T ). Aq ( T T 1) z z m c( T T ). m c( T T ) (7.14) z z n z 1 z A számítások menetének rányítása céljából a következő segéd-együtthatók lettek alkalmazva: = 0 ha = 1 = 1 ha 1 = 0 ha = N+1 = 1 ha N+1 = 1 ha = 1 = 0 ha 1 = 1 ha = 2 N = 0 ha = N+1 Abban az esetben ha a hőtároló töltése a napsugárzás hányában szünetel vagys m 0 z a szomszédos rétegek ll. az egyes rétegek és a külső környezet között csak hőáram által együtthatás létezk ezért a (7.14) egyenletben 0. A hőtároló hőmérséklet rétegeződése dőben lefolyása a (7.14) dfferencálegyenlet alapján a feltöltés során az egyszerűsítések matt közelítő pontossággal vzsgálható. Ha az eredmények alapján csak arra keresünk választ hogy hogyan befolyásolja a tároló szerkezet kalakítása a rétegeződés folyamatát ez a pontosság kelégítő. Az egyenlet megoldásánál abból ndulunk k hogy az smert szerkezet kalakítású hőtárolóban smerjük az egyes rétegek kezdet hőmérsékletét. Továbbá feltételezzük hogy a hőtároló töltése a tároló folyadék állandó m z tömegárama és T zn hőmérséklete mellett valósul meg. A számítást mnden egyes rétegre el kell végezn. Az eredményt mnt kétdmenzójú mátrxot képzelhetjük el T j tagokkal ahol az = 1 N+1 a rétegeket jelöl és a j = 1 M az dőpontokat. Egy tetszőleges -edk rétegben eszernt t j dőpontban a hőmérsékletet a következő összefüggéssel fejezhetjük k: T j T j1 T j (7.15) ahol a t = t j t j-1 dő alatt hőmérsékletváltozást a (7.16) egyenlet alapján fejezhetjük k a következő alakban: 124

125 t ef ef T j [ ( U. A) ( T j T0 ). Aq ( T 1 j T j). Aq ( T j T 1 j) mc z z m c( T T ). m c( T T )] z z n j z 1 j j (7.16) A számításoknál természetesen fgyelembe kell venn a segéd-paraméterek valamnt az (U.A) kfejezés aktuáls értéket a réteg helyzete lletve az üzemmód függvényében. A megfelelő számítástechnka eszközök felhasználása lehetővé tesz az eredmények grafkus megjelenítését. Ennek alternatív elve a 7.12 ábrán van szemléltetve ábra: A hőmérséklet rétegeződés szmulácója eredményenek szemléltetés módja a hőtároló töltésénél A hőtároló kmerítésénél megvalósuló hőmérséklet rétegeződés Ha a hőtárolóban a munkaközeg hőmérséklete magasabb a külső környezet hőmérsékleténél (ez a leggyakorbb eset) a termodnamka II. főtétele értelmében a kegyenlítődés folyamata hőáramot hoz létre am által hő távozk a környezetbe. Ez hőveszteséget jelent am csökkent az energahatékonyságot ezért gyekszünk a mértékét ésszerűen mnmáls szntre csökkenten a szerkezet kalakítás által. Ezt természetes ürülés folyamatként foghatjuk fel amely mnden üzemmód kísérő jelensége. A (7.14) egyenletben az (U.A). (T T 0 ) tag képvsel. A mesterséges ürítés folyamat a tároló folyadék állandó T sn hőmérsékletű tömegáramával valósul meg am ellentétben a feltöltéssel az = N rétegbe lép be és az = 1 rétegből van elvezetve. Ez azt jelent hogy a mesterséges kmerítésnél az egyes rétegek alulról fölfelé fokozatosan hűlnek. Egyébként a rétegeződés matematka leírására hasonló megfontolások érvényesek mnt a töltés folyamatánál. Az ürítésnél a T j mátrx tetszőleges tagjára a (7.15) összefüggés szntén érvényes. m s 125

126 A t = t j t j-1 dő alatt hőmérsékletváltozást az előzőhöz hasonló megfontolások alapján a következő összefüggéssel fejezhetjük k: ahol: az t ef ef T j [ ( U. A) ( T j T0 ). Aq ( T 1 j T j). Aq ( T j T 1 j) mc z z m c( T T ). m c( T T )] s j s n z j 1 j segéd paraméterekre érvényes: = 1 ha = N (7.17) = 0 ha N = 1 ha = 1 N-1 = 0 ha = N Az (U.A) kfejezés a réteg helyzetének függvénye ezért ugyanazokkal az összefüggésekkel vehetjük fgyelembe mnt a feltöltésnél A matematka modell pontosságának szempontja A rétegeződő szezonáls hőtároló 7.11 ábrán szemléltetett modellje a homogén hőtároló elvének alkalmazásán alapul am szernt a tároló munkaközeg hőmérséklete az egyes rétegek mnden pontjában egyenlő tehát csak függőleges rányú hőmérsékletváltozással számol. Ez természetesen nem felel meg a valóságnak mert a külső környezet és a rétegek között határoló felület közelében a hőközlés következtében alacsonyabb esetenként magasabb a hőmérséklet mnt a távolabb részekben. Ezenkívül az rétegek között határokon a hőmérséklet ugrásszerűen nem változhat. Az lyen egyszerűsítés által okozott pontatlanság főleg a kör keresztmetszetű tárolók esetében tolerálható és a rétegek számának növelésével csökkenthető. A tároló folyadék esetünkben a víz jellemzőnek hőmérséklettől való függőségét az tt közölt matematka leírás hasonlóan mnt a [8] nem vesz fgyelembe. A fajlagos hőkapactás esetében ez nem okozhat elfogadhatatlan pontatlanságot vszont a hőtágulás elhanyagolásának ndokoltságával foglalkozn kellene. A nyomásos hőtároló esetében amellyel a [8] szerzője foglalkozk a hőtágulást aránylag egyszerűen fgyelembe lehetne venn. A munkaközeg a tároló teljes térfogatát ktölt így az egyenlő vastagságú rétegekre osztható amelyekben a munkaközeg tömegét a hőmérséklet függvényében aránylag egyszerűen kfejezhetjük. A szezonáls hőtárolásra használt melegvzes tárolók kvétel nélkül nyomásmentesek tehát a munkaközeg nem tölt k a tároló teljes térfogatát és az állandó mennységű folyadék szabad felszínének magassága s változk a hőmérséklet függvényében. Ez azt jelent hogy a hőtágulás fgyelembevételénél a rétegekre való felosztás problémáját s meg kell vzsgáln. A matematka modell tovább fejlesztésének legfontosabb problémája a valós körülmények fgyelembevétele. Az egyszerűsített modellnél feltételezzük hogy a tároló munkaközeg tömegárama és hőmérséklete állandó. Ez az elképzelés különösen a feltöltés folyamatának jelentős mértékű torzítása. A kollektorok teljesítménye ugyans a napsugárzás ntenztásának függvényében változk. Ebben az esetben a feltöltéshez génybe vett tömegáram kétféle módon szabályozható: 1. állandó hőmérsékletnél változk a mennység 2. állandó mennységnél változk a hőmérséklet. 126

127 Az 1. eset a hőmérséklet rétegeződés szempontjából előnyösebb és nem gényel jelentős változtatást a feltöltés folyamatának matematka leírásában. Mvel a napsugárzás ntenztása aránylag tág határok között változhat az lyen szabályozás lehetősége a gyakorlatban korlátozottak. Ezért újabban a hőmérséklet rétegeződés bebztosítására specáls berendezést használnak amelyk a változó hőmérsékletű tömegáramot az azonos hőmérsékletű rétegbe táplálja be. Ennek fgyelembevétele már bonyolultabb változtatást gényel a matematka modellben. Az tt leírt koncepcó a szolárs hő fajlagos költségenek csökkentésére összpontosít a szezonáls hőtároló hatékonyabb khasználása által. Ennek lényege a hőtároló nagyobb mértékű kmerítése hőszvattyú segítségével. Ennek fontos következménye az hogy a hőtároló a fűtés szezon vége felé lényegében hdegenerga tárolójává válk. A koncepcó gyakorlat megvalósítása érdekében a hőtároló feltöltésével és kürítésével összefüggő folyamatokat főleg a hőmérséklet rétegeződést alaposan meg kell vzsgáln. Ehhez hatékony segítséget nyújthatnak a számjegyes szmulácó által nyert eredmények amelyhez a szükséges szoftver első változatát a ckkben bemutatott egyszerűsített matematka modell alapján s k lehet dolgozn. A pontosság növelése és a használhatóság lehetőségenek kszélesítése tovább fejlesztést gényel a felvázolt szempontok alapján. 127

128 8. ALACSONY ENERGIAIGÉNYŰ ÉS PASSZÍVHÁZAK HŐELLÁTÓ RENDSZEREI Az épület hőgények (fűtés hűtés melegvíz-készítés) kelégítése az Európa Unóban a teljes végenerga felhasználásban több mnt 40%-kal részesül és ezen a területen van az aránylag könnyen megtakarítható energa legnagyobb potencálja. Ennek khasználása az EU energapoltkája három 20%-os célktűzésének teljestéséhez döntő mértékben hozzájárulhat. Ezzel kapcsolatban említésre méltó az RHC (Renewable Heatng & Coolng) European Technology Platform kadványában (Common Vson for the Renewable Heatng & Coolng sector n Europa) megfogalmazott célktűzés amely szernt az Európa Únnóban 2050-től a fűtés gényeket 100%-ban megújuló energaforrásokból kell fedezn. Az előző fejezetben smertetett SDH rendszer alkalmazásával ez a cél a a napenerga domnáns részaránya mellett tehát messzemenően környezetbarát módon elérhető. A 7.8 ábrán szemléltetett SDH/C rendszer amely az SDH renszerek új generácóját képvsel ezt az energaellátás célt magasan túlteljesít mert a fogyasztó rendszer fűtés hőgényén felül részben vagy akár teljesen a hűtés és vllamosenerga-gényét s fedezhet megújuló energaforrásból ha a napenerga boenergával (szlárd bomassza esetleg bogázzal kombnálva) van kegészítve. Az lyen rendszereket főleg társasházak távhőellátásánál lehet hatékonyan alkalmazn de család házakat főleg sorházakat s el lehet látn lyen rendszerrel. A család házak fűtés gényének teljes mértékben megújuló energaforrásból való fedezésére jelenleg nkább a 8.1 ábrán szemléltetett elv vázlaton alapuló rendszer alkalmazását tarthatjuk reálsabb alternatvának. A rendszer kulcsfontosságú eleme egy rétegeződő rövd dejű hőtároló amely a rendszerben valamféle energamenedzserszerepet tölt be. Betárolja a lokáls hőtermelők által termelt hőt és ellátja a hőleadókat. Ha kzárólag megújuló energaforrások felhasználásával számolunk a következő hőtermelők jönnek számításba: napkollektor hőszvattyú bogázzal vagy boetanollal üzemelő kazán szlárd bomasszával üzemelő kazán vagy vízteres kandalló lletve kandallókályha. 128

129 A lokáls hőtermelésen kívül a rendszer fontos jellemzője hogy ellenben az SDH rendszerekkel a hőtárolás rövd dejű. Következésképpen egyrészt a tüzelőanyagok elégetésével okozott környezetterhelés másodlagos beavatkozások által való csökkentésének lehetősége jóval korlátozottabbak másrészt az elérhető szolárs részarány sokkal ksebb mnt az SDH rendszereknél. Ebből kfolyólag ez az alternatíva kevésbé környezetbarát. A hagyományos építésű házak hőellátásánál a következő hőleadók jönnek számításba: - klasszkus radátorok - alacsony hőmérsékletű sugárzó fűtés hőleadó (padló- fal- vagy mennyezetfűtés) - fan col berendezések - a használat meleg víz készítésére szolgáló hőcserélő. Az alacsony energagényű és passzívházak esetében ezeken kvül lletve ezek helyett a hővsszanyerős szellőztetésnél a frss levegő előmelegítésére és a befúvott levegő utómelegítésére szolgáló hőcserélők s detartoznak. A 8.1 ábrán szemléltetett vázlat szernt a fűtés gény kzárólag megújuló energaforrásból elvleg fedezhető attól függetlenül hogy mlyen nagy a ház fajlagos hőgénye. Környezetvédelm és gazdaságosság szempontból vszont fontos az energafelhasználásnak egy ésszerűen mnmáls értékre való csökkentése ezért nem csak az energa termelésének hatékonyságát kell növeln hanem megfelelő ntézkedésekkel a fogyasztó oldalon csökkenten az energagényt. 8.1 ábra: Család ház megújuló energaforrásokon alapuló hőellátásának elv lehetősége Forrás: [9] A fűtés energagénye a fajlagos fűtés hőgény értékével jellemezhető. Eszernt a házakat a következő kategórákba csoportosíthatjuk: zéró energa ház fűtés hőgény: 0 5 kwh/m 2 a passzívház fűtés hőgény: 5 15 kwh/m 2 a alacsony energagényű ház fűtés hőgény: kwh/m 2 a 129

130 energatakarékos ház fűtés hőgény: kwh/m 2 a jelenleg állapot fűtés hőgény: kwh/m 2 a energagényes ház fűtés hőgény: 100 kwh/m 2 a fölött. Az energagények csökkentése az EU energapoltkájának kemelt feladata közé tartozk. Ezért az EB drektvá az épületek energahatékonyságára egyre szgorúbb követelményeket támasztanak. Az egyk legfontosabb célktűzés hogy 2020 után már csak passzívház mnőségű épületek épülhetnek. Ez nem jelent azt hogy addg marad mnden a régben. Már ma s a követelmények fokozatos szgorodásához kell alkalmazkodn. Részben ennek köszönhető hogy a leghatékonyabb energatakarékosság ntézkedések az épületek pótlagos hőszgetelése és a nyílászárók cseréje egyre népszerűbbé válnak. Még poztívabb fejlemény hogy az új építésű épületeknél esetleg rég épületek lényeges felújításánál már most sok esetben az alacsony energagényű vagy jobb esetben a passzívház mnőségének elérését tűzk k célul. Mvel a pac vszonyok között a gazdaság válság matt s az lyen vállalkozás eléggé kockázatos ezt a tendencát mnden kormány energapoltkájának ösztönözn és támogatn kellene. 8.1 Az alacsony energagényű és passzívházak szellőztetése Az alacsony energagényű és passzívházak energagénye a hagyományos épületekétől lényegesen ksebb és ezért épületgépészetük s sokban különbözk főleg a fűtés és szellőztetés. A hagyományos épületek hőveszteségében a határoló felületeken fellépő hőátbocsátás az úgynevezett transzmsszós veszteség domnál. Ez hőszgetelés alkalmazásával lényegesen csökkenthető. Más a helyzet fltrácós veszteséggel. Egy felnőtt embernek még nyugalm állapotban s m 3 levegőre van szüksége a lélegzéshez. Ez lakus számára rendkívül soknak tűnhet de a valóság az hogy a hagyományos nyílászárók résen a fűtött helységekbe ettől nagyságrenddel nagyobb mennységű levegő áramlk be. Ez a külső környezetből kerül a fűtött helységbe és természetesen a belső levegő hőmérsékletére kell felmelegedne. Az erre felhasznált hő a fltrácós veszteség következésképpen szntén annyval nagyobb a hagyományos nylásrárók használata esetében mnt ahogy az a komfortérzethez szükséges. A korszerű nagy légtömörségű nylászárók használatánál a légcsere lényegesen ksebb általában n 005 h 1. A természetes szellőztetéshez ez nem elég és ha megfeledkezünk az dőnként ablaknytásról romlk a belső levegő mnősége. Emelkedk a CO 2 - koncentrácója és a páratartalom am penészesedést okozhat. Esetenként a gázkészülékek használatánál a szén-monoxd koncentrácójának esetleges emelkedése akár tragédához s vezethet. Ez sajnos nem csak elmélet lehetőség hanem szomorú gyakorlat tapasztalat. Az ablaknytásos szellőztetésnél az ellenőrzhetetlen mértékű légcsere a fltrácós veszteség jelentős növekedését dézhet elő. Nylvánvaló hogy az alacsony energagényű és passzívház mnőségét így nem lehet elérn. Egyetlen megoldás a gép szellőztetés amely bebztosítja a szükséges légcserét túlszellőztetés tehát fölösleges energapazarlás nélkül. A szükséges frss levegő melegítésének energagénye hőmérsékletkülönbséggel van egyértelműen meghatározva. Az adott külső és belső hőmérsékletnél ez az energagény lényegesen csökkenthető ha az elvezetett levegő hőenergájának nagy részét egy hővsszanyerős szellőztető berendezés segítségével felhasználjuk a fűtött helységbe 130

131 betáplált frss levegő előmelegítésére. Ennek elv vázlata a 8.2 ábrán van bemutatva. Az alacsony energagényű de főleg a passzívház mnőségének eléréséhez lyen hővsszanyerős szellőztető berendezés alkalmazása elengedhetetlen mvel a fltrácós veszteségek csökkentésére más lehetőség nncs. 8.2 ábra: A hővsszanyerő szellőztetés elve tél üzemmód Forrás: [39] A jobb mnőségű hővsszanyerős szellőztető berendezések hatásfoka (a hővsszanyerés hatékonysága) meghaladja a 90%-ot. Ez azt jelent hogy a beszívott frss levegő hőmérsékletével majdnem azonos az elvezetett levegő hőmérséklete. Vagys közel nullára csökken a fltrácós veszteség (nyár üzemmódban a fltrácós hőterhelés)! Tél üzemmódban nulla fok alatt beszívott levegő esetén szükséges egy előfűtés am a szellőztető berendezés hőcserélőjének eljegesedését megakadályozza. A gyakorlatban az alább megoldások terjedtek el legnkább: Vllamos energa felhasználásán alapuló előfűtés. Ez a legalacsonyabb beszerzés költséget génylő műszak megoldás az üzemeltetés költsége vszont rendkívül magas. Hazánkban a vllamos energa döntő része hőenerga átalakításával van termelve aránylag alacsony hatásfokkal. Azt vssza lefokozn hőenergává még ha 100%-os hatásfokkal s nkább nevezhető termodnamka barbárságnak mnt energatudatos cselekedetnek. Az alacsony energagényű és passzívház szellemségéhez végképp nem llk. Tovább hátránya hogy hűtésre a nyár üzemben nem használható. Levegő/víz hőcserélő. Ebben az esetben a frss levegő előmelegítése egy a fűtőrendszer meleg vzével táplált hőcserélő által valósul meg. Ez valamvel tőkegényesebb megoldás vszont az üzemeltetés költsége alacsonyabb. Ha rendelkezésre áll megfelelő hűtőközeg a nyár üzemmódban felhasználható a beszívott frss levegő hűtésére. 131

132 Levegő/talaj hőcserélő. Ez egy méter hosszúságú méter mélyen a talaj szntje alatt vízszntesen elhelyezett mm átmérőjű műanyag cső. A frss levegő egy az épülettől távolabb elhelyezett beszívó tornyon (mndössze 1 15 méter magas) keresztül jut a talajhőcserélőbe. Ennek a létesítése a legköltségesebb vszont az üzemeltetés költsége gyakorlatlag nulla mvel nem gényel segédenergát. A standard passzívházak egyk jellemző alapeleme. Nyár üzemben előhűtés funkcót s ellát de csupán maxmum kw hűtés teljesítményt képes bztosítan. Jelentős hátránya a cső lefektetéséhez szükséges aránylag nagy terület és a tsztítás bonyolultsága. Talajkollektor vagy talajszonda. Ebben az esetben a hőszvattyúzáshoz hasonlóan a talajhő műanyag csőben áramoltatott fagyálló folyadék által van egy a légcsatornába telepített kalorferbe szállítva amelyben azt felvesz a beszívott frss levegő mközben felmelegszk. Telepítés költsége (gyár kalorfer egységgel együtt) közel azonos a levegő/talaj megoldáséval. Üzemeltetés költsége van mert a hőszállító fagyálló folyadék egy 60 W-os szvattyúval van kerngtetve. Megfelelő méretezés esetén ntenzívebb hűtőhatásra (1 2 kw) számíthatunk. A kalorfer tsztítása lényegesen egyszerűbb feladat mnt az előző megoldásnál a talajban lévő légcsatornáé. 8.2 Alacsony energagényű és passzívnázak fűtése A komfortérzéshez mnmálsan szükséges hőmérséklet bztosításához a passzívházat és még nkább az alacsony energagényű házat ha tetszk ha nem fűten kell de szerencsére sokkal ksebb energafelhasználással mnt a hagyományos épületeket. Ezt m sem bzonyítja jobban mnt a talán ks túlzással általános szabálynak tartott tény hogy elmondható: a passzívház fűtés energagényének 1/3-át a nyílászárókon át érkező napenerga 1/3-át a személyek és berendezések hőleadása 1/3-át pedg valamlyen hagyományos hőtermelő fogja bztosítan. A fűtés rendszernek tehát a ház különben s nagyon alacsony fűtés hőgényének csak mntegy 1/3-át kell bebztosítana. Ezzel a transzmsszós és fltrácós veszteségek fedezéséhez járul hozzá. Tovább feladata a használat meleg víz készítése. Ez azért s fontos mert energagényét nem lehet befolyásoln hasonlóan mnt a frss levegő melegítésének energagényét. Azt a víz mennysége és a hőmérsékletkülönbség határozza meg egyértelműen. Az alacsony energagényű és passzívházak fűtés rendszerének különlegessége abban rejlk hogy együttműködk a szellőztető rendszerrel am a hagyományos építésű házakban hányzk. Valójában így elkülöníthető a fltrácós és transzmsszós hőveszteségek fedezése. A fltrácós hőveszteség pótlására a beszívott frss levegőt a a fűtött helységek hőmérsékletére kell felmelegíten. A transzmsszós hőveszteségek fedezésére elméletleg ugyanolyan hőleadókat lehet alkalmazn mnt a hagyományos építésű házakban. Vllamos energával táplált sugárzó panelek használatára ugyanaz érvényes mnt a frss levegő előfűtése esetében. Az smert okokból alkalmazása csak akkor ajánlatos ha más elfogadható megoldás nem létezk. Elméletleg klasszkus radátorok s alkalmazhatóak de szokatlanul ks méretek szükségesek. A gyakorlat tapasztalatok szernt pl. a hálószobába elegendő egy maxmálsan 250 W teljesítményű radátort telepíten amelynek mérete kb. 400 x 400 mm. Egy lyen fűtőtest látványa a szobában nem éppen szívet melengető. A radátor 132

133 hátránya az s hogy hűtés gény kelégítésére nem alkalmas. Erre más megoldást kell választan (árnyékolástechnka frsslevegő-előtemperálás). Padlófűtés alkalmazásának hasonlóak az előnye és hátránya mnt a hagyományos házakban. Főleg a helység berendezés lehetőségenek korlátozása hat zavaróan. A hagyományos házakban előnyének tartott magasabb energahatékonyság tt kevésbbé érvényesül. Hűtésre ugyan elméletleg felhasználható de ez nem a legalkalmasabb megoldás. Falfűtés tökéletesen megfelel a fűtés és a hűtés feladatokra s de a helység berendezésének lehetőséget szntén korlátozza. Mennyezetfűtés (födémtemperálás) alkalmazásával az alacsony energagényű és passzívházak mnmáls fűtés/hűtés energagényét hatékonyan fedezn lehet a legkellemesebb sugárzó hőátadással. Órás előnye hogy nem korlátozza a lakás berendezés lehetőséget. A monolt betonfödém építés fázsában mnmáls költséggel kalakítható. Az alacsony hőmérsékletű sugárzó felületfűtések közös jellemzője a nagy tehetetlenség az alacsony energagényű és passzívházakban nagyobb mértékben érvényesül. A szélsőségesen alacsony hőveszteségek fedezésére alkalmas hőtermelő helyes megválasztása nem olyan egyszerű mnt ahogy az talán a pac kínálat szernt várható lenne. Ennek oka a nagyon ks teljesítmény-gény. Például a passzívház által gényelt maxmáls fűtés hőteljesítmény-szükséglet átlagos értéke kw. Az alább lehetőségek állnak rendelkezésre: Vllamos fűtés A frss levegő melegítését a légcsatornába telepített vllamos fűtőszál bztosítja. Ezt legnkább elektromos sugárzó panelokkal ajánlatos kegészíten. Mnt már smeretes a beruházás költsége alacsony de ezt az előnyt bőven ellensúlyozza az üzemeltetés magas költsége amvel mnden éven szembesülünk. Hőszvattyú Mnt smeretes az alacsony energagényű és passzívházakban alkalmazható hőszvattyús fűtés rendszer lényegében az elektromos fűtés sokkal tőkegényesebb de jóval olcsóbb üzemű változata. Előnye hogy a nyár üzemmódban hűtőenerga termelésére s alkalmas. A gyakorlat tapasztalatok azt bzonyítják hogy legalkalmasabb a talajszondás hőszvattyú. Kompaktkészülék Ez egy passzívházakhoz kfejlesztett berendezés amely tartalmazza a légkezelő gépet és egy levegős hőszvattyút fűtés és melegvíz-termelés céljára. Ezek a szerkezetek rendelkeznek még egy nagyteljesítményű vllamos fűtőbetéttel s. Ennek oka hogy nagy hdegben a szellőztető levegőből knyerhető hőenerga nem elegendő a hőszvattyúnak a gép a szabadtérből s vételez hdeg levegőt. Ha a kettő együttesen sem tudja kelégíten a fűtés energagényt akkor bekapcsol a vllamos fűtőbetét s. Az együttes üzem alatt az energetka együttes hatásfok érték (COP) rendkívül alacsony. A kompaktkészüléknek s szüksége van még a szellőztető levegő előtemperálására vagys kell még egy levegő/talaj hőcserélő vagy talajszondás kalorfer egység a korrekt működéshez. A kompaktkészülékhez tartozk még egy puffer tároló amelyből knyerhető a meleg víz és a fűtés célú fűtővíz s nnen kerül elvételre. Ezen eszközök együttes bekerülés költsége vszonylag magas. 133

134 Földgázkazán Az alacsony energagényű és passzívházakban a földgázkazán leghatékonyabb típusa a kondenzácós kazán alkalmazása jöhet számításba. A földgázellátás jövőjét fgyelembe véve még így sem tűnk szerencsés választásnak. Passzívházhoz llő néhány kw teljesítményű kondenzácós gázkazán nálunk még nem került forgalomba de a nagyobbak azért alkalmazhatóak. A konkrét körülményekre tervezett szellőztető berendezés + hőszvattyú kombnácóval magasabb energahatékonyságot lehet elérn különösen a talajszondás hőszvattyú alkalmazása esetében. Napkollektor A napkollektor termel a legtsztább hőenergát ezért mnden alacsony energagényű és passzívház tervezésénél napkollektorok telepítése megfontolandó. Legnkább a használat meleg víz készítésére alkalmas esetenként a fűtésre s hatékonyan rásegíthet. Kandalló kandallókályha Míg a hagyományos házakban a kandallókat többnyre csak mnt kegészítő hőforrást alkalmazzák az alacsony energagényű és passszívházakban a teljes hőgényt képesek fedezn. Kzárólag zárt égésterű kandallók használata jöhet számításba. Eléggé elterjedt nézet hogy az égés levegő bevezetését az égéstérbe külön meg kell oldan. Ez fölösleges hszen a szellőztető berendezés az égéshez szükséges többlet-levegőt be tudja bztosítan. Hatékony megoldások lehetőségét bztosítják a vízteres kandallók és kandallókályhák amelyek képesek átvenn a kazánok szerepét ugyanakkor nem fosztanak meg a pslogó láng nyugtató látványától. A kandallók ll kandallókályhák főleg tűzfa és fabrkett égetésére vannak tervezve A pellet-tüzelés más szerkezet megoldást gényel. Bokandalló A bokandalló boetanol tüzelésével működk amelynek az égéshője teljes mértékben k van használva. Előnye hogy nem gényel építés munkákat és kéményt. Az égésnél keletkező vízgőzt és szén-doxdot a szellőztető berendezés eltávolítja. A pac ma már a bokandallók széles választékát kínálja. Pellet- és faelgázosító kazánok A pellet- és faelgázosító kazánok hasonló alkalmazás lehetőségeket kínálnak mnt a vízteres kandallók és kandallókályhák. Előnyük az üzemeltetésük bzonyos szntű automatzálásának lehetősége. Ezzel szemben nem tudnak kalakítan olyan kellemes belső környezetet mnt a kandallók. 8.3 Alacsony energagényű és passzívházak ntegrált szellőztetés és fűtés rendszere Ha feltételezzük hogy egy 250 W hőveszteségű fűtött szobába 2 személy részére 50 m 3 /h frss levegőt szállítunk akkor a teljes hőveszteség fedezése úgy s lehetséges hogy a levegőt nem a belső hőmérsékletre pl. 21 o C-ra hanem 36 o C-ra melegítjük mvel 50 Q V.. cp. T (36 21) 3600 = 250 W. 134

135 Eszernt jogos a kérdés hogy szükség van-e kegészítő fűtésre ha elég kcst magasabb hőmérsékletre melegíten a szellőztetéshez elkerülhetetlenül szükséges frss levegőt. Igen szükség van mert nem mndg lehet a levegőt a kívánt hőmérsékletre melegíten de főleg azért mert nem mndg van szükség a szellőztetésre amkor szükséges a fűtés. Ha pl. a lakók nem tartózkodnak otthon nncs szükség szellőztetésre de ha csökkentett teljesítményel s fűten azért kell. Joggal tehetjük fel azt a kérdést s hogy ha már fűten kell nem lehetne másképp megoldan mnt hogy a költséges szellőztető rendszerhez egy aránylag szntén költséges fűtés rendszert teleptünk? Az előző példából a válasz nylvánvaló: lehet mégpedg a hővsszanyerős szellőztető rendszer és a meleglevegős fűtés rendszer ntegrácójával. Ennek az alacsony energagényű és passszívházak fűtésére és szellőztetésére alkalmazható változatát a cseh ATREA cég fejlesztette k és szabadalmaztatta. E modern és gazdaságos ntegrált rendszer elve a 8.3 ábrán van szemléltetve. Ahol a prmer kör a crkulácós meleglevegős fűtést bztosítja úgy hogy a crkulácós levegő szabályozott mennységű frss levegő hozzákeverése és a szükséges hőmérsékletre való felmelegítés után a padlózatba ágyazott lapos légcsatornák által van a lakott helységekbe szállítva szekunder kör ettől függetlenül bztosítja a fürdőszoba WC és konyha hővsszanyerős szellőztetését. Mndkét kör légcsatorná egy közös szellőztető berendezésre vannak kapcsolva amely DUPLEX néven smert. Ennek többféle változatát gyártják amelyek a műszak paraméterekben és az alkalmazások lehetőségeben különböznek. 8.3 ábra: Az ATREA ntegrált légtechnka rendszer elve Forrás: [40] 135

136 8.3.1 Az ATREA ntegrált légtechnka rendszer jellemzése A crkulácós és frss levegő keveréke egy a padlózatba beágyazott elosztókamrából van szétvezetve különálló lapos 200 x 50 mm keresztmetszetű légcsatornákban a lakott helységekbe. A crkulácós levegő az egyes helységekből az ajtó alatt áramlk az előszobába ahonnan a mennyezet alatt vagy a padlástérben vezetett kör keresztmetszetű csővel van a központ légkezelő berendezésbe szállítva. A légkezelő egységben a crkulácós és a frss levegőt egy szabályozható teljesítményű ( W) ventlátor 94% hatásfokú G4 szűrőn át áramoltatja egy meleg vízzel táplált hőcserélőbe. A felmelegedés után az elosztó kamrán és hangtompítókon majd a padlózat légcsatornákon keresztül vsszakerül a lakott helységekbe. A légkezelő egységben a crkulácós levegőhöz beállított arányban frss levegő keveredk amely a homlokzaton vagy levegő talaj hőcserélőn keresztül van a légkezelőbe szállítva ahol szűrés után a keresztáramú lemezes hővsszanyerőben előmelegszk 90% körül hatásfokkal. Az elhasznált levegő folyamatosan esetleg dőközönként fokozott mennységben van elszállítva szabályozószelepen keresztül kör keresztmetszetű csövekkel ( mm átmérő) a légkezelő egységbe ahol a hővsszanyerőben előmelegít a frss levegőt majd a ksebb szellőztető ventlátor által szállítva a homlokzaton át kerül k a külső környezetbe. A csövek a mennyezet alatt vagy a tetőtérben vannak vezetve. A konyha lokáls elszívóberendezést crkulácós üzemmódra kell tervezn aktív szén szűrővel m 3 /h szabályozható teljesítménnyel. A fűtőteljesítményt a lakott helységekbe szállított levegő mennységével és hőmérsékletével lehet szabályozn. A fürdőszobában a kívánt magasabb hőmérsékletet fűtőlétrával vagy padlófűtéssel ajánlatos bebztosítan A DUPLEX típusú ntegrált légkezelő berendezés A ksebb alacsony energagényű és passzívházak fűtésére szellőztetésére és hűtésére legnkább a DUPLEX RA3 EC légkezelő egység alkalmas. Kétzónás crkulácós meleglevegős fűtésre és egydejű szabályozott hővsszanyerős szellőztetésre tervezték. Előnyük az EC ventlátorok használata melyek csökkentk a vllamosenerga-fogyasztást az üzemelésnél a szellőztetés vezérlőrendszere kegyenlített nyomást bztosít a szellőztetett helységekben. A megfelelően méretezett melegvzes hőcserélők lehetővé teszk az alacsony hőmérsékletű fűtővzek használatát (40 C körül). A DUPLEX RA3 EC egység kérésre gép vagy vízhűtéshez alkalmas hőcserélővel bővíthető akár utólagosan s. A szabadalmaztatott szerkezet megoldás egydejűleg bztosítja a ház lakóhelységenek elsődleges crkulácós fűtését és szellőztetését valamnt a WC fürdőszoba és konyhatér másodlagos autonóm szellőztetését. Az elszívott levegő hőjét a frss levegő előmelegítésére használja a hőcserélő az elszívott és crkulácós levegő tökéletes különválasztása mellett. 136

137 A bypass csappantyú knytásakor a csappantyú másk részével elzáródk a hővsszanyerős hőcserélőbe való bemenet. Az egységek fehér felület kezeléssel RAL 9001 árnyalatban készülnek a hő- és hangszgetelés alumínumlemezből és poluretánból készül 22 mm vastag szendvcspanelek alkotják (a hőátbocsátás tényező U = 086 W m 2 K 1 ). Az egységben egy alacsony fordulatszámú kerngtető-ventlátor az elhasznált levegő EC ventlátora hps műanyagból készült ellenáramú hővsszanyerős hőcserélő (akár 91%-os hővsszanyerés hatékonysággal) alacsony hőmérsékletű fűtés rendszerhez optmalzált melegvzes fűtőtest és hűtő a kerngtetett levegő szűrője G4 szűrés osztállyal fémhálóból a crkulácós levegő csappantyúja bypass szervómotorral működtetett csappantyú és szabályozómodul található. A csatlakozó csőcsonkok kör keresztmetszetűek 160 és 200 mm-es átmérőjű rugalmas csővezeték csatlakoztatásához vannak kalakítva. A hagyományos szerkezet felépítésű hővsszanyerős szellőztető berendezésektől első pllantásra abban különbözk hogy nem négy hanem öt csatlakozó csonkja van. A kondenzvíz elvezetésén kívül az összes bemenet és kmenet az egység felső fedelén van kalakítva egyúttal a fűtés és szellőztető levegő kmenete az egység alsó részéből csatlatoztatható az egység alatt lévő padlózat elosztókamra bemenetéhez. A nytható ajtó az összes alkatrészhez hozzáférést bztosít. Az egységek két változatban készülnek. A hűtés hőcserélője gény szernt van telepítve választható tartozék Az ATREA ntegrált légtechnka rendszer általános rendszerstruktúrája Az alacsony energagényű és passzívházak ntegrált szellőztetésére és fűtésére tervezett ATREA renszer általános struktúrája a 8.4 ábrán van szemléltetve. A 8.1 ábrán látható autonom fűtés rendszertől lényegében csak a rendszerbe ntegrált hővsszanyerős szellőztető berendezésben különbözk amely a fűtés gény fedezését kegészít a szellőztetés és esetleg a hűtés gény kelégítésével. 8.4 ábra: Az ATREA ntegrált légtechnka rendszer általános rendszerstruktúrája Forrás: [40] 137