Hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása (cikkgyűjtemény)

Átírás

1 Hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása (cikkgyűjtemény) a szerző: Fodor Zoltán fejlesztőmérnök a MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyú Tagozatának elnöke A cikkek az Épületgépész évi számaiban jelentek meg szakszerkesztő: Szentpéteri László és Bartos Sándor főszerkesztő: Bozsó Béla

2 A hőszivattyúk alkalmazhatóságának bővülő lehetőségei és ezek műszaki háttere Az energiaárak rohamos piaci emelkedésével egyre inkább előtérbe kerül a hőszivattyú és a hőszivattyús rendszerek alkalmazása. Az üzemeltetési költség csökkentésére irányuló törekvés megkívánta, hogy minél szélesebb körben lehessen alkalmazni a hőszivattyúkat illetve a hőszivattyús rendszereket. Ez a igény megjelent a kompresszorgyártóknál, és megkezdődött olyan speciális hőszivattyús alkalmazásra szánt kompresszorcsaládok kifejlesztése, amely az alkalmazhatóság lehetőségeit, határait jelentősen bővítette. Ha pár évre visszatekintünk, látható, hogy a hőszivattyúkat kizárólag ala - csony fűtési hőmérsékletű, sugárzó fűtésekhez javasolták. A készülékek a hulladékhőt sem tudták megfelelően, magas COP-értékkel hasznosítani, sőt a készülékek zöme 20 C körüli elpáro - logtató oldali folyadék-hőmér séklet ese tén letiltott. 1. kép A Pitvarosi Általános Iskola és Napközi Otthon hőszivattyúja és rétegtárolója 1 Komlós Ferenc ny. minisztériumi vezető főtanácsos Fűtéskorszerűsítés magyar hőszivattyúkkal Pitvaros községben c. írásából A jelenlegi helyzet A hőszivattyús technika alkalmaz ha - tósága az utóbbi években jelentősen bővült alkalmazhatók építmények fűtésére, hűtésére, melegvízellátására, párátlanításra. Ipari és kommunális technológiákban hővisszanyerésre és a technológiai rendszerek előfű tésé re vagy direkt fűtésére. A legújabb technikai fejlesztések eredményeként (kondenzációs hőfokszint, alkalmaz hatósági tartomány és COP-érték-növekedés) gazdaságosan alkalmazhatók magas hőmérsékletű fűtő-, illetve távfűtőrendszerekben előfű tőként stb. A legújabb kompresszorokra alapozva Magyarországon is megtörtént a hőszi - vattyús technika olyan irányú fejlesz - tése, amely az alkalmazhatóság lehető - ségeit az eddigiekhez képest jelentősen bővíti. A magyarországi fejlesztés és össze - sze relés eredményeként megvalósultak és sikeresen működnek olyan hőszi - vattyús projektek, ahol a meglévő radiátoros rendszerekhez közvetlenül alkal - maztak hőszivattyúkat a fűtési igények kielégítésére. A Vaporline hőszivattyúcsalád kifej - lesztésének célja az volt, hogy a lehető legnagyobb SPF (SPF [kwh/kwh]: Seasonal Performance Factor) értéket le - hes sen elérni a hőszivattyúkkal, és emellett ezzel a technikával meglévő radiátoros rendszereket lehessen gazdaságosan működtetni max. 63 C előremenő fűtési vízhőmérsékleten, 63/57 C-os hőlépcsővel. A fenti képen látható projekt egy ilyen megvalósulást mutat. Pitvaros község Magyarország déli részén, Csongrád megyében, a román határ közelében található 1400 lakossal. A település távlati fejlesztési koncepciója keretében 2009-ben készítették el az önkormányzati intézmények alternatívenergia-felhasználási lehe tő - ségeiről szóló tanulmányt. Aktualitását hazánk energiahelyzete és kör - nyezetünk védelme is alátámasztja decemberében a beruházási munkák elvégzéséhez, a KEOP-4.2/A jelű pályázaton 60%-os intenzitású támogatást kaptak. 1 Az épület nyílászáróinak cseréje és az épület hőszigetelése után föld hőszon - dás hőszivattyús rendszer lett kiépítve, 15

3 Szerkesztő: Szentpéteri László napkollektorokkal kombinálva, amely főleg a HMV-szükségletet elégíti ki, amely a konyhatechnológia miatt meg - lehe tősen nagy. A napkollektorok és a hőszivattyú(k) által termelt hőt speciális puffertároló gyűjti, amely beépített rétegelosztó és rétegfeltöltő rendszerrel rendelkezik. Alkalmas a napenergia és a földenergia által felmelegített víz hőmérséklet szerinti befogadására és elosztására, valamint az épületfűtési előremenő és visszatérő vezetékpár, továbbá a HMV hőcserélő vezetékpár vízhőmérséklet szerinti magasságban csatlakoztatására, elosz tására, vala - mint az épületfűtési előremenő és visszatérő vezetékpár, továbbá a HMV hőcserélő vezetékpár vízhőmérséklet szerinti magasságban csatlakoztatá - sára. A belső fűtési rendszerben változtatás nem történt. A hőleadók maradtak a lemezes lapradiátorok. Az első év üzemeltetési tapasztalata na - gyon pozitív. A rendszer hozta a számított paramétereket a megle hetősen elnyúló hideg tél esetén is. Az összes elektromosenergia-fogyasztás a szezonban (az összes cirkulációs szi - vattyúval együtt): kwh). A hőszi - vattyú futási ideje fűtés esetében: 1613 ü.o. A futási óraszám HMV esetén: 381 ü.o. A hőszivattyú által a rendszerbe vitt energiamennyiség: kwh kwh= kwh. A hőszivattyú szezonális teljesítménytényezője (az elpárologtatóoldali, a kondenzátoroldali, a HMV és fűtési szivattyú rontó hatásával): SPF = 3,78. A fűtési rendszer átalakítása, valamint az épület felújí tása, hőszigetelése következtében a rendszer átlagos COP-értékének alakulása: Az átlagos földgázfelhasz nálás az átalakítás előtt: Nm 3 /a ( kwh). Elektromosener gia-felhasználás a felújítás után: kwh. A rendszer (napkollektor, szige telés, hőszivattyú) SPF-értéke az eredeti állapothoz viszonyítva: SPF = kwh/ kwh = 7,8. A rendszer (napkollektor, szigetelés, hőszivattyú) COP-értéke az átalakítás utáni állapotban: SPF = kwh ( Nm 3 )/ kwh = 5,77. Mint látható, a kifej lesztett hőszivattyúcsalád jelentősen megváltoztatta a hőszi vattyúk alkal - mazhatóságát és az elérhető SPFérték nagyságát. Hőszivattyú és hőszivattyús rendszer választása A felhasználhatóság- és hatékonyságnövekedésnek velejárója a hőszivattyú- gyártásnál is a gyártásiköltségnöve kedés, s ezért a fejlesztés a hőszi vattyú-összeszerelő üzemek ese - tében nem minden esetben a legha - téko nyabb megoldásokra történik. Természetesen a kereskedelemben kapha - tó hőszivattyúk ára sem tükrözi híven a készülékek hatékonyságát, nem beszélve a katalógusokban szereplő COP-értékekről. A fenti körülmények miatt egy vásárlónak, beruházónak vagy épületgépész tervezőnek igen nehéz dolga van, amikor egy új vagy meglévő épület hez, uszodához vagy ipari létesítményhez hőszivattyús rendszert igyekszik választani vagy beter - 1. ábra Copeland ZP36KSE-TFMN (R410a) kompresszor alkalmazhatósági tartománya vezni, hiszen sem a készülékek ára, sem a tanúsított COP-paraméterek nem adnak valódi eligazodási lehetőséget. Sajnos emiatt sok rendszer kialakítása nem nyeri el a beruházók rokonszenvét, amely visszahat a hőszivattyús technika megítélésére. A jó hőszivattyú és rendszer kiválasz - tása csak egy adott feladatra, adott hőnyerési és fűtési hőfok szintekre és funkciókra lehetséges, amikor is meglehetősen sok szempontot kell érté kelni és figyelembe venni. E cikk keretében átfogó elemzésre nincs lehetőség, de a fenti állítás igazolására egy-két általam lényegesnek tartott kiválasztási szempont elem zését bemutatom. Fűtési hőfokszintre, ellátandó funkcióra tör ténő kiválasztás A hőszivattyúk alkalmaz hatósági tartománya A kompresszorgyártók a kompresszo - rokat az alkalmazni kívánt hőfok - szintekre optimalizálják. Vannak hűtő, légtechnikai és speciálisan hőszi - vattyús alkalmazásra szánt komp - resszo rok. Minden kompresszornak van egy úgy nevezett alkalmazhatósági tarto mánya. A légtechnikai alkal - mazásra szánt kompresszorokat még jelenleg is alkalmazzák hőszivattyús készülé kekben. (5 10 évvel ezelőtt csak ilyen kompresszorok álltak rendelkezésre hőszivattyús célokra.) Hőszivattyú-választás magas fűtési hőfokszintekre Látható, hogy ez a kompresszor 0 C elpárologtatási hőmérséklet esetén, amelyhez optimális elpárologtató méretezés esetén 4 C talaj- vagy talajvíz-hőmérséklet tartozhat, 61 C kondenzációs hőmérsékletet képes elérni, amellyel optimálisan méretezett kondenzátor esetén elérhető Cos fűtési hőmérséklet. Egy szondás hőszivattyú esetén azonban a talajhő főleg anomáliás téli hőmérsékletek esetén leeshet 2 C-ig is. Ehhez a talajhőmérséklethez a vázolt feltétel esetén 6 C elpárolgási hőmérséklet tartozik. Ha megvizsgáljuk az alkal - mazhatósági tartományt, akkor látható, hogy az adott kompresszor ennél az elpárolgási hőmérsékletnél 55 C kondenzációs hőmérsékletre képes, amely - hez 52 C 53 C fűtési előremenő 16

4 hőmérséklet tartozhat. Sajnos tapasztalatom alapján egyes esetekben ilyen illetve ehhez hasonló kompresszorokkal szerelt hőszi vattyúkra is ráírják a max. elérhető hőfoknak a 65 C-t, amely igaz abban a hőfoktartományban, ahol nem tudjuk kihasználni! Külső, alacsony léghő mérséklet esetén, amikor a hőlea - dóknak kellene a magasabb hőfok, akkor csak 52 C 53 C áll rendel kezésre. Az alábbiakban vizsgáljunk meg egy speciálisan hőszivattyús alkalmazásra szánt, EVI (Enhanced Vapor Inject) kompresszort. Látható, hogy +17 C és 16 C közötti elpárolgási hőmérséklet tartomány ban stabilan 66 C-os a konden zációs hőmér séklet. Egy ilyen kompresszorral sze relt geotermikus hőszi vattyúval bármely alkalmazási tartományban elérhetjük a 63 C-os kimenő fűtővíz-hőmérsékletet. A két bemutatott pél dán keresztül azt szeret - tem volna érzékeltetni, mennyi re fontos az, hogy a gyártó hiteles, az egész működési tartomány ra kiterjedő teljesítménytáblázatot vagy diagramot adjon a tervező mér nökök kezébe. Sok esetben sajnos csak a szabványban előírt 0 C/35 C folyadék víz vagy 10 C/35 C víz víz hőfokszintre adják meg a paramé tereket, amelyből az alkal maz hatóságra még csak követ - keztetni sem lehet! A követ keztetés: mindenképp meg kell győződ ni a hőszivattyú maximális fűtési előremenő hőmérsékletéről az alkal mazni kívánt legalacsonyabb talajhő- (talajvíz-) hőmérsékletnél! A hőszivattyú választása magas hő mérsékletű termálvíz-hasznosításra. Az alkalmazhatóságot célszerű meg - vizsgálni abban az esetben is, ha magas hőmérsékletű elfolyó termálvizet vagy hulladékhőt kívánunk újrahasznosítani hőszivattyúval. Az 1. ábrából jól látható, hogy az adott kompresszor maximálisan alkalmazható elpárolgási hőmérséklete 12 C. Optimális méretezés esetén ehhez tartozhat 16 C 17 C-os hulladékhőhőmérséklet. Hiába áll rendelkezésre 2 C 30 C-os felhasználható hőfokszin - tünk, ezzel a komp resszorral szerelt hőszivattyúval nem tudjuk kihasználni, annak ellenére, hogy kondenzátoroldalon ezen az elpárolgási hőfokszinten 2.ábra. Copeland ZH13KVE-TFD (R407C) kompresszor alkalmazhatósági tartománya 63 C 64 C-os fűtővizet lehet vele előállítani. A COP-érték olyan marad, mintha csak C-os lenne a hulladékhő hőmérséklete! Az elérhető COP 17 C/63 C víz víz hőmérsékletek, s ezen értékekhez tartozó 12 C/65 C elpá ro logtató/kondenzátor-hőmér - sékletek esetén COP = 2,0. Ez igen ala - csony érték, s így ilyen komp resszor ral szerelt hőszivattyúval hulla dékhőt gazdaságosan nem lehet hasznosítani! Vizsgáljuk meg mindezt a 2. ábrán látható kompresszorral szerelt hőszi - vattyú esetében! Látható, hogy ezen kompresszor maximális elpárolgási hőmérséklete 17 C! Ehhez 21 C-22 C elfolyó termálvíz- vagy hulladékhőhőmérséklet tartozhat. Az elérhető COP 22 C/63 C víz víz hőmérsékletek, s ezen értékekhez tartozó 17 C/65 C elpárologtató/kondenzátor-hőmér - sékletek esetén COP = 3,97! Ezzel a kompresszorral szerelt hőszivattyú 100%-kal nagyobb COP-értékkel dolgozik, mint az előző. A technikai fejlődés azonban nem áll meg! Megkezdődött azon EVI-komp resszorok gyártása, Fodor Zoltán (60) Mezőgazdasági gépész üzemmérnök, mérnöktanár, mező gaz - dasági gépész mérnök, épületgépész szakmérnök. A geotermikus hőszi - vattyúk tervezésével, kivitelezésével és fejlesztésével fog lalkozik. Olyan berendezések kifejlesztését végezte el, amelyek magas fűtési hőfok - szinten minden eddiginél magasabb COP-értéken, és minden eddiginél magasabb SPF-értéken képesek működni. Ehhez kidolgozott egy új reverzibilis hőszivattyús körfolya - matot, amely szabadalmi minta - oltalmat kapott ben megkapta a MÉGSZ legmagasabb kitüntetését, a Meszlényi Zoltán-díjat. amelyek R410a hűtőközeggel egészen 25 C elpárolgási hőmérsékleten képesek dolgozni. Az elérhető COP 32 C/60 C víz víz hőmérsékletek, s ezen értékekhez tartozó 23 C/61 C elpárologtató/kondenzátor-hőmér - sékletek esetén COP = 4,6! A hulladék - hőt jelenleg ilyen kompresszo rokkal szerelt hőszivattyúk kal lehet a leghaté - konyabban hasznosítani, amennyi ben elégséges a 60 C-os kimenő fűtővízhőmérséklet. A fentiek mellet még számos kérdést meg kell vizsgálni a hatékonyság érdekében. Többek között azt, hogy milyen feladatokat kell ellátni a fűtés mellet a készülékkel. Amennyi - ben aktív hűtési és HMV-igény is felmerül, akkor lehetőleg multifunkciós hőszi vattyút alkalmazzunk a feladatra, és ne külső egységek kel szerelt hőszi - vattyúkat, amelyek hatékonysága a hőfok különbségek növekedése miatt messze elmarad a lehetőségektől. Remélem, ezen írásommal sikerült rávilágítanom arra, hogy az alkalmazni kívánt hőszivattyúk között függet - lenül a szabványos hőfok szinteken mért és tanúsított COP-értékektől lényeges különbségek lehetségesek. Emiatt az egyes feladatokra igen körültekintően kell a készülékeket megválasztani. A hőszivattyús technika sikeres használata nagy felkészültséget és ismeretet igényel a tervezőktől, és elkötelezettséget a hőszivattyú-fej - lesztőktől a tekintetben, hogy mind hatékonyabb készülékek és rendszerek kerüljenek forgalomba és alkalmazásra. E sokszínűség az alkalmazásban és a technikában komoly lehetőségeket rejt a ma gyar országi hőszivattyús ipar megte remtésében. Fodor Zoltán ügyvezető igazgató, Geowatt Kft. 17

5 Fenntarthatóság Az intézmények magas hőmérsékletű fűtési rendszereinek üzemeltetése hőszivattyúval 2013-tól a hőszivattyús rendszerek megújulóenergia-felhasználásának elszámolása a év végén kiadott EU-irányelv, az ún. RES (megújuló ener - gia) direktíva VII. mellékletének b) része szerint a hőszivattyús rendszerek megújulóenergia-tartalmát. ERES = Qhasznos (1 1/SPF) képlet alapján kell meghatározni. Fő kritérium, hogy csak az SPF>1,15 (1/η 2 ) hőszivattyúk vehetők figyelembe a megújulóenergia-tartalmának meghatározásánál. Az EU villamosenergia-rendszerének átlagos hatásfokával (η=0,4) számolva: SPF= 1,15(1/0,4) ~ = 2,9 értéknek kell minimum megfelelnie a beépített hőszivattyúknak. A jelenlegi valós hazai helyzetből kiindulva a valós hazai villamosenergia-rendszer átlagos hatásfoka az η=0,315 körül alakul, s így az elvárt minimum optimálisan SPF=3,65 érték kellene, hogy legyen. Ennek megfelelően a hőszivattyúknak Magyarországon szigorúbb követelményeknek kellene megfelelniük. A forgalmazott hőszivattyúk zöme azonban ezen kritériumnak nehezen tudna megfelelni. A levegő-víz hőszivattyúk így egyértelműen kizáródnának a pályázatokból. Mindemellett a magyar hőszivattyús alkalmazásoknak, fejlesztéseknek e sajátosságot figyelembe véve a hőszivattyúk SPF-értékének maximalizálására kell törekedniük. Ezen törekvés velejárója, hogy magas hőmérsékletű radiátoros rendszerek hőszivattyúval történő üzemeltetését a pályázatok általában nem preferálják, hiszen feltételezett, hogy olyan rossz SPF-értékekkel lehet megvalósítani ilyen rendszereket, amelyek a fenti követelményeknek nem felelnének meg. A hőszivattyús technika, az új fejlesztésű kompresszorok, s ehhez kapcsolódóan egy átgondolt, a hatékonyságot szem előtt tartó hőszivattyúfejlesztés azonban lehetővé teszi, hogy meglévő intézményi rendszereket a belső fűtési rendszer költséges átalakítása nélkül hatékonyan, az előzőleg bemutatott magasabb (SPF=3,6) követelményeknek megfelelően állítsuk át a hőszivattyús fűtésre és HMVtermelésre. 1 Qhasznos a hőszivattyúból származó teljes becsült hasznos hőenergia 2 A villamosenergia-rendszer átlagos hatásfoka 1. ábra A magas fűtési hőmérsékletű hőszivattyúk követelményei Magas fűtési hőmérséklet: C fűtési előremenőt képes legyen huzamosan, letiltás és meghibásodás nélkül produkálni. Δt= C a fűtési hőmérsékletnél. (63/57 0 C hőfoklépcső). Ennél nagyobb hőfoklépcső a standardtól való eltérést, hatékonyságromlást okoz. Külső hőmérsékletfüggő szabályzás. Alapvető feltétele a hatékony rendszereknek. Az elérhető SPFmin= 3,0 (SPFopt=3,65) a hőszivattyúra vonatkoztatva. A hőszivattyúk alkalmazhatósága magas fűtési hőfokszinteken A forgalmazott hőszivattyúk 90 95%- ának valós körfolyamata összesen 4 fő elemet tartalmaz: elpárologtató, kondenzátor, kompresszor, expanziós szelep. A roppant egyszerű, háztartási hűtőgépekre jellemző, többnyire csak fűtő körfolyamattal, alacsony hőmérsékletű, max C-os előremenő fűtési hőmérsékletű rendszereket sem lehet tapasztalatok alapján a mi hőmérsékleti viszonyaink között SPF = 3,2-3,6-nál nagyobb hatékonysággal üzemeltetni, annak ellenére, hogy a gyári bevizsgálási adatok, COPértékek a C hőfokszinten kiválóak! A hiányos szerkezet miatt nem képesek kezelni a tág határok között változó elpárologtató és kondenzátor oldali hőfokszinteket, s így kimenő teljesítményükben részterheléseknél lényeges növekedés nem következik be. Emellett a legtöbb hőszivattyú nem képes 62 0 C fűtési hőmérsékleten üzemelni, de amelyik esetleg alkalmas, az magas hőmérsékletű rendszerek üzemeltetése esetén a minimum elvárt SPF-érték alatt teljesítene. A gőzbefecskendezéses hőszivattyúk alkalmazhatósága magas fűtési hőfokszinteken A gőzbefecskendezéses körfolyamat alapvetően megnöveli a hőszivattyúk COP- és SPF-értékét. Az egyéb beépített szerkezeti elemek tovább növelik 3 és stabilizálják a kimenő fűtési 3 Ekonomizer, hűtőközegtartály, akkumulátor, EEV (elektromos expanziós)-szelep, desuperheater szabályzó és monitoring rendszer stb. 18

6 teljesítményt az egyes hőfokszinteken. A tág határok között változó elpárologtató és kondenzációs hőfokszinteket kezelni tudja. A túlhevítést a lehető legalacsonyabb értéken és stabilan tartja. A fentiek miatt részterheléseknél jelentős a fűtési teljesítmény, és ezzel arányosan az SPFérték növekedése érhető el. (2. ábra) A hőbeviteli és fogyasztási adatok I. hőszivattyú mért adatai: Kompresszor futási ideje (h): 2630 A bevitt fűtési energiamennyiség (kwh): A HMV-teljesítmény: 1916 II. hőszivattyú mért adatai: Kompresszor futási ideje (h): 898 A bevitt fűtési energiamennyiség (kwh): A HMV-teljesítmény: 1023 A napkollektoros rendszerrel bevitt energiamennyiség (kwh): ábra a lehetséges gőzbefecskendezéses körfolyamat Az ilyen rendszerű hőszivattyúk SPFértéke radiátoros (magas fűtési hőmérsékletű) és zárt szondás hőnyerési módú rendszerek esetén is lényegesen meghaladja az 1. ábra szerint kiépített hőszivattyús rendszerek zárt szondás hőnyerési módú és alacsony hőmérsékletű (sugárzó fűtés) üzemének tapasztalt SPF-értékét. A magas fűtési hőmérsékleten működő hőszivattyús rendszer mért SPF-értéke Pitvaroson 2001 nyarán elkészült két intézmény (művelődési ház, napközi otthon) geotermikus hőszivatytyús rendszere napkollektorokkal kombináltan. A hőszivattyús és napkollektoros rendszer a pályázati követelményeknek megfelelően hőmennyiségmérővel, a hőszivattyús rendszer elektromos almérővel rendelkezik. A beszerelt mérőberendezések alkalmasak arra, hogy elfogadható pontossággal meg lehessen határozni a hőszivattyú, valamint a kombinált rendszer SPF-értékét. A fűtési szezon végén leolvasták a mérőket, majd a kapott adatokból kiszámolták az SPF-értékeket. A pitvarosi művelődési ház fűtési és hmv-rendszerének mért szezonális értékei Jelen cikk keretében példaképp a nagyobb teljesítményigényű művelődési ház fűtési és HMV-rendszerét vizsgáltuk meg. A 3000 lm 3 fűtött térfogatú, külső hőszigeteléssel és radiátoros belső hőleadókkal rendelkező intézményi épület fűtésére és HMV ellátására 2 db gőzbefecskendezéses körfolyamattal ellátott hőszivattyú lett betervezve. A tervezett maximális fűtési hőfoklépcső C, a beállított HMV-hőmérséklet 60 0 C. A belső radiátoros hőleadó rendszeren változtatás nem történt. A belső radiátoros hőleadó rendszer szabályozására programozható termosztát lett beszerelve a sima manuális termosztát helyett. 1. kép A pitvarosi művelődési ház hőszivattyús és napkollektoros rendszere Az összes mért elektromosenergiafogyasztás az összes cirkulációs szivattyúval (kwh): A cirkulációs szivattyúk által felvett elektromos teljesítmény: 2 db 0,6 kw (kond.oldali) 2 db 0,9 kw (földoldali) 1 db 1,5 kw (fűtési c. sziv.) Összesen: 3,0 kw elektr. telj. Eredmények A hőszivattyúk összes futási óraszáma (h): 3528 A tervezett futási óraszám (h): 2766 A mért összes bevitt fűtési energia hőszivattyúkkal (kwh): A tervezett (kwh): kwh A hőszivattyú által elfogyasztott elek - tromos energia: kwh- -(3528h*3 kw)= kwh A tervezett elektromos fogyasztás (kwh): A hőszivattyú mért SPF (SCOP) értéke: SPF= kwh/29645 kwh=spfh= =4,17 A rendszer-spf a primer cirkulációs szivattyúval: ( kwh/32820,2 kwh)= =SPFr=3,77 A tervezett: SPFr=(4,0) A rendszer SPF-értéke a napkollektorokkal: (primer és HMV cirk. szivattyúkkal) SPF=4,28 A számításból látható, hogy a tervezettnél 24%-kal nagyobb a szezonális energiabevitel. 19

7 Fenntarthatóság Fodor Zoltán (59) Mezőgazdasági gépész üzemmérnök, mérnöktanár, mezőgazdasági gépészmérnök, épületgépész szakmérnök. A geotermikus hőszivattyúk tervezésével, kivitelezésével és fejlesztésével foglalkozik. Olyan berendezések kifejlesztését végezte el, amelyek magas fűtési hőfokszinten minden eddiginél magasabb COP-értéken, és minden eddiginél magasabb SPF-értéken képesek működni. Ehhez kidolgozott egy új reverzibilis hőszivattyús körfolyamatot, amely szabadalmi mintaoltalmat kapott ben megkapta a MÉGSZ legmagasabb kitüntetését a Meszlényi Zoltán Díjat. Ennek oka egyrészről a belső fűtés kezdeti, nem megfelelő szabályozása, rendkívül hosszan tartó hideg időszak mellett, amikor is a hőszivattyú a max C-os előremenő hőfokon dolgozott. Ezenfelül az épület melletti sportcsarnok gázkazánjának téli meghibásodása után a fűtési rendszert rákötötték a hőszivattyús rendszerre, amely így a talajszondák hőmérsékletét is a letiltás közeli értékre csökkentette. Mindezek ellenére a hőszivattyú olyan SPF-értéket ért el (SPF=4,17), amelyet a hagyományos körfolyamattal (1.ábra) szerelt hőszivattyúk alacsony fűtési hőfokszinten sem képesek produkálni. A mért adatokból jól látható, hogy az EVI-körfolyamattal szerelt hőszi vattyúk a radiátoros rendszerek átalakítás nélküli működtetésére alkal masak úgy, hogy képesek jelentősen túlteljesíteni a Magyarországon elvárható SPFopt=3,65 értéket is! A kedvező eredményeket Radó Tibor, Pitvaros polgármestere is megerősítette, aki a szeptember 27-i Pitvarosi Élő Energia Konferencián hozzászólásában kijelentette, hogy 50%-nál nagyobb, tehát a vártnál is több pénzügyi megtakarítást értek el a napkollektorral kombinált hőszivattyús rendszerrel. A fentiekből következően a meglévő intézmények fűtési rendszerének korszerűsítése Vaporline hőszivattyúkkal gyorsan megtérülő beruházást eredményez, különösen akkor, ha figyelembe vesszük a pályázati lehetőségeket, hiszen a belső fűtési rendszer átalakítására nincs feltétlenül szükség, csak a gázkazánokat kell lecserélni a hőközpontban, és a hőnyerési oldalt (szonda, kút, hulladékhő) kell kialakítani. Ezzel 50% feletti költségmegtakarítást eredményező rendszert kap az intézmény. Fodor Zoltán mg. gépészmérnök, épületgépész mérnök Új hidraulikai labort adtak át a BME-n 20 Február 15-én tartották a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egye - tem Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnikai Tanszékén az ún. Stokes-laboratórium ünnepélyes átadását. Dr. Czigány Tibor dékán megnyitója után a főtámogató Grundfos részéről Török László és Jánvári József ügyvezető igazgatók mutatták be a Grundfos vállalatcsoportot. Dr. Láng Péter tanszékvezető köszönetet mondott a létesítmény megvalósításában közvet len részt vevőknek, kü lön kiemelve a Kovács Pál és Társa Mérnökiroda Kft. és Norman Mérnöki Kft. tervezési munkáit, valamint a több mint 20 támogató szakcégnek a berendezések, szerelvények ingyenes vagy kedvezményes biztosítását. A laboratórium kialakításának szakmai vezetésében kiemelkedő szerepet vállaló Dr. Barna Lajos docens beszédében többek közt ismertette a Stokes-laboratóriumban kialakított mérő he lyeket, melyek alkalmasak az energetikai berendezések üzemi jellemzőinek, a szabályozási körök és tárolótöltések, a keringető szivattyúk szabá lyo zási módszereinek, a víz és a glikol hőhordozó közegű áramkörök beszabályozásának vizsgálatára stb. továbbá hőcserélők üzemviteli mérésére. A laborban az épületgépészeti, folyamattechnikai és gépészeti el járástech nikai, valamint az épületenergetikai és vegyipari szak irányok hall ga tóinak alapés mesterképzése, továbbá doktori kutatómunka végezhető. A névadó Sir George Gabriel Stokes ír tudós-poltikus, aki a XIX században ért el jelentős tudományos eredményeket.

8 A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása Előzetes hőszivattyú-kiválasztás I. rész A hőszivattyús technika sikeres, hatékony alkalmazása felkészültséget, széleskörű épületgépészeti ismeretet igényel azon szakemberektől, energiatanácsadóktól, tervezőktől, akik a megrendelőkkel kapcsolatba kerülve hőszivattyús rendszereket ajánlanak a lakó-, intézményi, ipari, mezőgazdasági épületek, uszodák fűtési-, hűtési- és HMV fűtési igényeinek biztosítására. A fentiekkel összhangban tapasztalható, hogy a hőszivattyúk szélesebb körű alkalmazásának egyik gátja, hogy a megrendelőkkel közvetlenül kapcsolatba kerülő szakemberek, energia-tanácsadók, tervezők megfelelő, rendszerezett ismeretek hiányában nem ajánlják az általuk újnak az általánosan alkalmazott gázka zános rendszerekhez képest ismeretlennek gondolt, költségesebb hőszi vattyús rendszereket, amelyek előnyeiről, hatékonyságáról is eltérő vélemények léteznek. A MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyú Tagozata, segítve a hatékony hőszivattyús rendszerek szélesebb körű terjedését, a mely a jelentős CO2-kibocsátáscsök kentés lehetősége miatt mindanynyiunk közös érdeke e cikkel kez dődően cikksorozatot indít. A cikksorozatban elsődlegesen a gyakorló szakembereknek, mestereknek, energiatanácsadóknak szeretnénk rendszerezett ismeretet nyújtani arra vonatkozóan, hogy milyen szempontok figyelembevételével lehet árajánlatot készíteni egy projektre, amelyben egy hatékony, ár-érték arányban kedvező hőszivattyús rendszert kívánnak alkalmazni. A hőszivattyús rendszer elemei Hőszivattyú Hőnyerési rendszer Hőközponti elemek Belső hőleadók Szabályozás Ahhoz, hogy egy hatékony, a megrendelő igényeit kielégítő hőszivatytyús rendszerre egy előzetes árajánlatot tudjunk adni, és ne legyünk egy hőszivattyú-forgalmazó saját érdekeinek kiszolgáltatva 1, a fenti elemek hőszivattyús szempontból történő kiválasztására, összhangjára van szükség. A hőszivattyú kiválasztás szempontjai A számított, maximális fűtési-hűtési teljesítményigény Az alkalmazni kívánt hőfokszint Az ellátandó funkciók A HMV-előállítás A hőszivattyú szabályzása A számított, maximális fűtési-hűtési teljesítményigény Az épület számított hővesztesége/kw/ A szondatervezéshez elsőként az épület lehetőség szerint pontos hőveszteségszámítását kell elvégezni az adott területre, a szabványban meghatározott legalacsonyabb külső léghőmérsékleti hőfokszintre. A pontos számítás a rendszer ár-érték arányát tekintve nagy jelentőségű, hiszen a hőszivattyús rendszereket túltervezni célszerűtlen, költséges, ami a rendszerek megítélését erősen rontja! A hőszivattyús rendszerünk üzemmódja a hőszivattyú-teljesítmény kiválasztásának függvényében lehet: monovalens bivalens monoenergetikus Monovalens üzemmód A csúcsigényre méretezett teljes fűtésikapacitás igényt a hőszivattyú látja el. Ennek előfeltétele, hogy a maximálisan szükséges fűtési hőfokszint a hőszivattyú maximálisan lehetséges fűtési hőfokszintje alatt legyen. Ez az üzemmód a legtöbb esetben a beruházási igény jelentős növekedését generálja,, és így a megtérülési idő növekszik. Bivalens üzemmód Bivalens üzemben a hőszivattyút fűtőüzemben egy másik hőtermelő (pl. gázüzemű fűtőkazán) egészíti ki. Egy meghatározott külső hőmérsékleti értékig (bivalencia hőmérséklet) a hőszivattyú teljes mértékben fedezi az épület fűtési igényét. A bivalencia hőmérséklet alatt a hőszivattyú kikapcsol, és a kiegészítő hőtermelő (pl. kazán) egyedül biztosítja az épület hőellátását. A hőszivattyúról a kiegészítő hőtermelőre történő átváltást a hőszivattyú szabályozója végzi. A teljes hőszivattyús rendszerre számítandó kisebb beruházási költségek miatt a bivalens üzemmód főleg a régebbi, felújított épületekben lévő fűtőkazános rendszereknél javasolt. Monoenergetikus üzemmód A hőszivattyúra számítandó kisebb beruházási költségek miatt a monoenergetikus üzemmód a monovalens mű ködésű hőszivattyúval szemben jelent gazdaságossági előnyt. Általános rendszerkonfiguráció esetén a hőszivattyú fűtőteljesítményét az épület maxi mális hőszükségletének kb %-ára (az EN szabvány szerint) célszerű méretezni. Ebben az esetben a hőszivattyú éves fűtési fedezeti aránya kb %. A kiegészítő fűtést célszerű egy puffertartályba épített elektromos fűtőbetéttel megoldani, amelyet szükség esetén a hőszivattyú szabályzója indít, automatikusan. A kiválasztott hőszivattyú paraméterei Ahhoz, hogy megfelelő teljesítményű hőszivattyút tudjunk választani, mindenképp tudni kell, hogy a legnagyobb terhelésnél milyen hőfokszintet kell biztosítani a fűtési oldalon. Tudni kell azt is, hogy a legnagyobb terhelésnél hány fokig tervezzük lehűlni a talajból feljövő folyadék hőmérsékletét 2. 1 Gyakori eset, hogy egy forgalmazónak elkötelezve a tervezett projektre közvetlenül tőle kérnek árajánlatot, amely sok esetben azt okozza, hogy nem a rendszer igényeinek hatékony kielégítésére keresnek megfelelő hőszivattyút, hanem az adott hőszivattyút igyekeznek az igényekhez igazítani sokszor komoly veszteségek árán! 2 Szondaterv ilyenkor még nem áll rendelkezésre, ezért javaslatom szerint C közé célszerű felvenni ezt a hőfokszintet. Magasabb hőfok növeli a szondaszámot, és javítja az SCOP értéket. 29

9 1. ábra Mintapélda: A hőszivattyúval fűtendő épület maximális teljesítményigénye: 19,2 kw. Sugárzó fűtéssel van ellátva, és a legnagyobb terhelésnél a tervezett fűtési hőfok: 50 0 C. Használatimelegvízigény van. Az épület nyári hőterhelése: 9,2 kw. Zárt szondás hőnyerési módban gondolkodik a megrendelő. A legnagyobb terhelésnél 3 0 C-ra engedjük lehűlni a talajt. Monoenergetikus fűtési üzemmódot kívánunk megvalósítani 70%-os bivalenciával. Ekkor a legnagyobb terhelésnél egy 13,4 kw fűtési teljesítményű hőszivattyút kell választanunk. A hőszivattyútípus fűtésiteljesítményigényre történő kiválasztásához az alkalmazni kívánt hőszivattyúcsalád 2. ábra Hőszivattyú teljesítménytáblázata valós fűtésiteljesítmény-jelleggörbéjére, vagy teljesítménytáblázataira van szükség. Jelen esetben egy 50 0 C-os fűtési hőmérsékletes táblázat áll rendelkezésre a kiválasztott hőszivattyútípusból. A teljesítményt ELT = 3 0 C bemenőfolyadék-hőmérsékletnél kell megvizsgálni. 30 Látható, hogy ennél a feljövőfolyadékhőmérsékletnél a fűtési teljesítmény 13,7 kw. A monoenergetikus fűtési üzemmódra így ezt a hőszivattyútípust megfelelőnek mondhatjuk. A kiválasztást azonban minden szempont együttes vizsgálata alapján lehet megfelelően elvégezni, így a fentiek alapján közel sem biztos, hogy készülékünk alkalmas a feladat energiahatékony ellátására. A következő részekben ezért a különböző szempontok szerinti vizsgálatot tovább folytatjuk. Fodor Zoltán mg. gépészmérnök, épületgépész mérnök

10 A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása A hőszivattyú választás alapelvei II. rész Hőszivattyú választás, a hőleadó és a hőnyerő rendszer hőfokszintje alapján A gyakorlatban, a hőleadó oldalon alacsony és magas hőmérsékletű hőleadó rendszereket különböztetünk meg. Igazodva az alkalmazott kompresszorok működési tartományához 55 0C-ig alacsony hőmérsékletű, azon felül 63 0C-65 0C-ig, magas hőmérsékletűnek nevezzük a hőleadókat. Alkalmas-e a hőszivattyú magas hőfokú üzem megvalósítására? Magas hőfokszinten milyen a pillanatnyi COP, és mi a várható SCOP érték, a hőszivattyús rendszer szinten? Magas hőfokú üzem alkalmasságának eldöntésére, elviekben, a hőszivattyú gépkönyve, illetve a műszaki leírása adhat útmutatást. Sajnos találkozhatunk félreérthető, vagy megtévesztően magas elérhető fűtési hőfokszintet adnak meg. Az R410 hűtőközeg esetében, az elpárologtató oldalon a víz/hűtőközeg hőfokkülönbségét, DT=5 6 0 C-nál közelebb hozni egymáshoz. lemezes elpárologtatók alkalmazásával nem lehet. Ez azt jelenti, hogy 0 0 C-os talajból feljövő folyadék hőmérsékletnél, az elpárolgási hőfokszint -5 0 C lehet. Kondenzátor oldalon, megfelelően nagyméretű kondenzátor alkalmazásával, optimálisan a DT=1 0 C-t meg lehet valósítani. Emiatt, ha valójában a 0 0 C/35 0 C elpárologtató/kondenzációs hőfokszintre adják meg a maximális fűtési hőfokszintet, akkor az alábbi ábra alapján az adott kompresszornál 61 0 C a kondenzációs hőfokszint, amit ilyen esetben azonosítanak az elérhető fűtési hőfokszinttel. 1. ábra R410A hűtőközeggel működő hőszivattyú működési tartománya A valóságban azonban, a 0 0 C/35 0 C folyadék-víz hőfokszinthez optimális esetben -5/36 0 C elpárologtató/ kondenzációs hőfokszint tartozik. Az 1. ábra alapján a -5 0 C-os elpárologtató hőfokszinthez, maximálisan 56 0 C-os kondenzációs, és 55 0 C-os fűtési hőfokszint tartozik. (Az esetlegesen megadott 61 0 C maximális fűtési hőfokszint, igen félrevezető lehet!) Alacsony hőmérsékletű (55 0 C alatti) üzem Az alacsony hőmérsékletű rendszerek működtetésére a forgalomban lévő hőszivattyúk bármelyike alkalmas, természetesen különböző COP értékeken. A kiválasztást egyértelműen a hőszivattyús rendszerrel elérhető SCOP (SPF) érték alapján célszerű elvégezni. Magas hőmérsékletű (55 0 C feletti) üzem A magas hőmérsékletű hőleadók üzemeltetésére alkalmas hőszivattyúk kiválasztási szempontjai: éppen megtévesztő adatsorokkal, ezért az egyedüli legjobb eligazodási pont, az alkalmazott kompresszor működési tartományának az ismerete. (lásd: 1. ábra) Sajnos találkozni lehet olyan hőszivattyú leírásokkal is, ahol egyetlen, a szabványban előírt 0 0 C/35 0 C folyadék-víz hőfokszintre adták meg az elérhető maximális hőfokszintet. Gyakorlatban elterjedt az is, hogy a megadott adatokban egyenlőség jelet tesznek az elpárologtató-kondenzátor, valamint a folyadék-víz hőfokszintjei közé, és ezzel egy Amennyiben egy zárt szondás rendszernél szükség esetén egészen C-ig akarjuk működtetni a hőszivattyút, akkor az 1. ábra alapján csak 54 0 C a kondenzációs, és ennek megfelelően 53 0 C a fűtési előremenő maximális hőfokszint. Ennél magasabb értéket, a puffertartályon nem lehet beállítani, mert mindig a működési tartományon belüli, legalacsonyabb értéket kell figyelembe venni. A készülékleírásokban szereplő legmagasabb fűtési hőfokszinteket emiatt esetenként fenntartással 28

11 kell kezelni és a működési tartományon belül célszerű ellenőrizni. Pillanatnyi COP-, és a várható SCOPérték hőszivattyús rendszerszinten. Amennyiben magas hőfokszintre akarunk hőszivattyút választani, és a COP-, illetve az SCOP-értékek maximalizálására törekszünk, akkor a hőszivattyús körfolyamatokat kell vizsgálni. Erre a célra mindenképp EVI (Enhanced Vapor Inject) körfolyamattal szerelt hőszivattyútípust célszerű választani, a következők miatt. Az alap hőszivattyús körfolyamatoknál használt kompresszorok COP-értéke -4 0 C (66 0 C elpárolgási) konden záci ós hőfokszinten. Mint alább látható, ebben a kategóriában is vannak olyan új fejlesztésű kompresszorok és így hőszivattyúk, amelyek alkalmasak a teljes földhő hőszivattyús működési tartományban erre a hőfokszintre. A kérdés csak az, hogy milyen COP-értéken. Az EVI kompresszorral szerelt hőszi vattyúk COP-értékének alakulása, 4 0 C (66 0 C elpárolgási) kondenzációs hőfokszinten. Mint a 5. ábrából kiolvasható, egy ugyanolyan teljesítményű legújabb fejlesztésű R410A hűtőközeggel működő kompresszorhoz képest egy gőzbefecskendezéses kompresszor 0,5-tel nagyobb COP-értéket ér el magas kondenzációs hőmérsékleten. Ez mindenképp indokolja az EVI 2. ábra Alap hőszivattyús körfolyamat rendszer alkalmazását magas hőmérsékletű radiátoros rendszerek üzemeltetésénél. Hőszivattyú kiválasztása a hőnyerés hőfokszintje alapján A hőnyerési oldalon alkalmazott közeg lehet folyadék (víz-fagyálló keverék) zárt szondás, kollektoros, illetve tószondás rendszerek esetén, vagy tiszta víz nyitott kutas rendszerű hőnyerési módok esetén. Az elpárologtató hőmérsékletek alakulása zárt szondás (folyadékvíz) rendszereknél általában -7 0 C és C közötti érték, és ennek megfelelően általában az elpárologtatóba bemenő folyadék lehetséges hőmérséklete -3 0 C és C között alakul. Az elpárologtató hőmérsékletek alakulása nyitott kutas (víz-víz) rendszereknél általában 1 0 C és C közötti érték, és ennek megfelelően általában az elpárologtatóba bemenő folyadék lehetséges hőmérséklete 5 0 C és C között alakul. 1 A kiválasztásnál a hőszivattyú gépkönyvére, műszaki adataira kell hagyat kozni, amelyben az alkal - maz hatóság hőfokhatárait, a maximálisan elérhető COP-értékét meg kell, hogy jelöljék. Azt csak a gyártó tudhatja, hogy a betervezett expanziós szelep milyen hőfoktartományt tud átfogni, kezelni, s a kondenzátor, illetve elpárologtató oldali hűtőközeg-víz oldali DT-értékek hogy alakulnak az adott hőszivattyúnál. Különösen érdekes a hőszivattyúválasztás akkor, ha egy kereskedelemben kapható hőszivattyút viszonylag magas ( C) hőmérsékletű, elfolyó termálvíz hasznosítására akarunk alkalmazni. Ehhez lehetőleg olyan kompreszszorral szerelt hőszivattyút célszerű alkalmazni, amelynek a legmagasabb az elpárologtatási hőmérséklete. A 6. ábrán egy EVI kompresszor működési tartománya látható, amely alapján a maximális elpárol- 3. ábra A kompresszor COP-értéke 4. ábra 1 Az 1. ábrából látható, hogy az adott kompresszor maximális elpárolgási értéke 13 0 C 29

12 gási hőmérséklet 17 0 C. Szabványos mérete zés esetén ezzel a kompresszorral szerelt hőszivattyúval max C-os hőmérsékleten tudjuk hasznosítani az elfolyó termálvizet, amelyet egészen 67 0 C-os kondenzációs hőmérsékletig (63 0 C fűtési előremenő) lehet melegíteni. Egy ilyen (lásd: 6. ábra) magasabb el - párologtatási hőmérsékletű kompress zor alkalmazása együtt jár a maximálisan elérhető COP-érték növekedésével, és így az ezzel szerelt hőszivattyút a magas hőmérsékletű hulladékhő hasznosítására sokkal hatékonyabban lehet alkalmazni. Ilyen esetekben a mélyebb szakmai tájékozódást nem célszerű elmulasztani, mivel a megengedettnél lényegesen magasabb elpárologtató oldali tápvíz hőmérséklete erőteljes túlhevítést, és a hőszivattyú alacsony oldali nyomásra történő letiltá sát, a rendszer működés - képtelenségét eredményezheti. A hőszivattyú-választás részletezett szempontjai mellett nagyon lényeges szempont, hogy a különféle funkciókra, feladatokra válasszunk megfelelő, a feladatot leghatékonyabban ellátó hőszivattyúkat, és ne azt a gyakorlatban sajnos elterjedt 5. ábra megoldást válasszunk, hogy egy általunk ismert hőszivattyút igyekezzünk olyan feladatok ellátására alkalmazni, amelyekre azokat gyárilag nem készítették fel, és így az egyes feladatokat nem a leghatékonyabban, nem a legkisebb költséggel tudják ellátni. Erről a témáról cikksorozatunk következő fejezetében olvashatnak. Fodor Zoltán mg. gépészmérnök, épületgépész mérnök 6. ábra Gőzbefecskendezéses (EVI) kompresszor működési tartománya 30 Vaporline Geotermikus hőszivattyúk melegvíz-előállítás, kw egység-teljesítmény Magyar Termék Nagydíj Magyar fejlesztés, magyar munkahelyek Geowatt Kft Budapest, Kén u / ; / geowatt@geowatt.hu,

13 A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása A hőszivattyú választás alapelvei III. rész Az EVI körfolnamat jellemzői, hatékonnsága A cikksorozat előző részében említésre került az EVI (Enhanced Vapor Inject) körfolnamat, ameln alkalmas és hatékonn megoldás magas hőmérsékletű radiátoros rendszerek energia ellátására. Az érthetőség miatt e cikk keretében röviden bemutatásra kerül az EVI körfolnamat. 1. ábra Az EVI felépítése Az EVI körfolyamat működése Az 1. ábrán látható, hogn az elméleti csak fűtő körfolnamattól (amelnben a szokásos elemek a kompresszor, kondenzátor, elpárologtató, expanziós (TEV) szelep), annniban különbözik az EVI körfolnamat, hogn a kondenzátor után, a hűtőkörben egn ekonomizernek nevezett hőcserélő épül be, saját expanziós szeleppel. Ekonomizer feladata A kondenzátorból távozó folnadék állapotú, viszonnlag magas hőmérsékletű (kondenzációs hőmérséklet mínusz C-os utóhűtés) hűtőközeg, két úton halad tovább (lásd: 1. ábra). A főkörben, az ekonomizer (belső hőcserélő) folnadék oldalán halad keresztül. A másik ágon pedig egn expanziós szelepen keresztül kerül az ekonomizer gőz oldalára a hűtőközeg. Az expanziós szelepen áthaladva a fojtás miatt Δt=5 0 C hőmérséklettel esik a folnadék állapotú hűtőközeg hőmérséklete (lásd: 3. ábra). A Δt=5 0 C-os hőfokkülönbség hatására az ekonomizer folnadék oldalán (főkör) áthaladó hűtőközegből hő áramlik a gőz oldalra. A gőz oldalon, a hűtőközeg entalpia növekedése halmazállapot változást eredménnez, és az expanziós szelep szabálnozta túlhevítés miatt, az ekonomizert elhagnó gőz hőmérséklete 5 0 C-al magasabb, mint amelnen az elpárolgás történt (lásd: 3. ábra, Tsi). A növelt entalpiájú, gőz halmazállapotú hűtőközeg hőfokszintje, lénnegesen alacsonnabb a kompresszor túlhevítési hőmérsékleténél. A kompresszor nnomóoldalára befecskendezett hűtőközeg gőz, csökkenti a hűtőközeg túlhevítési hőmérsékletét, és ígn lénnegesen magasabb kondenzációs hőmérséklet érhető el az R47C hűtőközeggel (max.67 0 C), ezzel aránnosan magasabb kimenő fűtővíz hőmér sékletet (max.63,5 0 C) eredmé - nnez. A magas fűtési hőmérséklet az egyik hatása az ekonomizer, és az EVI kompresszor alkalmazásának. Az ekonomizerben a hőfokkülönbség hatására létrejövő hőátadás, az ekonomizer folnadék oldalán (főkör) erőteljes hőfok csökkenést, a hűtőközeg erőteljes utóhűtését eredménnezi. Az erőteljes utóhűtés hatása nnomon követhető a lg p-h diagramon (lásd: 3. ábra, ΔTsc= Tli-Tlo). A diagramban az m szakasz hossza az elpárolgási szakaszban a felvett hőmennniséggel aránnos. Látható, hogn az ekonomizerben létrejövő utóhűtés hatására az elpárologtatóban felvett hőmennniség a ΔTsc szakasz hosszával megnöve kedett, ugnanakkor a kompressziós munka nem nőtt. Természetesen, a ΔTsc hőmennniséggel a kondenzátorban leadott hőmennniség is nagnobb lett (3. ábra, m+i szakasz). Egnértelmű tehát, hogn jelentősen megnövekedett a kondenzátorban a fűtési rendszernek leadott hőmennnniség, de a kompresszor elektromos 2. ábra Ekonomizer működése 3. ábra EVI körfolyamat lg p-h diagramja energia felvétele nem változott. A két érték hánnadosa, azaz a COP érték nagnobb lett. A körfolyamat COP értékének növekedése a másik igen jelentős hatása az EVI körfolyamatnak. A gőzbefecskendezés hatása nem aránnos minden hőfoktartománnban. A legnagnobb mértékben az alacsonn elpárolgási, és az ehhez tartozó magas kondenzációs hőmérsékleteken fejti ki hatását, ezzel jelentősen növelve a COP értéket (lásd: előző cikk). Az EVI körfolnamattal szerelt hőszivattnúknak, alacsonn fűtési hőmérsékleten is van létjogosultsága. A körfolnamat COP értéke kedvezőbb az egnszerű körfolnamathoz képest. Az EVI hőszivattnúk nem érzékennek a tervezettnél nagnobb terhelésnek kitett, és emiatt a tervezetthez képest jobban lehűlő szondák okozta COP, illetve SCOP-érték csökkenésre. A hűlő szondákkal aránnosan nő a gőzbe- 25

14 fecskendezés hatékonnsága, ígn nagnrészt kompenzálja a COP-érték csökkenést. Valós hőszivattyús körfolyamat Az EVI körfolnamat (lásd: 1. ábra), valamint a cikksorozat előző részében vázolt (lásd: 2. ábra) egnszerű körfolnamat megvalósítása, egn működőképes készüléket eredménnezhet. A forgalomban lévő hőszivattnúk jelentős része, az egnszerű (elvi) körfolnamat alapján készül (lásd: előző cikk 2. ábra) a háztartási hűtőgépek mintájára. Egnszerű körfolnamat hátránnai: Folnamatosan ingadozó kimenő fűtési teljesítménnnél, az elméletileg lehetségestől jelentősen kisebb a SCOP (SPF) érték. A hőszivattnúk üzemére jellemző, változó kondenzációs nnomás által előidézett hűtőközeg töltetvándorlás nincs kezelve, ezáltal részterheléseknél nincs COP-érték emelkedés. Ez szintén erőteljesen csökkenti az elérhető SCOP (SPF) értékeket! Magas hőfokú fűtési rendszerek hatékonnan nem üzemeltethetők! Csak a fűtési funkciók ellátására alkalmasak hatékonnan. Ezen hátránnokat kiküszöböli, a magnar fejlesztésű hőszivattnúcsalád, amelnnek körfolnamata a 4. ábrán látható. A körfolnamatba olnan hűtőköri elemek beépítése vált szükségessé, amelnek bonnolítják a körfolnamatot, ez által a hőszivattnúk előállítása nagnobb élőmunkát és annaköltséget kíván. A magnar hőszivattnú fejlesztés ezt az utat választotta és dolgozta ki, azt az EVI reverzibilis (fűtő-aktívhűtő) körfolnamatot, amelnbe minden olnan elem be van építve, ameln elősegíti az optimális SCOP elérését. Hőszivattnús körfolnamatok hatékonnságnövelő elemei Elektronikus expanziós szelep (EEV) Alkalmazása önmagában 10-30%-al növeli az elérhető SCOP (SPF) (szezonális teljesítménn faktor) értékét. Feladata, a hűtőközeg adagolása az elpárologtatóba oln módon, hogn az elpárologtató utáni túlhevítés stabilan, de a lehető legkisebb értéken megvalósuljon. A túlhevítés, a körfolnamat szükséges rossz része, ameln biztosítja, hogn a kompresszorba nem kerül folnadék halmazállapotú hűtőközeg. A növekvő túlhevítés miatt, az elpárologtató nagnobb részét tölti ki gőz halmazállapotú hűtőközeg, ezzel csökken a hőátadó felület és az elpárologtató teljesítménne. A legtöbb hőszivattnúban alkalmazott termosztatikus expanziós (TEV) szelepek tulajdonsága, hogn a gnárilag 5 0C-os túlhevítésre beszabálnozott szelepek, a működésük során C közötti tartománnban képesek tartani a túlhevítést. Az ingadozás folnamatos (lásd: 5. ábra). Az ingadozás mértéke a hőszivattnús rendszerekben nagnobb, mint a hűtőgépeknél, mert a hőszivattnúk folnamatosan változó külső paraméterek alapján működnek, ezért a belső nnomásváltozások is nagnmértékűek és viszonnlag gnorsak. Az expanziós szelepek lengését felerősíti az a körülménn, hogn a hűtőkörben nincs olnan elem, ameln a nnomáskiegnenlítést nagnrészt megoldja. Az expanziós szelepek előtti nagymértékű nyomásingadozást, egy jól méretezett, viszonylag nagyméretű hűtőközeg tartállyal meg lehet oldani, amely sajnos a mai hőszivattyús készülékek nagy többségében nincs! 5. ábra A termosztatikus (TEV) és elektronikus (EEV) expanziós szelepek tulajdonságai A PID szabálnzású EEV szelepek, egn rövid beállási idő után, stabilan és alacsonn értéken képesek tartani a túlhevítés értékét. A stabilan és lehető legkisebb értéken tartott túlhevítés ígn javítja a hőszivattnú SCOP (SPF) értékét. A legkisebb értékű túlhevítést (min. 30 C), az EEV szelepek is csak akkor képesek stabilan tartani, ha a körfolnamatban a szelepek előtti nnomásingadozás, az előzőekben leírt módon kezelve van. 4. ábra EVI reverzibilis körfolyamat (mintaoltalommal védett) Hűtőközegtartály (receiver) Egnszerű szerkezet, de nagnon fontos szerepe van a hőszivattnús rendszerekben. A előzőkben leírt nnomáskiegnenlítésen túl, az alábbi feladatokat képes ellátni: Modulálja a hűtőközeg mennniségét a körfolnamatban. Kompenzálja a szükséges hűtőkö- 26

15 zeg mennniség különbséget, a hűtési és a fűtési üzemmód között, az öszszes, illetve egn adott működési tartománnban. Segíti a nagnobb rendszer teljesítménn elérését magasabb elpárolgási hőfokszinteken, részterheléseknél. A hűtőközegtartáln működése, jelentősége Dr. Jakab Zoltán HKL-ben megjelent cikke alapján jól értelmezhető: Egn jól működő adagolóval táplált elpárologtatóban az üzemviszonnok változásakor a hűtőközegtöltet is változik: csökken vagn növekszik. Emiatt időnként bizonnos mennniség kiszorul, vagn épp ellenkezőleg: utántöltésre van szükség. A kérdés az, hogn hová szorulhat ki, illetve honnan pótlódhat? A válasz egnértelmű: ha van a rendszerben egn megfelelő méretű folnadékgnűjtő (avagn ha nagn gőzterű a kondenzátor), akkor ezzel a kérdés megoldódik: a fölösleg itt gnűlik össze, a hiánn innen pótlódik. De ha nincs, akkor ezt a funkciót csak a folnadékvezeték térfogata veheti át. Ámde ez a térfogat a feladat szempontjából általában túl kicsinek bizonnul. Ilnenkor az össztöltet megoszlása a kondenzátor és az elpárologtató között kétféleképp módosulhat: ha az elpárologtatóból kiszorul a normál töltet egn része, akkor az csak a kondenzátor csöveiben gnűlhet fel. A felgnülemlés miatt lecsökken a kondenzátor hasznos felülete, ami miatt azután megnövekszik a kondenzátor-nnomás és következőleg a kompresszor munkaszükséglete is. Ha viszont az elpárologató jó elárasztásához több hűtőközeg kellene, mint normál esetben, akkor hűtőközeg hiánn jelei fognak mutatkozni. Az adagoló nnit, de tartalék hiánnában a kondenzátorból nemcsak folnadék-, hanem vele egnütt gőzállapotú hűtőközeg is fog átáramlani az elpárologtatóba. Az ellátási hiánn miatt a hűtőteljesítménn csökkenésével és a fajlagos hűtőteljesítménn romlásával kell számolnunk, mert a kondenzátorból átjutó gőz nem hűt, viszont el kell onnan szállítani. Gnakran találkozhatunk mégis olnan léghűtésű, kompakt, hűtőközeggel gnárilag feltöltött klíma vízhűtők - kel, amelnek hűtőköreiben nincs folnadékgnűjtő. Ezzel kétségtelenül egnszerűsödik a hűtőrendszer, csökken a potenciális szivárgáshelnek száma is, sőt az elmaradó tartáln (és szerelvénnei) révén olcsóbb is egn ilnen berendezés. A vízhűtők folnadékgnűjtőjének elhagnása azonban több szempontból is vitatható. A klímaberendezések terhelésingadozása az év folnamán közismerten igen nagn, ezért jelentős töltetvándorlás várható. Ha pedig a puffer hiánnzik, a töltetvándorlás említett hatásai miatt szükségszerűen megnő az éves üzemeltetési költség. A fenti megállapítás, különösen igaz a hőszivattnúkra, amelnek folnamatos és nagnmértékű terhelésingadozásnak vannak kitéve. A fentiek ellenére, az EU-ban forgalomban lévő hőszivattnúk többsége nem tartalmazza a hűtőközeg tartálnt! Összegzés Ezen cikk keretében részletezett technikai információk alapján is látható, hogn a forgalomban lévő hő szivattnús készü lékek alkal mazhatósága, hatékonnsága között még akkor is nagn különbségek lehetnek, ha ismert és mértékadó tesztlaborok is bizonnítják a készülékek előírt COP értékének megvalósulását. Ez az érték nem más, mint egn hőfokszintre vonatkozó, stabil hőfokszinten, és nem változó külső paraméterek alapján mért pillanatnni érték. A fenti megállapításon túl, a cikksorozat ezen részében olnan főbb tájékozódási pontokat szerettem volna a hőszivattnúk megítélése vonatkozásában közölni, ameln a kiválasztást, és a hatékonn alkalmazást megkönnnníti a tervezők, kivitelezők és természetesen a beruházók számára. Fodor Zoltán Fejlesztőmérnök MÉGSZ Geotermikus Hőszivattnús Tagozat elnöke Vaporline Geotermikus hőszivattyúk melegvíz-előállítás, kw egység-teljesítmény Magyar Termék Nagydíj Magyar fejlesztés, magyar munkahelyek Geowatt Kft Budapest, Kén u / ; / geowatt@geowatt.hu, 27

16 A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása A hőszivattyú-választás alapelvei IV. rész A funkciókra történő kiválasztás a hatékonyság és a beruházási költségek optimalizálásával. Aktív-passzív hűtés A cikksorozat előző, III. része bemutatta, hogy a hőszivattyúknál alkalmazott körfolyamatok és beépített szerkezeti elemek hogy befolyásolják az alkalmazhatóságot, ezen belül bemutatásra került egy EVI rendszerű multifunkciós körfolyamat ábrája 1 is. A bemutatás azonban a sorozat e részében csak az EVI-körfolyamatra 2 korlátozódott, a cikk nem foglalkozott a multfunkció biztosította lehetőségekkel, előnyökkel a hőszivattyúk funkcióra történő kiválasztásakor. E cikk keretében az épületek hűtési igényeinek biztosítása kerül bemutatásra hőszivattyúval. Megvizsgáljuk, hogy milyen hűtési megoldások lehetségesek hőszivattyúk alkalmazásakor, és milyen rendszerű készülékek kiválasztása adja a leghatékonyabb megoldást. A hőszivattyúk az érzékelhető klímaváltozás, a szélsőséges hőmérsékleti értékek, a mind hosszabban tartó nyári hőség növekedésével mindinkább előtérbe kerülő funkciója a fűtés és a HMV-előállítás mellett a hűtési funkció. A hűtési rendszerek ismerete azért fontos, mert a hőszivattyús rendszerek hatékonyságát a hűtési feladatokra a nem megfelelő hűtési rendszerrel ellátott és kiválasztott hőszivattyús készülékek jelentősen befolyásolják, és emellett a szabványos hőkomfortot sem képesek biztosítani. A geotermikus hőszivattyús rendszerek esetében lehetséges hűtési megoldások: 1 lásd.: 1. ábra 2 Enhanced Vapor Inject (gőzbefecskendezéses körfolyamat) 3 1.ábra. (10.) 1. Aktív hűtés 2. Passzív hűtés 3. Kombinált hűtés (aktív/passzív) Az aktív hűtés Azt jelenti, hogy a hűtőkörfolyamat reverzibilis (megfordítható). Ez egy bonyolultabb körfolyamattal, beépített fordítószeleppel 3, szabályozással, védelmi funkciók számának növelésével oldható meg. 1. ábra Reverzibilis EVI hőszivattyús körfolyamat Kötöttséget jelent, hogy a kondenzátor és elpárologtató funkciók felcserélődésével ezek méretét azonosra kell méretezni, és azonos tömegáramot kell mindkét oldalon tervezni. Ez a megoldás magas COP-értékű készülékeknél feltételezi a kondenzátor és elpárologtató nagy méretét, aminek természetesen költségvonzata van. A rendszer tervezése sokkal komolyabb tervezői ismereteket feltételez, hiszen csak egy problémát említve hűtési üzemmódban sokkal nagyobb hűtőközeg-tömegáramokra van szükség, mint fűtési üzemmódban, és ezeken a jelentősen eltérő hőfokszinteken a hőszivattyúnak problémamentesen, az elméletileg lehetséges hatékonyságot (COP-érték) megközelítve kell stabilan működnie. A hatékony és stabil működés feltételezi a kondenzátor és elpárologtató méretezésén kívül a hőszivattyú szívó-nyomó és folyadékvezetékének pontos hidraulikai méretezését, a működés hőfokszinthatárainak pontos meghatározását. A körfolyamat megfordítása a kondenzátor és elpárologtató azonos áramlásúvá válását eredményezi, amely rontja a hatékonyságot. Az elpárologtató ellenáramúvá tétele hűtési üzemmódban is megoldandó feladat stb. A fentiek ismeretében jobban érthetővé válik, hogy a forgalomban lévő hőszivattyúk legtöbbje nem reverzibilis /fűtő-aktívhűtő/, hanem egyszerű fűtő hőszivattyú. A reverzibilis geotermikus hőszivatytyú előállítása természetesen többe kerül, mint egy csak fűtő hőszivattyú. Kiemelkedő előnye, hogy teljes kapacitással képes 6 0 C hőmérsékletű hűtővíz előállítására, a split klímákhoz képest lényegesen jobb COP (EER) = 6 8 értékkel, zárt szondás és nyitott kutas hőnyerési rendszerek esetében. Ez a hőszivattyú a legnagyobb nyári melegben is képes ellátni az egész épület hűtését. Nélkülözhetetlen az alkalmazása nagyobb hőterhelésű épületeknél (intézmények, kórházak, bankok, irodaházak, bevá- 23

17 sárlóközpontok). Komoly környezeti előnye, hogy az épületekből elvont hő nagy részét - amelyet nem használunk HMV-termelésre a talajba viszszavezeti, ahonnan azt télen kivehetjük, így nem növeljük a környezet hőterhelését, egyben javítjuk a fűtés hatékonyságát. Levegő-víz, levegő-levegő hőszivattyúknál ez az előny elvész! Családi házaknál a vertikális (függőleges) zárt szondás hőnyerési rendszereknél javasolt az alkalmazása, a szondák viszonylag gyors hőfokemelkedése miatt. Passzív hűtés Passzív hűtés esetén a hőszivattyú hűtőkörének a hűtési körfolyamatban semmi szerepe nincs. Ebben az esetben a hőszivattyú elpárologtató folyadék (föld) oldalához egy hőcserélő, szivattyú, háromjáratú szelep és egy szabályozó van illesztve, amellyel 2. ábra Passzív hűtés külső hőcserélő megkerülve a hőszivattyú hűtőkörét, a talajhővel nyári viszonyok között az épületből közvetlenül tudunk hőt elszállítani. Az épület passzív hűtését bármelyik hőszivattyúnál utólag is meg lehet valósítani (nem szükséges a kompresszornak működni)! Az 1. ábra erre mutat egy lehetséges megoldást. 24 Emellett forgalomban vannak olyan hőszivattyúk is, amelyekbe a passzív hűtő hőcserélőt és az útváltó szelepet (3. ábra) beépítik. Ez a megoldás sem tévesztendő össze a reverzibilis hőszivattyúk aktív hűtő üzemmódjával! A tapasztalatom az, hogy a forgalmazók egyes esetekben úgy értékesítik ezeket a készülékeket, mint teljes értékű hűtést megvalósító hőszivatytyúkat, amelyhez alig kell elektromos energiát a rendszerbe vinni. Ez megtévesztés, mert a hűtési forma valójában a hőszivattyús körfolyamattól független megoldás. Természetesen nagy előnye a paszszív hűtésnek, hogy kompresszorüzemet nem feltételez. Csak a szondaoldal cirkulációs szivattyúja fogyaszt elektromos energiát. Egyértelműen kijelenthető, hogy a passzív hűtés célszerűen nyitott 3. ábra Hőszivattyú beépített passzív hűtéssel kutas rendszereknél és kis hőterhelésű lakóépületeknél javasolt megoldás. Zárt szondás rendszereknél, amikor az épület nyári hőterhelése az épület szerkezete, illetve funkciója miatt közepes vagy nagy hőterhelésű, és a szabványnak megfelelő 26 0 C-os belső léghőmérséklet tartása a mindinkább előforduló, illetve hosszabb ideig tartó szélsőséges hőmérsékleti viszonyok között semmiképpen sem megfelelő megoldás a passzív hűtés alkalmazása! Nyári üzemben a fűtési igényre méretezett szondarendszer folyadékhőmérséklete a talajviszonyok függvényében viszonylag gyorsan pár óra működési idő alatt felmelegedik C-t, a C-os feljövő folyadék hőmérsékletével úgy, hogy még egy hőcserélő is települt a folyadék oldalon. Emiatt az épület helyiségeinek megfelelő 26 0 C-os belső léghőmérsékletet nem lehet tartani, még sugárzó hűtőfelület esetén sem. A kombinált rendszer A leghatékonyabb, de egyben a legdrágább megoldás a kombinált rendszer alkalmazása. Ehhez mindenképp szükséges egy reverzibilis aktív hűtő hőszivattyú (1. ábra), amely aktív kompresszoros hűtést valósít meg, igen magas COPértéken. Az ilyen hőszivattyúhoz illeszthető egy olyan külső passzív hűtőegység (lásd: 2. ábra 2. és 3. pont), melynek működését a reverzibilis geotermikus hőszivattyú beépített szabályzója kezel. A rendszer működése hűtési üzemmódban a passzív hűtéssel kezdődik. A szabályzó ebben az esetben csak a föld oldali cirkulációs szivattyút indítja, és az útváltó szelepet a passzív hűtő üzemmódba állítja. A passzív hűtő üzemmód addig működik, míg a feljövő folyadék hőmérséklete a szabályzó programjába beállított hőmérsékletet el nem éri. Ekkor a szabályzó átváltja az útváltó szelepet, és indítja a hőszivattyú kompresszorát. Ez a leghatékonyabb hűtési mód, de egyben a legköltségesebb is. A beruházás megtérülését elemezni célszerű. A hatékonyság (SCOP, SPF) növelése a hőszivattyúk megfelelő megválasztásával A hőszivattyús rendszerek hatékonyságát figyelembe véve a leglényegesebb szempont az lenne, hogy a feladatra, az ellátandó funkcióra válasszunk megfelelő hőszivattyút. Sajnos a legtöbb esetben a hőszivattyú típushoz illesztenek rendszert a tervezők és a kivitelezők. Gyakori eset magas hőterhelésű intézményi épületeknél, ahol a szabványos hőmérséklet tartása egyértelműen megkívánná az aktív

18 hűtő üzemmódot, annak ellenére, hogy a tervezők és a kivitelezők e kívánalommal tisztában vannak, a leg - egyszerűbb, csak fűtő üzemmódú hőszivattyúkat terveznek, illetve telepítenek a rendszerbe, aktív-passzív hűtéssel. Ez annyit jelent, hogy az aktív hűtő üzemmódot külsőleg, a vízoldal megfordításával oldják meg, ami a hőszivattyús rendszer hatékonyságát nemcsak hűtési, hanem fűtési üzemmódban is jelentősen rontja a rendszerbe építendő hőcserélő által. Emellett egy bonyolult, igen költséges (pl. nagyméretű hőcserélő, háromjáratú motoros szelepek stb. miatt) üzemeltetési szempontból sok esetben üzemképtelen, hőszivattyús rendszer az eredmény. A csak fűtési hőfokszintekre tervezett folyadék-víz hőszivattyúk, elpárolgási hőmérséklete 0 0 C hőfokszintre van optimalizálva. Amikor külső körfolyamat megfordításával aktív hűtő üzemmódra kívánják rábírni, a hűtési üzemmód kezdetén 20 0 C-körüli, de a legoptimálisabb esetben folyamatos üzemmódban is minimum 12 0 C-os 4 vizet engedünk rá. Ez lényeges COPérték romlást eredményez, valamint szélsőséges esetben egyes hőszivattyúkat még működésképtelenné is tehet. Ennél a megoldásnál a hőszivattyúk hűtési üzemmódban sem tudnak lényegesen nagyobb hatékonysággal működni, mint fűtési üzemmódban. A tervezők és a kivitelezők az esetek nagy százalékában a teljes kapacitásigényre választják ki a folyadékhűtőt és a gázkazánt. Hol itt a hiba? Probléma ez egyáltalán? 4. ábra. Fűtő-aktív hűtő-hmv hőszivattyús hőközpont kapcsolási séma A rossz hőszivattyútípus választásának eredménye a nagy beruházási költség és a kis hatékonyság. A fentebb vázolt rendszernél, amennyiben a hőszivattyút stabilan képesek üzemeltetni 5, akkor is, 50 60%-ban gázkazán, illetve folyadékhűtő működik. Egyértelműen megállapítható, hogy az ilyen alibi rendszerek a pályázati pénzek elpocsékolását, a hőszivatytyús rendszerek leértékelődését eredményezik. A mentségünkre elmondható, hogy a kereskedelemben jelenleg kapható hőszivattyúk legalább 90%-a alacsony hőmérsékletre alkalmas, csak fűtő (nem multifunkciós) hőszivattyú, amelyekből többet ez esetben nem lehet elvárni. Ha a fűtési igény mellett az aktív hűtésre is szükség van az épület légkondicionálásánál, kizárólag a feladatra optimalizált hűtőkörrel ellátott, reverzibilis hőszivattyú az egyedül elfogadható és hatékony megoldás. (1. ábra) A példaként közölt kapcsolási sémában (4. ábra) az egyik multifunkciós hőszivattyú magas fűtési hőmérsékleten (60 0 C) és 6/12 0 C-os hőfoklépcsővel a légtechnikai kalorifert látja el fűtő-, illetve hűtővízzel, eközben a beépített elsődleges hőcserélőn keresztül a teljesítménye 15%-ában használati melegvizet termel. A másik hőszivattyú alacsony fűtési hőmérsékleten (45 0 C) és 15/20 0 C-os hűtési hőfoklépcsővel a fal- és a mennyezetfűtési/hűtési rendszert működteti. A multifunkciós hőszivattyúk alkalmazásával, mint az a 4. ábrában is látható, egy végtelenül egyszerű, üzembiztos és magas SPFértékű hőszivattyús rendszer épülhet ki, folyadékhűtő nélkül. A fenti példa alapján megállapítható, hogy a hőszivattyús rendszerek hatékonyságát milyen nagymértékben befolyásolja az adott feladatra kiválasztott megfelelő hőszivattyú. Jól látható, hogy milyen nagy szerepe és lehetősége van a multifunkciós hőszivattyúk alkalmazásának a magas hatékonyságú hőszivattyús rendszerek kialakításában. Remélem ezen írásommal meg tudtam győzni tervező, kivitelező kollégáimat, hogy a hőszivattyús hőigények kielégítésénél vegyék figyelembe a multifunkciók és a magas hőmérsékletű hőszivattyúk adta lehetőségeket a hatékonyság, és a költségcsökkentés érdekében. A terveikben minden esetben a feladathoz válasszanak megfelelő hőszivattyút, és ne egy általuk ismert márkát igyekezzenek mindenképp a feladat elvégzésére rábírni. Fodor Zoltán Fejlesztőmérnök 4 7/12 0 C-os hűtési hőfoklépcső esetén az elpárologtatóba bemenő hőmérséklet. 5 Azért, hogy a fűtési üzemmód hatékonyságát ne rontsák le, egyes esetekben hőcserélőt a fűtési üzemmód föld oldalára nem építenek be. Emiatt a szondarendszer, légkezelő, folyadékhűtő, hűtési puffertartály egy kört képez. A szondák légmentes üzemét ilyen rendszerben biztosítani nem lehet! Ez egyes szondák leállását, a rendszer rossz hatékonyságú üzemét, illetve a rendszer teljes leállását eredményezi. 25

19 A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása A hőszivattyú-választás alapelvei V. rész A használatimelegvíz-előállítás lehetőségei. A multifunkciós hőszivattyúk előnyei. Az előző cikk keretében foglalkoztunk azzal, hogy az egyes épületeknél jelentkező nyári hűtési igényeket a téli fűtési igények biztosítása mellett a forgalomban lévő hőszivattyúkkal hogyan tudjuk a leghatékonyabban és legmagasabb komfortfokozattal kielégíteni. Mikor célszerű passzív, illetve aktív hűtésben gondolkodni. Jelen írásunkban a hőszivattyúkkal még ellátható feladatok közül, a HMV-funkció lesz a vizsgálat tárgya. Használati meleg vizet (HMV-t) előállítani a fűtés és az esetleges aktív hűtési igény mellett a legtöbb esetben szükséges. Egyes esetekben szállodák, kollégiumok, társasházak, fürdők, a fűtéshez viszonyítva jelentős teljesítményt igényelnek. A HMV-termelés a fűtési idényen kívül is jelentkezik. A HMV-előállítás egységes jellemzője, hogy a fűtésiteljesítmény-igénye nagy, és naponta, rövid idejű igénybevételeket jelent. A külön hőszivattyús készülék alkalmazása HMV-termelésre rossz készülékkihasználtságot és így magas fajlagos (Ft/kWh) beruházási költséget eredményez. A HMV-ellátás technikai megoldása hőszivattyús rendszerekben A hőszivattyús rendszerek HMV-előállításának háromféle megoldása: kondenzátor után alkalmazott vízvíz hőcserélővel, külön HMV-termelő hőszivattyús készülékkel, elsődleges hőcserélő alkalmazásával /desuperheater/, két kondenzátor alkalmazásával. A kondenzátor után alkalmazott vízvíz hőcserélő A jelenlegi hőszivattyús gyakorlatban a forgalomban levő hőszivattyúk legtöbbjében sajnos ezt a technikai megoldást alkalmazzák használati meleg víz előállítására. Jellemzője, hogy a gyártó alapkészüléke egy egyszerű, csak fűtő hőszivattyú. Ehhez opciósan, külsőleg illeszthető a HMVmo dul, amely tartalmazza a HMVhőcse rélőt, a szivattyút, és a csat la kozó idomokat, esetleg az érzékelőket. (Tervrészlet: 1. ábra) Az előzővel egyenértékű, szokásos megoldás, amikor a puffertárolóba helyeznek el egy csőköteges hőcserélőt, ezzel vagy a tárolót melegítik, vagy átfolyó rendszerben használják HMV-termelésre. 1. ábra Mint látható a hőszivattyús hőközpont tervrészletén (lásd: 1. ábra), a HMV-hőcserélő tervezett előremenő hőmérséklete a HMV oldalon 40 C, a tartályból visszatérő vízhőmérséklet pedig 35 C. Megjegyzés: ez azonban ideális esetben, csak -15 C-os külső hőfokszinten alakul így. Átmeneti időszakban a puffertároló vízhőmérséklete 35 C és 45 C között mozog. Egy alacsony hőfokú rendszerben a leggyakoribb fűtési hőfokszint 35 C. A 35 C-os puffertárolóból azonban maximum 30 C-os meleg vizet lehet előállítani. Az 1. ábrán vázolt tervrészleten külön 48,5 kw (45/40 C) teljesítményű, használati meleg víz és központi fűtés re szolgáló hőszivattyú lett illesztve a rendszerbe. A hőszi - vattyúnál alapvető feltétel, hogy min. 45 C kimenő lehet a fűtővíz előremenő hőmérséklete annak érdekében, hogy 40 C hőmérsékletű meleg víz biztosítva legyen. Ebben az esetben a kondenzátor után beépített víz-víz hőcserélő 5 C hőfokveszteséget okoz. Emiatt ugyanolyan HMV-hőmérséklet eléréséhez 5 C-kal magasabb fűtővíz-hőmérséklet, és 8 10 C-kal magasabb kondenzációs hőmérséklet szükséges. A fentieknek megfelelően, a 40 C-os meleg vizet, 50 C-os kondenzációs (hűtőközeg oldali) hőmérséklettel lehet biztosítani. Ez a rendszer a lehető legnagyobb pillanatnyi COP-érték-, és szezonális SPF-veszteséget okozza. Az alacsony hőmérsékletű fűtési rendszerrel kombinálva, a fűtőrendszer SPF-értékét szem előtt tartva, max. 40 C körüli melegvíz-hőmérséklet elő ál lí tásá ra alkalmas. Emiatt a kisegítő fűtőrendszer vagy külön hőszivattyú beépítése nélkül nem képes megfelelő szinten biztosítani a meleg vizet. A megoldás a lehető legrosszabb mind a hatékonyság, mind a beruházási költség szempontjából! A megoldás előnye, hogy a hőszivattyús 27

20 készülék igen egyszerű. A hőszivatytyú árának csökkenése azonban nincs arányban a megfelelő használatimelegvíz-komfort eléréséhez szükséges többlet beruházási, valamint a lényegesen nagyobb üzemeltetési költség igényével. A külön HMV-termelő hőszivattyús készülék alkalmazása Egyes gyártók nem a multifunkciós hőszivattyúk, hanem a külön tárolós HMV-hőszivattyúk irányába fejlesztenek. Családi házas rendszereknél külön fűtő hőszivattyút és külön HMV-hőszivattyút beállítani a legtöbb esetben értelmetlen, mert a készülékek kihasználtsága csökken, és ezzel a beruházás megtérülési ideje jelentős mértékben nő. A kis teljesítményű HMV-hőszivatytyúk alkalmazása környezetvédelmi szempontból indokolt lehet az épületek hulladékhőjének (pl. szellőző leve gő, elfolyó szennyvíz stb.) haszno sításakor. A beruházás viszonylag hosszú megtérülési ideje a legtöbb esetben nem teszi lehetővé az ilyen készülékek alkalmazását. A desuperheater (elsődleges hőcserélő) alkalmazása A leghatékonyabb (magas COP) megoldás! A közvetlenül a kompresszor után, és a kondenzátor elé beépített (soros kötés) koaxiális hőcserélő (2. ábra) a hűtőkörfolyamat túlhevítési hőjét használja HMV-termelésre. A túlhevítési tartomány az összes fűtési teljesítmény 12 15%-a. A túlhevítési hőmérséklet lényegesen magasabb, mint a kondenzációs hőmérséklet 1, ezért magasabb hőmérsékletű meleg vizet lehet előállítani, mint a fűtési hőmérséklet, és a COP-érték sem romlik. A másik előnye, hogy ezzel a megoldással nyáron, az épületből elvont hő 12-15%-ából meleg vizet állíthatunk elő gyakorlatilag ingyen. 2. ábra A cső a csőben elsődleges HMV-hőcserélő (desuperheater) alkalmazása hőszivattyúban Az aktív hűtési üzemmódban javul a hűtési COP- (azaz EER-) érték! Hátrányai: a teljesítménye max.15%-ában állít elő melegvizet, a melegvíz-előállítás csak fűtő vagy hűtő üzemmódban történik, csak használati meleg víz így nem készíthető, kiegészítő HMV-fűtés (napkollektor, elektromos betét) szükséges az átmeneti időszakban. A családi házas rendszereknél minimális kiegészítéssel a leghatékonyabb megoldás, a legmagasabb SPF-elérését biztosítja a kombinált üzemmódban. A hőszivattyú beruházási költségének növekedése egy ilyen desupeheater -s megoldásnál százezer Ft alatti, amelyben már a HMV-szivattyú ára is benne van, és így kedvezőbb az ár, mint a külső hőcserélő alkalmazásakor (1. ábra), amikor a hőcserélő mellett 2 db cirkulációs szivattyúra is szükség van. A kétkondenzátoros (direkt HMV) hőszivattyú alkalmazása Olyan esetekben, amikor a fűtési teljesítmény 40 50%-át eléri vagy meghaladja a HMV teljesítményigénye, célszerű az alkalmazása. Az alábbi körfolyamattal ellátott hőszivattyú aktív hűtésre nem alkalmas. Ebben a körfolyamatban az egyik kondenzátor előnykapcsolásban dolgozik a használati meleg vízre, a teljesítménye 100%-ában. A magasabb hőmérsékletű HMV-előállítás ebben az esetben kissé alacsonyabb COPértéken lehetséges, mint desuper - heaterrel (ld. 2. ábra), de lényegesen magasabban, mint külső (víz-víz) hőcserélő alkalmazásakor (ld. 1. ábra). A legoptimálisabb megoldás a fűtési, és a nagy mennyiségű HMV-előállítási igény biztosítására. Magas hőmérsékletű HMV-előállítás lehetséges. 1 Az 50 C-os kondenzációs hőmérsékletnél a túlhevített hűtőközeggőz hőmérséklete 80 C körül alakul. A HMV előállítás céljára ebben az esetben az 50 C 80 C közötti hőfok tartományt használjuk. Ebben az esetben tehát, a hűtőközeggőz átlaghőmérséklete 65 C, amely alkalmas 60 Cos HMV előállítására a desuperheaterben. 28

21 3. ábra A EVI körfolyamatú hőszivattyúk fűtő, direkt HMV-termelő körfolyamata Sok esetben ezzel a megoldással kiválthatjuk a rossz kihasználtságú külön hőszivattyús készülékeket. Példaként említhetnék egy szállodát, ahol alacsony hőmérsékletű fűtésre vannak beépítve hőszivattyúk külső léghőmérséklet szabályozással. Az előkészítő konyha miatt 60 C-os meleg vízre van szükség. Egy ilyen estben az 1. ábra szerinti külső hőcserélő alkalmazásakor csak C hőmérsékletű meleg vizet lehetne előállítani. Az egyik megoldás ilyen esetben a külön hőszivattyú beállítása, amely az elérhető legmagasabb kondenzációs hőfokszinten meleg vizet állítana elő. A kihasználtsága azonban csak 1/3- a lenne a fűtési hőszivattyúk kihasználtságának! Abban az esetben, ha a 3. ábra szerinti kétkondenzátoros készüléket alkalmaznánk az épület és HMV fűtésére, akkor 1/3-dal javítanánk a fűtő hőszivattyúk kihasználtságán, és megtakarítanánk több millió forintos beruházást! A kapacitáshiány abban a rövid intervallumban jelentkezne a fűtésben, amikor a külső hőmérsékletet -15 C, vagy az alatti. A tapasztalatok szerint ez méretezési külső léghőmérséklet, ötéves átlagban és csak 6 óra időtartamú évente Magyarországon. Megfelelően méretezett HMV-tartállyal, és jó szabályozással nem csökkenne érzékelhetően a belső hőmérséklet. 2 A multifunkciós hőszivattyúk alkalmazhatóságára az 1. ábra szerinti alkalmazás multifunkciós alterna tívája is jó példa. Az épület igényeit szintén 3 db hőszivattyúval lenne célszerű biztosítani: 2 db fűtő aktív hűtő HMV-termelő multifunkciós hőszivattyú, amely a fűtés és az aktív hűtés mellett a leghatékonyabb módon állít elő desuperheaterrel meleg vizet. A hőszivattyúk teljesítmény nagyságát, jelen esetben a hűtési teljesítményre kellene választani, így a fűtési hőigény biztosítása valószínűsíthetően nem lenne megoldva teljes körűen. A HMV-teljesítmény egy járulékos lehetőség, amely ennél a projektnél a jelentkező igényeket nem elégítené ki. Emiatt célszerű lenne alkalmazni egy kétkondenzátoros hőszivattyút, amely előnykapcsolásban bármikor képes csak a használati meleg víz fűtésére teljes kapacitással dolgozni, ugyanakkor külön fűtési körön a központi fűtésre is képes rásegíteni, igény szerint. A fentiek miatt az 1. ábrán szereplő lemezes hőcserélő feleslegessé válna, mert a kondenzátor a készülékbe be van építve, így ez lényegesen magasabb COP-értéket eredményez. A rendszerben csak egy hőcserélő van, külön hőfokveszteség nem jön létre. Ennél a megoldásnál a HMV-teljesítmény a tervek szerint elégséges, mert a két hőszivattyú a desuperheaterekkel szintén rádolgozik a meleg vízre, magas, 60 C hőmérséklet felett. A multifunkciós hőszivattyúk alkalmazásának előnye ebben az esetben: a külső használati meleg víz hőcserélő elmarad, a lényegesen magasabb hőmérsékletű (60 C) melegvíz-előállítás miatt, elmarad egy utófűtő tartály, elektromos betéttel, lényegesen jobb SPF érték a kombinált üzemmódban, az 50 kw teljesítményű hőszivattyú helyett egy 35 kw-os hőszivattyú beépítése elégséges a HMV ellátására. Remélem, ezen írásommal meg tudtam győzni kollégáimat, hogy a hőszivattyús hőigények biztosításánál vegyék figyelembe a multifunkciók adta lehetőségeket, a hatékonyság és a fajlagos beruházási költségek (Ft/kWh; Ft/kW) csökkentése érdekében. Ez a szemléletmód hozzájárulhat a hőszivattyús rendszerek jelenleginél pozitívabb, reálisabb megítéléséhez, és valóban hatékony rendszerek megvalósításához. Fodor Zoltán Fejlesztőmérnök MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyús Tagozat elnöke 2 Figyelembe kell venni azt a tényt, hogy a fűtésiteljesítmény-igényeket, a max. belső hőmérsékletekre és folyamatos üzemre méretezzük. Amenynyiben egy szálloda kihasználtsága a leghidegebb órákban is csak 80-90%-os, akkor a nem lakott szobákban a hőfokszintet a tervezetthez képest több fokkal alacsonyabban lehet tartani, így csökken a teljesítmény hiány a HMV-kapacitás kiesése miatt. A másik megoldás, hogy megfelelő méretű HMV tárolók beépítésével, a HMV-előállítást, a fűtési csúcsigényeknél ne engedélyezzük. 29

22 A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása Hőszivattyú-választás az alkalmazott hőnyerési mód, az elpárolgási és kondenzációs hőfokszintek alapján (föld-víz, vízvíz, hulladékhő-víz hőszivattyúk) VI. rész A cikksorozat előző részeinek fő vezérfonala annak az igen komoly problémának az áthidalása volt, hogy a tervezők és felhasználók sok esetben nincsenek tisztában az egyes hőszivattyúk valós lehetőségeivel, általában a tervezők az egyes márkákhoz alakítanak ki rendszereket, és nem fordítva, az igényekhez választva megfelelő hőszivattyúkat. A cikk keretében ezt a gondolatmenetet folytatva bemutatjuk, hogy milyen hatással számolhatunk, ha az egyes hőnyerési módokhoz nem megfelelő típusú hőszivattyúkat alkalmazunk, és ragaszkodunk egy-egy általunk elfogadott hőszivattyúmárkához. Bemutatásra kerül, hogy milyen műszaki követelményeket kell teljesíteni a különféle hőnyerési módokra alkalmazandó hőszivattyúknak ahhoz, hogy hatékonyan, meghibásodás és üzemzavar nélkül, magas SCOP-értékkel legyenek képesek a feladataik ellátására. Alapvető hibák a hőszivattyúk hőnyerési módra történő kiválasztásakor Víz-víz hőszivattyú választása szondás üzemmódra. Folyadék-víz hőszivattyú választása víz (hulladékhő)-víz üzemmódra. részlegesen, vagy egyáltalán nem működő hőszivattyús rendszerek, rossz évi kihasználtság, nagy fajlagos beruházási költség. Víz-víz hőszivattyú választása szondás üzemmódra A folyadék-víz hőszivattyúkat úgy tervezik, hogy az elpárologtató oldalon legalább -7 0 C-ig fagyállósított víz kering a szondákban és a hőszivattyú elpárologtatójában. Ezáltal lehetővé válik, hogy a talajból feljövő víz hőmérsékletét akár -3 0 C-ig is csökkenthetjük. A gyárilag víz-víz felhasználásra tervezett hőszivattyúk elpárologtatóba bemenő vízhőmérsékletét azonban +5 0 C 6 0 C alá nem lehet engedni, mert ekkor az elpárolgási hőmérséklet 0 0 C alá csökkenhet, ezzel az elpárologtató elfagyása bekövetkezhet. A fentiekből következően más-más a folyadék-víz illetve víz-víz hőnyerési módú hőszivattyúk gyárilag tervezett működési tartománya. A folyadék-víz hőszivattyúknál a COP-érték maximalizálása végett a gyártók általában nem tervezik kihasznál ni a kompresszor adta lehető ségeket, vagyis az elpárologtató oldalon a maximális bemenő vízhőmérséklet C-között lehet. (1. ábra, ELT) Ennek a magyarázata: a készülékek csőrendszerének átmérőit az olajvisszahordás biztosításához kell megtervezni, vagyis a legkisebb terhelésnél is biztosítani kell a minimális csőkeresztmetszetet. Ennek következménye: ahogy távolodunk a legalacsonyabb elpárologtatási hőmérséklettől, úgy növekedik a csősúrlódás okozta nyomásveszteség mind a szívó-, mind a nyomóvezetékekben. A mértéke igen jelentős lehet, %- körüli még optimális esetben is 10 0 C-feljövő vízhőmérséklet esetében, egy szondás hőszivatytyúnál. 2 A fentiekből következően: téves csúcsteljesítmény meghatározás, téves COP-érték-meghatározás. téves SCOP érték prognosztizálás, az alkalmazott hőfoktartományban 1. ábra Folyadék-víz hőszivattyú működési tartománya 1 1 A közölt teljesítménytáblázat és működési tartomány csak egy adott típusra vonatkozóan igaz! A működési tartományokban azonban nagy eltérés nem lehetséges. 44

23 A rossz hőszivattyú választási metódus egy példán keresztül 2. ábra Víz-víz hőszivattyú működési tartománya A víz-víz rendszerű hőszivattyú tervezésénél közel 10 0 C-kal magasabb az elpárologtatóba bemenő vízhőmérséklet, emiatt a hőszivattyú csőrendszerének keresztmetszetét az olajvisszahordást biztosítva nagyobbra lehet tervezni, így a magasabb elpárologtató oldali vízhőmérsékleteknél a csősúrlódás okozta nyomásveszteség jelentősen csökken. A fentiekből következően, amennyiben a víz-víz hőszivattyút a tervezettnél alacsonyabb hőfokszinten működtetjük (szondás rendszer), a megengedett érték alá süllyed a csövekben a hűtőközeg sebessége, és olaj-visszahordási problémák lépnek fel. Ez pedig előbb-utóbb mindenképpen a kompreszszor meghibásodását idézi elő. Figyelem, tervező kollégák, a nem megfelelő hőszivattyú-választás, az ebből eredő kompresszormeghibásodás egyértelműen tervezési hiba, egy felkészült szakértő ezt könnyen bizonyíthatja. alapján tudjuk megfelelő módon elkészíteni. Ez amint következőben látni fogjuk nem egyszerű probléma, ha a gyári adatok egyetlen hőfokszintre, víz-víz hőszivattyú alkalmazásra vannak megadva. Az alábbi, 3. ábrán látható hőszivatytyús kapcsolási sémát a tervezők reverzibilis víz-víz hőszivattyúval készítették. A tervezett rendszer zárt szondás, amelyhez egyértelműen folyadék-víz hőszivattyút kellett volna választaniuk. Ez látszólag nem nagy probléma, de valójában akár működésképtelenné is teheti a rendszert, illetve hoszszabb-rövidebb távon a kompresszor meghibásodásához vezethet. A 4. ábrán az alkalmazott víz-víz hőszivattyú adattáblájának lábjegyzetében (2), látható, hogy a megadott paraméterek C/45 0 C fűtési és A fűtési teljesítmény meghatározása Felmerül az a kérdés is, hogy a tervezett földhő hőfokszintjén milyen értékű lesz a hőszivattyú kimenő fűtési teljesítménye és COP-értéke, mert a hőszivattyú kiválasztását, és a szonda méretezését e paraméterek 3. ábra Hőszivattyús berendezés kapcsolási vázlata 2 A közölt teljesítménytáblázat és működési tartomány csak egy adott típusra vonatkozóan igaz! A működési tartományokban azonban nagy eltérés nem lehetséges. 45

24 4. ábra Víz-víz hőszivattyú gyári adattáblája 10 0 C/7 0 C elpárologtató oldali vízhőfokszintekre illetve hőfoklépcsőkre vonatkoznak. Kérdés: hogyan lehet ezen paraméterekből megfelelő módon kiválasztani a hőszivattyút szondás alkalmazásra? Válasz: egyértelműen nem lehet! A választást mindig a legnagyobb terhelési szinten mutatott teljesítményre kell elvégezni! Ez azt jelenti, hogy amennyiben a legnagyobb terhelésnél a talaj hőfokát 4 0 C-ra 3 tervezzük csökkenteni, és ekkor 50 0 C a fűtési előremenő hőfokigénye, akkor a hőszivattyú teljesítményét és COP értékét, értelemszerűen 4/50 0 C folyadék-víz 46 hőmérsékletre szükséges megadni! A példában (3. ábra) a rendszer tervezett paraméterei. A hőszivattyúval fűtendő épület számított maximális hővesztesége 112 kw. A tervező a választott, 150V típusú hőszivattyú fűtésiteljesítmény-leadását a gyári adattáblából (3. ábra) kiolvasva 2*53,4 kw = 106,8kW-ban határozta meg. A hőszivattyúk összehasonlítására alkalmas és a szondatervezésnél fontos pillanatnyi COP-értéket 4,1 értékben rögzítette. Ezen értékek, mint az a 4. ábra táblázatában látható, 10 0 C/45 0 C víz-víz hőfokszintre készültek, nyitott kutas rendszerhez, ahol a feljövő víz hőmérséklete közel állandó. Kérdés: a talajhő tervezett legalacsonyabb hőfokszintjén ez a készülék milyen kimenő teljesítményt tud produkálni, és milyen COP-értéken? Amennyiben gyári adatokat erre vonatkozóan nem kapunk, akkor egy ilyen hőszivattyút semmiképp nem lenne szabad a szondás hőnyerési módra alkalmazni, mert az így megadott paraméterek a valóságtól nagyon eltérőek! A példánkban alkalmazott hőszivatytyú R410A hűtőközeggel és valószínűsíthetően Copeland ZP 182KCE kompresszorral szerelt. A kompreszszor kiválasztóprogramját használva megállapítható, hogy a 3. ábrán megadott 53,4 kw fűtési teljesítményt 4,5 0 C elpárolgási és 46 0 C-os kondenzációs hőfokszinten tudja teljesíteni a kompresszor, ekkor a COP= 53,4kW/11,3kW=4,7 4 Mivel a fenti kiválasztóprogram segítségével megismertük a tervezett hőszivattyú elpárologtató és kondenzátor oldali hűtőközeg-víz hőfokkülönbségeit (elpárologtató Δt=5,5 0 C, kondenzátor Δt=1 0 C), meg tudjuk határozni a minimálisan tervezett földhő hőfokszinten is a hőszivattyú kimenő fűtési teljesítményét. A program alapján látható, hogy a 4 0 C/50 0 C folyadék-víz hőfokszinthez -2 0 C/51 0 C elpárologtató és kondenzációs hőfokszintek tartoznak, ekkor a leadott fűtési teljesítmény 43,2 kw. Megállapítható, hogy ez a fűtési teljesítmény 10,2 kw-tal kevesebb, mint a tervező által megadott érték. Az elméleti COP=43,2kW/12,35kW =3,5. A nyomásveszteséget is bekalkulálva, e hőszivattyú valós COP-értéke 3,2 körül alakul, a 4 0 C/50 0 C folyadék-víz hőfokszinten. 3 Ezt a hőmérsékleti értéket szondatervezésnél mindig a tervezőnek kell meghatározni! Nagyobb hőfokszint több szonda igényét eredményez nagyobb költséggel. 4 A 3. táblázatban megadott COP=4,1 érték a kompresszorral elérhető COP=4.7 helyett a hőszivattyú belső fentebb részletezett nyomásveszteségeiből adódik.

25 Összegzés A fentiekből következően, amennyiben a zárt szondás hőnyerési módra vízvíz rendszerű hőszivattyút választunk: nagy valószínűséggel optimálisan tervezett szívó- és nyomócső-keresztmetszetek esetén a talaj hőfokszintjén, a csövekben, a hűtőközeg áramlása olyan alacsony értékre csökkenhet, hogy a folyamatos olajvisszahordás nem biztosított. Ez pedig a kompresszorok élettartamának radikális mértékű csökkenését eredményezi. 5. ábra A kompresszor paraméterei víz-víz hőfokszinten A hőszivattyúk alacsony oldali nyomásvédelmeit is a megengedhető leg - alacsonyabb értékre kalibrálja be a gyártó az elfagyás megakadályozása végett. Ez az érték a víz-víz hőszivatytyúknál, a 0 0 C-os elpárologtató hőmérsékletnek megfelelő lehet. Ez az érték azonban a szondás rendszerhez túl magas, mert itt a szélső érték -7 0 C. Csak olyan hőszivattyúkat tervezzünk, amelyek paraméterei a tervezendő legalacsonyabb földhő hőfokszinten ismertek! A szabványban meghatározott egyetlen paraméter alapján nem lehet tervezni! Lehetőség szerint ellenőrizzük vagy ellenőriztessük le a készülékek megadott paramétereit! (A kompresszor gyári adatai alapján.) Lehetőség szerint ismerjük meg a hőszivattyúk működésének szélső határait. A feladatra legalkalmasabb hőszivattyút tervezzük, ne ragadjunk le egy általunk jónak ítélt márkánál! Ne tervezzünk alibi rendszereket! A problémák más jelleggel természetesen abban az esetben is fennállnak, amennyiben folyadék-víz hőszivatytyúkat tervezünk be víz(hulladékhő)- víz rendszerekre. Az ebből eredő problémákat a cikksorozat következő részében követhetik nyomon. Fodor Zoltán fejlesztőmérnök MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyús Tagozat elnöke 6. ábra A kompresszor paraméterei minimálisan tervezett szondahőfokszinten Vaporline Geotermikus hőszivattyúk Fűtés aktív hűtés HMV-funkciók, kw egységteljesítmény Magyar Termék Nagydíj Magyar fejlesztés, magyar munkahelyek Geowatt Kft Budapest, Kén u / ; / geowatt@geowatt.hu, 47

26 SZAKma A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása VIII. rész A hőnyerési rendszerek tervezése földhő hőszivattyús rendszerek esetében Mint ahogy a cikksorozat első részében kifejtettük ahhoz, hogy egy hatékony, a megrendelőt kielégítő hőszivattyús rendszerre előzetes árajánlatot tudjunk adni, és meg tudjunk tervezni egy hőszivattyús rendszert, ne legyünk egy hőszivatytyú-forgalmazó saját érdekeinek kiszol gáltatva 1, a fenti elemek hőszi - vattyús szempontból történő kiválasztására, összhangjára van szükség. A cikksorozat előző részeiben részletesen bemutattuk, hogy milyen szempontok alapján célszerű az adott feladatok hatékony ellátására hőszivattyút választani. Láthatóvá vált, hogy milyen szerteágazó ismeretre és tudásra van szükség ahhoz, hogy az adott feladat ellátására a legalkalmasabb, leghatékonyabb készüléket válasszuk. A hőszivattyú-kiválasztás, a hőszivattyú paramétereinek megismerése azonban csak az első lépés ahhoz, hogy a jelenlegi technikai színvonalon legoptimálisabb, leghatékonyabb hőszivattyús rendszert tervezzük. A hőszivattyús rendszer elemei hőszivattyú hőnyerési rendszer hőközponti elemek belső hőleadók szabályozás A hőszivattyús rendszer elemei alapján látható, hogy a hőszivattyú kiválasztása után a hőnyerési rendszer megtervezése a rendszer hatékony működésének másik alapfeltétele. A cikksorozat keretében előzőleg már részletezésre került a nyitott hőnyerési mód ezen belül a hulladékhő-hasznosítás. Magyarországon, és az EU más országaiban is, mindjobban elterjedő zárt hőnyerési módok alkalmazásában azonban olyan anomáliák tapasztalhatók, amelyek kiküszöbölése a hőszivatytyús rendszerek hatékony működésének alapfeltétele. A szondahosszúság és a SCOP számításelméleti alapjai Az IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association) méretezési metódusa e cikk keretében olyan mélységig kerül bemutatásra, hogy felkeltse a téma iránt érdeklődő szakemberek figyelmét. Külön kiemelve az a tény, hogy a kollektor- és szondarendszerek tervezése nem választható szét a hőszivattyús rendszerek tervezésében. Tapasztalható és terjedő gyakorlat, hogy egy épületgépész tervező megtervezi a hőszivattyús hőközpontot az épület energiaigényének megfelelően, a szondarendszer tervezését pedig a fúró vállalkozóra, illetve cégre bízza. A jelen cikkben, és a cikksorozat következő számaiban a zárt rendszerek elméleti alapjának bemutatásával, a tervezés gyakorlati metódusával remélhetőleg egyértelművé válik, hogy ez a gyakorlat alapjaiban téves, a hatékony, ár-érték arányban kedvező hőszivattyús rendszerek kialakítását nem segíti elő. A lehetőségek kihasználásának egyik módja, ha a rendszert tervezők, kivitelezők alapjaiban megismerik a hőszivattyús technika és technológia tervezésének elméletét, és nem követik el azokat az alapvető hibákat, amelyekkel sajnos igen sűrűn találkozhatunk, amelyek alapjaiban megkérdő jelezik a hőszivattyús rendsze rek energiahatékonyságát, ár-érték arányát. A horizontális és vertikális zárt kollektoros és szondás rendszerek méretezésének elméleti alapja A szondarendszer méretezésének alapja az adott körülmények közötti szükséges szondahosszúság meghatározása, amely lehetővé teszi az egyéb, számunkra szükséges paraméterek, SPF (SCOP) várható értékének meghatározását, végezetül a hosszútávú termikus hatás elemzésének elvégzését is. Horizontális földhőkollektor hosszának meghatározása fűtési üzemmódban: A képletben szereplő adatok meghatározása Az épület számított hővesztesége (QH[W]) A szondatervezéshez elsőként az épület lehetőség szerint pontos hőveszteség-számítását kell elvégezni, az adott területre a szabványban meghatározott legalacsonyabb külső léghőmérsékleti hőfokszintre. A pontos számítás a rendszer ár-érték arányát tekintve nagy jelentőségű, hiszen a hőszivattyús rendszereket túltervezni célszerűtlen, költséges, ami a rendszerek megítélését erősen rontja. A monoenergetikus üzemmód A hőszivattyú szükséges hőteljesítményének meghatározására optimális megoldás a monoenergetikus üzemmód választása. A hőszivattyúra számítandó kisebb beruházási költségek miatt a monoenergetikus üzemmód a monovalens működésű hőszivattyúval szemben jelent gazdaságossági előnyt. Általános rendszerkonfiguráció esetén a hőszivattyú fűtőteljesítményét az épület maximális hőszükségletének kb %-ára (az EN Gyakori eset, hogy egy forgalmazónak elkötelezve, a tervezett projektre közvetlenül tőle kérnek árajánlatot, amely sok esetben azt okozza, hogy nem a rendszer igényeinek hatékony kielégítésére keresnek megfelelő hőszivattyút, hanem az adott hőszivattyút igyekeznek az igényekhez igazítani, sokszor komoly veszteségek árán! 25

27 SZAKma szabvány szerint) célszerű méretezni. Ebben az esetben a hőszivattyú éves fűtési fedezeti aránya kb %. A ki egészítő fűtést célszerű egy puffertartályba épített elektromos fűtőbe téttel megoldani, amelyet szükség esetén a hőszivattyú szabályzója indít automatikusan. 1. ábra A hőszivattyú fedezeti aránya (%) az éves fűtési órák %-ában (csak fűtő üzem) szabványos lakóépület ese - tén a hőszivattyú monoenergetikus üzemben nyújtott fűtőteljesítményének függvényében Az alkalmazott kollektor/szonda hővezetési ellenállása Horizontális, egycsöves rendszerek esetén a számítása: D0.Cső külső átmérője [mm] D1 Cső belső átmérője [mm] kp Cső hővezető képessége [W/mK] Horizontális, kétcsöves rendszerek esetén a számítása: Sb konfigurációtól függő tényező, amelyet manuális számítás esetén táblázatokból és diagramokból lehet meghatározni. 2 ks a talajmező átlagos hővezetése [W/mK] 3 A talaj minimum- (TL), valamint a tervezett minimális (Tmin) folyadék-hő mér - séklet különb ségének meghatá rozása fűtési üzemmódban THD=TL-Tmin [K] Tmin=ELT A tervezett legalacsonyabb hőszivattyúba bemenő folyadék hőmérséklete [K]. A Tmin hőmérsékletet a szondatervezést végző mérnök adja meg, az évi SPF-érték, valamint a szükséges furatszámok figyelembevételével. A Tmin(ELT) hőmérséklethez tartozó fűtési COPH-értéket a tervezett hőszivattyú teljesítménytáblázatából ki lehet választani, a legnagyobb terheléshez tartozó fűtési előremenő hőmérséklet ismeretében. Példa: amennyiben a legnagyobb terhelésnél (legalacsonyabb tervezett külső léghőmérséklet) a hőszivattyú elpárologtatójába bemenő folyadék hőmérsékletét 5 C-ban határozzuk meg, ekkor a fűtési hőleadók működtetéséhez 50 C-os fűtési előremenő szükséges. Az 1. táblázat kijelölt sorában lévő paraméterek az irányadók. Jelen példában a Tmin=5 C értékhez tartozó érték: COPH=3,6. TM A talaj átlagos hőmérséklete a tervezett kollektormélységben (2. ábra) AS Éves felszíni talajhőmérsékletingadozás [K] XS A kollektor/szonda telepítési mélysége [m] α A talaj termáldiffúziója [m 2 /nap] A fenti szükséges hőmérsékleti és geológiai adatok az adott földrajzi területekre jellemzőek. Ezekhez geológiai táblázatokból hozzá lehet jutni, így az adott projektre jellemző TL [K] érték számítható. A fentiek alapján a THD=TL-Tmin [K] érték meghatározható. 2. ábra Talajhőmérséklet Térfogatáram Térfogatáram 5,0 58,0 1,0 4,0 15,0 5,6 11,1 20,2 3,6 45,0 58,0 50,0 5,0 N csőhurkok száma A kollektorokat és szondákat körülvevő talajmező hővezetési ellenállása 1. táblázat A talaj minimum-hőmérsékletének meghatározása fűtési üzemmódban (TL), (Xs) mélységben. A hőszivattyú futási százalékának meghatározása (FH) 2 Groutng for Vertical Geothermal Heat Pump Systems, Engineering Design and Field Procedures Manual IGSHPA Oklahoma State University, Figure 2-4;Table Szondateszttel mért, vagy a talajszerkezet ismeretének birtokában táblázatból meghatározott érték. 26