Kompresszoros hőszivattyúk optimalizálása épületgépész feladatokra

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Komrezoro hőzivattyúk otimalizáláa éületgééz feladatokra Doktori értekezé Írta: Méhe Szabolc oklevele géézmérnök Témavezető: Dr. Garbai Lázló egyetemi tanár 011. zetember, Budaet

2 BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING Otimiation of comreor driven heat um for building ervice PhD diertation Written by: Szabolc Méhe Mater of Science Suervior: Dr. Lázló Garbai Univerity rofeor Budaet, Setember 011

3 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Ezúton zeretném megközönni témavezetőmnek, Dr. Garbai Lázlónak, hazno tanácait, illetve a telje odaadáal való támogatáát, biztatáát é egítégét tanulmányaim é értekezéem elkézítée orán. Szakmai tanácadáért é egítégért továbbá közönet illeti: Dr. Maiyaleh Tarek Tanár Urat a BME Energetikai Géek é Rendzerek Tanzékről. Továbbá közönetemet zeretném kinyilvánítani az Éületgéézeti é Géézeti Eljárátechnika Tanzék minden egye dolgozójának hazno tanácaikért, odaadó egítégükért é támogatáaikért. Közönettel tartozom zeretteimnek, akik mindvégig támogattak tanulmányaim orán é dizertációm elkézítéében.

4 Tartalomjegyzék 1. BEVEZETÉS... 1 Gazdaág é energetika... 1 Megújuló energia é energetika... A hőzivattyú a megújuló energetikában... 3 Komrezoro hőzivattyú rendzerek hőforráai... 4 A hőzivattyúk alkalmazáa Magyarorzágon PROBLÉMAFELVETÉS ÉS AZ ÉRTEKEZÉS CÉLKITŰZÉSEI IRODALMI ELŐZMÉNYEK, EDDIGI VIZSGÁLATOK A talajzondá hőkinyeré, a talajzondával felzínre hozható hőteljeítmény meghatározáának irodalma A hőátviteli ellenállá meghatározáának irodalma A hőzivattyú rendzer bemenet - kimenet modellezéének zakirodalma A hőzivattyú COP értékének irodalma A FÖLDHŐT HASZNOSÍTÓ HŐSZIVATTYÚS RENDSZER ENERGETIKAI BEMENET - KIMENET FEHÉR DOBOZ MODELLJEI A bemenet kimenet fehér doboz modellje é energetikai analízie A talajzondák hozamának meghatározáa Az eredő hőátviteli ellenállá meghatározáa Számítái eredmények a zokáoan alkalmazott zondaárokra A kinyerhető hőteljeítmény változáa a zonda mélyége függvényében A zondákban keringtetett folyadék hőmérékletének alakuláa a mélyég függvényében I

5 4.1.5 Energiahozam üzemelő hőzivattyú fűtéi rendzereknél A hőzivattyú bemenet - kimenet fehér doboz modellje é energetikai analízie Az elárologtató energetikai bemenet - kimenet fehér doboz modellje é mérlegegyenletei A komrezor energetikai bemenet - kimenet fehér doboz modellje é mérlegegyenletei A kondenzátor energetikai bemenet - kimenet fehér doboz modellje é mérlegegyenletei Az exanzió zele energetikai bemenet kimenet fehér doboz modellje é mérlegegyenletei Következtetéek A fogyaztói fűtéi rendzer bemenet kimenet fehér doboz modellje é energetikai analízie A fogyaztói rendzer intacionáriu mérlegegyenletei A kondenzátor é a fogyaztó özekacoláa Özefoglaló megállaítáok a rendzerelemek fehér doboz modelljeivel kacolatban A fehér doboz modellek alkalmazáa a talajzondá hőzivattyú üzemvitelének leíráára é az úgynevezett ala é inverz feladat megoldáára A TALAJSZONDÁS KOMPRESSZOROS HŐSZIVATTYÚK LÉTESÍTÉSÉNEK ÉS ÜZEMÉNEK OPTIMÁLÁSA A rendzerelmélet alajai Soro rendzerek Elemi nem oro rendzerek Elágazó ágú rendzer II

6 5.1.. Catlakozó ágú rendzer Előrecatolt rendzer Vizacatolt rendzer Az energetikai rendzerek analízie a rendzerelmélet felhaználáával ELEKTROMOS KOMPRESSZORHAJTÁSÚ TALAJSZONDÁS HŐSZIVATTYÚS RENDSZER OPTIMALIZÁLÁSÁNAK RENDSZERELMÉLETI DÖNTÉSI SÉMÁJA Meglévő talajzondá hőzivattyú fűtéi rendzer üzemének otimáláa A hőzivattyú rendzerek jelenleg alkalmazott zabályozáa Otimáli üzemelteté bemutatáa A tervezé é léteíté fázia alatt álló talajzondá hőzivattyú fűtéi rendzer döntéi rendzerelméleti émája ÖSSZEGZÉS További megoldára váró feladatok TÉZISEK IRODALOMJEGYZÉK: III

7 Ábrajegyzék 1. ábra: Az elektromo hajtáú hőzivattyú körfolyamat működéének alaelve [8] 3. ábra: A fehér doboz modellek ábrázolá módja [40] ábra: Való é elméleti körfolyamat ábrázoláa log-h diagramban ábra: Talajzondá hőzivattyú fűtéi rendzer kacolái vázlata ábra: Tervezé é léteíté fázia alatt álló talajzondá hőzivattyú rendzer energetikai bemenet kimenet fehér doboz modellje ábra: Meglévő talajzondá hőzivattyú rendzer energetikai bemenet kimenet fehér doboz modellje ábra: A bemenet kimenet fehér doboz modelljei ábra: Talajzonda ematiku ábrája ábra: A folyadék hőmérékletének é a talaj hőmérékletének kvalitatív változáát bemutató görbék ábra: Végtelen térben elhelyezkedő zondaár egymára hatáa [18], [70] ábra: Az eredő hőátviteli ellenállá zámítái ábrája ábra: Hőméréklet elozlá a furatban é a furat körül ábra: A tömedék hőátviteli ellenálláának zámítáa ábra: A talaj hőmérékletének változáa 0 15 m mélyégig [54] ábra: A kivehető hőteljeítmény ( Q ) é a kiléő hőméréklet (Te) változáa a tömegáram ( m ) függvényében február hónaban 1 éve üzemidő után, Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében ábra: A kivehető hőteljeítmény ( Q ) é a kiléő hőméréklet (Te) változáa a tömegáram ( m ) függvényében máju hónaban 1 éve üzemidő után, Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében ábra: A kivehető hőteljeítmény ( Q ) é a kiléő hőméréklet (Te) változáa a tömegáram ( m ) függvényében auguztu hónaban 1 éve üzemidő után, Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében IV

8 18. ábra: A kivehető hőteljeítmény ( Q ) é a kiléő hőméréklet (Te) változáa a tömegáram ( m ) függvényében november hónaban 1 éve üzemidő után, Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében ábra: A COP érték változáa a tömegáram ( m ) é a kollektor zárak (l) távolágának függvényében február hónaban 1 éve üzemidő után, Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében, ha Tc = 50 C, a T0 értékeit a 3. zámú melléklet M3.1 táblázata tartalmazza ábra: A COP érték változáa a tömegáram ( m ) é a kollektor zárak (l) távolágának függvényében máju hónaban 1 éve üzemidő után, Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében, ha Tc = 50 C, a T0 értékeit a 3. zámú melléklet M3. táblázata tartalmazza ábra: A COP érték változáa a tömegáram ( m ) é a kollektor zárak (l) távolágának függvényében auguztu hónaban 1 éve üzemidő után, Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében, ha Tc = 50 C, a T0 értékeit a 3. zámú melléklet M3.3 táblázata tartalmazza ábra: A COP érték változáa a tömegáram ( m ) é a kollektor zárak (l) távolágának függvényében november hónaban 1 éve üzemidő után, Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében, ha Tc = 50 C, a T0 értékeit a 3. zámú melléklet M3.4 táblázata tartalmazza ábra: A földből feljövő vízhőméréklet (Te) (elárologtatóba bemenő) é a kinyerhető hőteljeítmény ( Q ) nagyágának változáa a mélyég (H) függvényében február hónaban Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében ábra: A földből feljövő vízhőméréklet (Te) (elárologtatóba bemenő) é a kinyerhető hőteljeítmény ( Q ) nagyágának változáa a mélyég (H) függvényében máju hónaban Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében V

9 5. ábra: A földből feljövő vízhőméréklet (Te) (elárologtatóba bemenő) é a kinyerhető hőteljeítmény ( Q ) nagyágának változáa a mélyég (H) függvényében auguztu hónaban Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében ábra: A földből feljövő vízhőméréklet (Te) (elárologtatóba bemenő) é a kinyerhető hőteljeítmény ( Q ) nagyágának változáa a mélyég (H) függvényében november hónaban Ø3 mm átmérőjű zondacő eetében ábra: A zondákban áramló folyadék hőmérékletének alakuláa február hónaban ábra: A zondákban áramló folyadék hőmérékletének alakuláa máju hónaban ábra: A zondákban áramló folyadék hőmérékletének alakuláa auguztu hónaban ábra: A zondákban áramló folyadék hőmérékletének alakuláa november hónaban ábra: A hőzivattyú bemenet kimenet fehér doboz modellje ábra: Az elárologtató bemenet kimenet fehér doboz modellje ábra: Az elárologtató jelleggörbéje [43] ábra: A komrezor bemenet kimenet fehér doboz modellje ábra: A zállítái fok változáa a nyomávizonyok függvényében [43] ábra: A komrezor kvalitatív jelleggörbéje [43] ábra: A komrezor é az elárologtató együttműködée [43] ábra: A komrezorból é elárologtatóból álló rézegyég hőteljeítménye [43] ábra: A COP érték változáa az elárologtatái hőméréklet é a komrezor hatáfokának függvényében, ha a kondenzáció hőméréklet 35 C é az alkalmazott hűtőközeg tíua R407C... 7 VI

10 40. ábra: A COP érték változáa az elárologtatái hőméréklet é a komrezor hatáfokának függvényében, ha a kondenzáció hőméréklet 35 C é az alkalmazott hűtőközeg tíua R410A ábra: A COP érték változáa a kondenzáció hőméréklet é a komrezor hatáfokának függvényében, ha az elárolgái hőméréklet 0 C é az alkalmazott hűtőközeg tíua R407C ábra: A COP érték változáa a kondenzáció hőméréklet é a komrezor hatáfokának függvényében, ha az elárolgái hőméréklet 0 C é az alkalmazott hűtőközeg tíua R410A ábra: Coeland ZH1K4E-TFD komrezor COP értékeinek változáa az elárolgái é kondenzáció hőméréklet függvényében, R407C hűtőközeg alkalmazáa eetében, ha η = ábra: Coeland ZH1K4E-TFD komrezor COP értékeinek változáa a kondenzáció é az elárolgái hőméréklet függvényében, ha η = ábra: A COP érték változáa a T = Tc To érték é az elárolgái hőméréklet függvényében ábra: A COP érték változáa az elárolgái hőméréklet é a T = Tc To érték függvényében ábra: A COP érték változáa a T = Tc To érték é az elárolgái hőméréklet függvényében ábra: A COP érték változáa az elárolgái hőméréklet é a T = Tc To érték függvényében ábra: A kondenzátor bemenet - kimenet fehér doboz modellje ábra: A kondenzátor jelleggörbéje [43] ábra: A hőzivattyú rézegyégeinek együttműködée [43] 5. ábra: A fogyaztó bemenet kimenet fehér doboz modellje ábra: Soro rendzer [56] ábra: Soro rendzer döntéi fokozatán a tranzformáció özefüggéek [56] VII

11 55. ábra: Elágazó ágú rendzer [56] ábra: Catlakozó ágú rendzer [56] ábra: Előrecatolt rendzer [56] ábra: Vizacatolt rendzer [56] ábra: Soro döntéi rendzer fehér doboz modellje [41] alaján ábra: Működő hőzivattyú rendzer döntéi rendzerelméleti émája ábra: A tervezé é léteíté rendzerelméleti, döntéi fehér doboz modellje VIII

12 Táblázatjegyzék 1. táblázat: A Fourier zám változáa az idő függvényében táblázat: Az Rtalaj intacionáriu hővezetéi ellenállá értékei táblázat: Reredő intacionáriu hővezetéi ellenállá értékei, ha l = 85 mm,, talaj 41 W/mK,, tömedék 13W/mK, d = D = 3 mm, Dfúrólyuk = 140 mm táblázat: Az elárologtató tiiku alafeladatai táblázat: A komrezor tiiku alafeladatai táblázat: A kondenzátor tiiku alafeladatai táblázat: A fogyaztó tiiku alafeladatai IX

13 Jelöléek A c CEl CInv COP felület, fajhő, éve villamo energia költég leíráa, éve beruházái költég leíráa, teljeítménytényező, D, d átmérő, döntéi változó, E villamo energia, E, F, C, G, I, E1, F1, G1, I1 állandók, f Fo g h H K k Ko, Jo, Yo L l m M N O P Q q R r otimalizáció célfüggvény, Fourier zám, gravitáció állandó, tranzformáció függvény, entalia, rendzer célfüggvénye mélyég, fajlago költégfüggvény. hőátbocájtái tényező, fajlago költégfüggvény, Beel függvények, hozúág, kollektor zárak közti távolág, tömegáram, munkaont, furatban elhelyezkedő zárak otimalizáció célfüggvény, teljeítmény, hőteljeítmény, fajlago hőteljeítmény, hőátviteli ellenállá, telje gazdaági eredmény, ugár, fokozatonkénti gazdaági eredmények, X

14 T TAC U v V w W fajlago entróia, hőméréklet, telje éve költég, döntéi változók, fajtérfogat, térfogatáram, áramlái ebeég, munka, X, Y, Z bemeneti é kimeneti változók, α hőátadái tényező, β0, β1 Paul féle állandók a zárai távolágának függvényében γ δ η Euler állandó, falvatagága, hatáfok, ϑ, Ξ hőáraműrűég, κ λ ν ρ τ hődiffuzivitá, hővezetéi tényező, komrezor zállítái foka, fajtérfogat, űrűég, idő, Aló indexek 0 hűtőközeg állaot az elárologtatóra vonatkoztatva, 1,, 3, 4 a hőzivattyú körfolyamat egye jellegzete ontjai, b c cő e el belő, hűtőközeg állaot a kondenzátorra vonatkoztatva, cöve, ekvivalen elárologtató, XI

15 eredő f felvett filt fogyaztó folyadék folyadék-zonda eredő, fúrólyuk fala, felvett, filtráció, hőfogyaztó, rimer áramló folyadék, áramló rimer oldali folyadék é a fala közti kacolat, h hz i k kom kond leadott levegő m e v rad rendzer e v talaj tömedék TR hűtőközeg, hőzivattyú, indikált, külő, komrezor, kondenzátor, leadott, külő levegő, motor, rimer rendzer, rimer előremenő, talajzondából elárologtatóba, rimer vizatérő, elárologtatóból talajzondába, hőleadó, rendzer, zekunder rendzer, zekunder előremenő, kondenzátorból hőleadóba, zekunder vizatérő, hőleadóból kondenzátorba, talaj,, tömedék, tranzmizió, XII

16 1. BEVEZETÉS Gazdaág é energetika A 19. é 0. zázad iari fejlődéének vizgálata azt mutatja, hogy az elért fejlődé mind nagyobb mértékű energiafelhaználát eredményezett, őt még termézetromboláal i járt. Az energiaforráok feltáráa é kiaknázáa megengedhetetlen mértékű é vizafordíthatatlan károodát eredményezett a termézeti környezetben é a légkörben. A legkülönfélébb becléek i megegyeznek abban, hogy a rendelkezére álló termézete energiahordozók legfeljebb évre elegendők. A modern iari táradalmak víziója a fenntartható fejlődé, amely a termézeti erőforráokkal, é ezen belül az energiaforráokkal való ézerű gazdálkodá konceciója. Ezen konceció megfogalmazói belátták, hogy a fogyaztá mértéktelen növelée olyan mértékű környezeti károodát okozhat, amely előbb-utóbb az iari termelé nem kívánt korlátozáát vonja maga után, őt a lokáli civilizációk, illetve a globáli civilizáció úlyo vezélyeztetéével, özeomláával járhat. E kérdékör okat analizált é kb éve a közgondolkodá é a olitikai gondolkodá homlokterébe emelt eleme annak a vezélynek a tudatoítáa, hogy a légkört károító gázok é égétermékek - különöen a CO - kibocájtáának a fokozódáa globáli felmelegedéhez, éghajlati é környezeti kataztrófához vezethet. Az emberiég nem növelheti energia-felhaználáát a jelenlegi mértéket meghaladóan, őt inkább viza kellene fognia é cökkenteni kellene az energiahordozók kitermeléét é felhaználáát, különöen a fozili energiahordozókét. Az Euróai Unió vezető energiagazdázai már megteremtették az alkalma jogzabályi környezetet é az ebből fakadó kötelezettégeket arra nézve, hogy a közeljövő energetikájának, illetve energiagazdálkodáának vezető gondolata az energiahatékonyág növelée, az energiatakarékoág fokozáa é a megújuló energiaforráok mind intenzívebb haznoítáa legyen.

17 Megújuló energia é energetika A megújuló energiaforráok körébe a na-, a zél-, a vízenergia, a talajhő é a biomaza tartozik. A megújuló energiák haznoítáához kacolható fonto, é az utóbbi időben mind nagyobb zereet játzó technológia a hőzivattyú. Az Euróai Uniónak az ENSZ 008-a cúctalálkozóján beterjeztett javalata, amely zerint 010-ig a világ energiazükégletének 15 %-át megújuló energiaforráokból kell fedezni, az Egyeült Államok é az olajtermelő orzágok negatív álláontja miatt nem került elfogadára. Ennek ellenére ez a terv az Euróai Unió energiaolitikájának fonto eleme lez, még ha mérékeltebb formában i [10]. Jelenleg az Euróai Unió célkitűzée az, hogy 00-ra az Euróai Unió átlagoan 0%-kal kívánja cökkenteni az energiafelhaználát, 0%-kal növelni a megújuló energiák felhaználáát é 0%- kal cökkenteni az üvegházhatáú gázok kibocátáát. Magyarorzág beemelte a jogrendjébe az Euróai Unió határozatát a megújuló energiaforráok nagyarányú növeléére vonatkozóan, é az a célkitűzé, hogy a megújuló energiahordozók felhaználáának mértékét a jelenlegi 5-6%-ról 14,65%-ra növelje. Az Euróai Unió felé vállalt kötelezettégeink okán, de az energiaárak egyre draztikuabb növekedée miatt előtérbe kell helyeznünk, é foglalkoznunk kell az energiahatékonyág é energiatakarékoág kérdéével, amelyek rokon fogalmak, de hozzákacolhatók a megújuló energiák fokozott mértékű felhaználáának célkitűzééhez i. A közelmúltban elfogadott jogzabályok kötelezettégként írják elő meglévő éületek felújítáára é új éületek energiaellátáának tervezéére a megújuló energiaforráok, illetve az ezeket haznoító technológiák alkalmazáát a hőigények kielégítéében. Az egyik az éületek energetikai jellemzőinek meghatározááról zóló 7/006. (V. 4.) TNM rendelet, a máik edig az éületek energetikai jellemzőinek tanúítááról zóló 176/008. (VI. 30.) kormányrendelet. Ezek a jogzabályok az éületek energiatanúítáához zükége zámítáokat é határértékeket tartalmazzák. Az említett jogzabályok az éületek energiafelhaználáának minőítéével i foglalkoznak. A rendeletek az egye léteítményeket energiahatékonyáguk alaján ka-

18 tegorizálják A++ kategóriától kezdve egézen I kategóriáig, ahol A++ ultra-alacony energiahatékonyágú é I edig roz energiahatékonyági zintű éület. A hőzivattyú a megújuló energetikában Mind Euróa, mind Magyarorzág energetikájában a jövőben az energiagazdázok egyre nagyobb zereet zánnak a hőzivattyúknak. A hőzivattyúk a modern energetika olyan ezközei, amelyek egítégével a környezetből a hőt külő energia befektetée árán alaconyabb hőmérékletről energetikailag haznoítható hőmérékletzintre zivattyúzzuk. Egy talajzondá hőzivattyú körfolyamatának kacoláát a tiiku hőmérékletekkel az 1. ábra mutatja. A hőzivattyúk tulajdonkéen a hűtőgé elvén működnek, míg a hűtőgé a hűtendő tárgyból vagy objektumból hőt von el, é az elvont hőt a környezetnek adja át, a hőzivattyú a környezetéből hőt von el é ezt magaabb hőmérékleti zinten a fűtött objektumnak adja át. 1. ábra: Az elektromo hajtáú hőzivattyú körfolyamat működéének alaelve [8] (A feltűntetett hőmérékleti értékek cak tájékoztató jellegűek.) A hőzivattyúkat általában elektromo energia meghajtáú komrezorokkal működtetik, amelyből adódik, hogy a iacon elterjedt hőzivattyúk többégének az üzemeltetéhez elektromo energia zükége, amelyet az elektromo hálózatból nyerünk. Az elektromo hajtáú hőzivattyúk mellett a gázmotoro é abzorció hőzivattyúk terjedtek el. A gázmotoro hőzivattyúknak az energiát belő égéű 3

19 (gáz)motor zolgáltatja, míg az abzorció berendezéeknél termokémiai komrezort alkalmazunk (hőenergia bevitel). A hőzivattyú legfontoabb energetikai jellemzője (mérőzáma), energetikai minőítője az úgynevezett teljeítménytényező (angol neve: COP Coefficient of Performance). A COP definícióját a kéőbbiekben elemzem. A hőzivattyú rendzereket az energetikában általában fűtére vagy haználati melegvíz előállítára haználják. Az utóbbi időben megfordított üzemmódban klímagéként az éületek hűtéére i alkalmazzák. A hőzivattyú rendzereket alavetően a hőzivattyú elárologtatójához kacolódó hőforrá hőhordozó közege é a kondenzátorhoz catlakozó hőfogyaztó hőhordozó közege zerint oztályozzuk. E zerint a hőzivattyú rendzerek lehetnek ólé víz, ólé levegő, víz víz, víz levegő, levegő víz é levegő - levegő tíuúak. Magyarorzágon a legelterjedtebb hőzivattyú rendzerek a ólé víz, víz víz é a levegő víz tíuúak, amelyeknél a hőzivattyú elárologtatójához kacolódó rimer hőhordozó közeg a körfolyamat felé ólé (l. talajzondá rendzereknél), víz vagy levegő, a kondenzátor zekunder oldalához catlakozik a belő fűtéi rendzerben keringetett hőhordozó közeg, amely víz. A hőzivattyúk munkaközegei minden eetben a hűtétechnikában alkalmazott hűtőgázok. Komrezoro hőzivattyú rendzerek hőforráai A komrezoro hőzivattyúk hőforráai többnyire megújuló energiaforráok, amelyeket következőkéen lehet oztályozni: Talajhő; Külő levegő; Hulladékhő (iari folyamatok kidobandó levegője, elfolyó vizek, tb.); Talajvíz; Felzíni vizek; Termálvíz. 4

20 Ezek a hőforráok biztoítják a rimer energia ellátát a hőzivattyúk zámára. A hőzivattyúk ezt felhaználva, a hőzivattyú körfolyamat közbeiktatáával, további energia bevitellel magaabb, a fogyaztó által haznoítható hőmérékleti zintre juttatják. Az ideáli hőforrá kiválaztáánál figyelembe kell vennünk, hogy az milyen hőmérékleti zinten é mennyiégben é milyen kitermeléi feltételekkel áll rendelkezéünkre. Talajvíz, felzíni víz é termálvize hőforráoknál figyelembe kell venni a hőforrá hőmérékletét, mivel ha a hőforrá hőméréklete túl alacony, akkor a hőhaznoítához befektetett munka megnövekzik, é a hőzivattyú COP értéke lecökken. Maga vízhőméréklet eetében előfordulhat, hogy a hőzivattyú már nem tud a közegből hőt kivonni. Az ideáli hőméréklet 15 0 C között található. Ekkor valóul meg az-az elv, hogy a hőforrá é a hőleadá közti hőméréklet különbég minél kiebb, é ezáltal a hőzivattyú teljeítménytényezőjének értéke növekzik. A talajhő haznoítáa talajzondák által valóul meg. A talajzondá rendzer tervezéénél figyelembe kell venni az egye talajzondák terheléét. A talajzondákból kinyerhető ideáli folyadék hőméréklet 5 8 C között található. Rozul tervezett rendzereknél a talajzondá rendzer fagyáa i bekövetkezhet. A külő levegő haznoítáa levegő hűtőközeg tíuú hőcerélővel valóul meg, amely a hőzivattyú körfolyamat réze (elárologtató). A hőcerélőre a külő levegő kényzerített áramláal érkezik, melyet ventilátor bezereléével érhetünk el. Kényzerített áramlá eetén jobb hőátadá érhető el a külő levegő é a körfolyamatban található hűtőközeg között. A hőzivattyúk alkalmazáa Magyarorzágon A legtiikuabb hőzivattyúhajtát az elektromo komrezor kévieli, amely leggyakrabban a hálózati villamo energiával működik. Vizont a villamo energiát erőművekben állítjuk elő, 40%-ban atomenergiából, 60%-ban fozili energiahordozók felhaználáával. A felhaznált fozili energiahordozók mintegy 60%- 5

21 a földgáz. Ha a hőzivattyú úgynevezett teljeítmény tényezője évi átlagban meghaladja a 3,5-et, akkor a hőzivattyú alkalmazáa energetikailag előnyö, é rimer fozzili energiahordozó megtakarítáal jár. Najainkban Euróa azon orzágaiban, ahol dominál az atom- é a vízenergia, ott a hőzivattyúk alkalmazáa egyértelműen előnyö. Magyarorzágon a lakoág motivációja érdekében intézkedéek zülettek az úgynevezett hőzivattyú tarifa megalkotáára, amelynek díjzabáa alaconyabb a jelenlegi áramtarifáknál. Elmondható, hogy a hőzivattyúk alkalmazáa Magyarorzág területén az utóbbi években egyre nagyobb mértékben növekzik. Magyarorzágon a hőzivatytyúk tiiku alkalmazái területe az éületek fűtée. Az alkalmazott hőmérékletzint a legfeljebb 50 C kondenzáció hőméréklet a még elfogadható értékű hőteljeítményért. Emiatt adló é/vagy mennyezetfűté jöhet zóba. Az éületfűtére teleített hőzivattyúk teljeítményének ektruma néhány kw-tól 00 kw-ig terjed. Ennél nagyobb igények kielégítéére iari léteítmények, irodaházak, tb. több egyéget éítenek egybe. A teleített egyégek záma megközelíti az 5000-et. Az alkalmazott hőzivattyú gyártmányok, amelyek teleítére kerülnek, jobbára az euróai iacról zármaznak, de megtalálhatók má földrézek vezető hőzivattyú gyártói i. (l.: Kanada, Egyeült Államok, Kína, tb.). Ezek a berendezéek zerkezetileg nagyban haonlítanak egymára, vizont a gyártók által megadott teljeítménytényezőben (COP értékben) általában különböznek egymától. Magyarorzág geotermiku helyzete okkal jobb, mint má környező orzágoké, őt, mint Euróa legtöbb orzágáé. Ez azért mondható el, mert a Kárátmedencében - de főleg Magyarorzág területén - a földkéreg vatagága az átlagonál vékonyabb. A földfelzín alatti úgynevezett belő földövekben a radioaktív izotóok bomláából hő termelődik. Ennek felzínre irányuló árama a geotermiku energia. A geotermiku gradien értéke földi átlagban 33 m/ C, míg hazánkban mindöze 16-1 m/ C Magyarorzágon. Föld belejéből kifelé irányuló hőáram átlago értéke mw/m. Ez mintegy kétzeree a zárazföldi átlagnak [48]. 6

22 A leggyakoribb hő kinyeréi módzer a magyar iacon a talajzondá megoldá, ahol zimla vagy dula talajzondákat teleítenek mintegy 100 m mélyégig, amelyek a ólé-víz tíuú hőzivattyúk energia forráai. A levegő-víz tíuú hőzivattyúk térhódítáa Magyarorzágon kiebb mértékű, mint a zomzédo államokban, ez magyarázható az elektromo energia vizonylag maga árával, é Magyarorzág előnyö geotermiku adottágaival. 7

23 . PROBLÉMAFELVETÉS ÉS AZ ÉRTEKEZÉS CÉLKITŰZÉSEI Értekezéem témájául a talajzondá komrezoro hőzivattyúk energetikai vizgálatát é a méretezé, üzemelteté áttekintéét válaztottam. A talajzondá hőzivattyúk energetikailag előnyöebbek, mint az úgynevezett levegő hőzivattyúk. Talajzondá hőzivattyúk eetében a rendelkezére álló hőforrá hőmérékletzintje a fűtéi időtartam orán általában magaabb, mint a külő levegőé, ezért egyégnyi villamo energiafelhaználáal nagyobb fűtéi teljeítmény (hőleadá) nyerhető a berendezéből. A Magyarorzágon üzemelő komrezoro hőzivattyúk kb. 80%-a talajzondá. A talajzondá hőzivattyúk tervezéének, léteítéének é üzemeltetéének roblémáit áttekintve megállaítottam, hogy mind az oktatában mind a tervező é üzemeltető mérnökök ezköztárából hiányzik a hőzivattyú berendezéek tervezéének é üzemeltetéének egyége, integrált, rendzerzemléletű, átfogó módzere, é ezen belül azok a módzerek, amelyekkel megbízhatóan zámítani tudnánk a talajzondákból kinyerhető hőteljeítményt, továbbá a hőzivattyú teljeítménytényezőjét az aló é felő hőméréklethatárok, valamint a keringtetett hűtőközeg é a keringtetett fűtőközeg függvényében. Hiányzik az a módzer, amelynek egítégével a talajzondá hőzivattyú fűtéi rendzerek energetikai analíziét végre tudnánk hajtani. Hiányzik az energetikai é gazdaági bemenet - kimenet modell. Hiányzik az a bemenet - kimenet modell, amely a mérlegegyenletek rendzerén kereztül leírja a hőzivattyú fűtéi rendzer működéét, az energia- é anyagáramokat. Hiányzik az a modell, amelynek egítégével recízen zámítani tudjuk egy adott hőigényhez a zükége talajhőkihozatalt é a hőzivattyú teljeítménytényezőjét, illetve fordítva, fonto kérdé lehet: adott talajhőkihozatalal mekkora hőigényt tudunk kielégíteni, figyelembe véve termézeteen a fogyaztói berendezéek (hőleadók) termodinamikai, hőtechnikai tulajdonágait. 8

24 A talajzondá hőzivattyú feléítée rendzertanilag vázlatoan az alábbiak zerint modellezhető: A talajzondá hőzivattyú elemei géézeti é funkcionáli, működébeli kacolatban állnak egymáal, továbbá energia- é anyagáramok lének egyik elemből a máikba, illetve zárt keringetéel hőcerélőkön kereztül hő é energiaátadá valóul meg a rendzerelemek között. Értekezéemben azt tűztem ki célul, hogy megalkoam a talajzondá hőzivattyú fűtéi rendzerek energetikai bemenet kimenet analíziének módzerét, a rendzerelemek egymához kacolódáának leíráát mérlegegyenlet rendzerek egítégével, azok megoldáával, azzal a céllal, hogy új rendzerek eetében az adott méretezéi hőigények kielégítééhez minimáli beruházái é üzemeltetéi költéget biztoító rendzert tervezheünk, meglévő rendzer eetében edig az aktuáli hőigényt minimáli energiafelhaználáal, maximáli COP-vel, é minimáli üzemeltetéi költéggel elégítheük ki. Két - egyébként kacolódó - módzer kidolgozáa volt a célom, egyfelől a tervezéi, léteítéi araméterek otimalizáláa, máfelől az üzemelteté otimalizáláának módzere. Előzete vizgálataim orán megállaítottam, hogy a hőzivattyú é a kacolódó tartozékok é rendzerelemek zállító által megadott araméterei, teljeítőkéeég-adatai az üzemelteté orán ok eetben nem igazolódnak be, é különöen bizonytalan az, hogy a tervezéi állaottól eltérő üzemi vizonyok között a rendzer hogyan működik, é mekkora fűtéi teljeítményt zolgáltat. Minden berendezé tervezée é üzemeltetée orán jogo igény - a XXI. zázadban alavető követelmény - hogy a berendezéek a fogyaztái igényekhez otimálian illezkedjenek, azaz a berendezét olyan araméterekkel léteítük é 9

25 üzemelteük, amelynek eredményekéen ez otimáli, azaz minimáli üzemi költéget eredményez. A talajzondá hőzivattyú rendzer üzemeltetée orán a feladat az, hogy a fogyaztói igények kielégítééhez zükége hőt minimáli üzemeltetéi költéggel állítuk elő. A rendzer beruházáakor azt kell zem előtt tartanunk é a tervezét irányító célfüggvénybe foglalnunk, hogy olyan araméterekkel éítük meg a rendzert, amelyek előírt megbízhatóággal kéeek a fogyaztók igényének kielégítééhez zükége fűtéi teljeítmény rendelkezére álláát biztoítani, é emellett a rendzer beruházáának é üzemeltetéének együtte évi költége minimáli. Matematikailag: Meglévő rendzer eetében: K ) K ( Q )... K ( Q Q ) d min, (.1) ü1( 1 ü ün n ahol K Q ), K ( Q ),..., K ( Q ) ü1( 1 ü ün n a rendzer illanatnyi üzemeltetéének költégei, Q ), Q, Q 1( n a rendzerelemek aktuáli hőteljeítménye az idő függvényében. A tervezé é léteíté fáziára: K Q ) K ( Q )... K ( Q ) a K ( Q ) K ( Q )... K ( Q ) B1( 1n B n Bn mn ü1 1 ü ün n d min, (.) ahol K Q ), K ( Q ),..., K ( Q ) az egye elemek beruházái költégei, K B1( 1n B n Bn mn ), K ( Q ),..., K ( Q ) ü1( Q1 ü ün n a rendzer illanatnyi üzemeltetéének költégei, Q Q Q 1( ),, n a rendzerelemek aktuáli hőteljeítménye az idő függvényében, Q, 1n, Qn Qmn a rendzerelemek méretezéi hőteljeítménye, a a beruházái költégek éve leírái hányada. A rendzerek modellezée, é a működé megértée komlex látámódot, illetve vizgálatot igényel. Szem előtt kell tartanunk, hogy az egye elemek a rendzer működée orán hogyan befolyáolják egymát. A vizgálathoz é a célfüggvény felíráához fel kell írnunk az bement - kimenet analízi mérlegegyenleteit, a beruházá 10

26 é az üzemelteté rendzerelméleti illetve döntéelméleti modelljeit, amelyekhez felhaználunk matematikai rendzerelméleti fogalmakat é modelleket i. A rendzerelméleti leírában a telje hőzivattyú rendzert elemeire bontom, megadom az elemek bemeneti é kimeneti változóit, a döntéi változókat é a vezteégeket. A rendzerelemekre felírt mérlegegyenletek matematikai özekacoláával ezután lehetégeé válik a telje rendzer egyége bemenet - kimenet analízie é az otimalizáció végrehajtáa, az üzemeltetéi vagy léteítéi célfüggvény minimáláa. A dizertációban olyan módzert mutatok be, amely tetzőlege célfüggvény otimumát kée vizgálni, é a rendzert tetzőlege célfüggvény tekintetében otimalizálja a költégek együtte otimumának kereéekor. Az otimalizációban a dinamiku rogramozá módzerét haználom, munkám orán Nemhauer [56] é Bellmann [9] munkáágára támazkodom. Mind a mai naig ezek a zerzők adják a géézeti rendzerekre adatálható matematikai rendzerelmélet legvilágoabb özzefoglaláát. A felírt rendzerelméleti modelltől az elvárt eredmény a hőzivattyú rendzerek üzemének é beruházái költégeinek könnyebb é áttekinthetőbb vizgálata. Ezt fontonak tartom, mivel manaág a iacon zámo gyártó zámo gyártmányával jelen van, a felmerülő igények egyre jobban okaodnak é át kell látni az egye rendzereket, hogy egy konkrét felmerülő igény megoldáához milyen döntéeket zükége meghoznunk ahhoz, hogy a rendzer üzemeltetéi illetve beruházái költégei a lehető legkedvezőbben alakuljanak. Ehhez véleményem zerint a legjobb áttekintét a matematikai rendzerelmélet biztoítja, amelynek hőzivattyú rendzerekre való alkalmazáával eddig nem találkoztam. A talajzondá hőzivattyú rendzer üzemének leíráára a bemenet kimenet analízihez az úgynevezett fehér doboz (white box) [40], [85] modellt alkalmazom. A fehér doboz modellben a rendzert elemekre bontom, a rendzer elemek fokozatonkénti (tage) kacolatát egy gráffal ábrázolom. A gráf comóontjainak a rendzerelemeket feleltetem meg. A comóontokat felnagyítom, amelyek így dobozokat kéeznek. A dobozokba a bemene- 11

27 teket é kimeneteket özekacoló mérlegegyenleteket írom be. A fehér doboz modellek ábrázolá módját a. ábra mutatja. A bemenetek ajáto coortját kéezik a döntéek, é az azokat matematikailag kifejező döntéi változók, amelyek a tervezét illetve üzemeltetét irányító araméterek. A rendzer döntéi változói A döntéi rendzer felbontáával kaott rézrendzer d i d i+1 d i+ X i Y i = f i ( X ) i Y i X i+1 Y i+1 = f i+1 ( X ) i+1 Y i+ X i+ Y i+ = f i+ ( X ) i+ Y i+ r i ( X i ; d i) r i+1 ( X ; d ) i+1 i+1 r i+ ( X ; d ) i+ i+ A rendzer állaotváltozói Döntéi eredmények. ábra: A fehér doboz modellek ábrázolá módja [40] A rendzerelemekre felírható mérlegegyenletek, az energia é a tömegáram mérlegei, valamint a hőcerélőkre felírható mérlegek, tehát a hőcerélők vielkedée eltérő rimer é zekunder oldali inutok mellett, termézeteen jól imert tárgykör. Itt az újdonágot a lánc leíráa jelenti. A lánc leíráában két feladat fogalmazható meg: alafeladat; inverz feladat. 1

28 Az alafeladatban azt vizgálom, hogy a különböző bemenetek, közöttük a bizonyo határok mellett zabadon válaztható döntéek milyen kimeneteket eredményeznek. A döntéi eredmények (a. ábrában ri(xi,di)), azok a araméterek, amelyekkel döntéeink jóágát, eredményeégét mérjük. Ezek lehetnek költégek, vagy felhaznált energia, vagy energiavezteég tb. Az alafeladatra otimalizáció feladat nem fogalmazható meg. Az inverz feladatban adott fogyaztói hőigényhez kereük azon bemeneteket é közöttük i az otimáli bemeneteket, amelyekkel a láncon végigfutó hatáok, az energia é anyagáramok közvetítéével a hőigény minimáli költéggel elégíthető ki, tehát otimalizáció feladat az inverz feladatra fogalmazható meg. Az általam tanulmányozott zakirodalom orán megállaítottam, hogy a rendzerelemek bemenet - kimenet analíziében feltáratlan vielkedéű elem a zonda, amelynek bemenet - kimenet analízie, előorban a kinyerhető hőteljeítmény zimuláláa é méréi adatokkal való egybevetée a zonda mélyége, műzaki kialakítáa, a talajvizonyok é a keringetett tömegáram függvényében feltáratlan. Ezért vizgálatokat végeztem a földbe helyezett függőlege talajzondákból kinyerhető hőteljeítmény nagyágára, az áramló folyadék felmelegedéére az idő, az évzakok változáa, a zondazárak egymához való távolágának é a keringtetett tömegáram függvényében. Bár ennek a zámítáával az általam átnézett zakirodalomban több kutató i foglalkozott, de a kaott eredmények nem alkalmazhatóak telje mértékben a kimenet bemenet modell felíráánál. Dizertációmban bemutatom a zondában é a zonda környezetében a hőátvitelt egzaktan leíró kacolt differenciálegyenletekből álló zámítái modellt, amely figyelembe vezi a talajzondákban létrejövő úrlódái hőnyereéget i, amelyre a zakirodalomban nem találtam utalát. A modell bármilyen átmérőjű, bármilyen nagyágú furatba helyezett talajzondára alkalmazható, amelyben az áramló közeg tulajdonágai i változtathatóak. 13

29 3. IRODALMI ELŐZMÉNYEK, EDDIGI VIZSGÁLATOK A zakirodalom áttekintée orán előzör a talajzondá hőkinyeré modellezéével kacolato zakirodalmi utaláokat, illetve modelleket tekintem át, majd a hőzivattyú rendzerek átfogó rendzertani vizgálatának, modelljének, bemenetkimenet analíziének irodalmát mutatom be. 3.1 A talajzondá hőkinyeré, a talajzondával felzínre hozható hőteljeítmény meghatározáának irodalma A energetikai vizgálatában a legfontoabb kérdé a kinyerhető hőteljeítmény meghatározáa. A kinyerhető hőteljeítmény úgy állaítható meg, ha meghatározzuk, hogy a keringetett folyadék mennyit melegzik. A melegedé a talaj é a folyadék közötti hőátvitellel modellezhető. A hőátvitel mértéke a mélyég függvényében ontról ontra változik, tekintve, hogy a talaj hőméréklete i a mélyég függvényében imert módon változik, lefelé haladva növekzik. A kutatók egy rézének vizgálatai arra irányultak, hogy leírják a mélyég függvényében azt a hővezetéi folyamatot, amely a talaj é a folyadék között előáll [6], [7], [47], [83], [84], [86]. Ez a zámítá nem alaulhat mára, minthogy tudnunk kell modellezni a hengerzimmetriku hővezetét a zonda körüli térben. A talajzondá hőkinyeré mérlegegyenletei a következőek: A zonda valamely H mélyégben lévő zelvényében a földből a zondába jutó hőáram: Ttalaj( H) T ( H) q ( H). (3.1) R ( H) eredő A zondával kinyerhető hőteljeítmény: H T T Q q( H) m c dh, (3.) e v 0 14

30 ahol Ttalaj a zavartalan távoli talaj hőméréklete a mélyég függvényében, T a talajzondákban áramló (előremenő é vizatérő) folyadék alkalmaan definiált átlaghőméréklete a mélyég függvényében, Reredő edig az eredő hőátviteli ellenállá a zavartalan (végtelen távoli) hőmérékletű talaj, valamint a zondában áramló hőhordozó közeg között a mélyég függvényében, Te a rimer előremenő folyadék hőméréklete a talajfelzínen az elárologtató előtt, Tv edig a rimer vizatérő folyadék hőméréklete a felzínen az elárologtató után a lemenő zonda előtt.. A modell alkalmazáához az Reredő hőátviteli ellenállá é a folyadék illetve a zonda falhőmérékletének a meghatározáa adja a kulcot. Termézeteen elemezni kell azt a kérdét i, hogy mikor bezélhetünk állandóult illetve nem állandóult hővezetéről. A legtöbb zerző mindkét kérdét bizonytalanul é ok ellentmondáal kezeli. Az eredő hőátviteli ellenállát, vagy ahogy műveikben említik a furat hőellenálláát a (3.3) kélet alaján zámolják, ahol figyelembe vezik a zonda, tömedék é az áramló folyadék é a zonda fala közti hőátviteli ellenállát [6]. R eredő R R R R. (3.3) f folyadék zonda zonda tömedék A (3.3) kéletben a zerzők mindegyike mellőzte a furat é a végtelen távoli tér hőméréklete közti hőátviteli hőellenállát. Ennek a hőátviteli ellenállának az elhagyáa hiba, ezért ezek a zámítáok nem adnak onto eredményt. Ezért munkám orán a végtelen tér é a furat közti hőátviteli ellenállá zámítáára i megoldái módzert mutatok be A hőátviteli ellenállá meghatározáának irodalma Az (3.1) kélet alkalmazáához meg kell határoznunk a hővezetét a talajban é a zonda között. Ehhez imernünk kellene a furat falhőmérékletét a mélyég függvényében. A furat falhőmérékletének meghatározáával a zakirodalomban zámo kutató foglalkozott [69], [83], [84]. Eredményeik azonban gyakorlati felhaználára közvetlenül alkalmatlanok. 15

31 Az Reredő hőátviteli ellenállá analitiku meghatározáára az általam átnézett zakirodalomban zámo utalá található [4]. A következőkben a legtöbbet említett megoldáokat mutatom be. Ahogy említettem, ezek egyikében em zereel a talaj é a zondát befoglaló furat közötti hővezetéi ellenállá. Munkám orán ezeket a kéleteket azért nem haználom, mivel véleményem zerint ezek cak a konkrét méréi eremfeltételek figyelembe vételével igazak. Paul [6] exerimentálian, vagyi a méréi eredményei alaján fejezte ki a furat hőellenálláát, vizont megoldáa nem vezi figyelembe a zonda, illetve a folyadék é a zonda közötti hővezetéi ellenállát. R eredő 0 1 r furat rzonda külő 1 tömedék, (3.4) ahol a, 0 1állandók, amelyeket Paul a zonda zárai távolágának függvényében határozott meg. Boe é Parker [85] alaján a következő kélettel lehet zámolni a furat hőátviteli ellenálláát: R eredő 1 tömedék ln r zonda külő N r zonda külő, (3.5) ahol N a furatban elhelyezkedő zonda zárak darabzámát fejezi ki. Helltröm [6] a következő analitiku megoldát mutatott be a furat hőellenálláának zámítáára: R eredő 1 4 tömedék ln r r furat r ln x furat ln 4 r furat / xc 4 r / furat xc zonda külő c 1, (3.6) ahol xc a zonda zárak közti távolág é tömedék talaj. tömedék talaj 16

32 3. A hőzivattyú rendzer bemenet - kimenet modellezéének zakirodalma A hőzivattyú rendzerek rendzerelméleti modellezéével, a Bellmann [9] féle dinamiku otimalizáláal, é a dizkrét dinamiku rogramozá felhaználáával kacolatban az általam tanulmányozott zakirodalomban nem találtam utalát. A Nemhauer [56] é Bellmann [9] féle elmélet alkalmazáát má energetikai rendzerekre alkalmazták, mint éldául a vegyiarban Ari [3]. Garbai [39] a rendzerelméleti otimalizáció megközelítét é a dinamiku rogramozát a hidraulikai rendzerek tervezéénél alkalmazta, amelynél az egye hidraulikai rendzerekre megalkotta az otimalizáció célfüggvényt. Niroomand é tára [57] a talajzondá hőzivattyúk otimalizáláával foglalkozott. Megállaítják, hogy a talajzondá hőzivattyúk otimáli tervezéi folyamata magába foglalja a rendzer hőtechnikai modellezéét é az otimáli tervezéi araméterek kiválaztáát, amelyek befolyáolják a rendzer teljeítményét é a beruházái é az üzemeltetéi költégek alakuláát. Az otimáli tervezéi araméterek meghatározáához kétféle otimalizáció módzert haználtak, amelyeknél a következő célfüggvényt határozták meg: TAC C El C Inv., (3.7) ahol TAC (Total Annual Cot) a telje évi költég, CEl az éve villamoenergia felhaználá költége (hőzivattyú é a keringtető zivattyúk) é CInv. edig a rendzer kezdeti beruházái költégének nagyága. Munkájukban két különböző otimalizálái metódual foglalkoznak, amelyekkel numerikuan kereik a (3.7) célfüggvény legkiebb értékét, minimumát. Az egyik a Nelder-Mead [57] metódu a máik edig a genetiku algoritmuokon alauló módzer. A két módzert özekacolva haználják, mivel kidolgoztak egy zámítógée zoftvert, amely az otimalizációt a Nelder-mead metódu alaján zámolja é a kaott eredményeket ezek után a genetiku algoritmual ellenőrzi. Modelljükben vizont nem bontották elemekre a hőzivattyú rendzert. Az energetikai mérlegegyenleteket é a célfüggvényt cak az elá- 17

33 rologtatóra, komrezorra, kondenzátorra é a talajzondára írták fel. Nem zámolnak a rimer é zekunder hőközlő rendzerrel, illetve a belő fűtéi rendzerrel. A hőzivattyú rendzerek é a geotermiku energia felhaználáának korzerű matematikai közgazdaági vizgálatával foglalkoznak Katunori é tárai [46], Kroe é tárai [50] é Hebali é tárai [44], [68]. Katunori é tárai [46] egy teljeítmény előrejelző metódut mutatnak be az elektromo komrezor meghajtáú talajzondá hőzivattyúval üzemelő fűtéi/hűtéi rendzerre. Kidolgoztak egy zámítógée rogramot, amely az éület adottágai, a fűtőtetek tulajdonágai, hőzivattyú tulajdonágai, talajzondák tulajdonágai alaján meghatározza a teleített rendzerben a hőméréklet alakuláokat, a költégek alakuláát, illetve a teljeítmény változáát. Kroe é tárai [50] vizgálják az alacony hőmérékletű geotermiku energia hőzivattyúval történő haznoítáának gazdaágoágát maga hőmérékletű fűtővízzel működő éületek fűtéére. Számítáaik orán kétfokozatú körfolyamatot feltételeznek, amely két darab különálló hőzivattyú körfolyamatból tevődik öze, de mindkét körfolyamat má hűtőközeggel üzemel. A hőzivattyú rimer energiáját geotermiku kútból nyeri, amelynek hőméréklete 45 C. A körfolyamat működéét diagramokban ábrázolják, amelyeknél zemléltetik a kinyerhető hőteljeítményt, illetve a COP értékének változáát a feljövő rimer oldali folyadék hőmérékletének függvényében. Definiálják a nettó jelenérték fogalmát a hőzivattyú rendzerre. Meghatározzák a befektetéek, a karbantartáok, az elektromo kiadáok, az elektromo bevételek jelenértékét, amelyek által definiálják a telje beruházá nettó jelenértékét é a beruházá ikereégét. Hebali é tárai [44], [68] energetikai é exergetikai analízit végeztek geotermiku hőzivattyú rendzereken, amelyből megállaították a talajból kinyerhető hőteljeítményt é a vizgált hőzivattyú rendzerek teljeítménytényezőjét. Megállaítáaikat cak az általuk vizgált konkrét rendzerekre lehet alkalmazni. Kétfajta hőzivattyú rendzert vizgáltak. Az elő rendzernél a hőzivattyú a rimer ener- 18

34 giát függőlege, a máik rendzernél edig vízzinte zondákból nyerte ki. A talajzondá rendzerhez nakollektoro hőtermelő rendzer kacolódott. A nakollektoro rendzer a rimer körre egített rá. A felállított modellt méréekkel i alátámaztották. A méréeket Törökorzágban, az egei egyetem naenergiai intézetében végezték. A modellnél felállították az energetikai é exergetikai egyenleteket mind a hőzivattyú rendzer rimer é zekunder hálózatára mind a hőzivattyú körfolyamatra. Selba, Kizilkan é Sencan [7] munkááguk orén thermo-gazdaági otimalizációt végeztek egy gőz-befeckendezée komrezorral működő túlhevített é utóhűtött körfolyamaton. Az otimalizációt úgy végezték el, hogy külön otimalizálták az egye rendzerelemeket, vagyi az elárologtatónál é a kondenzátornál külön-külön megállaították az otimáli hőátadó felületet é ezután a megállaított otimumhoz határozták meg a költégeket. Ezt különféle hűtőközegeknél elvégezték (R, R134a, R407c). 3.3 A hőzivattyú COP értékének irodalma A hőzivattyú fűtéi rendzer legfontoabb elemét kéezi a hőzivattyú. A hőzivattyú energetikai analíziének, bemenet - kimenet modelljének mérlegegyenlete a kinyert hő é a bevitt villamo teljeítmény vizonyának elemzée. A kettő vizonyát fejezi ki a teljeítménytényező, az úgynevezett COP, amely a legfontoabb jellemzője a hőzivattyúnak illetve a hőzivattyú fűtéi rendzernek. COP ahol a Q P leadott, (3.8) felvett Q leadott a fogyaztói rendzernek a kondenzátorban átadott hő, a P felvett a komrezor hajtáához felvett villamo teljeítmény. Vizont, ha az egéz hőzivattyú rendzer COP értékét zeretnénk meghatározni, akkor a P felvett felvett villamo teljeítményhez hozzá kell adnunk a hőzivattyú elárologtató é kondenzátor oldali keringtető zivattyújának felvett villamo teljeítményét i. 19

35 A COP érték mértékegyég nélküli mutató, amely meghatározza, hogy egyégnyi fűtéi energia előállítáához mekkora elektromo energia befektetée zükége. A COP érték tehát függ a hőzivattyú körfolyamat elárolgái é kondenzáció hőmérékletétől. Minél kiebb a különbég e két hőméréklet között, annál jobb teljeítménytényezőt kaunk. Az elárolgái hőméréklet növeléét minél nagyobb forrá oldali hőméréklettel, a kondenzáció hőméréklet cökkentéét a fűtővíz hőméréklet alaconyabb értéken tartáával tudjuk elérni. 3. ábra: Való é elméleti körfolyamat ábrázoláa log-h diagramban A való hőzivattyú körfolyamat teljeítménytényezője az egye fáziokban lévő hűtőfolyadék entaliáinak különbégéből é a hűtőközeg tömegáramából határozható meg. Ahhoz vizont, hogy imerjük az egye állaotoknál felléő hűtőközeg entalia értékeket, imernünk kell a körfolyamat öze tulajdonágát, vagyi imernünk kell a felléő nyomávezteégeket az elárologtatóban, kondenzátorban é a cővezeték rendzerben, illetve a cővezeték rendzerben felléő hővezteégeket. Ezek imeretében megállaítható a hőzivattyúk való teljeítménytényezője. A való é az elméleti körfolyamat közti különbéget a 3. ábra zemlélteti, ahol teli vonallal a való körfolyamatot, zaggatott vonallal edig az elméleti körfolyamatot mutatom be. Az elméleti hőzivattyú körfolyamat teljeítménytényezőjét a következő kélettel zámolhatjuk: 0

36 COP elméleti h h h h 4. (3.9) 1 A való hőzivattyú körfolyamat teljeítménytényezőjének zámítáát az alábbi kélettel végezhetjük: COP hz h h 4 h h 1 Q P leadott felvett, (3.10) ahol a Q leadott a kondenzátorban leadott teljeítményt zemlélteti, é a Pfelvett edig a komrezor által felvett teljeítményt mutatja. Ez a teljeítmény a komrezor indikált teljeítményéből é a mechanikai vezteégek fedezéére fordított teljeítményből tevődik öze [43]. A mechanikai vezteégek miatti teljeítményfelvételt a következő kélettel zámíthatjuk [43]: 1 P m P i 1. (3.11) m ahol a ηm a komrezor mechanikai hatáfoka. A hőzivattyú rendzerek teljeítménytényezőjét úgy tudjuk meghatározni, hogy a hőzivattyú komrezora által felvett Pfelvett teljeítményhez hozzáadjuk a rimer é a zekunder oldali keringtető zivattyú teljeítményfelvételét. COP rendzer P felvett Q P leadott rimerz P zekunderz. (3.1) Az EN e Euróa Unió hőzivattyú zabvány alaján a hőzivattyúk teljeítménytényezőit 0 C-o illetve 10 C-o hőforrá, é 35 C-o fűtéi előremenő é 30 C-o vizatérő hőmérékletek mellett adják meg. Az EN 55-ö Euróa Unió zabvány zerint edig a hőzivattyúk teljeítménytényezőit 0 C-o é 10 C-o hőforrá, illetve 35 C-o fűtéi előremenő é 5 C-o vizatérő hőmérékletekre állaítják meg. A fenti zabványokban előírtak teljeítééhez a 4.. fejezetben bemutatom a különböző körfolyamati jellemzőkhöz C, -5 C, tb. elárolgái é 35 C, 40 1

37 C, tb. kondenzáció hőmérékletekhez - tartozó COP értékeket a komrezor hidraulikai hatáfokának függvényében R407c é R410A hűtőközegekre diagramokban özefoglalva. Véleményem zerint fonto kritérium a hőzivattyú értékeléénél a zezonáli COP érték (SPF) feltüntetée, amely zámol a felhaználái feltételekkel, a hőforrá tulajdonágaival, a hőzivattyú tulajdonágaival, tb. Ennek az értéknek a meghatározáával a nemzetközi zakirodalomban találkozhatunk, éldául Wemhöner é Afjei [78] munkáágában, Magyarorzági vizonylatban edig Fodor Zoltán [17] munkáágát kell említenem.

38 4. A FÖLDHŐT HASZNOSÍTÓ HŐSZIVATTYÚS RENDSZER ENERGETIKAI BEMENET - KIMENET FEHÉR DOBOZ MODELLJEI A zakirodalom áttekintée után rátérek értekezéem célkitűzéeiben megfogalmazott feladatok megoldáára. Előzör a talajzondá hőzivattyú rendzerek úgynevezett fehér doboz modelljét mutatom be állandóult üzemi állaotra. Az angol é a nemzetközi nem angol nyelvű zakirodalomban egyaránt white box modellnek nevezik, a továbbiakban a white box modell kifejezé helyett a magyar zakirodalomban történő meghonoítá érdekében fehér doboz modellnek nevezem. A bemenet kimenet modellezé rendzertani alajait é a terminológiát tárgyalja éldául Zadeh, L. A. Polak, E. [85]. A folyamatok időbeni leíráával, egyik állandóult üzemi állaotból máik állandóult üzemi állaotra történő átmenet időbeni leíráával nem foglalkozom. A fehér doboz modell egítégével elemzem a rendzer anyag é energia áramainak kacolatát, a mérlegegyenleteket, a termo-hidrodinamikai állaotjelzők kacolatait, azok változáát a rendzerelemek láncában, é a mérlegegyenletek egymához kacoláának technikáját. A mérlegegyenletek kéezik a bemenetek é kimenetek közötti tranzformáció özefüggéeket. Ezekkel megvalóíthatom a rendzerelemek é a telje rendzer bemenet kimenet analíziét. A bemenet - kimenet analízi egítégével megoldjuk a rendzerelemek láncára felírt mérlegegyenleteket. A bemenet kimenet analíziben, ahogy azt már a. fejezetben tárgyaltam, a feladatok két tíua fogalmazható meg. Nevezeteen az alafeladat é az inverz feladat. Az alafeladatban a rendzerelemek bemeneteiből, előorban a talajzondával kinyert hő értékéből é annak jellemzőiből meghatározzuk a rendzerelemek kimenet értékeit é végül a leadható hőteljeítményt. A közbülő elemek üzemmódjára eközben zabad döntéeket hozhatunk. 3

39 Az inverz feladatban az adott imert hőigényhez határozzuk meg a közbülő rendzerelemek üzemmódját é ezen belül előorban a hőzivattyú körfolyamat állaotjelzőit é a talajból felhozott hőteljeítményt. Az inverz feladatra otimalizációt é otimalizációt irányító célfüggvényt fogalmazunk meg. A tervezé é léteíté fáziát a (.) célfüggvény, meglévő rendzerek üzemének otimalizációját edig a (.1) célfüggvény irányítja. A talajzondá hőzivattyú fűtéi rendzer kacolái vázlatát a 4. ábra zemlélteti, amelyen zereelnek a rendzer működééhez zükége fő géézeti elemek. Külön bemenet - kimenet fehér doboz modellt zükége felállítani a tervezé é léteíté fáziára (5. ábra) é külön modell zükége működő rendzer üzemének leíráára (6. ábra). 4. ábra: Talajzondá hőzivattyú fűtéi rendzer kacolái vázlata 5. ábra: Tervezé é léteíté fázia alatt álló talajzondá hőzivattyú rendzer energetikai bemenet kimenet fehér doboz modellje 4