KÉZIKÖNYV. Hőszivattyús megoldások lakó- és ipari épületekben

Átírás

1 KÉZIKÖNYV Hőszivattyús megoldások lakó- és ipari épületekben

2

3 Tartalom Előszó 3 1. A geotermikus energia 4 2. Magyarország geotermikus adottságai 5 3. Hőszivattyús megoldások 6 4. A hőszivattyú története 7 5. A technológia bemutatása 8 6. A hőszivattyús megoldások típusai Gyakori kérdések Fogalomtár Felhasznált irodalom További információk 21 2

4 Előszó A XXI. század egyik legfontosabb kihívása az energiaellátás biztosítása, különös tekintettel a klímaváltozás kérdésére. Az Európai Unió egyértelműen elkötelezte magát a fosszilis energiahordozók felhasználásának csökkentése, a megújuló energia felhasználásának növelése mellett, jelentős mértékben hozzájárulva ezzel a klímaváltozás kedvezőtlen hatásainak mérsékléséhez. A megfogalmazott hosszú távú célkitűzések értelmében az Európai Unió 2050-re az évi szinthez képest 80 95%-kal kívánja csökkenteni az üvegházhatású gázok (ÜHG) kibocsátását, rövid távon 2020-ig a teljes energiaszerkezetének 20%-a fenntartható forrásból kívánja fedezni. Az EU energia és klímacsomagjának nyomán megszületett Megújuló Energia Útiterv a 2020-ra kitűzött 20 százalékos megújuló energiaforrás részarányon belül a közlekedés vonatkozásában 10 százalékot, továbbá 20 százalékos energiahatékonyságnövelést, és az ÜHG kibocsátásának (az 1990-es szinthez képest) 20 százalékra való mérséklését tűzte ki. Összhangban ez Európai Unió célkitűzéseivel, Magyarország 2008-ban elkészítette Megújuló Energia Stratégiáját ( ). Az ehhez kapcsolódó Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terv ( ) értelmében Magyarország a megújuló energiaforrásból előállított energia bruttó végső energiafogyasztásban képviselt részarányát 2020-ra 14,65 százalékban határozta meg. A megújuló energiaforrás-felhasználás összetétele tekintetében 2020-ban is a szilárd biomassza lesz várhatóan meghatározó, emellett a biogáz, a szélenergia és a geotermikus energia hasznosítás is komoly szereppel bír - ez utóbbi aránya 2020-ra várhatóan meghaladja a 7%-ot a teljes megújuló energia felhasználást tekintve. A geotermikus energia egyike a környezetbarát és költséghatékony energiaforrásoknak, széles körben való elterjedése esetén nagyban hozzájárulhat a globális felmelegedés csökkentéséhez. A geotermális energia, különösen a zárt rendszerű hőszivattyús rendszereket hasznosító alacsony entalpiájú energiatermelés, igen jó alternatívát jelenthet. A GEO.POWER projekt partnerei az Interreg IVC Program környezetvédelmi prioritásán belül az "Energia és fenntartható közlekedés" témakör keretében járulnak hozzá az EU , illetve a Kyoto és Koppenhága nevével fémjelzett nemzetközi éghajlati célkitűzések eléréséhez. Jelen kiadvány segítséget kíván nyújtani a geotermikus energiatermelésben, ezen belül is a hőszivattyús technológiában rejlő előnyök megismeréséhez. 3

5 A geotermikus energia A "geotermikus" kifejezés görög eredetű szó, jelentése: földi hő, a földkéreg belső energiája. A geotermikus energia a Föld belső hőjéből származó energia. A Föld belsejében lefelé haladva kilométerenként átlag 30 C-kal emelkedik a hőmérséklet. A geotermikus energiahordozók azok a különböző halmazállapotú anyagok (pl. felszín alatti vizek, gőzök), melyek a földkéreg belső energiájának hőenergetikai célú hasznosítását, kitermeléssel vagy más technológia alkalmazással lehetővé teszik. A föld hőjét a földkéreg különböző rétegei vezetik a magma belsejéből a felszín felé. A kőzetek milyensége és a rétegek vastagsága befolyásolja a föld hőjének felszínre jutását. Magyarország igen szerencsés helyzetben van, kiemelkedően jó tulajdonságokkal rendelkezik. Mivel a Kárpát-medence nagyrészt üledékes, víztározó porózus kőzetekből áll, ezért egyszerűbb a geotermikus energiát kinyerni a földből. Legjelentősebb előnyei: A geotermikus energia nagy mennyiségben rendelkezésre álló hazai energiaforrás, ezért csökkenti az importenergiától való függést A földhő fenntartható módon használható A geotermikus energia folyamatosan napszaktól és évszaktól függetlenül rendelkezésre áll, így gyakorlatilag alap energiahordozóként lehet vele számolni A geotermikus energia hasznosítás károsanyag-kibocsátásmentes A geotermikus projektek élettartama a több, mint fél évszázada sikeresen üzemelő rendszerek állapota alapján minimum évre becsülhető, így a magasabb beruházási költség ellenére gazdaságossága nem megkérdőjelezhető Érdemes azt a tényt megvizsgálni, hogy egy 1997-es összehasonlítás szerint a CO2- kibocsátás csökkentésének legolcsóbb módja (az alternatív energiaforrások közül) a geotermális energia igénybevétele ráadásul ez a megoldás (a nap-, szél- és vízenergia felhasználásával ellentétben) az időjárástól független (Forrás: dokumentumok/jelentes_geotermikus_energia.pdf). Clauser 1997 nyomán, forrás: Árpási

6 Magyarország geotermikus adottságai Magas geotermikus gradiens: C/km Magas hőáramsűrűség: mw/m2 Vízzel telített törmelékes üledékek illetve karsztosodott, repedezett karbonátos kőzetek A termálvíz az ország területének 70 %-a alatt megtalálható Alacsony entalpiájú (termál)vizek: C 3000 m-nél mélyebben levő karbonátos rezervoárok közepes illetve magas entalpiájúak Hőmérséklet eloszlás különböző mélységekben Magyarországon (forrás: A geotermikus energiahasznosítás nemzetközi és hazai helyzete, jövőbeni lehetőségei Magyarországon, 2008) 500 m 1000 m 2000 m Geotermikus energiavagyon: EJ Kitermelhető geotermikus energiavagyon: 343 EJ Jelenlegi felhasználás (2006): 3,63 PJ Geotermikus energia részesedése a hazai energiafelhasználásban: 0,3 % Felszín alól a vizekkel kitermelt hőmennyiség: PJ/év 5

7 Hőszivattyús megoldások A hőszivattyú a környezet energiájának hasznosítására szolgáló berendezés, mellyel lehetséges fűteni, hűteni, melegvizet előállítani. A berendezés a működtetésére felhasznált energiát nem közvetlenül hővé alakítja, hanem a külső energia segítségével a hőt az alacsonyabb hőfokszintről egy magasabb hőfokszintre emeli, legtöbbször a föld, a levegő és a víz által eltárolt napenergiát hasznosítva. A kompresszoros hőszivattyú elvi felépítése megegyezik a hűtőberendezésekével, legfontosabb elemei a két hőcserélő (egy párologtató és egy kondenzátor), kompresszor és az expanziós szelep. A hőszivattyú kompresszorát villanymotor hajtja, de nem feltétlenül szükségesek hagyományos energiaforrások (villamos energia vagy földgáz) hiszen a működtető villamos energiát biztosíthatjuk napelemmel, biogázzal, vagy éppen szélenergiával. A geotermikus hőszivattyú az a rendszer, ami képes a geotermikus energiát hasznosítani, a "föld" (talaj, talajvíz, termálvíz) és a ház belső terei között szállít hőt. Ez Magyarországon az egyik legszélesebb körben alkalmazható megújuló energiaforrás típus. Egyrészről univerzálisan hasznosítható fűtésre- és hűtésre, másrészről beépített területeken is jól alkalmazható. A hőszivattyú alkalmas eszköz a földhő (talajhő, hidrotermikus energia és légtermikus energia) hasznosítására, ami az országban szinte mindenhol, bár alacsony hőmérsékleten, de rendelkezésre áll. A földhő hasznosítása jelentősen bővíthető családi házas környezetben, a természeti adottságokból adódó korlátok nélkül. A hőszivattyúval működő rendszert három részre oszthatjuk: Hőnyerő közeg (hőforrás) A hőszivattyú és a hozzá kapcsolódó hőcserélők, amelyeken keresztül a hőátadó közeg és víz áramlik A hűtési, fűtési hálózat A hőnyerő közeg lehet levegő, víz vagy talaj. A hőnyerő közegtől egy "külső hőcserélő" szállítja a hőenergiát közvetlenül a hőszivattyúba a hőcserélő folyadék segítségével. Előnyös, ha a hőmérséklet különbség a hőnyerő közeg és a hőcserélő folyadék, a hőcserélő folyadék és a hőátadó oldal hőmérséklete között állandó. Az elosztó hálózat a hőszivattyú után lehet a fűtési, használati melegvíz rendszer vagy egyes hőszivattyú típusoknál a hűtési rendszer. Fűtés esetén az optimális működést a korszerű alacsony hőmérsékletű fűtési módozatoknál érhetjük el, mint például a fal-, mennyezet-, szerkezet- vagy padlófűtés. 6

8 A hőszivattyú története Az angol James Joule és William Thomson (Lord Kelvin) 1852ben alkotta meg a hőszivattyú elvét. Az osztrák Peter Ritter von Rittinger a francia Carnot termodinamikai írásait tanulmányozva megalkotta a világ első ipari hőszivattyúját ban Zürichben létesült az első tartósan hőszivattyúval fűtött épület (a zürichi városháza). Az épület hőforrása a Limmat folyó vize lett. A hőszivattyú múltjának magyar vonatkozása, hogy 1948-tól Heller László közreműködésével kidolgozott kompresszoros hőszivattyú áttörést jelentett e technológia történetében. A világhírű műegyetemi professzor, akadémikus 1948-ban védte meg doktori disszertációját Zürichben, amelynek témája a hőszivattyúk alkalmazásának technikai, gazdasági feltételei volt ben szerzett gépészmérnöki diplomát a zürichi E i d g e n ö s s i s c h e Te c h n i s c h e Hochschule-n, majd két évig volt kutató az egyetemen, szilárdságtannal foglalkozott. Magyarországra hazatérve gépipari és energetikai feladatokat kapott. Az 1940-es években az ő tervei alapján épült az első nagynyomású ipari hőerőmű Ajkán. Ekkor dolgozta ki a világhírű Heller-system eljárást, amely az ipari megvalósításban tevékenyen közreműködő Forgó László neve alapján Heller-Forgó rendszerként ismert. A környezetbarát eljárás biztosítja az erőművek víztakarékos, levegővel való hűtését. A II. világháború után megalapította az Egart Rt-t, amely az államosítás után az ő vezetése alatt előbb Hőterv, majd Energiagazdálkodási Intézet (EGI) néven ma is ismert irodává fejlődött től a Budapesti Műszaki Egyetem tanára lett, ahol megszervezte az energiagazdálkodási tanszéket. Jelentős tevékenységet fejtett ki az entrópia fogalmának technikai-tervezői gyakorlatban való bevezetése kapcsán ben Kossuth díjjal tüntették ki. A hőszivattyúk világméretű terjedésével napjainkban igazolódnak gondolatai. Példa erre a Berlini Bundestag új épületének hőszivattyús fűtése és hűtése ban az első olajválság után a Heller László által is fejlesztett hőszivattyús rendszerekhez teljesen új eljárások ipari megvalósítására került sor, amelyek elsősorban a tüzelőanyagok hatékonyabb felhasználását és a környezetet szennyező anyagok mennyiségének csökkentését segítették elő. A hőszivattyús technika tehát alapvetően nem új, mégis a különböző országok energiaellátási politikájában az első energiaválságig alárendelt szerepet játszott, és számos helyen (hazánkban is) addig jelentéktelennek tekintették. Napjainkban azonban egyre több országban nő a korszerű hőszivattyúkra és a különböző hőszivattyús rendszerekre alapozó energiaellátási megoldások száma. 7

9 A technológia bemutatása A hőszivattyú olyan nagyteljesítményű klímagép, melyet elsősorban fűtésre használnak, de egy átkapcsolással hűtött vizet vagy levegőt tud keringetni a fűtési rendszerben, tehát klímagépet pótol. Felépítése egyszerű. Két hőcserélőt egy körvezeték köt össze. Egy kompresszor a csővezetékben olyan munkaközeget keringet, melynek igen alacsony a forráspontja, csak nagy nyomás alatt cseppfolyósodik. A hideg oldali hőcserélő előtt a folyékony halmazállapotban lévő munkaközeg nyomását egy nyomáscsökkentő szelep leejti. Ekkor a munkaközeg hevesen elpárolog, lehűl és a párolgáshoz szükséges hőt a hőcserélő másik oldalán átfolyó környezeti közegből (vízből, levegőből, termálvíz hulladékból. szennyvízből, stb ) vonja el, annak lehűtésével. Ezután a felmelegedett munkaközeget a kompreszszor elszívja, besűríti egy előre meghatározott nyomásra, melytől a lecsapódó munkaközeg felmelegszik. A lecsapódásnál felszabadul az a hő, melyet a környezetből elvont, megnövelve a kompresszorba betáplált és hővé átalakult energiával. Mindezt az energiát a másik hőcserélőn áthaladva átadja a fűtési rendszerben keringő fűtőközegnek. A hőszivattyú négy alapvető alkatrészből áll, amik a fenti fizikai folyamatokat valósítják meg, és használják ki: 1. Kondenzátor hőcserélő 2. Expanziós szelep 3. Elpároló hőcserélő 4. Kompresszor 8

10 A hőszivattyú hasznossága energetikai mutatók segítségével értékelhető. Az egyik, leggyakrabban használt mutató a COP. A COP (angolul Coefficient of Performance) a leadott termikus teljesítmény és a felvett elektromos teljesítmény hányadosa, mely megmutatja, hogy 1 kw elektromos energiából mennyi termikus energiát állít elő az adott hőszivattyú. Mértékegysége kwh/kwh. A hatékonysági mutató értéke levegőből történő hőnyerésnél 3, talajvíznél 4, termálvíz o C-al elfolyó csurgalékát felhasználva 5-7. A COP szám azonban csak és kizárólag akkor értékelhető korrekt adatként, ha azzal együtt a berendezés működési viszonyait is ismerjük. A hőszivattyúknál a COP és egyéb energiahatékonysági számok nagyban függenek a hőforrás hőmérsékletétől, illetve az előremenő víz hőmérsékletétől. Ez a két hőmérséklet, primer illetve szekunder oldali, minél távolabb áll egymástól, annál kisebb a COP érték, ugyanis minél nagyobb hőmérséklet különbséget kell leküzdenünk, annál nagyobb nyomásviszonyt kell a kompresszornak előállítania, vagyis nő a kompresszor felvett elektromos teljesítménye. A hőszivattyúkat tehát csak és kizárólag azonos hőmérséklet viszonyok mellett lehet COP érték alapján összehasonlítani, és a COP közlésének is csak így van értelme. A hőszivattyús rendszerek hazai pályázati támogatása esetén kritériumként (technológia specifikus jogosultsági kritériumok) jelenik meg a COP érték: a különböző típusú hőszivattyús rendszerekhez meghatározott üzemi körülmények között meghatározott névleges COP értékek szükségesek. Hűtési üzemmódban a hőszivattyú hatásfokát leggyakrabban EER (angolul Energy Efficiency Ratio) értékekkel szokták jellemezni. Az EER az angol Energy Efficiency Ratio rövidítése. Magyarországon hűtési jóságfoknak nevezzük. Ipari szabvány, amely azt mutatja meg, hogy a légkondicionáló berendezés az energia leadását adott elektromos energia felvételnél milyen hatékonyan végzi. Az EER a hűtőteljesítmény és az elektromos teljesítményfelvétel hányadosa (W). Minél nagyobb az EER értéke, annál nagyobb az energetikai teljesítmény foka, annál gazdaságosabban működik a klímagép, annál kevesebb energiát használ fel ugyanazon teljesítmény eléréséhez. 9

11 A hőszivattyús rendszerek gazdaságosságát alapjaiban meghatározza az adott rendszerrel elérhető szezonálisteljesítmény-tényező (SPF, angolul Seasonal Performance Factor, kwh/ kwh) értékének alakulása. Az SPF a teljes fűtési szezonra értelmezett mutatószám, a teljes fűtési szezonban leadott hőenergiát (kwh) osztjuk ugyanazon időszak alatt felvett teljes villamos energiával (kwh). Az SPF érték azt mutatja meg, hogy ha a hőszivattyú a fűtési időszakban pl kwh energiát adott le (fűtésre és melegvíz készítésre), és ehhez kwh energiát vett fel az elektromos hálózatból, akkor az SPF érték 3,25. Lényeg, hogy ez a mutató a teljes fűtési időszakot veszi figyelembe, ami idő alatt előfordulhat bármilyen előremenő hőmérséklet, bármilyen hőforrás (levegő, víz, geotermikus) hőmérséklet, ezek változását az SPF mind tartalmazza. Magyarországon a fűtési napok száma nap, a mutató tehát ezt a teljes időszakot értékeli. Minél magasabb ez az érték, annál jobb rendszerrel van dolgunk. Az SPF érték nagyban függ az alábbi tényezőktől (is): a leadott hőenergia milyen arányban oszlik meg a fűtés és a HMV (használati melegvíz) készítés között az előremenő hőmérséklet, és a visszatérő hőmérséklet a külső hőmérsékletek előfordulási gyakorisága (kemény tél, vagy enyhe tél) Az SPF érték a hőszivattyúnak tehát nem olyan jellemzője, ami gyárban mérhető, mert az üzemeltetés körülményei befolyásolják. 10

12 A hőszivattyús megoldások típusai A hőszivattyúk típusát az alapján határozzuk meg, hogy milyen környezeti közegből vonja el a hőt, és milyen közegnek adja át. Ez alapján három típust különböztetünk meg, levegőből, talajból, vízből vonják el az energiát és víznek vagy levegőnek adja át. Gyakoribb a szekunder oldal vizes kialakítása, mert jobb a rendszer hőátadási tényezője, és hűtésre is jól használható: Fentieknek megfelelően a következő hőszivattyú típusok terjedtek el tömegesen: levegő-levegő hőszivattyú, ahol a levegő a hőforrás és a berendezés közvetlenül a belső levegőt fűti (például split klíma berendezésekben) levegő-víz hőszivattyú, ahol a hőforrás a külső levegő, a fűtőközeg a víz víz-víz geotermikus hőszivattyú, ahol a hőforrás és a fűtőközeg is víz (pl. kútvizes megoldás) talajhő-víz (talajszondás) geotermikus hőszivattyú, ahol a hőforrás a talaj és a mélyebb rétegek, az energiát fagyálló folyadék szállítja, a fűtőközeg pedig víz A hőszivattyús rendszerek egyik nagy előnye, hogy nem csak a fűtés és a melegvíz ellátást, hanem az épület hűtését is el tudják végezni. Lehetőség van a fűtési rendszerben lévő vizet keringtetve az épületből összegyűjtött hőt a földbe vagy a kútba juttatni. Ezáltal gyakorlatilag a hőszivattyú passzív állapotban van, nem vesz részt a folyamatban, egy további hőcserélő szükséges a hűtő körben, mely közvetlenül kapcsolja össze a primer és a szekunder oldalt. Reverzibilis hőszivattyú alkalmazásával lehetőség van aktív hűtésre, tehát a hőszivattyú működési folyamatának megfordításával a hőszivattyú aktív elemként vesz részt a hűtésben. Aktív hűtésre már levegős hőszivattyúval is van lehetőség. Az aktív hűtés folyamata közben a használati melegvíz ellátást vagy más fűtési feladatot biztosítani tudja a hőszivattyú. 11

13 Levegő-levegő hőszivattyú A levegő-levegő hőszivattyú alkalmazás ideális meglévő épületekben a fűtés utólagos kiépítésére, ha a használati melegvíz előállítás nem szükséges, vagy másként megoldott. A hűtőközeg-körfolyamat a levegő-levegő hőszivattyúk által kinyert hőt közvetlenül a helyiség levegőjének adja le. A technológia előnye az, hogy a helyiség igen gyorsan felmelegíthető, mivel a hőt beltéri egységek adják le. Ezzel a rendszerrel a helyiségek hűtése is megoldható, mivel nyáron úgy működhet, mint egy klímarendszer. A hőszivattyús rendszerek közül a levegő/ levegő hőszivattyúk a legelterjedtebbek, ami elsősorban az olcsóbb áruknak köszönhető. Ide sorolhatóak a hőszivattyús fűtőüzemű ablak- és helyiségklíma-készülékek (kompakt és split). A levegő hőforrással üzemelő monovalens fűtés a közép-európai külső hőmérsékletek mellett gazdaságtalan, emiatt az üzem leggyakrabban bivalens üzemű (párhuzamos vagy alternatív). Magyarországon fűtésre elsősorban a fűtési szezon kívül a tavaszi és őszi időszakokban használják. A levegő/levegő hőszivattyú két részből áll. A beltéri egység (1), mely egy hőcserélőből és egy ventilátorból tevődik össze, a helyiség levegőjének a hőmérsékletét hűti vagy fűti. A kültéri egység (2) egy kompresszorból, egy hőcserélőből, egy expanziós szelepből és egy ventilátorból áll. 12

14 Levegő-víz hőszivattyú A levegő-víz hőszivattyúk a külső levegő hőmérsékletét hasznosítják, mint a nyerő közeg energia forrása. Egészen extrém -25 C fokos külső hőmérsékletet is képesek hasznosítani bizonyos típusú hőszivattyúk. A levegő-víz hőszivattyú egy olyan ventillációs rendszer, amely a levegőt beszívja majd egy hőcserélőn keresztül lehűti azt és visszaengedi a lehűlt levegőt a környezetbe. Minél alacsonyabb a külső levegő hőmérséklete annál kevesebb hőenergia hasznosítható belőle, ami azt jelenti, hogy azonos belső levegő hőmérséklet eléréséhez több befektetett elektromos áram szükséges. Így mondhatjuk, hogy a hőszivattyú COP értéke a hőmérséklettel arányosan változik. A levegő-víz hőszivattyú COP teljesítmény tényezője a legkisebb a víz-víz és talaj-víz hőszivattyúk mellett. Beltéri levegő-víz hőszivattyúk Ha nincs lehetőség elhelyezni a hőszivattyút a kertben, szabadban, beltéri levegő-víz hőszivattyú telepíthető. Az általános célú hőszivattyúk nem igényelnek 1-2 m 2 - nél nagyobb területet, elhelyezhetőek kamrába, pincébe, gardrób szobába. Nagy hangsúlyt fektetnek a gyártók a tökéletes hangszigetelésre és rezgés csillapításra. Biztosítani kell az akadálytalan légáramlást a hőszivattyúhoz és a kondenzátum elvezetését. Kültéri levegő-víz hőszivattyúk Kültéri levegős hőszivattyúk közvetlenül a forráshoz telepíthetőek, azaz a szabadban bárhová. Figyelembe kell venni az akadálytalan légáramlás biztosítását, a zajhatást, megfelelő alapozást kell biztosítani és a hozzáférést is lehetővé kell tenni. A meglévő fűtési rendszerhez történő csatlakozás két hőszigetelt csövön keresztül oldható meg, az előremenő és a visszatérő ágak kivezetésével. Ezen kívül biztosítani kell még az elektromos táp ellátást is. Előnyei: szélsőséges hőmérsékletek között (-25 C C) is alkalmazható egyszerűen, olcsón telepíthető nem igényel előkészítést bárhova telepíthető könnyen integrálható a meglévő fűtési rendszerbe a talaj/víz és a víz/víz hőszivattyúkhoz képest kisebb beruházást igényel Hátrányai: alacsony COP : 2,6-3,5 (A C fokos levegőn mérve) hőmérséklet függő COP alternatív fűtési rendszert igényel beltéri kivitel esetén zajhatás (54 db) figyelembe vétele 13

15 A víz-víz hőszivattyúk a hőenergiát legtöbbször a talajvízből nyerik, de a hőforrás nem csak talajvíz lehet, hanem felszíni víz, szennyvíz, termálvíz is. A hosszú távú működéshez megfelelő mennyiségű víz szükséges. A vízvíz hőszivattyúval lehetőség van aktív és passzív hűtésre egyaránt. A víz-víz hőszivattyúkat nem csak fűtésre, hanem melegvíz készítésre is használhatjuk. Víz-víz hőszivattyú A hasznosítható energia szempontjából a víz-víz hőszivattyúk a legjobban megfelelők, a legtöbb hőenergiát állítják elő ugyanazon befektetett elektromos energiából az összes hőszivattyú típus közül. Ennek oka a viszonylag magas talajvíz hőmérséklet, amely nem változik jelentős mértékben a téli hónapokban sem. A talajvízzel üzemelő fűtőgépek jóságfoka (COP) a talajvíz éves átlagában kb. 10 C hőmérsékletéből adódóan jobb, mint a levegő-víz vagy a talajhő-víz hőszivattyúké. A víz-víz rendszerben alkalmazott hőszivattyúk szerkezeti felépítést tekintve túlnyomórészt megegyeznek a talajhő-víz hőszivattyúkkal. A víz kinyerése a talajból általában hatósági engedélyezést igényel, mely engedélyt a beruházás megkezdése előtt kell beszerezni. Ugyanakkor a hőszivattyúra előírt vízminőségi határértékeket is be kell tartani a korróziós károk elkerülése érdekében. A víz-víz hőszivattyúk hőforrásoldali kialakításánál nagy gondossággal kell eljárni. A termelőkút vízhozamát a választott gyártmányú hőszivattyú tervezési segédletében megadott térfogatárama alapján kell kialakítani. További feladatokat jelent a gépen áthaladt lehűlt víz elvezetése. Csatornahálózatba nem lehet bevezetni, mivel az ilyen nagyságú tömegáramot nem tud befogadni, ezért a legcélszerűbb megoldás az, ha egy nyelő kút kerül kialakításra hasonló méretben, mint a termelőkút. Ezt a megoldást amiatt is ajánlott választani, mivel így elkerülhető a talajvízháztartás felborulása, ami akár talajsüllyedést is előidézhet. Előnyei: legmagasabb COP : 5-7 (W C fokos vízhőmérsékleten mérve) állandó COP biztosítása passzív hűtés kialakításának lehetősége nem szükséges alternatív fűtési rendszer Hátrányai: nagy mennyiségű vizet igényel jelentős munkálatok, hosszú előkészítést igényel kút elapadása esetén nem működik 14

16 Talajhő-víz hőszivattyú A talajhő-víz hőszivattyúk a föld hőjét hasznosítják, a földben elhelyezett hőcserélőn keresztül. A talajhő-víz hőszivattyúval lehetőség van aktív és passzív hűtésre egyaránt. A talajhő kinyeréséhez a talajba a vele érintkező csővezetéket kell elhelyezni, amelyben a talaj hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékletű fagyálló folyadékot keringetve a talajból a hőenergia a folyadékba áramlik, s ezt az energiát a felmelegedett folyadék a hőszivattyúba szállítja. Ott lehűlve a talajcsövekbe áramlik vissza, ismét felmelegszik, és a folyamat kezdődik elölről. A talaj hőmérséklete körülbelül 5-15 C közötti a mélység és az évszak függvényében. A felhasználható, kinyerhető energia szempontjából a talajhő-víz hőszivattyúk a víz-víz hőszivattyúk után a második helyen állnak. A felső talaj réteg úgy 100 méter mélységig a besugárzott napenergiát és a föld belsejéből érkező geotermikus energiát tárolja. A talajhő-víz hőszivattyúk meglehetősen nagy föld területet igényelnek. A talajhő-víz rendszereknek két fajtáját lehet megkülönböztetni attól függően, hogy a talajjal érintkező csőkígyós hőcserélő vízszintesen (a) vagy függőlegesen (b) van kialakítva: a.) Talajkollektoros kivitel b.) Talajszondás kivitel A talajkollektor és talajszonda méretének meghatározásakor a választott hőszivattyúból kell kiindulni. A hőszivattyú teljesítménye két részből tevődik össze, az egyik rész a hálózatból felvett elektromos teljesítmény, a másik a környezetből felvett hőteljesítmény. A méretezésnél az utóbbi érték veendő figyelembe. Különböző talajtípusoknál más-más fajlagos teljesítménnyel lehet számolni: Talaj minősége Talajkollektor Hőteljesítmény Száraz, laza talaj W/m 2 Nedves, kötött talaj W/m 2 Vizes, kötött talaj W/m 2 Vízzel teljesen átitatott talaj W/m 2 Talajvízszint alatti fektetés W/m 2 Talaj minősége Száraz, laza talaj Nedves, kötött talaj Vizes, kötött talaj Talajvízszint alatti fektetés Geotermikus szonda Hőteljesítmény/szondahossz W/m W/m W/m W/m 15

17 Hőnyerés a felső talajrétegből (talajkollektor) A talajkollektoros hőszivattyúk a felső talajréteg hőjét hasznosítják, amit a napsugárzás és beszivárgó csapadék közvetít. A fagynak ellenálló szigetelt csövek 1,2-1,5 méter mélységben kerülnek elhelyezésre. Annak érdekében, hogy ne okozzunk kárt a kisebb kerti növényekben, virágokban, cserjékben a csövek egymástól minimum 30 cm-re kerülnek elhelyezésre. Maga a talajkollektor csövek és a hozzá tartozó szerelvények költsége viszonylag alacsony a szükséges földmunkák költségéhez képest. Előnyei: Hátrányai: jó COP : 4,5-5 (B0-0 C fokos talajhőmérsékleten mérve) passzív hűtés kialakításának lehetősége a jövőbeni működés teljesen biztosított nem szükséges alternatív fűtési rendszer nagy földmunkát igényel hűtheti a fák gyökerét (min. 2m távolságot kell tartani) nagy területet igényel (2-2,5 x a fűtött terület) Hőnyerés geotermikus energiából (talajszonda) A földszondás hőszivattyú csöveit méteres lyukakba helyezik, egy lyukba rendszerint 4 db (2 előremenő, 2 viszszatérő) KPE cső kerül. A furatokat minimum 5 méterre kell elhelyezni egymástól, melyek a legmagasabb ponton egy osztó-gyűjtő szerelvényhez kapcsolódnak. A körök szakaszolható kialakításúak. A talajszonda kiépítése engedélyköteles. Ennek oka az, hogy a nagyobb mélységbe lefúrt hőszonda rendszer telepítése a mélyebb rétegekben lévő ivóvízkészletben is kárt tehet, ezért talajszonda és egyéb mélyfúrásokhoz minden esetben ki kell kérni a területileg illetékes bányakapitányság engedélyét. A talajszonda feletti területet a kiépítés után nem kell szabadon hagyni. Előnyei: jó COP : (B0-0 C fokos talajhő- mérsékleten mérve) állandó COP vel működik passzív hűtés kialakításának lehetősége a jövőbeni működés teljesen biztosított szinte bárhova telepíthető nem szükséges alternatív fűtési rendszer 16 Hátrányai: drága telepítés: fúrás nagy földmunkát igényel bányakapitányi engedély szükséges

18 Gyakori kérdések Miért előnyös a hőszivattyús megoldások alkalmazása? Környezetbarát Automatikus működésű Halk, kompakt, könnyen elhelyezhető Nagyrészt ingyenes megújuló energiát használ, ezért olcsó üzemeltetési költségű Karbantartást alig igényel Hosszú élettartamú Fűtést, hűtést, melegvíz-készítést biztosítja Nincs szükség kéményre Biztonságos Növeli az ingatlan piaci értékét Hosszú távú befektetés Milyen tényezőket kell figyelembe venni a hőszivattyú méretezésénél? Az épület hőtechnikai számítása elengedhetetlen téli hőveszteség (kw) - fűtés nyári hőnyereség (kw) - hűtés A területre jellemző primer kör kiválasztása Mire kell ügyelni a tervezés és a kivitelezés során, milyen veszélyeket kell elkerülni? Primer oldal helytelen kiválasztása Primer oldal rossz méretezése, gondatlan kivitelezése: pl. nem elegendő szondahossz Fordítva kell gondolkodni: gázkazán esetén: hőigény - gázkazán teljesítmény hőszivattyú esetén: kinyerhető teljesítmény - hőszivattyú teljesítmény Hőtechnikai számítás rizikói: hőhidasság, nyílászárók Épület kivitelezése, eltérés a tervektől: hőhidak gondatlan beépítése, pénzügyi források kimerülése, kereskedői csúsztatások Fűtési rendszer rossz kivitelezése: nem elegendő hőleadó felület Milyen költségekkel kell kalkulálni az áramfelhasználást illetően? Az egész ország lehetőség van kedvezményes áramtarifa igénylésére és használatára a hőszivattyúval fűtő háztartások számára Geo-tarifa: szolgáltatás napi időtartama: 20 óra, egész éves, ELMÜ-ÉMÁSZ szolgáltatási területen H-tarifa: 24 órában elérhető, csak fűtési időszakban, az összes szolgáltatónál 17

19 Fogalomtár Alternatív fűtés A hőszivattyú mellett működő kazán, elektromos fűtőbetét, stb COP Coefficient Of Performance azaz teljesítmény tényező vagy jóságfok. A hőszivattyú működtetéséhez energiára általában elektromos áramra - van szükség. A hőszivattyú hatékonyságát a COP számmal lehet jellemezni. A COP azt fejezi ki, hogy a hőszivattyú egy egységnyi (kwh) elektromos energia felhasználásával hány egységnyi (kwh) hőenergiát állít elő. Minél nagyobb ez az érték, annál jobb a hetékonyság Elektromos hőszivattyú Villanymotoros kompresszorral működő hőszivattyú Entalpia Egy zárt rendszer összes energiatartalma Épület hőigénye Az a hőmennyiség, amelyikkel a leghidegebb időben pótolni lehet az épület hőveszteségét Expanziós szelep A hőszivattyú belső folyamatában található szabályozott tűszelep, amin áthaladva a munkaközeg hirtelen kiterjed Felületfűtés Padló-, fal-, vagy mennyezetfűtés Fűtési előremenő víz A hőszivattyúból a hőleadó rendszer felé áramló víz Gázmotoros hőszivattyú Gázzal működő robbanómotorral meghajtott kompresszort tartalmazó hőszivattyú Geotermikus grádiens A felszín alatti hőmérsékletnövekedés mérőszámaként használt mutató, az egységnyi mélységváltozásra jutó hőmérsékletváltozást fejezi ki Használati melegvíz tartály A háztartási melegvíz-használathoz előállított melegvizet tartalmaz tároló Hőáramsűrűség Egységnyi idő alatt, egységnyi felületen áthaladó hőmennyiség (mértékegysége W/m 2 ) Hőátadó képesség A talaj olyan fizikai tulajdonsága, ami azt fejezi ki, hogy milyen mértékben lehet tőle hőenergiát elvonni. A tömör szerkezetű kőzeteknek ill. a nedvesebb talajnak jobb a hőátadó képessége Hőfoklépcső Fűtés esetén az előremenő (melegebb) fűtővíz és a visszatérő (hidegebb) víz hőmérséklete közötti különbség Hőközpont A hőszivattyú a tartályok és egyéb gépészeti elemek elhelyezésére szolgáló helyiség 18

20 Hőleadó (szekunder) oldal A felületfűtést, radiátorokat, stb. tartalmazó épületgépészeti rendszer Hőnyerő (primer) oldal A természet hőenergiájának elvonására szolgáló gépészeti rendszerek. Pl. kútvizes rendszer, talajkollektoros rendszer, talajszondás rendszer, levegő hőjét hasznosító rendszerek Hőszivattyú A természet hőenergiájának hasznosítására szolgáló készülék Hőszivattyús bojlerek A lakásból elszívott használt levegő hőenergiáját használati melegvíz előállítására hasznosító berendezés Kompakt kollektorok Műanyag csövekből radiátor szerűen felépített hőnyerő eszköz. Helyigénye jelentősen kisebb, mint a vízszintes talajkollektoros rendszeré, kialakítása kisebb földmunkát igényel. Kompresszor Gáz összenyomására szolgáló berendezés Monoblokk levegő-víz hőszivattyú Klasszikus felépítésű levegő-víz hőszivattyú. A teljes hőszivattyús körfolyamat egy készüléken belül zajlik le, a felmelegített víz lép ki belőle (fűtési üzemmódban) Munkaközeg A hőszivattyús körfolyamatban közreműködő gáz, fluidum Nyerőkút vagy termelőkút Vízkút, ahonnan a hőszivattyú számára szükséges vizet kiszivattyúzzák Passzív hűtés Pusztán a hűvös kútvíz, vagy a talajban lehűtött fagyálló folyadék segítségével megvalósított hűtés Puffertartály A fűtővíz (vagy hűtővíz) tárolására szolgáló tartály Split levegő-víz hőszivattyú Olyan levegő-víz hőszivattyú, ahol a körfolyamat két berendezés (kültéri és beltéri) között oszlik meg Szikkasztókút Vízkút, ahová a hőszivattyúból kijövő víz visszakerül Fogalomtár Talajkollektoros rendszer A földfelszín alatt 1,2-2 méter mélységben, vízszintesen elhelyezett műanyag csövekből álló hőnyerő rendszer Talajszondás rendszer A földben függőlegesen létesített, méter mély furatokban elhelyezett műanyagcsövekből álló hőnyerő rendszer 19

21 Felhasznált irodalom A geotermikus energiahasznosítás nemzetközi és hazai helyzete, jövőbeni lehetőségei Magyarországon - Ajánlások a hasznosítást előmozdító kormányzati lépésekre és háttértanulmány Ádám Béla - Kujbus Attila - Kurunczi Mihály - Dr. Szanyi János - Dr. Unk Jánosné: Javaslat a geotermikus energia hazai hasznosításának növelésére Bálint Nóra: A geotermikus energia hasznosítás helyzete és lehetőségei Magyarországon Csanaky Lilla: A megújuló energiaforrásokra alapozott hőtermelés lehetőségei Magyarországon Hajdú György: A hőszivattyú a jövő energiaforrása - a nap és föld hőjének hasznosítása Komlós Ferenc: A hőszivattyú Magyarországon Komlós Ferenc: Geotermikus hőszivattyús rendszerek hasznosításának lehetőségei településeken és épületekben Kovács Balázs: Hőszivattyúk kiválasztási és gazdaságossági kérdései Kurunczi Mihály: A geotermia mint hazai energiaforrás Listár Nikolett: A geotermikus energia felhasználás helyzete hazánkban Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve Martin Zogg: History of Heat Pumps Tájékoztató a Magyar Energia Hivatal évi tevékenységéről Tóth László: Levegő-levegő hőszivattyú

22 További információ A hőszivattyú hatékonysága, gazdaságossági kérdései - NKEK Kiadvány Bo Hanus: Energia a házban, lakásban Dr. Ursula Schreier és szerzőtársai: A hőszivattyú Komlós Ferenc és szerzőtársai: Hőszivattyús rendszerek Komlós Ferenc, Fodor Zoltán, Kapros Zoltán, Vaszil Lajos: Hőszivattyúzás - Csináljuk jól! Komlós Ferenc - NÉS szakvélemény - A hőszivattyú technológia szerepe a klímapolitikában - Klímapolitika Kovács Róbert (szerk.): Megújuló energia kézikönyv 2010 Reinhard Hoffmann: Hőszivattyús fűtések

23

24 Regionális stratégiák a geotermikus energiafelhasználás széles körű alkalmazásához