A hőszivattyúk hatékonyságáról, alkalmazhatóságáról IV.

Átírás

1 A hőszivattyúk hatékonyságáról, alkalmazhatóságáról IV. A hőszivattyúk működési hőfoktartományát átfogó,részletes paramétere k A cikksorozat előző 1 részében egy kombinált/szimultán/ hőszivattyús rendszer kialakítás tervezésén, gazdaságossági elemzésén keresztül került bemutatásra, hogy a gyári- az egész működési tartományt átfogó részletes- teljesítmény táblázat hiányában a rendszer tervezését nem lehet elfogadható módon elkészíteni. Nem lehet ellenőrizni a hőszivattyúk működőképességét a tervezett hőfoktartományokban,a rendszer gazdaságosságát nem meghatározható. Az ok amiért a részletes paraméterek hiányát hangsúlyozom az, hogy a Magyarországon forgalomba hozott igen nagy számú hőszivattyú típus legtöbbjénél a gyártó, csak egy hőfokszintre 2 adja meg a hőszivattyúk paramétereit, amely így alkalmatlan elfogadható szintű hőszivattyús rendszer tervezésére. -A kérdés, hogy amennyiben tervezési szempontból alapvető követelmény az egész működési tartományt átfogó részletes paraméterek ismerete, akkor a sok esetben neves gyártó cégek miért csak a bevizsgálási hőfokszintre adják meg a hőszivattyúk paramétereit? A hőszivattyúk fejlesztésnél szerzett ismereteim és tapasztalataim alapján azt látom, hogy a hőszivattyú fejlesztéseket a legtöbb esetben hűtéstechnikai cégek végzik, s az általuk forgalmazott hőszivattyúkszerkezeti kialakításuknál fogva- a hűtőgépek mintájára épülnek, a széles hőfoktartományban, folyamatosan változó külső paraméterekkel történő hatékony működésre nincsenek felkészítve. 3 Emiatt számomra érthető, hogy feleslegesnek tartják, a részletes paraméterek bemutatását. Ez a probléma sajnos alapvetően befolyásolja a hőszivattyúk hatékony alkalmazhatóságát, hiszen a rendszer tervező mérnököktől nem elvárt követelmény, hogy a hőszivattyúk működésével, a körfolyamat finomságaival fejlesztőmérnöki szinten tisztában legyenek. Így nagyon sok esetben olyan hőszivattyúk kerülnek betervezésre egy adott feladatra, amelyek alkalmasságáról, a rendszer működőképességéről,várható hatékonyságáról nem tudtak megbizonyosodni. A kiviteli tervekben mind gyakrabban találkozhatunk például olyan hőszivattyús rendszerekkel,ahol nem veszik figyelembe,hogy a gyártó milyen hőnyerési módra készítette el a hőszivattyút, s milyen hőfokszinten történt a bevizsgálás. Az alábbiakban egy ilyen tervezett rendszer, s az itt felmerülő problémák ismertetése történik. Víz-víz rendszerű hőszivattyúk alkalmazása zárt szondás (folyadék-víz) rendszerekben Az alábbi elemzésre kerülő példában a kiviteli terv műszaki leírása szerint az épület hőszivattyúval ellátandó fűtési igénye: 860kW, hűtési igénye: 450kW. Erre a fűtési,hűtési feladatra a tervező kollégák 3 db AERMEC NXW0800XH típusú, a műszaki leírás szerint 271/262kW névleges teljesítményű 4 hőszivattyú beépítését tervezték. A hőnyerési oldalra hőszivattyúnként 50db,egymástól 6m távolságban lévő 100m-mély talajszondát terveztek,az elvégzett próbafúrás,szondateszt és szondaméretezés alapján A tervezett legmagasabb fűtési hőfokszint 45 0 C/40 0 C. A tervezett hűtési hőfoklépcső 10 0 C/15 0 C Magyar Installateur 2015/5 2 A bevizsgálási hőfokszint 0 0 C/35 0 C,vagy 10 0 C/45 0 C 3 34 Magyar Installateur 2015/4. 4 A névleges teljesítmény valószínűsíthetően a bevizsgálása hőfokszintre vonatkozhat

2 1.ábra A terv véleményezése A betervezett AERMEC hőszivattyú adatlapja szerint R410A hűtőközeggel működő vízhűtéses,tehát víz-víz rendszerű hőszivattyú. A gyári adatlapja szerint a bevizsgálási hőfokszint fűtésnél: 10/5 0 C elpárologtató oldali víz hőfoklépcső, valamint 45 0 C/40 0 C fűtési hőfoklépcső. A bevizsgálási hőfokszint hűtésnél: 7 0 C/12 0 C hűtési,valamint 30 0 C/35 0 C föld oldali víz hőfoklépcső. A fűtési teljesítménye a bevizsgálási hőfokszinten a gyári adatlap szerint: 280kW.(2.ábra) A hűtési teljesítménye: 257 kw. 2.ábra

3 Az adatlap más elpárolgási és kondenzációs hőfokszintre vonatkozó teljesítmény és COP érték adatokat nem tartalmaz. Megjegyzem, hogy a folyadék-víz hőszivattyúk szabványos bevizsgálási hőfokszintje 0 0 C elpárologtató oldali folyadék és 35 0 C fűtési előremenő víz hőmérséklet. Ebben az esetben a tervezésben megítélésem szerint négy alapvető probléma van,amelyet a tervezők figyelmen kívül hagytak. 1. A hőszivattyú szondaoldalát szondás rendszerű alkalmazásnál min.-7 0 C-ig fagyállósítani szükséges az elpárologtató elfagyásának megakadályozása végett. Emiatt az elpárologtatóknál a hűtőközeg-folyadék hőfokkülönbsége nő,s így csökken az adott hőfokszinten a kimenő fűtési teljesítmény. 2. A szondás rendszerű alkalmazásnál a legnagyobb terhelésnél 5 a föld oldali folyadék hőmérséklete optimális szondaterv esetén 0 0 C-4 0 C között alakul. Ennek megfelelően a bevizsgálási hőfokszint ez esetben a legnagyobb terhelésre vonatkozó valós teljesítmény adatokat nem tartalmaz. 3. A víz-víz rendszerű hőszivattyúk elpárologtató oldali beállított nyomásvédelme a 0 0 C-alatti elpárolgási hőfoknak megfelelő nyomás értéket nem engedélyez a fagyás megelőzésére. Emitt a folyadék hőmérséklete az elpárologtató méretezésétől függően,nem mehet C alá. 4. Amennyiben a gyártó optimalizálta a belső hűtőköri csőhálózatot a magasabb minimum hőfokú víz-víz rendszerhez, akkor fennáll a veszélye annak,hogy alacsony hőmérsékletű üzem esetén túl alacsony lesz az áramlási sebesség a szívó és nyomóvezetékekben, amely olaj visszahordási problémát, s a kompresszorok idő előtti meghibásodását eredményezi. A valós fűtési teljesítmény alakulása a legnagyobb terhelésnél A tervezett AERMEC hőszivattyúban alkalmazott R410A kompresszort beazonosítva a megadott hőfokszintekhez tartozó paraméterek alapján, s a kiválasztást a gyári szoftverrel elvégezve +4 0 C os minimális feljövő folyadékhőmérsékletre a kimenő fűtési teljesítmény: 232 kw, a tervezett 271 kw-al szemben, s így a rendszer összes teljesítménye: 696 kw a tervezett 860kW-al igénnyel szemben. Ekkor még nem számítottuk a fagyállósítás okozta teljesítmény csökkenést. Ezenkívül a tervező sem tudhatja,hogy a hőszivattyúk szerkezeti kiépítése támogatja-e az alacsony hőfokon történő hatékony üzemet,vagyis megoldott-e a töltetvándorlás kiegyenlítése. Amennyiben nem,- akkor a földhő hőfokszintjén jelentős mennyiségű hőtőközeg marad a kondenzártorban,amely akár 10-20%-os teljesítmény csökkenést is eredményezhet a kompresszor teljesítményéhez képest, s így akár 550 kw alá is csökkenhet a rendszer kimenő fűtési teljesítménye a 4 0 C/45 0 C folyadék-víz hőfokszinten. A legalacsonyabb tervezett folyadék hőfokszintet a működőképesség megtartása végett ez esetben C alá nem lehet engedni, amennyiben a presszosztátokat gyárilag nem állítják át szondás működésre. 6 A működőképesség fenntartása ennek megfelelően jelentős mennyiségű szondatöbbletet, s így költségnövekedést is eredményez. A szondaméretezés A vizsgált (1.ábra)kiviteli terv melléklete részletes szoftveres szondatervet tartalmaz, ami számomra nem követhető nyomon,és a Oklahoma State University Dvision Of Engineering Technology által kidolgozott méretezési szisztémát,amely valójában az IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association) méretezési metódusa,- láthatóan nem követi. 7 L H (m)= 5 Legalacsonyabb tervezett külső léghőmérséklet 6 A presszosztátos védelmeket átállítani csak tesztlaborban célszerű,amennyiben állíthatóak,mert ellenőrzés nélkül végzetes meghibásodáshoz vezethet az átállítás Magyar Installateur 2013/2 3.

4 3.ábra Az IGSHPA méretezési metódusán alapuló szoftver A szondaterv a hőszivattyú paramétereinek figyelmen kívül hagyásával,a szükséges hőkapacitás igény kielégítésére lett valamilyen valószínűsíthetően ökölszabály alapján meghatározva, s a program által számított a talajhőmérsékleti minimum értéke. Ez a metódus a fenti képlet alapján értelmezhetetlen. Az azonban mindenképp egyértelmű hogy a fűtési és hűtési kapacitás igényből szondaszükségletet tervezni, jelentős túlméretezést okoz. A szondaoldal terhelésének meghatározásánál az alkalmazott hőszivattyú elpárolgási teljesítményei a mérvadóak. Az egzakt tervezéshez emiatt mindenképp szükség van a tervezett legalacsonyabb földhő hőfokszinthez tartozó hőszivattyú paraméterekre. A fent hivatkozott (IGSHPA) metódus a legalacsonyabb tervezett hőfokszinthez tartozó COP értékek segítségével számolja a föld oldali terhelést. Megállapítható,hogy a működési tartományt átfogó hőszivattyú paraméterek hiányában csupán a fűtési és hűtési terhelésekből meghatározott szondaszükséglet számítás elfogadható eredményekre nem vezet. A megfelelő méretezési metódus az ajánlott elmélet 8 alapján Az alábbi elemzésre kerülő példában a kiviteli terv műszaki leírása szerint az épület hőszivattyúval ellátandó fűtési igénye: 860kW A tervezett legmagasabb fűtési hőfokszint 45 0 C/40 0 C. Első lépésként a rendszert tervező mérnöknek az adott terület geotermikus gradiensének ismeretében kell eldönteni jó közelítéssel,hogy a tervezendő hőszivattyúk a legnagyobb és a legkisebb terhelésnél milyen minimum és maximum föld oldali folyadék hőfokon fog üzemelni. A legkisebb megengedett talajhőmérsékletet mindig a tervező határozza meg, annak függvényében,hogy a beruházási költséget optimális értéken tudja tartani. A tapasztalat szerint a min.+4 0 C-nál magasabbra tervezett minimális folyadékhőmérséklet jelentős mértékben emeli a szükséges szondaszámot,s így a beruházás költségét Magyar Installateur 2013/2 3.

5 Amennyiben eldöntésre került, hogy a megengedett minimális folyadékhőmérséklet a szondatervben milyen értéken fog szerepelni,akkor a hőszivattyú teljesítmény táblázatából,vagy nomogramjából a maximális igénybevételnek megfelelő hőfokszintre ki kell választani a szükséges hőszivattyút. Jelen esetben a maximális terhelés +4 0 C/45 0 C,tehát ilyen hőfoknál kell megvizsgálni a hőszivattyú fűtési teljesítményét,és meghatározni,hogy az adott típusú hőszivattyú hőkapacitása elegendő-e,illetve hány darabra van szükség a feladat ellátására. 3.ábra Hőszivattyú 50 0 C-os fűtési hőmérsékletre vonatkozó a teljes elpárolgási tartományt átfogó teljesítmény táblázata Példaként látható egy hőszivattyú típus teljesítmény táblázata,közelítő paraméterek alapján a +4 0 C/45 0 C os hőfokszinthez 220 kw kimenő fűtési teljesítmény tartozik. 9 Megállapítható,hogy a 860kW-os kapacitás csúcsigény kielégítésére 4db GB260-HAC hőszivattyúra lenne szükség, amely mint a táblázatból is látható zárt szondás üzemre van tervezve,a föld oldalon 23%- os propilénglikol-al (-7) 0 C-ig fagyállósítva. A Hőszivattyúk kiválasztása után egy az előzőekben említett szondaméretezési szisztémán alapuló szoftverrel elkészítjük a szondaméretezést, melyben egyik meghatározó kritérium a megengedhető legalacsonyabb talajhőmérséklet a +4 0 C, valamint az alkalmazott hőszivattyúk paramétereinek ismerete. Jelen esetben a programba a legkisebb terhelésnél a +10/35 0 C-os hőfokszinten, valamint a legnagyobb terhelésnél a +4 0 C/45 0 C-os hőfokszinten a fűtési teljesítmény, elektromos energia felvétel,cop értékek bevitele szükséges. A szoftver elvégzi a bevitt adatok alapján a szondahossz számítást, s ezzel együtt kiszámítja a hőszivattyús rendszer várható SCOP értékét. A szoftverrel egyben elkészíthetjük a hosszútávú termikus hatás elemzést is. A nem ismert területen előzetes szondateszttel kiegészítve így egy működőképes költséghatékony,és a hatékonyságában előre prognosztizált hőszivattyús rendszer tervezhető. Összegzés A fentiekből következően amennyiben a zárt szondás hőnyerési módra víz-víz rendszerű hőszivattyút választunk, amelynek csak a bevizsgálási hőfokszintre vannak megadva paraméterei: Nagy valószínűséggel - optimálisan tervezett szívó és nyomó csőkeresztmetszetek 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. 9 Több kondenzációs hőfokszintre megadott táblázatok esetén interpolálással a pontos értékek meghatározhatók.

6 A hőszivattyúk alacsony oldali nyomásvédelmeit is a megengedhető legalacsonyabb értékre kalibrálja be a gyártó az elfagyás megakadályozása végett. Ez az érték víz-víz hőszivattyúknál a 0 0 C-os elpárologtató hőmérsékletnek megfelelő nyomásérték kell legyen. Ez az érték azonban szondás rendszerhez túl magas,hiszen itt a szélső érték -6-(-7) 0 C. 10 Csak olyan hőszivattyúkat tervezzünk amelynek a paraméterei a tervezendő legalacsonyabb földhő hőfokszinten ismertek! A szabványban meghatározott egyetlen paraméter alapján nem lehet tervezni! A feladatra legalkalmasabb hőszivattyút tervezzük,s ne ragadjunk le egy általunk jónak ítélt márkánál! A probléma azonban akkor kezdődik, ha a választott hőszivattyúnak nincsenek több elpárolgási hőfokszintre megadva a paraméterei, mint az a jelenleg elemzett rendszernél is látható. Az ilyen hőszivattyúk betervezésekor a tervezőnek tisztában kell lennie, hogy igen nagy kockázatot vállal magára, hiszen egyáltalán nem tudhatja, hogy az adott hőszivattyú a gyári adatoktól eltérő körülmények között mit produkál, s egyáltalán hosszabb távon működőképes-e. A Gyártónak és forgalmazónak nincs felelőssége, hiszen a gépkönyvükben szereplő bevizsgálási hőfokszinten a készülékeik megfelelően működőképesek. Az ettől eltérő használatot a tervező vállalta be, s így az esetleges beruházói elégedetlenségek,követelések esetén egy szakértő csak őt marasztalhatja el. A fentieken túl a nem megfelelő szakértelemmel és gondossággal tervezett hőszivattyús rendszerek problémája a hőszivattyús szakma közös gondja, mert mindenképp rombolja a hőszivattyús rendszerek hatékonyságába, ár/érték arányába vetett hitet. Emiatt mindenképp szorgalmazok a MÉGSZ vezetésével, szervezésével az érintett szakmai szervezetek között egy szakmai konzultációt, egyeztetést, ahol végre a hőszivattyús szakmát alapjaiban érintő tervezési és kivitelezési alapkritériumokban meg kellene egyezni. Fodor Zoltán GeowattKft. Fejlesztőmérnök, MÉGSZ Geotermikus hőszivattyús Tagozat elnöke 10 Erre az értékre fagyállósítjuk a szondákban keringő folyadékot is.