VII. Villanyszerelő Konferencia

Átírás

1 Bourbon Rendezvényház, 1146 Budapest, Abonyi u. 22. Előadás címe (2008. október :00 12:45): Hőszivattyúk. Tervezés, kivitelezés Előadó: Komlós Ferenc okl. gépészmérnök, épületgépész ny. minisztériumi vezető főtanácsos A fenntartható fejlődés útja: az emberhez méltó környezet létrehozása Forrás: a rajz Handbauer Magdolna grafikus munkája 1

2 Az előadásomat a Heller-tervhez kapcsolható mottóval kezdem: Ha azt kérdezik, hogy nem késtünk-e el, hogy visszafordítható-e még az a rombolás, amit az emberiség ejtett a természeten, a válaszom az, hogy nem késtünk el. Amíg él az akarat, addig sosincs késő. Ha pedig az emberek közösen akarnak valamit, akkor azt meg is teszik, ezáltal érvén el céljukat, bármi is legyen az. Teller Ede 2

3 Függőségünk Oroszországtól (forrás: TIME szept. 15.) 3

4 Hőszivattyú Fogalmak (1) Olyan berendezés, amely egy tér adott hőmérsékletén hőt vesz fel és megnövelve azt egy másik térben nagyobb hőmérsékleten adja le. Amikor a hőszivattyú hőt termel (pl. helyiségfűtésre vagy vízmelegítésre) fűtő üzemmódban, amikor hőt von el (pl. helyiséghűtésre), akkor pedig hűtő üzemmódban üzemel. Ha a kondenzátoroldalon termelt hő hasznosítása a cél, és a hűtést nem hasznosítjuk, akkor a hőszivattyú egycélú berendezés, míg a fűtésre és hűtésre egyaránt alkalmas hőszivattyút többcélú berendezésnek nevezzük. A többcélú hőszivattyúval egyidejűleg lehet fűteni és hűteni is, ezért használata energiatakarékossági okok miatt rendkívül jelentős. Példa erre egy olyan hőszivattyú, amelyik a műjégpályánál hűt, a mellette lévő uszodában pedig fűt. Az egyidejű kettős hasznosítás a COP -t (a teljesítménytényezőt) megtöbbszörözheti. 4

5 Fogalmak (2) Teljesítménytényező (COP, coefficient of performance) A hőszivattyú leadott fűtőteljesítményének és effektív teljesítményfelvételének az aránya. Korábban ε (görög epszilon) volt a jele. Szószerinti fordítása: teljesítménytényező, de teljesítményszámnak vagy munkaszámnak, jóságfoknak is nevezik. Munkaközeg Azt az anyagot nevezzük munkaközegnek, amely a hőszivattyú körfolyamatában kis hőmérséklet és kis nyomás mellett hőt vesz fel az elpárologtatóban, majd nagyobb hőmérsékleten és nagyobb nyomás mellett hőt ad le a kondenzátorban [az egyik hőátadó felületen párolgás (forrás) a másikon pedig kondenzáció (cseppfolyósodás) lép fel]. 5

6 Fogalmak (3) Ha a körfolyamat ideális, akkor adott hőmérséklethatárok között (pl.: T C és T 0 ) a Carnot-féle körfolyamatnak van a legnagyobb hatásfoka (h), ill. teljesítménytényezője (COP). Azonos hőteljesítmény eléréséhez ez a körfolyamat használja fel a legkevesebb energiát. Az ideális (Carnot-) körfolyamat hatásfoka, illetve teljesítménytényezője csupán az ún. két hőtartály (hőforrás és hőelnyelő, illetve a hőszolgáltatás) abszolút hőmérsékletétől (T C és T 0 ) függ, ahol T [K] = t [ C] A hőszivattyúra jellemző elméleti ún. COP Carnot a kondenzátor és az elpárologtató hőmérséklet-adataiból kiszámolható: COP Carnot = T Kondenzátor / (T Kondenzátor T Epárológtató ) 6

7 A hőszivattyús rendszer elvi vázlata (ún. zöldhő a hőforrás) Hőszivattyú (hőelvonás és hőleadás) Hőforrás (megújuló energia és/vagy hulladékhő) Hasznos energia pl. fűtés, hűtés, használati meleg víz Bevezetett energia (villamos energia, biogáz, biodízel, bioetanol stb.) 7

8 Idealizált Carnot-féle körfolyamatok két-két hőmérséklethatár között, négyféle felhasználási cél elérése érdekében 8

9 A hőszivattyúk energiaforrása az ún. zöldhő : - a felső három vázlatrajz a földhő (talajhő), - a középső kettő a talajvíz illetve a felszíni víz, - az alsó kettő a levegő (napenergia) hasznosítását ábrázolja vázlatosan. Forrás: VAILLANT cég 9

10 Hőszivattyús rendszer Forrás: EVN Energie Versorgung, Niederösterreich Aktiengesellschaft p

11 Hőszivattyúk jellemző üzemmódjai (1) A hőszivattyúk üzemmódja elsősorban a meglévő hőelosztó ill. hőleadó rendszer által támasztott követelményektől és a hőforrástól függ. Monovalens üzemmód esetén a hőszivattyú a hőigényt egyedül is fedezni képes! Ilyenkor a külső falak, a padló, a mennyezet jó hőszigetelése, a hőszigetelt üvegezés és a kishőmérsékletű fűtési rendszer alkalmazhatósága jelenti a kedvező építési adottságokat. 11

12 Hőszivattyúk jellemző üzemmódjai (2) A hőszivattyúkat új épületeknél célszerű általában monovalens üzemmódú berendezésre tervezni. Bivalens üzemmód esetén a hőszivattyú a hőigényt nem egyedül fedezi! A bivalens pontot gazdaságossági számítással kell meghatározni. Hőszivattyú alternatív-bivalens üzemmódja 12

13 Hőszivattyúk jellemző üzemmódjai (3) Bivalens üzemmód esetén a hőszivattyú a hőigényt nem egyedül fedezi. Ennek az üzemmódnak három alapváltozata van: Az alternatív-bivalens üzemmódban a hőszivattyú csak kis terhelésnél működik, és bizonyos terheléshatár fölött a kiegészítő fűtőberendezés veszi át a teljes szerepet. A kiegészítő fűtőberendezés teljesítménye ebben a kapcsolásban a maximális hőterhelés fedezésére is elegendő kell legyen. Tehát ennél az üzemmódnál a hőszivattyú és a kazán sosem üzemel egyszerre. Felújítási munkáknál elterjedt pl. amikor a meglevő kazánt továbbra is használni szeretnék. A soros-bivalens üzemmódban a hőszivattyú viszi az alapterhelést, és a kiegészítő fűtés csak akkor kapcsolódik be, ha a hőszivattyú egyedül már nem képes a teljes feladatot ellátni. Ilyenkor a kiegészítő fűtés teljesítménye a fűtési hőszükséglet és a hőszivattyú fűtőteljesítménye közti különbség. A alternatív/soros-bivalens üzemmódban a fűtést a szezon kezdetén a hőszivattyú egyedül látja el. A hőszükséglet növekedésekor egy bizonyos határig a hőszivattyú és a kiegészítő fűtőberendezés soros kapcsolásban együtt üzemel, majd amikor a hőszivattyú a részterhelést nem képes már fedezni, lekapcsolódik, és a teljes fűtési hőterhelést a maximális fűtési 13 hőigény ellátására méretezett kiegészítő fűtés veszi át.

14 Földhőhasznosítás zárt hurkos csövezéssel, vízszintes kollektorral, sólé/víz (B/W) hőszivattyúkkal Forrás: Villavärmepumpar, Energimyndighetens sammanställning av värmepumpar för småhus 14

15 Földhőhasznosítás zárt hurkos csövezéssel, függőleges kollektorral, sólé/víz (B/W) hőszivattyúkkal Forrás: Villavärmepumpar, Energimyndighetens sammanställning av värmepumpar för småhus 15

16 Földhőhasznosítás nyitott rendszerű, ún. kétkutas, víz/víz (W/W) hőszivattyúval Forrás: Geowatt Kft. 16

17 Levegő/víz (A/W) hőszivattyú fűtésre és HMV készítésére Megjegyzés: itt a split készülék (levegő/víz hőszivattyú) kültéri egysége a környezeti levegő energiáját hasznosítja, a beltéri hidraulikus modul adja át a hőenergiát a radiátoros padlófűtésnek és a HMV tárolójának. Forrás: DAIKIN cég 17

18 Igény a hőszivattyúzásra (1) Az energiaárak emelkedésével egyre inkább előtérbe kerül az energiatakarékosság. A tervezők, a beruházók és az építtetők általában elvétve terveznek jobb hőszigetelést, kevesebb energiafogyasztást egy új, vagy egy felújításra kerülő épülethez, mint amit a jogszabályok kötelezővé tesznek, ezért a hőszivattyús rendszerek hosszútávú alkalmazására kell felkészülnünk. Az energiafogyasztás és a káros anyag kibocsátásának csökkentésére sokféle műszaki megoldás van. Az épületekben felhasznált energia csökkentése elengedhetetlen országunk energiamérlegének javításához a városok (települések) légszennyezés-csökkentéséhez. 18

19 Igény a hőszivattyúzásra (2) Magyarországon napjainkban a műszakilag elhasználódott belvárosok, belső kerületek teljes körű újjáépítését és felújítását végzik a nagyvárosokban és a kisebb településeken. Megújulnak az egyes lakó- és középületek. Fel kell készülnünk, elsősorban a környezetkímélő, ún. passzív építészeti eszközök megismerésére, elterjesztésére és használatára[1]. A passzív eszközök lényege, hogy az épületet megvédjük a külső hatásoktól, és csak elkerülhetetlen végső esetben alkalmazzunk gépészeti eszközöket fűtésre ill. hűtésre. [1] Forrás: Dr. Zöld András: Az épületek nyári felmelegedése elleni védekezés természetes lehetőségei. Tervezési Segédlet, OLÉH/VÁTI Kht

20 Igény a hőszivattyúzásra (3) A passzív épület szabványai a hőfelhasználás különösen hatékony módját írják elő, függetlenül attól, új vagy felújított épületnél alkalmazzuk. A hőszivattyú világszerte elismerten energetikailag a leghatékonyabb fűtési-hűtési technológia, az energiatakarékosság és a CO 2 -kibocsátás csökkentésének kulcseleme. Napjaink és a jövő technikájával kapcsolatban azt is fontos jelezni, hogy nemcsak a hőforrás, hanem a hőszivattyú működtetése, illetve a bevezetett energia is származhat nem fosszilis eredetű energiahordozótól. 20

21 Igény a hőszigetelésre Energiatakarékos házaknak nevezzük az átlagostól jobb hőszigetelésű, kis energiafelhasználású, és az ún. passzívházakat. Az energiatakarékos házakat energiafogyasztásuk 1,0 m 2 alapterületre vetített éves (jele: a) fűtési igénye alapján határozzák meg. Szokásos elnevezésük alapja történelmi okból a fajlagos olajfogyasztás. Jó közelítéssel: 1 liter tüzelőolaj fűtőértéke ~ 1 m 3 földgáz fűtőértéke ~ 10 kw h/(m 2 a) Kis energiafelhasználású ház, Svájcban Minergiehausnak nevezik: max. 60 kw h/(m 2 a) 3 literes ház, vagy Ultrahaus, vagy Minergie-Plus Haus (Svájcban): max. 30 kw h/(m 2 a) Passzívház: max. 15 kw h/(m 2 a) 21

22 Épületszerkezetek Hozzánk hasonló klímaadottságú osztrák és német területeken a következő hőszigetelési jellemzőjű szerkezeteket használnak (általánosságban): talajon fekvő padló: 0,25 W/(m 2 K); pincefödém: 0,35 W/(m 2 K); külső fal: 0,25 W/(m 2 K); lapostető: 0,20 W/(m 2 K); beépített magastető: 0,15 W/(m 2 K); ablakok: 1,20 W/(m 2 K). Falfűtési megoldásnál hangsúlyozni szükséges: a külső fal hőátbocsátási tényezője legfeljebb 0,25 0,35 W/(m 2 K) legyen. Az egy- vagy többrétegű épülethatároló szerkezet hő- és páratechnikai ellenőrzését ill. méretezését a falfűtés és a falhűtés szempontjából is el kell végezni. 22

23 Az utólagos hőszigetelést az épületszerkezetek külső oldali felületén kell elhelyezni Ökölszabályként mondhatjuk, hogy a régi hagyományos építésű tömör téglaépületek esetében elfogadható a táblás műanyaghab hőszigetelő anyagok használata, míg üreges téglák esetében a szálas hőszigetelő anyagokat célszerű alkalmazni, és kerülni kell a műanyag külső és belső vakolatot valamint a festést a felületkezeléseknél. Hagyományos vagy új építésű vályogfalra a perlitvakolattal tűzbiztossá tett, nádból készült hőszigetelést javaslom. Az utólagos hőszigetelés növeli a külső fal hőtároló képességét. Az épület határolószerkezetein keresztül nemcsak kifelé, hanem befelé is terjedhet a hő! A déli és nyugati oldalon elhelyezett ablakok napkollektorként befolyásolják a fűtőenergia-/hűtőenergiafelhasználást. Szokás mondani, hogy az árnyékolás és a hőszigetelés ikertestvérek. 23

24 Összehasonlításképpen hagyományos téglaház: kwh/(m 2 a) blokktégla ház: kwh/(m 2 a) mai magyar előírás: kwh/(m 2 a) (a magyar energiatanúsítvány szerinti C fokozat) mai német előírás: kwh/(m 2 a) (hamarosan további szigorítása következik) Szellőztetés Minden élő szervezet, életműködésének legfontosabb feltétele a kellő mennyiségű, tiszta levegő. Feltétlenül szükséges a helyiségekben a levegő cseréjéről, az elhasználódott levegő és a fölösleges nedvesség eltávolításáról folyamatosan gondoskodni! Korszerű épületeknél a fűtés (hűtés) ellenőrzött szellőztetéssel párosul (legkorszerűbb a hőszivattyús hőhasznosítás). Az energiatakarékos folyamatos gépi szellőztetéssel biztosítani lehet a megfelelő légcserét: pl. lakásnál n = 0,5 0,6 1/h. 24

25 Hőszivattyús rendszerek változatai, családi ház fűtéséhez Forrás: HAUTEC cég 25

26 Hőszivattyúk általános csoportosítása Külsőlevegő levegő hőszivattyú: külsőlevegős hőnyerési mód, levegős hőleadó rendszer; Távozólevegő levegő hőszivattyú: távozólevegős hőnyerési mód, levegős hőleadó rendszer; Víz levegő hőszivattyú: nyitott rendszerű hőnyerési mód, levegős hőleadó rendszer; Folyadék levegő hőszivattyú: zárt rendszerű hőnyerési mód, levegős hőleadó rendszer; Külsőlevegő víz hőszivattyú: külsőlevegős hőnyerési mód, vizes hőleadó rendszer; Távozólevegő víz hőszivattyú: távozólevegős hőnyerési mód, vizes hőleadó rendszer; Víz víz hőszivattyú: nyitott rendszerű hőnyerés, vizes hőleadó rendszer; Folyadék víz hőszivattyú: zárt rendszerű hőnyerési mód, vizes hőleadó rendszer. 26

27 Svédország hőszivattyú statisztikája Forrás: Svéd Hőszivattyú Társaság (SVEP) 27

28 Hőszivattyús tarifa differenciálása COP éves alapján ACOP éves érték nemcsak a hőforrás adatainak a függvénye, hanem a teljes épületre (építményre) vonatkoztatva a hőszivattyús rendszer létesítésének és üzemeltetésének is a függvénye. A fogyasztói hálózat hőmérséklete (t kondenzátor ) és a hőforrás ill. a környezet hőmérséklete (t elpárologtató ) különbségét (t kondenzátor t elpárologtató ) igyekezzünk az üzemeltetés során a rendszer szabályozásával pl. az előírt hőkomfort betartása mellett folyamatosan a legkisebb értéken tartani. Sajnálatos, de még mindig sok esetben elszúrt hőszivattyús rendszerek megvalósításáról kapunk információt. 28

29 Kompresszoros hőszivattyús rendszer napkollektorral 29

30 Távozólevegő víz hőszivattyús passzívház központi szellőzésének elvi vázlata és külsőlevegő levegő hőszivattyú ill. légkondicionáló berendezés elvi rajza (mindkét esetben az ún. zöldhő a hőforrás) Forrás: ÉTK TS és Villavärmepumpar, Energimyndighetens sammanställning av värmepumpar för småhus 30

31 Debreceni családi ház napkollektoros hőszivattyús rendszerérének fotói (2005) Forrás: GEOWATT Kft. 31

32 Keszthelyi zöldtetős gerendaház padlófűtése levegő-víz hőszivattyúval Forrás: HungLogHome Kft. (2007-ben építése folyamán készült fotó) 32

33 Vízszintes elrendezésű talajkollektoros villamos hőszivattyú COP, ill. teljesítménytényezőjének (ε) változása a talajkollektorban áramló hőhordozó közeg hőmérsékletének függvényében, különböző (35, 45 és 55 C-os) fűtési előremenő vízhőmérsékletek esetén Forrás: LODAM cég 33

34 A hőleadó rendszer főbb követelményei hőszivattyús alkalmazások esetén Legyen képes a külső léghőmérséklet függvényében általában C-os előremenő fűtővíz-hőmérséklettel ellátni az épület hőigényét. Dt üzem közbeni értéke (az előremenő és a visszatérő fűtővíz hőmérséklet-különbsége) általában 5 7 C-nál nagyobb ne legyen (kivétel: radiátoros fűtés). A hőleadók elhelyezésénél elsődleges szempont legyen az optimális hőérzet biztosítása; A zaj- és a huzathatás ne legyen nagyobb a megengedettnél. Minél kevesebb helyet foglaljon el a lakótérből. 34

35 Falfűtés helyes elhelyezése (ablak alatt és mellett) Forrás: VITADOM cég 35

36 Szakmai tapasztalat (1) Jelzem, hogy sokszor hőérzeti és energiatakarékossági okból mennyezetfűtés (födémfűtés) a helyes fűtési megoldás. Amennyiben egy rendszeren belül fal, padló, fan-coil, kalorifer stb. hőleadók fordulnak elő, a helyes tervezői magatartás az, ha ezeket egyforma, max. 42 C / 35 C-os hőmérsékletlépcsőre tervezzük, és a rendszer külső hőmérséklettől függő szabályozását a hőszivattyú puffertárolójának vízhőmérséklet-szabályozására bízzuk. A hőleadó rendszer szabályozása szintén jelentősen befolyásolja a hőszivattyús rendszerrel elérhető COP éves értéket. A szabályozási mód kialakításánál itt is a hőszivattyú által támasztott, a COP értéket maximalizáló igényekből kell kiindulni. A fűtési rendszert és annak szabályozását úgy kell kialakítani, hogy annak mindegyik eleme a lehető legkisebb hőmérsékleten legyen képes működni. 36

37 Szakmai tapasztalat (2) A falfűtés belső falon való elhelyezése nemcsak hőkomfort szempontjából kedvezőtlen, mert nem ellensúlyozza a hideg ablakfelület és külső fal sugárzó hatását, hanem jelentősen lerontja az energiahatékonyságot, mert ilyenkor a léghőmérsékletet kell növelni. Hangsúlyozni szükséges: a külső fal hőátbocsátási tényezője legfeljebb 0,25 0,35 W/m 2 K legyen. Az egy- vagy többrétegű épülethatároló szerkezet hő- és páratechnikai ellenőrzését ill. méretezését a falfűtés és a falhűtés szempontjából is el kell végezni. A falfűtés a megemelt belső falhőmérséklet miatt páratechnikailag is kedvezőbb: pl. a műemlékek nedvesedő falainak szárítására, penészesedések elhárítására is alkalmas. 37

38 Két egyenlő lehűlési körülmények között lévő helyiség kellemes hőérzet melletti hőmérsékleti viszonyai tagos radiátor és mennyezeti sugárzófűtés esetén Forrás: Réti Márton okl. gépészmérnök: Korszerű központi fűtések tervezése, számítása és Kivitele, Budapest, KILIÁN FRIGYES utóda m. kir. Egyetemi könyvkereskedése A helyiség - levegőjének átlaghőmérséklete [ C] - mennyezetének hőmérséklete [ C] - padlójának hőmérséklete [ C] - belső falainak hőmérséklete [ C] Hagyományos radiátoros fűtés Mennyezetfűtés külső falainak hőmérséklete [ C]

39 Felületfűtés (padfűtés) ill. modern kemencepadka Forrás: VARIOTHERM cég 39

40 Ajánlott irodalom Tekintettel arra, hogy az Építéstudományi Egyesület (ÉTE) Hőszivattyús Szakosztályának Elnökségi tagja vagyok, és a Magyar Napenergia Társaság (MNT) Szoláris hőszivattyús rendszerek munkacsoportját is képviselem, szólok a hazai hőszivattyús technika néhány személyemhez kötődő, de a közérdeklődés számára gondolom fontos, időszerű kérdéséről. 1) Komlós F.: Lakossági tájékoztató anyag (Klímapolitika előlap + 77 old.) A kiadvány letölthető: illetve a Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium honlapjáról: Klímapolitika című szakmai honlapok, [a Kibocsátás-csökkentés című rovatból október 8-án lett ide feltöltve.] 2) Komlós Ferenc Fodor Zoltán Kapros Zoltán Vaszil Lajos: Hőszivattyúzás Energia Központ Kht. Csináljuk jól! energiahatékonysági sorozatának 22. számú kiadványa, ( ) Folyamatban van ennek a kiadványának jelentős átdolgozása és bővítése kétnyelvű (magyar-angol) könyvként. Dr. Vajda József tanár úr az új szerzőtársunk. 3) F. Komlós: Heller Programme, Utilisation of Renewable Energy Sources with Heat Pumps pp th INTERNATIONAL CONFERENCE ON HEAT ENGINES AND ENVIRONMENTAL PROTECTION May 28 30, 2007 Hotel Uni, Balatonfüred, Hungary ( ) 4) Komlós Ferenc: Hőszivattyús rendszerek 6. rész, 8.1. fejezet (2+44 oldal). 36. Az építészeti-műszaki tervezés aktuális előírásai. Gyakorlati kézikönyv. Verlag Dashöfer Szakkiadó Kft. és T. Bt. A vonatkozó CD ROM kiadása: augusztus. 40