Hőszivattyús rendszerek. Eljött az ideje!!

Átírás

1 Hőszivattyús rendszerek Eljött az ideje!!

2 BEVEZETÉS A geotermia (=földhő) általában mint megújuló energiaforrás van elkönyvelve. Így együtt emlegetik, hivatalos állami kutatási programokban, promóciós anyagokban stb. a nap-, szél-, víz-, és biomassza-energiával. Emellett mint környezetkimélő energiaforrásként is kezelik, főleg azért mert nem jár üvegházhatást keltő gáz-kibocsátással.

3 A geotermia (földhő) alapja A kontinentális földkéreg (felülete kb. 2*10 14 m 2 ) legfelsőbb kilométerének hőtartalma 3.9*10 8 EJ. A világ energiaigényéhez viszonyítva (ami jelenleg kb. 400 EJ) ez eltartana kb. egymillió évig. Ha ez a hőmennyiség teljesen ki lenne aknázva, akkor az újratöltés a földi hőárammal már ezer év alatt megtörténne. Tehát a készletbázis óriási és mindenütt jelen van.

4 A föld 99 %-a 1000 C-nál melegebb. Csak 0.1 %-a van 100 C alatt. A földi hőáram globális teljesítménye 40 millió MW!

5 Hőutánpótlás Radioaktív anyagok bomlása (U, Th) Hosszú felezési idejű atomok Napsugárzás

6 PÁTY, LOGISZTIKAI KÖZPONT HŐMÉRSÉKLET REGISZTRÁLÁS ( ) IN SITU ÁLLAPOT FELVÉTELE F-1 PONTBAN

7 SUSTAINABILITY ( FENNTARTHATÓSÁG ) The original definition of sustainability goes back to the Bruntland Commission (1987; reinforced at the Rio 1991, Kyoto 1997 and Johannisburg 2002 UN Summits): Meeting the needs of the present generation without compromising the needs of future generations

8 MEGÚJULÁS / FENNTARTHATÓSÁG Geotermikus készletek kitermelésénél a fenntarthatóság lényegileg a termelési szint hosszútávú fenntartását jelenti. Minden kiegyensúlyozott fluidum-/hő-kitermelés (a kitermelés nem haladja meg a természetes beáramlást) teljesen megújuló. A szint az optimált kihasználási technológia és helyi adottságok függvénye.

9 A geotermikus fluidum és/vagy hő kitermelése helyben növekvő mértékű hidraulikus-/hő-nyelőt hoz létre a tárolóban. Ez pedig erős gradienseket képez, ami intenzív beáramlást indít termelési szünetekben, vagy a termelés megszűnése után.

10 A REGENERÁCIÓ IDŐTARTAMA A fütési módban működő földhőszivattyúknál a regeneráció időtartama megfelel az üzemeltetési időnek: pl. 30 évi müködést követően az további 30 év. A fűtési/hűtési módban működő földhőszivattyúknál a megújulás már az évi ciklusok alatt megtörténhet. Geotermikus készletek megújulónak nevezhetők technológiai/társadalmi rendszerek időskáláján, azaz hogy közel sem igényelnek annyi időt, mint a fosszilis energiahordozók (szén, kőolaj, földgáz).

11 Aszimptotikus hőmérséklet csökkenés és visszatöltődés 50 m mélységben 1 m távolságra a földhőszondától (Rybach & Eugster 2002)

12 Oriental Herbs Kft. A földtani közeg hőmérsékletének változása a földhő szonda közvetlen közelében, 60 m mélységben (fűtés)

13 Oriental Herbs Kft. A földtani közeg hőmérsékletének változása a földhő szonda közvetlen közelében, 60 m mélységben (hűtés)

14 Hőszivattyú eladási statisztika a környező országokban NÉMETORSZÁG AUSZTRIA Hőszivattyú (db) Hőszivattyú (db) SVÁJC Frissebb adatok, ban: Hőszivattyú (db) Franciaországban db. Svédországban db

15

16 Mottó: Az épületek fűtésére az ország teljes energiafelhasználásának mintegy negyedét fordítjuk. (ipar 23%, közlekedés 21%). A hazai épületállomány nagy része 300 kwh/m 2 év energiát használ CÉL: maximum 200 kwh/m 2 év Energiatakarékos ház 120 kwh/m 2 év, Alacsony energiájú épület 90 kwh/m 2 év, Passzív házak 30 kwh/m 2 év energiát használnak

17 Működési elv, mint a pálinkafőzés :

18 Működési analógia: A hőmérséklet állandó, a hőközlés a halmazállapot változást szolgálja!

19 Hőszivattyú működése Magas nyomáson (~20 bar) magas hőmérsékleten a hűtőközeg kondenzálódik, lead hőt a környezetnek, fűtve azt Alacsony nyomáson (~2 bar) alacsony hőmérsékleten a hűtőközeg elpárolog, elvon hőt a környezettől, hűtve azt

20 Víz/víz hőszivattyú

21 Figyelem! COP vizsgálata és összehasonlítása csak és kizárólag a működési paraméterek (vízhőmérsékletek, léghőmérséklet) függvényében lehetséges!

22 Energia hatékonyság COP = P termikus /P elektromos (kw/kw) Hőszivattyú, fűtés üzemmód: COP energia osztály Légkondenzátoros (kültéri kompakt) Légkondenzátoros, radiális vent. (beltéri kompakt) Vizes kondenzátorral A >3,2 >3 >4,45 B 3-3,2 2,8-3 4,15-4,45 C 2,8-3 2,6-2,8 3,85-4,15 D 2,6-2,8 2,4-2,6 3,55-3,85 E 2,4-2,6 2,2-2,4 3,25-3,55 F 2,2-2,4 2-2,2 2,95-3,25 G <2,2 <2 <2,95 A berendezések teljesítményei hűtéskor vízoldalon 7/12 C, kondenzátor oldalon 35 C levegő esetén, és 35/30 C víz esetén. A berendezések teljesítményei fűtéskor vízoldalon 40/45 C, kondenzátor oldalon 7 C levegő esetén, és 10/5 C víz esetén.

23 Mikor érdemes hőszivattyús rendszert alkalmazni? Milyen meglévő energiaellátási lehetőségek vannak? Van-e igény hűtésre? A helyi adottságok mit tesznek lehetővé? Van-e pénze a megrendelőnek egy költségesebb rendszerre? Gazdaságilag helyes döntés? Egyáltalán van-e más lehetőség? (elfér a hagyományos rendszer, környezetvédelmi előírások, gázvezeték hiánya stb.)

24 Jellemző funkciók hőszivattyúkkal: Valójában minden komfort elvárás biztosítható: Fűt és melegvizet termel Fűt, hűt és melegvizet termel Fűt és hűt, de nem termel melegvizet

25 Hőszivattyú kiválasztás menete Helyszíni adottságok Hőszivattyú kiválasztása Rendszer méretezése Gazdaságossági vizsgálat

26 Helyi energiaellátás: Földgáz: ha csak fűteni szeretne a megrendelő. Kérdéses a megtérülés PB gáz: megtérülés 3-5 éven belül várható, csak fűtés esetén is Olaj, villanyfűtés: megtérülés akár 2-4 éven belül GEO tarifa és a H tarifa felülírja a megtérülési számításokat

27 Helyszíni adottságok Ha már eldöntöttük, hogy hőszivattyút alkalmazunk: Telekméret (kollektor kialakítható?) Talaj adottságok, összetétel (lehet fúrni?) Növényzet (védőtávolság, a meleg/hideg vezetékek károsíthatják a gyökérzetet) Épített környezet (zajszint, épület alatt kell-e csövezni, talajfagyveszély)

28 Kutas fűtés-hűtés

29 Felszíni talajkollektor

30 Vízkollektoros fűtés-hűtés

31 Talajszondás fűtés-hűtés

32 Levegős hőszivattyú

33 Kutas fűtés-hűtés

34 Nyitott rendszerek (kútvizes) Egyik lehetséges mód, a kollektor csőhálózat nyílt vízbe való merítése. A víznek megfelelő nagysággal kell rendelkeznie, hogy a hőkivétel ne okozzon hőmérséklet változást, és ezáltal kárt az élővilágban. Folyó vizet, mint hőforrást, nagyobb biztonsággal lehet ilyen megfontolásból hőszivattyús rendszerekhez használni. A bonyolult engedélyeztetés és a korlátozott lehetőségek miatt ez a rendszer nem terjed Magyarországon.

35 Nyitott rendszerek méretezése a méretezést arra térfogatáramra kell végezni amely a hőszivattyú működtetéséhez szükséges (elpárologtató tömegárama). Q& el = q m t hcs c víz (W) q m - - a víz tömegárama [kg/s], amit a kútból kiszivattyúzunk t hcs - - az előremenő és visszatérő kútvíz hőmérsékletkülönbsége [K], J cvíz kg K - - a víz fajhője. mivel tiszta vizet használunk, az elpárologtatóban nem hűthetjük a víz hőmérsékletét 0 C alá, ezért viszonylag nagy térfogatáramokkal kell számolni

36 Védőtávolság (m) : A nyelő és a nyerő kutak közt, a talaj porozitásának, üzemidő és talajréteg vastagság függvényében, védőtávolságot kell betartani. Figyelembe kell venni a talajvíz áramlási viszonyait. A nyerő kút felül, a nyelő kút lent kell legyen.

37 Nyitott rendszer vizsgálata Viszonylag magas hőforrás hőmérséklet >10-12 C A korrózióveszély mértéke a vízben található anyag koncentrációjától, és különböző anyagok együttes jelenlétének függvényében változó lehet. Leválasztás: Ebben az esetben viszont egy újabb kör keletkezik, egy újabb szivattyúval, amely szintén növeli a rendszer energia felvételét, a beruházási költségeket, és az újabb beiktatott hőcserélő rontja a hőátadás hatékonyságát. Mindezek a körülmények által kényszerített megoldások oda vezethetnek, hogy a rendszer energetikai hatékonysága rendkívül leromolhat, és az elvárható szint alá esik. Ebben az esetben át kell gondolni a hőszivattyú alkalmazhatóságának gazdasági következményeit.

38 Vegyi összetétel A víz nem lehet vegyileg agresszív, és a vízkő képződéssel is számolni kell. Koncentráció mg/l (ph érték nk ) Rozsdamentes acél (hőcserélő, tároló.) Réz (szerelvének, csővezetékek) Hidrogén karbonát (HCO3) < > Szulfátok (SO4) < > Nitrátok (NO3) < > Kloridok (Cl*) < > Vas (Fe) <0,2 + + >0,2 + - Mangán (Mn) <0,1 + + >0,1 + - ph < , , > nincs korrózió - korrózió veszély

39 Felszíni talajkollektor

40 Vízszintes kollektor Egycsöves vízszintes elrendezés Párhuzamos vízszintes elrendezés Elnyújtott spirálcsöves elrendezés Kompakt spirálcsöves elrendezés

41 Vízszintes kollektor árokban

42

43 Vízszintes kollektor

44 Vízszintes kollektor

45 Kialakítás A soros rendszerek jellemzői: egyfajta csőméret, nem kell elágazásokat készíteni, nagyobb mennyiségű fagyálló folyadék szükséges, magasabb ár a nagy csőméret miatt, korlátozott a teljesítmény a nyomásesés miatt, nagyobb méretű csöveket nehezebb kezelni. A párhuzamos rendszerek jellemzői: nincs teljesítménykorlát könnyen bővíthető, kisebb csőköltség a kisebb átmérő miatt, kevesebb fagyálló szükséges az üzemeltetéshez. a vízáramtól függően változik az átmérő, így sok toldás szükséges, a kialakításnál ügyelni kell a légmentes feltölthetőségre, a jó hatásfok érdekében az ágaknak kiegyensúlyozottnak kell lennie, azonos hosszúságú szakaszokból kell állnia.

46 Felszín hőmérsékletének változása

47 Felszín hőmérsékletének változása hűtés esetén

48 Vízszintes kollektor telekterület (m 2 /kw) Déli fekvés Északi fekvés 2 cső árkonként cső árkonként cső árkonként 40 60

49 Kollektor méretezése Ajánlott árok méterben kilowattonként (m/kw) zárt rendszerű hőnyerőkhöz: Talajhőmérséklet C Csőhossz/árok (m) Spirális 10 menetes , ,5 Vízszintes kollektor 6 csöves és spirális 6 menetes 4 csöves és spirális 4 menetes csöves Figyelembe vett talaj hővezetési tényező vízszintes kollektornál λ =1 W/mK

50 Talajszondás fűtés-hűtés

51 Függőleges talajszonda méretezési és elhelyezési szempontjai A talaj hőmérséklete kb. 9 m mélységtől lefelé állandónak mondható, nem ingadozik a téli/nyári felszíni hőmérséklet változásoknak megfelelően A szondafuratok szokásos mélységi mérete m

52 Szonda kialakítása A talajszonda kollektorok többféle kialakítása létezik. A leggyakoribb a szimpla U csöves és a dupla U csöves megoldások.

53 Szonda szerelése A környezeti viszonyokhoz alkalmazkodva, épületektől, növényzettől legalább 2 m- es védőtávolságot érdemes betartani. A szonda helyének és kijelölése után következik a fúrás. A megfelelő mélységű lyukakat vízzel kell feltölteni, és a szonda csövet a végsúllyal ebbe kell leereszteni. A szonda csövön nem lehet sérülés, törés. A szonda anyaga általában térhálósított polietilén cső. A szonda töltőanyag bentonit (cement és agyag őrlemény keverék, a geológiai viszonyoknak megfelelő arányú). A szonda behelyezése után következik a nyomáspróba, amit lehet a szokásos 6 bar- on végezni legalább egy óráig.

54 Előregyártott szonda elemek

55

56 Szondás kialakítás VERS GENERATEUR

57 Szonda méretezése Figyelembe kell venni: A talaj típusát Üzemórát Talaj hővezető képességét Töltő anyagot Szonda anyagát Szonda hosszát

58 Függőleges szondával kinyerhető energia Talaj minősége A talajból kinyerhető hőteljesítmény 1 m szondára vonatkoztatva tájékoztató jelleggel: Hőteljesítmény W/m 1800 óra/év üzemóra esetén Hőteljesítmény W/m 2400 óra/év üzemóra esetén Száraz, laza talaj Normál talaj Nagy vezetőképességű talaj Talaj típustól függően: Homokos, száraz < 25 <20 Homokos, nedves Homokos, kavicsos intenzív talajvíz áramlással Agyag Lősz, homokkő Sziklás (gránitos) Sziklás (bazaltos) a táblázat érvényes 30 kw- os hőszivattyúra vonatkoztatva, max kwh/m kivétel esetén, csak fűtésre használva, függőleges szondahosszak m, minimális távolság a szondák közt: 5 m m- hosszú szondák esetében, 6 m m hosszú szondák esetében dupla U csöves 60 mm átmérőjű szondák DN 20,DN25, DN32 csőből kialakítva

59 Levegős hőszivattyú

60 Helyszíni lehetőségek szerinti szerelés

61 Direkt hajtású ventilátorral, kültérben gombával, beltérben légcsatornával szerelhető Alacsony zajszint db(a) közti hangnyomás értékek Speciális, nagy hatékonyságú levegős hőcserélő

62 ANZH és HE Levegő/víz hőszivattyúk Legkedvezőbb beruházási költség Könnyű, helyszíntől független telepítés, kompakt gép Több változat, minden igényre a megfelelőt Nyáron hűt, télen fűt Alacsony zajszint (33-50 db(a)) Nagy biztonság, -15 C- ig fűt, +46 C- ig hűt Időjárásfüggő szabályzás

63 Működési határok, fűtés üzemben Pl. ANZ, NRLH hőszivattyúknál Pl. SRP hőszivattyúknál Twc előremenő víz hőmérséklet Tae külső levegő hőmérséklet Twc előremenő víz hőmérséklet Tae külső levegő hőmérséklet

64 További energiatakarékosság: Időjárás függő szabályozás Minél melegebb az időjárás, annál hidegebb a termelt víz hőmérséklete Energiatakarékos üzemmód Csökkenő előremenő hőmérséklet, növekvő COP Az előremenő víz hőmérsékletét változtatja a külső hőmérséklet függvényében A jelleggörbe meredeksége beállítható A kompenzációs hőmérséklet tartomány beállítható

65 Milyen hőmérsékletre méretezzünk? Nem indokolt a túlméretezés! December Január Február forrás:

66 Biztonság télen is? Nagyon ritkák a ténylegesen hideg napok. Alternatív fűtés: kandalló, fatüzelés, elektromos radiátor stb. Biztonságot ad a beépített, gyári elektromos fűtés. (termosztát vezérli) Napi minimum hőmérséklet előfordulási gyakorisága évente a December, Január, Február hónapokban Előfordulási napok száma/év Napi minimális hőmérséklet (C) 0

67 Teljesítmény korrekció Alacsonyabb hőmérsékleten csökken a leadott teljesítmény! Vegyük figyelembe a kedvezőtlenebb külső hőmérsékletet! Ct fűtési teljesítmény korrekciós faktor Ca felvett teljesítmény korrekciós faktor

68 Hatékonyság, nagy COP

69 Hőszivattyús üzemeltetési költség víz/víz Fűtéskor kiinduló adatok: Épület fűtési hőigénye 15 kw Éves üzemóra (pl. 6 hónap fűtési idény, napi 20 óra fűtéssel 3600 üzemóra) 1800 üzemóra/év Éves szükséges fűtési energia (telj*üzemóra) kwh Energia díjak (bruttó Ft): Nappali áramdíj (bruttó Ft/MJ) 45,77 Ft/kWh Vezérelt (éjszakai) áramdíj (bruttó Ft) 26,56 Ft/kWh Földgázdíj (bruttó 3.10 Ft/MJ)) ,675 Ft/kWh PB gázdíj 33,39 Ft/kWh Távhő díj 18,24 Ft/kWh Üzemeltetési adatok: Gázkazán Hőszivattyú Gázkazán hatásfoka 95 % Hőszivattyú COP száma (átlagos 0 C-on) 4,5 kw/kw Nappali árammal üzemeltetett részarány hőszivattyúnál 100 % Vezérelt árammal üzemeltetett részarány hőszivattyúnál 0 % Számított adatok: Éves energiafogyasztása hőszivattyúnál kwh/cop) 6000 kwh/év Éves energiafogyasztása a (kazánnál kwh/hatásfok, hőszivattyúnál kwh/cop) kwh/év Éves üzemeltetési díj hőszivattyúval Ft/év Éves üzemeltetési díj földgázzal Ft/év Éves üzemeltetési díj PB gázzal Ft/év Eredmény: Üzemeltetési megtakarítás hőszivattyúval FÖLDGÁZ Ft/év Üzemeltetési megtakarítás hőszivattyúval PB GÁZ Ft/év GEO és H tarifával az üzemeltetés % - kal még kedvezőbb!

70 25,0 Hőszivattyús üzemeltetési költség levegő/víz Leadott teljesítmény 30,0 COP Épület igénye 20, ,69 4,80 4,96 5,08 5, ,14 3,32 3,43 3,63 3,86 4,16 4 5,26 3,58 3,77 3,02 4,53 4 2,82 4,34 4, ,0 10,0 5,0 0,0

71 Hőszivattyús üzemeltetési költség levegő/víz Épület igénye -15 C-on (belső 20C) 15 kw Kazán hatásfok 0,95 % Kiváltott fűtés(gáz=1, pb=2, elektromos=3, távhő=4) 1 Éjszakai árammal üzemeltetett arány 0 % Berendezés névleges fűtési telj. 17,3 kw Berendezés névleges elektr telj felvétele 4,9 kw Eredmények: Szükséges elektromos fűtőbetét -15Con -6,70 E hőmérséklet fölött gazdaságos -13 Gazdaságos COP 2,96 Gazdaságos COP GEO tarifával (30 Ft/kWh) 1,91 E hőmérséklet fölött gazdaságos GEO tarifával -15 A költségek számításánál figyelembe vettük az épület hőigényének változását a külső hőmérséklet függvényében, a levegős hőszivattyú teljesítményének és COPértékének változását a külső hőmérséklettel, illetve az adott hőmérsékletű napok előfordulási gyakoriságát egy teljes fűtésszezonra vetítve. Hőszivattyú üzemeltetési költségek: költség nappali árammal Bruttó Ft bruttó Ft Kisegítő el. Fűtés díja: bruttó Ft Összes díj: bruttó Ft költséggeo árammal Bruttó Ft bruttó Ft Kisegítő el. Fűtés díja: bruttó Ft Összes díj: bruttó Ft Üzemeltetési költség földgázzal: bruttó Ft Üzemeltetési költség PB- vel: bruttó Ft

72 Környezetvédelem Csökkenthető a CO2 kibocsátás! CO2 kibocsátás (kg/kwh) A Gázfűtés B Elektromos energia C Olaj fűtés CO2 kibocsátás (kg/kwh) Elektromos energia termeléskor 0,414 Gázfűtéskor 0,194 Olaj fűtéskor 0,271 Hőszivattyúval 0,414/ COP (0,13-0,08)

73 További környezetvédelmi előnyök nagy hatékonyságú fűtési mód nagy megbízhatóság az ellátás terén (elektromos áram mindig van!) nincs üzemanyag szállítás (olaj, fa, pellet vagy PB gáz esetében) nem kell veszélyes anyagokat tárolni (olaj, PB gáz) nincs CO veszély nincs helyi füstölés, környezetszennyezés