Magyar geotermikus hıszivattyú-család

Átírás

1 Tanuljunk a természettıl! Irányok és módszerek az ipari ökológiában a Magyar Ipari Ökológiai Társaság szimpóziuma december 6 7. Debreceni Egyetem AGTC Gazdálkodástudományi és Vidékfejlesztési Kar Fényház F4-es terem Elıadás címe: Magyar geotermikus hıszivattyú-család Elıadás idıpontja: december 7. (szombat) 10:00 10:30 Elıadó: Komlós Ferenc komlosf@pr.hu 1

2 Mottó, elıadás tartalma GCHP (Ground Coupled Heat Pumps) GWHP (Groundwater Heat Pumps) SWHP (Surface Water Heat Pumps) Egy nagy találmány megvalósításának három fázisa van: elıször kinevetik, azután harcolnak ellene, majd pedig azt mondják, természetes, hogy ezt így kell csinálni. Heller László ( ) Forrás Korényi Zoltán, Tolnai Béla: AZ ÁRAMLÁS- ÉS HİTECHNIKA NAGYJAI. Életrajzi győjtemény (p 488). Mőegyetemi Kiadó, Budapest, A hıszivattyúzás legfontosabb ismeretei. A fejlesztés piaci igénye. A fejlesztés sarokpontjainak bemutatása kapcsolási rajzokkal, vázlatrajzokkal és diagramokkal szemléltetve. A MAGYAR TERMÉK NAGYDÍJ-jal (2012) kitüntetett Vaporline márkanevő geotermikus hıszivattyúk referenciáinak bemutatása. 2

3 A legegyszerőbb hıszivattyú vázlata és mőködése Forrás: [1] Kisnyomású oldal Nagynyomású oldal 3

4 R 407C munkaközeges egyszerő hıszivattyú nyomás entalpia [lg( lg(p) h] diagramja Forrás: [1] A diagramon* a folyadék, a gız g és s a kétfk tfázisú mezı látható; ; K: kritikus pont. *A A függf ggıleges koordináta ta-tengelyen tengelyen azért alkalmazzák k a logaritmikus léptl ptéket, mert ellenkezı esetben a kétfk tfázisú mezı izotermái i kis nyomásokon túlst lságosan összesőrősödnének. nek. 4

5 A hıszivattyúzás jellemzıi Forrás: [2] A hıszivattyú jellemzıje: az üzemeltetésére, illetve a mőködésére bevezetett villamos energiát természeti közvetlen energiaforrás felhasználásával megtöbbszörözi, napjainkban 3,0 7,0-szeresére. A XXI. század egyik leghatékonyabb mőszaki eszköze annak, hogy energiát takarítsunk meg. A különbözı főtési megoldások között a hıszivattyús technika kiemelkedı minıségi elınyei: nincs helyi károsanyag-kibocsátása, megújuló energiát hasznosít és használata az energiahatékonyság növekedését jelenti. A geotermikus hıszivattyúval való főtés és hőtés olcsóbb, mint az olaj-, gázfőtés, illetve a folyadékhőtıvel vagy az ún. légkondi -val történı hőtés és a megtérülési ideje rövid [3]. 5

6 A legegyszerőbb hıszivattyh szivattyú elvi körfolyamata: k a Carnot-féle körfolyamat és s képletek Forrás: [1] A hıszivattyú Carnot-féle körfolyamata reverzíbilis, ideális hıkörfolyamat, egy (veszteségmentesen megfordítható) elvi körfolyamat. Ezért a munkafolyamatot határoló vonalak vízszintes, illetve függıleges egyenesek: izotemikus elpárolgásból illetve kondenzációból, valamint izotropikus expanzióból és kompresszióból álló állapotváltozások. ahol: COP Carnot = T C /(T C T O ) COP: coefficient of performance angol szavak rövidítése T [K] = t [ C] A hıszivattyúra jellemzı elméleti ún. COP Carnot a kondenzátor és az elpárologtató hımérséklet-adataiból kiszámolható. 6

7 A legegyszerőbb hıszivattyh szivattyú elvi körfolyamata: k a Carnot-féle körfolyamat ábrázolása Forrás: [1] A hımérséklet entrópia diagramon a munka illetve a hı területként jelenik meg. A T s diagramon csak az állapotváltozás vonala alatti területnek van jelentısége. 7

8 Hatékonysági mutatószám : SPF [kwh/kwh] Az SPF-et a decemberi ún. EU RES megújuló energia direktíva rögzíti. Angol nyelvő rövidítésbıl származik (seasonal performance factor), magyar fordítása: szezonálisteljesítménytényezı. Dr. Büki Gergely nyomán átlagos főtési tényezınek is nevezzük. Az egy főtési szezonban a hıszivattyú által a főtési rendszerbe bevitt energiamennyiség [kwh] osztva a hıszivattyú és az ún. primeroldali szivattyú (vagy ventilátor) által felvett villamosáram-fogyasztás összegével [kwh]. Felhívom a szíves figyelmüket, hogy a megfelelı minıségő hıszivattyú, pl. a COP illetve ε f [kw/kw] hıszivattyúra jellemzı érték csak szükséges, de nem elégséges feltétel ahhoz, hogy a létesített hıszivattyús rendszer SPF illetve átlagos főtési tényezıje [kwh/kwh] értéke is elvárható értékő legyen! 8

9 Főtési tényezı (COP [kw/kw] illetve ε f [kw/kw]) mérési eredmények Forrás: [1], CH WP Test Center, Dr. Dr.h.c. Rybach László az ETH Zürich, Svájc emeritus professzora 9

10 Hıszivattyús rendszerek átlagos főtési tényezıje (SPF [kwh/kwh]) különféle hıszivattyúknál Forrás: [4], Fanninger, European Heat Pump Association Version , p.5 10

11 Az EU hıszivattyús szisztémájától eltérı magyar elméleti és gyakorlati fejlesztés jellemzıi (1) A fı probléma, amely a rendszer átlagos főtési tényezıjét az (SPF értékét) lerontja az, hogy a hıszivattyú körfolyamata instabil, ami azt jelenteti, hogy azonos talajhımérséklet és főtési hımérséklet esetén a kimenı főtési teljesítmény igen tág határok között ingadozik, és a hıszivattyúk kimenı főtési teljesítménye valamint ezzel arányosan az átlagos főtési tényezıje részterheléseknél pl. magas talajhımérséklet, alacsony főtési hımérsékletnél az átlagos főtési tényezı alig, vagy egyáltalán nem nı! A fentiek következménye, hogy a lehetséges hatékonyságot a hıszivattyúk nem közelítetik meg, és ezáltal a vártnál lényegesen nagyobb üzemköltségen dolgoznak! A fejlesztés lényege a hatékonyság, az SPF érték növelése, a CO 2 - megtakarítás maximalizálása és a főtési elıremenı hımérséklet 60 C fölé emelése volt, az energiahatékonyság megtartása mellett. 11

12 Az EU hıszivattyús szisztémájától eltérı magyar elméleti és gyakorlati fejlesztés jellemzıi (2) Ezeket a célokat egyrészt a Copeland EVI gızbefecskendezéses kompresszorokra alapozott reverzáló (váltószelepes), multifunkciós [főtı aktív hőtı használati meleg víz- (HMV-) termelı] körfolyamat kidolgozásával, szabadalmi mintaoltalom alá helyezésével érték el. Ez a körfolyamat az alapja a hıszivattyúk magas főtési hımérsékleten is megfelelı SPF értékő alkalmazásának. Lásd: ábrák, forrás [1]. 12

13 Kompresszorok fejlıdése: a dugattyús, a csavar, a kördugattyús és a Scroll-kompresszor vázlatrajzai, a Scroll-kompresszor mőködésének magyarázó ábrája és a hozzá tartozó fotó Forrás: [1] 13

14 A magyar hıszivattyú-fejlesztés elvi kapcsolása és elvi körfolyamata nyomás entalpia diagramban Forrás: Geowatt Kft. (A Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalban bejegyzett szám: U ) 14

15 Váltószelepes ún. reverzáló multifunkciós (főtı, hőtı és hmv elıállító) hıszivattyú elvi kapcsolása Forrás: Geowatt Kft. 15

16 Két kondenzátoros (multifunkciós) készülékek: GBI(x)-HDW típusok Forrás: Geowatt Kft. HMV felhasználás jellemzıje, hogy az egyidejőségek miatt viszonylag nagy teljesítményigények keletkeznek. Az ábrán lévı kapcsolással egy rossz kihasználtságú, külön hıszivattyús készülék kiváltása lehetséges. Ha ilyen kétkondenzátoros készüléket alkalmazunk az épület főtésére és HMV ellátására, akkor 1/3-al javítjuk a főtı hıszivattyúk kihasználtságát és kiváltunk több millió Ft-os beruházást, vagy egy rossz hatékonyságú hıszivattyús rendszert. 16

17 A használati meleg víz (HMV) elıállításának egyik megoldása diagramokban Forrás: [1] A hımérséklet entrópia (T s) diagramban a túlhevítés piros színnel van jelölve. A nyomás entalpia (log p h) diagramot a körfolyamat energetikai számításához használjuk. 17

18 Az EU hıszivattyús szisztémájától eltérı magyar elméleti és gyakorlati fejlesztés jellemzıi (3) Minden olyan elemet integráltak a hıszivattyús körfolyamatba, amely stabilizálja a hıszivattyú körfolyamatát, a kimenı főtési teljesítményt az egyes hıfokszinteken. Stabilizálja és a lehetı legkisebb értékre szorítja a túlhevítést, így az SPF értéket növelni képes. Ezt biztosítja az elektronikus expanziós szelep, a hőtıközeg tartály, valamint a szabályzó és monitoring rendszer. A fejlesztés a fentieken túl a hıszivattyúk felhasználásának, illetve kihasználhatóságának növelésére irányult. Így olyan multifunkciós készülékek lettek kifejlesztve, amelyek a főtési funkció mellett aktív hőtést és ún. desuperheatert is használnak (ez egy elsıdleges hıcserélı, amely a körfolyamat túlhevítési hıjét használja HMV készítésére). 18 Ezáltal a rendszer fajlagos beruházási költsége csökken.

19 Az EU hıszivattyús szisztémájától eltérı magyar elméleti és gyakorlati fejlesztés jellemzıi (4) Az importált hıszivattyús technika nem a magyarországi geotermikus adottságokra lett fejlesztve, optimalizálva, és a fejlesztéseknél értelemszerően nem vették figyelemben azt, hogy a magyarországi energiaviszonyok földgázellátottság mellett a hıszivattyúktól, az EU átlagától eltérıen, nagyobb az elvárt energiahatékonyság érték nagysága (jelentısen eltérı a különféle felhasználható energiák árarányai). Másrészrıl az import kiszolgáltatottságunk miatt a fejlett európai országok a rendszerajánlásaikon keresztül olyan technológiákat, olyan metódusokat és talán érdekeltségi rendszert terjesztettek el a tervezı mérnökök között, amely csak az import mértékét, a hıszivattyús rendszerek költségét növelik, ezek összhatása, hogy a hıszivattyús rendszerek 19 pozitív megítélését csökkentik.

20 Az EU hıszivattyús szisztémájától eltérı magyar elméleti és gyakorlati fejlesztés jellemzıi (5) Jelezzük, hogy az EU-ban forgalmazott hıszivattyúk jelentıs része csak főtési funkcióra alkalmas. A fejlesztéssel az eddigiektıl eltérı, lényegesen jobb SPF értékő rendszerek kivitelezése történt meg meglévı kazános, radiátor hıleadójú főtési berendezések hıszivattyús rendszerre történı átalakításakor is. Olyan új termék elıállítása történt, amelynek alkalmazása más megvilágításba helyezi a hıszivattyúk alkalmazhatóságát. Ezzel a fejlesztéssel most lehetıségünk lenne, hogy egy olyan technika élvonalába kerüljünk, amely technikát világszerte mind szélesebb körben alkalmaznak, és megfelelı hazai támogatással, folyamatos fejlesztéssel, jelentıs exporttevékenységet gerjeszthetnénk. 20

21 Az EU hıszivattyús szisztémájától eltérı magyar elméleti és gyakorlati fejlesztés jellemzıi (6) Magyar Termék Nagydíj -jal kitüntetett Vaporline fantázianevő hıszivattyúcsalád ünnepélyes díjátadása szeptember 4-én volt a Parlament Felsıházi Termében. A trófeát (hollóházi porcelánváza) és az oklevelet Bencsik János, az Országgyőlés Gazdasági és Informatikai bizottságának tagja az Energetikai Albizottság elnöke adta át Fodor Zoltán (Geowatt Kft.) fejlesztımérnöknek. Jelzem, hogy a Habsburg-ház uralma idején lakosságunk összefogott és kizárólag magyar termékeket vásároltak (lásd a következı oldalt: Védegylet). Napjainkban az ilyen hozzáállás lehet fejlıdésünknek egyik iránya, ha terményekre és termékekre egyaránt alkalmazzuk. 21

22 Védegylet Forrás: wikipedia.hu A Védegylet a magyarországi ipar védelmére 1844-ben létrehozott egyesület októberében az országgyőlési alsótábla üléstermében megyei (Tolna, Zala, Veszprém) elızmények után létrehozták a Védegyletet, melynek elnökévé Batthyány Kázmért, alelnökévé Teleki Lászlót választották. Az igazgató Kossuth Lajos lett. A Védegylet október 6-ai pozsonyi alakuló győlésén elfogadott alapszabálya szerint a külföldi árukat ki kell szorítani a hazai piacról, amelyet a honi ipar számára kell biztosítani. A Védegylet tagjai becsületszóra megfogadták, hogy hat évig csak magyarországi árut vásárolnak: csak magyar mesterembereknél dolgoztatnak és olyan iparcikkbıl nem vesznek külföldit, amelybıl belföldit is lehet kapni. 22

23 Referencia (1) A kiskörısi szállodába és romániai családi házakba tervezett multifunkciós hıszivattyúk a békéscsabai gyártóüzemben Fotó: Fodor Zoltán 23

24 Referencia (2) Földhı hıforrású hıszivattyúval főtött hőtött autószalonról készült fotó és a várható megtérülési idı Forrás: [5]. Fotó: Tulok András A rendszer beruházási költsége nettó listaáron: Ft. A 100 kw teljesítményő földgázkazános és 100 kw teljesítményő folyadékhőtıs hıközpont várható kiépítési költsége a kémény, gázközmő kiépítést is figyelembe véve minimum Ft. A várható megtérülési idı az éves üzemeltetésiköltség-megtakarítás alapján (a fenti ún. hagyományos főtési-hőtési megoldáshoz viszonyítva): ( )/ = 1,82 év ~22 hónap, nincs 2 év! 24

25 Referencia (3) A nagykırösi strand és termálfürdı Forrás: [6]. Fotó:Járó Attila (Spring Projekt Kft.), Fehér János (Delta-F Kft.) és Komlós Ferenc 25

26 Referencia (4) Alsótagozatos iskola és konyha, Szakályon. Földgázkazán kiváltása geotermikus hıszivattyúval Hıszivattyú radiátoros főtéshez Forrás: [7]. Fotó: Fodor Zoltán 26

27 Referencia (5) Ivóvíz hıhasznosítása (radiátoros főtés hmv) hıszivattyúval. A Zalavíz Zrt. Vastalanító épületérıl és a beépített hıszivattyúkról készült felvételek Forrás: [8,9]. Fotó: Fodor Zoltán 27

28 Referencia (6) Romániai (Szatmárnémeti) családi házról és az épület hıközponti helyiségében a hıszivattyú üzembehelyezése során (2013.) készült felvételek Fotó: Geowatt Kft. 28

29 Összefoglalás Napjainkban a geotermikus hıszivattyúzás olyan energiahatékony főtési/hőtési rendszer, amely még pályázati pénzek nélkül is elfogadható idın belül megtérül ([3, 5, 6, 7, 8, 9]), és a károsanyag-kibocsátást helyileg megszünteti, globálisan pedig jelentıs csökkenését biztosít. Jól illeszkedik az energiastratégiába, hiszen olcsón elıállítható CO 2 -kibocsátás nélkül villamos energiával és megújuló forrású villamos energiával is lehet mőködtetni, így tovább csökkentve a károsanyag-kibocsátást. Igény a települések légszennyezésének*, illetve egészségkárosító hatásának jelentıs csökkentése. A környezet terhelésének mérsékelésével javulhat az itt élı lakosság egészsége, életminısége. * A levegısszennyezés a veszélyes anyagok olyan mértékő szintemelkedése hatására jön létre, amely meghaladja a légkör természetes öntisztulási képességét. 29

30 Irodalom [1] KOMLÓS Ferenc FODOR Zoltán KAPROS Zoltán Dr. VAJDA József VASZIL Lajos: Hıszivattyús rendszerek. Heller László születésének centenáriumára. (Heat Pump Systems. To the centenary of thebirth of Laszló Heller) Komlós Ferenc Dunaharaszti, ISBN (ISBN ). [2] Komlós Ferenc: Századunk innovatív technológiája, a hıszivattyúzás. Magyar Ipari és Környezetvédelmi Magazin. XI. évf., 2012/XXI. századi ZÖLDENERGIÁK (II.) oldal. [3] Fodor Zoltán Komlós Ferenc: Érvek, adatok, számítások a hıszivattyúk alkalmazásához. Gondolatok jelenünkrıl és jövınkrıl. Mérnök Újság JÚNIUS JÚLIUS digitális változatában + PLUSZ, oldal. Fúrólyuk-hıcserélıs hıszivattyús rendszerek megtérülése. Magyar Installateur, 23. évfolyam, augusztus szeptember, 46. oldal. [4] Komlós Ferenc: Gondolataim a hıszivattyúzásról. Magyar Épületgépészet, LIX. évfolyam, július augusztus szám, oldal. [5] Kaszanitzky Csilla Komlós Ferenc: Új autószalon Fóton magyar hıszivattyúval. Építészfórum honlapon (2012. július :46). Magyar Installateur, 22. évfolyam, október, oldal. [6] Fodor Zoltán Komlós Ferenc: Termálvizes fürdı bıvítése hıszivattyúk alkalmazásával. Energiagazdálkodás, 52. évfolyam, 2011/6. szám, oldal. A nagykırösi strand energiatudatos bıvítése. Magyar Épületgépészet, LXI. évfolyam, 2012/3. szám, oldal. [7] Fodor Zoltán Komlós Ferenc: Földgázkazán kiváltása geotermikus hıszivattyúval Hıszivattyú radiátoros főtésnél. Magyar Épületgépészet, LXII. évfolyam, 2013/5. szám, oldal. [8] Fodor Zoltán Komlós Ferenc: Ivóvíz hıhasznosítása hıszivattyúval. Magyar Épületgépészet, LXII. évfolyam, 2013/7-8. szám, oldal. [9] Fodor Zoltán Komlós Ferenc dr. Balikó Sándor: Ivóvíz hıjének hasznosítása. Energiagazdálkodás, 54. évfolyam, 2013/5. szám, oldal. 30