Az elz részben említetteknek megfelelen a következkben, mint olyan mérnök aki több mint 10 éve alkalmazza az Oklahoma State University Dvision Of Engineering Technology által kidolgozott méretezési szisztémát,amely valójában az IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association) méretezési metódusa,- igyekszem e cikk keretében bemutatni Önöknek olyan mélységig, hogy felkeltsem a téma iránt érdekld, s a méretezési szisztémát nem használó,tisztelt Mérnök Kollégák érdekldését. Ezt az alábbi okokból tartom idszernek és fontosnak: Magyarországon érezheten szakmai berkekben is nagy ellentábora van a geotermikus hszivattyús rendszerek alkalmazásának. Évek óta jelents elmozdulás nem tapasztalható a rendszerek alkalmazásában, holott a legtöbb európai országban e rendszerek alkalmazásában jelents felfutás tapasztalható. Egy olyan ftési-htési és HMV rendszert mellzünk, amely nagyrészt megújuló energiát földht,- hasznosít, olyan ár/érték arányban amelyet bizonyíthatóan,egyik alternatív, megújuló energiát hasznosító rendszer sem tud produkálni. Olyan technikát és technológiát mellzünk,amelyet a leghatékonyabb módon,a legnagyobb komfortfokozatot biztosítva lehet alkalmazni nem csak új,hanem meglév épületek gázkazános ftési rendszereinek kiváltására, s amelyek megoldást biztosítanak a jelenlegi gázárak mellett az intézmények,lakóépületek ftési-htési és HMV költségeinek 50-60%-os mérték csökkentésére. Olyan rendszert mellzünk, amely jól illeszthet az energia stratégiába,hiszen a hszivattyúk hajtásához szükséges /káros / elektromos energia a decentralizált energiaellátás bvülésével,a technikai fejldéssel nagyrészt megújuló energiával kiválható. A véleményem szerint a mellzés egyik oka lehet, hogy mi a rendszert tervez, kivitelez szakemberek nem használtuk ki kellképpen a rendszerben rejl lehetségeket, az energia hatékonyságra, az ár /érték arány alakulására nem fordítottunk kell figyelmet, okot és lehetséget adtunk a rendszerrel nem szimpatizálóknak, hogy a negatív tapasztalatokat általánosítsák. A lehetségek kihasználásának egyik módja, ha a rendszert tervezk, kivitelezk alapjaiban megismerik a hszivattyús technika és technológia tervezésének elméletét, s nem követik el azokat az alapvet hibákat,amelyekkel sajnos igen srn találkozhatunk, s amelyek alapjaiban megkérdjelezik a hszivattyús rendszerek energiahatékonyságát,ár-érték arányát. Tapasztalatom szerint a mérnök kollégák egy részének nincs elméleti rálátása, megalapozottsága,a horizontális és vertikális szondarendszerek méretezésének elméletére,amely a rendszerek energiahatékonyságát,ár/érték arányát,üzembiztonságát, jelentsen befolyásolhatja. Ez egyértelmen a magyar nyelv szakirodalom és oktatás hiányából ered. A mérnök kollégák abból dolgoznak amit kézhez kapnak, s amennyiben az egy egyszersített, bizonyos feltételek között mköd, ökölszabályokon alapuló méretezési metódus, akkor természetes, hogy az általuk elfogadott. Az egyszersített
tervezési metódus alkalmazása bizonyos határok között és feltételek mellett elfogadható, de amennyiben a tervez nincs tisztában az elméleti alapokkal, akkor fleg a határokon kívüli esetekben komoly tervezési hiányosságok keletkezhetnek. Remélem, hogy az alábbiak felkeltik a mérnök kollégák érdekldését és hozzájárul ahhoz hogy magas SCOP érték és kedvez ár/érték arányú geotermikus hszivattyús rendszerek tervezdjenek. A HORIZONTÁLIS ÉS VERTIKÁLIS ZÁRT KOLLEKTOROS ÉS SZONDÁS RENDSZEREK MÉRETEZÉSÉNEK ELMÉLETI ALAPJA A szondarendszer méretezésének alapja az adott körülmények közötti,szükséges szondahosszúság meghatározása, amely lehetvé teszi egyéb, számunkra szükséges paraméter, SPF(SCOP) várható értékének meghatározását, s mint elz cikkemben írtam a Hosszútávú Termikus Hatás elemzés elvégzését is. HORIZONTÁLIS FÖLDH KOLLEKTOR HOSSZÁNAK MEGHATÁROZÁSA FTÉSI ÜZEMMÓDBAN: L H (m)= A KÉPLETBEN SZEREPL ADATOK MEGHATÁROZÁSA AZ ÉPÜLET SZÁMÍTOTT HVESZTESÉGE / KW/ A szondatervezéshez elsként az épület lehetség szerint pontos hveszteség számítását kell elvégezni,az adott területre a szabványban meghatározott legalacsonyabb küls léghmérsékleti hfokszintre. A pontos számítás a rendszer ár/érték arányát tekintve nagy jelentség, hiszen a hszivattyús rendszereket túltervezni célszertlen, költséges, ami a rendszerek megítélését ersen rontja! A Hszivattyús rendszereknél emiatt optimális megoldás a monoenergetikus üzemmód A hszivattyúra számítandó kisebb beruházási költségek miatt, a monoenergetikus üzemmód a monovalens mködés hszivattyúval szemben jelent gazdaságossági elnyt. Általános rendszerkonfiguráció esetén a hszivattyú ftteljesítményét az épület maximális hszükségletének kb. 70 85%-ára (az EN 12831 szabvány szerint) célszer méretezni. Ebben az esetben a hszivattyú éves ftési fedezeti aránya kb. 95 98 %. A kiegészít ftést célszer egy puffertartályba épített elektromos ftbetéttel megoldani, amelyet automatikusan a hszivattyú szabályzója indít szükség esetén.
1,ábra A hszivattyú fedezeti aránya (%) az éves ftési órák %-ában (csak ft üzem) szabványos lakóépület esetén a hszivattyú monoenergetikus üzemben nyújtott ftteljesítményének függvényében. ALKALMAZOTT KOLLEKTOR/SZONDA HVEZETÉSI ELLENÁLLÁSA Horizontális egycsöves rendszerek esetén a számítása: R p =! " (mk/w)! D 0 =Cs küls átmérje(mm) D 1 = Cs belsátmérje(mm) k p = A cs hvezet képessége(w/mk) Horizontális kétcsöves rendszerek esetén a számítása: R p =! "# (mk/w)! "#! "! D 0e =(N)1/2xD 0 N= cshurkok száma A KOLLEKTOROKAT ÉS SZONDÁKAT KÖRÜLVEV TALAJMEZ HVEZETÉSI ELLENÁLLÁSA Rs= $ % (mk/w) S b = konfigurációtól függ tényez. amelyet manuális számítás esetén táblázatokból és diagramokból lehet meghatározni. 1 A talaj minimum (T L ), valamint a tervezett minimális (T min ) folyadék hmérsék-let különbségének meghatározása ftési üzemmódban T HD =T L -T min (K) & '() =ELT= A tervezett legalacsonyabb hszivattyúba bemen folyadék hmérséklete.(k). Ezt a hmérsékletet a szondatervezést végz mérnök adja meg,az évi SPF érték,valamint a szükséges furatszámok figyelembe vételével. -A * +,- (ELT) hmérséklethez tartozó ftési COP H értéket a tervezett hszivattyú teljesítmény táblázatából lehet kiválasztani,a legnagyobb terheléshez tartozó ftési elremen hmérséklet ismeretében. Példa. Amennyiben a legnagyobb terhelésnél/legalacsonyabb tervezett küls léghmérséklet/ a hszivattyú elpárologtatójába bemen folyadék hmérsékletét 5 0 C-ban határozzuk meg, s ekkor a ftési hleadók mködtetéséhez 50 0 C-os ftési elremen szükséges,akkor az 1.táblázat kijelölt sorában lév paraméterek az irányadók. Jelen példában a T min =5 0 C értékhez tartozó érték: COP H =3,6. Vaporline GBI18-HACW Ftési üzemmód (50 0 C Ftési hm. ) Propilénglikol víz Groutng for Vertical Geothermal Heat Pump Systems Engineering Design and Field Procedures Manual IGSHPA Oklahoma State University Figure 2-4;Table 2-5
23/0% Föld oldali adatok Készülék adatai Ftés oldali adatok EL Töme LLT t Elpár Elektr A Fté CO EW Töm LWT T g- / 0 C/ / olg..telj. mp si P T egáram Ftés 0 C/ /l/min /kw/ kw/ /A/ /kw/ Fté /l/mi elre / 0 C/ / áram C/ Telj. Igény/. telj. / 0 C/ / s vissz n/ 10, 0 58,0 5,4 4,6 17,2 5,6 11, 1 t / 0 C/ a 22,5 4,0 44,4 58,0 50,0 5,6 7,2 58,0 3,0 4,2 15,9 5,6 11, 1 5,0 58,0 1,0 4,0 15,0 5,6 11, 1 21,2 3,8 41,7 58,0 50,0 5,3 20,2 3,6 45,0 58,0 50,0 5,0 1.táblázat A talaj minimum hmérsékletének meghatározása ftési üzemmódban ( T L ), (XS) mélységben. T L =T M -A s xexp{-x s (./0 )1/2 } T M = A talaj átlagos hmérséklete a tervezett kollektor mélységben (2.ábra) A S = Éves felszíni talajhmérséklet ingadozás (K) X S = A kollektor/szonda telepítés mélysége (m) α= A talaj termál diffúziója,(m 2 /nap) A fenti szükséges hmérsékleti és geológiai adatok az adott földrajzi területekre jellemzek, melyekhez geológiai táblázatokból hozzá lehet jutni, s így az adott projektre jellemz T L (K) érték számítható, s a fentiek alapján a T HD =T L -T min (K) érték meghatározható. 2.ábra Talaj hmérséklet
A hszivattyú futási százalékának meghatározása (F H ) Számítása. F H= 12(345(2166758'945'1.: Az alábbi (2.táblázat) alapján nyomon követhet a futási százalék meghatározásának menete. A táblázat adatai tájékoztató jellegek, tervezésre nem alkalmasak. A léghmérsékleti adatok és elfordulási órák száma a meteorológiai szolgálattól beszerezhetk. A futási százalék számítása (F H ) A tervezési hónap: Január Hely : Budapest Az épület ftési teljesítmény igénye: 16 kw (-15 0 C) A beépített hszivattyú kapacitása(5 0 C/50 0 C) 14,5 kw Léghmérsékleti hfoklépcsk / 0 C/ Hmérséklet / 0 C/ Elfordulási órák száma Az épület ftési telj. igénye /kw/ Hszivattyú futási óraszáma 13/15 14, 64 0,8 3,6 10/12 11 79 2,2 11,9 7/9 6 102 3,6 25,3 8/6 3,0 160 4,9 54,0 0/5 0 324 7,6 169,8-1/4 -.3 236 9,0 146,5-5/-2-5 81 10,4 58,0-9/-6-8 61 11,7 49,2-12/-10-11 32 14,5 32,0-15/-13-14 5 15,8 5,4-17/-14-16,5 2 17,2 2,4 558 F H = 558/24x31=0,75 2.táblázat HORIZONTÁLIS FÖLDH KOLLEKTOR HOSSZÁNAK MEGHATÁROZÁSA HTÉSI ÜZEMMÓDBAN Lc(m)= ;< ;= ; > ;?@ Q c = az épület számított nyári hterhelése /kw/ COP c = a kiválasztott hszivattyú T max értékhez tartozó COP értréke R p,; R s = a ftési üzemmódban számítottak szerint F c = A hszivattyú futási százaléka htési üzemmódban. Meghatározása a ftési üzemmódban vázolt metódusnak megfelelen történhet. T max = A= folyadék /föld oldal/ maximális hmérséklete htési üzemmódban. A szondarendszer tervezje határozza meg. T H =a talaj évi maximum hmérséklete a kollektorok mélységében T H =TM+As xexp{-x s (./0 )1/2 }
A VERTIKÁLIS SZONDÁK MÉRETEZÉSE. A vertikális szondák méretezése alapjaiban nem különbözik a horizontális szondák méretezésétl. A különbség: T L =T H =T M Ez azt jelenti, hogy a talaj hmérsékletnél az adott terület geotermikus gradiensébl következ átlagos talaj hmérsékletet kell figyelembe venni,a ftésnél és htésnél egyaránt. A másik különbség a kollektorokat és szondákat körülvev talajmez hvezetési ellenállásának számításában van. A szondákban a tömedékeléshez szükséges különféle tömedékel anyagok,a furat átmérk,a szondák elhelyezése,befolyásolják a szondát közvetlenül körülvev réteg hvezetési ellenállását,amelyet a számításnál figyelembe kell venni. R g = A B C (mk/w) $ % B k g =a tömedékel anyag hvezetési ellenállása (W/mK) Az elzekben a zárt szondás rendszerek méretezésének metódusát követhettük nyomon,hiszen a részletek, a sok szükséges táblázat, diagram, amely a fleg a hvezetési ellenállások,talajhmérsékletek, meghatározásához szükségesek könyv terjedelmek, így egy cikk kereteit, lehetségeit bven meghaladják. A fentiek megértése és ismerete azonban elégséges lehet ahhoz, hogy erre az elméleti metódusra épül szondatervez szoftverek alkalmazását elsajátítsuk és sikeresen alkalmazzuk. A fenti kollektor és szonda tervezési metódus alapján egyértelm,hogy zárt szondás rendszerek tervezését a hszivattyú típus megválasztása nélkül nem lehet megfelel szinten elvégezni. Hangsúlyozottan igaz ez amennyiben a szondatervezés a várható évi SPF(SCOP) érték számítását is elvégzi. Ehhez ugyanis a tervezett ftési hfokszintek között általában 3 ftési elremen hfokszintre kell megadni a kiválasztott hszivattyú paramétereit, köztük a pillanatnyi COP értékeket. Lehet mondani, hogy ahány hszivattyú ez annyi értéket képvisel. A fentiek alapján az is egyértelm,hogy különböz hszivattyú típusokhoz ugyanolyan évi SPF(SCOP) érték eléréséhez,ugyanazon geológiai viszonyok között nem egyforma szondahossz,illetve szondaszám szükséges. A méretezési metódus alapján az is látható,hogy a szondákat nem kw értékre,hanem kwh terhelésre méretezzük,hiszen a képlet számlálójában a F H, a hszivattyúk futási százaléka is szerepel. A küls hmérsékleti viszonyok, a ftési-htési órák számának ismerete nélkül az F h érték nem határozható meg. Végezetül meg kell jegyeznem,hogy a szondatervezés láthatóan részben épületgépészeti (Q H; F H; COP érték meghatározás),másrészt geológiai ismereteket kíván meg. Mindenesetre ezt a tervezést,az els cikkben írt Hosszútávú Termikus hatás Elemzés -el egyetemben a hszivattyús rendszer tervezje nem ruházhatja át a szondatelepítést végz szakemberre,hiszen ez a számítás lehet az alapja az elkészített hszivattyús rendszer tervének.
A cikk következ részében egy gyakorlati példa, egy szondatervez szoftveren keresztül kerül bemutatásra,amely remélhetleg értelmezhetbbé teszi a számítási metódust,és hozzájárul a szélesebb kör alkalmazásához. FODOR ZOLTÁN