kossági Konferencia és s Ausztriai Energiatakarékoss Sopron Wels 2008. március 6 7. Hıszivattyúk alkalmazása önkormányzati létesítményekben Elıadó: Komlós Ferenc ny. minisztériumi vezetı-fıtanácsos komlosf@pr.hu 1
Elıadásom összeállításához felhasznált alábbi könyv, ami az Építéstudományi Egyesület (ÉTE) Hıszivattyús Szakosztály vezetıségi tagjainak közvetlen tevékenysége eredményeként született: Komlós Ferenc Fodor Zoltán Kapros Zoltán Vaszil Lajos: HİSZIVATTYÚZÁS Energia Központ Kht. csináljuk jól! energiahatékonysági sorozatának 22. számú kiadványa 2
Az Új Magyarország Fejlesztési Program Környezetés Energia Operatív Programjának támogatási rendszerében szerepel a hıszivattyú rendszerek épületenergetikába integrálásának támogatása. A program kiemelten az önkormányzatok által üzemeltetett közintézmények ez irányú energia racionalizálását támogatja. Miért? Mert a földhıt hasznosító hıszivattyú világszerte elismerten energetikailag a leghatékonyabb főtésihőtési technológia, az energiatakarékosság és szén-dioxid-kibocsátás csökkentésének kulcseleme. 3
ági Konferencia és Ausztriai Energiatakaré Az elızetes megvalósíthatósági tanulmány(ok) alapján a képviselıtestületnek két fı dologban kell döntenie (1) 1) A beruházás megvalósításáról, vagy elvetésérıl. 2) A betervezendı hıszivattyús rendszerrıl. Költségmentes, vagy minimális költségő elızetes tanulmányról beszélek, amely nem helyettesítheti az auditon alapuló részletes megvalósíthatósági tanulmányt és tervezést, amely egy nagyléptékő beruházásnál már érzékelhetı költségvonzattal jár. Ezen költségvalószínősíthetı hasznosságáról azonban elızetesen a testületet meg kell gyızni. A hıszivattyús rendszer döntési mechanizmusa ellentétes a gázkazános rendszereknél megszokott pályáztatási rendszerrel, amikor egy független tervezı cég elkészíti a kiviteli terveket, és a kivitelezés alkalmával a fıvállalkozó, vagy önkormányzat megpályáztatja a készüléket, és a kedvezıbb árút (az olcsóbbat) minden mőszaki probléma nélkül be lehet építeni a tervezett helyébe. 4
ági Konferencia és Ausztriai Energiatakaré Az elızetes megvalósíthatósági tanulmány(ok) alapján a képviselıtestületnek két fı dologban kell döntenie (2) A nagy COPéves értékő rendszerek megvalósítása érdekében az önkormányzatnak már ebben a fázisban dönteni, pályáztatni szükséges, és a pályázati kiválasztást követı döntés alapján a hıszivattyús rendszerre tervezési megbízást kell kiadni! Ez a szempont azért nagyon lényeges, mert minden hıszivattyús készüléknek adott elpárolgási és kondenzációs hımérsékleten más és más paramétere, szabályozási tulajdonsága, tömegáram-szükséglete van, és ez a legjobb COPéves érték elérése érdekében sajátos tervezési és kivitelezési módszert tesz szükségessé. E sajátosságokat csak azok a forgalmazók ismerhetik meg, és dolgozhatják ki a saját mőszaki irányelveiket a gyártók segítségével, akik mőszakilag is felkészültek ezen az összetett, tudományos ismereteket is igénylı szakterületen. Ezeket az adott körülményekre kifejlesztett hıszivattyús rendszerekre vonatkozó ismereteket késıbb azután a külsı tervezıkkel és kivitelezıkkel meg tudják osztani. 5
Az energia megtakarításának több lehetısége van, jellemzıen: 1) Végenergia-csökkentés[1] (pl. födém, padló és homlokzat hıszigetelése, nyílászáró cseréje), 2) Hatásfokjavítás (pl. régi, elavult kazán cseréje), 3) Kapcsolt energiatermelés (villany és hı egyidejő termelése), 4) Megújuló energiák hasznosítása (pl. hıszivattyúval). Jelzem, hogy a Heller László terv, egy munkahelyteremtı kezdeményezés címő országos javaslat a 2), 3) és a 4) pontot foglalja magában. [1] Nemcsak hıveszteség-csökkentésrıl van szó, hanem a végenergiafelhasználás csökkentésérıl, ami egy energiastatisztikai kategória. Ebbe beletartozik a kisebb villamos fogyasztású berendezések alkalmazása, a kisebb fogyasztású gépkocsik használata stb. (Forrás: Büki Gergely: Kapcsolt energiatermelés. Mőegyetemi Kiadó, 2007.) 6
Hıszivattyú Olyan berendezés, amely egy tér adott hımérsékletén hıt vesz fel és megnövelve azt egy másik térben nagyobb hımérsékleten adja le. Amikor a hıszivattyú hıt termel (pl. helyiségfőtésre vagy vízmelegítésre) főtı üzemmódban, amikor hıt von el (pl. helyiséghőtésre), akkor pedig hőtı üzemmódban üzemel. 7
Hıszivattyús rendszer Hıszivattyús rendszeren a bevezetett energiát, a kompresszor energiaellátását és a hıforráshoz kapcsolódó berendezéseket (elpárologtatóoldal), valamint a hı hasznosításához kapcsolódó berendezéseket (kondenzátoroldal) együttesen értjük. Hıforrás (megújuló energia és/vagy hulladékhı) Hıszivattyú (hıelvonás és hıleadás) Hasznos energia (pl. főtés, hőtés, használati meleg víz) Bevezetett energia (pl. villamos áram, biogáz, biodízel, bioetanol) 8
Hıszivattyús rendszerek jellemzı üzemmódjai 9
Levegı/víz (A/W) hıszivattyú üzemmód váltása a bivalens pontnál ( alternatív-bivalens üzemmód) Forrás: DAIKIN cég 10
Új épületek esetén (1) Az intézményi épületek sajátossága a lakóépületekkel szemben, hogy nappali mőszakban a helyiségek teljesen kihasználtak, az elıírt hımérsékleteket tartani szükséges, tehát a beépített csúcsteljesítményre a rendszer érzékenyebb. Az új hıtechnikai elıírások megkönnyítik a hıszivattyús beruházásokhoz szükséges elızetes tanulmány elkészítését, mert az építészeti tervezéssel összhangban kell elkészíteni az épület energiatanúsítását [lásd: az épületek energetikai jellemzıinek meghatározásáról szóló 7/2006. (V. 24.) TNM rendelet]. A tervek nemcsak a főtési-hőtési csúcsteljesítmény-igényt tartalmazzák, hanem az éves főtési/hőtési/hmv energiafelhasználást is, így a hıszivattyús hıközpont tervezıjének ezek a kiindulási adatok a rendelkezésére állnak. 11
Új épületek esetén (2) Az éves főtési/hőtési/hmv (kwh) energiaszükséglet ismerete megkönnyíti a földhıs hıszivattyús rendszerek tervezését, például a szükséges földhıszondák számának elızetes meghatározását. Új építéső intézményi épületeknél meg kell vizsgálni a sugárzó fal- és mennyezetfőtések beépíthetıségének lehetıségét, hiszen ezzel a módszerrel oldható meg leggazdaságosabban a főtés és a hőtés. El kell döntenünk, monovalens, vagy bivalens főtési rendszert választunk. A magyarországi földhıs viszonyokat elemezve, tapasztalataink alapján környezeti hımérsékleti adataink, a beruházási költségek és az energiamegtakarítások nagyságát a fosszilis alapú tüzelési rendszerekkel összehasonlítva kijelenthetjük, monovalens hıszivattyús rendszerek gazdaságosan és üzembiztosan kialakíthatóak hazánkban is. 12
Új épületek esetén (3) A monovalens rendszerek felhasználhatósága azonban korlátozott. A monovalencia korlátait mutatja, hogy a 15 C külsı léghımérsékletre méretezett hıszivattyús rendszerek ennél alacsonyabb külsı léghımérsékletek esetén csak komfortcsökkenéssel képesek ellátni feladatukat. Ezért monovalens hıszivattyús rendszerek esetében az esetlegesen elıforduló rövid, de szélsıséges idıjárási körülményekre, áramszünetekre stb. tekintettel a rendszerbe legalább 10% tartalékot célszerő beépíteni, hogy váratlan és jelentıs hıkomfortcsökkenés ne fordulhasson elı. Ez lehet villamos és/vagy fosszilis alapú rásegítés is. A 10%-os hıszivattyús túltervezés ami költségtöbblet tapasztalataink alapján csak akkor ésszerő megoldás, ha a rásegítés megoldása valamilyen oknál fogva nem kivitelezhetı.[1] 13
Új épületek esetén (4) [1] A bivalencia pontot minden adott beruházásnál elemezni szükséges! Csúcsidıszakokat többéves átlag külsı hımérsékleti adatok alapján számolnak a tervezésnél, s így az átlagtól eltérı anomáliák miatt a rendszert alultervezni nem szabad. A puffertárolót 5 10 perces tárolásokra alkalmazva a kompresszor stabilan mőködtethetı. Nagyobb rendszereknél a legtöbb esetben a csúcsidı lefaragását, s ezzel beépített teljesítmény csökkentését eredményezı vizes tárolók beépítése költséges, helyigényes, és több veszteséggel, mint a haszonnal járna. 14
Meglévı intézményi, önkormányzati épületek (1) A meglévı intézményi épületek sajátossága az általánosan elterjedt melegvízüzemő főtırendszer földgáztüzeléses kazánnal (kazánokkal). A hıszivattyús hıközpont maximális teljesítményét ebben az esetben a beruházási költségek csökkentése érdekében a gyakorlati tapasztalatok alapján 0 20% között célszerő alátervezni, és az esetlegesen szükséges 10 30% csúcsteljesítmény-hiányt a legjobb egy kondenzációs gázkazánnal kiegészíteni. A kiegészítı főtés százalékos értékét minden esetben az adott rendszert tervezı mérnöknek kell eldönteni, illetve javasolni. Vizsgálni kell a beruházási költségeket, a várható energiamegtakarításokat és a helyi pénzügyi lehetıségeket, de célszerő figyelembe venni az elıre látható energiaár-változásokat is. 15
Meglévı intézményi, önkormányzati épületek (2) Ebben az esetben is szükség van a helyszín ismeretében elemzésre a hınyerési mód meghatározásához. Elképzelhetıek olyan körülmények, hogy a nyitott kutas rendszer objektív okok (pl. vízhiány) miatt nem valósítható meg, és helyszőke miatt nincs elég hely a függıleges zárt földhıszondák kiépítéséhez a szükséges főtési teljesítményszükséglet 80 100%-os kielégítésére. Ilyen esetben a tervezınek meg kell határozni a gazdaságosan megvalósítható hınyerési lehetıséget, és azt, hogy ezzel egy bivalens (földhıs hıszivattyú + földgáztüzeléses) rendszert energiamegtakarítási és környezeti hatásokat vizsgálva érdemes-e kialakítani. 16
Távhıellátás kapcsolási vázlata termelı és visszasajtoló kúttal hıszivattyúval, valamint csúcskazánnal Forrás: Dr. Kontra Jenı: Hévízhasznosítás. Mőegyetemi Kiadó, 2004 17
Idıjáráskövetı (tkülsı) szabályozással a padló hımérséklete (tp) a lehetı legalacsonyabban tartható Forrás: DAIKIN cég 18
Földhı hasznosítása zárt hurkos, földhıszondás csövezéssel Forrás: EGOWATT Kft. 19
Két szondacsı párhuzamos hurokba kötve a bentonitos kitöltéssel [1] Forrás: GEOWATT Kft. [1] A kép a tömedékelést is szemlélteti, melynek elmaradása, vagy a megfelelı tömörségő és az adott helyhez illeszkedı jó hıvezetı képességő anyag hiánya súlyos károkat okozhat. A különbözı talajokhoz más-más tömedékelési mód tartozik. 20
Zárt hurkos, földhıszondás hıszivattyús rendszerek tervezési módszerei (1) A tervezés lényeges sajátossága, hogy a tervezés alapja a talajból kivett éves hımennyiség (kwh) szolgál, és nem csupán a gázkazános rendszereknél megszokott csúcsteljesítmény szükségletet (kw) kell meghatározni. A tervezési eltérés azzal magyarázható, hogy a talajban a hı teljes visszapótlása viszonylag lassú folyamat, heteket, hónapokat vesz igénybe. Az adott típusú földhıs hıszivattyúhoz szükséges földszondák hosszának megállapítása, a hidraulikai paraméterek kiszámítása a főtés és hőtéstechnikai ismereteken túl geológiai ismereteket is feltételez, valamint olyan számítási módszert, amely tapasztalatokon, kísérleteken alapul. 21
Zárt hurkos, földhıszondás hıszivattyús rendszerek tervezési módszerei (2) A szoftveres tervezés figyelembe veszi: A talajból kivett éves hımennyiség (kwh) nagyságát A geotermikus gradiens helyi értékét A talaj átlagos hıvezetési tényezıjét A földhıszonda rendszer paramétereit (csıminıség, méret, furatátmérı, távtartók, földhıszonda távolság, tömedékelés, mélység) A tervezett COPéves értéket Az átlagos külsı hımérsékleti viszonyokat Az alkalmazott hıszivattyú paramétereit A szoftveres tervezés lehetıvé teszi, hogy a zárt földhıszondás rendszereket biztonsággal tervezni lehessen, a tervezési határok Között ne forduljon elı a talaj túlhőlése és a rendszer leállása. 22
Nyitott rendszerő vízkútpáros hıszivattyús főtésre/hőtésre Forrás: GEOWATT Kft. 23
Kutas hıszivattyús rendszerek tervezési módszere A kutas rendszerek tervezési szempontból lényegesen kevesebb problémát vetnek fel. A kút feljövıvíz-hımérsékletének, -tömegáramának és a tervezett hıszivattyú paramétereinek figyelembevételével könnyedén kiválasztható az a hıszivattyú, amelyet a meglevı kút ki tud szolgálni. A kiválasztott gép paramétereinek ismeretében a kimenı csúcsteljesítmény meghatározható. Ebben az esetben az éves kwh mennyiségek alakulása nem befolyásolja a COPéves alakulását. A COPéves érték alakulását ebben az esetben elsısorban a főtési hımérséklet befolyásolja. Ezért ebben az esetben is gondot kell fordítani a belsı hıleadó rendszer pontos hıtechnikai és hidraulikai méretezésére, hogy a hıleadó rendszer illeszkedjen az alkalmazott hıszivattyú optimális főtési hımérsékletéhez. Figyelembe kell venni tervezéskor a vízhozam változásának kockázatát is. 24
A zárt földhıszondás rendszer elınyei Élettartama minimum 50 év, karbantartási költség nincs, gyakorlatilag bárhol megvalósítható, ahol 50 100 m mélységő fúrásokra engedélyt ad az illetékes Bányakapitányság. Helyigénye új épületeknél gyakorlatilag nincs, hiszen ebben az esetben a fúrások illetve a függıleges földhıszondák telepítése az épület alatt is kivitelezhetı. A Kárpát-medence geológiai sajátosságai miatt energetikai szempontból precíz tervezés mellett a ma használatos földhıs hıszivattyúkkal főtési üzemmódban COPéves = 4,0 4,5 érhetı el, hőtési üzemmódban COPéves = 5,5 7,5 amelyben már szerepel a primeroldali keringtetı szivattyú teljesítményszükséglete is. A keringtetı szivattyú teljesítményigényét lehetıleg minél kisebbre szükséges megválasztani, ezért a gerincvezetéket az ún. Tichelmann-elv alapján célszerő megvalósítani, valamint ügyelni kell a megfelelı csıátmérıkre, és csatlakozásoknál a minimális ellenállásokra. Hátrányai a nyitott rendszerrel szemben, hogy tervezése nagyobb hozzáértést, tervezıi tapasztalatot igényel, a kivitelezése eszközigényes, beruházási költsége pedig ezek miatt nagyobb. 25
Villamos hıszivattyú alkalmazásának környezetvédelmi, energetikai és gazdasági indokoltsági tartománya EHSZ - Fajlagos CO2 kibocsátás [kgco2 / kwh] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,573 COPkrit,1 = 2,18 COPkrit,2 = 3,44 EHSZ = 0,573 / COP 0,287 0,191 COPkrit 3 0,143 0,115 0,096 1 2 3 4 5 6 7 COPéves - tényezı értéke Villamos főtés: 0,573 kg/kwh Gazdaságilag elınyös hıszivattyú Hagyományos földgáz-tüzelés: 0,26 kg/kwh Energetikailag elınyös hıszivattyú Környezetvédelmileg elınyös hıszivattyú 0,082 26
Az ATIKÖFE Szegedi irodaháza hıszivattyús rendszere Forrás: GEOWATT Kft. A főtési és hőtési igényt 18 db 100 m mélységő, kétcsöves, zárt hurkos földhıszondával oldotta meg a tervezı-kivitelezı cég. A meglévı radiátoros főtési rendszerő irodaépülethez új szárny épült. Az új szárny fan-coil rendszerrel lett tervezve, a meglévı szárny pedig fan-coil rendszerre lett átalakítva. Főtési hıszükséglet: 160 kw Aktív hőtési igény: 130 kw A beépített hıszivattyúk: "NORDIC" Wec-250-HACW (főtı/aktív hőtı/hmv) 2 db A belsı főtési rendszer fan-coil-os, amely 35/24 C-on három éve üzemel a beruházó megelégedésére. 27
Egy mottóval zárom elıadásomat: Minden kérdést, amit meg lehet kérdezni, meg is kell kérdezni. Erdıs Pál (1913 1996) 28