Buday Tamás, Dr. Fazekas István, Dr. Szabó György, Paládi Mónika, Dr. Szabó Szilárd, Dr. Szabó Gergely, Dr. Kerényi Attila Buday Tamás Debreceni Egyetem, Ásvány- és Földtani Tanszék, Debrecen E-mail: buday.tamas@science.unideb.hu Dr. Fazekas István Debreceni Egyetem, Tájvédelmi és Környezetföldrajzi Tanszék, Debrecen E-mail: ifazekasklte@gmail.com Dr. Szabó György Debreceni Egyetem, Tájvédelmi és Környezetföldrajzi Tanszék, Debrecen E-mail: szabo.gyorgy@science.unideb.hu Paládi Mónika Debreceni Egyetem, Tájvédelmi és Környezetföldrajzi Tanszék, Debrecen E-mail: paladimonika@gmail.com Dr. Szabó Szilárd Debreceni Egyetem, Természetföldrajzi és Geoinformatikai Tanszék, Debrecen E-mail: szabo.szilard@science.unideb.hu Dr. Szabó Gergely Debreceni Egyetem, Természetföldrajzi és Geoinformatikai Tanszék, Debrecen E-mail: szabo.gergely@science.unideb.hu Dr. Kerényi Attila Debreceni Egyetem, Tájvédelmi és Környezetföldrajzi Tanszék, Debrecen E-mail: kerenyi.attila@science.unideb.hu A talajhőt primeroldali forrásként használó hőszivattyús rendszerek környezeti hatásainak csökkentési lehetőségei Abstract Using of ground coupled heat pump systems is beneficial due to their low operation costs and low environmental impacts. However, a poorly planned system may cause overcooling around the underground heat exchangers or overproduction of the aquifer therefore the benefits may be eliminated. Environmental impacts of existing systems would be decreased by the appropriate operation, heat storage during summer, as well as using bivalent systems with biogas or solid biomass burning. 1. Bevezetés Az energiafelhasználás növekedéséből következő problémákra adható megoldások közül az energiaigény csökkentésén túl a legfontosabb a termelés hatékonyságának növelése és a megújulók nagyobb arányú felhasználása. Ezek mellett igényként jelentkezik az energiaátalakítás decentralizálása, a hálózatoktól történő részleges függetlenedés, mely gazdaságilag és üzembiztonság szempontjából is kedvező lehet. Nem tekinthetünk el azonban attól, hogy a nem megfelelő kiépítés és üzemeltetés esetén a megújulók használatának jelentős környezeti hatásai lehetnek. Kutatásunkhoz a geotermikus energiahasznosítás legdinamikusabban növekvő ágát, a talajhőt primeroldali forrásként használó hőszivattyús rendszereket választva bemutatjuk az üzemelés közben fellépő környezeti hatásokat, a hatások csökkentéséhez szükséges technológiai és tervezési-üzemeltetési szempontokat, valamint a biomassza-geotermikus energia közös hasznosításának egyes elvi és gyakorlati kérdéseit. 2. A hőszivattyús rendszerek általános jellemzése 2.1. Hőszivattyúk típusai és általános működésük A hőszivattyús rendszerek segítségével a környezeti energia az alacsonyabb hőmérsékletű helyről a magasabb hőmérsékletű felhasználási helyre jut, amihez energia-befektetés szükséges (OCHSNER, K. 2008, KOMLÓS F. et al. 2008). A hőszivattyúk legjelentősebb csoportját a kompresszoros hőszivattyúk alkotják.
A kompresszoros hőszivattyúkban a környezeti hő elpárologtatja a munkaközeget, melyet külső energia befektetésével a kompresszor összenyom, így hőmérséklete a szekunder oldali hőmérsékletnél nagyobb lesz. A munkaközeg ezután hőcserélőn keresztül leadja a szekunder oldali körnek az energiát és egy expanziós szelepen át tér vissza a kis nyomású, kis hőmérsékletű oldalra, ahol a környezeti hőt felvéve záródik a körfolyamat. A külső energiaigényt általában elektromos árammal fedezik. Műszakilag az is megoldható, hogy a kompresszió energiája gázmotorból vagy más belső égésű motorból származzon. Léteznek más elven működő (pl. szorpciós, Vuilleumier) hőszivattyúk, melyekben a szükséges energia nagy vagy teljes részét gázégők biztosítják. E típusok kísérleti fázisban vannak vagy jelenleg nem érhetők el tetszőleges teljesítménytartományban, ugyanakkor piaci megjelenésük után komoly vetélytársai lesznek a kompresszoros hőszivattyúknak. A hőszivattyúk esetében a működés hatékonyságát fűtési üzemmódban COP (coefficient of performance) és SPF (seasonal performance factor) értékkel szokták kifejezni. A COP érték az üzemi körülmények között mért hőleadás és a külső energiaforrásból származó energia hányadosa, míg az SPF érték ugyanezen paraméterek aránya hosszabb (pl. éves) üzemidő alatt. Ugyanolyan hőigény esetén egy kisebb SPF értékű rendszer nagyobb külső energiát igényel, így működtetése költségesebb, mint egy nagyobb SPF értékű rendszeré. 2.2. Hőszivattyús rendszerek típusai A hőszivattyús rendszereket több szempont szerint csoportosíthatjuk. Ezek közül kiemelkedik a környezeti hő forrása, valamint a működési módok szerinti osztályozás. A környezeti hő forrása lehet a levegő, a felszíni víz, a felszín alatti víz, valamint a teljes felszín alatti közeg (OCHSNER 2007). Az első két esetben a viszonylag nagy mennyiségű primeroldali fluidum hőenergiája hőáramlással jut el a hőszivattyú primeroldali hőcserélőjéhez, majd ugyanebbe a végtelen nagynak tekinthető térrészbe kerül vissza a lehűlt anyag. Ez érdemben nem csökkenti a primeroldal hőmérsékletét, így összességében bármilyen fluidumáramnál a hőteljesítmény egyenesen arányos a fluidumárammal és a felvett külső energiával. A primeroldal hőmérséklete ugyanakkor az időjárási viszonyoknak megfelelően gyorsan változhat, és a hőmérsékletcsökkenéssel kisebb SPF értéket okozhat. Felszín alatti vizet használó hőszivattyús rendszerek esetén az állandó hőmérsékletűnek tekinthető víz kútból vagy kútcsoportból származik, a felhasznált vizet egy vagy több visszasajtoló kúttal juttatják vissza a vízadó rétegbe. Megfelelő méretezés esetén a visszasajtolt hidegebb víz hűtő hatása a kitermelés helyén nem jelentős. Problémát jelenthet az előző rendszerekkel szemben, hogy a kitermelhető víz mennyisége limitált, valamint a nyeletés során is előfordulhatnak problémák, így területi elterjedésük korlátozott. A felszín alatti térrészből zárt rendszer segítségével is fel lehet hozni az energiát. Ilyen esetekben egy csőrendszerben keringő folyadék veszi fel a környezeti hőt. Ez a cső környezetének jelentős hűlésével járhat, ami rontja a rendszer SPF értékét. Kialakítása alapján lehet az akár 100 m mélységig lenyúló vertikális hőszonda, vagy a 2 3 m-es mélységben telepített horizontális hőkollektor. A környezeti hatások megítélése szempontjából lényeges, hogy a rendszer hőigényeit csak a hőszivattyú, vagy más energiaátalakító egység is segíti. A monovalens rendszerekben a hőszivattyú az egyetlen eszköz (1. ábra), a méretezését az év leghidegebb napja és az épület energetikai paraméterei határozzák meg. Ebben az esetben az év nagy részében a hőszivattyú által szolgáltatott teljesítmény jelentősen kisebb, mint a névleges teljesítmény. Ha nem csak a hőszivattyús rendszer az egyedüli fűtőegység, akkor bivalens rendszerekről beszélünk. A bivalens rendszerek lehetnek monoenergetikusak, melyekben a két fűtés energiaforrása azonos (vagy áram vagy gáz), vagy használhatnak különböző energiahordozókat (pl. elektromos hőszivattyú gázbojlerrel). A rendszerek az úgynevezett bivalens pont alatt működhetnek
egyszerre (párhuzamos működés) vagy olyan módon is, hogy a bivalens pont felett csak az egyik, alatta csak a másik gépészeti egység szolgáltatja a hőt (alternatív működés). 1. ábra Hőszivattyúk működési elvének egyszerűsített sémái (KOMLÓS F. et al. 2008 alapján) 3. A talajhőt hasznosító rendszerek legfontosabb környezeti hatásai üzemszerű használat esetén 3.1. Felszín alatti hatások A talajvizes rendszerek üzemeltetése során a kitermelés hatására a talajvízszint tartósan megváltozhat. A legtöbb rendszer városias környezetben települ és az üzemeltetés ideje a téli időszakra esik, így az élővilágra és üledékszerkezetre gyakorolt hatása nem jelentősebb, mint a természetes talajvízszint-ingadozásnak. A visszasajtolás esetén azonban problémát jelenthet, ha a visszasajtolás üteméhez szükséges vízoszlop-magasság nagyobb, mint a talajvíz mélysége, ebben az esetben ugyanis nem juttatható vissza gravitációs úton a fluidum a rétegbe. Hosszú távú üzemelés és nagy kútsűrűség mellett tartósan változhat a talajvízszint nívója, ami a kitermelő kutak környezetében felszínsüllyedéshez, a visszasajtoló kutak körzetében az épületek vizesedéshez vezethet. Zárt rendszerek esetén a legnagyobb problémát az jelenti, ha a nem megfelelő méretezés miatt a rendszer túlzottan lehűl. Ezekben az esetekben a szonda környezetében a talajfagy mélysége mélyebbre húzódik, a csövek külső felületére a pára vagy talajvíz ráfagyhat, ezzel csökkentve a hőátadó-képességet. A primeroldali hőcserélőbe érkező csökkenő hőmérsékletű hőhordozó folyadék miatt csökken a rendszer gazdaságossága is. A másik fontos kérdés a hőszivattyús rendszerek üzemeltetésével kapcsolatban, hogy a kivett hő milyen ütemben tud utánpótlódni. Ez a folyamat lehet természetes, mint a horizontális hővezetés vagy a Nap hőutánpótló hatása, illetőleg mesterséges, mint a nyári hűtés során az épületből elvezetett hő felszín alá juttatása. Ez utóbbi kulcsszereplő lehet a hőtartalom visszaállításában (BUDAY T. TÖRÖK I. 2011), de a fűtési és hűtési igény különbözősége klíma és épületfüggő (2. ábra), így legfeljebb a tervezési fázisban lehet jelentősen változtatni rajta. 3.2. A hőszivattyú működésének környezeti hatásai A hőszivattyú működése közben felhasznált energia a mai gyakorlatnak megfelelően elektromos áram. Ennek oka a rendelkezésre álló technológiákon túl, hogy a gázhálózattól egy átlagos háztartás könnyebben függetlenedik, mint az áramhálózattól. A hőszivattyú üzemelésének környezeti hatásai így az áramtermelés környezeti hatásaira vezethetők vissza: az energiaszerkezet kérdéskörére, az erőművek koncentrált szennyezőanyag-kibocsájtására, az
áramtermelés viszonylag kis hatásfokára és a szállítás közbeni veszteségre. Ezeken a fogyasztó meglévő hőszivattyú esetén nem tud változtatni, de ha a hőszivattyú SPF értékét az üzemeltetés során a nominális COP érték közelében tudja tartani, akkor az áramfelhasználását, és így a környezeti hatásokat minimalizálhatja. Azokban a hőszivattyús rendszerekben, ahol a külső energiaforrás gázmotor vagy valamely megújuló energia, a környezeti hatások az energiaátalakulás hatásfoka miatt jelentősen kisebbek, vagy gyakorlatilag megszűnnek. 2. ábra A 10 W/m teljesítményű 150 napnyi hőkivétel és a visszatáplálás során kialakuló hőmérséklet a hőcserélőtől való távolság függvényében különböző hosszúságú nyári hőbetáplálások esetén (λ=1.8 W/m, α=10-6 m 2 /s) 4. A környezeti hatások csökkentésének lehetőségei a hőszivattyúban és a primeroldali rendszerben 4.1. A hőmérsékleti sokk csökkentése A hőmérsékleti hatás csökkentésének egyik célja, hogy a primer oldal hőmérséklete ne csökkenjen 0 C alá, elkerülendő a csövek felszíni jegesedése vagy a hőhordozó folyad ék elfagyása. Ennek egyik módja, ha a kivett hőteljesítményt csökkentjük, vagy a hőkivételt szakaszossá tesszük (3. ábra). Ezek eltérő módon, de csökkentik a hőmérsékletesés értékét (BUDAY, T. TÖRÖK, I. 2012). A kettő közötti választást a hőszivattyú műszaki paraméterei, valamint az aktuális hőigény határozza meg. Hőszondamező telepítése esetén miután a belső szondák hőutánpótlódása korlátozott a szondákat a lehető legtávolabb (>7 m) kell egymástól telepíteni. Amennyiben a rendszer számos szondából áll, érdemes lehet akár szondánként szabályozni a cirkulációt, így a szondamező belső részeinek túlhasználatát el lehet kerülni. A nyári hőbetáplálás segítségével fel lehet emelni a hőmérsékletet a kezdeti hőmérséklet felé (2. ábra), így a fűtési ciklusban ugyanolyan mértékű hűlés során a véghőmérséklet magasabb.
3. ábra Eltérő maximális teljesítményű, azonos napi átlagos teljesítményű hőkivétel hatása a hőcserélő környezetének hőmérsékletére (λ=1.8 W/m, α=10-6 m 2 /s) Abban az esetben, ha már a tervezési fázisban figyelembe vesszük a fagyás elkerülésének igényét, akkor a hőhordozó közeg is lehet desztillált víz vagy nem túl nagy oldott anyag tartalmú sósvíz, melynek a környezeti hatása havária esetén sem jelentős. 4.2. A hőszivattyú energiaforrásának megválasztása Energetikai és környezeti hatás szempontjából a legkedvezőtlenebbnek az árammal működő hőszivattyús rendszereket tekinthetjük (KOMLÓS F. et al. 2008). Ekkor a hazai viszonyok között kb. 35 %-os hatásfokkal működő hőerőművek és a 10 %-os veszteségű hálózat miatt a hőszivattyúba táplált egységnyi áram kb. 3,18 egységnyi primerenergiából keletkezik. Egy 4- es COP-jű rendszerben a primerenergiára számolt hatásfok így 1,28. Az áram helyett gázt vagy biomasszát használva figyelembe véve, hogy a hulladékhő jelentős részét a szekunder kör fűtésére fel lehet használni (4. ábra) jelentősen kevesebb káros anyag kerül a levegőbe, és a primerenergiára számolt hatásfok 1,9. 4. ábra Gázmotorral működő kompresszoros hőszivattyús rendszer energiaviszonyai (COP=4) (KOMLÓS F. et al. 2008 alapján, módosítva)
Abban az esetben, ha a primerenergia biomassza, akkor a CO2 kibocsájtás úgy tekinthető, mint a növények növekedése során a levegőből megkötött CO2 visszakerülése a levegőbe, így használatuk környezeti szempontból előnyös. Ezeknél a rendszereknél a legnagyobb technikai kihívás az energiahordozó adagolása a motor égésterébe. A primerenergia felhasználást azáltal is lehet csökkenteni, hogy bivalens rendszereket használunk. Ebben az esetben is a gáz vagy szilárd halmazállapotú biomassza a környezeti szempontból legkedvezőbb választás. A szilárd biomassza tüzelést sok esetben szegényebb családok választják, illetőleg azok, akik kellő mennyiségű saját tüzelőanyaggal, például erdőkkel rendelkeznek. Utóbbiak esetében az fák növekedése a tüzelésből származó CO2-kibocsájtás akár 80 %-át megköti (PALÁDI, M. et al. 2014). Jelenleg e háztartásokban a hőszivattyús rendszerek kiépítésének nagy bekerülési költségei miatt nem realizálódhatnak a bivalens rendszerek környezeti-gazdasági előnyei, de a növekvő hűtési igények idővel utat nyitnak majd a hőszivattyús-biomassza rendszereknek. A biogáz (biometán) és földgáz gázmotorban történő felhasználásával a környezeti hatások jelentősen mérsékelhetők, mivel a felszín alól származó energiahányad környezeti hatása minimális. Mivel a biogáz-termelés koncentrált, agrogén területekhez, települési hulladékrakókhoz és szennyvíztisztítókhoz köthető (FAZEKAS, I. et al. 2013), így hosszabb távon az egyre nagyobb számú biogázüzem környezetében kialakított biogázhálózatra kötött hőszivattyúkkal is jelentősen lehet majd csökkenteni a fűtés CO2-kibocsájtását. 5. Összegzés A geotermikus energia hőszivattyús kinyerése jelentős környezeti hatásokkal járhat. Ezek mérséklésének egyik módja, hogy a hőelvonást csökkentjük elfogadható mértékre, melyet a rendszerek előrelátó tervezésével és üzemeltetésével oldhatunk meg. A másik lehetőség, hogy a hőszivattyú külső energiaforrását választjuk meg olyan módon, hogy minimalizáljuk a környezeti hatásokat. Ez utóbbi esetben lehetőség van biomasszával való együttes energiaátalakításra, így a hatások csökkenthetők. Jelentős változás várható a szorbciós és egyéb, hőenergiát hasznosító munkakörű hőszivattyús rendszerek lakosság számára elérhető modelljeinek piacra kerülésével, mert azokban a külső energiát hőként is bevihetjük, így könnyebben lesz összekapcsolható a rendszer más hőtermelő megújuló rendszerekkel. 6. Köszönetnyilvánítás A kutatás a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0041 projekt részeként valósult meg, az Európai Unió támogatásával és az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával. 7. Irodalomjegyzék BUDAY T. TÖRÖK I. (2011) Működő hőszivattyús rendszerek hatása a felszínközeli üledékek hőmérsékletére egy Debreceni példa alapján. Magyar Épületgépészet, 2011/1-2., pp. 21 24. BUDAY, T. TÖRÖK, I. (2012) Possibilities and problems in the modelling of operating borehole heat exchanger (BHE) systems based on field studies. In: Proceedings of 18th Building Services, Mechanical and Building Industry days, International Conference, EUG-12-02, 8 p. FAZEKAS, I. SZABÓ, GY. SZABÓ, SZ. PALÁDI, M. SZABÓ, G. BUDAY, T. TÚRI, Z. KERÉNYI, A. (2013) Biogas utilization and its environmental benefits in Hungary. International Review of Applied Science and Engineering, 4, 129 135. KOMLÓS F. FODOR Z. KAPROS Z. VASZIL L. (2008) Hőszivattyúzás. Csináljuk jól! energiahatékonysági sorozat 22. Energia Központ Kht., Budapest, 52 p. OCHSNER, K. (2007) Geothermal Heat Pumps. A Guide for Planning and Installing. Earthscan, London, 146 p. PALÁDI M. SZABÓ SZ. MEGYERINÉ RUNYÓ A. KERÉNYI A. (2014) Firewood consumption and CO2 emission of detached houses in rural environment, NE-Hungary. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 9, 199 208.