SZENT STVÁN EGYETEM Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél Doktor (Ph.D) értekezés Ádám Béla Gödöllő 2012
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 2 A doktor skola megnevezése: Műszak Tudomány Doktor skola tudományága: Agrárműszak Tudományok vezetője: témavezető: Prof. Dr. Farkas stván egyetem tanár DSc SZE, Gépészmérnök Kar Dr. Tóth László egyetem tanár DSc SZE, Gépészmérnök Kar Folyamatmérnök ntézet az skolavezető jóváhagyása a témavezető jóváhagyása
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 3 TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉSEK JEGYZÉKE 1 BEVEZETÉS... 7 1.1 A téma aktualtása és jelentősége... 7 1.2 Célktűzések... 10 1.3 A megoldandó feladatok smertetése... 11 2 RODALM ÁTTEKNTÉS... 12 2.1 Nemzetköz áttekntés a földhő hőszvattyúzás fejlődéséről... 12 2.2 A haza megújuló energaforrások alkalmazás lehetősége... 16 2.3 A haza geotermkus energa, és ezen belül a földhő-felhasználás lehetősége... 17 2.4 A magyarország hőszvattyús fejlődés áttekntése... 20 2.5 A vertkáls földhőszondás hőszvattyús rendszer elv felépítése... 22 2.5.1 Ksteljesítményű BHE rendszerek 30kW-g... 27 2.5.2 Nagyobb teljesítményű BHE rendszerek 30kW felett... 30 2.6 BHE rendszerek montorng vzsgálata... 31 3 ANYAG ÉS MÓDSZER... 36 3.1 A mérés és kértékelés során alkalmazott összefüggések... 36 3.1.1 A TRT mérés elve... 36 3.1.2 Geotermkus szondateszt menete a gyakorlatban... 37 3.2 Egyéb alkalmazott mérés módszerek... 38 3.3 Mérés adatok gyűjtése... 41 3.4 Mérőműszerek... 42 3.5 A mérés eredmények elemzése, kértékelése... 43 3.6 Potencál meghatározása modellezéssel... 46 3.6.1 Az EED méretező szoftver elv alkalmazása... 46 3.6.2 A GLD méretező szoftver elv alkalmazása... 48 3.6.3 Tovább modellezés lehetőségek numerkus modellezés... 50 4 EREDMÉNYEK... 53 4.1 A mérés helyek... 53 4.2 A haza mérés eredmények... 53 4.2.1 Raffesen Bank projekt Az első mérés (2006)... 53 4.2.2 Telenor Ház hőszvattyús rendszer - mérés... 58 4.2.3 Tesco Trgenerácós roof-top hőszvattyús rendszer - mérés... 62 4.3 A haza helyzet értékelése a végzett mérések alapján... 66 4.3.1 Montorng adatok értékelése... 67 4.3.2 Általános megállapítások... 85 4.3.3 Földtudomány és műszak megállapítások... 87 4.3.4 A BHE hőszvattyús rendszerek gazdaságosság értékelése... 95 4.3.5 A BHE hőszvattyús rendszerek jövőben lehetősége, várható fejlődése... 106 4.4 Új tudományos eredmények... 107 5 KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK... 110 6 ÖSSZEFOGLALÁS... 111 7 SUMMARY... 113 MELLÉKLETEK... 115
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 4 MELLÉKLETEK M1. rodalomjegyzék M2. Az értekezés témaköréhez kapcsolódó fontosabb publkácók M3. EHPA hőszvattyús eladás statsztka 2010 M4. VD 4640 hővezetőképesség értékek M5. Telenor geofzka szelvénye M6. A HGD Kft. által végzett mérések (2006-2011) M7. TRT mérések elhelyezkedése Budapesten és környékén M8. Raffesen geofzka szelvénye M9. Raffesen montorng TRT alatt M10. Telenor EED méretezés M11. Tesco geofzka szelvénye M12. Gazdaság számítás ks rendszerre M13. Gazdaság számítás nagy rendszerre 30% M14. Gazdaság számítás nagy rendszerre 50% M15. Gazdaság számítás nagy rendszerre 60% M16. Gazdaság számítás nagy rendszerre 85% M17. Talajszondás hőszvattyús rendszerek hatóság engedélyeztetése M18. Gazdaság és megtérülés számítás nagy rendszer esetén
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 5 JELÖLÉSEK JEGYZÉKE Jelölés Megnevezés Mértékegység a Hődffuzvtás [m 2 /s] c Fajhő [J/kgK] c pw Fludum fajhője [J/kgK] CO 2végenerga Egységny felhasznált energa előállítása- és a [kg/kwh] fogyasztás helyre juttatása során felszabaduló CO 2 mennysége COP lletve ε Coeffcent of performance [Ø] D Cső belső átmérője [m] d Csőátmérő [m] Δp Nyomásváltozás [Pa] Δt Hőmérsékletkülönbség [K] e Fajlagos szén-doxd emsszó [kg CO2 /kwh] EER Energy Effcency Rato [Ø] e HP Egységny fűtés energa megtermelése során keletkező [kg/kwh] CO 2 E o A rendszer működtetéséhez felhasznált energa [J] Erf Gauss hbafüggvény [Ø] g hk és g kk Korrgált fajlagos földgáz-felhasználás mutatók [Ø] hagyományos és kondenzácós gázkazánok esetén Grad T Hőmérséklet gradens [ C/km] H Szondahossz [m] 0 Módosított Bessel-függvény 0. parancs [Ø] L Cső hossza [m] L Henger hossza [m] m Tömegáram [kg/s] m w Fludumáram a vzsgált csőben [m/s] N u Konvektív hőtranszfer együttható [Ø] P Elektromos teljesítmény [W] q Fűtés teljesítmény [W] Q Hőmennység [J] Q f Hasznos hőenerga [J] Q H Hőáram [W] Qt Elvárt hőteljesítmény [W] ρ Sűrűség [kg/m 3 ] r Fúrás átmérő [m] r b Furat sugara [m] R b Termkus fúrólyuk ellenállás [mk/w]
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 6 R e Reynolds-szám [Ø] r hk és r kk Fajlagos földgázgények hagyományos és kondenzácós [m 3 /kwh] gázkazánok esetén SPF Seasonal Performance Factor [Ø] SPF A-B Adott dőntervallumra (A és B dőpont között) tekntve [Ø] az SPF SPF krt,en Energetka szempontból krtkus SPF [Ø] SPF krt,körny Környezetvédelm szempontból krtkus SPF [Ø] t dő [s] T Hőmérséklet [ C] T f Folyadék hőmérséklete [K] T fn A talajból a hőszvattyúra felkerült folyadék átlagos hőmérséklete [K] T fo Fűtésre (kmenő) víz átlaghőmérséklete [K] T o Zavartalan talajhőmérséklet [ C] T p Cső átlagos hőmérséklete a cső belső felületén [K] T w Fludum átlaghőmérséklete a vzsgált csőben [K] T w,n és T w,out Befolyó és kfolyó vízhőmérséklet [K] V Térfogatáram [m 3 /h] W Bevtt összes külső energa [J] ζ Alak ellenállás [Ø] α Konvektív hőáramlás együttható [Ø] β Csősúrlódás tényező [Ø] γ Állandó [Ø] δ Korrelácós tényező [Ø] η Hatásfok [Ø] λ Hővezető-képesség [W/mK] ν Áramlás sebesség [m/s]
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 7 1 BEVEZETÉS 1.1 A téma aktualtása és jelentősége A vlág energafelhasználás szokások tekntetében válaszút elé érkezett. A felhasználókat már nem csak az energa ára, megfzethetősége késztet gondolkodásra, hanem az egyre nylvánvalóbb kedvezőtlen klímaváltozás hatások s. Napjankban folytatódk a mnd élesebb verseny a fosszls energatermelő gazdag országok (Közel-Kelet Arab Államok, Oroszország, stb.) és az nkább alternatív energaforrásokra alapozó országok (Nyugat-Európa) között. Ez a verseny az 1974 és 1979 év olajválságokkal kezdődött, de az olajár később csökkenésekor átmenetleg az alternatív energák alkalmazásának kutatása alábbhagyott. Újabb áttörés az ezredfordulóhoz köthető, amkor nylvánvalóvá vált, hogy a fosszls energák nagymértékű alkalmazása mellett belátható dőn belül megoldást kell találn a jövő új energaforrásara. gazolódott Jaman Szaúd-Arába olajmnszterének kjelentése, hogy a kőkorszak sem azért ért véget, mert elfogyott a kő, az olajkorszak sem azért ér véget, mert elfogy az olaj. Az európa országok fosszls energaszükséglete az par fejlettségüknek megfelelően nagyok, és a beszerzés források az utóbb években sokszor átpoltzálódtak, szállítás kmaradások léptek fel gondoljunk csak az orosz-ukrán gázvtára. A fosszls energafüggőség különösen érvényesül a magyar energaszerkezetben, melyben az mport gázgény 80%-os. Az Európa Unóban az orosz gázfüggőség hatására, továbbá a legutóbb japán atomerőmű-katasztrófa után erősödk a közös európa energastratéga megalkotásának szükségessége. Az EU tagállamok között Magyarország s elkészítette 2010 év végére a Nemzet Megújuló Energa Cselekvés Tervet, és 2011. októberben elfogadásra kerül a haza Energastratéga 2030-g. Ezekben a dokumentumokban nem vtatva a nukleárs és a fosszls energa még hosszútávon s megkerülhetetlen használatát egyre markánsabban jelenk meg a megújuló energaforrások haza alkalmazásának génye. Az elfogadott dokumentumok szernt 2020-ra a haza megújuló energa-felhasználás részaránya 14,65%-ra nő a jelenleg 7,3%-ról. Ebben a megújuló energa-felhasználásban az 1. ábrán látható energafajták szerepelnek a következő részarányokkal:
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 8 1. ábra: A vllamos energa és hűtés-fűtés szektorokban felhasznált megújuló energahordozók megoszlása (Nemzet Megújuló Energa Hasznosítás Cselekvés Terv) Ahhoz, hogy a fent célok teljesüljenek, a Nemzet Megújuló Energa Hasznosítás Cselekvés Terv ntézkedése közül két közfeladatot k kell emeln. Egyk a 2011-ben elfogadásra került új és fenntartható energagazdálkodásról szóló törvény, a másk a 2014-2020 között önálló (EU társfnanszírozott) energetka támogatás program. Am a fent kördagram hőszvattyús földhő-hasznosításra vonatkozó előrejelzést llet, a nagymértékű fejlődés prognosztzálása reáls. Különös tekntettel a nemzetköz szntű hőszvattyús technológa fejlődése tükrében. Hűtés/ légkondíconálás; 0,7% Balneológa; 13,2% Egyéb; 0,1% par; 3,1% Mezőgazdaság; 1,1% Víz létesítmények; 0,3% Üvegházak; 1,3% Épületfűtés; 10,7% Geotermkus hőszvattyúk; 69,7% 2. ábra: Geotermkus drekt hasznosítás megoszlása vlágsznten a teljes beépített kapactás százalékában (Lund et al. 2010)
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 9 A 2010. áprlsban Bal szgetén megrendezett Geotermkus Vlágkongresszus összegző előadásának eredménye szernt (2. ábra) a vlág összes geotermkus hőenerga-termelő kapactásának 69,7%-s sekély földhős hőszvattyú kapactás (Lund, 2010). A haza földhős hőszvattyús hőenerga-termelés nem csak ehhez a nagyságrendhez, de a környező országokhoz képest s el van maradva. Ezt mutatja a 3. és a 4. ábra. 400 350 300 250 200 150 100 50 0 49 Ausztra Belgum 20 67 Svájc Cseh Köztársaság 8 15 19 2 241 33 Németország Észtország Spanyolország Fnnország Francaország 3 2 52 Magyarország Írország Olaszország 4 10 344 Ltvána Hollanda Norvéga 3. ábra: Hőszvattyú eladás/10 000 háztartás, 2010 (Forsén, 2011) 5 319 5 7 Lengyelország Svédország Szlováka Egyesült Krályság 1000 900 800 Hőszvattyú (db) 700 600 500 400 300 200 100 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Év 4. ábra: Magyarország becsült hőszvattyús eladás statsztka, 2000-2011 (MAHÖSZ)
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 10 A hőszvattyús technológa alkalmazásában élenjáró EU tagországokhoz képest 1%- os arányú a haza éves beépítés darabszám. Ennek számos műszak és gazdaság oka van, gondoljunk csak a haza energetka rendszer hatásfokára, a torz energaárakra, a keresztfnanszírozásra, a támogatás rendszerek kszámíthatatlanságára, gyakor hányára. Mndezek ellenére a haza földhős hőszvattyúzás az utóbb években elérte az 1000db/év nstallácós nagyságrendet. Ennek a beépítés mennységnek az 50%-át a vertkáls földhőszondás hőszvattyús rendszerek teszk k. Ennek oka vsszavezethető a vszonylag kedvező haza földtan adottságokra. Ezek a földhő adottságok megalapozott mérések, modellezések, tervezések és szakszerű kvtelezések mellett bztosíthatják a 2020-as hőszvattyús hőtermelés célok elérését. 1.2 Célktűzések A dsszertácó célja az általam, nemzetköz tapasztalatok alapján, 2006-ban, Magyarországon megkezdett és több helyen elvégzett földhő potencál mérések adatanak tudományos elemzésén keresztül az eddg tapasztalatok bemutatása annak érdekében, hogy a jövőben földhő hőszvattyús alkalmazás műszak-tudományos vzsgálata elterjedjen és ezzel a haza földhő hasznosításának létjogosultsága erősödjön. A haza földhő vszonyok jellemzésével és saját mérésem alapján következtetéseket kívánok levonn a jövőben valós földhő hasznosítás lehetőségekről. Fontosnak tartom a dolgozatban a prmer földhő-felhasználás mérés és modellezés, méretezés kérdésenek tudományos gényű tsztázását, különböző haza földtan vszonyok fgyelembevétele mellett, a hőszvattyús rendszerek hatékonyságának, a környezetvédelm előnyök optmalzálásának és a gazdaságos alkalmazás érdekében. Ajánlások megfogalmazása a hővezetőképesség-mérések haza elterjesztésének érdekében. Ezzel összefüggésben gazolása a próbafúrások, geofzka szelvényezések, szondatesztek és szonda rendszer modellezések jelentőségének. Hatásuk bemutatása a hőszvattyús rendszerek hatásfokára és gazdaságosságára kemelt jelentőségű. A vertkáls földhőszondás rendszerek (a továbbakban BHE rövdítéssel) alkalmazás előnyenek és hátrányanak az elemzése s fontos a tovább térnyerésükhöz. A BHE rendszerek passzív hűtés megoldásának bemutatása, mnt gazdaságos és fenntartató hűtés mód, szntén egy jövőbe mutató lehetőség. A BHE hőszvattyús rendszereknél a szondamező montorng mérésem bemutatása és a javaslatok a montorng rendszerek alkalmazás elvere, szntén fontos célktűzésem.
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 11 1.3 A megoldandó feladatok smertetése A vertkáls földhőszondák mérésének nemzetköz és haza rodalm feldolgozása, fókuszálva a téma aktualtására. Kapcsolódó fogalmak összefoglalása. A rendelkezésemre álló haza földhő TRT (Thermal Response Test) mérések adatanak rendszerezése és értelmezése. A módszertan smertetése. A haza ks- és nagyteljesítményű hőszvattyús rendszerekhez végzett földhő mérés adatok bemutatása és a tapasztalatok összegzése. A vertkáls szondák tömedékelés megoldásanak vzsgálata. A vertkáls földhőszondás hőszvattyús rendszer hatásfokának gépészet vonatkozása. Tervezés, kvtelezés és gyakorlat tapasztalatok elemzése. Ajánlások a hővezetőképesség-mérés smeretanyagának haza oktatásba való ntegrálására. Ajánlások a földhő alkalmazásának technológa fejlesztés lehetőségehez. Ajánlások a vertkáls földhőszondás hőszvattyús rendszerek mnőség követelményenek meghatározásához. Az adathalmaz feldolgozás módszerének kdolgozása, a nemzetközleg elfogadott normák szernt. (Adattáblából szerkeszthető térkép ebből adatbank és később engedélyezés kategóra rendszer felállítása 3 kategórába való besorolás lehetősége.)
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 12 2 RODALM ÁTTEKNTÉS 2.1 Nemzetköz áttekntés a földhő hőszvattyúzás fejlődéséről A kőkorszak óta az emberség képes volt meleget (tüzet-fűtést) produkáln, de a mesterséges hűtést csak 1850-ben skerült az első hűtőgéppel megoldan. Ez új és hatalmas fejlődés lehetőséget adott a hasonló elven működő fűtés hőszvattyúknak az egész vlágon, különösen Közép- és Észak-Európában, lletve Amerkában. Az elv alapok rövd áttekntését Ncolas Léonard Sad Carnot 1824 év munkájával kell kezden, ak megalapozta a termodnamka összefüggéseket a Carnot körfolyamattal. 1847- ben Hermann von Helmholtz az energatárolás, a termodnamka. törvényét találta fel. 1850- ben Rudolf Julus Emanuel Clausus szélesebben értelmezte a Carnot körfolyamatot és a termodnamka. tételét megalkotta az entrópáról. Függetlenül tőle Wllam Thomson (később Lord Kelvn) 1852-ben egy sokkal általánosabb formáját adta a termodnamka. törvényének, és bemutatta a termodnamkus hőmérséklet skálát. 1870-ben Carl von Lnde egy szgorúbb termodnamka megközelítését adta a hűtés folyamatnak. A tudományos termodnamka smeretek a hűtéshez 1876-1918 között dőszakban váltak különösen az élelmszerparban alkalmazhatóvá. Az üzem elterjedésben különösen Lnde munkásságát kell kemeln, ak egyszerre volt kváló kutató mérnök, alkalmazó, és egyetem tanár. Az első hűtőgép teszteket 1875-ben végezte. Az 1900-as évektől az par gyártások megszaporodtak, 1918-tól az ammóna alkalmazásával, mnt elterjedt hűtőgáz, megndult a hűtőkompresszor tömeggyártás Európában és Amerkában. Kemelhető, hogy a csavarkompresszor elve 1878-ban lett szabadalmazva H. Krgar által, de gyártása ekkor még nem volt lehetséges. A hőszvattyús fűtés és használat melegvíz készítés 1919-1950 között vált hatékony és már gazdaságos, versenyképes termékké. Ennek az európa hőszvattyú fejlődésnek egyk központja Svájc volt az első vlágháború előtt és után években, mvel köztudomásúan fosszíls energában szegény, de víz erőművekben gazdag volt. Ennek eredményeként 1938-1945 között 35 db nagyteljesítményű hőszvattyú lett beüzemelve (Zogg, 2008). A hőszvattyús fejlesztések külön korszaka az 1951-1972 között évek az alacsony olajárak dőszaka. Folytatódk a munkaközegek fejlesztése, de a hatékonyság eredmények ellenére nncs számottevő pac áttörés. A helyzet 1973-1989 között megváltozk, az OPEC országok olaj embargója matt, a két olajválság (1974 és 1979) hatására. Ebben a pllanatban merül fel először a XX. században az alternatív energák szerepe és az energahatékonyság s
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 13 fontos lesz a közvélemény megítélésében. Ez a szemlélet és a nukleárs energa együtt ad hátteret a hőszvattyúk vlágméretű terjedésének. Ezért 1979-ben a hőszvattyús eladás 800.000 darabra nő a vlágon, a reverzbls légkondconálók 4.000.000 darabos értékesítése mellett. Az első vertkáls földhőszondás hőszvattyús rendszer 1980-ban kerül kalakításra. Jürg Rechstener előbb horzontáls kollektoros rendszert, majd 1980-ban Ernst Rohnerrel együtt, a GRUNDAG fúróvállalattal, telepítenek 50 méteres szondákat. A módszer terjedésével a mélységhatár s nő 100 méter fölé. A vertkáls földhőszondás fejlesztés és mérés egyk centruma a svéd kutatóközpont mellett, az ETH Zürch- egyetem volt Svájcban. Az tten kutatócsoport vezetője a magyar származású Dr. Prof. Ladslaus Rybach, ak munkásságával megerősítette a földhőszondák kőzetkörnyezetének hővezetőképesség mérés fejlesztését és értékelés módszeret. Személyes kapcsolatunk révén nagy segítségemre volt az általam kezdeményezett haza földhővezető-képesség mérésének elndításában. 1985-re Németországban Karlsruheban független hőszvattyús tesztcentrum alakul. Közben 1982-től a skandnáv hőszvattyús pac s nagy fejlődésnek ndul, hasonlóan az USA és Japán s. Az utolsó 20 év Európában - ksebb megtorpanással 2000 körül folyamatos pac és hőszvattyú technológa fejlődést hozott. Az EU drektívák tovább támogatást adnak a hőszvattyús technológa elterjedésének. Folyamatosan fejlődk a kutatás, a hűtőközegek, a hatékonyság, a telepítések mérése, modellezése, a termékek mnősítése, a rendszerek montorngozása. 5. ábra: VESSMANN hőszvattyú, 1985 (Vessmann Múzeum látogatás, 1985)
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 14 Megújuló energa alapú vllamos energával a hőszvattyúzás a klímavédelem kemelt fűtés-hűtés eszköze lehet a jövőben. A fejlődés folyamatot szemléltesse egy az 5. ábrán látható VESSMANN hőszvattyú 1985-ből. 2000-től Nyugat-Európában ntenzív fejlesztőmunka ndult nem csak a készülékek (hőszvattyúk) pacán, hanem a telepítés, földhő mérés, méretezés területén s. Ezeknek a kutatásoknak a centruma a német nyelvterület volt: Németország, Svájc és Ausztra. A kutatások egy-egy kemelkedő tudományos eredményű professzorhoz kötődnek, a már említett magyar származású prof. Dr. Rybach Lászlóhoz Zürchben, Dr. Burkhard Sanner-hez és később Erch Mands-hoz, akk a földhőszondák telepítésének és mérésének elvet kdolgozták és ezzel megalapozták a fenntartható földhős hőszvattyús rendszerek működtetését. A fejlődő kutatás eredmények először a ksméretű család házas rendszerekhez néhány darab földhőszonda telepítését tették bztonságossá, később a nagyobb szondaszámok esetére s kdolgozták a mérés és a modellezés módszereket. Bevezették a fűtés-hűtés-használat melegvíz gényekhez méretezett földhő energa előzetes kalkulácó módszerét, és ezeket földtan térképadatok és adott telepítés hely geológa rétegsor adatanak szoftveres feldolgozásával pontosították. Az egyre több megvalósulás hely geológa adatat összegyűjtve és kértékelve megszületett egy a kőzetfajtákra jellemző hővezetés értékrend, melyet tovább fnomítottak attól függően, hogy a kőzetek homogentása, poroztása, víztartó-képessége mlyen volt. Ezeket az adatokat táblázatos formában publkálták és ezzel az 1-2 szondás rendszerek fölhőkapactás számítását (kalkulácóját) segítették hely mérések nélkül. lyen esetekben elég volt a fúrómesterek pontos rétegsor regsztrácója, hogy a várható földhőkapactást megítéljék. Ez a módszer nylvánvalóan csak megközelítően adott ránymutatást a földhő alkalmazásához, és sok esetben okozott alul- vagy túlkalkulálást. Az eltérések egyes esetekben akár 25-40% mértékűek s lehettek. Ezzel a földhőszondák vagy kevésnek bzonyultak, akár lefagytak huzamos üzemeléskor és nagy vllamos energafogyasztást okoztak, vagy felesleges szondaméter létesült és ezzel a beruházás költség növekedett ndokolatlanul. Mndezek a rossz referencák a pac fejlődését gátolták, ezért vált szükségessé a földhőszonda kőzetkörnyezet hővezetőképesség mérése és az adatok kértékelése, majd szoftveres modellezéssel a szükséges vertkáls földhőszonda mennységének pontos megadása.
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 15 A mérés és modellezés módszer annyra elterjedt az 1990-es évekre, hogy megalkották a VD4640 szabványt, melynek kdolgozását 1995-ben kezdték meg, és a negyedk fejezetet a drekt hőhasznosításról 2004-ben adták k (Reuss et al., 2006). A mérésekkel, melynek neve Thermal Response Test (TRT), a vertkáls földhős szondarendszerek fenntarthatósága lletve a beruházó bzalom növekedett, és ez s hozzájárult a később hőszvattyús pac nagyarányú fejlődéséhez. Ezt a fejlődést mutatja a 6. ábra. 6. ábra: Hőszvattyús statsztka, 2006-2010 (EHPA, 2011) Ennek a fejlődésnek másk tényezője az parág szereplőnek európa szövetségbe tömörülése. Ez az Európa Hőszvattyús Szövetség (EHPA), 2000-ben alakult a hőszvattyúzás szakma érdekképvseletére, gyártók, forgalmazók, tervezők, kvtelezők, oktatás ntézmények nemzet képvseletenek összefogásával. Jelenleg 92 tagja és 22 tagországa van az EHPA-nak, köztük 2007 óta Magyarország s, a Magyar Hőszvattyú Szövetség, a vezetésem által. A nemzetköz hőszvattyús pac eladás adatokkal szemben álljon tt a 2010 év magyarország statsztka (3. melléklet), mely becsült adatokkal számolt. Ennek oka, hogy a cégek csak független statsztka szervezeteknek adtak adatokat, üzlet ttokra hvatkozva, és a szakma szövetségnek nncs teljes rálátása a tag vállalkozásokon túl, az egész haza hőszvattyús pacra, mvel a jelenleg 51 tagja mellett a hőszvattyús pac szereplőnek nagysága egyes felmérések szernt 100-250 között van.
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 16 2.2 A haza megújuló energaforrások alkalmazás lehetősége Az elmúlt XX. század, különösen a másodk fele a fosszls energaforrások térnyerésének az dőszaka folt. Ez a relatív energabőség órás technka fejlődést és valljuk be őszntén jólétet lletve kényelmet hozott, különösen a fejlett par országok lakosságának számára. Életünket eddg folyamatosan növekvő vllamos energa, gázenerga és közlekedés célú energafogyasztás jellemezte, mert még megfzethető volt. Csak az ezredforduló után tudatosodott egyre nkább, hogy a folyamatosan növekvő energafelhasználásunk mnd a fogyasztó, mnd a termelő oldalról a szakembereket újabb és újabb khívások elé állították. Az energetka haza szakembere már évekkel ezelőtt megállapították, hogy a magyar energafelhasználás összetételét, struktúráját tekntve előnytelen. Az ország mportenerga-függősége nagy, ellátásbztonsága ezért sokszor külső nem egy esetben poltka tényezőtől függ. A vlággazdaság folyamatok ezek hátterében lejátszódó poltka fejlemények, most éppen az arab tavasz hatása a fosszls energahordozók árat sokszor kszámíthatatlanná teszk. Ehhez járulnak még a nemzetköz valuták hektkus változása, és e két hatás együtt a nemzet költségvetés kadás oldalát kedvezőtlenül érntk. Tehát ebből s következk, hogy a haza energapoltkában megfontolt, de a fosszls energa ktettségünket csökkentő lépésekre van szükség. A raconáls fent érvek mellett erre kötelez az országot az EU 20-20-20 rányelve, benne a megújuló energafelhasználásnak az EU átlag 20%-ára való növelésének célja. Magyarország gazdaság teherbíró-képességét és jelenleg energastruktúráját fgyelembe véve a kormányzat 2020-ra egy a korább vállalásoknál ambcózusabb 14,65% megújuló energa részarány teljesítését vállalta a Nemzet Megújuló Energa Hasznosítás Cselekvés Tervben. Ezeket a célértékeket, a 2010 és 2020 év megújuló energahordozó-megoszlást mutatja be az 1. ábra a vllamos energa- és a fűtés-hűtés szektorra vonatkozóan. A dagramon látható, hogy a geotermkus energán belül a hőszvattyús földhő-felhasználás jelenleg 0,25PJ, melynek fejlesztése ambcózus, a tervek szernt 2020-ra 5,99PJ várható. Megállapítható, hogy a haza geotermkus földtan adottságok reáls alapot adnak a földhő hőszvattyús felhasználásához. Ezt erősítette meg a Magyar Tudományos Akadéma az NCST 2010 év összeállításakor. Ehhez a 24-szeres növekedéshez azonban számos műszak, gazdaság és jog, szabályozás tényező megváltoztatására s szükség van.
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 17 A dsszertácó természetesen a földhő hőszvattyús felhasználásának csak műszaktudományos kérdésevel kíván részletesen foglalkozn a fent fejlesztés eredmények elérése érdekében. 2.3 A haza geotermkus energa, és ezen belül a földhő-felhasználás lehetősége A haza geotermkus jó adottságok megítélésében egyetértés van a szakemberek között. A jó vagy kváló, vagy vlágvszonylatban s kmagasló mnősítések gyakran váltakoznak, ezzel sokszor a döntéshozókat s nehéz helyzetbe hozva. Ha ránézünk az ország geotermkus energa eloszlás térképére, akkor gaz az a megállapítás, hogy az ország területének 70-80%- a geotermkus szempontból poztív. 350000 300000 250000 200000 150000 100000 C o 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 50000 450000 500000 550000 600000 650000 700000 750000 800000 850000 900000 10 7. ábra: Hőmérséklet eloszlás a felső-pannóna réteg feküjében (Szany, Kovács 2007) A Pannon-medence alatt a földkéreg meglehetősen vékony, 60-100 km a vastagsága, am a mocénben való kvékonyodás következménye (Lenkey, 1999). E tény matt sorolják ma Magyarországot geotermkus adottsága vonatkozásában Európa élvonalába (Mádlné Szőny, 2006). Ennek bzonyítéka a 70-90mW/m 2 kontnensátlaggal szemben a Kárpát-medence maxmum 90-120mW/m 2, lletve az átlagosan 80-110mW/m 2 hőáramsűrűség érték (Dövény et al. 2002). A föld hőáramsűrűség (hőáram, hőfluxus) a hőenerga-áramlást jellemz, amely az egységny földfelületen, egységny dő alatt átáramló hőmennységet mutatja meg (Mádlné Szőny et. al, 2008). A Föld belső energája a Föld felszíne felé törekszk a hő terjedésével, amnek három típusa smert: a hővezetés (kondukcó), a hőáramlás (konvekcó), és a hőmérsékletkülönbség
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 18 matt hősugárzás (radácó) révén. A hővezetés, az anyagáramlás nélkül hőátadás során az anyag részecské rezgésenek csatolásával terjed az energa. Az asztenoszférára jellemző az úgynevezett hőkonvekcó, mnek következtében a hőenergát a szlárd, folyadék vagy gáznemű anyagok elmozdulásuk, áramlásuk révén vszk magukkal. A hősugárzás elektromágneses energa emsszója és abszorpcója révén megy végbe, kéma közeg közvetítése nélkül (Szőny, 2006). A szlárd kőzetekben az energa hővezetés útján terjed, amnek elméletét Fourer vzsgálata támasztották alá. A tapasztalatok szernt, ha egy adott magasságú hasáb alsó és felső oldalán a hőmérséklet T 2 és T 1, lletve T 2 >T 1, akkor a felületen (F) egy adott dő (t) alatt átáramló hőmennység: T2 T1 Q = λ Ft (1) l Ahol λ = az adott anyag hővezető-képessége Egységny felület esetén dfferencál alakban Fourer-egyenlete megadja, hogy egységny felületen egységny dő alatt átáramló hőmennység a hőmérséklet gradensével és a hővezetőképességgel arányos (Völgyes, 2002): Q = λ gradt (2) t A Pannon-medencében az átlagos geotermkus gradens a felszín alatt hőmérsékletnövekedést jellemz o C/km-ben 50 C/km, amnek oka a hőáramsűrűségen kívül a medencét jellemző agyagos-homokos üledék, amely jó szgetelő tulajdonsággal rendelkezk, éppen ezért a geotermkus gradens értéke az Alföldön és a D-Dunántúlon a legnagyobb hazánkban (Mádlné Szőny, 2006). A Föld hőenerga-tartalma 12,6*10 24 MJ, am abból adódk, hogy bolygónk 99%-ának hőmérséklete 1000 o C felett, és csupán 0,1%-a ksebb 100 o C-nál (Rybach, 1985). Ha kfejezetten a földhő hőszvattyús alkalmazás lehetőségére gondolunk, akkor kjelenthető, hogy az ország egész területén megvalósíthatók lyen rendszerek. Elég utaln egy japán kutató, Dr Hrofum Muraoka megjegyzésére, ak a 2003. év EGC Európa geotermkus kongresszuson, Szegeden Földhőenerga a kertemben címmel tartott előadást, utalva arra, hogy mndenknek lehetősége van a földhő knyerésére a saját ngatlanának területén! Természetesen már tt meg kell jegyezn, hogy vannak olyan földtanlag vagy vízvédelmleg lehatárolt területek, ahol nem, vagy csak feltételekkel lehet vertkáls földhőszondás rendszereket telepíten hőszvattyúhoz. Ezért célszerű a jövőben olyan
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 19 tudományos adatelemzésen alapuló terület besorolás elkészítése, mely a földhőszondás hőszvattyús rendszerek tervezésekor ad alapnformácókat a beruházóknak, hogy adott területen jó-közepes-gyenge adottságú földhő potencál áll rendelkezésre. Ezzel a céllal már elndultak tudományos kutató elemzések kválasztott kísérlet területre, például a Debrecen Egyetemen. Annak megítélésére, hogy a haza földhő hasznosíthatóságának potencája mekkora, az állam nylvántartás legújabb eredménye a mérvadók. A földtan vagyon számításat Rezessy és társa (2003; 2005) a térfogat módszerre épülő számítással végezték és napjankban s tovább pontosítják. Ezek alapján Magyarország földtan vagyona a 0-5000 m-es mélységtartományban 102.180 EJ. Geotermkus energa hasznosítása szempontjából a legjobban hozzáférhető készlet nagysága 4840 EJ. Fgyelembe véve az ország 1 éves energafogyasztását, mely kb. 1 EJ, elvben ezek a rétegek 4800 évg fedezhetnék energaszükségletünket (Szany, 2005). Az par vagyon 343 PJ, mely nagyságrend különbség a földtan vagyonhoz képest, de ennek s csak az 1 %-át hasznosítjuk jelenleg. A geotermkus haza potencál ezen belül a földhő hőszvattyús potencál megállapítására több szakma és tudományos szervezet végzett számításokat a fentek alapján. Magyar Tudományos Akadéma, 2020-g knyerhető készlet: o Közvetlen geotermkus: 10PJ o Földhő hőszvattyús: 10-15PJ Magyar Termálenerga Társaság, 2020-g knyerhető készlet: o Közvetlen geotermkus: 15 PJ o Földhő hőszvattyús: 10PJ Magyar Hőszvattyú Szövetség (MAHÖSZ): 10 PJ a 2020-g knyerhető készlet: Európa Hőszvattyú Szövetség (EHPA - European Heat Pump Assocaton), NCST vállalások mnden ország megújuló energafelhasználásának 11%-a: 13 PJ Ha fgyelembe vesszük a Nemzetköz Geotermáls Szövetség (GA - nternatonal Geothermal Assocaton) 2010. éves állapotfelmérését, melyet korábban bemutattam, akkor megállapíthatjuk, hogy a haza mntegy 60-100PJ prognosztzált geotermkus potencálnak 50%-os vlágátlag szernt haza hőszvattyús aránya 30-50PJ lenne. Tehát akár a 2020-ra, a kormány által tervezett 5,99PJ földhő felhasználást vzsgáljuk, akár a szakma szervezetek potencálméréset nézzük, ezek a valós rendelkezésre álló potencálhoz képest alultervezettek.
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 20 Megállapítható, hogy a haza földhő hőszvattyús hasznosítása előtt órás lehetőség van. Ehhez az egyk legfontosabb feltétel, hogy belátható dőn belül a haza hőszvattyúgyártásnak a feltétele megteremtődjenek. Tovább nélkülözhetetlen feladat a földhő felhasználásának haza fejlesztéséhez mndazok a nemzetköz mérés, modellezés, tervezés, montorng mérés és K+F fejlesztés folyamatok haza geotermkus vszonyok között meghonosítása, adaptálása és specfkus elemenek vzsgálata. Ez a dsszertácó s ehhez kíván hozzájáruln. 2.4 A magyarország hőszvattyús fejlődés áttekntése A hőszvattyúk haza fejlődéstörténete Heller László 1948-as doktor dsszertácójával ndul, melyben az alkalmazás technka és gazdaság feltételet vzsgálja. 8. ábra: Heller László (http://www.hpo.gov.hu) 2001 előtt Magyarországon csak egy-egy kísérlet jellegű hőszvattyús rendszer telepítése történt. Ezek közül az Energahvatal érdeklődését s felkeltette egy 1991-ben, Kapuváron létesített vízkútpáros 50kW-os OCHSNER típusú hőszvattyús rendszer, mely egy szegfűkertészetet fűtött. A megvalósítás egy magyar származású Németországban élő magánvállalkozóhoz, Dr. Belházy Tvadar nevéhez fűződk, ak a mélyfúrású szénhdrogénkutak szondás-hőcserélős hőszvattyús hasznosításában s nagy lehetőséget látott. A kapuvár hőszvattyús rendszer jól üzemelt, de az akkor energaárak mellett és a spontán prvatzácó dőszakában ezeknek a hőszvattyús poztív kísérleteknek nem lett folytatása. 2001-ben látva a nyugat-európa hőszvattyús fejlődés eredményet, néhány vállalkozó szellemű kollégával én s elkezdtem komolyabban foglalkozn a vertkáls földhőszondás hőszvattyúzással, mvel a MOL Rt.-nél s a földtan geofzka és fúrás kutatás területen tevékenykedtem 3 évtzedg. A kapuvár kísérletnél s rányítottam a prmer rendszer kalakítását még a MOL Rt. képvseletében, a vízkutak kképzésével és a hőszvattyúra kapcsolásával. Az elmúlt 10 éves hőszvattyús fejlődés legfontosabb állomásat mutatja az 1. táblázat.
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 21 1. Táblázat: A Hőszvattyúzás elterjesztésének haza lépése 2000 2001 Előkészítő környezetvédelm hatásvzsgálat 2002 2003 Referencák és Gáztörvény (MBH, GKM) 2004 Nagyobb teljesítményű rendszerek NEP 2005 2006 par méretű beruházások NEP, KOP, később KEOP 2005 2006 KvVM Geotermáls Munkabzottság MBFH tárgyalások Heller-terv 2007 ÉTE Hőszvattyús Szakosztály megalakulása 2007 Csatlakozás EHPA szervezetéhez 2008 Tárgyalások tovább áramtarfa támogatásról 2009 Geotarfa várható bevezetése hőszvattyúkra 2009 MBFH szabályozások módosítása (védődom, eljárásrend) 2010 Bányatörvény módosítása 2011 Környezetvédelm eljárásrend és lleték szabályozása 10% 40% 50% Talajszondás Levegős Vízkutas 9. ábra: Hőszvattyús rendszerek prmer hőforrástípus szernt megoszlása A vertkáls földhőszondás hőszvattyús rendszerek előkészítő földhővezetés ún. Thermal Response Test mérésének különösen jelentős hatása van a fenntartható és gazdaságos működésre. A haza TRT mérések 2006-tól kezdődtek a megelőző, 2005-ben a svájc Geowatt AG-val történt szakma egyeztetések és a német UBeG cég szakma bemutató alapján. 2005-ben megkezdtem az előkészületeket az első haza TRT mérőberendezés megépítése érdekében. A szükséges adatgyűjtőket megterveztük és a méretező, modellező szoftver
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 22 megvásárlásra került az említett külföld társaságoktól. Ettől kezdve a haza vertkáls földhőszonda tesztek és méretezések megndulhattak, ezzel együtt a haza nagyteljesítményű hőszvattyús rendszerek fenntartható, bztonságos telepítése s. 2.5 A vertkáls földhőszondás hőszvattyús rendszer elv felépítése A hőszvattyú a környezet hő hasznosítására szolgáló berendezés, amely a hűtőgép elvén alapul. Télen fűtésre, nyáron hűtésre, légkondconálásra használható, lletve használat melegvíz előállítására s alkalmas. A működtetésére felhasznált energát nem közvetlenül alakítja hővé, hanem a külső energa segítségével a hőt az alacsonyabb hőfokszntről egy magasabb hőfokszntre emel. A hőforrása lehet a külső levegő, egy folyó vagy tó vze, kutak vzének vagy a talajnak a hőtartalma, vagy par hulladékhő. Elv alapja a termodnamka másodk főtétele, amely szernt nem lehetséges olyan körfolyamat, amelynek eredménye az, hogy egy hőtartályból felvett hővel egyenlő értékű munkavégzés történjék. Azaz a hdegebb test nem adhat át hőt a melegebb testnek, a hő magától csak a melegebb helyről a hdegebbre mehet át: így egyenlítődnek k a hőmérsékletkülönbségek (Holcs, 1998). A Carnot-féle termodnamka körfolyamatot s meg kell említen, mvel ez írja le a hőszvattyúk elmélet működését. Holcs (1998) szernt a reverzbls Carnot-körfolyamat hatásfoka független a folyamatot végző munkaközeg anyag mnőségétől és a gép szerkezetétől, csak a hőátadó test T 1 és a hőátvevő test T 2 hőmérsékletének függvénye. deáls körülmények esetén, a mnmáls és a maxmáls hőmérsékletek között végbemenő reverzbls körfolyamatok közül ennek hatásfoka (munkaszám, COP) a legnagyobb. Azaz azonos hőmérséklet eléréséhez ez a körfolyamat emészt fel a legkevesebb energát. A rendszer elektromos energát, áramot gényel, ez jelent a munkát. Hatékonyságát az ún. teljesítmény tényezővel (COP=Coeffcent of performance) jellemezhetjük, ez a hőszvattyú leadott fűtőteljesítményének és effektív teljesítményfelvételének az aránya. A hőszvattyús folyamatok jól leírhatók termodnamka módszerekkel. A hőszvattyúval elvont hő és leadott fűtés hő termodnamka átlaghőmérsékletét bemutathatjuk az ún. T-S (hőmérséklet-entrópa) dagrammal (10. ábra). Az átlaghőmérséklet, a bemenő magasabb és az alacsonyabb kmenő hőmérsékletből adódk. Praktkusan az átlaghőmérsékletet a logartmus középhőmérséklet adja.
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 23 T T f01 T f0 T fh1 T f02 T fh T fh2-0 o C 0 K S 10. ábra: A hőszvattyú munkája T-S dagramban ábrázolva A hőszvattyúval a talaj hőfelvétel elemén (elpárologtató, a talajszonda hőcserélője) és a fűtőoldalon leadott (kondenzátor, a fűtőegység hőcserélője) hő átlagos hőmérséklete: T T T ln Tk Ahol T n = nagyobb* hőmérséklet pont (K) T k = ksebb* hőmérséklet pont (K) *Az ábra szernt: 1 = nagyobb, 2 = ksebb. n k = (3) Tn Ennek megfelelően T-S dagram szernt a hőleadó: és a hőfelvevő T T fo fh T T f 01 f 02 = (4) Tf 01 T ln T f 02 T fh1 fh2 = (5) Tfh1 ln T fh2 Ezzel az elmélet teljesítmény tényező: ε fo Q Q T fo = fo = fo E Q Q T T o fo fh fo fh = (6)
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 24 Ahol: Q fo = hasznos hőenerga (J), E o = a rendszer működtetéséhez felhasznált energa (J). ll.: T fo =a fűtésre (kmenő) víz átlaghőmérséklete (K), T fn = a talajból a hőszvattyúra felkerült folyadék átlagos hőmérséklete (K), fűtésnél a nagyobb, hűtésnél a ksebb érték az előnyös. A valóságos ε az elmélet értéknél ksebb: ε = (7) f δε fo Ahol δ=0,5-0,58 korrekcós tényező (gyakorlat számításoknál a szakrodalom szernt, a nagyobb bztonság céljából 0,4-re célszerű megválasztan). A 11. ábra szernt a jóság tényező: Q f = hasznos hő (J), Q f ε f = (8) W W = a bevtt összes külső energa (J). A hőszvattyú munkafolyamatának jellemző nyomás és hőmérséklet pontja (épület fűtés esetén) függenek a rendszer kalakításától, az alkalmazott gázoktól, a kompresszoroktól és a hőcserélőktől, stb. A hőszvattyú egy hőforrásból hasznos energát állít elő. Ehhez szükség van egy alacsony forráspontú munkaközegre, amely az elpárologtatóban (elgőzölögtetőben) hőt vesz fel ks hőmérséklet és alacsony nyomás mellett, így gázzá alakul. Ez a gáz a szívóvezetékbe kerül, onnan pedg az elektromos energával üzemelő kompresszor segítségével egy nyomóvezetékbe. A kondenzátorban smét cseppfolyósodk, és így leadja a hasznos hőt. Ez azon a fzka törvényen alapul, hogy a párolgás hőt von el, a kondenzácó pedg hőkbocsátással jár. A folyadék állapotú munkaközeg ezután egy expanzós (adagoló) szeleppel elválasztott folyadék- lletve befúvó vezetékbe kerül, am smét az elpárologtatóhoz juttatja. Így vsszajut a cklus elejére. Ezek az elemek alkotják a hőszvattyús rendszert (11. ábra).
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 25 11. ábra: A hőszvattyú elv felépítése A hely prmer hőnyerés adottságok hatékonyság értékelése szabja meg, hogy melyket választjuk például a szondás, a vízkutas, a horzontáls kollektoros, stb. megoldások közül. Általánosságban elterjedt értékelés szernt a vertkáls földhőszondás (a továbbakban az angol rövdítést használva: BHE) prmer hőnyerés, azért a legelfogadottabb, mert zárt rendszerben működk, környezet kockázat a technológa telepítés szabályok betartása mellett nncs, fenntartható és hatékony működést eredményez. A BHE általában 50-200 m mély furatot jelent, változó átmérővel, amelybe műanyag csövet helyeznek el. Többféle szondatípus létezk: Magyarországon leggyakrabban a 40 mm átmérőjű U-alakú szondát alkalmazzák, míg például Németországban a dupla 32 mm-es típust telepítk rutnszerűen. Az utóbb előnye, hogy teljesítménye 8-10%-kal jobb, mnt a szmpla 40 mm-es szondáé, amnek magyarázata főleg az, hogy a dupla cső matt ksebb a fúrólyuk-ellenállás értéke. A koaxáls szonda gen elterjedt Ausztrában. Ennek lényege, hogy az előremenő ág a vsszatérő csőben helyezkedk el, és előnye a ksebb fúrás átmérő. Tar et al. (2011) modellezése szernt a dupla és trpla U- szonda teljesítménye közel azonos, vagy alacsonyabb, mnt a szmpla szondáé. Csak a W- alakú szonda képes 19%-kal többet teljesíten, mnt az előbb említett típusok. Ennek oka a termkus nterakcó a csövek között. A 12. ábrán láthatók a különböző szondatípusok keresztmetszete.
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 26 12. ábra: A BHE különböző típusanak keresztmetszete (VD4640; Tar et al. 2011) Tehát a szondacső által alkotott zárt rendszerben kerng az ún. munkaközeg (például etlén-glkol, víz, szén-doxd, propán, alkohol), amelynek kerngtetésével valósul meg a szondában a hőtranszport. Lényeges szempont a folyadék áramlásának turbulens jellege, mvel ekkor jelentősen jobb a hőátadás. A Reynolds szám (Re=áramlás sebesség*jellemző hossz/knematka vszkoztás) egy dmenzó nélkül szám, amelyet az áramlás- és a hőátadástanban alkalmaznak. Ez alapján dönthető el, hogy az áramlás lamnárs vagy turbulens. Abban az esetben lesz turbulens az áramlás, ha a Re>2320 lyenkor az áramlás ellenállás megnő. A konvektív hőtranszfer együttható ematt a következő egyenletek (Schlünder, 1983) segítségével határozható meg; az utóbb a Dttus-Boelter korrelácó (Dttus Boelter, 1930): ahol 1/ 3 D Nu = 1,61 Re Pr (Re < 2000) (9) L 2 / 3 3 1/ 3 D Nu = 0,116 ( Re 2 / 125) Pr 1 + (2000 < Re < 10000) (10) L Nu 0,8 1/ 3 = 0,023 Re Pr (Re > 10000) (11)
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 27 Nu: Nusslet-szám D: a cső belső átmérője és L: a cső hossza. Az alkalmazott modell fgyelmen kívül hagyja a fludum hőkapactását, így az energamérleg a következőképpen alakul: m w ( ) ( T () j T ( j) ) = 2πr α Δz( j) T ( j) T ( j) c (12) pw w,n w,out ahol m w : fludumáram a vzsgált csőben c pw : a fludum fajhője T w,n, T w,out és T w :befolyó, kfolyó és az átlag vízhőmérséklet a vzsgált csőben T p : cső átlagos hőmérséklete a cső belső felületén α : a konvektív hőáramlás együttható. Egy általános BHE hőszvattyús rendszer kapcsolását mutatja a 13. ábra. w p 13. ábra: Talajszondás hőszvattyús rendszer elv kapcsolása 2.5.1 Ksteljesítményű BHE rendszerek 30kW-g A BHE földhő kalkulácó ebben az esetben a helyszín geológa adatanak gyűjtésére és elemzésére épül. A BHE fúrás előtt a lehetséges adatgazdáktól (MÁF, VTUK, Magyar Bányászat és Földtan Hvatal mélyfúrás adattára, regonáls vízügy hatóságok adattára) a területre jellemző általában 100 méteres mélységre vonatkozó rétegsor adatokat gyűjtk. A rétegsor, a rétegvastagságok, valamnt a különböző kőzetanyagok smeretében ezek hővezetés tényezőjének felhasználásával lehet egy várható földhő kapactást számítan az
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 28 adott hosszúságú BHE-re. Átlagos hővezetés tényező adatokat tartalmaz a 4. melléklet, és specfkus hőelvonás rátát a 2. táblázat. 2. Táblázat: Termofzka tulajdonságok (VD4640) Felszín alatt környezet Specfkus hőextrakcó 1800 h 2400 h Általános ránymutató értékek: Gyenge hővezetőképességű rétegek 20 W/m 25 W/m (száraz szedment) (l < 1.5 W/(m K)) Normál kőzetek és vízzel telített szedment (l < 1.5 3.0 W/(m K)) 60 W/m 50 W/m Konszoldált kőzet magas hővezetőképesség értékkel 84 W/m 70 W/m (l > 3.0 W/(m K)) Kőzetek: Száraz kavcs, homok < 25 W/m < 20 W/m Vízzel telített kavcs, homok 65 80 W/m 55 65 W/m Kavcsban és homokban erős felszín alatt vízáramlás 80 100 W/m 80 100 W/m Nedves agyag, szap 35 50 W/m 30 40 W/m Mészkő 55 70 W/m 45 60 W/m Homokkő 65 80 W/m 55 65 W/m Szlkátos magmatt (pl. gránt) 65 85 W/m 55 70 W/m Alap magmatt (pl. bazalt) 40 65 W/m 35 55 W/m Gnesz 70 85 W/m 60 70 W/m Az értékek jelentősen eltérhetnek a kőzetszerkezettől függően (repedések, palás szerkezet, erózó, stb) A hővezető-képesség lletve a knyerhető hőteljesítmény nemcsak a kőzetek ásványos összetételétől függ, hanem befolyásolja a poroztás, a vízzel való telítettség s. Kedvező, ha a pórusokban van vízáramlás, mert lyenkor a hővezetés mellett hőáramlás s zajlk. Ebből következk, hogy a laza, magas talajvízállással jellemezhető nagy poroztású üledékek a legdeálsabb közegek a földhőszondák létesítésére. Ebből a megállapításból következk, hogy hazánkban a szondás rendszerek telepítésének tekntetében osztályozn lehet a területeket: Kedvező feltételek: Alföld, Ksalföld Még elfogadható feltételek: mocén vagy olgocén laza törmelékes üledékes kőzetekből felépülő dombláb területek Kedvezőtlen feltételek: dősebb üledékes kőzetekből felépülő dombság, hegység területek, magmás, metamorf területek, kavcsos-görgeteges hordalékkúpok (Bálnt et al., 2011). Ks rendszerek esetén előzetes becslésre használható a 14. ábrán látható Stadlernomogram: a beépített fűtés teljesítmény és az éves kalkulált energagény függvényében
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 29 meghatározható az ábra első mezőjében a kndulás fűtés görbénk. Számításba kell venn a tengersznt felett magasságot, amely alapján a negyedk mezőben a felszín alatt közeg hővezető-képesség értékének függvényében meghatározható a szükséges szondaszám és mélység (Sedl, 2007). 14. ábra: Stadler-nomogram (VD4640 szernt) Ezeket a kalkulácókat pontosíthatja az alapos fúrás rétegsor feljegyzés a fúrómestertől a tényleges fúráskor, vagy az első BHE fúrásakor a szonda beépítése előtt elvégzett geofzka szelvényezés. Ezzel az elektromos vezetőképesség- és radoaktív szelvényezéssel a pontos réteghatárok kjelölhetők, és a hővezetésben ntenzívebb víztartó rétegek határozhatók meg. Példának az 5. mellékletben található egy geofzka szelvény. Természetesen ezzel az adott BHE hőszvattyús beruházás költsége nőnek, de az esetleg feleslegesen megfúrt BHE méterek száma és költsége csökkenhet. Általános gyakorlat szernt 1-2 darab szondához csak geológa adatelemzés és kalkulácó történk, 5-6 darab BHE esetén
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 30 érdemes megvzsgáln a geofzka szelvényezés nformácós hasznát, különösen nehezen fúrható kemény kőzetek, drágább fúrás technológa gény esetében. 2.5.2 Nagyobb teljesítményű BHE rendszerek 30kW felett A szondateszt alkalmazását számos kutató ajánlja, vszont a VD4640 sz. szabvány a 30kW teljesítmény felett nagy rendszerek esetén elő s írja. Alkalmazzák a később ellenőrzés matt s, ún. montorng furatokban a később ellenőrzés céljából. Már 1995-ben mobl TRT berendezést fejlesztettek a Luleå Techncal Unversty laboratórumában, amely alkalmas volt a szondákban, ll. furatokban létrejövő hőcsere meghatározásához 10m-től 100m-es mélységekben (Gehln and Nordell, 1997). Ettől független, de hasonló fejlesztés volt korábban az Oklahoma State Unversty laboratórumában, 1966-ban. Németországban az első TRT berendezést 1999-ben próbálták k először eredményesen (Sanner et al., 2000). 15. ábra: TRT mobl szondateszt elv felépítése (Forrás: Sanner et al., 1999) Magyarországon rányításommal a HGD Kft. állított össze eljárás javaslatot a szondatesztek gyakorlat alkalmazására. A szondateszt gyakorlatlag egy megbízható eljárás a talaj hőbefogadó és hőleadó képességének megállapításához. A mérés adatok brtokában a jellemző hővezetés matematka összefüggésekkel s meghatározható, és ennek révén számítható a hőszvattyú kapactásához szükséges szondaszám. Sok vta folyt a teszt elvégzéséhez szükséges és elegendő dőtartamról. A kutatók a rövdebb, és a hosszabb dőtartamok mellett s érveltek (Sptler et al., 1999). Az elemzések alapján végül s a szakemberek a mn 48 órás dőtartamot tartották a legnkább
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 31 megbízhatónak. Az dőtartamot Gehln és Hellström (1997) a hővezető képességtől és a furat átmérőjétől tették függővé (nagyobb átmérőnél hosszabb tesztelés dőt javasoltak). Sptler (1999) 5%. ll. 15% eltérést talált a hővezető-képességben, ha pl. 50, ll. csak 20 órás volt a teszt. Tovább vta volt a teszt reprodukálhatósága. Sanner és munkatársa (2000) gen ks eltérést tapasztaltak a jól körülhatárolt megsmételt tesztek között, pl. a vezetőképességre 0,02 W/mK (1,43, ll. 1,41 W/mK), de valamvel nagyobb volt a hőellenállás eltérése (17%). Az eredmény akkor egyértelmű, ha a vonalforrást mnél nkább megközelítjük és a paraméteres eljáráshoz ragaszkodunk. 2.6 BHE rendszerek montorng vzsgálata Az első montorozott BHE rendszerek Európában már több évtzedes működésükről szolgáltatnak adatokat. A már megvalósult szondamezők mért adata fontos segítséget nyújthatnak később tervezések során. Rybach és Eugster (2002) számoltak be különböző rendszerek montorng adatanak értékeléséről. Például egy zürch- hőszonda méréséből kderült, hogy a hőmérsékletmező jelentősen megváltozott a fűtés szezon végére (16. ábra). 16. ábra: Tél félév végére kalakult ndukált hőmérséklet- és hőárammező, Elg, Svájc (Rybach és Eugster, 2002) Szntén az említett szerzőpáros vzsgálta a schwalbach- rendszert, mnek működése során a szonda felszín alatt környezte 6 C-ot csökkent (17. ábra). A nyugalm hőmérséklet nem tudott a következő szezonra regenerálódn, mnek következtében a működés éve során az ősszel mért talajhőmérséklet évről évre csökkent (18. ábra).
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 32 17. ábra: Szonda környezetében az eredet és az ndukált hőmérsékletmező (Rybach és Eugster, 2002) 18. ábra: Modellezett hőmérsékletcsökkenés és a működés után regenerálódás 50 m mélyen a szondától mért távolság függvényében (Rybach és Eugster, 2002) Megfgyelhető, hogy a nagyobb mértékű változások az üzemelés első éveben következtek be. A működés leállítása után a hőmérséklet regenerálódása kezdetben gyorsan halad, majd ennek sebessége csökkent. Ez a vsszatöltődés dő Rybach és Eugster (2002) szernt közel azonos az üzemelés dővel. Azonban a szondától távolodva ez a regenerácós dő gyorsabb (19. ábra).
Földhőszondák hőtechnka vszonya hőszvattyús rendszereknél 33 19. ábra: A hőmérséklet regenerácója a működés, a szondától való távolság és a hőmérsékletváltozás függvényében (Rybach és Eugster, 2002) Rybach és Eugster (2002) tanulmányából a legfontosabb konklúzó, hogy egy talajszondás hőszvattyús rendszer akkor fenntartható hosszú távon, ha a tél fűtés gény ellátása mellett a rendszert a nyár hűtésre s alkalmazzák. A hőszvattyús rendszerek montorngja kapcsán meg kell említen a Debrecen Egyetem kutatását. 20. ábra: Az ng-reorg Kft. szondarendszere és a montorng-pontok (Bálnt et al., 2011) Az ng-reorg Kft. által üzemeltetett raktárépület fűtését, hűtését és használat melegvíz gényét két 16kW-os hőszvattyú látja el, amnek prmer oldalán talajszondák és talajkollektorok találhatók, továbbá napkollektorok és egy hulladékhasznosító kazánt s üzembe helyeztek az gények ellátására. 15 szonda dupla 32 mm-es, tovább egy pedg szmpla 40 mm-es csőből készült, 9 BHE mélysége 50 m, a többé 100 m. A szondamezőt