A zárt szondás hőszivattyús rendszerek tervezése I.rész A Hosszútávú Termikus Hatás Elemzés elméleti alapjai A téma aktualitását adta számomra az új KEOP kiírás, amelyben érezhető az,a szakmában jelen lévő anomália,vagy nevén nevezve ismerethiány, amely a zárt szondás rendszerek tervezésében sajnálatosan tapasztalható. Az alábbi kiírási idézetekből látható, hogy a kiíró-valószínűsíthetően a szakmai szakmai lobby- ajánlása alapján különválasztotta a primer oldal tervezését,valamint a szekunder oldal tervezését,számomra teljesen értelmezhetetlen,szakmailag indokolhatatlan módon. A zárt szondás hőszivattyús rendszerek tervezése mint ahogy alább látni fogjuk egységes rendszert képez, a primer és szekunder oldal különválasztása csak látszat mérnöki tevékenységet eredményez. Mivel véleményem szerint az elfogadhatatlan tervezési szisztéma állami,intézményi szinten is elfogadtatásra került,ezen cikk keretében szeretném ismertetni azt az általános érvényű tervezési metódust,amellyel energia és költséghatékony zárt rendszerű (vertikális zárt szondás,horizontális kollektoros,tószondás) hőszivattyús rendszerek tervezése lehetséges. Idézet a KEOP kiírásból: A VDI 4640-es szabványsorozat értelmében "Geothermal Response Test" eljárás alapján dokumentáltan legalább egy talajkör hővezető képességét, valamint a furat tömedékelésére utaló fúrólyuk ellenállást meg kell vizsgálni. A gépészeti tervek alapján megállapított fűtési/hűtési teljesítmény értékeket, valamint a mérési eredményeként kapott lambda értéket egy 25 éves lefutási modellben kell összevetni. A primer oldal földtani tervezőjének nyilatkoznia kell, hogy ez alapján a talajkör elegendő geotermális energiát biztosít hosszú távon, és alkalmas a regenerálódásra. A primer oldal földtani tervezését a Magyar Mérnöki Kamaránál regisztrált, tervezői engedéllyel rendelkező, geológus és hidrogeológus, vagy bányamérnök, olajmérnök végzettségű szakembernek kell végeznie. A hőszivattyús rendszer tervezését kizárólag a Magyar Mérnöki Kamaránál regisztrált, s szakirányú tervezői jogosultsággal rendelkező mérnök végezheti. Az előkészítő tervezés során meg kell határozni a hőszivattyús rendszer, fűtési szezonra vonatkozó, tervezett primerenergia fogyasztását, és a tervezett SPFprim értékét. Az SPF értéket vagy a hőszivattyú karakterisztika alapján számítással, vagy a hőszivattyú gyártó által rendelkezésre bocsátott szimulációs szoftver segítségével kell meghatározni. A kiírás szerint a primer oldal földtani tervezését bányamérnök, olajmérnök végzettségű szakembernek kell végeznie. Fogalmam sincs arról,hogy mit takarhat az igen hangzatos földtani tervezés kifejezés,hiszen ebben az esetben valójában átlagos konduktivitás mérésről van szó, amelyet az IGSHPA által kifejlesztett terheléses mérési módszerrelmegfelelő pontossággal épületgépész mérnök kolléga is elvégezheti. Ez mérőkészülék és metódus függvénye csupán. A nagy kérdés,hogy mi történik az után, ha meghatározásra került a átlagos talaj konduktivitás értéke,egy olyan adat amely csak egy a sok szükséges közül, amely azonban nélkülözhetetlen a szondarendszer egzakt tervezéséhez? A kiírás szerint mindez arra való, hogy ezzel az adattal, ismerve a fűtési/hűtési teljesítmény igény értékeit, 25 éves élettartam elemzést végezzen a tisztelt bányamérnök, olajmérnök kolléga. Sajnos így az egész precizitásra irányuló követelmény- az, hogy minden esetben,ismert terepeken is konduktivitás mérést kell végezni,a táblázatos adatok helyett- értelmét veszti,hiszen ökölszabályt 1 alkalmazva készülhet el a szondarendszer hosszútávú 1 Ismeretlen adatokat valamely szisztéma mentén táblázatokból helyettesít.
termikus hatás elemzése. Pontos termikus hatás elemzést ugyanis tervezési fűtési-hűtési teljesítmény igények alapján nem lehet végezni. Elöljáróban annyit mindenki beláthat,hogy egy 10 kw maximális fűtési teljesítményű rendszerrel a talajból ki lehet venni évente 1000kWh hőmennyiséget és akár 20 000 kwh-nál is több hőmennyiséget, amely a szonda körüli talajt különböző mértékben terheli. A kivétel intenzitása az épület szerkezetének, funkciójának,az adott térség külső hőmérséklete alakulásának függvénye. Amennyiben tehát pontos számítást kívánunk végezni, akkor ezen adatok birtokában meg kell határozni az adott épület várható évi energia(kwh) és nem teljesítmény (kw) értékét. Ez azonban még nem a talajból kiveendő energia mennyiség,hiszen az épületbe bevitt fűtési energiamennyiség a kompresszor hajtásához szükséges elektromos energia mennyiséget is tartalmazza. Akkor hogy határozható meg a talajból kivett energia mennyiség,amely alapján az élettartam- a szonda körüli talaj hőmérséklet csökkenésének mértéke- is meghatározható? -A meghatározásához mindenképp tudni kell a várható évi SCOP (SPF) 2 érték alakulását. Ezt azonban csak a LH= szükséges szondahossz kiszámításával lehet meghatározni. Ez azonban földtani, éghajlati, épületenergetikai,szonda és hőszivattyús paraméterek és számítási metódus ismeretét feltételezi, amely így nagyon összetett feladat,de semmiképp nem bányamérnöki, olajmérnöki tervezést igényel. Véleményem szerint ez egyértelműen gépészmérnöki,épületgépész mérnöki feladat, amely szükségessé teszi a tervező részéről a megfelelő mértékig, a geológiai ismereteket is. Sajnos a zárt szondás rendszerek tervezési metódusának ismerete, a egyik mérnöki gyakorlatban sem jellemző ismereteim szerint. A fentiek alapján is látható, hogy a pályázatban előírt földtani tervezés, konduktivitás mérés mérnöki tervezésnek az előírt formában 3 nem nevezhető, ezért ennek ilyen formában történő követelménye csak,rontja a rendszerek versenyképességét, az energia és költség szempontjából hatékonyabb rendszerek kiépítését nem segíti elő. A KEOP pályázati kiírásra reagálva megjegyzem,hogy a szonda tervezési metódust, szimulációs szoftver -t általában nem hőszivattyú gyártók adják közre. Azok általában ökölszabályokon alapuló egyszerűsített segédletek,amelyek alkalmazása anélkül,hogy egy mérnök a valós egzakt tervezés metódusát ismerné- sok esetben igen félrevezető lehet. A következőkben, 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,- segítve a mérnök kollégák,a pályázati kiírók munkáját - igyekszem e cikk keretében bemutatni Önöknek olyan mélységig, hogy a fenti állításaim értelmezhetőek legyenek,és felkeltsem a téma iránt érdeklődő Tisztelt Mérnök Kollégák érdeklődését. - Remélem azt is, hogy a cikksorozatból világosan kitűnik az általam kezdettől fogva hirdetett szemlélet, hogy szondarendszert tervezni,csak adott hőszivattyú típushoz lehet. Egy 2 SCOP= szezonális COP (Seasonal Coefficient of Performace); 3 A konduktivitás mérés hangsúlyozottan csak az előírt formában nem segíti elő hatékonyabb rendszerek kiépítését. Az általam vázolt körültekintő komplex tervezésnél, anomáliás (repedezett rétegek,sok levegő a talajban stb.),geológiailag ismeretlen területeken nélkülözhetetlen az alkalmazása! Ismert, homogénebb területeken,pl.:alföld,ahol próbafúrással a rétegek jól megállapíthatóak,- táblázati adatok segítségével az átlagos konduktivitás megfelelő pontossággal megállapítható.
tervezett szondarendszerhez más hőszivattyú típust alkalmazva az SCOP, SEER értéket változni fognak. Az is egyértelművé fog válni az igényes tervező kollégák számára,hogy milyen nagy fontosságú,hogy a hőszivattyú gyártók ne -EU szabványra hivatkozással - számított hőszivattyú paramétereket, s ne csupán egy hőfokszintre, adjanak ki a forgalmazók számára, hanem tesztlabori mérési eredményeket, több elpárologtató és kondenzációs hőfokszintre. A biztonsággal tervezhető hőszivattyús rendszerre jó példa a Magyar fejlesztésű Vaporline hőszivattyús rendszer. A SZONDATERVEZÉS ELMÉLETI ALAPJAI. A horizontális,vertikális és tószondák méretezésére jól alkalmazható,és viszonylag könnyen beszerezhető szoftverek állnak a mérnökök rendelkezésére. Ezen szoftverek sikeres,tudatos alkalmazása azonban csak akkor lehetséges,amennyiben az elméleti háttér,- mi minek a függvénye- ismert a tervező mérnök számára. A fentieknek megfelelően a tervezés menetének ismertetését elsőként az elméleti háttérrel kezdem. A cikk további részeiben a szoftverek ismertetését és alkalmazhatóságát szándékozom bemutatni. 4 A HOSSZÚ TÁVÚ TERMIKUS HATÁS ELEMZÉSE A hosszútávú (25év) termikus hatás elemzése azt hivatott megvizsgálni,hogy az adott éghajlati és geológiai viszonyok között telepített zárt szondás rendszer a tervezett hőtechnikai igényeket folyamatosan, akár 25 év folyamatos üzem után is ki tudja-e elégíteni,vagy a szondák környezetében olyan mértékű tartós hőfokcsökkenés áll be,amely a hőszivattyúk üzemét lehetetlenné teszi. Ebben az esetben ugyanis huzamosabb-akár több fűtési szezon pihentetés is szükséges lehet a szonda körüli talaj teljes regenerálódására. Még mielőtt messzemenő negatív következtetéseket vonnának le a szkeptikusok, elöljáróban meg kell állapítanom,hogy ez a lehetőség főleg azon északi országokban fordulhat elő,ahol 6 hónapnál is hosszabb a fűtési szezon 5,a talaj hőáramok sokkal kedvezőtlenebbek mint hazánkban, s nyári hűtésre általában nincs szükség. Követve a KEOP kiírás logikáját-azt, hogy a konduktivitás mérésből kiindulva egy geológus,bányamérnök,olajmérnök kollégának el kell készíteni 25 éves ciklusra egy termikus hatás elemzést, - elsőként a P. Eskilson módszerét, képletét mutatom be,amelyet az IGSHPA szoftvereiben alkalmaz. DT= Q= Óránkénti nettó hőáram (W),- amelynek meghatározása: Q= /W/ ANL/Wh/=DCLx(SEER+1/SEER x CHR-DHLx((SCOP-1)/SCOP xhhr DCL= tervezett hűtési teljesítmény /W/ CHR=évi hűtési órák száma /h/ DHL= tervezett fűtési teljesítmény /W/ HHR= évi fűtési órák száma /h/ 4 Az anyag várható terjedelme miatt több részletben (Az Installateur egymást követő számaiban) fog megjelenni. 5 Mérési eredmények,tanulmányok azt mutatják,hogy a talaj teljes regenerálódására közel annyi idő szükséges mint ameddig a hőkivétel történt.
t= vizsgált idő intervallum (év) t 1= időkarakterisztika= H 2 /9A A= termál diffúzió értéke: (m 2 /év) R o=a szondafurat sugara /m/ H=szonda mélység(m) A fentiekből már látható,hogy a képlet számlálójában szereplő Q /W/ teljesítmény adat közel sem azonos az esetlegesen kiszámított fűtési teljesítmény igény értékével! A kiszámításához tudni kell a rendszer várható SCOP, SEER értékeit. Ezt a kiválasztott hőszivattyúk paramétereinek,az adott térség 5éves átlag léghőmérsékleti adatainak, valamint a szükséges szondaszám,és mint alább látni fogjuk számos más paraméter ismerete nélkül nem lehet megfelelő pontossággal meghatározni. A bemondásra felvett SCOP,SEER értékek alapján történő termikus hatás elemzés véleményem szerint még közelítő kalkulációra sem alkalmas, s így ehhez teljesen felesleges komoly pénzekért konduktivitás vizsgálatot végeztetni,amelyet egyébként a legtöbb esetben kielégítő módon- az adott terület rétegfelépítését ismerve- táblázatokból meg lehet állapítani. Egyébként mint látható ebben a KEOP kiírási metódusban túlfavorizált konduktivitás mérés eredménye K s,a fenti képletben is csak egy adat a sok közül. (W/mK) Emellett lényeges adat a termál diffúzió : A (m 2 /év), amelyet jelen esetben nem mérünk,hanem táblázatokból határozzuk meg az értékét. A képletben szereplő g értékét a szondaelrendezési konfigurációknak megfelelően kialakított diagramokból lehet meghatározni. 1.kép Négy szondás kialakítás diagramja A diagramból látható. hogy minden R 0/H (A szondafurat sugara (m)/szondamélység(m)) értékre külön diagram van kidolgozva, s ezen belül a (t/t 1), valamint a B/H (szondatávolság/szondamélység) függvényében a g értéke meghatározható. Az alkalmazandó képlet adataiból egyértelműen látható,hogy csupán egy átlagos konduktivitás méréssel a Hosszútávú Termikus Hatás Elemzés értékelhető módon nem valósítható meg. A fentebb említett SCOP, SEER értékek ismerete mellett tudni kell a tervezett szondamélységet, szondaelrendezést, a szondák egymástól mért távolságát, a termál diffúzió értékét. Összefoglalva látható,hogy a Hosszú Távú Termikus Hatás elemzéséhez előzőleg el kell végezni a zárt szondás hőszivattyús fűtési-hűtési-hmv rendszer részletes tervezését. El kell készíteni az adott épület részletes és pontos hőtechnikai számítását,a hőleadó rendszer tervezését,különös figyelemmel a maximálisan megengedhető fűtési és hűtési hőfokszintekre. Ki kell választani a célnak,funkcióknak a kívánt maximális teljesítménynek megfelelő hőszivattyú típusát, s amennyiben mindezzel elkészültünk,akkor meg kell terveznünk az L H=szükséges szondahosszt. Utolsó lépésként a szükséges és pontosnak tekinthető adatok birtokában készíthető el az előzőleg ismertetett Hosszútávú Termikus Hatás Elemzés. AZ ÉPÜLET HŐTECHNIKAI ÉS HŐLEADÓ RENDSZERÉNEK TERVEZÉSE
Minden höszivattyús rendszer,s ezen belül a szondarendszer tervezésének alapja a megfelelő pontossággal elvégzett hőtechnikai számítás,hőleadó kiválasztás és hidraulikai méretezés. Az épületeknél előírt energia audit,az épület évi energia(kwh) fogyasztásának meghatározása nagyban segíti a szondatervező munkáját,hiszen ennek híján a kwh számítást neki kell elvégezni. A pontosság lényeges,hiszen a hőszivattyús rendszereket nem célszerű túltervezni,hiszen annak jelentős költség vonzata van, rontja a rendszer ár/érték arányát. A gépész tervezőnek igen körültekintően, és pontosan kell elvégezni a belső hőleadó rendszerek hőtechnikai és hidraulikai számítását. Nem megfelelően méretezett rendszereknél előfordulhat,hogy a fűtési hőfokszintet meg kell emelni,hogy a rosszul méretezett helyiségek is megfelelő hőleadást tudjanak produkálni. Míg ez egy gázkazános rendszernél általában kis hidraulikai veszteséget okozott csupán,egy hőszivattyús rendszernél ez jelentősen ronthatja az évi átlagos SPF értékét. Lényeges szempont a belső hőleadó rendszer megfelelő szabályozása. A szabályozást minden esetben alá kell rendelni a hőszivattyús rendszer igényeinek, amely alapján elsődlegesen mindig a fűtési puffer tartályban kell előállítani a külső hőmérséklet függvényében az épület igényének megfelelő legalacsonyabb hőmérsékletű fűtővizet. A belső szabályzásnak csupán arról kell gondoskodni,hogy a hőleadókat az igénynek megfelelően ellássuk a fűtési puffertartályból fűtővízzel. A belső rendszerben nem célszerű háromjáratú keverőszelepek és hőcserélők alkalmazása,amelyek rontják a rendszer SCOP értékét. A rosszul tervezett hőleadó rendszer a legjobban tervezett hőszivattyús rendszer évi SCOP értékét is jelentősen leronthatja,ezért jól működő hőszivattyús rendszert tervezni csak komplexen,hőszivattyús szemlélettel lehet. A cikk következő része az L H=szükséges szondahossz méretezés elméleti alapjait fogja bemutatni,amelyhez egyik alapadat a talaj átlagos konduktivitása is. Látható,hogy az L H=szükséges szondahossz meghatározása alapját képezi a rendszer tervezésének, s véleményem szerint ennek megfelelő szintű tervezése kellene,hogy a KEOP kiírás feltételei között szerepeljen. Fodor Zoltán okl.mg,gépészm. épületgépészm: Geowatt Kft.