EGYES HŐSZIVATTYÚS RENDSZEREK GAZDASÁGOSSÁGÁNAK VIZSGÁLATA

157

EGYES HŐSZIVATTYÚS RENDSZEREK GAZDASÁGOSSÁGÁNAK VIZSGÁLATA JÓNÁS VIVIEN Debreceni Egyetem Földtudományi Intézet [email protected]

Abstract Our rapidly developing and monetary world is slowly running out of the fossil fuels and it is increasingly threatening danger in satisfy the needs of the power hungry society day by day. In case of the sustainable development and future the increasing usage and the installed power of the renewable energies has to be our common interest. Starting from this approach the article is trying to – practically, included but not limited to – show a calculation that is usable in planning a heating system for house or a greenhouse. With the help of the conducted calculation we can determine that a given heat pums system (depending on efficiency, size or government support) how many years after will return to the investor. In this case the returning means when will the costs of the heat pumps be less than the costs of the alternative heat systems (such as biomass and gas boilers).

Kulcsszavak: megújuló energia, geotermika, fogyasztás, hőszükséglet, megtérülési idő számítás, földhőszonda, fóliasátor

1. Bevezetés Geotermikus energián értjük a Föld belsejében lévő hőtartalékot, ami java részt a földkéreg belsejéből származó hosszú felezési idejű radioaktív izotópok bomlási hőjéből származik (MÁDLNÉ, 2006). Ezzel szemben egyes szerzők ide sorolják azt a földfelszíntől sekély mélységekben jelenlevő energiatartalékot is, melynek utánpótlásáért a Nap tevékenysége felelős, mivel viszont ezt a hőt is a talajból nyerhetjük ki, ezért a pontos definiálása vitatott a kutatók között. Ezt a Föld belső hőjéből és a Nap sugárzásából közvetve származó energiát használja fel a geotermikus hőszivattyú hőenergia előállítására. Azt, hogy milyen területekre érdemes hőszivattyút telepíteni több fizikai tényező is befolyásolja. Az egyik ilyen például a hőáramsűrűség, melynek globális átlagos értéke 87 mW/m2 (Banks, 2008). Ugyanez az érték Magyarországon 90 mW/m2. A különböző típusú berendezések a környezetből nyerik ki az energiát. Energiaforrás tekintetében a levegős hőszivattyúk esetén a primeroldali fluidum a külső levegő, míg a talajszondásak esetén a szondacsövekben keringő vegyület, talajvizes hőszivattyúk esetén a kitermelt felszín alatti víz. A zárt rendszerekben az energia hővezetéssel áramlik a talajszonda felé, melynek környezete jelentősen lehűl, míg talajvizes rendszereknél a kitermelt talajvíz közel állandó hőmérsékletű. Mindkét típus kialakításához fúrás szükséges (Ochner, 2007). Jelen tanulmány célja, hogy mind vállalati, mind háztartási szinten információt nyújtson a különböző hőszivattyús rendszerek gazdaságosságával, megtérülésével kapcsolatban. A vizsgálatok kiterjednek levegős és geotermikus hőszivattyúk, valamint biomassza kazán és gázkazán létesítési és működési költségeinek meghatározására egy fóliasátor fűtési hőigényének ellátása kapcsán, ugyanakkor a kapott eredmények általánosíthatók.

158 2. Kiindulási adatok és módszer Az adatgyűjtés és a mérések elvégzése a Megújuló Energiaparkban történt. (4031 Debrecen, Kishegyesi út 187.) A hely felszereltsége a kutatás szempontjából teljesen megfelelő, mert mind fóliasátorban, mind az épületben hőszivattyúkkal történik a belső tér fűtése, melyekhez kiterjedt monitoring-rendszer kapcsolódik. A város nyugati részén elhelyezkedő vállalat területén található meteorológiai állomás 2 méteres magasságban mért léghőmérsékletadatait a www.megujuloenergiapark.hu webhelyről gyűjtöttem ki, regisztráció, majd bejelentkezés után szabadon letölthető. A hőszivattyús rendszerek költségeit (anyagdíj és munkadíj) a Stiebel Eltron Kft.-től kért árajánlatok szolgáltatták. A kazánok fűtéshez szükséges biomassza/gáz árai régiónként különbözőek lehetnek, ezek meghatározása helyi számlák adataiból történt. Az elektromos áram ára a szolgáltatótól kapott éves díjszabásból visszaosztva, szintén átlagolva került feltüntetésre. A fólia hőigényének megállapításához a vállalat területén kihelyezett Campbell meteorológiai állomás hőmérsékleti adatait használtam fel, az adatok 2014.09.01. és 2015.12.31. közötti intervallumból származnak. A percenkénti mérések tízpercenként átlagolt hőmérsékleti adataiból még egy átlagolás után napi adatokat kaptam és ezekkel számoltam tovább. A fenti időintervallumot két periódusra osztottam, és az éves működési költséget a 2014/2015 fűtési szezonjának energiaigénye alapján számítottam ki. Ami a 257 napos fűtési időszak 158 fűtött napjára 115055 MJ. Ennek tudatában és az egységárak (1. táblázat) ismeretében egy szorzással meghatározható a fűtés éves költsége is. Az általánosíthatóság miatt a fűtési határhőmérsékletet 12 °C-nak, a belső hőmérsékletet 20 °C-nak, a méretezési külső hőmérsékletet -15 °C-nak tekintettem, ez alapján meghatároztam, hogy melyek az évben azok a napok, melyekben a fűtésre szükség van. Jelen esetben a vizsgált évet nézve ez az érték A kívánt belső hőmérséklet eléréséhez szükséges energiamennyiség a fűtendő épület hőleadásából megadható. 1. táblázat: Az egyes rendszerek működéséhez szükséges energiaforrások egységre számított árai Energiaforrás

Ár (Ft/MJ)

Gáz

2,7

Biomassza Áram

Áram_H tarifa

3,7 14

6,55

2. táblázat: Az összehasonlításban szereplő rendszerek bekerülésének és üzemeltetésük éves költségeinek bruttó értékei forintban

Költség megnevezése Bekerülési költség Éves működési költség Éves működési költség (H tarifa)

Levegős hőszivattyú

Talajvizes hőszivattyú

317.000

237.000

4.495.800

180.000

5.181.600

134.000

Talajszondás hőszivattyú 7.340.600 290.000 164.000

Biomassza kazán

Gázkazán

1.955.800

1.955.800

-

-

426.000

345.000

159 3. táblázat: A levegős és a talajszondás hőszivattyú bruttó bekerülési költségei (forintban) a kapott árajánlatok alapján Költség megnevezése

Levegős rendszer

Talajvizes rendszer

Talajszondás rendszer

Biomassza

640.000

640.000

640.000

hőszivattyú/kazán ára

2.900.000

3.300.000

összesen

4.500.000

5.190.000

primeroldali kiépítés

szekunder oldali kiépítés

-

640.000

140.000

3.300.000 1.840.000 7.340.000

Qmax = A ∙ k ∙ Δ T ∙ t, ahol: Qmax – a napi hőveszteség értéke (W) A – hőleadó felület (m2) k – hőátbocsátási tényező (W/(Km2)) Δ T – a belső és külső átlaghőmérsékletek különbsége (K) t –vizsgált periódus hossza (itt 86400 s)

Gáz

900.000

900.000

1.960.000

1.960.000

-

-

640.000

t

A k értéke 0,15 mm vastag dupla rétegű PE fólia esetén adott: 4 W/(Km2), a fajlagos felület az építmény geometriájából 125 m2 (Buday 2014). A kapott napi értékekből meghatározható a fűtés energiaigénye a kazánok esetén 90 %-os hatásfokkal számolva, míg a hőszivattyúk esetén az adott napi COP érték figyelembevételével. Ez az érték az egységnyi befektetett energia és a hasznos, szekunder oldalon felhasználható energia és a hőszivattyú működéséhez felhasznált energia hányadosa, dimenzió nélküli szám. Értéke a hőszivattyú típusától és a primeroldali hőmérséklettől is függ, jellemzően 3–6-os értékeket vehet fel (Buday, 2014). A hőszivattyú külső energia igénye a szekunder oldali hőigény és a COP érték hányadosaként adódik. A beruházás gazdasági értékelését, mivel az nem termel profitot, a kiépítés és a fűtés éves költségeinek összegzése segítségével végeztem (2. és 3. táblázat). Referenciaként a gázkazán és a biomassza kazán használatának költségeit tekintettem. A számítások során az elosztó hálózatokat teljesen kiépítettnek tekintettem, 0 %-os kamatlábbal számoltam. Az idő előrehaladtával az egységárak változásának problémáját (pl.: infláció) figyelmen kívül hagytam, mivel a gazdasági helyzet bizonytalansága még becslést sem tesz lehetővé a jövőben költségekre vonatkozóan. Ugyan az olaj világpiaci árának növekedésével párhuzamos növekedhet a földgázé is, illetőleg a magyarországi fejlesztéseknek köszönhetően az áram ára pedig jelentősen lecsökkenhet (pl.: Paks II.), ezzel csökkentve a megtérülési időt. A vizsgálat során nem számoltam az esetleges meghibásodások, szerviz költségeivel sem, mivel az üzemzavar esélye arányában minden rendszernél fennáll. A táblázat értékeit a könnyebb átláthatóság kedvéért kerekítettem, a talajszondás hőszivattyú kiépítésénél a költség a fúrás és a földmunkálatok díjait is magába foglalja.

3. Eredmények

Ha a hőszivattyús rendszerek üzemeltetését normál tarifával számoljuk, mert valamilyen okból kifolyólag a H-tarifa nem vehető igénybe, abban az esetben a kazánok bekerülési és éves költségeihez viszonyítva a megtérülés hosszú idő múlva várható és a fűtési rendszer feltételezett élettartamát figyelembe véve nem tűnik gazdaságosnak. (Viszont a környezetvédelmi szerepe nem elhanyagolható!) Az 1. ábrából leolvasható adatok alapján a megtérülési idő a levegős rendszereknél 24 év a biomassza kazánhoz képest, míg a gázkazán

160

1. ábra: Háromféle hőszivattyús rendszer megtérülése kétféle alternatív fűtési mód árainak tükrében

2. ábra: A feltüntetett hőszivattyús rendszerek üzemeltetésének éves költségei H-tarifával számolva

esetében reális időn belül nem térül meg. A talajszondás hőszivattyúnál 40 év (biomassza) és a gáz esetében hasonló a helyzet, mint a levegős rendszereknél. Míg a legkedvezőbbnek ítélt talajvizes hőszivattyúknál 18 év (biomassza) és 30 év (gáz) év. Fontos megjegyezni, hogy ugyan a talajvizes rendszer bizonyul hosszútávon a leggazdaságosabbnak, a megfelelő vízföldtani adottságok (konkrétan elegendő mennyiségű kiaknázható és visszatáplálható talajvíz) jelenlétének hiányában telepítése nem mindenhol lehetséges. Például Debrecen területén, mint a vizsgálat helyének környezetében a talajvízszint sajnálatos módon a ’70es évektől folyamatosan csökken a város rétegvízkészletének kiaknázásából kifolyólag. Az áram egységárának számításánál fontos tényező a hőszivattyúk használatánál felmerülő geotarifa vagy H-tarifa. Ennek a tarifának az alkalmazhatósága többek között függ a szekunder-oldali kiépítéstől, vagy attól, hogy hűtésre is használjuk-e a berendezésünket. Mivel a régióban az áramszolgáltatásért az E.On felelős, és a szolgáltatónál csak a H-tarifa érhető el, ezért a tanulmány nem tér ki a geotarifa esetére. H-tarifa csak a fűtési szezonban (október 15-április 15) vehető igénybe (díja 23,55 Ft/kWh), az ezen kívül eső, magasabb tarifájú időszakokat a tanulmány nem taglalja (Internet 1). Az összehasonlításban szereplő H-tarifával működő hőszivattyús rendszerek, illetve az alternatív kazánok hasonló méretezésűek (16 kW). A diagramokból látszik, hogy az alternatív fűtési módoknak (biomassza/gáz) a legalacsonyabb a bekerülési költsége, viszont az évek során az üzemeltetésre szánt éves összeg értéke a legnagyobb. Hiába kevesebb a biomassza, illetve a gáz egységára, ettől függetlenül mégis alacsonyabb lesz a hőszivattyús rendszerek üzemeltetésének ára, hiszen a COP értéktől függően a szekunder oldalon leadott energiának csak negyedét-

161 4. táblázat: Egyes talajvizes hőszivattyús rendszerek biomassza- és gázkazánhoz képesti megtérülése áramár/bekerülés Normál tarifa H-tarifa

Biomassza/gázkazán (év) támogatás nélkül 18/30

12/16

50% 3/4 3/4

60% 1/2 1/1

70% 1/1 1/1

hatodát kell megfizetni. Ezek közül a legkedvezőbb mód bekerülési költség alapján a levegős hőszivattyús rendszer lesz, mivel ott nem kell számolni a primeroldali kiépítéssel, ugyanakkor ennek a legkedvezőtlenebb az éves átlagos hatékonysága. Viszont a talajvizes technika nem sokkal drágább, mint a levegős és a legalacsonyabb meredekséggel ez a típus rendelkezik. Ha a megtérülést figyeljük, azt kell nézni, hogy mikortól fog az éves fűtési költség kevesebbe kerülni, mint a kazánoké. A 4. táblázatból kitűnik, hogy éles a határ támogatás nélküli és az egyes támogatásokat igénybevett rendszerek megtérülése esetén. Hazánk keleti régiójában a gazdasági viszonyokra, felhasználási célokra való tekintettel az 50-70 %-os támogatási intenzitások lesznek jellemzőek. Az Európai Uniós pályázatoknak köszönhetően nagyon kedvezőek a kapott eredmények. A vizsgálatban feltüntetett százalékos értékek pályázatonként eltérhetnek. Konkrét példa erre a KEOP 2012 5.5.0/B kódú pályázat (Épületenergetikai fejlesztések megújuló energiaforrás hasznosítással kombinálva), melyben 60%-os támogatást kínáltak a mikro-, kis- és középvállalkozásoknak, illetve egyéb szervezeteknek többek között villamos valamint gázmotoros hajtású, és abszorpciós hőszivattyús rendszerek telepítésére. Ezek primerenergia felhasználásból számított szezonális teljesítménytényezője (SPFprim) legalább 1,3 értéket vagy annál magasabbat kell felvegyen (Internet 2). Nagyobb hőigényű létesítményekben (pl. nagy méretű üvegházak esetén) az abszorpciós hőszivattyúk lehetnek gazdaságosak, ahol a bivalens rendszer alkalmazása elkerülhetetlen. Abban különböznek a levegős hőszivattyútól, hogy a kompresszor üzemeléséhez használt energiát nem elektromos áramból nyerik, hanem földgázból. Mivel ennek ára alacsonyabb, mint az áramé, ezért lényegesen kevesebbe kerül a fenntartása.

4. Következtetések

A gazdaságossági vizsgálatok során kiderült, hogy ugyan a hőszivattyús rendszerekkel való fűtéskor az induló költségek akár többszörösei (akár 4-5-szöröse) a biomassza vagy gázkazán bekerülési költségeinek, viszont hosszú távon a fenntartás ára alacsonyabb. Fontos pozitívumként említhető meg, hogy az üzemelés közbeni 0 %-os CO2 kibocsátásuknak köszönhetően rendkívül környezetkímélőek, amit fontos előtérbe helyezni egy fűtési rendszer megtervezésekor. Abban az esetben ha állami támogatás igénybevételére van lehetőség, úgy 70%-os támogatással akár már az első évben alacsonyabb lesz a bekerülési költség és az éves üzemeltetés összege, mint a kazánok ugyanezen költségei. Ebben az esetben, illetve a pár éven belüli megtérülés esetében határozottan ajánlott a hőszivattyúk mellett dönteni.

5. Irodalomjegyzék

Banks D., (2008): An introduction of thermogeology: Ground source heating and cooling, Blackwell Publishing, Oxford Buday T., (2014): Reduction of environmental impacts of heat pump usage with special regard on systems with borehole heat exchangers, Landscape and environment 8