HATÁSFOKOK
Tüzeléstechnikai hatásfok: Az égő üzeme közben, névleges teljesítményen értelmezett hatásfok; a veszteséget az égéstermékkel távozó energia jelenti:
& Q égéstermék η tü = 1 − & Q bevezetett
Elhanyagoljuk a sugárzási veszteséget és a tökéletlen égést és a további lehetséges veszteségeket.
A gyakorlatban az égéstermékkel távozó energia az alábbi két egyenlettel határozható meg. Az A és B konstansok segítségével figyelembe lehet venni a tüzelőanyagok eltérő tulajdonságait. Az égéstermék veszteség meghatározható:
A1 & Q + B égéstermék = (t égéstermék − t levegő ) ⋅ CO 2 vagy ha a feltételezett CO2 tartalomnál (térf.%) az oxigéntartalmat mérik:
A2 & Q + B égéstermék = (t égéstermék − t levegő ) ⋅ 21 − O 2
tégéstermék – égéstermék hőmérséklete (°C) tlevegő – égési levegő hőmérséklete az égőnél (°C) CO2 – száraz égéstermék széndioxid tartalma (%) O2 – száraz égéstermék oxigén tartalma (%) A és B együtthatók: Együttható Fűtőolaj Földgáz Városi gáz Kokszgáz
PB-gáz, Pb-gáz és levegő keveréke
A1
0,50
0,37
0,35
0,29
0,42
A2
0,68
0,66
0,63
0,60
0,63
B
0,007
0,009
0,011
0,011
0,008
Jelentősége: kazánok méretezésénél, kiválasztásánál 1
Kazánhatásfok:
A készülék üzeme közben értelmezett hatásfok. Az üzem során fellépő veszteségek:
-
égéstermékkel távozó energia, égéstermék veszteség,
-
elégetlen veszteség, tökéletlen égésből származó veszteség,
-
készülék felületéről a környezetbe távozó energia, elnevezése: sugárzási veszteség – a kazánról a környezetnek sugárzással és konvekcióval átadott energiát tartalmazza (szigeteletlen készüléknél 10% is lehet),
-
korom- és pernyeveszteség (szilárd tüzelőanyagoknál 1-3%),
-
rostély- és salakveszteség (szilárd tüzelésű berendezéseknél 5-10%).
& & & & & & Q Q égéstermék + Q sugárzási + Q elégetlen + Q korom + Q salak hasznos ηk = = 1− & & Q Q bevezetett bevezetett Gázkészülékeknél a tökéletlen égésből származó veszteség, a korom- és pernye, valamint a rostély- és salakveszteség nem jelentkezik.
A kazánnak nem kell a teljes fűtési időszakban maximális terheléssel üzemelnie. A csak fűtésre szolgáló berendezések a fűtési idény több mint 80%-ban a méretezési teljesítmény felénél kisebb teljesítményen működnek. A teljes terheléssel való üzemelés csak nagyon rövid időszakra jellemző. A kazán részterhelésen való üzemekor az égőt ki-be kapcsolja. Kikapcsolt állapotban nincs energia bevitel, de a kazánban továbbra is meleg a fűtővíz ezért változatlanul van vesztesége. Ezt a veszteséget készenléti veszteségnek nevezzük. Részterhelésen a kazánhatásfok: ηrészterhelés =
ηk ∆τ 1 + q& készenléti ⋅ 2 ∆τ1
(-)
qkészenléti – a kazán fajlagos készenléti vesztesége a névleges teljesítményre vetítve (-) ∆τ1 – az égő üzemidejének hossza egy kapcsolási intervallumban (h) ∆τ2 – a készenléti időszak hossza egy kapcsolási intervallumban (h) Jelentősége: energetikai számításoknál
2
Fűtési kazánok éves hatásfoka: A kazánok tényleges energiafelhasználását legjobban az éves hatásfok jellemzi. Ez a teljes fűtési idényben hasznosított és a kazánba ténylegesen bevezetett energia hányadosa.
ηéves =
Éves fütési energia felhasználás Éves tüzelési energia felhasználás
& ⋅τ Q h üzem ηéves = & & Q be ⋅ τ üzem + Q készenléti ⋅ τ üzemszünet & Q h
η éves =
τ üzemszünet & +Q & Q be készenléti ⋅
τ üzem
ηéves =
ηk 1 − 1 ⋅ q& készenléti + 1 ϕi
(%)
φi – kihasználás, a kazán égő teljes terheléssel való működési idejének és a fűtési idény időtartamának a hányadosa qkészenléti – a kazán fajlagos készenléti vesztesége, DIN szerint, max. 4% vagy más jelöléssel az irodalomból: ηéves =
ηk Z − 1 ⋅ q& készenléti + 1 Zv
Z – a fűtési idény hossza (h) Zv – a kazánégő teljes terheléssel való működésének időtartama (h) qkészenléti – a kazán fajlagos készenléti vesztesége a teljesítményre vetítve (-) vagyis
ϕi =
Zv Z
Jelentősége: energetikai számításoknál
3
Éves hatásfok meghatározása a szabvány átlaghatásfok módszerrel: A szabvány átlaghatásfok a hőtermelőre vonatkozik, tehát nem veszi figyelembe pl. az épület típusát, fűtési szokásokat stb. Nem hasonlítható össze minden további nélkül a korábban tárgyalt éves hatásfokkal, hiszen számításakor azzal az egyszerűsítéssel élünk, hogy a szükséges hőmennyiség egyedül a külső hőmérséklettől függ. Névleges hatásfokról van szó. A különböző terheléseknél mérhető kazánhatásfokok használhatók fel arra, hogy a kazán éves átlaghatásfokát megállapítsuk. A DIN 4702 értelmében a fűtési időszakot 5 részre kell bontani olyan módon, hogy az egyes részekben az energiafelhasználás egyenlő legyen. (Az öt üzemi pont kiválasztásánál tekintettel kell lenni arra, hogy az egyes üzemállapotok a hatásfokban azonos súllyal szerepeljenek.) Az öt jellemző terhelésnél kell a kazánhatásfokot megállapítani és azokból az éves átlaghatásfokot kiszámítani. Az eljárás csak egykazános berendezésekre alkalmazható, hiszen több kazán esetében ugrásszerű változások lépnek fel, így az öt adat nem lenne kielégítő. Az éves átlaghatásfok tehát: η éves =
5
5 1
i =1
η kazán,i
∑
Jelentősége: energetikai számításoknál
A német előírások 12,8%, 30,3%, 38,8%, 47,6% és 62,6% terhelések melletti kazánhatásfok mérését írják elő.
1. ábra: a hőfokgyakoriság, a külső hőmérséklet, fűtési napok és a kazánterhelés kapcsolata 4
Az ábrán látható öt téglalap felülete azonos. Az ábra Németországra vonatkozik; Magyarországra nem dolgozták ki, ezért a németországit alkalmazzuk. Az éves átlaghatásfok megállapításához meg kell határozni az adott országra jellemző átlagos klímaadatokat is (külső hőmérséklet, ezen hőmérsékletek előfordulási gyakoriságai). Az átlaghatásfok figyelembe veszi az éjszakai fűtés csökkentést, illetve a külső és belső hőnyereségek, hőveszteségek hatásait. Külső- és belső hőnyereségek, hőveszteségek: a fűtési idény minden napján 10%-al kisebb fűtőköri terheléssel számolnak. Éjszakai
fűtéscsökkentés:
a
méretezési
külső
hőmérséklettől
kezdve
a
fűtési
határhőmérsékletig folyamatosan növekvő befolyása van.
A 2. ábra különböző kazánokra adja meg a kazánhatásfok változását a kazánterhelés függvényében.
2. ábra: kazántípusok kazánhatásfok változása a kazánterhelés függvényében.
5
1. példa Egy gázkazán tüzeléstechnikai hatásfoka 90% sugárzási vesztesége 2%. Számítsa ki a kazán hatásfokát! Ha a 188 napos fűtési idényben a készülék 1500 órát üzemel, mekkora az éves hatásfoka (qkészenléti=3%)?
η k = 88%
ϕi =
1500 = 0,3324 188 ⋅ 24
η éves =
ηk 1 − 1 ⋅ q& készenléti + 1 ϕi
=
0,88 0,88 = = 0,83 → 83% 1,06 1 − 1 ⋅ 0,03 + 1 0,3324
2. példa Számolja ki egy 40/30°C kondenzációs kazán szabvány átlaghatásfokát a diagrammok segítségével! 1. 63% => 106,5% 2. 48% => 107,5% 3. 39% => 108,5% 4. 30% => 109% 5. 13% => 109,5%
η éves =
5
5 1
i =1
η kazán,i
∑
=
5 = 108,9% 1 1 1 1 1 + + + + 1,065 1,075 1,085 1,09 1,095
Számolja ki egy hagyományos kazán szabvány átlaghatásfokát a diagrammok segítségével! 6. 63% => 88,5% 7. 48% => 87,5% 8. 39% => 86% 9. 30% => 85% 10. 13% => 79,5%
η éves =
5
5 1
i =1
η kazán,i
∑
=
5 = 85,2% 1 1 1 1 1 + + + + 0,885 0,875 0,86 0,85 0,795
6
Hőszivattyúk Részlet Tóth Andrea BSc. hallgató szakdolgozatából
1.2 Hatékonyság [4, 5] Üzemeltetés szempontjából nagyon fontos, hogy a különböző berendezések elektromos fogyasztásukat tekintve, gazdaságossági és környezetvédelmi szempontból összehasonlíthatóak legyenek. Ennek érdekében hozták létre a hatékonysági viszonyszámokat. COP (Coeficient of Performance) teljesítménytényező A teljesítménytényező a leadott termikus teljesítmény és a felvett elektromos teljesítmény hányadosa. Megmutatja, hogy mennyi termikus energiát állít elő a berendezés 1 kW elektromos energia felhasználásával. P kW COP = termikus (1.1) Pelektromos kW EER (Energy Eficiency Ratio) energia hatékonysági tényező Az energia hatékonysági tényező egy adott munkapontban a folyadékhűtő leadott hűtő teljesítménye és a felvett elektromos energia hányadosa. Megmutatja a berendezés hatékonyságát egy adott terhelésen, jellemzően a maximális teljesítményen. Értékei általában: 2,8 - 3,3 forgódugattyús kompresszor esetében, pl. split berendezések
2,6 - 3,5 scroll kompresszor esetében, pl. léghűtéses hőszivattyú, folyadékhűtő
3 - 5 scroll kompresszor, pl. víz/víz geotermikus hőszivattyúk, és csavarkompresszor esetében.
Ptermikus kW (1.2) Pelektromos kW SPF (Seasonal Performance Faktor) szezonális teljesítménymutató A szezonális teljesítménymutató egy arányszám, amely megmutatja, hogy egy fűtési szezonban a teljes elektromos felvett áram hányszorosának megfelelő fűtési energiát termelt a hőszivattyú. Figyelembe veszi a változó üzemi körülményeket, például a levegő-víz hőszivattyú esetén a külső hőmérséklet folyamatos változását. Korrekt SPF értéket csak a fűtési szezon után kaphatunk, oly módon, hogy az alatt folyamatosan mérjük a felvett villamos energiát és a leadott hőenergiát. Az SPF értékre léteznek számítási eljárások is, amik képesek figyelembe venni a várható üzemi körülményeket. Azonban a gyártó nem tud a hőszivattyúnak önmagában SPF értéket megadni, mert ez használat és rendszerfüggő. SPF értéke a fűtési rendszerbe épített működő hőszivattyúnak van. Eleadott termikus kWh SPF = (1.3) E felvett kWh EER =
elektromos
ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) európai időszakos energia hatékonysági tényező Az ESEER egy olyan hatékonysági viszonyszám, amely a részterheléseket is figyelembe veszi, hiszen a folyadékhűtő és klímaberendezések működésük során legfőképpen részterhelésen üzemelnek. Az ESEER értékét az Eurovent is meghatározza és használja. Meghatározása az alábbi képlettel történik a feltüntetett részterhelésekhez tartozó EER értékek figyelembe vételével. 7
ESEER = 0,03 ⋅ EER (100 %) + 0,33 ⋅ EER (75%) + 0,41 ⋅ EER (50%) + 0,23 ⋅ EER ( 25%) (1.4) A fenti energiahatékonysági számok azonban nagyban függnek a hőforrás hőmérsékletétől, illetve a hőszivattyú által előállítandó előremenő víz hőmérsékletétől. A két hőmérséklet közötti különbség minél nagyobb, annál kisebb a teljesítménytényező (COP) értéke, ugyanis a COP szám fordítva arányos az elpárolgási és a kondenzációs hőmérsékletek közötti hőmérséklet különbséggel. A kompresszornak a hőmérséklet különbség növekedésével arányosan nagyobb nyomásviszonyt kell előállítania, ami nagyobb energiaszükséglettel jár. Tehát nő a kompresszor elektromos teljesítményfelvétele, míg a leadott teljesítmény változatlan marad, így a COP értéke csökken. A fenti okok miatt a hőszivattyús rendszer főleg alacsony hőmérsékletű fűtési rendszerekhez illeszthető gazdaságosan, hiszen a még gazdaságosan előállítható előremenő víz hőmérséklete maximum 50 °C. Természetesen a berendezés alkalmas ennél magasabb előremenő hőmérsékletű víz készítésére is, azonban akkor már a COP értéke annyira alacsony értéket vesz föl, hogy az elektromos fűtés 1 értékű teljesítménytényezőjét közelíti meg. Az alacsony előremenő víz hőmérséklet miatt a hőszivattyús rendszerekhez kapcsolt hőleadók elsősorban különböző felületfűtési megoldások vagy fan-coilok. A radiátorok alkalmazása rendkívül gazdaságtalan, hiszen az alacsony fűtési hőmérséklet miatt legalább kétszer akkora felületű radiátor választása lenne indokolt és radiátoros kialakítás esetén nem használható ki a hőszivattyúk hűtésre való alkalmazása sem. Meglévő rendszerek esetében, a hőszivattyú rendszerhez illesztése a legtöbbször csak hőtároló közbeiktatásával oldható meg. A hőszivattyúk teljesítményeinek, valamint energiahatékonysági viszonyszámainak összehasonlítása csak azonos paraméterek mellett lehetséges. Ez a névleges értékek használatával történik. Levegő/folyadék hőszivattyúk esetében a névleges értékek megadása fűtési esetben 45 °C-os előremenő víznél és 7 °C-os külső léghőmérséklet 5 °C-os hőmérsékletváltozásánál mért értékek, hűtési esetben 7 °C-os előremenő víznél és 35 °C-os külső léghőmérséklet 5 °C-os hőmérsékletváltozásánál mért értékek. Folyadék/folyadék hőszivattyúk esetében a névleges értékek meghatározása fűtési esetben 45 °C-os előremenő víznél és 10/5 hőmérsékletlépcsőjű elpárologtató hőmérséklet mellett mért értékek, hűtési esetben 7 °C-os előremenő víznél 30/25 hőmérsékletlépcsőjű kondenzátor hőmérsékletnél mért értékek.
4.Hőszivattyús rendszerek. Oktoklima Kft., Budapest (2009) 5.TAKÁCS VERONIKA, Diplomaterv Távfűtés kiváltása hőszivattyús rendszerrel, Budapest (2009)
8
