Hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása (cikkgyűjtemény)

Hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása (cikkgyűjtemény)

a szerző:

Fodor Zoltán fejlesztőmérnök a MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyú Tagozatának elnöke

A cikkek az Épületgépész 2012–2014. évi számaiban jelentek meg

szakszerkesztő: Szentpéteri László és Bartos Sándor főszerkesztő: Bozsó Béla

Szak-ma

A hőszivattyúk alkalmazhatóságának bővülő lehetőségei és ezek műszaki háttere Az energiaárak rohamos piaci emelkedésével egyre inkább előtérbe kerül a hőszivattyú és a hőszivattyús rendszerek alkalmazása. Az üzemeltetési költség csökkentésére irányuló törekvés megkívánta, hogy minél szélesebb körben lehessen alkalmazni a hőszivattyúkat illetve a hőszivattyús rendszereket. Ez a igény megjelent a kompresszorgyártóknál, és megkezdődött olyan speciális hőszivattyús alkalmazásra szánt kompresszorcsaládok kifejlesztése, amely az alkalmazhatóság lehetőségeit, határait jelentősen bővítette. Ha pár évre visszatekintünk, látható, hogy a hőszivattyúkat kizárólag alacsony fűtési hőmérsékletű, sugárzó fűtésekhez javasolták. A készülékek a hulladékhőt sem tudták megfelelően, magas COP-értékkel hasznosítani, sőt a készülékek zöme 20°C körüli elpárologtató oldali folyadék-hőmérséklet esetén letiltott.

A jelenlegi helyzet A hőszivattyús technika alkalmazhatósága az utóbbi években jelentősen bővült – alkalmazhatók építmények fűtésére, hűtésére, melegvízellátására, párátlanításra. Ipari és kommunális technológiákban hővisszanyerésre és a technológiai rendszerek előfűtésére vagy direkt fűtésére. A legújabb technikai fejlesztések eredményeként (kondenzációs hőfokszint, alkalmazhatósági tartomány és COP-érték-növekedés) gazdaságosan alkalmazhatók magas hőmérsékletű fűtő-, illetve távfűtőrendszerekben előfűtőként stb. A legújabb kompresszorokra alapozva Magyarországon is megtörtént a hőszivattyús technika olyan irányú fejlesztése, amely az alkalmazhatóság lehetőségeit az eddigiekhez képest jelentősen bővíti. A magyarországi fejlesztés és összeszerelés eredményeként megvalósultak és sikeresen működnek olyan hőszivattyús projektek, ahol a meglévő radiátoros rendszerekhez közvetlenül alkalmaztak hőszivattyúkat a fűtési igények kielégítésére. A Vaporline® hőszivattyúcsalád kifejlesztésének célja az volt, hogy a lehető legnagyobb SPF (SPF [kWh/kWh]: Sea1

1. kép – A Pitvarosi Általános Iskola és Napközi Otthon hőszivattyúja és rétegtárolója sonal Performance Factor) értéket lehessen elérni a hőszivattyúkkal, és emellett ezzel a technikával meglévő radiátoros rendszereket lehessen gazdaságosan működtetni max. 63°C előremenő fűtési vízhőmérsékleten, 63/57°C-os hőlépcsővel. A fenti képen látható projekt egy ilyen megvalósulást mutat. Pitvaros község Magyarország déli részén, Csongrád megyében, a román határ közelében található 1400 lakossal. A település távlati fejlesztési koncep-

ciója keretében 2009-ben készítették el az önkormányzati intézmények alternatívenergia-felhasználási lehetőségeiről szóló tanulmányt. Aktualitását hazánk energiahelyzete és környezetünk védelme is alátámasztja. 2010 decemberében a beruházási munkák elvégzéséhez, a KEOP-4.2/A jelű pályázaton 60%-os intenzitású támogatást kaptak.1 Az épület nyílászáróinak cseréje és az épület hőszigetelése után földhőszondás hőszivattyús rendszer lett kiépítve,

Komlós Ferenc ny. minisztériumi vezető főtanácsos „Fűtéskorszerűsítés magyar hőszivattyúkkal Pitvaros községben” c. írásából

15

Szak-ma napkollektorokkal kombinálva, amely főleg a HMV-szükségletet elégíti ki, amely a konyhatechnológia miatt meglehetősen nagy. A napkollektorok és a hőszivattyú(k) által termelt hőt speciális puffertároló gyűjti, amely beépített rétegelosztó és rétegfeltöltő rendszerrel rendelkezik. Alkalmas a napenergia és a földenergia által felmelegített víz hőmérséklet szerinti befogadására és elosztására, valamint az épületfűtési előremenő és visszatérő vezetékpár, továbbá a HMV hőcserélő vezetékpár vízhőmérséklet szerinti magasságban csatlakoztatására, elosztására, valamint az épületfűtési előremenő és visszatérő vezetékpár, továbbá a HMV hőcserélő vezetékpár vízhőmérséklet szerinti magasságban csatlakoztatására. A belső fűtési rendszerben változtatás nem történt. A hőleadók maradtak a lemezes lapradiátorok. Az első év üzemeltetési tapasztalata nagyon pozitív. A rendszer hozta a számított paramétereket a meglehetősen elnyúló hideg tél esetén is. Az összes elektromosenergia-fogyasztás a szezonban (az összes cirkulációs szivattyúval együtt): 16 877 kWh). A hőszivattyú futási ideje fűtés esetében: 1613 ü.o. A futási óraszám HMV esetén: 381 ü.o. A hőszivattyú által a rendszerbe vitt energiamennyiség: 51 650 kWh + 12 192 kWh=63 842 kWh. A hőszivattyú szezonális teljesítménytényezője (az elpárologtatóoldali, a kondenzátoroldali, a HMV és fűtési szivattyú rontó hatásával): SPF = 3,78. A fűtési rendszer átalakítása, valamint az épület felújítása, hőszigetelése következtében a rendszer átlagos COP-értékének alakulása: Az átlagos földgázfelhasználás az átalakítás előtt: 14 000 Nm3/a (132 160 kWh). Elektromosenergia-felhasználás a felújítás után: 16 877 kWh. A rendszer (napkollektor, szigetelés, hőszivattyú) SPF-értéke az eredeti állapothoz viszonyítva: SPF = 132 160 kWh/16 877 kWh = 7,8. A rendszer (napkollektor, szigetelés, hőszivattyú) COP-értéke az átalakítás utáni állapotban: SPF = 97 440 kWh (10 322 Nm3)/ 16877 kWh = 5,77. Mint látható, a kifejlesztett hőszivattyúcsalád jelentősen megváltoztatta a hőszivattyúk alkalmazhatóságát és az elérhető SPFérték nagyságát.

16

Szerkesztő: Szentpéteri László

Hőszivattyú és hőszivat- Fűtési hőfokszintre, tyús rendszer választása ellátandó funkcióra A felhasználhatóság- és hatékonyság- történő kiválasztás – növekedésnek velejárója a hőszivat- A hőszivattyúk tyú- gyártásnál is a gyártásiköltségnövekedés, s ezért a fejlesztés – a alkalmazhatósági hőszivattyú-összeszerelő üzemek ese- tartománya tében – nem minden esetben a leghatékonyabb megoldásokra történik. Természetesen a kereskedelemben kapható hőszivattyúk ára sem tükrözi híven a készülékek hatékonyságát, nem beszélve a katalógusokban szereplő COP-értékekről. A fenti körülmények miatt egy vásárlónak, beruházónak vagy épületgépész tervezőnek igen nehéz dolga van, amikor egy új vagy meglévő épülethez, uszodához vagy ipari létesítményhez hőszivattyús rendszert igyekszik választani vagy beter-

1. ábra – Copeland ZP36KSE-TFMN (R410a) kompresszor alkalmazhatósági tartománya vezni, hiszen sem a készülékek ára, sem a tanúsított COP-paraméterek nem adnak valódi eligazodási lehetőséget. Sajnos emiatt sok rendszer kialakítása nem nyeri el a beruházók rokonszenvét, amely visszahat a hőszivattyús technika megítélésére. A jó hőszivattyú és rendszer kiválasztása csak egy adott feladatra, adott hőnyerési és fűtési hőfokszintekre és funkciókra lehetséges, amikor is meglehetősen sok szempontot kell értékelni és figyelembe venni. E cikk keretében átfogó elemzésre nincs lehetőség, de a fenti állítás igazolására egy-két általam lényegesnek tartott kiválasztási szempont elemzését bemutatom.

A kompresszorgyártók a kompresszorokat az alkalmazni kívánt hőfokszintekre optimalizálják. Vannak hűtő, légtechnikai és speciálisan hőszivattyús alkalmazásra szánt kompresszorok. Minden kompresszornak van egy úgynevezett alkalmazhatósági tartománya. A légtechnikai alkalmazásra szánt kompresszorokat még jelenleg is alkalmazzák hőszivattyús készülékekben. (5–10 évvel ezelőtt csak ilyen kompresszorok álltak rendelkezésre hőszivattyús célokra.)

Hőszivattyú-választás magas fűtési hőfokszintekre Látható, hogy ez a kompresszor 0°C elpárologtatási hőmérséklet esetén, amelyhez optimális elpárologtató méretezés esetén 4°C talaj- vagy talajvíz-hőmérséklet tartozhat, 61°C kondenzációs hőmérsékletet képes elérni, amellyel optimálisan méretezett kondenzátor esetén elérhető 58–59°Cos fűtési hőmérséklet. Egy szondás hőszivattyú esetén azonban a talajhő főleg anomáliás téli hőmérsékletek esetén leeshet –2°C-ig is. Ehhez a talajhőmérséklethez a vázolt feltétel esetén –6°C elpárolgási hőmérséklet tartozik. Ha megvizsgáljuk az alkalmazhatósági tartományt, akkor látható, hogy az adott kompresszor ennél az elpárolgási hőmérsékletnél 55°C kondenzációs hőmérsékletre képes, amelyhez 52°C–53°C fűtési előremenő

[email protected] hőmérséklet tartozhat. Sajnos tapasztalatom alapján egyes esetekben ilyen illetve ehhez hasonló kompresszorokkal szerelt hőszivattyúkra is ráírják a max. elérhető hőfoknak a 65°C-t, amely igaz abban a hőfoktartományban, ahol nem tudjuk kihasználni! Külső, alacsony léghőmérséklet esetén, amikor a hőleadóknak kellene a magasabb hőfok, akkor csak 52°C–53°C áll rendelkezésre. Az alábbiakban vizsgáljunk meg egy speciálisan hőszivattyús alkalmazásra szánt, EVI (Enhanced Vapor Inject) kompresszort. Látható, hogy +17°C és –16°C közötti elpárolgási hőmérséklet tartományban stabilan 66°C-os a kondenzációs hőmérséklet. Egy ilyen kompresszorral szerelt geotermikus hőszivattyúval bármely alkalmazási tartományban elérhetjük a 63°C-os kimenő fűtővíz-hőmérsékletet. A két bemutatott példán keresztül azt szerettem volna érzékeltetni, mennyire fontos az, hogy a gyártó hiteles, az egész működési tartományra kiterjedő teljesítménytáblázatot vagy diagramot adjon a tervező mérnökök kezébe. Sok esetben sajnos csak a szabványban előírt 0°C/35°C folyadék–víz vagy 10°C/35°C víz–víz hőfokszintre adják meg a paramétereket, amelyből az alkalmazhatóságra még csak következtetni sem lehet! A következtetés: mindenképp meg kell győződni a hőszivattyú maximális fűtési előremenő hőmérsékletéről az alkalmazni kívánt legalacsonyabb talajhő- (talajvíz-) hőmérsékletnél!

A hőszivattyú választása magas hőmérsékletű termálvíz-hasznosításra. Az alkalmazhatóságot célszerű megvizsgálni abban az esetben is, ha magas hőmérsékletű elfolyó termálvizet vagy hulladékhőt kívánunk újrahasznosítani hőszivattyúval. Az 1. ábrából jól látható, hogy az adott kompresszor maximálisan alkalmazható elpárolgási hőmérséklete 12°C. Optimális méretezés esetén ehhez tartozhat 16°C–17°C-os hulladékhőhőmérséklet. Hiába áll rendelkezésre 2°C–30°C-os felhasználható hőfokszintünk, ezzel a kompresszorral szerelt hőszivattyúval nem tudjuk kihasználni, annak ellenére, hogy kondenzátoroldalon ezen az elpárolgási hőfokszinten

2.ábra. – Copeland ZH13KVE-TFD (R407C) kompresszor alkalmazhatósági tartománya 63°C–64°C-os fűtővizet lehet vele előállítani. A COP-érték olyan marad, mintha csak 16–17°C-os lenne a hulladékhő hőmérséklete! Az elérhető COP 17°C/63°C víz–víz hőmérsékletek, s ezen értékekhez tartozó 12°C/65°C elpárologtató/kondenzátor-hőmérsékletek esetén COP = 2,0. Ez igen alacsony érték, s így ilyen kompresszorral szerelt hőszivattyúval hulladékhőt gazdaságosan nem lehet hasznosítani! Vizsgáljuk meg mindezt a 2. ábrán látható kompresszorral szerelt hőszivattyú esetében! Látható, hogy ezen kompresszor maximális elpárolgási hőmérséklete 17°C! Ehhez 21°C-22°C elfolyó termálvíz- vagy hulladékhőhőmérséklet tartozhat. Az elérhető COP 22°C/63°C víz–víz hőmérsékletek, s ezen értékekhez tartozó 17°C/65°C elpárologtató/kondenzátor-hőmérsékletek esetén COP = 3,97! Ezzel a kompresszorral szerelt hőszivattyú 100%-kal nagyobb COP-értékkel dolgozik, mint az előző. A technikai fejlődés azonban nem áll meg! Megkezdődött azon EVI-kompresszorok gyártása, Fodor Zoltán (60) Mezőgazdasági gépész üzemmérnök, mérnöktanár, mezőgazdasági gépészmérnök, épületgépész szakmérnök. A geotermikus hőszivattyúk tervezésével, kivitelezésével és fejlesztésével foglalkozik. Olyan berendezések kifejlesztését végezte el, amelyek magas fűtési hőfokszinten minden eddiginél magasabb COP-értéken, és minden eddiginél magasabb SPF-értéken képesek működni. Ehhez kidolgozott egy új reverzibilis hőszivattyús körfolyamatot, amely szabadalmi mintaoltalmat kapott. 2012-ben megkapta a MÉGSZ legmagasabb kitüntetését, a Meszlényi Zoltán-díjat.

amelyek R410a hűtőközeggel egészen 25°C elpárolgási hőmérsékleten képesek dolgozni. Az elérhető COP 32°C/60°C víz–víz hőmérsékletek, s ezen értékekhez tartozó 23°C/61°C elpárologtató/kondenzátor-hőmérsékletek esetén COP = 4,6! A hulladékhőt jelenleg ilyen kompresszorokkal szerelt hőszivattyúkkal lehet a leghatékonyabban hasznosítani, amennyiben elégséges a 60°C-os kimenő fűtővízhőmérséklet. A fentiek mellet még számos kérdést meg kell vizsgálni a hatékonyság érdekében. Többek között azt, hogy milyen feladatokat kell ellátni a fűtés mellet a készülékkel. Amennyiben aktív hűtési és HMV-igény is felmerül, akkor lehetőleg multifunkciós hőszivattyút alkalmazzunk a feladatra, és ne külső egységekkel szerelt hőszivattyúkat, amelyek hatékonysága a hőfokkülönbségek növekedése miatt messze elmarad a lehetőségektől. Remélem, ezen írásommal sikerült rávilágítanom arra, hogy az alkalmazni kívánt hőszivattyúk között – függetlenül a szabványos hőfokszinteken mért és tanúsított COP-értékektől – lényeges különbségek lehetségesek. Emiatt az egyes feladatokra igen körültekintően kell a készülékeket megválasztani. A hőszivattyús technika sikeres használata nagy felkészültséget és ismeretet igényel a tervezőktől, és elkötelezettséget a hőszivattyú-fejlesztőktől a tekintetben, hogy mind hatékonyabb készülékek és rendszerek kerüljenek forgalomba és alkalmazásra. E sokszínűség az alkalmazásban és a technikában komoly lehetőségeket rejt a magyarországi hőszivattyús ipar megteremtésében. Fodor Zoltán ügyvezető igazgató, Geowatt Kft.

17

Fenntarthatóság

Az intézmények magas hőmérsékletű fűtési rendszereinek üzemeltetése hőszivattyúval 2013-tól a hőszivattyús rendszerek megújulóenergia-felhasználásának elszámolása a 2008. év végén kiadott EU-irányelv, az ún. RES (megújuló energia) direktíva VII. mellékletének b) része szerint a hőszivattyús rendszerek megújulóenergia-tartalmát. ERES = Qhasznos× (1 – 1/SPF) képlet alapján kell meghatározni. Fő kritérium, hogy csak az SPF>1,15 (1/η2) hőszivattyúk vehetők figyelembe a megújulóenergia-tartalmának meghatározásánál. Az EU villamosenergia-rendszerének átlagos hatásfokával (η=0,4) számolva: SPF= 1,15(1/0,4) =~ 2,9 értéknek kell minimum megfelelnie a beépített hőszivattyúknak. A jelenlegi valós hazai helyzetből kiindulva a valós hazai villamosenergia-rendszer átlagos hatásfoka az η=0,315 körül alakul, s így az elvárt minimum optimálisan SPF=3,65 érték kellene, hogy legyen. Ennek megfelelően a hőszivattyúknak Magyarországon szigorúbb követelményeknek kellene megfelelniük. A forgalmazott hőszivattyúk zöme azonban ezen kritériumnak nehezen tudna megfelelni. A levegő-víz hőszivattyúk így egyértelműen kizáródnának a pályázatokból. Mindemellett a magyar hőszivattyús alkalmazásoknak, fejlesztéseknek e sajátosságot figyelembe véve a hőszivattyúk SPF-értékének maximalizálására kell törekedniük. Ezen törekvés velejárója, hogy magas hőmérsékletű radiátoros rendszerek hőszivattyúval történő üzemeltetését a pályázatok általában nem preferálják, hiszen feltételezett, hogy olyan rossz SPF-értékekkel lehet megvalósítani ilyen rendszereket, amelyek a fenti követelményeknek nem felelnének meg. A hőszivattyús technika, az új fej1

Qhasznos a hőszivattyúból származó teljes becsült hasznos hőenergia

2

A villamosenergia-rendszer átlagos hatásfoka

18

lesztésű kompresszorok, s ehhez kapcsolódóan egy átgondolt, a hatékonyságot szem előtt tartó hőszivattyúfejlesztés azonban lehetővé teszi, hogy meglévő intézményi rendszereket a belső fűtési rendszer költséges átalakítása nélkül hatékonyan, az előzőleg bemutatott magasabb (SPF=3,6) követelményeknek megfelelően állítsuk át a hőszivattyús fűtésre és HMVtermelésre.

A roppant egyszerű, háztartási hűtőgépekre jellemző, többnyire csak fűtő körfolyamattal, alacsony hőmérsékletű, max. 40–450C-os előremenő fűtési hőmérsékletű rendszereket sem lehet – tapasztalatok alapján – a mi hőmérsékleti viszonyaink között SPF = 3,2-3,6-nál nagyobb hatékonysággal üzemeltetni, annak ellenére, hogy a gyári bevizsgálási adatok, COPértékek a 0–350C hőfokszinten kivá-

1. ábra A magas fűtési hőmérsékletű hőszivattyúk követelményei – Magas fűtési hőmérséklet: 60– 650C fűtési előremenőt képes legyen huzamosan, letiltás és meghibásodás nélkül produkálni. – Δt= 5–70C a fűtési hőmérsékletnél. (63/570C hőfoklépcső). Ennél nagyobb hőfoklépcső a standardtól való eltérést, hatékonyságromlást okoz. – Külső hőmérsékletfüggő szabályzás. Alapvető feltétele a hatékony rendszereknek. – Az elérhető SPFmin= 3,0 (SPFopt=3,65) a hőszivattyúra vonatkoztatva. A hőszivattyúk alkalmazhatósága magas fűtési hőfokszinteken A forgalmazott hőszivattyúk 90–95%ának valós körfolyamata összesen 4 fő elemet tartalmaz: elpárologtató, kondenzátor, kompresszor, expanziós szelep.

lóak! A hiányos szerkezet miatt nem képesek kezelni a tág határok között változó elpárologtató és kondenzátor oldali hőfokszinteket, s így kimenő teljesítményükben részterheléseknél lényeges növekedés nem következik be. Emellett a legtöbb hőszivattyú nem képes 620C fűtési hőmérsékleten üzemelni, de amelyik esetleg alkalmas, az magas hőmérsékletű rendszerek üzemeltetése esetén a minimum elvárt SPF-érték alatt teljesítene. A gőzbefecskendezéses hőszivattyúk alkalmazhatósága magas fűtési hőfokszinteken A gőzbefecskendezéses körfolyamat alapvetően megnöveli a hőszivattyúk COP- és SPF-értékét. Az egyéb beépített szerkezeti elemek tovább növelik3 és stabilizálják a kimenő fűtési 3 Ekonomizer, hűtőközegtartály, akkumulátor, EEV (elektromos expanziós)-szelep, desuperheater szabályzó és monitoring rendszer stb.

[email protected] teljesítményt az egyes hőfokszinteken. A tág határok között változó elpárologtató és kondenzációs hőfokszinteket kezelni tudja. A túlhevítést a lehető legalacsonyabb értéken és stabilan tartja. A fentiek miatt részterheléseknél jelentős a fűtési teljesítmény, és ezzel arányosan az SPFérték növekedése érhető el. (2. ábra)

A pitvarosi művelődési ház fűtési és hmv-rendszerének mért szezonális értékei Jelen cikk keretében példaképp a nagyobb teljesítményigényű művelődési ház fűtési és HMV-rendszerét vizsgáltuk meg. A 3000 lm3 fűtött térfogatú, külső hőszigeteléssel és radiátoros belső hő-

A hőbeviteli és fogyasztási adatok I. hőszivattyú mért adatai: Kompresszor futási ideje (h): 2630 A bevitt fűtési energiamennyiség (kWh): 92 950 A HMV-teljesítmény: 1916 II. hőszivattyú mért adatai: Kompresszor futási ideje (h): 898 A bevitt fűtési energiamennyiség (kWh): 27 580 A HMV-teljesítmény: 1023 A napkollektoros rendszerrel bevitt energiamennyiség (kWh): 18 000 Az összes mért elektromosenergiafogyasztás az összes cirkulációs szivattyúval (kWh): 40 229 A cirkulációs szivattyúk által felvett elektromos teljesítmény: 2 db 0,6 kW (kond.oldali) 2 db 0,9 kW (földoldali) 1 db 1,5 kW (fűtési c. sziv.) Összesen: 3,0 kW elektr. telj.

2. ábra – a lehetséges gőzbefecskendezéses körfolyamat leadókkal rendelkező intézményi épület fűtésére és HMV ellátására 2 db gőzbefecskendezéses körfolyamattal ellátott hőszivattyú lett betervezve. A tervezett maximális fűtési hőfoklépcső 62–550C, a beállított HMV-hőmérséklet 600C. A belső radiátoros hőleadó rendszeren változtatás nem történt. A belső radiátoros hőleadó rendszer szabályozására programozA magas fűtési hőmérsékleten működő ható termosztát lett beszerelve a hőszivattyús rendszer mért SPF-értéke sima manuális termosztát helyett. Pitvaroson 2001 nyarán elkészült két intézmény (művelődési ház, napközi otthon) geotermikus hőszivatytyús rendszere napkollektorokkal kombináltan. A hőszivattyús és napkollektoros rendszer a pályázati követelményeknek megfelelően hőmennyiségmérővel, a hőszivattyús rendszer elektromos almérővel rendelkezik. A beszerelt mérőberendezések alkalmasak arra, hogy elfogadható pontossággal meg lehessen határozni a hőszivattyú, valamint a kombinált rendszer SPF-értékét. A fűtési szezon végén leolvasták a mérőket, majd a kapott adatokból 1. kép – A pitvarosi művelődési ház hőszivattyús és napkollektoros kiszámolták az SPF-értékeket. rendszere

Az ilyen rendszerű hőszivattyúk SPFértéke radiátoros (magas fűtési hőmérsékletű) és zárt szondás hőnyerési módú rendszerek esetén is lényegesen meghaladja az 1. ábra szerint kiépített hőszivattyús rendszerek zárt szondás hőnyerési módú és alacsony hőmérsékletű (sugárzó fűtés) üzemének tapasztalt SPF-értékét.

Eredmények A hőszivattyúk összes futási óraszáma (h): 3528 A tervezett futási óraszám (h): 2766 A mért összes bevitt fűtési energia hőszivattyúkkal (kWh): 123 469 A tervezett (kWh): 97 160 kWh A hőszivattyú által elfogyasztott elektromos energia: 40 229 kWh-(3528h*3 kW)=29 645 kWh A tervezett elektromos fogyasztás (kWh): 19 000 A hőszivattyú mért SPF (SCOP) értéke: SPF=123 680 kWh/29645 kWh=SPFh= =4,17 A rendszer-SPF a primer cirkulációs szivattyúval: (123680 kWh/32820,2 kWh)= =SPFr=3,77 A tervezett: SPFr=(4,0) A rendszer SPF-értéke a napkollektorokkal: (primer és HMV cirk. szivattyúkkal) SPF=4,28 A számításból látható, hogy a tervezettnél 24%-kal nagyobb a szezonális energiabevitel.

19

Fenntarthatóság Ennek oka egyrészről a belső fűtés kezdeti, nem megfelelő szabályozása, rendkívül hosszan tartó hideg időszak mellett, amikor is a hőszivattyú a max. 60-620C-os előremenő hőfokon dolgozott. Ezenfelül az épület melletti sportcsarnok gázkazánjának téli meghibásodása után a fűtési rendszert rákötötték a hőszivattyús rendszerre, amely így a talajszondák hőmérsékletét is a letiltás közeli értékre csökkentette. Mindezek ellenére a hőszivattyú olyan SPF-értéket ért el (SPF=4,17), amelyet a hagyományos körfolyamattal (1.ábra) szerelt hőszivattyúk alacsony fűtési hőfokszinten sem képesek produkálni. A mért adatokból jól látható, hogy az EVI-körfolyamattal szerelt hőszivattyúk a radiátoros rendszerek átalakítás nélküli működtetésére alkalmasak úgy, hogy képesek jelentősen túlteljesíteni a Magyarországon elvárható SPFopt=3,65 értéket is! A kedvező eredményeket Radó Tibor, Pitvaros polgármestere is megerősítette, aki a szeptember 27-i Pitvarosi Élő Energia Konferencián hozzászó-

Fodor Zoltán (59) Mezőgazdasági gépész üzemmérnök, mérnöktanár, mezőgazdasági gépészmérnök, épületgépész szakmérnök. A geotermikus hőszivattyúk tervezésével, kivitelezésével és fejlesztésével foglalkozik. Olyan berendezések kifejlesztését végezte el, amelyek magas fűtési hőfokszinten minden eddiginél magasabb COP-értéken, és minden eddiginél magasabb SPF-értéken képesek működni. Ehhez kidolgozott egy új reverzibilis hőszivattyús körfolyamatot, amely szabadalmi mintaoltalmat kapott. 2012-ben megkapta a MÉGSZ legmagasabb kitüntetését a Meszlényi Zoltán Díjat. lásában kijelentette, hogy 50%-nál nagyobb, tehát a vártnál is több pénzügyi megtakarítást értek el a napkollektorral kombinált hőszivattyús rendszerrel. A fentiekből következően a meglévő intézmények fűtési rendszerének korszerűsítése Vaporline® hőszivattyúkkal gyorsan megtérülő beruházást eredményez, különösen akkor, ha figyelembe vesszük a pályázati lehetőségeket, hiszen a belső fűtési rendszer

átalakítására nincs feltétlenül szükség, csak a gázkazánokat kell lecserélni a hőközpontban, és a hőnyerési oldalt (szonda, kút, hulladékhő) kell kialakítani. Ezzel 50% feletti költségmegtakarítást eredményező rendszert kap az intézmény. Fodor Zoltán mg. gépészmérnök, épületgépész mérnök

Új hidraulikai labort adtak át a BME-n Február 15-én tartották a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnikai Tanszékén az ún. Stokes-laboratórium ünnepélyes átadását. Dr. Czigány Tibor dékán megnyitója után a főtámogató Grundfos részéről Török László és Jánvári József ügyvezető igazgatók mutatták be a Grundfos vállalatcsoportot. Dr. Láng Péter tanszékvezető köszönetet mondott a létesítmény megvalósításában közvetlen részt vevőknek, külön kiemelve a Kovács Pál és Társa Mérnökiroda Kft. és Norman Mérnöki Kft. tervezési munkáit, valamint a több mint 20 támogató szakcégnek a berendezések, szerelvények ingyenes vagy kedvezményes biztosítását. A laboratórium kialakításának szakmai vezetésében kiemelkedő szerepet vállaló Dr. Barna Lajos docens beszédében többek közt ismertette a Stokes-laboratóriumban kialakított mérőhelyeket, melyek alkalmasak az energetikai be-

20

rendezések üzemi jellemzőinek, a szabályozási körök és tárolótöltések, a keringető szivattyúk szabályozási módszereinek, a víz és a glikol hőhordozó közegű áramkörök beszabályozásának vizsgálatára stb. továbbá hőcserélők üzemviteli mérésére. A laborban az épületgépészeti, folyamat-

technikai és gépészeti eljárástechnikai, valamint az épületenergetikai és vegyipari szakirányok hallgatóinak alapés mesterképzése, továbbá doktori kutatómunka végezhető. A névadó Sir George Gabriel Stokes ír tudós-poltikus, aki a XIX században ért el jelentős tudományos eredményeket.

Szak-ma

[email protected]

A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása Előzetes hőszivattyú-kiválasztás I. rész A hőszivattyús technika sikeres, hatékony alkalmazása felkészültséget, széleskörű épületgépészeti ismeretet igényel azon szakemberektől, energiatanácsadóktól, tervezőktől, akik a megrendelőkkel kapcsolatba kerülve hőszivattyús rendszereket ajánlanak a lakó-, intézményi, ipari, mezőgazdasági épületek, uszodák fűtési-, hűtési- és HMV fűtési igényeinek biztosítására. A fentiekkel összhangban tapasztalható, hogy a hőszivattyúk szélesebb körű alkalmazásának egyik gátja, hogy a megrendelőkkel közvetlenül kapcsolatba kerülő szakemberek, energia-tanácsadók, tervezők megfelelő, rendszerezett ismeretek hiányában nem ajánlják az általuk újnak – az általánosan alkalmazott gázkazános rendszerekhez képest ismeretlennek gondolt, – költségesebb hőszivattyús rendszereket, amelyek előnyeiről, hatékonyságáról is eltérő vélemények léteznek. A MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyú Tagozata, segítve a hatékony hőszivattyús rendszerek szélesebb körű terjedését, – amely a jelentős CO2-kibocsátáscsökkentés lehetősége miatt mindanynyiunk közös érdeke – e cikkel kezdődően cikksorozatot indít. A cikksorozatban elsődlegesen a gyakorló szakembereknek, mestereknek, energiatanácsadóknak szeretnénk rendszerezett ismeretet nyújtani arra vonatkozóan, hogy milyen szempontok figyelembevételével lehet árajánlatot készíteni egy projektre, amelyben egy hatékony, ár-érték arányban kedvező hőszivattyús rendszert kívánnak alkalmazni. A hőszivattyús rendszer elemei •Hőszivattyú •Hőnyerési rendszer •Hőközponti elemek •Belső hőleadók

•Szabályozás Ahhoz, hogy egy hatékony, a megrendelő igényeit kielégítő hőszivatytyús rendszerre egy előzetes árajánlatot tudjunk adni, és ne legyünk egy hőszivattyú-forgalmazó saját érdekeinek kiszolgáltatva1, a fenti elemek hőszivattyús szempontból történő kiválasztására, összhangjára van szükség.

hőfokszintje alatt legyen. Ez az üzemmód a legtöbb esetben a beruházási igény jelentős növekedését generálja,, és így a megtérülési idő növekszik. Bivalens üzemmód Bivalens üzemben a hőszivattyút fűtőüzemben egy másik hőtermelő (pl. gázüzemű fűtőkazán) egészíti ki. Egy meghatározott külső hőmérsékleti értékig (bivalencia hőmérséklet) a hőszivattyú teljes mértékben fedezi az épület fűtési igényét. A bivalencia hőmérséklet alatt a hőszivattyú kikapcsol, és a kiegészítő hőtermelő (pl. kazán) egyedül biztosítja az épület hőellátását. A hőszivattyúról a kiegészítő hőtermelőre történő átváltást a hőszivattyú szabályozója végzi. A teljes hőszivattyús rendszerre számítandó kisebb beruházási költségek miatt a bivalens üzemmód főleg a régebbi, felújított épületekben lévő fűtőkazános rendszereknél javasolt.

A hőszivattyú kiválasztás szempontjai •A számított, maximális fűtési-hűtési teljesítményigény •Az alkalmazni kívánt hőfokszint •Az ellátandó funkciók •A HMV-előállítás •A hőszivattyú szabályzása Monoenergetikus üzemmód A hőszivattyúra számítandó kisebb beA számított, maximális fűtési-hűtési ruházási költségek miatt a monoenerteljesítményigény getikus üzemmód a monovalens Az épület számított hővesztesége/kW/ működésű hőszivattyúval szemben jeA szondatervezéshez elsőként az épület lent gazdaságossági előnyt. Általános lehetőség szerint pontos hőveszteség- rendszerkonfiguráció esetén a hősziszámítását kell elvégezni az adott terü- vattyú fűtőteljesítményét az épület letre, a szabványban meghatározott maximális hőszükségletének kb. legalacsonyabb külső léghőmérsékleti 70–85%-ára (az EN 12831 szabvány hőfokszintre. A pontos számítás a rend- szerint) célszerű méretezni. Ebben az szer ár-érték arányát tekintve nagy je- esetben a hőszivattyú éves fűtési fedelentőségű, hiszen a hőszivattyús zeti aránya kb. 95–98%. A kiegészítő fűrendszereket túltervezni célszerűtlen, tést célszerű egy puffertartályba épített költséges, ami a rendszerek megítélését elektromos fűtőbetéttel megoldani, erősen rontja! amelyet szükség esetén a hőszivattyú A hőszivattyús rendszerünk üzem- szabályzója indít, automatikusan. módja a hőszivattyú-teljesítmény kiválasztásának függvényében lehet: A kiválasztott hőszivattyú paraméterei •monovalens Ahhoz, hogy megfelelő teljesítményű •bivalens hőszivattyút tudjunk választani, min•monoenergetikus denképp tudni kell, hogy a legnagyobb terhelésnél milyen hőfokszintet kell Monovalens üzemmód biztosítani a fűtési oldalon. Tudni kell A csúcsigényre méretezett teljes fűtési- azt is, hogy a legnagyobb terhelésnél kapacitás igényt a hőszivattyú látja el. hány fokig tervezzük lehűlni a talajból Ennek előfeltétele, hogy a maximálisan feljövő folyadék hőmérsékletét2. szükséges fűtési hőfokszint a hőszivattyú maximálisan lehetséges fűtési

1

Gyakori eset, hogy egy forgalmazónak elkötelezve a tervezett projektre közvetlenül tőle kérnek árajánlatot, amely sok esetben azt okozza, hogy nem a rendszer igényeinek hatékony kielégítésére keresnek megfelelő hőszivattyút, hanem az adott hőszivattyút igyekeznek az igényekhez igazítani sokszor komoly veszteségek árán! 2 Szondaterv ilyenkor még nem áll rendelkezésre, ezért javaslatom szerint 3-5 0C közé célszerű felvenni ezt a hőfokszintet. Magasabb hőfok növeli a szondaszámot, és javítja az SCOP értéket.

29

Szak-ma Mintapélda: A hőszivattyúval fűtendő épület maximális teljesítményigénye: 19,2 kW. Sugárzó fűtéssel van ellátva, és a legnagyobb terhelésnél a tervezett fűtési hőfok: 50 0C. Használatimelegvízigény van. Az épület nyári hőterhelése: 9,2 kW. Zárt szondás hőnyerési módban gondolkodik a megrendelő. A legnagyobb terhelésnél 3 0C-ra engedjük lehűlni a talajt. Monoenergetikus fűtési üzemmódot kívánunk megvalósítani 70%-os bivalenciával. Ekkor a legnagyobb terhelésnél egy 13,4 kW fűtési teljesítményű hőszivattyút kell választanunk . A hőszivattyútípus fűtésiteljesítményigényre történő kiválasztásához az alkalmazni kívánt hőszivattyúcsalád

1. ábra

2. ábra Hőszivattyú teljesítménytáblázata valós fűtésiteljesítmény-jelleggörbéjére, vagy teljesítménytáblázataira van szükség. Jelen esetben egy 50 0C-os fűtési hőmérsékletes táblázat áll rendelkezésre a kiválasztott hőszivattyútípusból. A teljesítményt ELT = 3 0C bemenőfolyadék-hőmérsékletnél kell megvizsgálni.

30

Látható, hogy ennél a feljövőfolyadékhőmérsékletnél a fűtési teljesítmény 13,7 kW. A monoenergetikus fűtési üzemmódra így ezt a hőszivattyútípust megfelelőnek mondhatjuk. A kiválasztást azonban minden szempont együttes vizsgálata alapján lehet megfelelően elvégezni, így a fentiek alapján közel

sem biztos, hogy készülékünk alkalmas a feladat energiahatékony ellátására. A következő részekben ezért a különböző szempontok szerinti vizsgálatot tovább folytatjuk. Fodor Zoltán mg. gépészmérnök, épületgépész mérnök

Szak-ma

A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása

megtévesztően magas elérhető fűtési hőfokszintet adnak meg.

Az R410 hűtőközeg esetében, az elpárologtató oldalon a víz/hűtőközeg hőfokkülönbségét, DT=5… 60C-nál közelebb hozni egymáshoz. lemezes elpárologtatók alkalmazá• Alkalmas-e a hőszivattyú magas sával nem lehet. Ez azt jelenti, hogy hőfokú üzem megvalósítására? 00C-os talajból feljövő folyadék hő• Magas hőfokszinten milyen a pil- mérsékletnél, az elpárolgási hőfoklanatnyi COP, és mi a várható SCOP szint -50C lehet. érték, a hőszivattyús rendszer szinten? Kondenzátor oldalon, megfelelően nagyméretű kondenzátor alkalmaMagas hőfokú üzem alkalmasságá- zásával, optimálisan a DT=10C-t nak eldöntésére, elviekben, a hőszi- meg lehet valósítani. vattyú gépkönyve, illetve a műszaki leírása adhat útmutatást. Sajnos Emiatt, ha valójában a 00C/350C eltalálkozhatunk félreérthető, vagy párologtató/kondenzációs hőfokszintre adják meg a maximális fűtési hőfokszintet, akkor az alábbi ábra alapján az adott kompresszornál 610C a kondenzációs hőfokszint, amit ilyen esetben azonosítanak az elérhető fűtési hőfokszinttel.

A hőszivattyú választás alapelvei II. rész Hőszivattyú választás, a hőleadó és a hőnyerő rendszer hőfokszintje alapján A gyakorlatban, a hőleadó oldalon alacsony és magas hőmérsékletű hőleadó rendszereket különböztetünk meg. Igazodva az alkalmazott kompresszorok működési tartományához 55 0C-ig alacsony hőmérsékletű, azon felül 63 0C-65 0C-ig, magas hőmérsékletűnek nevezzük a hőleadókat.

1. ábra – R410A hűtőközeggel működő hőszivattyú működési tartománya Alacsony hőmérsékletű (55 0C alatti) üzem Az alacsony hőmérsékletű rendszerek működtetésére a forgalomban lévő hőszivattyúk bármelyike alkalmas, természetesen különböző COP értékeken. A kiválasztást egyértelműen a hőszivattyús rendszerrel elérhető SCOP (SPF) érték alapján célszerű elvégezni.

éppen megtévesztő adatsorokkal, ezért az egyedüli legjobb eligazodási pont, az alkalmazott kompresszor működési tartományának az ismerete. (lásd: 1. ábra)

A valóságban azonban, a 00C/350C folyadék-víz hőfokszinthez optimális esetben -5/360C elpárologtató/ kondenzációs hőfokszint tartozik. Az 1. ábra alapján a -50C-os elpárologtató hőfokszinthez, maximálisan 560C-os kondenzációs, és 550C-os fűtési hőfokszint tartozik. (Az esetlegesen megadott 610C maximális fűtési hőfokszint, igen félrevezető lehet!) Amennyiben egy zárt szondás rendszernél szükség esetén egészen 70C-ig akarjuk működtetni a hőszivattyút, akkor az 1. ábra alapján csak 540C a kondenzációs, és ennek megfelelően 530C a fűtési előremenő maximális hőfokszint. Ennél magasabb értéket, a puffertartályon nem lehet beállítani, mert mindig a működési tartományon belüli, legalacsonyabb értéket kell figyelembe venni.

Sajnos találkozni lehet olyan hőszivattyú leírásokkal is, ahol egyetlen, a szabványban előírt 00C/350C folyadék-víz hőfokszintre adták meg az elérhető maximális hőfokszintet. Magas hőmérsékletű (550C feletti) Gyakorlatban elterjedt az is, hogy a üzem megadott adatokban egyenlőség A magas hőmérsékletű hőleadók jelet tesznek az elpárologtató-kon- A készülékleírásokban szereplő legüzemeltetésére alkalmas hőszi- denzátor, valamint a folyadék-víz magasabb fűtési hőfokszinteket vattyúk kiválasztási szempontjai: hőfokszintjei közé, és ezzel egy emiatt esetenként fenntartással

28

[email protected] kell kezelni és a működési tartományon belül célszerű ellenőrizni. Pillanatnyi COP-, és a várható SCOPérték hőszivattyús rendszerszinten. Amennyiben magas hőfokszintre akarunk hőszivattyút választani, és a COP-, illetve az SCOP-értékek maximalizálására törekszünk, akkor a hőszivattyús körfolyamatokat kell vizsgálni. Erre a célra mindenképp EVI (Enhanced Vapor Inject) körfolyamattal szerelt hőszivattyútípust célszerű választani, a következők 2. ábra – Alap hőszivattyús körfolyamat miatt. rendszer alkalmazását magas hő- A kiválasztásnál a hőszivattyú gépmérsékletű radiátoros rendszerek könyvére, műszaki adataira kell Az alap hőszivattyús körfolyama- üzemeltetésénél. hagyatkozni, amelyben az alkal toknál használt kompresszorok mazhatóság hőfokhatárait, a maxiCOP-értéke -40C (660C elpárolgási) Hőszivattyú kiválasztása málisan elérhető COP-értékét meg kondenzációs hőfokszinten. kell, hogy jelöljék. Azt csak a gyártó a hőnyerés hőfokszintje alapján A hőnyerési oldalon alkalmazott tudhatja, hogy a betervezett expanMint alább látható, ebben a kategó- közeg lehet folyadék (víz-fagyálló ziós szelep milyen hőfoktartományt riában is vannak olyan új fejlesztésű keverék) zárt szondás, kollektoros, tud átfogni, kezelni, s a kondenzákompresszorok és így hőszivattyúk, illetve tószondás rendszerek ese- tor, illetve elpárologtató oldali hűtőamelyek alkalmasak a teljes földhő tén, vagy tiszta víz nyitott kutas közeg-víz oldali DT-értékek hogy hőszivattyús működési tartomány- rendszerű hőnyerési módok esetén. alakulnak az adott hőszivattyúnál. ban erre a hőfokszintre. A kérdés Az elpárologtató hőmérsékletek csak az, hogy milyen COP-értéken. alakulása zárt szondás (folyadék- Különösen érdekes a hőszivattyúvíz) rendszereknél általában -70C és választás akkor, ha egy kereskedeAz EVI kompresszorral szerelt -100C közötti érték, és ennek meg- lemben kapható hőszivattyút hőszivattyúk COP-értékének felelően általában az elpárologta- viszonylag magas (20–250C) hőméralakulása, 4 0C (66 0C elpárolgási) tóba bemenő folyadék lehetséges sékletű, elfolyó termálvíz hasznosíkondenzációs hőfokszinten. hőmérséklete -30C és -150C között tására akarunk alkalmazni. Mint a 5. ábrából kiolvasható, egy alakul. ugyanolyan teljesítményű legújabb Ehhez lehetőleg olyan kompreszfejlesztésű R410A hűtőközeggel Az elpárologtató hőmérsékletek szorral szerelt hőszivattyút célműködő kompresszorhoz képest alakulása nyitott kutas (víz-víz) szerű alkalmazni, amelynek a egy gőzbefecskendezéses komp- rendszereknél általában 10C és legmagasabb az elpárologtatási hőresszor 0,5-tel nagyobb COP-értéket -130C közötti érték, és ennek meg- mérséklete. ér el magas kondenzációs hőmér- felelően általában az elpárologtasékleten. tóba bemenő folyadék lehetséges A 6. ábrán egy EVI kompresszor hőmérséklete 50C és -180C között működési tartománya látható, Ez mindenképp indokolja az EVI alakul.1 amely alapján a maximális elpárol-

3. ábra – A kompresszor COP-értéke

4. ábra

1

Az 1. ábrából látható, hogy az adott kompresszor maximális elpárolgási értéke 130C

29

Szak-ma gási hőmérséklet 170C. Szabványos méretezés esetén ezzel a kompresszorral szerelt hőszivattyúval max. 230C-os hőmérsékleten tudjuk hasznosítani az elfolyó termálvizet, amelyet egészen 670C-os kondenzációs hőmérsékletig (630C fűtési előremenő) lehet melegíteni. Egy ilyen (lásd: 6. ábra) magasabb elpárologtatási hőmérsékletű kompresszor alkalmazása együtt jár a maximálisan elérhető COP-érték növekedésével, és így az ezzel szerelt hőszivattyút a magas hőmérsékletű hulladékhő hasznosítására sokkal hatékonyabban lehet alkalmazni.

Ilyen esetekben a mélyebb szakmai tájékozódást nem célszerű elmulasztani, mivel a megengedettnél lényegesen magasabb elpárologtató oldali tápvíz hőmérséklete erőteljes túlhevítést, és a hőszivattyú alacsony oldali nyomásra történő letiltását, a rendszer működésképtelenségét eredményezheti. A hőszivattyú-választás részletezett szempontjai mellett nagyon lényeges szempont, hogy a különféle funkciókra, feladatokra válasszunk megfelelő, a feladatot leghatékonyabban ellátó hőszivattyúkat, és ne azt a gyakorlatban sajnos elterjedt

5. ábra

megoldást válasszunk, hogy egy általunk ismert hőszivattyút igyekezzünk olyan feladatok ellátására alkalmazni, amelyekre azokat gyárilag nem készítették fel, és így az egyes feladatokat nem a leghatékonyabban, nem a legkisebb költséggel tudják ellátni. Erről a témáról cikksorozatunk következő fejezetében olvashatnak. Fodor Zoltán mg. gépészmérnök, épületgépész mérnök 6. ábra – Gőzbefecskendezéses (EVI) kompresszor működési tartománya

Vaporline® Geotermikus hőszivattyúk melegvíz-előállítás, 10–100 kW egység-teljesítmény Magyar Termék Nagydíj 2012. Magyar fejlesztés, magyar munkahelyek Geowatt Kft. 1097 Budapest, Kén u. 6. +36 1/210-0219; +36 20/967-1553 [email protected], www.geowatt.hu

30

Szak-ma

[email protected]

A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása

megnövekedett a kondenzátorban a fűtési rendszernek leadott hőmennnniség, de a kompresszor elektromos

A hőszivattyú választás alapelvei III. rész Az EVI körfolnamat jellemzői, hatékonnsága A cikksorozat előző részében említésre került az EVI (Enhanced Vapor Inject) körfolnamat, ameln alkalmas és hatékonn megoldás magas hőmérsékletű radiátoros rendszerek energia ellátására. Az érthetőség miatt e cikk keretében röviden bemutatásra kerül az EVI körfolnamat.

1. ábra – Az EVI felépítése Az EVI körfolyamat működése Az 1. ábrán látható, hogn az elméleti csak fűtő körfolnamattól (amelnben a szokásos elemek a kompresszor, kondenzátor, elpárologtató, expanziós (TEV) szelep), annniban különbözik az EVI körfolnamat, hogn a kondenzátor után, a hűtőkörben egn ekonomizernek nevezett hőcserélő épül be, saját expanziós szeleppel. Ekonomizer feladata A kondenzátorból távozó folnadék állapotú, viszonnlag magas hőmérsékletű (kondenzációs hőmérséklet mínusz 1-20C-os utóhűtés) hűtőközeg, két úton halad tovább (lásd: 1. ábra). A főkörben, az ekonomizer (belső hőcserélő) folnadék oldalán halad keresztül. A másik ágon pedig egn expanziós szelepen keresztül kerül az ekonomizer gőz oldalára a hűtőközeg. Az expanziós szelepen áthaladva a fojtás miatt Δt=50C hőmérséklettel esik a folnadék állapotú hűtőközeg hőmérséklete (lásd: 3.

ábra). A Δt=50C-os hőfokkülönbség hatására az ekonomizer folnadék oldalán (főkör) áthaladó hűtőközegből hő áramlik a gőz oldalra. A gőz oldalon, a hűtőközeg entalpia növekedése halmazállapot változást eredménnez, és az expanziós szelep szabálnozta túlhevítés miatt, az ekonomizert elhagnó gőz hőmérséklete 50C-al magasabb, mint amelnen az elpárolgás történt (lásd: 3. ábra, Tsi). A növelt entalpiájú, gőz halmazállapotú hűtőközeg hőfokszintje, lénnegesen alacsonnabb a kompresszor túlhevítési hőmérsékleténél. A kompresszor nnomóoldalára befecskendezett hűtőközeg gőz, csökkenti a hűtőközeg túlhevítési hőmérsékletét, és ígn lénnegesen magasabb kondenzációs hőmérséklet érhető el az R47C hűtőközeggel (max.670C), ezzel aránnosan magasabb kimenő fűtővíz hőmérsékletet (max.63,50C) eredménnez.

2. ábra – Ekonomizer működése

3. ábra – EVI körfolyamat lg p-h diagramja

energia felvétele nem változott. A két érték hánnadosa, azaz a COP érték A magas fűtési hőmérséklet az egyik nagnobb lett. hatása az ekonomizer, és az EVI kompresszor alkalmazásának. A körfolyamat COP értékének növekedése a másik igen jelentős Az ekonomizerben a hőfokkülönbség hatása az EVI körfolyamatnak. hatására létrejövő hőátadás, az ekonomizer folnadék oldalán (főkör) erő- A gőzbefecskendezés hatása nem teljes hőfok csökkenést, a hűtőközeg aránnos minden hőfoktartománnban. erőteljes utóhűtését eredménnezi. A legnagnobb mértékben az alacsonn Az erőteljes utóhűtés hatása nnomon elpárolgási, és az ehhez tartozó követhető a lg p-h diagramon (lásd: 3. magas kondenzációs hőmérsékleteábra, ΔTsc= Tli-Tlo). A diagramban az ken fejti ki hatását, ezzel jelentősen „m” szakasz hossza az elpárolgási növelve a COP értéket (lásd: előző szakaszban a felvett hőmennniséggel cikk). aránnos. Látható, hogn az ekonomi- Az EVI körfolnamattal szerelt hőszizerben létrejövő utóhűtés hatására az vattnúknak, alacsonn fűtési hőmérelpárologtatóban felvett hőmennni- sékleten is van létjogosultsága. A ség a ΔTsc szakasz hosszával körfolnamat COP értéke kedvezőbb az megnövekedett, ugnanakkor a komp- egnszerű körfolnamathoz képest. Az ressziós munka nem nőtt. Természe- EVI hőszivattnúk nem érzékennek a tesen, a ΔTsc hőmennniséggel a tervezettnél nagnobb terhelésnek kikondenzátorban leadott hőmennni- tett, és emiatt a tervezetthez képest ség is nagnobb lett (3. ábra, m+i sza- jobban lehűlő szondák okozta COP, ilkasz). letve SCOP-érték csökkenésre. A hűlő Egnértelmű tehát, hogn jelentősen szondákkal aránnosan nő a gőzbe-

25

Szak-ma fecskendezés hatékonnsága, ígn gnobb élőmunkát és annaköltséget nagnrészt kompenzálja a COP-érték kíván. csökkenést. A magnar hőszivattnú fejlesztés ezt az utat választotta és dolgozta ki, azt Valós hőszivattyús körfolyamat az EVI reverzibilis (fűtő-aktívhűtő) Az EVI körfolnamat (lásd: 1. ábra), va- körfolnamatot, amelnbe minden lamint a cikksorozat előző részében olnan elem be van építve, ameln elővázolt (lásd: 2. ábra) egnszerű körfo- segíti az optimális SCOP elérését. lnamat megvalósítása, egn működőképes készüléket eredménnezhet. A forgalomban lévő hőszivattnúk je- Hőszivattnús körfolnamlentős része, az egnszerű (elvi) körfo- atok hatékonnságnövelő lnamat alapján készül (lásd: előző cikk 2. ábra) a háztartási hűtőgépek min- elemei tájára. Elektronikus expanziós szelep (EEV) Alkalmazása önmagában 10-30%-al Egnszerű körfolnamat hátránnai: növeli az elérhető SCOP (SPF) (szezo– Folnamatosan ingadozó kimenő fű- nális teljesítménn faktor) értékét. tési teljesítménnnél, az elméletileg le- Feladata, a hűtőközeg adagolása az hetségestől jelentősen kisebb a SCOP elpárologtatóba oln módon, hogn az (SPF) érték. elpárologtató utáni túlhevítés stabi– A hőszivattnúk üzemére jellemző, lan, de a lehető legkisebb értéken változó kondenzációs nnomás által megvalósuljon. előidézett hűtőközeg töltetvándorlás A túlhevítés, a körfolnamat „szüksénincs kezelve, ezáltal részterhelések- ges rossz” része, ameln biztosítja, nél nincs COP-érték emelkedés. Ez hogn a kompresszorba nem kerül foszintén erőteljesen csökkenti az elér- lnadék halmazállapotú hűtőközeg. A hető SCOP (SPF) értékeket! növekvő túlhevítés miatt, az elpáro– Magas hőfokú fűtési rendszerek ha- logtató nagnobb részét tölti ki gőz halmazállapotú hűtőközeg, ezzel tékonnan nem üzemeltethetők! – Csak a fűtési funkciók ellátására al- csökken a hőátadó felület és az elpákalmasak hatékonnan. rologtató teljesítménne. Ezen hátránnokat kiküszöböli, a ma- A legtöbb hőszivattnúban alkalmagnar fejlesztésű hőszivattnúcsalád, zott termosztatikus expanziós (TEV) amelnnek körfolnamata a 4. ábrán szelepek tulajdonsága, hogn a gnárilátható. lag 5 0C-os túlhevítésre beszabálnoA körfolnamatba olnan hűtőköri ele- zott szelepek, a működésük során mek beépítése vált szükségessé, 3-10 0C közötti tartománnban képeamelnek bonnolítják a körfolnamatot, sek tartani a túlhevítést. Az ingadoez által a hőszivattnúk előállítása na- zás folnamatos (lásd: 5. ábra). Az

ingadozás mértéke a hőszivattnús rendszerekben nagnobb, mint a hűtőgépeknél, mert a hőszivattnúk folnamatosan változó külső paraméterek alapján működnek, ezért a belső nnomásváltozások is nagnmértékűek és viszonnlag gnorsak. Az expanziós szelepek lengését felerősíti az a körülménn, hogn a hűtőkörben nincs olnan elem, ameln a nnomáskiegnenlítést nagnrészt megoldja. Az expanziós szelepek előtti nagymértékű nyomásingadozást, egy jól méretezett, viszonylag nagyméretű hűtőközeg tartállyal meg lehet oldani, amely sajnos a mai hőszivattyús készülékek nagy többségében nincs! A PID szabálnzású EEV szelepek, egn rövid beállási idő után, stabilan és alacsonn értéken képesek tartani a túlhevítés értékét. A stabilan és lehető legkisebb értéken tartott túlhe-

5. ábra – A termosztatikus (TEV) és elektronikus (EEV) expanziós szelepek tulajdonságai vítés ígn javítja a hőszivattnú SCOP (SPF) értékét. A legkisebb értékű túlhevítést (min. 30°C), az EEV szelepek is csak akkor képesek stabilan tartani, ha a körfolnamatban a szelepek előtti nnomásingadozás, az előzőekben leírt módon kezelve van.

4. ábra – EVI reverzibilis körfolyamat (mintaoltalommal védett)

26

Hűtőközegtartály (receiver) Egnszerű szerkezet, de nagnon fontos szerepe van a hőszivattnús rendszerekben. A előzőkben leírt nnomáskiegnenlítésen túl, az alábbi feladatokat képes ellátni: – Modulálja a hűtőközeg mennniségét a körfolnamatban. – Kompenzálja a szükséges hűtőkö-

[email protected] zeg mennniség különbséget, a hűtési és a fűtési üzemmód között, az öszszes, illetve egn adott működési tartománnban. – Segíti a nagnobb rendszer teljesítménn elérését magasabb elpárolgási hőfokszinteken, részterheléseknél. A hűtőközegtartáln működése, jelentősége Dr. Jakab Zoltán HKL-ben megjelent cikke alapján jól értelmezhető: „Egn jól működő adagolóval táplált elpárologtatóban az üzemviszonnok változásakor a hűtőközegtöltet is változik: csökken vagn növekszik. Emiatt időnként bizonnos mennniség kiszorul, vagn épp ellenkezőleg: utántöltésre van szükség. A kérdés az, hogn hová szorulhat ki, illetve honnan pótlódhat? A válasz egnértelmű: ha van a rendszerben egn megfelelő méretű folnadékgnűjtő (avagn ha nagn gőzterű a kondenzátor), akkor ezzel a kérdés megoldódik: a fölösleg itt gnűlik össze, a hiánn innen pótlódik. De ha nincs, akkor ezt a funkciót csak a folnadékvezeték térfogata veheti át. Ámde ez a térfogat a feladat szempontjából általában túl kicsinek bizonnul. Ilnenkor az össztöltet megoszlása a kondenzátor és az elpárologtató között kétféleképp módosulhat: ha az elpárologtatóból kiszorul a „normál” töltet egn része, akkor az csak a kondenzátor csöveiben gnűlhet fel. A felgnülemlés miatt lecsökken a

kondenzátor hasznos felülete, ami miatt azután megnövekszik a kondenzátor-nnomás és következőleg a kompresszor munkaszükséglete is. Ha viszont az elpárologató jó elárasztásához több hűtőközeg kellene, mint „normál” esetben, akkor hűtőközeg hiánn jelei fognak mutatkozni. Az adagoló nnit, de tartalék hiánnában a kondenzátorból nemcsak folnadék-, hanem vele egnütt gőzállapotú hűtőközeg is fog átáramlani az elpárologtatóba. Az ellátási hiánn miatt a hűtőteljesítménn csökkenésével és a fajlagos hűtőteljesítménn romlásával kell számolnunk, mert a kondenzátorból átjutó gőz nem „hűt”, viszont el kell onnan szállítani. Gnakran találkozhatunk mégis olnan léghűtésű, kompakt, hűtőközeggel gnárilag feltöltött „klíma vízhűtők”kel, amelnek hűtőköreiben nincs folnadékgnűjtő. Ezzel kétségtelenül egnszerűsödik a hűtőrendszer, csökken a potenciális szivárgáshelnek száma is, sőt az elmaradó tartáln (és szerelvénnei) révén olcsóbb is egn ilnen berendezés. A vízhűtők folnadékgnűjtőjének elhagnása azonban több szempontból is vitatható. A klímaberendezések terhelésingadozása az év folnamán közismerten igen nagn, ezért jelentős töltetvándorlás várható. Ha pedig a „puffer” hiánnzik, a töltetvándorlás említett hatásai miatt szükségszerűen megnő az éves üzemeltetési költség.”

A fenti megállapítás, különösen igaz a hőszivattnúkra, amelnek folnamatos és nagnmértékű terhelésingadozásnak vannak kitéve. A fentiek ellenére, az EU-ban forgalomban lévő hőszivattnúk többsége nem tartalmazza a hűtőközeg tartálnt!

Összegzés Ezen cikk keretében részletezett technikai információk alapján is látható, hogn a forgalomban lévő hőszivattnús készülékek alkalmazhatósága, hatékonnsága között még akkor is nagn különbségek lehetnek, ha ismert és mértékadó tesztlaborok is bizonnítják a készülékek előírt COP értékének megvalósulását. Ez az érték nem más, mint egn hőfokszintre vonatkozó, stabil hőfokszinten, és nem változó külső paraméterek alapján mért pillanatnni érték. A fenti megállapításon túl, a cikksorozat ezen részében olnan főbb tájékozódási pontokat szerettem volna a hőszivattnúk megítélése vonatkozásában közölni, ameln a kiválasztást, és a hatékonn alkalmazást megkönnnníti a tervezők, kivitelezők és természetesen a beruházók számára. Fodor Zoltán Fejlesztőmérnök MÉGSZ Geotermikus Hőszivattnús Tagozat elnöke

Vaporline® Geotermikus hőszivattyúk melegvíz-előállítás, 10–100 kW egység-teljesítmény Magyar Termék Nagydíj 2012. Magyar fejlesztés, magyar munkahelyek Geowatt Kft. 1097 Budapest, Kén u. 6. +36 1/210-0219; +36 20/967-1553 [email protected], www.geowatt.hu

27

Szak-ma

A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása A hőszivattyú-választás alapelvei IV. rész A funkciókra történő kiválasztás a hatékonyság és a beruházási költségek optimalizálásával. Aktív-passzív hűtés

1. Aktív hűtés 2. Passzív hűtés 3. Kombinált hűtés (aktív/passzív)

problémamentesen, az elméletileg lehetséges hatékonyságot (COP-érték) megközelítve kell stabilan működnie. A hatékony és stabil működés feltételezi a kondenzátor és elpárologtató méretezésén kívül a hőszivattyú szívó-nyomó és folyadékvezetékének pontos hidraulikai méretezését, a működés hőfokszinthatárainak pontos meghatározását. A körfolyamat megfordítása a kondenzátor és elpárologtató azonos áramlásúvá válását eredményezi, amely rontja a hatékonyságot. Az elpárologtató ellenáramúvá tétele hűtési üzemmódban is megoldandó feladat stb. A fentiek ismeretében jobban érthetővé válik, hogy a forgalomban lévő hőszivattyúk legtöbbje nem reverzi-

Az aktív hűtés Azt jelenti, hogy a hűtőkörfolyamat reverzibilis (megfordítható). Ez egy bonyolultabb körfolyamattal, beépített fordítószeleppel3, szabályozással, A cikksorozat előző, III. része bemu- védelmi funkciók számának növelétatta, hogy a hőszivattyúknál alkalma- sével oldható meg. zott körfolyamatok és beépített szerkezeti elemek hogy befolyásolják az alkalmazhatóságot, ezen belül bemutatásra került egy EVI rendszerű multifunkciós körfolyamat ábrája1 is. A bemutatás azonban a sorozat e részében csak az EVI-körfolyamatra2 korlátozódott, a cikk nem foglalkozott a „multfunkció” biztosította lehetőségekkel, előnyökkel a hőszivattyúk funkcióra történő kiválasztásakor. E cikk keretében az épületek hűtési igényeinek biztosítása kerül bemutatásra hőszivattyúval. Megvizsgáljuk, hogy milyen hűtési megoldások lehetségesek hőszivattyúk alkalmazásakor, és milyen rendszerű készülékek kiválasztása adja a leghatékonyabb megol- 1. ábra – Reverzibilis EVI hőszivattyús körfolyamat dást. A hőszivattyúk – az érzékelhető klíma- Kötöttséget jelent, hogy a kondenzátor bilis /fűtő-aktívhűtő/, hanem egyváltozás, a szélsőséges hőmérsékleti és elpárologtató funkciók felcserélődé- szerű fűtő hőszivattyú. értékek, a mind hosszabban tartó nyári sével ezek méretét azonosra kell mé- A reverzibilis geotermikus hőszivatyhőség növekedésével – mindinkább retezni, és azonos tömegáramot kell tyú előállítása természetesen többe előtérbe kerülő funkciója a fűtés és a mindkét oldalon tervezni. Ez a megol- kerül, mint egy csak fűtő hőszivattyú. HMV-előállítás mellett a hűtési funk- dás magas COP-értékű készülékeknél Kiemelkedő előnye, hogy teljes kapació. A hűtési rendszerek ismerete azért feltételezi a kondenzátor és elpárolog- citással képes 6 0C hőmérsékletű hűfontos, mert a hőszivattyús rendszerek tató nagy méretét, aminek természe- tővíz előállítására, a split klímákhoz hatékonyságát a hűtési feladatokra a tesen költségvonzata van. képest lényegesen jobb COP (EER) = nem megfelelő hűtési rendszerrel ellá- A rendszer tervezése sokkal komo- 6–8 értékkel, zárt szondás és nyitott tott és kiválasztott hőszivattyús ké- lyabb tervezői ismereteket feltételez, kutas hőnyerési rendszerek esetészülékek jelentősen befolyásolják, és hiszen – csak egy problémát említve ben. Ez a hőszivattyú a legnagyobb emellett a szabványos hőkomfortot – hűtési üzemmódban sokkal na- nyári melegben is képes ellátni az sem képesek biztosítani. gyobb hűtőközeg-tömegáramokra egész épület hűtését. NélkülözhetetA geotermikus hőszivattyús rendsze- van szükség, mint fűtési üzemmód- len az alkalmazása nagyobb hőterherek esetében lehetséges hűtési meg- ban, és ezeken a jelentősen eltérő hő- lésű épületeknél (intézmények, oldások: fokszinteken a hőszivattyúnak kórházak, bankok, irodaházak, bevá1

lásd.: 1. ábra Enhanced Vapor Inject (gőzbefecskendezéses körfolyamat) 3 1.ábra. (10.) 2

23

Szak-ma sárlóközpontok). Komoly környezeti előnye, hogy az épületekből elvont hő nagy részét - amelyet nem használunk HMV-termelésre – a talajba viszszavezeti, ahonnan azt télen kivehetjük, így nem növeljük a környezet hőterhelését, egyben javítjuk a fűtés hatékonyságát. Levegő-víz, levegő-levegő hőszivattyúknál ez az előny elvész! Családi házaknál a vertikális (függőleges) zárt szondás hőnyerési rendszereknél javasolt az alkalmazása, a szondák viszonylag gyors hőfokemelkedése miatt. Passzív hűtés Passzív hűtés esetén a hőszivattyú hűtőkörének a hűtési körfolyamatban semmi szerepe nincs. Ebben az esetben a hőszivattyú elpárologtató folyadék (föld) oldalához egy hőcserélő, szivattyú, háromjáratú szelep és egy szabályozó van illesztve, amellyel

Emellett forgalomban vannak olyan hőszivattyúk is, amelyekbe a passzív hűtő hőcserélőt és az útváltó szelepet (3. ábra) beépítik. Ez a megoldás sem tévesztendő össze a reverzibilis hőszivattyúk aktív hűtő üzemmódjával!

legedik 3–50C-t, a 18–200C-os feljövő folyadék hőmérsékletével úgy, hogy még egy hőcserélő is települt a folyadék oldalon. Emiatt az épület helyiségeinek megfelelő 260C-os belső léghőmérsékletet nem lehet tartani, még sugárzó hűtőfelület esetén sem.

A tapasztalatom az, hogy a forgalmazók egyes esetekben úgy értékesítik ezeket a készülékeket, mint teljes értékű hűtést megvalósító hőszivatytyúkat, amelyhez alig kell elektromos energiát a rendszerbe vinni. Ez megtévesztés, mert a hűtési forma valójában a hőszivattyús körfolyamattól független megoldás.

A kombinált rendszer A leghatékonyabb, de egyben a legdrágább megoldás a kombinált rendszer alkalmazása. Ehhez mindenképp szükséges egy reverzibilis aktív hűtő hőszivattyú (1. ábra), amely aktív kompresszoros hűtést valósít meg, igen magas COPértéken. Az ilyen hőszivattyúhoz illeszthető egy olyan külső passzív hűtőegység (lásd: 2. ábra 2. és 3. pont), melynek működését a reverzibilis geotermikus hőszivattyú beépített szabályzója kezel. A rendszer működése hűtési üzemmódban a passzív hűtéssel kezdődik. A szabályzó ebben az esetben csak a föld oldali cirkulációs szivattyút indítja, és az útváltó szelepet a passzív hűtő üzemmódba állítja. A passzív hűtő üzemmód addig működik, míg a feljövő folyadék hőmérséklete a szabályzó programjába beállított hőmérsékletet el nem éri. Ekkor a szabályzó átváltja az útváltó szelepet, és indítja a hőszivattyú kompresszorát. Ez a leghatékonyabb hűtési mód, de egyben a legköltségesebb is. A beruházás megtérülését elemezni célszerű.

Természetesen nagy előnye a paszszív hűtésnek, hogy kompresszorüzemet nem feltételez. Csak a szondaoldal cirkulációs szivattyúja fogyaszt elektromos energiát. Egyértelműen kijelenthető, hogy a passzív hűtés célszerűen nyitott

3. ábra – Hőszivattyú beépített passzív hűtéssel

2. ábra – Passzív hűtés külső hőcserélő megkerülve a hőszivattyú hűtőkörét, a talajhővel nyári viszonyok között az épületből közvetlenül tudunk hőt elszállítani. Az épület passzív hűtését bármelyik hőszivattyúnál utólag is meg lehet valósítani (nem szükséges a kompresszornak működni)! Az 1. ábra erre mutat egy lehetséges megoldást.

24

kutas rendszereknél és kis hőterhelésű lakóépületeknél javasolt megoldás. Zárt szondás rendszereknél, amikor az épület nyári hőterhelése az épület szerkezete, illetve funkciója miatt közepes vagy nagy hőterhelésű, és a szabványnak megfelelő 260C-os belső léghőmérséklet tartása a mindinkább előforduló, illetve hosszabb ideig tartó szélsőséges hőmérsékleti viszonyok között semmiképpen sem megfelelő megoldás a passzív hűtés alkalmazása! Nyári üzemben a fűtési igényre méretezett szondarendszer folyadékhőmérséklete a talajviszonyok függvényében viszonylag gyorsan – pár óra működési idő alatt – felme-

A hatékonyság (SCOP, SPF) növelése a hőszivattyúk megfelelő megválasztásával A hőszivattyús rendszerek hatékonyságát figyelembe véve a leglényegesebb szempont az lenne, hogy a feladatra, az ellátandó funkcióra válasszunk megfelelő hőszivattyút. Sajnos a legtöbb esetben a hőszivattyú típushoz illesztenek rendszert a tervezők és a kivitelezők. Gyakori eset magas hőterhelésű intézményi épületeknél, ahol a szabványos hőmérséklet tartása egyértelműen megkívánná az aktív

Szak-ma hűtő üzemmódot, annak ellenére, hogy a tervezők és a kivitelezők e kívánalommal tisztában vannak, a legegyszerűbb, csak fűtő üzemmódú hőszivattyúkat terveznek, illetve telepítenek a rendszerbe, aktív-passzív hűtéssel. Ez annyit jelent, hogy az aktív hűtő üzemmódot külsőleg, a vízoldal megfordításával oldják meg, ami a hőszivattyús rendszer hatékonyságát nemcsak hűtési, hanem fűtési üzemmódban is jelentősen rontja a rendszerbe építendő hőcserélő által. Emellett egy bonyolult, igen költséges (pl. nagyméretű hőcserélő, háromjáratú motoros szelepek stb. miatt) üzemeltetési szempontból sok esetben üzemképtelen, hőszivattyús 4. ábra – . Fűtő-aktív hűtő-HMV hőszivattyús hőközpont kapcsolási séma rendszer az eredmény. kazán, illetve folyadékhűtő működik. működteti. A multifunkciós hősziA csak fűtési hőfokszintekre tervezett Egyértelműen megállapítható, hogy vattyúk alkalmazásával, mint az a 4. folyadék-víz hőszivattyúk, elpárolgási az ilyen „alibi” rendszerek a pályázati ábrában is látható, egy végtelenül hőmérséklete 00C hőfokszintre van pénzek elpocsékolását, a hőszivaty- egyszerű, üzembiztos és magas SPFoptimalizálva. Amikor külső körfolya- tyús rendszerek leértékelődését értékű hőszivattyús rendszer épülhet mat megfordításával aktív hűtő eredményezik. ki, folyadékhűtő nélkül. üzemmódra kívánják rábírni, a hűtési A mentségünkre elmondható, hogy a A fenti példa alapján megállapítható, üzemmód kezdetén 200C-körüli, de a kereskedelemben jelenleg kapható hogy a hőszivattyús rendszerek halegoptimálisabb esetben folyamatos hőszivattyúk legalább 90%-a alacsony tékonyságát milyen nagymértékben üzemmódban is minimum 120C-os4 hőmérsékletre alkalmas, csak fűtő befolyásolja az adott feladatra kivávizet engedünk rá. – Ez lényeges COP- (nem multifunkciós) hőszivattyú, lasztott megfelelő hőszivattyú. Jól érték romlást eredményez, valamint amelyekből többet ez esetben nem látható, hogy milyen nagy szerepe és szélsőséges esetben egyes hőszi- lehet elvárni. lehetősége van a multifunkciós hővattyúkat még működésképtelenné is Ha a fűtési igény mellett az aktív hű- szivattyúk alkalmazásának a magas tehet. tésre is szükség van az épület lég- hatékonyságú hőszivattyús rendszekondicionálásánál, kizárólag a rek kialakításában. Ennél a megoldásnál a hőszivattyúk feladatra optimalizált hűtőkörrel elláhűtési üzemmódban sem tudnak lé- tott, reverzibilis hőszivattyú az egye- Remélem ezen írásommal meg tudnyegesen nagyobb hatékonysággal dül elfogadható és hatékony tam győzni tervező, kivitelező kolléműködni, mint fűtési üzemmódban. megoldás. (1. ábra) gáimat, hogy a hőszivattyús A tervezők és a kivitelezők az esetek hőigények kielégítésénél vegyék finagy százalékában a teljes kapacitás- A példaként közölt kapcsolási sémá- gyelembe a multifunkciók és a igényre választják ki a folyadékhűtőt ban (4. ábra) az egyik multifunkciós magas hőmérsékletű hőszivattyúk és a gázkazánt. hőszivattyú magas fűtési hőmérsék- adta lehetőségeket a hatékonyság, leten (600C) és 6/120C-os hőfoklép- és a költségcsökkentés érdekében. Hol itt a hiba? Probléma ez egyálta- csővel a légtechnikai kalorifert látja el A terveikben minden esetben a fellán? fűtő-, illetve hűtővízzel, eközben a be- adathoz válasszanak megfelelő hőépített elsődleges hőcserélőn keresz- szivattyút, és ne egy általuk ismert A rossz hőszivattyútípus választásá- tül a teljesítménye 15%-ában márkát igyekezzenek mindenképp a nak eredménye a nagy beruházási használati melegvizet termel. feladat elvégzésére rábírni. költség és a kis hatékonyság. A fen- A másik hőszivattyú alacsony fűtési tebb vázolt rendszernél, amennyiben hőmérsékleten (450C) és 15/200C-os Fodor Zoltán a hőszivattyút stabilan képesek üze- hűtési hőfoklépcsővel a fal- és a Fejlesztőmérnök meltetni5, akkor is, 50–60%-ban gáz- mennyezetfűtési/hűtési rendszert 4

7/120C-os hűtési hőfoklépcső esetén az elpárologtatóba bemenő hőmérséklet. Azért, hogy a fűtési üzemmód hatékonyságát ne rontsák le, egyes esetekben hőcserélőt a fűtési üzemmód föld oldalára nem építenek be. Emiatt a szondarendszer, légkezelő, folyadékhűtő, hűtési puffertartály egy kört képez. A szondák légmentes üzemét ilyen rendszerben biztosítani nem lehet! Ez egyes szondák leállását, a rendszer rossz hatékonyságú üzemét, illetve a rendszer teljes leállását eredményezi. 5

25

Szak-ma

Az előzővel egyenértékű, szokásos megoldás, amikor a puffertárolóba helyeznek el egy csőköteges hőcserélőt, ezzel vagy a tárolót melegítik, vagy átfolyó rendszerben használják HMV-termelésre.

puffertároló vízhőmérséklete 35°C és 45°C között mozog. Egy alacsony hőfokú rendszerben a leggyakoribb fűtési hőfokszint 35°C. A 35°C-os puffertárolóból azonban maximum 30°C-os meleg vizet lehet előállítani. Az 1. ábrán vázolt tervrészleten külön 48,5 kW (45/40°C) teljesítményű, használati meleg víz és központi fűtésre szolgáló hőszivattyú lett illesztve a rendszerbe. A hőszivattyúnál alapvető feltétel, hogy min. 45°C kimenő lehet a fűtővíz előremenő hőmérséklete annak érdekében, hogy 40°C hőmérsékletű meleg víz biztosítva legyen. Ebben az esetben a kondenzátor után beépített víz-víz hőcserélő 5°C hőfokveszteséget okoz. Emiatt ugyanolyan HMV-hőmérséklet eléréséhez 5°C-kal magasabb fűtővíz-hőmérséklet, és 8–10°C-kal magasabb kondenzációs hőmérséklet szükséges. A fentieknek megfelelően, a 40°C-os meleg vizet, 50°C-os kondenzációs (hűtőközeg oldali) hőmérséklettel lehet biztosítani. Ez a rendszer a lehető legnagyobb pillanatnyi COP-érték-, és szezonális SPF-veszteséget okozza. Az alacsony hőmérsékletű fűtési rendszerrel kombinálva, a fűtőrendszer SPF-értékét szem előtt tartva, max. 40°C körüli

A hőszivattyús rendszerek HMV-elő- 1. ábra állításának háromféle megoldása: Mint látható a hőszivattyús hőközpont tervrészletén (lásd: 1. ábra), a – kondenzátor után alkalmazott vízHMV-hőcserélő tervezett előremenő víz hőcserélővel, hőmérséklete a HMV oldalon 40°C, a – külön HMV-termelő hőszivattyús tartályból visszatérő vízhőmérséklet készülékkel, pedig 35°C. – elsődleges hőcserélő alkalmazásáMegjegyzés: ez azonban ideális esetval /desuperheater/, ben, csak -15°C-os külső hőfokszin– két kondenzátor alkalmazásával. ten alakul így. Átmeneti időszakban a

melegvíz-hőmérséklet előállítására alkalmas. Emiatt a kisegítő fűtőrendszer vagy külön hőszivattyú beépítése nélkül nem képes megfelelő szinten biztosítani a meleg vizet. A megoldás a lehető legrosszabb mind a hatékonyság, mind a beruházási költség szempontjából! A megoldás előnye, hogy a hőszivattyús

A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása

A hőszivattyú-választás alapelvei V. rész A használatimelegvíz-előállítás lehetőségei. A multifunkciós hőszivattyúk előnyei. Az előző cikk keretében foglalkoztunk azzal, hogy az egyes épületeknél jelentkező nyári hűtési igényeket a téli fűtési igények biztosítása mellett a forgalomban lévő hőszivattyúkkal hogyan tudjuk a leghatékonyabban és legmagasabb komfortfokozattal kielégíteni. Mikor célszerű passzív, illetve aktív hűtésben gondolkodni. Jelen írásunkban a hőszivattyúkkal még ellátható feladatok közül, a HMV-funkció lesz a vizsgálat tárgya. Használati meleg vizet (HMV-t) előállítani a fűtés és az esetleges aktív hűtési igény mellett a legtöbb esetben szükséges. Egyes esetekben – szállodák, kollégiumok, társasházak, fürdők –, a fűtéshez viszonyítva jelentős teljesítményt igényelnek. A HMV-termelés a fűtési idényen kívül is jelentkezik. A HMV-előállítás egységes jellemzője, hogy a fűtésiteljesítmény-igénye nagy, és naponta, rövid idejű igénybevételeket jelent. A külön hőszivattyús készülék alkalmazása HMV-termelésre rossz készülékkihasználtságot és így magas fajlagos (Ft/kWh) beruházási költséget eredményez.

A kondenzátor után alkalmazott vízvíz hőcserélő A jelenlegi hőszivattyús gyakorlatban a forgalomban levő hőszivattyúk legtöbbjében sajnos ezt a technikai megoldást alkalmazzák használati meleg víz előállítására. Jellemzője, hogy a gyártó alapkészüléke egy egyszerű, csak fűtő hőszivattyú. Ehhez opciósan, külsőleg illeszthető a HMVmodul, amely tartalmazza a HMVhőcserélőt, a szivattyút, és a csatlakozóidomokat, esetleg az érzékelőket. (Tervrészlet: 1. ábra)

A HMV-ellátás technikai megoldása hőszivattyús rendszerekben

27

Szak-ma készülék igen egyszerű. A hőszivatytyú árának csökkenése azonban nincs arányban a megfelelő használatimelegvíz-komfort eléréséhez szükséges többlet beruházási, valamint a lényegesen nagyobb üzemeltetési költség igényével.

A külön HMV-termelő hőszivattyús készülék alkalmazása Egyes gyártók nem a multifunkciós hőszivattyúk, hanem a külön tárolós HMV-hőszivattyúk irányába fejlesztenek. Családi házas rendszereknél külön fűtő hőszivattyút és külön HMV-hőszivattyút beállítani a legtöbb esetben értelmetlen, mert a készülékek kihasználtsága csökken, és ezzel a beruházás megtérülési ideje jelentős mértékben nő. A kis teljesítményű HMV-hőszivatytyúk alkalmazása környezetvédelmi szempontból indokolt lehet az épületek hulladékhőjének (pl. szellőző levegő, elfolyó szennyvíz stb.) hasznosításakor. A beruházás vi- 2. ábra – A cső a csőben elsődleges HMV-hőcserélő (desuperheater) szonylag hosszú megtérülési ideje a alkalmazása hőszivattyúban legtöbb esetben nem teszi lehetővé Az aktív hűtési üzemmódban javul A kétkondenzátoros (direkt HMV) az ilyen készülékek alkalmazását. hőszivattyú alkalmazása a hűtési COP- (azaz EER-) érték! Hátrányai: – a teljesítménye max.15%-ában Olyan esetekben, amikor a fűtési telA desuperheater jesítmény 40–50%-át eléri vagy megállít elő melegvizet, (elsődleges hőcserélő) alkalmazása – a melegvíz-előállítás csak fűtő haladja a HMV teljesítményigénye, célszerű az alkalmazása. A leghatékonyabb (magas COP) meg- vagy hűtő üzemmódban történik, Az alábbi körfolyamattal ellátott hő– csak használati meleg víz így nem oldás! szivattyú aktív hűtésre nem alkalkészíthető, A közvetlenül a kompresszor után, mas. – kiegészítő HMV-fűtés (napkollekés a kondenzátor elé beépített (soros kötés) koaxiális hőcserélő (2. tor, elektromos betét) szükséges az Ebben a körfolyamatban az egyik kondenzátor előnykapcsolásban dolábra) a hűtőkörfolyamat túlhevítési átmeneti időszakban. gozik a használati meleg vízre, a telA családi házas rendszereknél minihőjét használja HMV-termelésre. A jesítménye 100%-ában. A magasabb mális kiegészítéssel a leghatékotúlhevítési tartomány az összes fűhőmérsékletű HMV-előállítás ebben nyabb megoldás, a legmagasabb tési teljesítmény 12–15%-a. A túlheaz esetben kissé alacsonyabb COPSPF-elérését biztosítja a kombinált vítési hőmérséklet lényegesen értéken lehetséges, mint desuperüzemmódban. A hőszivattyú berumagasabb, mint a kondenzációs hő1 heaterrel (ld. 2. ábra), de lényegesen házási költségének növekedése egy mérséklet , ezért magasabb hőmérmagasabban, mint külső (víz-víz) hőilyen „desupeheater”-s megoldássékletű meleg vizet lehet előállítani, cserélő alkalmazásakor (ld. 1. ábra). nál százezer Ft alatti, amelyben már mint a fűtési hőmérséklet, és a A legoptimálisabb megoldás a fűtési, a HMV-szivattyú ára is benne van, COP-érték sem romlik. és a nagy mennyiségű HMV-előállíés így kedvezőbb az ár, mint a külső A másik előnye, hogy ezzel a megoldással nyáron, az épületből elvont hőcserélő alkalmazásakor (1. ábra), tási igény biztosítására. Magas hőHMV-előállítás hő 12-15%-ából meleg vizet állítha- amikor a hőcserélő mellett 2 db cir- mérsékletű lehetséges. kulációs szivattyúra is szükség van. tunk elő gyakorlatilag ingyen. 1 Az 50°C-os kondenzációs hőmérsékletnél a túlhevített hűtőközeggőz hőmérséklete 80°C körül alakul. A HMV előállítás céljára ebben az esetben az 50°C – 80°C közötti hőfok tartományt használjuk. Ebben az esetben tehát, a hűtőközeggőz átlaghőmérséklete 65°C, amely alkalmas 60°Cos HMV előállítására a desuperheaterben.

28

Szak-ma

elégítené ki. Emiatt célszerű lenne alkalmazni egy kétkondenzátoros hőszivattyút, amely előnykapcsolásban bármikor képes csak a használati meleg víz fűtésére teljes kapacitással dolgozni, ugyanakkor külön fűtési körön a központi fűtésre is képes rásegíteni, igény szerint. A fentiek miatt az 1. ábrán szereplő lemezes hőcserélő feleslegessé válna, mert a kondenzátor a készülékbe be van építve, így ez lényegesen magasabb COP-értéket eredményez. A rendszerben csak egy hőcserélő van, külön hőfokveszteség nem jön létre. Ennél a megoldásnál a HMV-teljesítmény a tervek szerint elégséges, mert a két hőszivattyú a desuperheaterekkel szintén rádolgozik a meleg vízre, magas, 60°C hőmérséklet felett. 3. ábra – A EVI körfolyamatú hőszivattyúk fűtő, direkt HMV-termelő körfolyamata Sok esetben ezzel a megoldással kiválthatjuk a rossz kihasználtságú külön hőszivattyús készülékeket. Példaként említhetnék egy szállodát, ahol alacsony hőmérsékletű fűtésre vannak beépítve hőszivattyúk külső léghőmérséklet szabályozással. Az előkészítő konyha miatt 60°C-os meleg vízre van szükség. Egy ilyen estben – az 1. ábra szerinti külső hőcserélő alkalmazásakor – csak 30– 40°C hőmérsékletű meleg vizet lehetne előállítani. Az egyik megoldás ilyen esetben a külön hőszivattyú beállítása, amely az elérhető legmagasabb kondenzációs hőfokszinten meleg vizet állítana elő. A kihasználtsága azonban csak 1/3a lenne a fűtési hőszivattyúk kihasználtságának! Abban az esetben, ha a 3. ábra szerinti kétkondenzátoros készüléket alkalmaznánk az épület és HMV fűtésére, akkor 1/3-dal javítanánk a fűtő hőszivattyúk kihasználtságán, és megtakarítanánk több millió forintos beruházást! A kapacitáshiány abban a rövid inter-

vallumban jelentkezne a fűtésben, amikor a külső hőmérsékletet -15°C, vagy az alatti. A tapasztalatok szerint ez méretezési külső léghőmérséklet, ötéves átlagban és csak 6 óra időtartamú évente Magyarországon. Megfelelően méretezett HMV-tartállyal, és jó szabályozással nem csökkenne érzékelhetően a belső hőmérséklet.2 A multifunkciós hőszivattyúk alkalmazhatóságára az 1. ábra szerinti alkalmazás „multifunkciós” alternatívája is jó példa. Az épület igényeit szintén 3 db hőszivattyúval lenne célszerű biztosítani: 2 db fűtő – aktív hűtő – HMV-termelő multifunkciós hőszivattyú, amely a fűtés és az aktív hűtés mellett a leghatékonyabb módon állít elő desuperheaterrel meleg vizet. A hőszivattyúk teljesítmény nagyságát, jelen esetben a hűtési teljesítményre kellene választani, így a fűtési hőigény biztosítása valószínűsíthetően nem lenne megoldva teljes körűen. A HMV-teljesítmény egy járulékos lehetőség, amely ennél a projektnél a jelentkező igényeket nem

A multifunkciós hőszivattyúk alkalmazásának előnye ebben az esetben: – a külső használati meleg víz hőcserélő elmarad, – a lényegesen magasabb hőmérsékletű (60°C) melegvíz-előállítás miatt, elmarad egy utófűtő tartály, elektromos betéttel, – lényegesen jobb SPF érték a kombinált üzemmódban, – az 50 kW teljesítményű hőszivattyú helyett egy 35 kW-os hőszivattyú beépítése elégséges a HMV ellátására. Remélem, ezen írásommal meg tudtam győzni kollégáimat, hogy a hőszivattyús hőigények biztosításánál vegyék figyelembe a multifunkciók adta lehetőségeket, a hatékonyság és a fajlagos beruházási költségek (Ft/kWh; Ft/kW) csökkentése érdekében. Ez a szemléletmód hozzájárulhat a hőszivattyús rendszerek jelenleginél pozitívabb, reálisabb megítéléséhez, és valóban hatékony rendszerek megvalósításához. Fodor Zoltán Fejlesztőmérnök MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyús Tagozat elnöke

2

Figyelembe kell venni azt a tényt, hogy a fűtésiteljesítmény-igényeket, a max. belső hőmérsékletekre és folyamatos üzemre méretezzük. Amenynyiben egy szálloda kihasználtsága a leghidegebb órákban is csak 80-90%-os, akkor a nem lakott szobákban a hőfokszintet a tervezetthez képest több fokkal alacsonyabban lehet tartani, így csökken a teljesítmény hiány a HMV-kapacitás kiesése miatt. A másik megoldás, hogy megfelelő méretű HMV tárolók beépítésével, a HMV-előállítást, a fűtési csúcsigényeknél ne engedélyezzük.

29

Szak-ma

bemenő vízhőmérsékletét azonban +50C–60C alá nem lehet engedni, mert ekkor az elpárolgási hőmérséklet 00C alá csökkenhet, ezzel az elpárologtató elfagyása bekövetkezhet. A fentiekből következően más-más a folyadék-víz illetve víz-víz hőnyerési módú hőszivattyúk gyárilag tervezett működési tartománya. A folyadék-víz hőszivattyúknál a COP-érték maximalizálása végett a gyártók általában nem tervezik kihasználni a kompresszor adta lehetőségeket, vagyis az elpárologrészlegesen, vagy egyáltalán nem tató oldalon a maximális bemenő vízműködő hőszivattyús rendszerek, hőmérséklet 10–160C-között lehet. (1. – rossz évi kihasználtság, ábra, ELT) – nagy fajlagos beruházási költség.

A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása

Hőszivattyú-választás az alkalmazott hőnyerési mód, az elpárolgási és kondenzációs hőfokszintek alapján (föld-víz, vízvíz, hulladékhő-víz hőszivattyúk) VI. rész A cikksorozat előző részeinek fő vezérfonala annak az igen komoly problémának az áthidalása volt, hogy a tervezők és felhasználók sok esetben nincsenek tisztában az egyes hőszivattyúk valós lehetőségeivel, általában a tervezők az egyes márkákhoz alakítanak ki rendszereket, és nem fordítva, az igényekhez választva megfelelő hőszivattyúkat. A cikk keretében ezt a gondolatmenetet folytatva bemutatjuk, hogy milyen hatással számolhatunk, ha az egyes hőnyerési módokhoz nem megfelelő típusú hőszivattyúkat alkalmazunk, és ragaszkodunk egy-egy általunk elfogadott hőszivattyúmárkához. Bemutatásra kerül, hogy milyen műszaki követelményeket kell teljesíteni a különféle hőnyerési módokra alkalmazandó hőszivattyúknak ahhoz, hogy hatékonyan, meghibásodás és üzemzavar nélkül, magas SCOP-értékkel legyenek képesek a feladataik ellátására.

Víz-víz hőszivattyú választása szondás üzemmódra

Ennek a magyarázata: a készülékek csőrendszerének átmérőit az olajvisszahordás biztosításához kell megtervezni, vagyis a legkisebb terhelésnél is biztosítani kell a minimális csőkeresztmetszetet.

A folyadék-víz hőszivattyúkat úgy tervezik, hogy az elpárologtató oldalon legalább -70C-ig fagyállósított víz kering a szondákban és a hőszivattyú elpárologtatójában. Ezáltal lehetővé válik, hogy a talajból feljövő víz hőmérsékletét akár -30C-ig is csökkenthetjük. A gyárilag víz-víz felhasználásra tervezett hőszivattyúk elpárologtatóba

Ennek következménye: ahogy távolodunk a legalacsonyabb elpárologtatási hőmérséklettől, úgy növekedik a csősúrlódás okozta nyomásveszteség mind a szívó-, mind a nyomóvezetékekben. A mértéke igen jelentős lehet, -10-15%- körüli még optimális esetben is 100C-feljövő vízhőmérséklet esetében, egy szondás hőszivatytyúnál.2

Alapvető hibák a hőszivattyúk hőnyerési módra történő kiválasztásakor – Víz-víz hőszivattyú választása szondás üzemmódra. – Folyadék-víz hőszivattyú választása víz (hulladékhő)-víz üzemmódra. A fentiekből következően: – téves csúcsteljesítmény meghatározás, – téves COP-érték-meghatározás. – téves SCOP érték prognosztizálás, 1. ábra – Folyadék-víz hőszivattyú működési tartománya1 – az alkalmazott hőfoktartományban 1

A közölt teljesítménytáblázat és működési tartomány csak egy adott típusra vonatkozóan igaz! A működési tartományokban azonban nagy eltérés nem lehetséges.

44

Szak-ma A rossz hőszivattyú választási metódus egy példán keresztül Az alábbi, 3. ábrán látható hőszivatytyús kapcsolási sémát a tervezők reverzibilis víz-víz hőszivattyúval készítették. A tervezett rendszer zárt szondás, amelyhez egyértelműen folyadék-víz hőszivattyút kellett volna választaniuk. 2. ábra – Víz-víz hőszivattyú működési tartománya A víz-víz rendszerű hőszivattyú tervezésénél közel 100C-kal magasabb az elpárologtatóba bemenő vízhőmérséklet, emiatt a hőszivattyú csőrendszerének keresztmetszetét az olajvisszahordást biztosítva nagyobbra lehet tervezni, így a magasabb elpárologtató oldali vízhőmérsékleteknél a csősúrlódás okozta nyomásveszteség jelentősen csökken. A fentiekből következően, amennyiben a víz-víz hőszivattyút a tervezettnél alacsonyabb hőfokszinten működtetjük (szondás rendszer), a megengedett érték alá süllyed a csövekben a hűtőközeg sebessége, és olaj-visszahordási problémák lépnek fel. Ez pedig előbb-utóbb mindenképpen a kompreszszor meghibásodását idézi elő.

Ez látszólag nem nagy probléma, de valójában akár működésképtelenné alapján tudjuk megfelelő módon elkéis teheti a rendszert, illetve hoszszíteni. szabb-rövidebb távon a kompresszor meghibásodásához vezethet. Ez – amint következőben látni fogjuk – nem egyszerű probléma, ha a gyári A 4. ábrán az alkalmazott víz-víz hőadatok egyetlen hőfokszintre, víz-víz szivattyú adattáblájának lábjegyzehőszivattyú alkalmazásra vannak tében (2), látható, hogy a megadott megadva. paraméterek +400C/450C fűtési és

Figyelem, tervező kollégák, a nem megfelelő hőszivattyú-választás, az ebből eredő kompresszormeghibásodás egyértelműen tervezési hiba, egy felkészült szakértő ezt könnyen bizonyíthatja.

A fűtési teljesítmény meghatározása Felmerül az a kérdés is, hogy a tervezett földhő hőfokszintjén milyen értékű lesz a hőszivattyú kimenő fűtési teljesítménye és COP-értéke, mert a hőszivattyú kiválasztását, és a szonda méretezését e paraméterek

3. ábra – Hőszivattyús berendezés kapcsolási vázlata

2

A közölt teljesítménytáblázat és működési tartomány csak egy adott típusra vonatkozóan igaz! A működési tartományokban azonban nagy eltérés nem lehetséges.

45

Szak-ma

hőfokszintre készültek, nyitott kutas rendszerhez, ahol a feljövő víz hőmérséklete közel állandó. Kérdés: a talajhő tervezett legalacsonyabb hőfokszintjén ez a készülék milyen kimenő teljesítményt tud produkálni, és milyen COP-értéken? Amennyiben gyári adatokat erre vonatkozóan nem kapunk, akkor egy ilyen hőszivattyút semmiképp nem lenne szabad a szondás hőnyerési módra alkalmazni, mert az így megadott paraméterek a valóságtól nagyon eltérőek! A példánkban alkalmazott hőszivatytyú R410A hűtőközeggel és valószínűsíthetően Copeland ZP 182KCE kompresszorral szerelt. A kompreszszor kiválasztóprogramját használva megállapítható, hogy a 3. ábrán megadott 53,4 kW fűtési teljesítményt 4,50C elpárolgási és 460C-os kondenzációs hőfokszinten tudja teljesíteni a kompresszor, ekkor a COP= 53,4kW/11,3kW=4,74

4. ábra – Víz-víz hőszivattyú gyári adattáblája 100C/70C elpárologtató oldali vízhőfokszintekre illetve hőfoklépcsőkre vonatkoznak. Kérdés: hogyan lehet ezen paraméterekből megfelelő módon kiválasztani a hőszivattyút szondás alkalmazásra? Válasz: egyértelműen nem lehet! A választást mindig a legnagyobb terhelési szinten mutatott teljesítményre kell elvégezni! Ez azt jelenti, hogy amennyiben a legnagyobb terhelésnél a talaj hőfokát 40C-ra3 tervezzük csökkenteni, és ekkor 500 C a fűtési előremenő hőfokigénye, akkor a hőszivattyú teljesítményét és COP értékét, értelemfolyadék-víz szerűen 4/500C 3

Mivel a fenti kiválasztóprogram segítségével megismertük a tervezett hőszivattyú elpárologtató és kondenzátor oldali hűtőközeg-víz hőfokkülönbségeit (elpárologtató Δt=5,50C, kondenzátor Δt=10C), meg tudjuk határozni a minimálisan tervezett földhő hőfokszinten is a hőszivattyú kimenő fűtési teljesítményét.

hőmérsékletre szükséges megadni! A példában (3. ábra) a rendszer tervezett paraméterei. A program alapján látható, hogy a 40C/500C folyadék-víz hőfokszinthez – A hőszivattyúval fűtendő épület -20C/510C elpárologtató és kondenszámított maximális hővesztesége zációs hőfokszintek tartoznak, ekkor 112 kW. a leadott fűtési teljesítmény 43,2 kW. – A tervező a választott, 150V típusú Megállapítható, hogy ez a fűtési telhőszivattyú fűtésiteljesítmény-lea- jesítmény 10,2 kW-tal kevesebb, mint dását a gyári adattáblából (3. ábra) ki- a tervező által megadott érték. olvasva 2*53,4 kW = 106,8kW-ban határozta meg. Az elméleti COP=43,2kW/12,35kW – A hőszivattyúk összehasonlítására =3,5. A nyomásveszteséget is bekalalkalmas és a szondatervezésnél fon- kulálva, e hőszivattyú valós COP-értos pillanatnyi COP-értéket 4,1 érték- téke 3,2 körül alakul, a 40C/500C ben rögzítette. folyadék-víz hőfokszinten. – Ezen értékek, mint az a 4. ábra táblázatában látható, 100C/450C víz-víz

Ezt a hőmérsékleti értéket szondatervezésnél mindig a tervezőnek kell meghatározni! Nagyobb hőfokszint több szonda igényét eredményez nagyobb költséggel. 4 A 3. táblázatban megadott COP=4,1 érték a kompresszorral elérhető COP=4.7 helyett a hőszivattyú belső – fentebb részletezett – nyomásveszteségeiből adódik.

46

Szak-ma Összegzés A fentiekből következően, amennyiben a zárt szondás hőnyerési módra vízvíz rendszerű hőszivattyút választunk: – nagy valószínűséggel – optimálisan tervezett szívó- és nyomócső-keresztmetszetek esetén – a talaj hőfokszintjén, a csövekben, a hűtőközeg áramlása olyan alacsony értékre csökkenhet, hogy a folyamatos olajvisszahordás nem biztosított. Ez pedig a kompresszorok élettartamának radikális mértékű csökkenését eredmé5. ábra – A kompresszor paraméterei víz-víz hőfokszinten nyezi. – A hőszivattyúk alacsony oldali nyomásvédelmeit is a megengedhető legalacsonyabb értékre kalibrálja be a gyártó az elfagyás megakadályozása végett. Ez az érték a víz-víz hőszivatytyúknál, a 0 0C-os elpárologtató hőmérsékletnek megfelelő lehet. Ez az érték azonban a szondás rendszerhez túl magas, mert itt a szélső érték -7 0C. – Csak olyan hőszivattyúkat tervezzünk, amelyek paraméterei a tervezendő legalacsonyabb földhő hőfokszinten ismertek! 6. ábra – A kompresszor paraméterei minimálisan – A szabványban meghatározott tervezett szondahőfokszinten egyetlen paraméter alapján nem lehet tervezni! – Lehetőség szerint ellenőrizzük vagy ellenőriztessük le a készülékek megadott paramétereit! (A kompresszor gyári adatai alapján.) – Lehetőség szerint ismerjük meg a hőszivattyúk működésének szélső határait. – A feladatra legalkalmasabb hőszivattyút tervezzük, ne ragadjunk le egy általunk jónak ítélt márkánál! – Ne tervezzünk „alibi” rendszereket! A problémák más jelleggel természetesen abban az esetben is fennállnak, amennyiben folyadék-víz hőszivatytyúkat tervezünk be víz(hulladékhő)víz rendszerekre. Az ebből eredő problémákat a cikksorozat következő részében követhetik nyomon.

Vaporline® Geotermikus hőszivattyúk Fűtés – aktív hűtés – HMV-funkciók, 10–100 kW egységteljesítmény Magyar Termék Nagydíj 2012. Magyar fejlesztés, magyar munkahelyek Geowatt Kft. 1097 Budapest, Kén u. 6. +36 1/210-0219; +36 20/967-1553 [email protected], www.geowatt.hu

Fodor Zoltán fejlesztőmérnök MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyús Tagozat elnöke

47

SZAKma

A hőszivattyús rendszerek energiahatékony alkalmazása VIII. rész és az EU más országaiban is, mindjobban elterjedő „zárt” hőnyerési módok alkalmazásában azonban olyan anomáliák tapasztalhatók, amelyek kiküszöbölése a hőszivatytyús rendszerek hatékony működéséMint ahogy a cikksorozat első részé- nek alapfeltétele. ben kifejtettük„ahhoz, hogy egy hatékony, a megrendelőt kielégítő A szondahosszúság hőszivattyús rendszerre előzetes ár- és a SCOP számításelméleti alapjai ajánlatot tudjunk adni, és meg tud- Az IGSHPA (International Ground Sojunk tervezni egy hőszivattyús urce Heat Pump Association) méreterendszert, ne legyünk egy hőszivaty- zési metódusa e cikk keretében olyan tyú-forgalmazó saját érdekeinek mélységig kerül bemutatásra, hogy kiszolgáltatva1, a fenti elemek hőszi- felkeltse a téma iránt érdeklődő szakvattyús szempontból történő kivá- emberek figyelmét. Külön kiemelve az lasztására, összhangjára van a tény, hogy a kollektor- és szondaszükség.” rendszerek tervezése nem választA cikksorozat előző részeiben részle- ható szét a hőszivattyús rendszerek tesen bemutattuk, hogy milyen tervezésében. szempontok alapján célszerű az – Tapasztalható és terjedő gyakorlat, adott feladatok hatékony ellátására hogy egy épületgépész tervező meghőszivattyút választani. Láthatóvá tervezi a hőszivattyús hőközpontot az vált, hogy milyen szerteágazó isme- épület energiaigényének megfelelően, retre és tudásra van szükség ahhoz, a szondarendszer tervezését pedig a hogy az adott feladat ellátására a leg- „fúró vállalkozóra”, illetve cégre bízza. alkalmasabb, leghatékonyabb készü- A jelen cikkben, és a cikksorozat köléket válasszuk. vetkező számaiban a zárt rendszerek A hőszivattyú-kiválasztás, a hőszi- elméleti alapjának bemutatásával, a vattyú paramétereinek megismerése tervezés gyakorlati metódusával reazonban csak az első lépés ahhoz, mélhetőleg egyértelművé válik, hogy hogy a jelenlegi technikai színvonalon ez a gyakorlat alapjaiban téves, a halegoptimálisabb, leghatékonyabb hő- tékony, ár-érték arányban kedvező szivattyús rendszert tervezzük. hőszivattyús rendszerek kialakítását nem segíti elő. A hőszivattyús rendszer elemei A lehetőségek kihasználásának egyik · hőszivattyú módja, ha a rendszert tervezők, kivi· hőnyerési rendszer telezők alapjaiban megismerik a hő· hőközponti elemek szivattyús technika és technológia · belső hőleadók tervezésének elméletét, és nem köve· szabályozás tik el azokat az alapvető hibákat, amelyekkel sajnos igen sűrűn találA hőszivattyús rendszer elemei alap- kozhatunk, amelyek alapjaiban ján látható, hogy a hőszivattyú kivá- megkérdőjelezik a hőszivattyús lasztása után a hőnyerési rendszer rendszerek energiahatékonyságát, megtervezése a rendszer hatékony ár-érték arányát. működésének másik alapfeltétele. A cikksorozat keretében előzőleg már A horizontális és vertikális zárt kollekrészletezésre került a „nyitott” hő- toros és szondás rendszerek nyerési mód – ezen belül a hulla- méretezésének elméleti alapja dékhő-hasznosítás. Magyarországon, A szondarendszer méretezésének

A hőnyerési rendszerek tervezése földhő hőszivattyús rendszerek esetében

alapja az adott körülmények közötti szükséges szondahosszúság meghatározása, amely lehetővé teszi az egyéb, számunkra szükséges paraméterek, SPF (SCOP) várható értékének meghatározását, végezetül a hosszútávú termikus hatás elemzésének elvégzését is. Horizontális földhőkollektor hosszának meghatározása fűtési üzemmódban:

A képletben szereplő adatok meghatározása Az épület számított hővesztesége (QH[W]) A szondatervezéshez elsőként az épület lehetőség szerint pontos hőveszteség-számítását kell elvégezni, az adott területre a szabványban meghatározott legalacsonyabb külső léghőmérsékleti hőfokszintre. A pontos számítás a rendszer ár-érték arányát tekintve nagy jelentőségű, hiszen a hőszivattyús rendszereket túltervezni célszerűtlen, költséges, ami a rendszerek megítélését erősen rontja. A monoenergetikus üzemmód A hőszivattyú szükséges hőteljesítményének meghatározására optimális megoldás a monoenergetikus üzemmód választása. A hőszivattyúra számítandó kisebb beruházási költségek miatt a monoenergetikus üzemmód a monovalens működésű hőszivattyúval szemben jelent gazdaságossági előnyt. Általános rendszerkonfiguráció esetén a hőszivattyú fűtőteljesítményét az épület maximális hőszükségletének kb. 70-85%-ára (az EN 12831

1 Gyakori eset, hogy egy forgalmazónak elkötelezve, a tervezett projektre közvetlenül tőle kérnek árajánlatot, amely sok esetben azt okozza, hogy nem a rendszer igényeinek hatékony kielégítésére keresnek megfelelő hőszivattyút, hanem az adott hőszivattyút igyekeznek az igényekhez igazítani, sokszor komoly veszteségek árán!

25

SZAKma

szabvány szerint) célszerű méretezni. Ebben az esetben a hőszivattyú éves fűtési fedezeti aránya kb. 95-98 %. A kiegészítő fűtést célszerű egy puffertartályba épített elektromos fűtőbetéttel megoldani, amelyet szükség esetén a hőszivattyú szabályzója indít automatikusan.

1. ábra – A hőszivattyú fedezeti aránya (%) az éves fűtési órák %-ában (csak fűtő üzem) szabványos lakóépület esetén a hőszivattyú monoenergetikus üzemben nyújtott fűtőteljesítményének függvényében Az alkalmazott kollektor/szonda hővezetési ellenállása Horizontális, egycsöves rendszerek esetén a számítása:

D0 →.Cső külső átmérője [mm] D1 → Cső belső átmérője [mm] kp → Cső hővezető képessége [W/mK] Horizontális, kétcsöves rendszerek esetén a számítása:

Sb → konfigurációtól függő tényező, amelyet manuális számítás esetén táblázatokból és diagramokból lehet meghatározni.2 ks→ a talajmező átlagos hővezetése [W/mK]3

TM → A talaj átlagos hőmérséklete a tervezett kollektormélységben (2. ábra) AS → Éves felszíni talajhőmérsékletingadozás [K] XS → A kollektor/szonda telepítési mélysége [m] A talaj minimum- (TL), valamint a terα → A talaj termáldiffúziója [m2/nap] vezett minimális (Tmin) folyadék-hőmérséklet különbségének meghatározása A fenti szükséges hőmérsékleti és fűtési üzemmódban geológiai adatok az adott földrajzi teTHD=TL-Tmin [K] rületekre jellemzőek. Ezekhez geolóTmin=ELT → A tervezett legalacsogiai táblázatokból hozzá lehet jutni, nyabb hőszivattyúba bemenő folyaígy az adott projektre jellemző TL [K] dék hőmérséklete [K]. érték számítható. A fentiek alapján a A Tmin hőmérsékletet a szondaterveTHD=TL-Tmin [K] érték meghatározható. zést végző mérnök adja meg, az évi SPF-érték, valamint a szükséges furatszámok figyelembevételével. A Tmin(ELT) hőmérséklethez tartozó fűtési COPH-értéket a tervezett hőszivattyú teljesítménytáblázatából ki lehet választani, a legnagyobb terheléshez tartozó fűtési előremenő hőmérséklet ismeretében. Példa: amennyiben a legnagyobb terhelésnél (legalacsonyabb tervezett külső léghőmérséklet) a hőszivattyú elpárologtatójába bemenő folyadék hőmérsékletét 5 °C-ban határozzuk meg, ekkor a fűtési hőleadók működtetéséhez 50 °C-os fűtési előremenő szükséges. Az 1. táblázat kijelölt sorában lévő paraméterek az irányadók. Jelen példában a Tmin=5 °C értékhez tartozó 2. ábra – Talajhőmérséklet érték: COPH=3,6.

Térfogatáram

Térfogatáram

5,0

58,0

1,0

4,0

15,0

5,6

11,1

20,2

3,6

45,0

58,0

50,0

5,0

1. táblázat N → csőhurkok száma

A talaj minimum-hőmérsékletének A hőszivattyú futási százalékának meghatározása fűtési üzemmódban meghatározása (FH) A kollektorokat és szondákat körülvevő (TL), (Xs) mélységben. talajmező hővezetési ellenállása

2

Groutng for Vertical Geothermal Heat Pump Systems, Engineering Design and Field Procedures Manual IGSHPA Oklahoma State University, Figure 2-4;Table 2-5 Szondateszttel mért, vagy a talajszerkezet ismeretének birtokában táblázatból meghatározott érték.

3

26

SZAKma A 2. táblázat alapján nyomon követhető a futási százalék meghatározásának menete. (A táblázat adatai tájékoztató jellegűek, tervezésre nem alkalmasak.) A léghőmérsékleti adatok és előfordulási órák száma a meteorológiai szolgálattól beszerezhetők.

A különbség: TL=TH=TM Ez azt jelenti, hogy a talajhőmérsékletnél az adott terület geotermikus gradienséből következő átlagos talajhőmérsékletet kell figyelembe venni, a fűtésnél és a hűtésnél egyaránt. A másik különbség a kollektorokat és szondákat körülvevő talajmező hőve-

FH= 558/24*31=0,75

2. táblázat Horizontális földhőkollektor hosszának meghatározása hűtési üzemmódban Qc → Az épület számított nyári hőterhelése [kW] COPc → A kiválasztott hőszivattyú Tmax-értékhez tartozó COP-értéke

Rp; Rs → A fűtési üzemmódban számítottak szerint Fc → A hőszivattyú futási százaléka hűtési üzemmódban. (Meghatározása a fűtési üzemmódban vázolt metódusnak megfelelően történhet.) Tmax → A folyadék (föld oldal) maximális hőmérséklete hűtési üzemmódban. (A szondarendszer tervezője határozza meg.) TH → A talaj évi maximum hőmérséklete a kollektorok mélységében. A vertikális szondák méretezése. A vertikális szondák méretezése alapjaiban nem különbözik a horizontális szondák méretezésétől.

zetési ellenállásának számításában van. A szondákban, a tömedékeléshez szükséges különféle tömedékelőanyagok, a furatátmérők, a szondák elhelyezései befolyásolják a szondát közvetlenül körülvevő réteg hővezetési ellenállását, amelyet a számításnál figyelembe kell venni.

kg → A tömedékelőanyag hővezetése [W/mK].

Összegzés A fenti kollektor- és szonda tervezési metódus alapján egyértelmű, hogy a zárt szondás rendszerek tervezését a hőszivattyútípus megválasztása, a paramétereinek ismerete nélkül nem lehet megfelelő szinten elvégezni. Hangsúlyozottan igaz ez, amennyiben a szondatervezés a várható évi SPF (SCOP) értékének számítását is elvégzi. Ehhez ugyanis a tervezett fűtési hőfokszintek között általában 3 fűtési előremenő hőfokszintre kell megadni a kiválasztott hőszivattyú paramétereit, köztük a pillanatnyi COP-értékeket. Ahány hőszivattyú, ez annyi értéket képvisel. A fentiek alapján az is egyértelmű, hogy különböző hőszivattyútípusokhoz ugyanolyan évi SPF (SCOP) érték eléréséhez, ugyanazon geológiai viszonyok között nem egyforma szondahossz, illetve szondaszám szükséges. A méretezési metódus alapján az is látható, hogy a szondákat nem teljesítményértékre [kW], hanem energiaterhelésre [kWh] méretezzük. A képlet számlálójában az FH, a hőszivattyúk futási százaléka is szerepel. A külső hőmérsékleti viszonyok, a fűtésihűtési órák számának ismerete nélkül, az FH-érték nem határozható meg. A fentiek alapján kimondható, hogy a szondatervezés láthatóan részben épületgépészeti (QH-; FH-; COP-értékmeghatározás), másrészt geológiai ismereteket kíván meg. Ezt a tervezést, a cikksorozat következő részében ismertetett hosszútávú termikus hatáselemzéssel egyetemben, a hőszivattyús rendszer tervezője nem ruházhatja át a szondatelepítést végző szakemberre, mivel ez a számítás lehet az alapja az általa elkészítendő hőszivattyús hőközpont tervének. A cikk következő részében ismertetésre kerül, a hosszútávú termikus hatáselemzés elmélete. A szondák élettartam-méretezését, a lehűlés és felmelegedés számítását egy adott időintervallumra a pályázati kiírások is megkövetelik, bár mint látni fogjuk, a magyarországi geológiai viszonyok között, zárt szondás rendszerek esetében ennek komoly jelentősége nincs.

Az előzőekben a zárt szondás rendszerek méretezésének metódusát követhettük nyomon, hiszen a részletek, a sok szükséges táblázat, diagram, amelyek főleg a hővezetési ellenállások, talajhőmérsékletek meghatározásához szükségesek, könyvterjedelműek, így egy cikk kereteit, lehetőségeit bőven meghaladják. A fentiek megértése és ismerete azonban elégséges lehet ahhoz, hogy erre az elméleti metódusra épülő szondatervező szoftverek alkalmazását elsajátítsuk és sikeresen alFodor Zoltán kalmazzuk. Fejlesztőmérnök, MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyús Tagozat elnöke

27