Az el z részben említetteknek megfelel en a következ kben , mint olyan mérnök aki több mint 10 éve alkalmazza az „ Oklahoma State University Dvision Of Engineering Technology” által kidolgozott méretezési szisztémát ,amely valójában az IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association) méretezési metódusa,- igyekszem e cikk keretében bemutatni Önöknek olyan mélységig, hogy felkeltsem a téma iránt érdekl d , s a méretezési szisztémát nem használó,Tisztelt Mérnök Kollégák érdekl dését. Ezt az alábbi okokból tartom id szer nek és fontosnak: •
Magyarországon érezhet en szakmai berkekben is nagy ellentábora van a geotermikus h szivattyús rendszerek alkalmazásának. Évek óta jelent s elmozdulás nem tapasztalható a rendszerek alkalmazásában, holott a legtöbb európai országban e rendszerek alkalmazásában jelent s felfutás tapasztalható. Egy olyan f tési-h tési és HMV rendszert mell zünk, amely nagyrészt megújuló energiát – földh t,- hasznosít, olyan ár/érték arányban amelyet bizonyíthatóan ,egyik alternatív, megújuló energiát hasznosító rendszer sem tud produkálni. Olyan technikát és technológiát mell zünk,amelyet a leghatékonyabb módon,a legnagyobb komfortfokozatot biztosítva lehet alkalmazni nem csak új,hanem meglév épületek gázkazános f tési rendszereinek kiváltására, s amelyek megoldást biztosítanak a jelenlegi gázárak mellett az intézmények,lakóépületek f tési-h tési és HMV költségeinek 50-60%-os mérték csökkentésére. Olyan rendszert mell zünk, amely jól illeszthet az energia stratégiába,hiszen a h szivattyúk hajtásához szükséges /káros / elektromos energia a decentralizált energiaellátás b vülésével,a technikai fejl déssel nagyrészt megújuló energiával kiválható. A véleményem szerint a mell zés egyik oka lehet, hogy mi a rendszert tervez , kivitelez szakemberek nem használtuk ki kell képpen a rendszerben rejl lehet ségeket, az energia hatékonyságra, az ár /érték arány alakulására nem fordítottunk kell figyelmet, okot és lehet séget adtunk a rendszerrel nem szimpatizálóknak, hogy a negatív tapasztalatokat általánosítsák. A lehet ségek kihasználásának egyik módja , ha a rendszert tervez k, kivitelez k alapjaiban megismerik a h szivattyús technika és technológia tervezésének elméletét, s nem követik el azokat az alapvet hibákat,amelyekkel sajnos igen s r n találkozhatunk, s amelyek alapjaiban megkérd jelezik a h szivattyús rendszerek energiahatékonyságát,ár-érték arányát.
•
Tapasztalatom szerint a mérnök kollégák egy részének nincs elméleti rálátása , megalapozottsága ,a horizontális és vertikális szondarendszerek méretezésének elméletére ,amely a rendszerek energiahatékonyságát,ár/érték arányát,üzembiztonságát, jelent sen befolyásolhatja. Ez egyértelm en a magyar nyelv szakirodalom és oktatás hiányából ered. A mérnök kollégák abból dolgoznak amit kézhez kapnak, s amennyiben az egy egyszer sített, bizonyos feltételek között m köd , ökölszabályokon alapuló méretezési metódus, akkor természetes, hogy az általuk elfogadott. Az egyszer sített
tervezési metódus alkalmazása bizonyos határok között és feltételek mellett elfogadható, de amennyiben a tervez nincs tisztában az elméleti alapokkal, akkor f leg a „határokon kívüli” esetekben komoly tervezési hiányosságok keletkezhetnek. Remélem, hogy az alábbiak felkeltik a mérnök kollégák érdekl dését és hozzájárul ahhoz hogy magas SCOP érték és kedvez ár/érték arányú geotermikus h szivattyús rendszerek tervez djenek. A
HORIZONTÁLIS
ÉS
VERTIKÁLIS
ZÁRT
KOLLEKTOROS
ÉS
SZONDÁS
RENDSZEREK
MÉRETEZÉSÉNEK ELMÉLETI ALAPJA
A szondarendszer méretezésének alapja az adott körülmények közötti ,szükséges szondahosszúság meghatározása, amely lehet vé teszi egyéb, számunkra szükséges paraméter, –SPF(SCOP) várható értékének meghatározását, s mint el z cikkemben írtam a „Hosszútávú Termikus Hatás” elemzés elvégzését is. HORIZONTÁLIS FÖLDH
KOLLEKTOR HOSSZÁNAK MEGHATÁROZÁSA F TÉSI ÜZEMMÓDBAN:
LH(m)= A KÉPLETBEN SZEREPL
ADATOK MEGHATÁROZÁSA
AZ ÉPÜLET SZÁMÍTOTT H VESZTESÉGE / K W/ A szondatervezéshez els ként az épület lehet ség szerint pontos h veszteség számítását kell elvégezni,az adott területre a szabványban meghatározott legalacsonyabb küls légh mérsékleti h fokszintre. A pontos számítás a rendszer ár/érték arányát tekintve nagy jelent ség , hiszen a h szivattyús rendszereket túltervezni célszer tlen, költséges, ami a rendszerek megítélését er sen rontja! A H szivattyús rendszereknél emiatt optimális megoldás a monoenergetikus üzemmód A h szivattyúra számítandó kisebb beruházási költségek miatt, a monoenergetikus üzemmód a monovalens m ködés h szivattyúval szemben jelent gazdaságossági el nyt. Általános rendszerkonfiguráció esetén a h szivattyú f t teljesítményét az épület maximális h szükségletének kb. 70 – 85%-ára (az EN 12831 szabvány szerint) célszer méretezni. Ebben az esetben a h szivattyú éves f tési fedezeti aránya kb. 95 – 98 %. A kiegészít f tést célszer egy puffertartályba épített elektromos f t betéttel megoldani, amelyet automatikusan a h szivattyú szabályzója indít szükség esetén.
1,ábra A h szivattyú fedezeti aránya (%) az éves f tési órák %-ában (csak f t üzem) szabványos lakóépület esetén a h szivattyú monoenergetikus üzemben nyújtott f t teljesítményének függvényében. ALKALMAZOTT KOLLEKTOR/SZONDA H VEZETÉSI ELLENÁLLÁSA
Horizontális egycsöves rendszerek esetén a számítása: !"
Rp=
!
(mK/W)
D0=Cs küls átmér je(mm) D1= Cs bels átmér je(mm) kp= A cs h vezet képessége(W/mK) Horizontális kétcsöves rendszerek esetén a számítása: Rp=
!"#
!"#
!" !
(mK/W)
D0e=(N)1/2xD0 N= cs hurkok száma
A KOLLEKTOROKAT ÉS SZONDÁKAT KÖRÜLVEV Rs=$
%
TALAJMEZ
H VEZETÉSI ELLENÁLLÁSA
(mK/W)
Sb= konfigurációtól függ tényez . amelyet manuális számítás esetén táblázatokból és diagramokból lehet meghatározni.1
A talaj minimum (T L), valamint a tervezett minimális (Tmin) folyadék h mérsék-let különbségének meghatározása f tési üzemmódban THD=TL-Tmin (K) &' () =ELT= A tervezett legalacsonyabb h szivattyúba bemen folyadék h mérséklete.(K). • Ezt a h mérsékletet a szondatervezést végz mérnök adja meg,az évi SPF érték,valamint a szükséges furatszámok figyelembe vételével. -A *+ ,-(ELT) h mérséklethez tartozó f tési COPH értéket a tervezett h szivattyú teljesítmény táblázatából lehet kiválasztani ,a legnagyobb terheléshez tartozó f tési el remen h mérséklet ismeretében. Példa. Amennyiben a legnagyobb terhelésnél/legalacsonyabb tervezett küls légh mérséklet/ a h szivattyú elpárologtatójába bemen folyadék h mérsékletét 50C-ban határozzuk meg, s ekkor a f tési h leadók m ködtetéséhez 500C-os f tési el remen szükséges,akkor az 1.táblázat kijelölt sorában lév paraméterek az irányadók. Jelen példában a Tmin=50C értékhez tartozó érték: COPH=3,6. Vaporline
GBI18-HACW
F tési üzemmód (500C F tési h m. )
Groutng for Vertical Geothermal Heat Pump Systems Engineering Design and Field Procedures Manual IGSHPA Oklahoma State University Figure 2-4;Table 2-5
Propilénglikol –víz
23/0% Föld oldali adatok EL Töme LLT ∆t T g/0C/ / 0 / áram C/ 0 C/ /l/min /
Elpár olg. Telj. /kW/
Készülék adatai F tés oldali adatok Elektr A F té CO EW Töm LWT .telj. mp si P T eg/0C/ 0 Igény/ . / C/ áram F tés telj. kW/ /A/ /kW/ F té /l/mi el re s n/ vissz a 5,6 11, 22,5 4,0 44,4 58,0 50,0 1
∆t / 0C/
10, 58,0 0
5,4
4,6
17,2
5,6
7,2 58,0
3,0
4,2
15,9
5,6
11, 1
21,2
3,8
41,7
58,0
50,0
5,3
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 A talaj minimum h mérsékletének meghatározása f tési üzemmódban ( TL), (XS) mélységben. TL=TM-As xEXP{-Xs(./0 )1/2} TM= A talaj átlagos h mérséklete a tervezett kollektor mélységben (2.ábra) AS= Éves felszíni talajh mérséklet ingadozás (K) XS= A kollektor/szonda telepítés mélysége (m) α= A talaj termál diffúziója,(m2/nap) A fenti szükséges h mérsékleti és geológiai adatok az adott földrajzi területekre jellemz ek, melyekhez geológiai táblázatokból hozzá lehet jutni, s így az adott projektre jellemz TL(K) érték számítható, s a fentiek alapján a THD=TL-Tmin (K) érték meghatározható.
2.ábra Talaj h mérséklet
A h szivattyú futási százalékának meghatározása (FH) Számítása. FH=
12(3 45(21667 .
58' 9 :
45 ' 1
Az alábbi (2.táblázat) alapján nyomon követhet a futási százalék meghatározásának menete. A táblázat adatai tájékoztató jelleg ek, tervezésre nem alkalmasak. A légh mérsékleti adatok és el fordulási órák száma a meteorológiai szolgálattól beszerezhet k. A futási százalék számítása (FH) A tervezési hónap: Hely : Az épület f tési teljesítmény igénye: A beépített h szivattyú kapacitása(50C/500C) Légh mérsékleti H mérséklet El fordulási h foklépcs k /0C/ /0C/ órák száma 14, 11 6 3,0 0 -.3 -5 -8 -11 -14 -16,5
13/15 10/12 7/9 8/6 0/5 -1/4 -5/-2 -9/-6 -12/-10 -15/-13 -17/-14
64 79 102 160 324 236 81 61 32 5 2
Január Budapest 16 kW (-150C) 14,5 kW Az épület f tési H szivattyú telj. igénye /kW/ futási óraszáma 0,8 2,2 3,6 4,9 7,6 9,0 10,4 11,7 14,5 15,8 17,2
3,6 11,9 25,3 54,0 169,8 146,5 58,0 49,2 32,0 5,4 2,4 558
FH= 558/24x31=0,75 2.táblázat HORIZONTÁLIS FÖLDH Lc(m)=
;<
;= ;
>
KOLLEKTOR HOSSZÁNAK MEGHATÁROZÁSA H TÉSI ÜZEMMÓDBAN ;
?@
Qc= az épület számított nyári h terhelése /kW/ COPc= a kiválasztott h szivattyú „Tmax” értékhez tartozó COP értréke Rp,;Rs= a f tési üzemmódban számítottak szerint Fc= A h szivattyú futási százaléka h tési üzemmódban. Meghatározása a f tési üzemmódban vázolt metódusnak megfelel en történhet. Tmax= A= folyadék /föld oldal/ maximális h mérséklete h tési üzemmódban. A szondarendszer tervez je határozza meg. TH=a talaj évi maximum h mérséklete a kollektorok mélységében TH=TM+As xEXP{-Xs(./0 )1/2}
A VERTIKÁLIS SZONDÁK MÉRETEZÉSE. A vertikális szondák méretezése alapjaiban nem különbözik a horizontális szondák méretezését l. A különbség: TL=TH=TM Ez azt jelenti, hogy a talaj h mérsékletnél az adott terület geotermikus gradienséb l következ átlagos talaj h mérsékletet kell figyelembe venni,a f tésnél és h tésnél egyaránt. A másik különbség a kollektorokat és szondákat körülvev talajmez h vezetési ellenállásának számításában van. A szondákban a tömedékeléshez szükséges különféle tömedékel anyagok,a furat átmér k,a szondák elhelyezése ,befolyásolják a szondát közvetlenül körülvev réteg h vezetési ellenállását,amelyet a számításnál figyelembe kell venni. Rg=
%$A
B B
C (mK/W)
kg=a tömedékel anyag h vezetési ellenállása (W/mK) Az el z ekben a zárt szondás rendszerek méretezésének metódusát követhettük nyomon ,hiszen a részletek, a sok szükséges táblázat, diagram, amely a f leg a h vezetési ellenállások ,talajh mérsékletek, meghatározásához szükségesek könyv terjedelm ek, így egy cikk kereteit, lehet ségeit b ven meghaladják. A fentiek megértése és ismerete azonban elégséges lehet ahhoz, hogy erre az elméleti metódusra épül szondatervez szoftverek alkalmazását elsajátítsuk és sikeresen alkalmazzuk. A fenti kollektor és szonda tervezési metódus alapján egyértelm ,hogy zárt szondás rendszerek tervezését a h szivattyú típus megválasztása nélkül nem lehet megfelel szinten elvégezni. Hangsúlyozottan igaz ez amennyiben a szondatervezés a várható évi SPF(SCOP) érték számítását is elvégzi. Ehhez ugyanis a tervezett f tési h fokszintek között általában 3 f tési el remen h fokszintre kell megadni a kiválasztott h szivattyú paramétereit, köztük a pillanatnyi COP értékeket. Lehet mondani, hogy ahány h szivattyú ez annyi értéket képvisel. A fentiek alapján az is egyértelm ,hogy különböz h szivattyú típusokhoz 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 kW értékre ,hanem kWh terhelésre méretezzük,hiszen a képlet számlálójában a FH, a h szivattyúk futási százaléka is szerepel. A küls h mérsékleti viszonyok, a f tési-h tési órák számának ismerete nélkül az Fh érték nem határozható meg. Végezetül meg kell jegyeznem,hogy a szondatervezés láthatóan részben épületgépészeti (QH;FH;COP érték meghatározás),másrészt geológiai ismereteket kíván meg. Mindenesetre ezt a tervezést,az els cikkben írt „Hosszútávú Termikus hatás Elemzés”-el egyetemben a h szivattyús rendszer tervez je nem ruházhatja át a szondatelepítést végz szakemberre,hiszen ez a számítás lehet az alapja az elkészített h szivattyús rendszer tervének.
A cikk következ részében egy gyakorlati példa, egy szondatervez szoftveren keresztül kerül bemutatásra ,amely remélhet leg értelmezhet bbé teszi a számítási metódust,és hozzájárul a szélesebb kör alkalmazásához.
FODOR ZOLTÁN
