FÖLDHİ FELHASZNÁLÁSA ÁTJÁTSZÓ ÁLLOMÁSOK KLIMATIZÁLÁSÁRA

226

TÓTH L., SCHREMPF N., FOGARASI L., BIHERCZ G.

FÖLDHİ FELHASZNÁLÁSA ÁTJÁTSZÓ ÁLLOMÁSOK KLIMATIZÁLÁSÁRA EARTH HEAT USING TO CLIMATE OF GSM STATIONS Dr. Tóth László DSc., [email protected] Dr. Schrempf Norbert PhD., [email protected] Dr. Fogarasi Lajos PhD., [email protected] Dr. Bihercz Gábor PhD., [email protected] Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar, Gödöllı (INNOCSEK K+F pályázat támogatásával)

ÖSSZEFOGLALÓ A telefon, rádió, TV és egyéb rövidhullámú átjátszó állomásoknál a tornyok tövében lévı konténerekben nyertek elhelyezést a különféle villamos egységeket (erısítık, egyenirányítók, stb.) tartalmazó elektronikai berendezések. Ezen egységek mőködéséhez megfelelı környezeti hımérséklet szükséges, amely hagyományos split klimákkal – ugyan meglehetısen drágán, de megoldott. A K+F munka révén létrehozott újszerő megoldás, ill. rendszer használata mindenféleképpen gazdaságos, miközben villamos energiát takarít meg, energia-kapacitást is felszabadít, tehát az adott konténerhez és átjátszó állomáshoz további mőszerek használhatók vagyis a funkció bıvülhet anélkül, hogy újabb vételezési igényt kötnénk le a villamoshálózatból. (Ennek tetemes költsége is megtakarítható). SUMMARY The parts of the electronic equipment, the different electric units (amplifiers, rectifiers etc.) are installed in the containers deposed by the towers of telephone, broadcasting, TV and other short-wave relay stations. The operation of these units requires a suitable ambient temperature which is provided by conventional split air conditioners – however quite in an expensive way. The use of the novel solution and system as a result of the K+F project is certainly economical; on the one hand, it saves some electric energy and, on the other hand, provides free available capacity as well; due to the reduction, the actual container and the relay station can be equipped with further instruments – the function can be improved without increasing the contingent capacity supplied by the mains (and its considerable cost also can be saved).

1. ELİZMÉNY A telefon, rádió, TV és egyéb rövidhullámú átjátszó állomások konténereiben lévı mőszerek zavartalan mőködését a túl magas és a túl alacsony hımérséklet veszélyezteti mőködést. Ezért a. Nyári idıszakban ez hıelvonást feltételez, tehát a helységet hőteni kell, melyhez megfelelı hőtıberendezések kellenek, tehát a mőszerek környezetében klimatizálás szükséges. A klímaberendezések szükség esetén főtésre is alkalmasak, a reverzibilis üzemük révén. Az országban több ezer ilyen létesítmény mőködik. Összességében ezek energia felhasználása már jelentısnek tekinthetı. De a megbízható berendezésekkel való ellátás tetemes költség ráfordítást is igényel.

2. FEJLESZTÉSI KONCEPCIÓK 2.1. Cél és feladat Cél volt egy egyszerő energiatakarékos rendszer létrehozása és adaptálása az átjátszó állomásokhoz.

XXXII. MTA-AMB K+F Tanácskozás

Gödöllı


227

Két variáció elızetes kidolgozására került sor: A. Sekély szondás hıszivattyú (reverzibilis) alkalmazása, mely a konténerek mellett 5-10 m-es talajrétegbıl megoldható. A szivattyú hajtásához a rendelkezésre álló villamos energia szolgál. A szivattyú COP tényezıje 3,5-4,5 értékő, tehát villamos energia csökkenés mérséklése érhetı el. Tekintve, hogy klímaberendezésre egyébként is szükség van, s a földhı hasznosításához, csupán a szonda készítése jelent újabb költséget. Ennek figyelembevételével az elızetes számítások szerint a többlet beruházás néhány év alatt megtérül, sıt támogatás esetén a megtérülés 1-2 évre mérséklıdhet. B. A másik variáció ennél is egyszerőbb, kompresszor kör nélküli megoldást takar. Gyakorlatilag akkor alkalmazható, ha a létesítmény mellett sekély, de terjedelmesebb kolletor helyezhetı el, amelynek felülete olyan mértékő, hogy a földbıl átvett hı révén télen a „főtési” nyáron pedig a „hőtési” feladatokat képes ellátni. A B megoldás egyszerőbb, mivel e rendszernél csupán a folyadék és a lég-cirkulációhoz szükséges szivattyú és ventilátor beépítése szükséges, amelyek vezérlése a helységben elhelyezett hımérıkrıl történik. A kollektor kisebb átmérıjő csövekbıl készül és a hıátszármaztató közeg folyadék, amelyet mind a föld kollektorba, mind a levegı hıcserélın keresztül centrifugális szivattyú keringtet. E berendezés koncepciója az 1. ábrán látható.

1. ábra: A hıcserélıs rendszer elvi vázlata, 1 – átjátszó torony, 2 – konténer, 3 – folyadék – levegı hıcserélı, 4 – folyadék – talaj hıcserélı, 5 – keringtetı szivattyú, a) a konténer szélessége, b) konténer magassága, h) talaj kollektor magassága, sz) talaj kollektor szélessége, m) talaj kollektor legalsó pontja a talajban. 3.2. Elméleti alapok A modellszámításban óra (h) az alap idıegység, egyaránt az integrál- és differenciálfüggvények esetében is. A konténerben lévı levegı entalpiájának (hl) pillanatnyi értéke az alábbi egyenlettel számítható:  kJ  hl = c pl (tl ) ⋅ Tp − To = c pl (tl ) ⋅ t pl   (1)  kg 

(

Gödöllı

)


228


tl = levegı hımérséklete cpl = levegı fajhı Tp = levegı pillanatnyi hımérséklete To = víz olvadáspontja tpl = levegı pillanatnyi hımérséklete A levegı entalpiáját több hatás is befolyásolja. Ezek közül elsıként azt a hıterhelést kell említeni, amit a konténerben lévı mőszaki eszközök q& e (pl. 2-5 kW) értékő terhelése jelent. Ezek alapján, továbbá az (1) egyenlet felhasználásával a következı összefüggés írható fel: τ q&e [°C] tl = tl + ∫ (2) m& l ⋅ c p (tl ) i=0 m& l = levegı tömegárama A levegı hımérsékletének meghatározásánál második lépésben figyelembe kell venni azt a hımennyiséget, ami a konténer falain keresztül távozik, vagy éppen jön be és melegíti tovább a levegıt. Ezek alapján a (2) egyenlet az alábbiak szerint írható tovább: τ  τ q& q&kon  e [°C] tl = tl 0 +  ∫ + ∫ (3a)  i = 0 c p (tl ) i = 0 c p (tl )  l p   ahol a konténer (qkon) által a levegıre gyakorolt hıterhelés a következıképpen számítható: q&kon =

λkon ⋅ A ⋅ dt δ kon kon

(3b)

azaz: q&kon =

λkon ⋅ (2 ⋅ (lh + lsz ) ⋅ lm + (lh ⋅ lsz )) ⋅ tl − tkörny ⋅ 0,001 [kW ] δ kon

(

p

)

Akon = konténer felülete lh = hossúsáh, lsz = szélesség, lm = magasság, tkörny = környezeti levegı hımérséklete A (3b) egyenlet felírásánál feltételeztük, hogy a légmozgás a konténer falainál elhanyagolható nagyságú, továbbá hogy a konténer aljzata teljesen hıszigetelt, így ott hıcsere nem történhet. A (3a) egyenlet jobb oldali második tagja természetesen a környezeti hımérséklettıl függıen lehet pozitív vagy negatív elıjelő is attól függıen, hogy főti-e a belsı teret (nyáron), vagy esetleg hőti azt (télen). 1 A (3a) egyenletbıl magától értetıdı módon a tag nem emelhetı ki az integrálból, c pl (tl p )

mivel a fajhı a hımérséklettıl függ, a hımérséklet pedig minden idıpillanatban változik, így az nem lehet független az idıtıl, ebbıl pedig az következik, hogy a fajhı sem lehet az idıtıl független tényezı. A harmadik tag, ami befolyásolja a levegı hımérsékletét, az a konténerben elhelyezett nagyteljesítményő belsı hıcserélı. Ezzel a taggal ismét módosítani kell a (3a) egyenletet, amely alapján a (4a) egyenlet adódik: τ τ τ  q&e q&kon q& tl p = tl 0 +  ∫ + ∫ + ∫ hocs  [°C] (4a)  i = 0 c p (tl ) i = 0 c p (tl ) i = 0 c p (tl )  l p l p l p   qhocs = hıcserélı hıterhelése qkon = konténer hıterhelése


Gödöllı


229

A hıcserélı hıterhelése az alábbiak alapján számítható: q&hocs = κ hocs ⋅ Ahocs ⋅ dt azaz: 1 q&hocs = ⋅ Ahocs ⋅ (tl − t glikol ) ⋅ 0,001 [kW ] 1 δ csı 1 + +

α1

λcsı

(4b)

α2

Ahocs = hıcserélı felülete A fenti tag is – mint ahogyan az már az egyenlet alapján is látható – lehet pozitív nagy negatív attól függıen, hogy a levegı vagy a glikol-e a melegebb. Így a hıcserélı vagy főtıtestként, vagy pedig hőtıtestként mőködik. Ezek alapján tehát a levegı hımérséklete a (4a) egyenlettel modellezhetı, amelybe beírható az óra alapú modellezés miatti óra-másodperc átváltási tényezı, továbbá egyszerősítés után ez az alábbi módon írható fel: τ   1 tl p = tl0 + 3600 ⋅ ∫  ⋅ (q&e + q&kon + q&hocs ) ⋅ dτ [°C] (5) c ( t )   i = 0  pl l p  A glikolra hasonló elv alkalmazható, mint a levegıre. A glikol entalpiáját két hatás változtatja meg: egyrészt a konténerben lévı belsı hıcserélıben a levegı által leadott/felvett hıt a glikol szállítja tovább, másrészrıl pedig a talajban lévı hıcserélınél a glikol lead/felvesz bizonyos mennyiségő hıt. A konténerben lévı hıcsere nagysága a glikol és a levegı esetében megegyezik (ez az elméleti eset adja a számunkra a méretezés szempontjából leginkább kedvezı esetet, tehát amikor a glikol hıterhelése a legnagyobb), így a (4a) egyenlet jobb oldalán a zárójeles tag középsı tagja a glikolra is vonatkozik, csak éppenséggel ellenkezı elıjellel. Ezek alapján az alábbi összefüggés írható fel a glikol hımérséklet-változására: τ   1 t glikol p = t glikol 0 + 3600 ⋅ ∫  ⋅ (− q&kon + q&tal ) ⋅ dτ [°C] (6a)  c p glikol (t glikol p ) i =0   qtal = talaj hıterhelése A talajjal közölt hı a következıképpen számítható: q&tal = ctal ⋅ Acsöv ⋅

1 dt [kW ] atal ⋅ τ ref ⋅ π

(6b)

Acsov = csıvezeték felülete a kollektorban ahol:

 m2  és τ ref = 180 [h] . ρtal ⋅ ctal  s  A talajban azonban ezeken felül létezik egy függıleges irányú hımozgás ( q& hömozgás ), ami Magyarország területére átlagosan 0,2 W/m-nek vehetı. Ez a hımozgás a talaj hımérsékletét vagy emeli, vagy csökkenti úgy, hogy a 15 °C átlagos talajhımérséklet fennmaradjon. Ezek alapján a talaj hımérséklete az alábbi módon adható meg: τ   1 ttal p = ttal 0 + 3600 ⋅ ∫  ⋅ (q&tal + q&hömozgás ) ⋅ dτ [°C] (7)  c p glikol (t glikol p ) i =0   atal =

Gödöllı

λtal


230


3.3. A talajhı szállításához tervezett és alkalmazott kollektor Kivitel és beépítés

2. ábra: Összeszerelt állapotban szállításra készen

3. ábra: A talajba helyezése

4. ábra: A rendszer felépítési vázlata 1. és 2. kültéri kollektorok, 3. és 4. elzárócsapok, 5. folyadék szivattyú, 6. kiegyenlítı tartály, 7. ventilátor, 8. víz-levegı hıcserélı, 9. visszatérı ág, 10. vezérlıberendezés, 11. ventilátorvezérlés, 12 szivattyúvezérlés 13. belsı hıérzékelı, 14. tápfeszültség. A mérések során használt hıérzékelık pozíciói (keretezve a számok): 14-bejövı víz hımérséklete, 15-külsı légtér hımérséklete (árnyékban), 16-a levegı-víz hıcserélı bemenı oldala (magasított és kimenı nyílással azonos mérető magasság is szerepelt), 18-hıcserélı kimeneténél a levegı hımérséklete, 19-a belsı légtér hımérséklete 2,7 m-es magasságban, 24-a visszatérı, hıcserélı utáni víz hımérséklete

4. EREDMÉNYEK, KÖVETKEZTETÉSEK 4.1. Mőszaki A kollektorok alsó pontjain a kezdeti hımérséklet 18-19 oC volt. Nedvesítés hatására 17 oC-ra csökkent, a mi a nedves talaj jobb hıvezetı képességét igazolja, egyben a telepítésre szolgáltat útmutatást. A kollektorok felsı részénél a hımérséklet 2,0-2,5 oC fokkal magasabb volt, amely a melegebb idıszakokban mérséklıdött 1,5-2,0 oC-ra. Ebbıl következik, hogy a szondák magasságát célszerő lesz csökkenteni.


Gödöllı


5. ábra: A beltéri egység

231

6. ábra: A beltéri egység programozása

A mőködés megkezdéséig a földben lévı szondák hımérséklete csökkent, hiszen a talaj elvezette a hıt a kollektor csövek környezetébıl. Majd a rendszer bekapcsolását követıen fokozatosan emelkedett és 2-3 óra múlva 0,2-0,4 oC-kal emelkedett. Az emelkedés mindaddig folytatódott amíg a rendszer folyamatosan üzemelt. Ezekben a trendekben jelentıs változások voltak az egyes napszakok között. A belsı tér hıterhelésének, hımérséklet változásának függvényében.

7. ábra: A mérési eredmények, a környezeti és a belsı hımérsékletek viszonylatában A rendszerhez adaptált fordulatszámát 10 fokozatban változtattuk, de a rendelkezésre álló légszállítási szabályozási tartománynak csak a felsı 30 %-a volt kihasználható. A méréssorozatból megállapítható, hogy a rendszer mőszaki szempontból a kollektor felületének, valamint a belsı hıcserélık jellemzıinek közel összhangja volt. Várhatóan a levegı-víz hıcserélınél lévı légszállító ventilátor teljesítıképességét célszerő megnövelni egy méretfokozattal nagyobbra, mellyel 180-200 m3/h légszállítás érhetı a jelenlegi 80-120hoz viszonyítva. A szivattyú szállítóteljesítményét 3 fokozatban lehetett változtatni, az elvégzett rövid idejő tesztelések azt bizonyították, hogy a nagy h 3. legmagasabb fokozatban kell mőködtetnünk, ahol a vízszállító kapacitás 4 m3/h volt, a folyadék turbulenciája a legalább szükségesnek közel négyszerese. Alacsony hımérséklető éjszakákon (a külsı hımérséklet 10 oC alá csökkent) sikerült a rendszert a hideg idıszakra jellemzıen tesztelni, ekkor a kollektor a talajra nézve hőtıhatást

Gödöllı


232


fejtett, s így a következı napra alacsonyabb talajhımérséklet adódott ami a hatékonyságot javította.

8. ábra: A víz-levegı hıcserélı be- és kimeneti oldalának hımérsékletviszonyai

9. ábra: A konténer belsı hımérsékletének alakulása 4.2. Ökonómia A hagyományos klímáknál általában 6 kW teljesítményő konténert szerelnek be, melynek éves kihasználása 0,3-0,4-re vehetı. Ez esetben 15768 kWh az éves energiafelhasználás, amely 35,-Ft/kWh energiaár mellett, 551 eFt/év energia költséget jelent. Az új rendszerő klímaberendezés villamos teljesítménye 0,2 kW. 50 %-os kihasználás esetén az évi energiafelhasználás 876 kWh, ami 35600,-Ft/év energia költségnek felel meg. Ehhez járul még a téli vészhelyzet eseténi ráfőtésbıl adódó 800 kWh energia 28.000,-Ft/év költséggel. Ezzel az új rendszer energiaköltsége 58600,-Ft. A hagyományos klímaberendezés beruházási költsége (megfelelı, stabil, meghízható kitelnél) szereléssel együtt 3000 eFt. Az élettartamát 15 évre számolva, az évi amortizációs költség 200 eFt. Az energiafelhasználási költséggel együtt a teljes használati költség 751,-eFt. Az új rendszer beruházási költsége a földkollektor beépítési munkálataival együttesen 4500 eFt. 25 éves élettartam esetén az évi amortizáció 150 eFt., melyhez hozzáadva az üzemeltetési költséget az éves teljes költség 238,6 eFt/év. Végül is a különbség a beruházásnál 1500 eFt. Ezt osztva az éves költségmegtakarítással az új rendszer javára a berendezés 2,9-3,0 év alatt megtérül.


Gödöllı


233

5. ÉRTÉKELÉS, JAVASLATOK 1) A kollektorok alsó pontját 2,5 – 3,0 m mélységre célszerő kiválasztani és az 1,1 m–es kollektor magasság helyett 0,5-0,6 m-t kell alkalmazni, ennek arányában meg kell megnövelni a kollektorok hosszát. Célszerő, ha a kollektorokat az elkészített földcsatorna mindkét oldalfalához rögzítik és így 1 csatornában 2 eltérı irányú ág fut, amelyek a szomszédos legalább 2 m-re lévı csatornához soros üzemmódban kapcsolódnak. Az építményhez vezetı csöveket a kollektor alsó mélységi tartományában kell telepíteni, ezzel mérsékelhetı a hıvesztés, ill. hıfelvétel.

10. ábra: A javasolt szerkezeti felépítés 1. levegı-víz hıcserélı, 2. a talajkollektor bevezetı nyílása, 3. talajkollektor kivezetı nyílása, 4. változtatható forgási sebességő és forgási irányú ventilátor, 5. tartalékfőtés, 6. váltószelep (csappantyú), 7. külsı légbevezetı, illetve kivezetı nyílás, 8. belsı lég be-, illetve kivezetı nyílás, 9. szigetelt konténer oldalfal, 10. szigetelt konténer mennyezet, 11. napfény árnyékoló 2) A belsı hıcserélı és vezérlı egység kialakítása módosításokat igényel (10. ábra), így a beömlı nyílás és a kiömlı nyílás magassági pontjának megváltoztatása, vagy a kimeneti nyílás elé légterelı elhelyezése, mellyel a levegı a helyiségen belül cirkulációra kényszeríthetı, ezzel a hıátadási hatásfokok nı. 3) A rendszer használata mindenféleképpen gazdaságos, miközben villamos energiát takarít meg, energia-kapacitást is felszabadít, tehát az adott konténerhez és átjátszó állomáshoz további mőszerek használhatók vagyis a funkció bıvülhet anélkül, hogy újabb vételezési igényt kötnénk le a villamoshálózatból. (Ennek tetemes költsége is megtakarítható). 4) A berendezés a kisebb energiafelhasználása révén környezetkímélı, hiszen az alkalmazása révén mintegy 7500 kg/év CO2 kibocsátás kerülhetı el. 6. IRODALOM 1) Thorhallsson, S. - Ragnarsson, A. (1992): What is geothermal steam. Geothermics, 21. k. 5/6.sz. okt./dec. p. 901-915 2) Hunyár M. - Schmidt I. - Veszprémi K. - Vincze Gy.-né (2001): A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. (339 o.) Muegyetemi Kiadó, Budapest. ISBN 963 420 670 0 3) www.regale.hu/klima/site.php?inc=kezdo 4) www.cres.gr/kape/links_energy_uk.htm 5) www.heatpumpcentre.org 6) www.klima.kvvm.hu/index.php?id=36

Gödöllı


FÖLDHİ FELHASZNÁLÁSA ÁTJÁTSZÓ ÁLLOMÁSOK KLIMATIZÁLÁSÁRA

Recommend Documents