Geotermikus hőszivattyús rendszerek primeroldali kiépíthetőségének térinformatikai vizsgálata városi területeken Buday Tamás tanársegéd, Debreceni Egyetem Ásvány- és Földtani Tanszék,
[email protected] Abstract: Although installation of geothermal heat pumps with borehole heat exchangers is slightly limited by geological conditions, setting of the primarily loop could be limited by the settlement’s characteristics such as the structure of the settlement, extent of the building site or land use. Analysis of these parameters subserves to localise the potential buildings or areas which could be fit with these systems and also to identify the number of boreholes or the position of the holes. Most of these analysis can be executed by manually but in a settlement-scale survey semi-automatised or fully-automatised methods are smarter and could be cheaper. In this paper sample areas of Debrecen were analysed manually to determine the most appropriate built-in type for borehole heat exchangers, in addition simple steps for automatisation are also described. These steps are based on geoinformatical tools and could be executed along with solar potential calculations.
Bevezetés Egyre gyakrabban fogalmazódik meg a települési önkormányzatok, területfejlesztéssel foglalkozó országos, regionális és helyi szervezetek részéről annak igénye, hogy egy adott terület, település megújuló energetikai potenciálját részletesen megismerjék, és a közeljövő energetikai fejlesztési irányainak meghatározása során ezeket az adatokat felhasználhassák. A különböző megújuló energiaforrások esetén azonban ezek a területi potenciálok eltérő módon értelmezhetők. A víz- és szélenergia-potenciál meghatározása egy átlagos hazai településen általában elintézhető azzal, hogy a településen belül az adottságok nagyméretű berendezések telepítésére nem alkalmasak, a biomassza potenciáljának meghatározásában lesznek olyan alapanyagok, melyek nem a településen belül kerülnek megtermelésre (pl. tűzifa). A napenergia esetén azonban értelmezhető a település területére beérkező energia teljes mennyisége, azaz az elméleti potenciál. A ténylegesen hasznosítható potenciál meghatározását többféle eljárással és algoritmussal lehet megtenni, melyek közül Debrecen esetében több is tesztelésre került (Szabó G. et al. 2015; Szabó Sz. et al. 2016; Horváth M. et al. 2016). A geotermikus energia hasznosítása esetében a potenciál értelmezése szintén összetett (Rybach, L. 2015). Az elméleti potenciál a felszín alatt található térrész többletenergiája egy adott hasznosítási határhőmérséklethez viszonyítva, melyet általában csak egy kiválasztott mélységig határoznak meg. A technikai potenciál a jelenlegi technológiákkal elérhető hőmennyiséget jelenti, hőszivattyús rendszereknél
107
ez egyrészt a mélységhatárt 200–250 m-ben maximalizálja, másrészt a hőmérséklet ezeknél a rendszereknél akár 0 °C alá is csökkenhet. A különböző primeroldali kiépítések eltérő kitermelhetőségi arányszámmal rendelkeznek, így a potenciál kiszámításában többféle módszertani eljárás alkalmazható. A potenciál tovább szűkíthető gazdaságosan létesíthető, fenntartható, fejleszthető potenciálra, melyek ebben a sorrendben egyre kisebb értékűek, a környezeti feltételek változása egyre érzékenyebben érinti értéküket. További nehézséget jelent a potenciálértékek felhasználhatóságában az is, hogy a tervezési dokumentumok nem a teljes geotermikus hőmennyiséget, hanem az adott időszak alatt kinyerhető értékét igénylik (csúcsteljesítmény, napi és éves hőkivétel). A fentiek figyelembevételével a hasznosítható geotermikus hőszivattyús potenciál meghatározásánál a helyes kérdésfeltevés nem az, hogy mekkora a potenciál értéke a város területén, hanem az, hogy a rendszerek kiépítésének milyen lehetőségei és gátjai vannak egy már meglévő településszerkezetben. Jelen tanulmány az e kérdés megválaszolásához szükséges térinformatikai megfontolásokat mutatja be, Debrecen egyes beépítési típusainak példáján keresztül. Anyag és módszer A hőszivattyúk segítségével olyan környezeti hőt is lehet hasznosítani, melynek hőmérséklete a felhasználási hely hőmérsékleténél alacsonyabb, így levegőből, felszíni és felszín alatti vizekből, illetve a felszín alatti teljes térrészből származó energiát is fel lehet használni egy épület fűtésére (Ochsner, K. 2007). A hőszivattyú működéséhez külső energia szükséges, mely általában elektromos áram. A geotermikus hőszivattyús rendszerek alapvetően háromféle primeroldali kiépítéssel készülnek (1. ábra). Ha van jó vízadóképességű felszínközeli homokos-kavicsos összlet, akkor kút alakítható ki, és a kitermelt víz hőmennyisége felhasználható. A csökkent hőmérsékletű vizet vagy kutakon keresztül nyeletik, vagy felszínen elszikkasztják. A horizontális (pl. talajkollektoros) rendszerekben a primeroldali csőkígyót kis mélységbe (<5 m) helyezik el, a kiépítés a munkagödrök kiásását, a csövek fektetését és a csövek visszatakarását jelenti. Alkalmazásuk során nagyméretű térrészen a területhasználat a csövek épségének megóvása érdekében jelentősen korlátozódhat, amire városi környezetben ritkán van lehetőség. A hőszondás kiépítés esetében a primeroldali hőcserélő csövek függőlegesek, jellemző mélységük 50–100 méter, de elérhetik akár a 250 méteres mélységet is. Telepítésük fúrások segítségével történik, nagyobb hőigény vagy korlátozott mélység esetén több szonda kialakítása is szükséges lehet. A földtani adottságokra és a későbbi területhasználatra legkevésbé érzékeny kiépítés, a legtöbb földtani környezetben telepíthető, így az elemzéseket e technológiára végzem el. A telepíthetőséget Debrecen jellegzetes lakóterület-típusainak mintaterületein
108
1. ábra Jellemző primeroldali kiépítési módok
elvégzett elemzéssel vizsgáltam, a szükséges kataszteri információkat Debrecen Megyei Jogú Város Szabályozási Tervének digitális változatából (ERDA Kft.) képfájlként nyertem ki, mely a kutatás első fázisához elegendő információt szolgáltat. A kiválasztott mintaterületek (2. ábra) igazodnak a jellegzetes lakóterület-típusokhoz és a kialakulásuk időpontját tekintve is viszonylag változatosak: 1. településközpont: Piac utca – Kossuth utca – Klaipeda utca – Szent Anna utca tömb, a: közintézmények, b: lakóépületek 2. nagyvárosias lakóterület: Mikszáth Kálmán utca északi része 3. kisvárosias lakóterület: Tarján utca környéke, a: társasházak, b: sorházak, c: szabadon álló épületek 4. kisvárosias lakóterület: Kút utca környéke 5. kertvárosias lakóterület: Falóger környéke, a: sorházak, b: szabadon álló épületek 6. kertvárosias lakóterület, szabadon álló házakkal: Sámsoni út 7. mezőgazdasági kertes zóna: Biczó István-kert
A szondák telepíthetőségét számos „városi” paraméter befolyásolja. Ezek közül a telepítéshez szükséges földterület tulajdonviszonyait és elkerítettségét, a közművek meglétét és az infrastruktúra elemeinek elhelyezkedését, a terület megközelíthetőségét és jelenlegi hasznosítását, a felhasználható telekméret abszolút és relatív méretét valamint a potenciális igényt vizsgáltam. Mindegyik paraméter esetében 3 osztályt hoztam létre: igen kedvező, kedvező, illetve kedvezőtlen feltételek. Az osztályozást igyekeztem a mintaterület egészére meghatározni, ahol ez nem volt lehetséges, ott a mintaterületet felosztottam kisebb részekre (1., 3., 5. mintaterület). Az elemzés utolsó fázisaként meghatároztam, hogy a telkek hány százaléka olyan elkerített terület, ahol a jelenlegi beépítettség mellett legalább egy hőszonda kiépítése megvalósítható, azaz a telekméret lehetővé teszi a szonda körüli 3,5 méteres pufferzóna kijelölését és a szonda helye munkagéppel megközelíthető. Emellett vizsgáltam több szonda elhelyezésének helyigényét is. Eredmények A (belvárosi) közintézményi területek (1a) általában kedvező adottságokkal rendelkeznek (1. táblázat). Számos esetben megfelelő méretű, akár szondamező kialakítására is alkalmas belső udvarral rendelkeznek (pl. iskolák), ami a fejlesztések
109
2. ábra A kiválasztott debreceni mintaterületek beépítettsége és elhelyezkedése
110
egyik fontos célterületeivé teszi ezeket a telkeket. A belvárosi lakóépületek (1b) telkén általában vagy kevés a felhasználható hely, vagy teljesen hiányzik (2. ábra), további hátráltató tényező a közművek sűrű infrastrukturális hálózata. A lakótelepek (2) esetében probléma, hogy a rendelkezésre álló terület közterület, azon a közművek elhelyezkedése szintén akadályozhatja a kiépítést, illetve bekövetkezhet a rendszerek külső hatásra történő sérülése. Ráadásul távhőellátású lakótelepeken kevés esetben merül fel a távhőszolgáltatás geotermikus hőszivattyús rendszerrel való kiváltása. Összességében belvárosi lakóövezetben és lakótelepi területen tömbrekonstrukció keretében reális geotermikus hőszivattyús rendszerek telepítése. A kisvárosias lakóterületen egyaránt megtalálhatók társasházas vagy közös telken álló sorházas területek, sorházas területek és szabadon álló családi házas területek is (2. ábra). Társasházak (3a) esetében bár a telekméret általában nagyobb, mint a családi házak esetében, de a hőigény is többszöröse, így a relatív telekméret már kicsi lehet (1. táblázat). Közös tulajdonú telkek esetében probléma lehet, ha nem mindenki igényli a hőszivattyús rendszerre való átállást, különösen, ha a relatív telekméret kicsi, és azok telekhányadát is be kell(ene) vonni a kiépítésbe, akik nem váltanak energiaforrást. Hasonló probléma a napenergia kiaknázása terén is megjelenik, elsősorban a tetők és tetőterek tulajdonviszonyai kapcsán (Santos, T. 2014). Sorházas beépítésekre (3b) jellemző a kis telekszélesség, esetenként a hátsókert korlátozott megközelíthetősége, melyek akár ki is zárhatják a hőszivattyús rendszerek telepíthetőségét (1. táblázat). A saját tulajdonú telken álló külön álló épületek (3c, szabadon álló vagy oldalhatáron álló családi házak) esetében – ha a 1. táblázat A vizsgált területek értékelése a telepíthetőség egyes szempontjai alapján ++: igen kedvező, +: kedvező, -: kedvezőtlen feltételek Vizsgált paraméter
1a
1b
21
3a
3b
3c
4
5a
5b
6
7
tulajdonviszonyok
++
+
-
+
++
közművek
+
-
-
+
++
++
+
++
++
++
++
++
++
++
++
++
+
hozzáférhetőség
++
+
++
++
-/+
+
-/+
-/+
+
+
++
telekméret
++
-
++
+
relatív telekméret
+
-
+
-
+
+
-/+
+
++
+
++
-/+
++
-/+
-/+
++
+
++
igény
++
+
-
+
+
++
+
++
+
+
-
hőszondatelepítésre alkalmas telkek száma és aránya (%)
12 902
0 0
0 0
25 100
86 70
36 100
261 90
523 60
90 100
133 100
120 100
potenciális szondaszám telkenként
>1
0
0
>1
1
>1
1
1
>1
>1
>1
összegzés
++
-
-
+
+
++
+
+
++
++
+
A mintaterületnek csak a nagyvárosias lakóterület beépítésű részét figyelembe véve. 2 A belső udvarral rendelkező közintézmények. 3 A rossz megközelíthetőség miatt. 1
111
telekméret megfelelő – általában nincs a kiépítést korlátozó tényező. A belváros peremén található kisvárosi lakóterület (4) Debrecenben az egy, vagy kétszintes zárt soros beépítések jellemzik, a telek mérete és alakja erősen függ attól, hogy az eredeti utcahálózat képe őrződik-e a jelenlegi utcahálózatban, vagy nem (2. ábra). A hőszonda kiépítéséhez szükséges terület hozzáférhetősége, a telek (relatív) mérete és szélessége gyakorlatilag telkenként különbözik, így a területre részletes térinformatikai elemzés nélkül nem lehet pontosan meghatározni a kiépítési lehetőségeket. A vizsgált kertvárosi lakóterületbe eső mintaterületek a kisvárosi mintaterületekhez hasonló képet mutattak, de a telekméretek jellemzően nagyobbak. Mind a sorházas beépítésre (5a), mind a szabadon álló családi házas beépítésre (5c) vonatkozó megállapítások a kertvárosi lakóterületeken is igazak (1. táblázat). Mivel Debrecen esetében a város jelentős része kertvárosias lakóövezetbe esik, így különösen fontos lehet e területek alkalmasságának részletes, automatizált felmérése. Mind a kisvárosias, mind a kertvárosias sorházas beépítések esetén a kis telekszélesség miatt a hőszonda elhelyezése csak a telkek középső részén lehetséges, míg a szabadon álló családi házas beépítés esetén nagyobb a kitűzés szabadsága, és több szonda elhelyezésére is lehetőség nyílhat. A város szélén található kertségek esetében jelenleg csak a 6000 m2-nél nagyobb, szőlő, gyümölcsös vagy kert besorolású ingatlanokon lehet lakóházat építeni. Feltételezve, hogy vannak, illetőleg egyre nagyobb arányban lesznek ezeken a telkeken lakóházak, illetőleg a város terjeszkedése miatt ezek a területek is belterületi, kertvárosi minősítést kaphatnak a közeljövőben, érdemes megvizsgálni a kertségek viszonyait is. E területeken jelenleg leginkább a hiányos közművesítettség és az igény hiánya számít kiépítést korlátozó tényezőnek, a többi vizsgált paraméterek szempontjából igen kedvező a helyzet (1. táblázat). Következtetések A hőszondák telepítésének egyik legfontosabb településszerkezeti gátja az érintett telekrész hozzáférhetősége, tényleges és relatív mérete lesz. Különösen az utóbbi két paraméter vizsgálata az alapadatok megléte esetén térinformatikai eszközökkel automatizálható. Hiányzó, vagy nem pontos kataszteri információk frissítéséhez, valamint a hőigény becslésének alapjául szolgáló építménymagasság meghatározásához kiegészítő mérések lehetnek szükségesek. A kapott eredmények alapján a geotermikus hőszivattyús rendszerek primeroldali telepíthetőségéhez kapcsolódó térinformatikai vizsgálatoknak az alábbi lépéseket célszerű tartalmaznia: • városi beépítési övezetek azonosítása • zöldfelületek és beépített, fedett területek elkülönítése • zöldfelület típusok azonosítása
112
• kataszteri határok megállapítása • zöldfelület- és telekméretek megadása • földtani-vízföldtani adottságok hozzárendelése az adatbázishoz • területi korlátozó tényezők hozzárendelése az adatbázishoz • a szondák potenciális helyének és a maximális szondaszámnak a meghatározása Ezek első fázisa és néhány egyéb részfeladata a napenergia-potenciál meghatározásával azonos, így egy komplex megújuló potenciál felmérés esetén közös adatbázisokból lehet kiindulni. A napenergia-potenciál meghatározásában használt módszerek – kiemelten a LiDAR és a drónok használatához kapcsolható fotogrammetriás eljárások –, kiegészítve a hiperspektrális távérzékeléssel igazoltan alkalmasak az épületek geometriájának, anyagának meghatározására (pl. Santos, T. 2014; Szabó G. et al. 2015; Szabó Sz. et al. 2014, 2016), és alkalmasak lehetnek az épületek körüli térrészek növényzeti/mesterséges fedettségének automatikus, félautomatikus vizsgálatára is. Emellett a hőszondák távolsága csökkenthető, azaz a területről kitermelhető energia növelhető megfelelő nyári hőbetáplálással, melynek a napenergia is lehet a forrása (Nordell, B.–Hellström, G. 2000; Buday T.–Török I. 2011; Buday T. 2015), így a rendszerek komplex telepítése a potenciálok kedvezőbb kihasználását teszi lehetővé. Összegzés A hőszondák telepíthetősége még egy kisebb, hasonló korú és stílusú épületekből álló településrészen belül is változatos, így a település egészére vonatkozó potenciálérték meghatározása csak több fokozatú térinformatikai elemzési módszerek segítségével oldható meg. Az elemzés alapján a kisvárosias és kertvárosias lakóterületeken belül a szabadon álló családi házas beépítésű területeken van reális lehetősége geotermikus hőszivattyús rendszerek telepítésére, elsősorban hőszondás primeroldali kiépítéssel. A talajkollektoros rendszerek kiépítése mellett a rendszeres hőszonda-telepítések és a hőszondamezők kialakítása során is fontos korlátozó tényezőként jelenhet meg a telkek szélessége és teljes mérete. A település terjeszkedésével a jelenlegi külterületi, zártkertes területek jelentős része is bevonhatók lesz a hőszivattyús vagy más megújulón alapuló energiafelhasználásba, különösen azokon a telkeken, ahol a vonatkozó jogszabályoknak megfelelően a közeljövőben alacsony energiaigényű házak fognak felépülni. A kapott eredmények azonban szükségképpen nem tartalmazzák a tulajdonosok hozzáállását a rendszerek kiépítéséhez, azaz a ténylegesen kiépíthető szondák száma alacsonyabb lesz a meghatározott értékeknél.
113
Felhasznált irodalom Buday T. (2015): A felső kéregbeli hőterjedés modellezése és alkalmazási lehetőségei KeletMagyarországon, PhD doktori értekezés, Debreceni Egyetem, 130 p. Buday T.–Török I. (2011): Működő hőszivattyús rendszerek hatása a felszínközeli üledékek hőmérsékletére egy debreceni példa alapján, Magyar Épületgépészet 59/1-2, pp. 21– 24. ERDA Kft. (é.n.): Debrecen Megyei Jogú Város szabályozásai terve http://erda.hu/hu/debrecen-megyei-jogu-varos-szabalyozasi-terve Horváth, M.–Kassai-Szoó, D.–Csoknyai, T. (2016): Solar energy potential of roofs on urban level based on building typology, Energy and Buildings 111, pp. 278–289. Nordell, B.–Hellström, G. (2000): High temperature solar heated seasonal storage system for low temperature heating of buildings, Solar Energy 69, pp. 511–523. Ochsner, K. (2007): Geothermal Heat Pumps. A Guide for Planning and Installing, Earthscan, London, 146 p. Rybach, L. (2015): Classification of geothermal resources by potential, Geothermal Energy Science 3, pp. 13–17. Santos, T.–Gomes, N.–Freire, S. –Brito, M.C.–Santos, L.–Tenedório, J.A. (2014): Applications of solar mapping in the urban environment, Applied Geography 51, pp. 48–57. Szabó, G.–Enyedi, P.–Szabó, Gy.–Fazekas, I.–Buday, T.–Kerényi, A.–Paládi, M.–Mecser, N.–Szabó, Sz. (2015): Preliminary results on the determination of solar energy potential using LiDAR technology,– International Review of Applied Sciences and Engineering 6(1), pp. 11–17. Szabó, Sz.–Burai, P.–Kovács, Z.–Szabó, Gy.–Kerényi, A.–Fazekas, I.–Paládi, M.–Buday, T.–Szabó, G. (2014): Testing of algorithms for the identification of asbestos roofing based on hyperspectral data, Environmental Engineering and Management Journal, 13 (11), pp. 2875–2880. Szabó, Sz.–Enyedi, P.–Horváth, M.–Kovács, Z.–Burai, P.–Csoknyai, T.–Szabó, G. (2016): Automated registration of potential locations for solar energy production with Light Detection And Ranging (LiDAR) and small format photogrammetry, Journal of Cleaner Production 112, pp. 3820–3829.
114
