KÉZIKÖNYV
Hőszivattyús megoldások lakó- és ipari épületekben
Tartalom Előszó
3
1. A geotermikus energia
4
2. Magyarország geotermikus adottságai
5
3. Hőszivattyús megoldások
6
4. A hőszivattyú története
7
5. A technológia bemutatása
8
6. A hőszivattyús megoldások típusai
11
7. Gyakori kérdések
17
8. Fogalomtár
18
9. Felhasznált irodalom
20
10. További információk
21
2
Előszó A XXI. század egyik legfontosabb kihívása az energiaellátás biztosítása, különös tekintettel a klímaváltozás kérdésére. Az Európai Unió egyértelműen elkötelezte magát a fosszilis energiahordozók felhasználásának csökkentése, a megújuló energia felhasználásának növelése mellett, jelentős mértékben hozzájárulva ezzel a klímaváltozás kedvezőtlen hatásainak mérsékléséhez. A megfogalmazott hosszú távú célkitűzések értelmében az Európai Unió 2050-re az 1990. évi szinthez képest 80–95%-kal kívánja csökkenteni az üvegházhatású gázok (ÜHG) kibocsátását, rövid távon 2020-ig a teljes energiaszerkezetének 20%-a fenntartható forrásból kívánja fedezni. Az EU energia és klímacsomagjának nyomán megszületett Megújuló Energia Útiterv a 2020-ra kitűzött 20 százalékos megújuló energiaforrás részarányon belül a közlekedés vonatkozásában 10 százalékot, továbbá 20 százalékos energiahatékonyságnövelést, és az ÜHG kibocsátásának (az 1990-es szinthez képest) 20 százalékra való mérséklését tűzte ki. Összhangban ez Európai Unió célkitűzéseivel, Magyarország 2008-ban elkészítette Megújuló Energia Stratégiáját (2008-2020). Az ehhez kapcsolódó Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terv (2010-2020) értelmében Magyarország a megújuló energiaforrásból előállított energia bruttó végső energiafogyasztásban képviselt részarányát 2020-ra 14,65 százalékban határozta meg. A megújuló energiaforrás-felhasználás összetétele tekintetében 2020-ban is a szilárd biomassza lesz várhatóan meghatározó, emellett a biogáz, a szélenergia és a geotermikus energia hasznosítás is komoly szereppel bír - ez utóbbi aránya 2020-ra várhatóan meghaladja a 7%-ot a teljes megújuló energia felhasználást tekintve. A geotermikus energia egyike a környezetbarát és költséghatékony energiaforrásoknak, széles körben való elterjedése esetén nagyban hozzájárulhat a globális felmelegedés csökkentéséhez. A geotermális energia, különösen a zárt rendszerű hőszivattyús rendszereket hasznosító alacsony entalpiájú energiatermelés, igen jó alternatívát jelenthet. A GEO.POWER projekt partnerei az Interreg IVC Program környezetvédelmi prioritásán belül az "Energia és fenntartható közlekedés" témakör keretében járulnak hozzá az EU 2020-20, illetve a Kyoto és Koppenhága nevével fémjelzett nemzetközi éghajlati célkitűzések eléréséhez. Jelen kiadvány segítséget kíván nyújtani a geotermikus energiatermelésben, ezen belül is a hőszivattyús technológiában rejlő előnyök megismeréséhez. 3
A geotermikus energia A "geotermikus" kifejezés görög eredetű szó, jelentése: földi hő, a földkéreg belső energiája. A geotermikus energia a Föld belső hőjéből származó energia. A Föld belsejében lefelé haladva kilométerenként átlag 30 °C-kal emelkedik a hőmérséklet. A geotermikus energiahordozók azok a különböző halmazállapotú anyagok (pl. felszín alatti vizek, gőzök), melyek a földkéreg belső energiájának hőenergetikai célú hasznosítását, kitermeléssel vagy más technológia alkalmazással lehetővé teszik. A föld hőjét a földkéreg különböző rétegei vezetik a magma belsejéből a felszín felé. A kőzetek milyensége és a rétegek vastagsága befolyásolja a föld hőjének felszínre jutását. Magyarország igen szerencsés helyzetben van, kiemelkedően jó tulajdonságokkal rendelkezik. Mivel a Kárpát-medence nagyrészt üledékes, víztározó porózus kőzetekből áll, ezért egyszerűbb a geotermikus energiát kinyerni a földből. Legjelentősebb előnyei: A geotermikus energia nagy mennyiségben rendelkezésre álló hazai energiaforrás, ezért csökkenti az importenergiától való függést A földhő „fenntartható” módon használható A geotermikus energia folyamatosan napszaktól és évszaktól függetlenül rendelkezésre áll, így gyakorlatilag alap energiahordozóként lehet vele számolni A geotermikus energia hasznosítás károsanyag-kibocsátásmentes A geotermikus projektek élettartama – a több, mint fél évszázada sikeresen üzemelő rendszerek állapota alapján – minimum 50-70 évre becsülhető, így a magasabb beruházási költség ellenére gazdaságossága nem megkérdőjelezhető Érdemes azt a tényt megvizsgálni, hogy egy 1997-es összehasonlítás szerint a CO2kibocsátás csökkentésének legolcsóbb módja (az alternatív energiaforrások közül) a geotermális energia igénybevétele – ráadásul ez a megoldás (a nap-, szél- és vízenergia felhasználásával ellentétben) az időjárástól független (Forrás: http://www.tompa.hu/ dokumentumok/jelentes_geotermikus_energia.pdf) . Clauser 1997 nyomán, forrás: Árpási 2002
4
Magyarország geotermikus adottságai
Magas geotermikus gradiens: 40-50 °C/km Magas hőáramsűrűség: 80-100 mW/m2 Vízzel telített törmelékes üledékek illetve karsztosodott, repedezett karbonátos kőzetek A termálvíz az ország területének 70 %-a alatt megtalálható Alacsony entalpiájú (termál)vizek: 10-120 °C 3000 m-nél mélyebben levő karbonátos rezervoárok közepes illetve magas entalpiájúak Hőmérséklet eloszlás különböző mélységekben Magyarországon (forrás: A geotermikus energiahasznosítás nemzetközi és hazai helyzete, jövőbeni lehetőségei Magyarországon, 2008) 500 m
1000 m
2000 m
Geotermikus energiavagyon: 102 180 EJ Kitermelhető geotermikus energiavagyon: 343 EJ Jelenlegi felhasználás (2006): 3,63 PJ Geotermikus energia részesedése a hazai energiafelhasználásban: 0,3 % Felszín alól a vizekkel kitermelt hőmennyiség: 26-38 PJ/év
5
Hőszivattyús megoldások A hőszivattyú a környezet energiájának hasznosítására szolgáló berendezés, mellyel lehetséges fűteni, hűteni, melegvizet előállítani. A berendezés a működtetésére felhasznált energiát nem közvetlenül hővé alakítja, hanem a külső energia segítségével a hőt az alacsonyabb hőfokszintről egy magasabb hőfokszintre emeli, legtöbbször a föld, a levegő és a víz által eltárolt napenergiát hasznosítva. A kompresszoros hőszivattyú elvi felépítése megegyezik a hűtőberendezésekével, legfontosabb elemei a két hőcserélő (egy párologtató és egy kondenzátor), kompresszor és az expanziós szelep. A hőszivattyú kompresszorát villanymotor hajtja, de nem feltétlenül szükségesek hagyományos energiaforrások (villamos energia vagy földgáz) hiszen a működtető villamos energiát biztosíthatjuk napelemmel, biogázzal, vagy éppen szélenergiával. A geotermikus hőszivattyú az a rendszer, ami képes a geotermikus energiát hasznosítani, a "föld" (talaj, talajvíz, termálvíz) és a ház belső terei között szállít hőt. Ez Magyarországon az egyik legszélesebb körben alkalmazható megújuló energiaforrás típus. Egyrészről univerzálisan hasznosítható fűtésre- és hűtésre, másrészről beépített területeken is jól alkalmazható. A hőszivattyú alkalmas eszköz a földhő (talajhő, hidrotermikus energia és légtermikus energia) hasznosítására, ami az országban szinte mindenhol, bár alacsony hőmérsékleten, de rendelkezésre áll. A földhő hasznosítása jelentősen bővíthető családi házas környezetben, a természeti adottságokból adódó korlátok nélkül. A hőszivattyúval működő rendszert három részre oszthatjuk: Hőnyerő közeg (hőforrás) A hőszivattyú és a hozzá kapcsolódó hőcserélők, amelyeken keresztül a hőátadó közeg és víz áramlik A hűtési, fűtési hálózat A hőnyerő közeg lehet levegő, víz vagy talaj. A hőnyerő közegtől egy "külső hőcserélő" szállítja a hőenergiát közvetlenül a hőszivattyúba a hőcserélő folyadék segítségével. Előnyös, ha a hőmérséklet különbség a hőnyerő közeg és a hőcserélő folyadék, a hőcserélő folyadék és a hőátadó oldal hőmérséklete között állandó. Az elosztó hálózat a hőszivattyú után lehet a fűtési, használati melegvíz rendszer vagy egyes hőszivattyú típusoknál a hűtési rendszer. Fűtés esetén az optimális működést a korszerű alacsony hőmérsékletű fűtési módozatoknál érhetjük el, mint például a fal-, mennyezet-, szerkezet- vagy padlófűtés. 6
A hőszivattyú története Az angol James Joule és William Thomson (Lord Kelvin) 1852ben alkotta meg a hőszivattyú elvét. Az osztrák Peter Ritter von Rittinger a francia Carnot termodinamikai írásait tanulmányozva megalkotta a világ első ipari hőszivattyúját. 1938-ban Zürichben létesült az első tartósan hőszivattyúval fűtött épület (a zürichi városháza). Az épület hőforrása a Limmat folyó vize lett. A hőszivattyú múltjának magyar vonatkozása, hogy 1948-tól Heller László közreműködésével kidolgozott kompresszoros hőszivattyú áttörést jelentett e technológia történetében. A világhírű műegyetemi professzor, akadémikus 1948-ban védte meg doktori disszertációját Zürichben, amelynek témája a hőszivattyúk alkalmazásának technikai, gazdasági feltételei volt. 1931-ben szerzett gépészmérnöki diplomát a zürichi E i d g e n ö s s i s c h e Te c h n i s c h e Hochschule-n, majd két évig volt kutató az egyetemen, szilárdságtannal foglalkozott. Magyarországra hazatérve gépipari és energetikai feladatokat kapott. Az 1940-es években az ő tervei alapján épült az első nagynyomású ipari hőerőmű Ajkán. Ekkor dolgozta ki a világhírű Heller-system eljárást, amely az ipari megvalósításban tevékenyen közreműködő Forgó László neve alapján Heller-Forgó rendszerként ismert. A környezetbarát eljárás biztosítja az erőművek víztakarékos, levegővel való hűtését. A II. világháború után megalapította az Egart Rt-t, amely az államosítás után az ő vezetése alatt előbb Hőterv, majd Energiagazdálkodási Intézet (EGI) néven ma is ismert irodává fejlődött. 1951-től a Budapesti Műszaki Egyetem tanára lett, ahol megszervezte az energiagazdálkodási tanszéket. Jelentős tevékenységet fejtett ki az entrópia fogalmának technikai-tervezői gyakorlatban való bevezetése kapcsán. 1951-ben Kossuth díjjal tüntették ki. A hőszivattyúk világméretű terjedésével napjainkban igazolódnak gondolatai. Példa erre a Berlini Bundestag új épületének hőszivattyús fűtése és hűtése. 1973-ban az első olajválság után a Heller László által is fejlesztett hőszivattyús rendszerekhez teljesen új eljárások ipari megvalósítására került sor, amelyek elsősorban a tüzelőanyagok hatékonyabb felhasználását és a környezetet szennyező anyagok mennyiségének csökkentését segítették elő. A hőszivattyús technika tehát alapvetően nem új, mégis a különböző országok energiaellátási politikájában az első energiaválságig alárendelt szerepet játszott, és számos helyen (hazánkban is) addig jelentéktelennek tekintették. Napjainkban azonban egyre több országban nő a korszerű hőszivattyúkra és a különböző hőszivattyús rendszerekre alapozó energiaellátási megoldások száma. 7
A technológia bemutatása A hőszivattyú olyan nagyteljesítményű klímagép, melyet elsősorban fűtésre használnak, de egy átkapcsolással hűtött vizet vagy levegőt tud keringetni a fűtési rendszerben, tehát klímagépet pótol. Felépítése egyszerű. Két hőcserélőt egy körvezeték köt össze. Egy kompresszor a csővezetékben olyan munkaközeget keringet, melynek igen alacsony a forráspontja, csak nagy nyomás alatt cseppfolyósodik. A hideg oldali hőcserélő előtt a folyékony halmazállapotban lévő munkaközeg nyomását egy nyomáscsökkentő szelep leejti. Ekkor a munkaközeg hevesen elpárolog, lehűl és a párolgáshoz szükséges hőt a hőcserélő másik oldalán átfolyó környezeti közegből (vízből, levegőből, termálvíz hulladékból. szennyvízből, stb ) vonja el, annak lehűtésével. Ezután a felmelegedett munkaközeget a kompreszszor elszívja, besűríti egy előre meghatározott nyomásra, melytől a lecsapódó munkaközeg felmelegszik. A lecsapódásnál felszabadul az a hő, melyet a környezetből elvont, megnövelve a kompresszorba betáplált és hővé átalakult energiával. Mindezt az energiát a másik hőcserélőn áthaladva átadja a fűtési rendszerben keringő fűtőközegnek. A hőszivattyú négy alapvető alkatrészből áll, amik a fenti fizikai folyamatokat valósítják meg, és használják ki:
1. Kondenzátor hőcserélő
2. Expanziós szelep 3. Elpároló hőcserélő
8
4. Kompresszor
A hőszivattyú hasznossága energetikai mutatók segítségével értékelhető. Az egyik, leggyakrabban használt mutató a COP. A COP (angolul Coefficient of Performance) a leadott termikus teljesítmény és a felvett elektromos teljesítmény hányadosa, mely megmutatja, hogy 1 kW elektromos energiából mennyi termikus energiát állít elő az adott hőszivattyú. Mértékegysége kWh/kWh. A hatékonysági mutató értéke levegőből történő hőnyerésnél 3, talajvíznél 4, termálvíz 2025oC-al elfolyó csurgalékát felhasználva 5 - 7.
A COP szám azonban csak és kizárólag akkor értékelhető korrekt adatként, ha azzal együtt a berendezés működési viszonyait is ismerjük. A hőszivattyúknál a COP és egyéb energiahatékonysági számok nagyban függenek a hőforrás hőmérsékletétől, illetve az előremenő víz hőmérsékletétől. Ez a két hőmérséklet, primer illetve szekunder oldali, minél távolabb áll egymástól, annál kisebb a COP érték, ugyanis minél nagyobb hőmérséklet különbséget kell leküzdenünk, annál nagyobb nyomásviszonyt kell a kompresszornak előállítania, vagyis nő a kompresszor felvett elektromos teljesítménye. A hőszivattyúkat tehát csak és kizárólag azonos hőmérséklet viszonyok mellett lehet COP érték alapján összehasonlítani, és a COP közlésének is csak így van értelme. A hőszivattyús rendszerek hazai pályázati támogatása esetén kritériumként (technológia specifikus jogosultsági kritériumok) jelenik meg a COP érték: a különböző típusú hőszivattyús rendszerekhez meghatározott üzemi körülmények között meghatározott névleges COP értékek szükségesek. Hűtési üzemmódban a hőszivattyú hatásfokát leggyakrabban EER (angolul Energy Efficiency Ratio) értékekkel szokták jellemezni. Az EER az angol Energy Efficiency Ratio rövidítése. Magyarországon hűtési jóságfoknak nevezzük. Ipari szabvány, amely azt mutatja meg, hogy a légkondicionáló berendezés az energia leadását adott elektromos energia felvételnél milyen hatékonyan végzi. Az EER a hűtőteljesítmény és az elektromos teljesítményfelvétel hányadosa (W). Minél nagyobb az EER értéke, annál nagyobb az energetikai teljesítmény foka, annál gazdaságosabban működik a klímagép, annál kevesebb energiát használ fel ugyanazon teljesítmény eléréséhez. 9
A hőszivattyús rendszerek gazdaságosságát alapjaiban meghatározza az adott rendszerrel elérhető szezonálisteljesítmény-tényező (SPF, angolul Seasonal Performance Factor, kWh/ kWh) értékének alakulása. Az SPF a teljes fűtési szezonra értelmezett mutatószám, a teljes fűtési szezonban leadott hőenergiát (kWh) osztjuk ugyanazon időszak alatt felvett teljes villamos energiával (kWh). Az SPF érték azt mutatja meg, hogy ha a hőszivattyú a fűtési időszakban pl. 13.000 kWh energiát adott le (fűtésre és melegvíz készítésre), és ehhez 4.000 kWh energiát vett fel az elektromos hálózatból, akkor az SPF érték 3,25. Lényeg, hogy ez a mutató a teljes fűtési időszakot veszi figyelembe, ami idő alatt előfordulhat bármilyen előremenő hőmérséklet, bármilyen hőforrás (levegő, víz, geotermikus) hőmérséklet, ezek változását az SPF mind tartalmazza. Magyarországon a fűtési napok száma 180-190 nap, a mutató tehát ezt a teljes időszakot értékeli. Minél magasabb ez az érték, annál jobb rendszerrel van dolgunk. Az SPF érték nagyban függ az alábbi tényezőktől (is):
a leadott hőenergia milyen arányban oszlik meg a fűtés és a HMV (használati melegvíz) készítés között az előremenő hőmérséklet, és a visszatérő hőmérséklet a külső hőmérsékletek előfordulási gyakorisága (kemény tél, vagy enyhe tél)
Az SPF érték a hőszivattyúnak tehát nem olyan jellemzője, ami gyárban mérhető, mert az üzemeltetés körülményei befolyásolják.
10
A hőszivattyús megoldások típusai A hőszivattyúk típusát az alapján határozzuk meg, hogy milyen környezeti közegből vonja el a hőt, és milyen közegnek adja át. Ez alapján három típust különböztetünk meg, levegőből, talajból, vízből vonják el az energiát és víznek vagy levegőnek adja át. Gyakoribb a szekunder oldal vizes kialakítása, mert jobb a rendszer hőátadási tényezője, és hűtésre is jól használható:
Fentieknek megfelelően a következő hőszivattyú típusok terjedtek el tömegesen:
levegő-levegő hőszivattyú, ahol a levegő a hőforrás és a berendezés közvetlenül a belső levegőt fűti (például split klíma berendezésekben) levegő-víz hőszivattyú, ahol a hőforrás a külső levegő, a fűtőközeg a víz víz-víz geotermikus hőszivattyú, ahol a hőforrás és a fűtőközeg is víz (pl. kútvizes megoldás) talajhő-víz (talajszondás) geotermikus hőszivattyú, ahol a hőforrás a talaj és a mélyebb rétegek, az energiát fagyálló folyadék szállítja, a fűtőközeg pedig víz
A hőszivattyús rendszerek egyik nagy előnye, hogy nem csak a fűtés és a melegvíz ellátást, hanem az épület hűtését is el tudják végezni. Lehetőség van a fűtési rendszerben lévő vizet keringtetve az épületből összegyűjtött hőt a földbe vagy a kútba juttatni. Ezáltal gyakorlatilag a hőszivattyú passzív állapotban van, nem vesz részt a folyamatban, egy további hőcserélő szükséges a hűtő körben, mely közvetlenül kapcsolja össze a primer és a szekunder oldalt. Reverzibilis hőszivattyú alkalmazásával lehetőség van aktív hűtésre, tehát a hőszivattyú működési folyamatának megfordításával a hőszivattyú aktív elemként vesz részt a hűtésben. Aktív hűtésre már levegős hőszivattyúval is van lehetőség. Az aktív hűtés folyamata közben a használati melegvíz ellátást vagy más fűtési feladatot biztosítani tudja a hőszivattyú.
11
Levegő-levegő hőszivattyú A levegő-levegő hőszivattyú alkalmazás ideális meglévő épületekben a fűtés utólagos kiépítésére, ha a használati melegvíz előállítás nem szükséges, vagy másként megoldott. A hűtőközeg-körfolyamat a levegő-levegő hőszivattyúk által kinyert hőt közvetlenül a helyiség levegőjének adja le. A technológia előnye az, hogy a helyiség igen gyorsan felmelegíthető, mivel a hőt beltéri egységek adják le. Ezzel a rendszerrel a helyiségek hűtése is megoldható, mivel nyáron úgy működhet, mint egy klímarendszer. A hőszivattyús rendszerek közül a levegő/ levegő hőszivattyúk a legelterjedtebbek, ami elsősorban az olcsóbb áruknak köszönhető. Ide sorolhatóak a hőszivattyús fűtőüzemű ablak- és helyiségklíma-készülékek (kompakt és split).
A levegő hőforrással üzemelő monovalens fűtés a közép-európai külső hőmérsékletek mellett gazdaságtalan, emiatt az üzem leggyakrabban bivalens üzemű (párhuzamos vagy alternatív). Magyarországon fűtésre elsősorban a fűtési szezon kívül a tavaszi és őszi időszakokban használják. A levegő/levegő hőszivattyú két részből áll. A beltéri egység (1), mely egy hőcserélőből és egy ventilátorból tevődik össze, a helyiség levegőjének a hőmérsékletét hűti vagy fűti. A kültéri egység (2) egy kompresszorból, egy hőcserélőből, egy expanziós szelepből és egy ventilátorból áll.
12
Levegő-víz hőszivattyú A levegő-víz hőszivattyúk a külső levegő hőmérsékletét hasznosítják, mint a nyerő közeg energia forrása. Egészen extrém -25 °C fokos külső hőmérsékletet is képesek hasznosítani bizonyos típusú hőszivattyúk. A levegő-víz hőszivattyú egy olyan ventillációs rendszer, amely a levegőt beszívja majd egy hőcserélőn keresztül lehűti azt és visszaengedi a lehűlt levegőt a környezetbe. Minél alacsonyabb a külső levegő hőmérséklete annál kevesebb hőenergia hasznosítható belőle, ami azt jelenti, hogy azonos belső levegő hőmérséklet eléréséhez több befektetett elektromos áram szükséges. Így mondhatjuk, hogy a hőszivattyú COP értéke a hőmérséklettel arányosan változik. A levegő-víz hőszivattyú COP teljesítmény tényezője a legkisebb a víz-víz és talaj-víz hőszivattyúk mellett. Beltéri levegő-víz hőszivattyúk Ha nincs lehetőség elhelyezni a hőszivattyút a kertben, szabadban, beltéri levegő-víz hőszivattyú telepíthető. Az általános célú hőszivattyúk nem igényelnek 1-2 m2nél nagyobb területet, elhelyezhetőek kamrába, pincébe, gardrób szobába. Nagy hangsúlyt fektetnek a gyártók a tökéletes hangszigetelésre és rezgés csillapításra. Biztosítani kell az akadálytalan légáramlást a hőszivattyúhoz és a kondenzátum elvezetését. Kültéri levegő-víz hőszivattyúk Kültéri levegős hőszivattyúk közvetlenül a forráshoz telepíthetőek, azaz a szabadban bárhová. Figyelembe kell venni az akadálytalan légáramlás biztosítását, a zajhatást, megfelelő alapozást kell biztosítani és a hozzáférést is lehetővé kell tenni. A meglévő fűtési rendszerhez történő csatlakozás két hőszigetelt csövön keresztül oldható meg, az előremenő és a visszatérő ágak kivezetésével. Ezen kívül biztosítani kell még az elektromos táp ellátást is.
Előnyei:
Hátrányai:
szélsőséges hőmérsékletek között (-25 ° C - +30 °C) is alkalmazható egyszerűen, olcsón telepíthető nem igényel előkészítést bárhova telepíthető könnyen integrálható a meglévő fűtési rendszerbe a talaj/víz és a víz/víz hőszivattyúkhoz képest kisebb beruházást igényel
13
alacsony COP : 2,6-3,5 (A2 - +2 °C fokos levegőn mérve) hőmérséklet függő COP alternatív fűtési rendszert igényel beltéri kivitel esetén zajhatás (54 dB) figyelembe vétele
Víz-víz hőszivattyú A víz-víz hőszivattyúk a hőenergiát legtöbbször a talajvízből nyerik, de a hőforrás nem csak talajvíz lehet, hanem felszíni víz, szennyvíz, termálvíz is. A hosszú távú működéshez megfelelő mennyiségű víz szükséges. A vízvíz hőszivattyúval lehetőség van aktív és passzív hűtésre egyaránt. A víz-víz hőszivattyúkat nem csak fűtésre, hanem melegvíz készítésre is használhatjuk. A hasznosítható energia szempontjából a víz-víz hőszivattyúk a legjobban megfelelők, a legtöbb hőenergiát állítják elő ugyanazon befektetett elektromos energiából az összes hőszivattyú típus közül. Ennek oka a viszonylag magas talajvíz hőmérséklet, amely nem változik jelentős mértékben a téli hónapokban sem. A talajvízzel üzemelő fűtőgépek jóságfoka (COP) a talajvíz éves átlagában kb. 10°C hőmérsékletéből adódóan jobb, mint a levegő-víz vagy a talajhő-víz hőszivattyúké. A víz-víz rendszerben alkalmazott hőszivattyúk szerkezeti felépítést tekintve túlnyomórészt megegyeznek a talajhő-víz hőszivattyúkkal. A víz kinyerése a talajból általában hatósági engedélyezést igényel, mely engedélyt a beruházás megkezdése előtt kell beszerezni. Ugyanakkor a hőszivattyúra előírt vízminőségi határértékeket is be kell tartani a korróziós károk elkerülése érdekében. A víz-víz hőszivattyúk hőforrásoldali kialakításánál nagy gondossággal kell eljárni. A termelőkút vízhozamát a választott gyártmányú hőszivattyú tervezési segédletében megadott térfogatárama alapján kell kialakítani. További feladatokat jelent a gépen áthaladt lehűlt víz elvezetése. Csatornahálózatba nem lehet bevezetni, mivel az ilyen nagyságú tömegáramot nem tud befogadni, ezért a legcélszerűbb megoldás az, ha egy nyelő kút kerül kialakításra hasonló méretben, mint a termelőkút. Ezt a megoldást amiatt is ajánlott választani, mivel így elkerülhető a talajvízháztartás felborulása, ami akár talajsüllyedést is előidézhet.
Előnyei:
Hátrányai:
legmagasabb COP : 5-7 (W10 - +10 °C fokos vízhőmérsékleten mérve) állandó COP biztosítása passzív hűtés kialakításának lehetősége nem szükséges alternatív fűtési rendszer
14
nagy mennyiségű vizet igényel jelentős munkálatok, hosszú előkészítést igényel kút elapadása esetén nem működik
Talajhő-víz hőszivattyú A talajhő-víz hőszivattyúk a föld hőjét hasznosítják, a földben elhelyezett hőcserélőn keresztül. A talajhő-víz hőszivattyúval lehetőség van aktív és passzív hűtésre egyaránt. A talajhő kinyeréséhez a talajba a vele érintkező csővezetéket kell elhelyezni, amelyben a talaj hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékletű fagyálló folyadékot keringetve a talajból a hőenergia a folyadékba áramlik, s ezt az energiát a felmelegedett folyadék a hőszivattyúba szállítja. Ott lehűlve a talajcsövekbe áramlik vissza, ismét felmelegszik, és a folyamat kezdődik elölről. A talaj hőmérséklete körülbelül 5-15°C közötti a mélység és az évszak függvényében. A felhasználható, kinyerhető energia szempontjából a talajhő-víz hőszivattyúk a víz-víz hőszivattyúk után a második helyen állnak. A felső talaj réteg úgy 100 méter mélységig a besugárzott napenergiát és a föld belsejéből érkező geotermikus energiát tárolja. A talajhő-víz hőszivattyúk meglehetősen nagy föld területet igényelnek. A talajhő-víz rendszereknek két fajtáját lehet megkülönböztetni attól függően, hogy a talajjal érintkező csőkígyós hőcserélő vízszintesen (a) vagy függőlegesen (b) van kialakítva: a.) Talajkollektoros kivitel b.) Talajszondás kivitel A talajkollektor és talajszonda méretének meghatározásakor a választott hőszivattyúból kell kiindulni. A hőszivattyú teljesítménye két részből tevődik össze, az egyik rész a hálózatból felvett elektromos teljesítmény, a másik a környezetből felvett hőteljesítmény. A méretezésnél az utóbbi érték veendő figyelembe. Különböző talajtípusoknál más-más fajlagos teljesítménnyel lehet számolni: Talajkollektor Talaj minősége
Hőteljesítmény
Száraz, laza talaj
10-15 W/m2
Nedves, kötött talaj
15-20 W/m2
Vizes, kötött talaj
20-25 W/m2
Vízzel teljesen átitatott talaj
25-30 W/m2
Talajvízszint alatti fektetés
30-40 W/m2
Geotermikus szonda Talaj minősége
Hőteljesítmény/szondahossz
Száraz, laza talaj
20-30 W/m
Nedves, kötött talaj
40-55 W/m
Vizes, kötött talaj
50-80 W/m
Talajvízszint alatti fektetés
80-100 W/m
15
Hőnyerés a felső talajrétegből (talajkollektor) A talajkollektoros hőszivattyúk a felső talajréteg hőjét hasznosítják, amit a napsugárzás és beszivárgó csapadék közvetít. A fagynak ellenálló szigetelt csövek 1,2 - 1,5 méter mélységben kerülnek elhelyezésre. Annak érdekében, hogy ne okozzunk kárt a kisebb kerti növényekben, virágokban, cserjékben a csövek egymástól minimum 30 cm-re kerülnek elhelyezésre. Maga a talajkollektor csövek és a hozzá tartozó szerelvények költsége viszonylag alacsony a szükséges földmunkák költségéhez képest. Előnyei:
Hátrányai:
jó COP : 4,5-5 (B0 - 0 °C fokos talajhőmérsékleten mérve) passzív hűtés kialakításának lehetősége a jövőbeni működés teljesen biztosított nem szükséges alternatív fűtési rendszer
nagy földmunkát igényel hűtheti a fák gyökerét (min. 2m távolságot kell tartani) nagy területet igényel (2-2,5 x a fűtött terület)
Hőnyerés geotermikus energiából (talajszonda) A földszondás hőszivattyú csöveit 60-100 méteres lyukakba helyezik, egy lyukba rendszerint 4 db (2 előremenő, 2 viszszatérő) KPE cső kerül. A furatokat minimum 5 méterre kell elhelyezni egymástól, melyek a legmagasabb ponton egy osztó-gyűjtő szerelvényhez kapcsolódnak. A körök szakaszolható kialakításúak. A talajszonda kiépítése engedélyköteles. Ennek oka az, hogy a nagyobb mélységbe lefúrt hőszonda rendszer telepítése a mélyebb rétegekben lévő ivóvízkészletben is kárt tehet, ezért talajszonda és egyéb mélyfúrásokhoz minden esetben ki kell kérni a területileg illetékes bányakapitányság engedélyét. A talajszonda feletti területet a kiépítés után nem kell szabadon hagyni. Előnyei:
jó COP : 4.5-5 (B0 - 0 °C fokos talajhő- mérsékleten mérve) állandó COP vel működik passzív hűtés kialakításának lehetősége a jövőbeni működés teljesen biztosított szinte bárhova telepíthető nem szükséges alternatív fűtési rendszer 16
Hátrányai: drága telepítés: fúrás nagy földmunkát igényel bányakapitányi engedély szükséges
Gyakori kérdések Miért előnyös a hőszivattyús megoldások alkalmazása?
Környezetbarát Automatikus működésű Halk, kompakt, könnyen elhelyezhető Nagyrészt ingyenes megújuló energiát használ, ezért olcsó üzemeltetési költségű Karbantartást alig igényel Hosszú élettartamú Fűtést, hűtést, melegvíz-készítést biztosítja Nincs szükség kéményre Biztonságos Növeli az ingatlan piaci értékét Hosszú távú befektetés
Milyen tényezőket kell figyelembe venni a hőszivattyú méretezésénél?
Az épület hőtechnikai számítása elengedhetetlen téli hőveszteség (kW) - fűtés nyári hőnyereség (kW) - hűtés A területre jellemző primer kör kiválasztása
Mire kell ügyelni a tervezés és a kivitelezés során, milyen veszélyeket kell elkerülni?
Primer oldal helytelen kiválasztása Primer oldal rossz méretezése, gondatlan kivitelezése: pl. nem elegendő szondahossz Fordítva kell gondolkodni: gázkazán esetén: hőigény - gázkazán teljesítmény hőszivattyú esetén: kinyerhető teljesítmény - hőszivattyú teljesítmény Hőtechnikai számítás rizikói: hőhidasság, nyílászárók Épület kivitelezése, eltérés a tervektől: hőhidak gondatlan „beépítése”, pénzügyi források kimerülése, kereskedői csúsztatások Fűtési rendszer rossz kivitelezése: nem elegendő hőleadó felület
Milyen költségekkel kell kalkulálni az áramfelhasználást illetően?
Az egész ország lehetőség van kedvezményes áramtarifa igénylésére és használatára a hőszivattyúval fűtő háztartások számára Geo-tarifa: szolgáltatás napi időtartama: 20 óra, egész éves, ELMÜ-ÉMÁSZ szolgáltatási területen H-tarifa: 24 órában elérhető, csak fűtési időszakban, az összes szolgáltatónál
17
Fogalomtár Alternatív fűtés A hőszivattyú mellett működő kazán, elektromos fűtőbetét, stb COP Coefficient Of Performance azaz teljesítmény tényező vagy jóságfok. A hőszivattyú működtetéséhez energiára – általában elektromos áramra - van szükség. A hőszivattyú hatékonyságát a COP számmal lehet jellemezni. A COP azt fejezi ki, hogy a hőszivattyú egy egységnyi (kWh) elektromos energia felhasználásával hány egységnyi (kWh) hőenergiát állít elő. Minél nagyobb ez az érték, annál jobb a hetékonyság Elektromos hőszivattyú Villanymotoros kompresszorral működő hőszivattyú Entalpia Egy zárt rendszer összes energiatartalma Épület hőigénye Az a hőmennyiség, amelyikkel a leghidegebb időben pótolni lehet az épület hőveszteségét Expanziós szelep A hőszivattyú belső folyamatában található szabályozott tűszelep, amin áthaladva a munkaközeg hirtelen kiterjed Felületfűtés Padló-, fal-, vagy mennyezetfűtés Fűtési előremenő víz A hőszivattyúból a hőleadó rendszer felé áramló víz Gázmotoros hőszivattyú Gázzal működő robbanómotorral meghajtott kompresszort tartalmazó hőszivattyú Geotermikus grádiens A felszín alatti hőmérsékletnövekedés mérőszámaként használt mutató, az egységnyi mélységváltozásra jutó hőmérsékletváltozást fejezi ki Használati melegvíz tartály A háztartási melegvíz-használathoz előállított melegvizet tartalmaz tároló Hőáramsűrűség Egységnyi idő alatt, egységnyi felületen áthaladó hőmennyiség (mértékegysége W/m2) Hőátadó képesség A talaj olyan fizikai tulajdonsága, ami azt fejezi ki, hogy milyen mértékben lehet tőle hőenergiát elvonni. A tömör szerkezetű kőzeteknek ill. a nedvesebb talajnak jobb a hőátadó képessége Hőfoklépcső Fűtés esetén az előremenő (melegebb) fűtővíz és a visszatérő (hidegebb) víz hőmérséklete közötti különbség Hőközpont A hőszivattyú a tartályok és egyéb gépészeti elemek elhelyezésére szolgáló helyiség
18
Fogalomtár Hőleadó (szekunder) oldal A felületfűtést, radiátorokat, stb. tartalmazó épületgépészeti rendszer Hőnyerő (primer) oldal A természet hőenergiájának elvonására szolgáló gépészeti rendszerek. Pl. kútvizes rendszer, talajkollektoros rendszer, talajszondás rendszer, levegő hőjét hasznosító rendszerek Hőszivattyú A természet hőenergiájának hasznosítására szolgáló készülék Hőszivattyús bojlerek A lakásból elszívott használt levegő hőenergiáját használati melegvíz előállítására hasznosító berendezés Kompakt kollektorok Műanyag csövekből radiátor szerűen felépített hőnyerő eszköz. Helyigénye jelentősen kisebb, mint a vízszintes talajkollektoros rendszeré, kialakítása kisebb földmunkát igényel. Kompresszor Gáz összenyomására szolgáló berendezés Monoblokk levegő-víz hőszivattyú Klasszikus felépítésű levegő-víz hőszivattyú. A teljes hőszivattyús körfolyamat egy készüléken belül zajlik le, a felmelegített víz lép ki belőle (fűtési üzemmódban) Munkaközeg A hőszivattyús körfolyamatban közreműködő gáz, fluidum Nyerőkút vagy termelőkút Vízkút, ahonnan a hőszivattyú számára szükséges vizet kiszivattyúzzák Passzív hűtés Pusztán a hűvös kútvíz, vagy a talajban lehűtött fagyálló folyadék segítségével megvalósított hűtés Puffertartály A fűtővíz (vagy hűtővíz) tárolására szolgáló tartály Split levegő-víz hőszivattyú Olyan levegő-víz hőszivattyú, ahol a körfolyamat két berendezés (kültéri és beltéri) között oszlik meg Szikkasztókút Vízkút, ahová a hőszivattyúból kijövő víz visszakerül Talajkollektoros rendszer A földfelszín alatt 1,2-2 méter mélységben, vízszintesen elhelyezett műanyag csövekből álló hőnyerő rendszer Talajszondás rendszer A földben függőlegesen létesített, 60-100 méter mély furatokban elhelyezett műanyagcsövekből álló hőnyerő rendszer
19
Felhasznált irodalom A geotermikus energiahasznosítás nemzetközi és hazai helyzete, jövőbeni lehetőségei Magyarországon - Ajánlások a hasznosítást előmozdító kormányzati lépésekre és háttértanulmány Ádám Béla - Kujbus Attila - Kurunczi Mihály - Dr. Szanyi János - Dr. Unk Jánosné: Javaslat a geotermikus energia hazai hasznosításának növelésére Bálint Nóra: A geotermikus energia hasznosítás helyzete és lehetőségei Magyarországon Csanaky Lilla: A megújuló energiaforrásokra alapozott hőtermelés lehetőségei Magyarországon Hajdú György: A hőszivattyú a jövő energiaforrása - a nap és föld hőjének hasznosítása Komlós Ferenc: A hőszivattyú Magyarországon Komlós Ferenc: Geotermikus hőszivattyús rendszerek hasznosításának lehetőségei településeken és épületekben Kovács Balázs: Hőszivattyúk kiválasztási és gazdaságossági kérdései Kurunczi Mihály: A geotermia mint hazai energiaforrás Listár Nikolett: A geotermikus energia felhasználás helyzete hazánkban Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve 2010-2020 Martin Zogg: History of Heat Pumps Tájékoztató a Magyar Energia Hivatal 2011. évi tevékenységéről Tóth László: Levegő-levegő hőszivattyú http://www.cegeltd.com
http://www.passzivhazteamkft.com
http://ecoairsystems.eu/
http://www.zoldnet.hu/
http://www.gama-geo.hu/
http://hoszivattyu-info.hu
http://www.naturenergy.eu
http://www.hoszigeteles.rezsi-stop.hu/
http://geotermikus.com
http://www.ecovisionsystems.co.uk/
http://www.rifeng-hoszivattyu.hu/
http://www.gerappa.hu/
http://www.geosolar-energia.hu
http://www.royalkft.hu
www.zultzer.hu
http://www.emergia.hu
http://www.acrux.hu
http://jagaber.hu/
20
További információ A hőszivattyú hatékonysága, gazdaságossági kérdései - NKEK Kiadvány Bo Hanus: Energia a házban, lakásban Dr. Ursula Schreier és szerzőtársai: A hőszivattyú Komlós Ferenc és szerzőtársai: Hőszivattyús rendszerek Komlós Ferenc, Fodor Zoltán, Kapros Zoltán, Vaszil Lajos: Hőszivattyúzás - Csináljuk jól! Komlós Ferenc - NÉS szakvélemény - A hőszivattyú technológia szerepe a klímapolitikában - Klímapolitika Kovács Róbert (szerk.): Megújuló energia kézikönyv 2010 Reinhard Hoffmann: Hőszivattyús fűtések www.enerea.eu www.nkek.hu http://geotermikus-hoszivattyu.hu http://geosolar-energia.hu http://www1.eere.energy.gov/geothermal/heatpumps.html http://www.hev-sugar.hu http://zoldtech.hu/ http://klima.kormany.hu/ http://zbr.kormany.hu/ http://www.emi.hu http://www.egec.org/ http://www.hoszisz.hu/ www.hkvsz.hu http://www.ehpa.org/ 21
Regionális stratégiák a geotermikus energiafelhasználás széles körű alkalmazásához
