KIS MÉRETŰ ÜVEGHÁZAK ÉS FÓLIASÁTRAK ENERGIAIGÉNYÉNEK BIZTOSÍTÁSA MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOKBÓL – A SEKÉLY GEOTERMIKA LEHETŐSÉGEI SERVING ENERGY DEMAND OF SMALL GLASS OR PLASTIC GREENHOUSES BY RENEWABLE ENERGY – POSSIBILITIES OF SHALLOW GEOTERMICS BUDAY Tamás1 , LÁZÁR István2, TÓTH Tamás3, BÓDI Erika4, CSÁKBERÉNYI-NAG Y Gergely5 1,2,3 egyetemi tanársegéd, 4 Ph.D. hallgató, 5 tulajdonos Ásvány- és Földtani Tanszék, 2,3 Debreceni Egyetem, Meteorológiai Tanszék 5 Alter Energia Kft. 1
[email protected], 2
[email protected], 3
[email protected], 4
[email protected], 5
[email protected] 1,4 Debreceni Egyetem,
Kivonat: A geotermikus energia mezőgazdasági célú felhasználásának egyik legfontosabb célja az üvegházak és fóliasátrak fűtése. Ehhez termálvizet használnak, melynek energiatartalma különböző típusú hőleadókon keresztül fűti a légteret. A termálkutak kialakítása nagy befektetési költséggel jár, ami nagyméretű üvegházakban vagy kaszkád rendszerekben történő alkalmazás esetén hamar megtérül, de kis méretű üvegházak esetén ez a primer hőforrás nem jöhet számításba. Ilyen esetben a sekély geotermikus rendszerek hasznosíthatósága a hőigény és a jellemző adottságok miatt hazai környezetben a hőszondás primeroldali kialakításra korlátozódik, ezek a rendszerek viszont alkalmasak lehetnek mind a fűtési, mind a hűtési igények teljes vagy részleges kielégítésére. Számításokkal igazolt módon a megfelelő tervezés és a megújulók közös használata esetén a sekél y geotermikus hőszivattyús rendszerek aránya jelentősen növelhető, illetőleg a beruházási költség jelentősen csökkenhető, így a beruházás rövid időn belül megtérülhet. Kulcsszavak: földhőszonda, hőszivattyú, üvegház, Megújuló Energia Park Abstract: One of the main purposes of geothermic energy utilization in agriculture is heating of glass and plas tic greenhouses. For this aim heat content of thermal water is used for heating. Developing thermal water wells requires expensive investments thus it has shorter payback period rather in case of great greenhouses and cascade systems. For smaller greenhouses shallow geothermal energy utilization is more preferential and due to Hungarian conditions and required energy demand borehole heat exchanger is recommende d to extract the heat from the source. Such systems are able both to heat and to cool partially or totally. Appropriate planning supported by calculations and using more types of renewable energy sources simultaneously can help to increase the proportion of geothermal heat pump systems and the investment costs, resulting a shorter payback period. Keywords: borehole heat exchanger, heat pump, greenhouse, “Megújuló Energia Park”
1. BEVEZETÉS A geotermikus energiahasznosítás egyik legjelentősebb hazai ágazata az üvegházak fűtéséhez köthető, melyet szinte kizárólagosan termálvíz hasznosításával biztosítanak [1,2]. A termálkutak jellemző hozamuk és kihasználható energiatartalmuk miatt nagyméretű üvegházak fűtésére alkalmasak, és elsősorban a földgáztüzelés alternatívájaként jelennek meg. Egyre nagyobb az igény a kisebb méretű, családi üvegházak kiépítésére is, melyekben a termálvíz hasznosítás a nagy bekerülési költség miatt csak akkor alternatíva, ha egy komplex termálvízhasznosító rendszerhez tudnak csatlakozni. A sekély geotermikus rendszerek kiépíthetősége világviszonylatban is kedvező [3], így alkalmazhatóságukat széles körben vizsgálták. Chiasson [4] kimutatta, hogy a fúrási költségek
és a kiváltott gázfűtés költségeinek függvényében a hőszondás hőszivattyús rendszerek gazdaságosan alkalmazhatók üvegházak fűtésére. Hazai üledékes környezetre elvégze tt vizsgálataink [5] kimutatták, hogy talajkollektoros és talajvizet használó rendszerek kiépítése földtanilag és technológiailag nem kivitelezhető, a hőszondás rendszerek kiépítése hagyományos üvegházakhoz nem gazdaságos. Tanulmányunkban vizsgáljuk, hogy az üvegház geometriájának, anyagának és hasznosításának függvényében hogyan tehető gazdaságossá a hőszivattyús rendszerek integrálása az üvegházakba. Nem térünk ki részletesen a kiépítés és üzemeltetés gazdasági kérdéseire, melynek oka elsősorban az, hogy itt a hasznosíthatóság elvi és gyakorlati részleteit tisztázzuk. 2. A SEKÉLY GEOTERMIKUS RENDSZEREK HASZNOSÍTÁSÁNAK LEHETŐSÉGEI Hőszivattyúk segítségével a hő az alacsonyabb hőmérsékletű hely felől a magasabb hőmérsékletű hely felé áramlik, melyhez külső energia befektetése szükséges [6,7]. Kompresszoros hőszivattyúkban ez a külső energia a munkaközeg kompressziójá ho z szükséges, melynek hőmérséklete így a szekunder oldal hőmérsékleténél nagyobb, így az energiát át tudja annak adni. Ezután a munkaközeg egy expanziós szelepen keresztülhalad va hűl le a környezeti hő hőmérséklete alá, így energiát tud onnan felvenni, ezután újra jön a kompresszió – így záródik a munkaközeg körfolyamata. A hőszivattyú által a szekunder oldalnak leadott energiának a külső energiához viszonyított értékét COP-nak (coefficient of performance) nevezik, aktuális értéke a gép paramétereitől és a primer odal hőmérsékleté tő l függ. A primer oldal lehet levegő, felszíni víz, felszín alatti térrész. Kutatásunkban a felszín alatti térrész energiáját kinyerő zárt rendszerű, függőleges kialakítású hőszondák üvegházakba történő integrálását vizsgáljuk. A hő hővezetéssel terjed el a hőcserélő felületig, onnan a csőrendszerben keringő fagyállófolyadék viszi el a hőszivattyúig. A hőszivattyús rendszerek általános kialakítása 50–100 m-es hosszakban történik. Attól függően, hogy a hőszivattyús rendszer mellett más energia-átalakító egység is részt vesz-e a hőigény biztosításában, beszélünk bivalens és monovalens rendszerekről. Monovalens rendszerekben csak egy eszköz, jelen esetben hőszivattyú működik. A méretezést a leghide gebb napok és az épület energetikai tulajdonságai határozzák meg. Ennek következményeként az év többi részében egy olyan hőszivattyút működtetünk, amely névleges teljesítménye lényegese n nagyobb a szolgáltatott teljesítménynél. Ha a leghidegebb napokon más fűtőegységet is használunk (bivalens rendszerek) kisebb névleges teljesítményű, és feltételezhetően olcsóbb hőszivattyú beépítése is elegendő. A bivalens rendszer másik energia-átalakító egysége lehet a hőszivattyúéval azonos energiaforrásra épülő, amit monoenergetikus bivalens rendszernek nevezünk, és lehet attól eltérőre épülő is (pl. elektromos hőszivattyú kiegészítése fatüze lés ű kazánnal). A bivalens párhuzamos rendszerek a hideg, következésképp nagy hőigényű napokon párhuzamosan működnek, ami hőmérsékletileg az ún. bivalens pont alatt van. E felett csak az egyik gépészeti egység hőszolgáltatására van szükség, ez az ún. alternatív működés. 3. MÓDSZEREK A hőszivattyús rendszerek hasznosíthatóságának vizsgálatát a projekt megvalósítá s i helyszínére – Megújuló Energia Park, Debrecen, Kishegyesi út 187. – vonatkozó meteorológia és földtani adatok alapján végeztük el. A külső hőmérsékletek eloszlását a Carpatclim adatbázisa [8] segítségével határoztuk meg 1961-2010 közötti napi átlaghőmérséklet adatokból (1. ábra).
a
b 1. ábra A kutatási helyszínre jellemző (a) napi középhőmérséklet évi járása és a (b) hőfokgyakorisági görbe ([8] adatai alapján)
A vizsgálat során meghatároztuk egy 100 m2 -es (4 m * 25 m-es kialakítású) fóliasátor falainak hőveszteségét különböző hőmérsékletkülönbségek (15, 25, 35 K), különböző W kialakítású fóliasátrak (2. ábra), különböző hőátbocsájtási értékű (6,5; 3 és 2 2 ) fóliák m K esetén, melyek jól lefedik az alkalmazott anyagok értékeinek tartományát (1. táblázat). A talaj felé irányuló hőenergiát, valamint a napsugárzásból származó hőbevételt jelen számításba n elhanyagoltuk. Qm ax A k T ,
(1)
ahol: Qmax A k ΔT
– – – –
a napi átlagos hőveszteség maximális értéke (W); hőleadó felület (m2 ); hőátbocsájtási tényező (W/(Km2 )); a belső és külső hőmérsékletek különbsége (K). Fedőanyag 0,10 mm vastag PE fólia 0,15 mm vastag PE fólia 0,15 mm vastag PE dupla rétegben 3 mm vastag üveg dupla rétegű szigetelt üveg 4 mm vastag légkamrás polikarbonát 8 mm vastag légkamrás polikarbonát 16 mm vastag 4 légkamrás polikarbonát
k
W m2 K 6,81 6,53 3,97 6,42 2,56 3,97 3,29 1,87
1. Táblázat Az üvegházakhoz és fóliasátrakhoz felhasznált anyagok jellemző hőátbocsájtási tényezői [9]
2. ábra A vizsgált fóliasátor keresztmetszetek Meghatároztuk, hogy a hőveszteséget ellensúlyozandó mekkora szondahossz lenne szükséges egy 4-es COP-jű hőszivattyút és agyagos üledéksort (30 W/m fajlagos hőleadóképesség) feltételezve, ha az összes fűtési energiát a hőszivattyús rendszer állítja elő [6]. A kapott eredmény segítségével lehetséges hőszonda-kiosztásokat elemeztünk. L
1 Qm ax p
,
ahol: L p ε
– szükséges szondahossz (m); – fajlagos hőleadó-képesség – tervezési érték (W/m), itt p=30 W/m; – teljesítménytényező, COP (–).
(2)
4. EREDMÉNYEK 4.1. Hőigény meghatározása és csökkentésének lehetőségei Bár az alkalmazott módszerek csak a hőterjedési folyamatok legfontosabb tényezőjét veszik figyelembe, a kapott eredmények nagyságrendileg és tendenciáiban értelmezhetők (2. táblázat). A hőigény a magadott paraméterek alkalmazásával 35 K hőmérsékletkülönbség esetén a 11 kW–49 kW teljesítménytartományba esik, 25 K hőmérsékletkülönbség esetén 7,9 kW–35,0 kW, míg az extrém alacsony hőmérsékletkülönbség esetén 4,7 kW–21,0 kW. Az üvegház falának és kialakításának megfelelő kiválasztásával a maximális hőigény körülbelül ötödére csökkenthető, a süllyesztett üvegházak egyesítik a sík felületek és a minimális fajlagos levegővel érintkező hőfelület előnyeit. Amennyiben az üvegház téli hasznosítása megengedi, a hőmérsékletkülönbség lecsökkenthető akár 15 K-re is, ami az azonos kialakítású üvegházak ho z képest további feleződést jelent. A vizsgált legnagyobb és legkisebb hőigény ugyanakkora alapterület esetén tízszeres. W k 2
ΔT (K)
m K
35
25
15
6,5 3,0 2,0 6,5 3,0 2,0 6,5 3,0 2,0
215,6 49,0 kW 22,6 kW 15,1 kW 35,0 kW 16,2 kW 10,8 kW 21,0 kW 9,7 kW 6,5 kW
A (m 2 ) 165,6 37,7 kW 17,4 kW 11,6 kW 26,9 kW 12,4 kW 8,3 kW 16,1 kW 7,5 kW 5,0 kW
157,1 35,7 kW 16,5 kW 11,0 kW 25,5 kW 11,8 kW 7,9 kW 15,3 kW 7,1 kW 4,7 kW
2. Táblázat Az egyes alakokhoz, hőátbocsájtási-tényezőkhöz és hőmérsékletkülönbségekhez tartozó maximális hőigények 30 W/m kivehető fajlagos hőteljesítmény és 4-es COP esetén a fűtési igény minden kW-ját 25 m-nyi szondahossz tudja kiszolgálni. Így a 35 K-es hőmérsékletkülönbséghez tartozó szondahosszak 275–1225 m-re adódnak, melyek bekerülési költsége tervezéssel, engedélyeztetéssel még a legkisebb érték esetén is meghaladja az 1 millió Ft-ot. A legnagyobb értéknél csak a fúrási költség még egy igen alacsony, 2500 Ft/m-es költséggel számolva is nagyobb, mint 3 millió Ft. A fentiek alapján a hőszivattyús rendszerek bekerülési költsége aránytalanul magas és egyes helyeken, például a vízbázisvédelmi területeken e rendszerek akár ki sem alakíthatók [10]. A teljes szondahossz és a költség is jelentősen csökkenthető jobb hőszigeteléssel és a fűtési igény átgondolásával. A kisebb hőátbocsájtási tényező nem feltétlenül jelent nagyobb beruházási költséget, így hagyományos üvegfelületeket az ekkora méretű üvegházak kialakításánál már általában nem használnak. A fűtési igény csökkentése két irányban történhet: a téli belső hőmérséklet csökkentésével és a kiegészítő fűtés használatával. Ha a téli időszakban az üvegházat nem használják, elegendő egy biztonsági fűtés tervezése. Az eredeti 20 °C-os belső hőmérséklet helyett 10 °C is bőven elegendő a rendszerek fagymentesen tartásához, így a tervezési hőmérsékletkülönbség 25 °C-ra csökkenthető. Ekkor 207,5 m-es szondahossz elegendő lehet mélyített üvegház kifűtéséhez. Ilyenkor az üvegház a süllyesztett részeken
keresztül minimális hőt veszt, vagy nem is veszt hőt, mert a talaj hőmérséklete jellemzőe n ebben a tartományban változik. 4.2. A hőigény részbeni kiváltása hőszivattyús rendszerekkel A rendszer kiegyenlített működésében kedvezőtlen, hogy az üvegház hőtehetetlensége kicsi, azaz a téli időszak hideg éjszakáin gyorsan ki tud hűlni, ha a külső és a kívánt belső hőmérséklet különbsége nagyobb, mint a tervezett maximális hőmérsékletkülönbség. A rendszer károsodását ilyenkor csak kiegészítő fűtéssel lehet megakadályozni. Ha a kiegészítő fűtést eleve belekalkuláljuk a rendszerbe, akkor bár a bekerülési költség nő, de a hőszivattyú által betáplált energia tovább csökkenthető. Az ilyen rendszereket bivalens rendszereknek nevezzük (3. ábra) [6,7]. A segédfűtést célszerű úgy megválasztani, hogy ne jelentsen további rendelkezésre állási költséget és a hiányzó hőigényt gyorsan és egyszerűen pótolja. A monoenergetik us rendszerekben a hőszivattyú külső energiaforrását (áram vagy gáz) használva termelhető meg a szükséges energia. Ezek mellett környezeti szempontból kedvező a biomassza fűtés kiépítése, melynek legegyszerűbb módja egy kisméretű mozgatható kazán használata a leghide gebb napokon.
3. ábra Párhuzamos bivalens rendszer működési elvének egyszerűsített sémája [6,7 alapján] Ezzel a rendszerrel a hőszivattyú primeroldali hőigénye tovább csökkenthető. Bivale ns rendszerrel reálisnak tartjuk az 5 °C-os belső hőmérséklet mellett a 15 °C-os hőmérsékle tkülönbségre történő méretezést, melyben a -10 °C alatti hőmérsékletek esetén kell a segédfűtést is felhasználni, vagy az elfagyás ellen védekezni (víztelenítés, belső hőszigetelő felüle tek használata, stb.). A vizsgálati terület hőmérsékleti adataiból látható, hogy ilyen átlaghőmérsékletű nap évente átlagosan 1 van, és elsősorban a januári- február eleji időszakok éjszakáin fordul elő -10°C-nál alacsonyabb hőmérséklet. Ennél a méretezésnél megfele lő hőszigetelés és alak esetén 5 kW maximális hőteljesítmény is elegendő lehet, melyet akár 125 m szondahossz is ki tud szolgálni. 4.3. A szondakiosztás szempontjai A szondakiosztás során a szükséges szondahosszt fel kell osztani és a ténylegesen kialakítható szondák hosszát és elhelyezkedését kell megadni. Hidraulikai szempontból kedvező, ha a szondák mélysége nem nagyobb, mint 100 m, és több szonda esetén a szondahosszak egyenlők.
Szondamező esetén a szondák távolsága a hagyományos tervezés szerint legalább 5 m. A nagyobb szondamezők esetén – különösen akkor, ha nincs nyári hőbetáplálás – ezt a távolságot célszerű növelni. A szondák helyének kialakításakor figyelembe kell venni a rendelkezésre álló területet, a már meglévő beépítettséget. Lényeges eldönteni azt is, hogy a későbbiekben akarunk- e szondamező-bővítést, akarunk-e az üvegház alá rakni szondát, stb. Ha 5 m-es szondatávolsággal számolunk, akkor egy 100 m2 -es üvegház alá 4 szonda telepíthető. Ez a szám jelentősen megnövelhető, ha az üvegház környezetét is felhasználhatjuk a szondák kialakítására. A tanulmányban felvázolt hőigények esetén a reális változatokat figyelembe véve a következő szondakiosztás javasolható: 400 m felett: 50–100 méter mélységű szondák, lehetőleg egymástól nagyobb távolságra és kevés szondával 200 m alatt: 20 m-es szondákkal, egymástól legalább 4 méter távolságra (ha bivalens rendszer és van hővisszatáplálás) A kettő között a rendelkezésre álló hely nagysága befolyásolja, hogy kevesebb számú nagyobb mélységű szondát, vagy 20 m-es szondákból többet alakítanak ki. A 4. ábrán két eltérő szemléletű szondakiosztást látható, bal oldalin az üvegházon belülre elhelyezett szondák potenciális elhelyezését, míg a jobb oldalon az üvegházon kívülre elhelyezett nagyobb számú szondacsoportot ábrázoltuk. Ez utóbbi kedvezőtlen, ha a rendszert tovább akarják fejleszteni, de kedvező, ha kis szondahosszakat szeretnének alkalma zni. Amennyiben az összletek fajlagos hőleadó-képessége jelentősen jobb (például nedves homok esetén akár 60 W/m), akkor a számított szondahosszak feleződnek. Ennek eldöntésére próbafúrást kell létesíteni és próbatermelést (szondatesztet) célszerű végezni [11].
4. ábra Lehetséges szondakiosztás kevés (bal) és nagyszámú (jobb) szonda esetében A jelenlegi hazai jogi szabályozás alapján a 20 m-nél kisebb mélységű zónák geotermik us energiájának zárt rendszerű hasznosításához sem felügyelőségi, sem bányakapitánys á g i engedély nem szükséges, ha a rendszer kis méretű és nem érint védett területet. Ebből következően kiépítése gyorsabb és olcsóbb. 4.4. A nyári hűtési igény Az üvegházak nyári hűtése sok esetben sarkalatosabb kérdés, mint a növények téli nyuga lmi periódusában történő fűtés. Bár tanulmányunknak nem célja, hogy a hűtési energiaigé nyre történő méretezést tárgyalja, de néhány megjegyzést tennünk kell ezzel kapcsolatban. Hűtési üzemre méretezés során a fajlagos értékeket csökkenteni szokták, mert a tapasztalatok alapján egy összlet hűtési teljesítménye alacsonyabb a fűtési teljesítménynél. A hőszivattyús rendszerekkel két módon lehet hűteni, az egyikben a hőszivattyú kihagyásával egy hőcserélőn keresztül kapcsolódik össze a primer és a szekunder rendszer, a másik esetben a hőszivattyú a szekunder oldalról vonja el a hőt az előbbinél nagyobb hatékonysággal, de külső energia felvétele mellett. Mindkét esetben a felszín alá vezeti el a hőt, ami a fűtési szezon kezdetén előnyös. A hőszivattyús rendszeren felül a hűtés „hagyományos” üvegházi módon is megoldható. Ezek közül a leggyakoribb a passzív és aktív szellőztetés, a párologtatással hűtés az üvegházba n
és az üvegház külső felületén, valamint az árnyékolás [11]. Ezek kialakíthatósága részben az üvegház kiépítésén múlik. A nyári energiaigény részben fedezhető megújulókból, így a szellőztetés gazdaságossá tehető. 5. ÖSSZEFOGLALÁS A földhőszivattyús rendszerek jól hasznosíthatók üvegházfűtésben, ha a téli hőigény észszerűen csökkenthető. E rendszerek további előnye, hogy a nyári időszakban szükséges hűtési igény egy részét ezekkel a rendszerekkel ki lehet elégíteni. Hazai viszonylatban elsősorban a hőszondás rendszerek kiépítése a megfelelő technológia. Az üvegházak és fóliasátrak hőigénye alapján még a legkedvezőbb adottságú területeken is szondamezőt kell kialakíta ni. Számításaink alapján kisméretű üvegházak és fóliasátrak esetében, ha a maximá lis energiaigényt a megfelelő helykiválasztással, tervezéssel és üzemeltetéssel mérsékeljük, akkor a szondahosszak akár 20 m-esre is tervezhetők, ami a telepítés során jelentős könnyebbséget jelent az engedélyeztetés és kivitelezés során. A kapott eredmények alapján célunk, hogy Debrecenben létrehozzunk egy hőszivattyús rendszerrel (is) fűtött fóliasátor mintaprojektet, a Megújuló Energiapark területén, ahol a méretezés megfelelőségét és a nyári hűtési lehetőségeket is tesztelni lehet. 6. FELHASZNÁLT IRODALOM TÓTH, A., Hungary Country Update 2005–2009, „Proceedings of World Geothermal Congress 2010”, p. 13. [2] SZANYI, J., KOVÁCS ,B., Utilization of geothermal systems in South-East Hungary, Geothermics, Volume 39, 2010., p. 357-364. [3] LUND, J. W., FREES TON, D. H., B OYD, T. L., Direct Utilization of Geothermal Energy 2010 Worldwide Review, „Proceedings of World Geothermal Congress 2010”, p. 23. [4] CHIAS S ON, A., Greenhouse heating with geothermal heat pump systems, 2005., GHC Bulletin, Volume 26(1), p. 2–5. [5] B ÓDI, E., B UDAY, T., CS ÁKBERÉNYI-NAGY, G., Geotermikus hőhasznosítási módszerek telepítési és működtetési feltételeinek összehasonlítása alacsony hőmérsékletű hőhasznosítás esetén, Környezettudatos energiatermelés és –felhasználás III. Konferencia, Debrecen, 2014., p. 64–71. [6] OCHS NER, K., Geothermal Heat Pumps. A Guide for Planning and Installing, Earthscan, London, 2007., pp. 146. [7] KOMLÓS , F., FODOR, Z., KAPROS , Z., VAJDA, J., VAS ZIL, L., Hőszivattyús rendszerek: Heller László születésének centenáriumára, Dunaharaszti, 2009., pp. 215. [8] SZALAI, S., AUER, I., HIEBL, J., M ILKOVICH, J., RADIM, T., STEPANEK, P., ZAHRADNICEK, P., B IHARI, Z., LAKATOS , M., SZENTIMREY, T., LIMANOWKA, D., KILAR, P., CHEVAL, S., DEAK, GY., M IHIC, D., ANTOLOVIC , I., NEJEDLIK, P., STAS TNY, P., M IKULOVA, K., NABYVANETS , I., SKYRYK, O., KRAKOVS KAYA, S., Climate of the Greater Carpathian Region. Final Technical Report. www.carpatclim-eu.org. [9] http://www.littlegreenhouse.com/heat-calc.shtml [10] B UDAY, T., A felszín alatti hőt hasznosító hőszivattyús rendszerek primeroldali kiépítésének korlátozó tényezői alföldi kisvárosokban, Létavértes példáján, A környezettudatos települések felé, Meridián Alapítvány, Debrecen, 2012, p. 45–51. [11] SANNER, B., HELLS TRÖM, G., SPITLER, J., GEHLIN S., Thermal Response Test – Current Status and World-Wide Application, „Proceedings World Geothermal Congress 2005”, Antalya, Turkey [12] LÁNG, Z., A zöldség-, dísznövény- és szaporítóanyag-termesztés, Mezőgazda Kiadó, Budapest, 1999., pp. 384. [1]
