A hőszivattyúzás területén folyamatosan felmerülő kérdés, hogyan lehetne a hőszivattyúkat távhő rendszerekben alkalmazni, és ezzel javítani a rendszer hatásfokát, csökkenteni az energiaköltségeket.

A legnagyobb problémát ez esetben mindig is a távhő rendszerek magas fűtési hőfokszintje okozta, amelyhez a kereskedelemben kapható hőszivattyúkat nem, vagy csak a távhő rendszerek költséges átalakításával, a visszatérő hőfok jelentős csökkentésével lehetett korlátozott teljesítményben a rendszerhez illeszteni.

A másik igen jelentős probléma, hogy a hőszivattyúkban alkalmazott kompresszorok alkalmazhatósági tartománya elpárolgási hőfok tekintetében maximálisan 18-20 °C volt¹. Ez azt jelentette, hogy 24-25 °C-os termálvíz hőmérsékletnél magasabb hőfokszintet nem tudtak kezelni. Emiatt hiába állt rendelkezésre ennél lényegesen magasabb termálvíz hőmérséklet, ennek COP-érték növelő hatását nem lehetett kihasználni.

A cikkben bemutatjuk, hogy a kompresszorgyártók fejlesztései az igényeket igyekeznek követni, így forgalomba kerültek olyan viszonylag nagy teljesítményű scroll kompreszszorok, amelyek maximális elpárolgási hőmérséklete már eléri a 40 °C-t (1. ábra).

Ez alapján lehetővé vált, hogy a hulladékhő (26 °C–48 °C) tartomány felhasználására, és a magas, max. 83 °C-os fűtési előremenő hőmérsékletre magas COP értékű hőszivattyúkat lehessen tervezni.

Rovatunk előző cikkei a hőszivatytyúk hatékonyságával, az alkalmazás optimalizálásával foglalkoztak. Felvetődhetett már a kérdés, hogy hőszivattyúk terén miért ennyire lényeges ez a szempont? Miért kell túlbonyolítani az alkalmazást, miért ennyire lényeges, hogy milyen hőszivattyúkat alkalmazunk az egyes feladatok ellátására, miért annyira lényeges a mérnöki tervezés?

Azt tudni kell, hogy a hőszivattyús rendszerek SCOP értékének alakulása egyenes arányban van a CO2-megtakarítás értékével, és azt is mindenki tapasztalhatja, hogy idén a meteorológiai mérések legmelegebb nyarát éljük. A légkörfizikával és a klímakutatás egyéb részterületeivel foglalkozó tudósok többsége elfogadja, hogy amennyiben a felmelegedést nem sikerül megállítani a 2 °C-os határ előtt, akkor a technikai civilizációnak befellegzett, a mellékhatások olyan spirálja indul be, amelynek a végeredménye egy forró, száraz, kietlen, és az emberi élet fenntartására valószínűleg alkalmatlan planéta lehet.

Reméljük tehát, hogy munkánkkal kis mértékben mi is hozzá tudunk járulni ahhoz, hogy a zöld energiák területének gyártói mostanra elérjék azt a kritikus tömeget – tőke és lobbi erőben egyaránt –, amit már nem lehet félvállról venni, vagy nyilvánvalóan kamu érvekkel lesöpörni. Emellett változik a közgondolkodás is, amely alapvető feltétele a túlélésünknek.

Egyértelmű tehát, hogy a hőszivattyú gyártás és alkalmazás területén is mindent meg kell tenni annak érdekében, hogy a legmagasabb SCOP és SEER értékeket, és ezzel összhangban a legkisebb üvegházhatású gázkibocsátást lehessen elérni. Olyan hőszivattyúkat és rendszereket kell fejleszteni, hogy a jelenlegi technikai adottságokat kihasználva, lehetőleg a fűtési és hűtési igények minden területén optimálisan, magas energia és környezeti hatékonysággal legyenek alkalmazhatók.

Az új kompresszorcsalád megjelenésével, és a fentiek figyelembe vételével történt az a magyar hőszivattyú fejlesztés, amely lehetőséget teremtett arra, hogy magas fűtési előremenő hőfokszintű rendszerekben az el- folyó termálvizeinket igen magas hatékonysággal (SCOP) lehessen alkalmazni, és ezzel jelentősen csökkenteni lehessen a károsanyag-kibocsátást, valamint nem utolsó sorban a távhő árát.

Magas hőmérsékletű elfolyó termálvizek hasznosítása magas fűtési hőmérsékleten

Az elfolyó termálvizek

A távfűtési rendszerek hatékonyságának növelése hőszivattyúkkal Magyarországon nagy jelentőségű lehet, megfelelő hatékony technika alkalmazásával. Az alábbiakban a jelenlegi helyzetet hőszivattyúzás szempontjából az új fejlesztések fényében ismerhetjük meg.

Magyarországon már több mint 1300 termálkutat tartunk számon és ezzel a világ öt termálvízben leggazdagabb országa közé tartozunk Japán, Izland, Olaszország és Franciaország mellett. A hatalmas hévízkészletek hallatán nem véletlen, hogy olyan jelzőkkel illetik országunkat, hogy „a termálvizek és gyógyvizek országa” vagy „balneológiai nagyhatalom”.

Európában a föld mélyének energiahasznosításán kizárólag az energia kinyerését értik, Magyarországon a termálhasznosítás fogalmi köre a termálvízhez (hévízhez), mint hőhordozó közeghez és magához a vízhez is kapcsolódik a maga komplex, többoldalú hasznosítási lehetőségeivel. 1984-től az európai államok többségének előírásait alkalmazva a 30 °C-nál magasabb felszíni kifolyóvízhőmérsékletű, felszín alatti vizeket tekintjük termálvíznek.²

A hévizek hőtechnikai alkalmazása azonban kérdéseket vet fel minden olyan szakemberben, akit érdekel ennek a „nemzeti kincsnek” a sok esetben oktalan elherdálása, emellett környezetünk hőszennyezése. Sok szakember megkérdezte már: „ennyire gazdagok vagyunk?” Ennek ellenére jelentős előrelépést e területen évek óta nem lehetett tapasztalni.

Az új hőszivattyú fejlesztések hatása az elfolyó, vagy alacsony hőmérsékletű termálvíz hőszivattyús hasznosítására távhő rendszerekben

A távhő rendszerekben alkalmazható hőszivattyúk problémáinak kiküszöbölésére, az új kompreszszor fejlesztéseket kihasználva kidolgozásra került – mint új magyar fejlesztés – a GWT300-H hőszivattyú, amely igen magas elpárolgási hőmérsékleten, 27–48 °C között tudja az elfolyó termálvíz hőjét hasznosítani, ekkor a fűtési oldalon 50 °C–83 °C-os fűtési előremenő hőfokszintet tud előállítani (1., 2. táblázat).

A hőszivattyú egy igen komoly és magas COP/SCOP értékű lehetőséget teremt arra, hogy a magas hőfokú (26–48 °C) kútvizeket, elfolyó termálvizeket közvetlenül, a hőfokszintjük csökkentése nélkül hasznosítsuk magas hőfokú (max.: 83 °C-os fűtési előremenő) fűtési és HMV-rendszerekben.

Most egy példán keresztül kerül bemutatjuk, hogy milyen módon és milyen hatékonysággal lehet távhő rendszerbe illeszteni a fejlesztett hőszivattyút.

A 2. ábra alapján látható, hogy P=3,99 MW teljesítményű 90 °C/70 °C³ fűtési hőfoklépcsőjű fűtési rendszerbe illesztünk egy olyan hőszivattyús rendszert, amely a lehető legjobban felhasználja a rendelkezésre álló m₁=46m³/h tömegáramú, 48 °C feljövő vízhőmérsékletű termálkút hőmennyiségét.

Az optimális kihasználás végett 5 db hőszivattyút elpárologtató oldalon sorba, kondenzátor oldalon párhuzamosan kötve, kaszkád kapcsolásban lett beépítve. A termálvíz tömegáram 2db párhuzamos egység rendszerbe illesztését tette lehetővé.

A hőszivattyúk elé előtét hőcserélőket nem a hőfokcsökkentés, hanem a hőszivattyúk elpárologtatóinak védelme miatt tervezték be. Emiatt a legkisebb hőfokcsökkentésre kellett tervezni őket, a még elfogadható beruházási költségek figyelembe vételével.

Ennek megfelelően a hőszivattyús rendszer első fokozatának előtét hőcserélője a 48 °C-os termálvíz hőmérsékletből 45 °C-os hőfokszinten táplálja meg a hőszivattyút.

A kútoldalon a termálvíz tömegárama m₁= 6,0 kg/s. A 3. ábrán vázolt rendszer összes termálvíz tömegáram igénye m_ö=12 kg/s(43,2m³/h)

Mint látható, a hőszivattyúk tömegáram igénye az elpárologtató és kondenzátor oldalon egyaránt m₂=6,5 kg/s.

Ennek megfelelően a kondenzátor oldalon párhuzamosan kapcsolt hőszivattyús rendszer összes tömegárama m_fűt=65 kg/s (234m³/h).

A fő távhő fűtési körhöz képest eltérő tömegáram igények miatt a rendszerbe hidraulikus váltó beépítésére lenne szükség, amelyet a kapcsolási séma nem tartalmaz.

Az előtét hőcserélők megtervezése után a 3. ábrán látható, hogy a t_k=48 °C-os hőmérsékletű termálvíz visszatérő (elfolyó) hőmérséklete t_v=19,6 °C.

A 4. ábrán szereplő adatok alapján látható, hogy a távhő rendszerbe a legnagyobb terhelésnél⁴ átlagosan 77,6 °C-on 2*1025kW= 2050kW fűtési teljesítményt tudunk a hőszivattyús rendszerrel bevinni. Ez kissé több mint az összes fűtési igény 50%-a, ami azt jelentheti, hogy a fűtési szezon fűtési óráinak 70%-ában csak a hőszivattyús rendszer fogja ellátni a távhő rendszert hőenergiával.

Amennyiben a távhő rendszer a külső hőmérséklet függvényében szabályozott, és így az előremenő fűtési hőmérséklet 70 °C–90 °C között működik, akkor a hőszivattyús rendszer számított hatékonysága SCOP=4,3. Amennyiben ebből leszámítjuk a primer szivattyúk teljesítményigényét, akkor a várható SCOP=4,0 körül alakul!

Ez a számítások szerint azt jelenti, hogy egy fűtési szezonban a 2050 kW hőszivattyús fűtési teljesítménnyel 4 690 000kWh/a fűtési energiát lehet a rendszerbe vinni, amelyhez hőszivattyú nélkül η_átl=75% gázkazán átlaghatásfokkal számolva 662 429 Nm³ földgázra lenne szükség.

A hőszivattyús rendszer beillesztésével a 4 690 000 kWh fűtési energiát 1 172 500 kWh elektromos energia felhasználással lehetne biztosítani, amennyiben a rendszer SCOP=4,0 értéke biztosított.

A hőszivattyús rendszer kalkulált költsége, amennyiben elsődlegesen hasznosított elfolyó termálvizet használnánk: ∼ 240 millió forint.

A várható üzemköltség megtakarítás: 66millió forint/a

A megtérülés ideje: 3,6 év

Termálkút létesítéssel is a várható megtérülése 5 év alatti.

Összegzés

A távhő rendszerek hatékonyságának növelésére, a károsanyag-kibocsátásának csökkentésére ma már rendelkezésre áll a távhő rendszerhez jól illeszthető hőszivattyús technika, amely az elsődlegesen már nem hasznosítható termálhőt magas COP értéken tudja hasznosítani, max. 83 °C-os fűtési hőfokszinten.

Alkalmazása lehetővé teszi, hogy a hőszivattyúk meghajtásához szükséges elektromos energiát részben megújuló energiával (napelemek, szélgenerátor) biztosítsák, így a rendszerek hatékonyságát tovább növeljék, amivel a károsanyag-kibocsátás értékét a töredékére redukálják.