belépés / regisztráció
2020. november 26. csütörtök
Aktuális lapszám

A hőszivattyúk hatékonyságáról, alkalmazhatóságáról IV.

A cikksorozat előző1 részében egy kombinált/szimultán hőszivattyús rendszer kialakításán, tervezésén, gazdaságossági elemzésén keresztül mutattam be, hogy a gyári – az egész működési tartományt átfogó részletes – teljesítmény táblázat hiányában a rendszer tervezését nem lehet elfogadható módon elkészíteni. Nem lehet ellenőrizni a hőszivattyúk működőképességét a tervezett hőfoktartományokban, a rendszer gazdaságossága nem meghatározható.

 

Az ok, amiért a részletes paraméterek hiányát hangsúlyozom az, hogy a Magyarországon forgalomba hozott, igen nagyszámú hőszivattyú típus legtöbbségénél a gyártó csak egy hőfokszintre2 adja meg a hőszivattyúk paramétereit, amely így alkalmatlan elfogadható szintű hőszivattyús rendszer tervezésére.

A kérdés az, hogy amennyiben tervezési szempontból alapvető követelmény az egész működési tartományt átfogó, részletes paraméterek ismerete, akkor a sok esetben neves gyártó cégek miért csak a bevizsgálási hőfokszintre adják meg a hőszivattyúk paramétereit?

A hőszivattyúk fejlesztésnél szerzett ismereteim és tapasztalataim alapján azt látom, hogy a hőszivattyú fejlesztéseket a legtöbb esetben hűtéstechnikai cégek végzik, és az általuk forgalmazott hőszivattyúk – szerkezeti kialakításuknál fogva – a hűtőgépek mintájára épülnek, a széles hőfoktartományban, folyamatosan változó külső paraméterekkel történő hatékony működésre nincsenek felkészítve.3 Emiatt számomra érthető, hogy feleslegesnek tartják a részletes paraméterek bemutatását. Ez a probléma sajnos alapvetően befolyásolja a hőszivattyúk hatékony alkalmazhatóságát, hiszen a rendszertervező mérnököktől nem elvárt követelmény, hogy a hőszivattyúk működésével, a körfolyamat „finomságaival” fejlesztőmérnöki szinten tisztában legyenek. Így nagyon sok esetben olyan hőszivattyúkat terveznek be egy adott feladatra, amelyek alkalmasságáról, a rendszer működőképességéről, várható hatékonyságáról nem tudtak megbizonyosodni.

A kiviteli tervekben mind gyakrabban találkozhatunk például olyan hőszivattyús rendszerekkel, ahol nem veszik figyelembe, hogy a gyártó milyen hőnyerési módra készítette el a hőszivattyút, és milyen hőfokszinten történt a bevizsgálás. Az alábbiakban egy ilyen tervezett rendszer, és az itt felmerülő problémák ismertetése történik.

Víz-víz rendszerű hőszivattyúk alkalmazása zárt szondás (folyadék-víz) rendszerekben

Az alábbi példában a kiviteli terv műszaki leírása szerint az épület hőszivattyúval ellátandó fűtési igénye: 860kW, hűtési igénye: 450kW.

Erre a fűtési, hűtési feladatra a tervező kollégák 3 db AERMEC NXW0800XH típusú, a műszaki leírás szerint 271/262kW névleges teljesítményű4 hőszivattyú beépítését tervezték.

A hőnyerési oldalra hőszivattyúnként 50 db, egymástól 6 m távolságban lévő 100 m mély talajszondát terveztek, az elvégzett próbafúrás, szondateszt és szondaméretezés alapján.

A tervezett legmagasabb fűtési hőfokszint 45 °C/40 °C. A tervezett hűtési hőfoklépcső 10 °C/15 °C (1. ábra).

A terv véleményezése

A betervezett AERMEC hőszivattyú adatlapja szerint R410A hűtőközeggel működő „vízhűtéses”, tehát víz-víz rendszerű hőszivattyú. A gyári adatlapja szerint a bevizsgálási hőfokszint fűtésnél: 10/5 °C elpárologtató oldali víz hőfoklépcső, valamint 45 °C/40 °C fűtési hőfoklépcső. A bevizsgálási hőfokszint hűtésnél: 7 °C/12 °C hűtési, valamint 30 °C/35 °C föld oldali víz hőfoklépcső. A fűtési teljesítménye a bevizsgálási hőfokszinten a gyári adatlap szerint: 280 kW (2. ábra). A hűtési teljesítménye: 257 kW.

Az adatlap más elpárolgási és kondenzációs hőfokszintre vonatkozó teljesítmény, és COP-érték adatokat nem tartalmaz.

Megjegyzem, hogy a folyadék-víz hőszivattyúk szabványos bevizsgálási hőfokszintje 0 °C elpárologtató oldali folyadék és 35 °C fűtési előremenő víz hőmérséklet.

Ebben az esetben a tervezésben megítélésem szerint négy alapvető probléma van, amelyet a tervezők figyelmen kívül hagytak:

A hőszivattyú szondaoldalát szondás rendszerű alkalmazásnál min. -7 °C-ig fagyállósítani szükséges az elpárologtató elfagyásának megakadályozása érdekében. Emiatt az elpárologtatóknál a hűtőközeg-folyadék hőfokkülönbsége nő, és így csökken az adott hőfokszinten a kimenő fűtési teljesítmény.

A szondás rendszerű alkalmazásnál a legnagyobb terhelésnél5 a föld oldali folyadék hőmérséklete optimális szondaterv esetén 0 °C-4 °C között alakul. Ennek megfelelően a bevizsgálási hőfokszint ez esetben a legnagyobb terhelésre vonatkozó valós teljesítmény adatokat nem tartalmaz.

A víz-víz rendszerű hőszivattyúk elpárologtató oldali beállított nyomásvédelme a 0 °C alatti elpárolgási hőfoknak megfelelő nyomás értéket nem engedélyez a fagyás megelőzésére. Emiatt a folyadék hőmérséklete az elpárologtató méretezésétől függően nem mehet 6-7 °C alá.

Amennyiben a gyártó optimalizálta a belső hűtőköri csőhálózatot a magasabb minimum hőfokú víz-víz rendszerhez, fennáll a veszélye annak, hogy alacsony hőmérsékletű üzem esetén túl alacsony lesz az áramlási sebesség a szívó és nyomóvezetékekben, ami olaj visszahordási problémát, és a kompresszorok idő előtti meghibásodását eredményezheti.

A valós fűtési teljesítmény alakulása a legnagyobb terhelésnél

A tervezett AERMEC hőszivattyúban alkalmazott R410A kompresszort beazonosítva a megadott hőfokszintekhez tartozó paraméterek alapján, a kiválasztást a gyári szoftverrel elvégezve, +4 °C-os minimális feljövő folyadékhőmérsékletre, a kimenő fűtési teljesítmény: 232 kW, a tervezett 271 kW-al szemben, így a rendszer összes teljesítménye: 696 kW a tervezett 860 kW-os igénnyel szemben.

Ekkor még nem számítottuk a fagyállósítás okozta teljesítménycsökkenést. Ezenkívül a tervező sem tudhatja, hogy a hőszivattyúk szerkezeti kiépítése támogatja-e az alacsony hőfokon történő hatékony üzemet, vagyis megoldott- e a töltetvándorlás kiegyenlítése. Amennyiben nem, akkor a földhő hőfokszintjén jelentős mennyiségű hűtőközeg marad a kondenzátorban, ami akár 10-20%-os teljesítménycsökkenést is eredményezhet a kompresszor teljesítményéhez képest, és így akár 550 kW alá is csökkenhet a rendszer kimenő fűtési teljesítménye a 4 °C/45 °C folyadék- víz hőfokszinten.

A legalacsonyabb tervezett folyadék hőfokszintet a működőképesség megtartása érdekében ez esetben 6-7 °C alá, nem lehet engedni, amennyiben a presszosztátokat gyárilag nem állítják át szondás működésre.6

A működőképesség fenntartása ennek megfelelően jelentős mennyiségű szondatöbbletet, vagyis költségnövekedést is eredményez.

A szondaméretezés

A vizsgált (1. ábra) kiviteli terv melléklete részletes szoftveres szondatervet tartalmaz, ami számomra nem követhető nyomon, és az „Oklahoma State University Division of Engineering Technology” által kidolgozott méretezési rendszert, amely valójában az IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association) méretezési metódusa, láthatóan nem követi.7

(Képlet)

A szondatervet a hőszivattyú paramétereinek figyelmen kívül hagyásával, a szükséges hőkapacitás igény kielégítése miatt, valószínűsíthetően valamilyen „ökölszabály” szerint határozták meg, és a program által számították a talajhőmérsékleti minimum értéket. Ez a metódus a fenti képlet alapján értelmezhetetlen.

Az azonban mindenképp egyértelmű, hogy a fűtési és hűtési kapacitás igényből szondaszükségletet tervezni jelentős túlméretezést okoz. A szondaoldal terhelésének meghatározásánál az alkalmazott hőszivattyú elpárolgási teljesítményei a mérvadóak.

Az egzakt tervezéshez emiatt mindenképp szükség van a tervezett legalacsonyabb földhő hőfokszinthez tartozó hőszivattyú paraméterekre. A fent hivatkozott (IGSHPA) metódus a legalacsonyabb tervezett hőfokszinthez tartozó COP értékek segítségével számolja a föld oldali terhelést.

Megállapítható, hogy a működési tartományt átfogó hőszivattyú paraméterek hiányában, csupán a fűtési és hűtési terhelésekből meghatározott szondaszükséglet számítása elfogadható eredményekre nem vezet.

A megfelelő méretezési metódus az ajánlott elmélet8 alapján

Az alábbi példában a kiviteli terv műszaki leírása szerint az épület hőszivattyúval ellátandó fűtési igénye: 860 kW. A tervezett legmagasabb fűtési hőfokszint 45 °C/40 °C.

Első lépésként a rendszert tervező mérnöknek az adott terület geotermikus gradiensének ismeretében kell eldöntenie, hogy a tervezendő hőszivattyúk a legnagyobb és a legkisebb terhelésnél milyen minimum és maximum föld oldali folyadék hőfokon fognak üzemelni.

A legkisebb megengedett talajhőmérsékletet mindig a tervező határozza meg annak függvényében, hogy a beruházási költséget optimális értéken tudja tartani. A tapasztalat szerint a min. +4 °C-nál magasabbra tervezett minimális folyadékhőmérséklet jelentős mértékben emeli a szükséges szondaszámot, és így a beruházás költségét.

Amennyiben eldöntötték, hogy a megengedett minimális folyadékhőmérséklet a szondatervben milyen értéken fog szerepelni, akkor a hőszivattyú teljesítmény táblázatából, vagy nomogramjából a maximális igénybevételnek megfelelő hőfokszintre ki kell választani a szükséges hőszivattyút.

Jelen esetben a maximális terhelés +4 °C/45 °C, tehát ilyen hőfoknál kell megvizsgálni a hőszivattyú fűtési teljesítményét, és meghatározni, hogy az adott típusú hőszivattyú hőkapacitása elegendő-e, illetve hány darabra van szükség a feladat ellátásához (4. ábra).

Példaként látható egy hőszivattyú típus teljesítmény táblázata, közelítő paraméterek alapján a +4 °C/45 °C-os hőfokszinthez 220 kW kimenő fűtési teljesítmény tartozik.9

Megállapítható, hogy a 860 kW-os kapacitás csúcsigény kielégítésére 4db GB260-HAC hőszivattyúra lenne szükség, amely, mint az a táblázatban is látható, zárt szondás üzemre van tervezve, a föld oldalon 23%-os propilénglikolal -7 °C-ig fagyállósítva.

A hőszivattyúk kiválasztása után egy, az előzőekben említett szondaméretezési rendszeren alapuló szoftverrel elkészítjük a szondaméretezést, ennek során az egyik meghatározó kritérium a megengedhető legalacsonyabb talajhőmérséklet a +4 °C, valamint az alkalmazott hőszivattyúk paramétereinek ismerete. Jelen esetben a programba a legkisebb terhelésnél a +10/35 °C-os hőfokszinten, valamint a legnagyobb terhelésnél a +4 °C/45 °C-os hőfokszinten a fűtési teljesítmény, elektromos energia felvétel, COP-értékek bevitele szükséges. A szoftver elvégzi a bevitt adatok alapján a szondahossz számítást, és ezzel együtt kiszámítja a hőszivattyús rendszer várható SCOP értékét. A szoftverrel egyben elkészíthetjük a „hosszú távú termikus hatás” elemzést is. A nem ismert területen előzetes szondateszttel kiegészítve így egy működőképes, költséghatékony, és a hatékonyságában előre prognosztizált hőszivattyús rendszer tervezhető.

(Folytatjuk)


1Magyar Installateur 2015/5. száma, 28. oldal
2A bevizsgálási hőfokszint 0 °C/35 °C, vagy 10 °C/45 °C.
3Magyar Installateur 2015/4. száma, 34. oldal
4A névleges teljesítmény valószínűsíthetően a bevizsgálási hőfokszintre vonatkozhat.
5Legalacsonyabb tervezett külső léghőmérséklet.
6A presszosztátos védelmeket átállítani csak tesztlaborban célszerű, amennyiben állíthatóak, mert ellenőrzés nélkül végzetes meghibásodáshoz vezethet az átállítás.
7Magyar Installateur 2013/2–3. száma, 24. oldal
8Magyar Installateur 2013/2–3. száma, 24. oldal
9Több kondenzációs hőfokszintre megadott táblázatok esetén interpolálással a pontos értékek meghatározhatók.

***

1. ábra.
2. ábra.
3. ábra Az IGSHPA méretezési metódusán alapuló szoftver
4. ábra. Hőszivattyú 50 °C-os fűtési hőmérsékletre vonatkozó, a teljes elpárolgási tartományt átfogó teljesítmény táblázata

 

 

FODOR ZOLTáN
fejlesztőmérnök, Geowatt Kft.
MÉGSZ Geotermikus Hőszivattyús Tagozat elnöke

A szerzõ egyéb cikkei:

  Tervezz felelőséggel a környezetért!
  A hőszivattyúk alkalmazhatósága távfűtéseknél
  Aktív vagy passzív hűtést?
  Mellőzhető a mérnöki munka?
  Szálloda monovalens hőszivattyús rendszerrel
  A hőszivattyús rendszerek hatékonysága a pályázati követelmények tükrében

A szerzõ összes korábbi cikke >>

Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam