belépés / regisztráció
2020. december 3. csütörtök
Aktuális lapszám

A hőszivattyúk hatékonyságáról, alkalmazhatóságáról V.

A sorozat előző cikkei a hőszivattyúk hatékonyságával, az alkalmazás optimalizálásával foglalkoztak. Ez alapján mindenképpen felvetődik a kérdés, hogy a hőszivattyúk esetében 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 mindenkinek tudnia kell, hogy a hőszivattyús rendszerek SCOP értékének alakulása egyenes arányban van a károsanyag, ezen belül 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 végeredménye egy forró, száraz, kietlen és az emberi élet fenntartására valószínűleg alkalmatlan planéta lehet.

Korszakhatárhoz értünk és az idei év végén Párizsban fog kiderülni, hogy milyen irányban fog tovább haladni a civilizációnk. Az államok vezetői képesek lesznek-e megállapodást kötni egy globális klímaegyezményről – gyakorlatilag a szénhidrogén gazdaság végéről –, egy zöld, korlátozott energiaigényű gazdaságról. Ha igen, akkor a tudósok szerint egy hosszú, forró és katasztrófákban bővelkedő átmeneti időszak következhet, amíg az első pozitív hatások megjelennek. Ha viszont nem lesz megállapodás, akkor a végkifejlet az emberiség számára katasztrofális lesz.

Reméljük, 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. A fentiek alapján úgy gondolom, 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 érjük el. 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 (1., 2. ábra).

Magas hőmérsékletű elfolyó termálvizek hasznosítása magas fűtési hőmérsékleten

A hőszivattyúk alkalmazhatóságának egy speciális területe a termálvíz hasznosítása, amely hazánkban nagy jelentőségű lehetne megfelelő hatékony technika alkalmazásával. Az alábbiakban a jelenlegi helyzetet a hőszivattyúzás szempontjából, az új fejlesztések fényében ismerhetjük meg.

Magyarországon már több mint 1300 termál kutat 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 óta az európai államok többségének előírásait alkalmazva a 30 °C-nál magasabb felszíni kifolyóvíz- hőmérsékletű, felszín alatti vizeket tekintjük termálvíznek.1

A hévizek hőtechnikai alkalmazása azonban kérdéseket vet fel minden olyan szakemberben, akit érdekel ennek a „nemzeti kincsnek” a sok esetben oktalan elherdálása és emellett környezetünk hőszennyezése. Sok szakember megkérdezte már: „ennyire gazdagok vagyunk?”

A termálhő alkalmazása egy alföldi városban

Az „ennyire gazdagok vagyunk?”- kérdés jogosságának alátámasztására, valamint a speciális kompresszorok, ezen keresztül a hőszivattyú fejlesztések bővülő lehetőségeinek bemutatására az alábbiakban egy alföldi város évekkel ezelőtti, a termálenergia hasznosításával, az energia felhasználás optimalizálásával kapcsolatban készült tanulmányának lényegét ismertetem. Az ottani, azóta sem változó helyzet véleményem szerint általánosnak mondható a magyarországi termálenergia felhasználás területén.

A város fűtési energiaellátása, az intézmények magas hőmérsékletű radiátoros fűtése jelenleg is 95 °C hőmérsékletű termálvíz felhasználásával történik – elsődleges hőcserélőkön keresztül. Az elfolyó víz hőmérséklete 50 °C környékén alakul. Az elfolyó termálvizet hűtőtóban gyűjtik és hűtik le, a lehűlés után történik elengedése a környezetbe.

Az önkormányzati fejlesztési terv

Az elfolyó termálvízre kiszabott büntetések arra késztették az önkormányzatot, hogy fejlesztést hajtsanak végre, amellyel a nagy összegű büntetések elkerülhetők.

A terv a kért változatban készült, de valójában egyik fejlesztési terv sem tartalmazta az 50 °C körüli elfolyó termálvíz hasznosítását.

Az első változat szerint a termálvíz elsődleges felhasználása után a vizet új, kialakítandó visszavezető kutakban tervezték elvezetni. A második változat szerint az elfolyó 50 °C hőmérsékletű termálvíz hűtőtóban lehűtésre került volna. A lehűlt vizet a tisztított szennyvízzel egyetemben egy halastóba tervezték vezetni, ahol a tenyésztett halak kivonják a vízből a környezetterhelést okozó összetevőket, és a halastóból elfolyó víz a környezetre káros elemeket így már nem tartalmazza.

Információim szerint a város a második változat szerinti tanulmánytervre megkapta a környezetterhelési bírság mérséklésének lehetőségét úgy, hogy a beruházást záros határidőn belül el kellett volna végeznie. A projekt „kimenő terméke” a környezetet nem terhelő tiszta víz. Az alapprobléma azonban – a nagymértékű energiapazarlás, a környezet nagymértékű hőszennyezése – ezzel a megoldással nem küszöbölődött ki. A projekt így nem volt alkalmas arra, hogy akár mint mintaprojektet, akár mint know-how-t propagálni és értékesíteni lehessen. A projektet átgondolt tervezéssel ki lehetett volna egészíteni, továbbfejleszteni egy olyan megoldással, amely biztosítja, hogy a kinyert termálvíz összes hőtartalmát minimum 15–20 °C-os hőfokszintig kinyerjük, hasznosítsuk. Az így lehűtött vizet közvetlenül a halastóba lehetett volna vezetni, ahol a lebomlási, hasznosítási folyamat végbement volna. Erre készült egy tanulmány, amely az akkori hőszivattyús technika lehetőségeit kihasználva célszerű és gazdaságos megoldást mutatott.

A lehetséges megoldás

A város szerencsés helyzete folytán olyan anomáliás területen fekszik, ahol elérhető mélységben magas entalpiájú, meglehetősen magas hőmérsékletű termálkincs található. Ez azonban nem megújuló, hanem véges, fogyó energia. Az energiapazarlás ezzel az energiával ugyanolyan bűn, mint bármely más fogyó energia esetében. A cél mindenképp azt kellene, hogy legyen, hogy ezt az energiát körültekintő felhasználással még az unokáink is hasznosítani tudják.

Ebből kiindulva a tanulmányban javasolt megoldás, hogy csak annyi tömegáramú 95 °C hőmérsékletű termálvizet emeljünk ki a talajból, aminek az energiatartalma 10–12 °C-ig lehűtve biztosítani tudja a tervezett intézményi energiaellátást. Az intézmények egy részében így megmaradt volna a termálvíz elsődleges alkalmazása hőcserélőkön keresztül. Az elsődleges hőcserével csökkentett hőfokú, „elfolyó”, 50–60 °C hőmérsékletű termálvizet hőcserélőn keresztül beállítva a hőszivattyúkhoz maximálisan alkalmazható 23 °C hőfokszintre, két hőfoklépcsős alkalmazással 12 °C-ig lehűtve egy meglehetősen gazdaságos energiaellátás megvalósítására lett volna lehetőség. Ilyen megoldással a termálvíz felhasználása jentősen csökkent volna. Ezzel a kombinált energiafelhasználással mind a kedvező üzemköltség iránti igény, mind pedig a környezetvédelmi követelmények maximálisan teljesíthetőek lettek volna.

A megoldás technikai nehézkessége abban nyilvánult meg, hogy az akkori technikai színvonalon megfelelő hatékonysággal maximum 63 °C-os fűtési hőmérséklet elérése volt lehetséges, és emellett a legkorszerűbb hőszivattyúkkal lehetett maximum 23 °C-os termálvizet hasznosítani. Az intézmények hőellátása azonban magas hőmérsékletű, 80/60 °C-os radiátoros rendszerekre volt tervezve, így a hőszivattyúk fűtési rendszerhez illesztésére mindenképp plusz tervezési, beruházási költségekre lett volna szükség.

Az új hőszivattyú fejlesztések hatása az elfolyó termálvíz hasznosítására

Az előzőekben ismertetett megoldás tipikus abban az értelemben is, hogy az elfolyó termálvíz hasznosítására a legtöbb esetben meglévő épületek magas hőmérsékletű radiátoros fűtési rendszereiben van lehetőség, és ezen hőleadó rendszerek átalakítása jelentősen megnöveli a beruházási költségeket. A 62/55 °C-os hőfoklépcső is csak abban az esetben alkalmazható, ha a belső hőleadó rendszer túltervezett, illetve a meglévő épületszerkezet hőszigetelése is megtörtént, így csökken a szükséges fűtési középhőmérséklet iránti igény.2 Az átlagosan tervezett 20 °C-os fűtési hőfoklépcsőt is szűkíteni kell, a beépített cirkulációs szivattyúk teljesítményének növelésével a lehetséges határokig, optimálisan 7 °C-ig, amennyiben a fűtési csővezeték ezt lehetővé teszi.

Mindezen problémák elkerülésére az új kompresszor fejlesztéseket kihasználva kidolgozásra került – mint új magyar fejlesztés – a Vaporline® GW300-H/HAC hőszivattyú család legnagyobb teljesítményű tagja, amely igen magas elpárolgási hőmérsékleten, 27–48 °C között tudja az elfolyó termálvíz hőjét hasznosítani, és a fűtési oldalon 50–82 °C-os fűtési előremenő hőfokszintet tud produkálni (1. táblázat).

A Vaporline GW300-H hőszivattyúk alkalmazásának lehetőségei

A hőszivattyú magas COP/SCOP értékű lehetőséget teremt arra, hogy a magas hőfokú (26–48 °C) kútvizeket, termálvizeket közvetlenül, a hőfokszintjük csökkentése nélkül hasznosítsuk magas hőfokú (max.: 82 °C-os fűtési előremenő) fűtési és HMV rendszerekben (2. táblázat).

A fenti teljesítmény táblázatból látható, hogy olyan helyen (lsd.: a fentebb vázolt projekt) ahol 50 °C-os elfolyó termálvíz áll rendelkezésre, és egy előtét hőcserélő alkalmazásával3 42,8 °C-os elpárologtató oldali vízhőfok biztosítható, a téli legalacsonyabb külső léghőmérséklet esetén, amikor 80 °C-os fűtési előremenő hőfok szükséges a fűtési rendszerben, a hőszivattyú COP42,8/80C = 4,0!

A fűtési idény nagy részében azonban a hőszivattyú a külső hőmérsékletszabályozás segítségével az 50 °C-os előremenő hőfokszinten dolgozik, ekkor a pillanatnyi COP42,8/50C =8,2!

Ez alapján az évi átlaghőmérsékleteket és szivattyúzási teljesítmény igényt is figyelembe véve a várható SCOP= 6,5!

Látható, hogy a vázolt projekt esetén a fel nem használt elfolyó termálvizet ezzel a hőszivattyú típussal akár 24 °C-ig lehűtve igen magas SCOP értékkel (SCOP=4,7–6,5)4 lehetne hőszivattyúval hasznosítani a környező lakótelepek és épületek magas hőmérsékletű radiátoros rendszereiben, mindennemű átalakítás nélkül!

Ilyen esetekben, amikor nagy mennyiségű elfolyó termálvíz áll rendelkezésre, és a meglévő épületek magas hőmérsékletű radiátoros, és légtechnikai rendszereit hőszivattyúval minden átalakítás nélkül, 60–65%-os primerenergia megtakarítással lehet működtetni, mindenképp felmerül a kérdés, hogy mi az elsődleges?

A hőszivattyú közvetlen alkalmazása, a rendszer és épület átalakítása korszerűsítése nélkül?

Az épület korszerűsítése, hőszigetelése fűtéskorszerűsítéssel?

Természetesen energetikai szempontból a hosszú távú jó megoldás az épületszerkezet korszerűsítésével együtt alkalmazott fűtéskorszerűsítés. De akkor is igaz lenne az állítás, ha az igen költséges épületkorszerűsítési beruházásokkal párhuzamosan hatalmas energiamennyiséget pazarolnánk el hűtőtavakban, amellyel a károsanyag-kibocsátást jelentősen csökkenteni lehetne?

A hőszivattyú alkalmazása épületkorszerűsítés nélkül

Amennyiben célunk, hogy a rendelkezésre álló fejlesztési pénzekből a lehető legnagyobb mértékű károsanyag, ezen belül CO2 kibocsátást érjük el, akkor számoljunk:

a fenti példában, amennyiben az épületkorszerűsítéstől eltekintünk, a bemutatott hőszivattyúval, a magas hőmérsékletű fűtési rendszerben SCOP=6,5 érték prognosztizálható. Ez azt jelenti, hogy amennyiben 30%-os erőművi és 70%-os évi átlagos gázkazán hatásfokkal számolunk5, akkor 64%-os primer energiahordozó megtakarítást és ezzel arányos károsanyag-kibocsátás megtakarítást tudunk elérni. Ehhez a hőszivattyún és a tápvíz6 vezeték kiépítésén kívül más beruházás nem szükséges!

A fajlagos beruházási költség alakulása

A 2. táblázat ELT(°C)=42,8 adatsorából látható,hogy a hőszivattyúcsalád legnagyobb teljesítményű tagjának kimenő fűtési teljesítménye a 80 °C/74,2 °C-os fűtési hőfoklépcsőnél 270 kW.

4 db Vaporline® GW300-H hőszivattyú kaszkád kapcsolásával 1,08 MW-os fűtőrendszer valósítható meg. Egy ilyen hőszivattyús hőközpont a számítás szerint7 nettó 145 millió forint. A fajlagos költség 134 ezer forint/kW. Ez az érték fele, harmada egy családi házas rendszer beruházási költségének.

A hőszivattyúk Siemens szabályozása lehetővé teszi akár 3 MW-os rendszerek kaszkád kapcsolását, a rendszer távolsági elérését, ami hatékonyságot és költségoptimalizálást tesz lehetővé.

Az épület és fűtéskorszerűsítés

Az ajtó és ablakcsere, valamint az épület külső hőszigetelése és ehhez kapcsolódóan egy korszerűbb gázkazános rendszer kiépítésével a tapasztalatok szerint 40- 50% primer energiát lehet megtakarítani.

A jelen elemzett projekt esetében, amennyiben csupán a primer energiahordozó megtakarítást, és ezzel párhuzamosan a károsanyag-kibocsátás csökkenését vizsgáljuk, lényegesen jobban járnánk, ha mindenféle épületkorszerűsítés nélkül, hőszivattyúval hasznosítanánk az elfolyó termálvizet.

Figyelembe kell azonban venni azt a tényt is, hogy a fűtéskorszerűsítéssel egybekötött épületkorszerűsítések beruházási költsége meglehetősen nagy, így a fajlagos beruházási költség tapasztalatom szerint 4-5-szöröse az általam vázolt hőszivattyús rendszer fajlagos költségének.

Megállapítás

A fentiek alapján megállapítható, hogy a termálvizek másodlagos hasznosítása hőszivattyúkkal kiemelt projektként kellene, hogy szerepeljen hazánkban, hiszen a bemutatott hőszivattyúkkal olyan mértékű károsanyag-kibocsátás csökkenést lehet elérni, amelyet nagyságrenddel drágább beruházással sem! Ilyen témájú pályázatokban a hőszivattyús rendszerek kiépítését nem szabadna épületkorszerűsítéshez kötni. Egy épületkorszerűsítés árán 5-10 db termálvizes hőszivattyús rendszert lehetne kiépíteni, így nagyságrenddel nagyobb károsanyag-kibocsátás csökkentést lehetne elérni.

A hőszivattyúk magas hőmérsékletű fűtési rendszerekben történő alkalmazása természetesen nem csak másodlagos elfolyó termálvizeknél alkalmazható. A helyi adottságok függvényében több száz méter mélységű kútpárokból kinyert 30-40 °C-os termálvízzel is működhet a hőszivattyú. Amennyiben például egy 40 °C-os feljövő kútvíz áll rendelkezésre és 80 °C-os a fűtési előremenő hőmérséklet, akkor a kimenő fűtési teljesítmény 256 kW, ehhez 660 l/min. termálvíz tömegáramra van szükség. Ezt a tömegáramot azonban négy lépcsőben8 lehet alkalmazni, amíg eléri a legalacsonyabb alkalmazható 26 °C-t. Ennek megfelelően a 660 l/min. 40 °C-os termálvíz tömegárammal 890 kW fűtési teljesítmény érhető el (lsd.: 2. táblázat).

Ha jól belegondolunk, hazánkban a kórházak többsége energetikailag felújításra szorul. Az épületkorszerűsítéssel egybekötött energetikai felújítások hatalmas összegeket emésztenek fel, a klímaváltozás okozta mind sürgetőbb hűtési igényt a kórházakban nem tudják megoldani, és a levegő kondenzátoros megoldások esetén a nyári elektromos energia fogyasztás is erőteljesen terheli a kórházak költségvetését.

Amennyiben azonban a geológiai adottságok lehetővé tennék a kórházak területén 300-500 m mélységű termelő, illetve nyelő kutak létesítését, ahonnan 26-40 °C hőmérsékletű vizet nyerhetünk, akkor a fentebb ismertetett hőszivattyús technikával gyakorlatilag gyorsan, viszonylag minimális költséggel megoldható a fűtéskorszerűsítés, amely 50% feletti primer energiahordozó és költségmegtakarítást eredményezne fűtési üzemmódban.

Ezentúl ez a hőszivattyú készülhet reverzibilis (fűtő-aktív hűtő) kivitelben, és a példában szereplő 40 °C hőmérsékletű kútvíz, illetve 7/12 °C hűtési hőfoklépcső alkalmazásával az EER= 3,5. A 15/21 °C-os hűtési hőfoklépcső esetén EER15/40C= 4,5. Ilyen magas kútvíz hőmérsékleten is 15-23% az elektromos energia, így pénzügyi megtakarítást eredményez a levegőkondenzátoros folyadékhűtős rendszerekhez képest.

A hűtés szempontjából optimálisabb esetben, például 29 °C hőmérsékletű kútvíz, illetve 7/12 °C hűtési hőfoklépcső alkalmazásával az EER= 5,6. A 15/21 °C-os hűtési hőfoklépcső esetén EER15/29C= 6,9. Ez így 47-57% elektromos energia, így pénzügyi megtakarítást eredményez a levegőkondenzátoros folyadékhűtős rendszerekhez képest.

A Vaporline® GW300-H hőszivattyúk alkalmazásának komoly lehetősége van a távhő rendszerekben, a fűtési rendszer hatékonyságának emelésére.

A magas hőmérsékletű távhő rendszerekben a 30-50 °C-os hőmérsékletű termálvizeket az olyan hőszivattyúkkal, amelyek max. 23 °C-os kútvizet tudtak hasznosítani, és max. 65 °C-os fűtési előremenőt tudtak előállítani, korlátozott hatékonysággal csak előfűtésre, valamint a rendszer teljesítmény igényéhez képest erősen korlátozott teljesítménnyel lehetett hasznosítani.

A fejlesztett hőszivattyút azonban a távhő rendszerekben akár teljes kapacitás kiváltásra, és igen magas hatékonysággal lehetne alkalmazni, és ehhez viszonylag alacsony hőmérsékletű termálkutakra, vagy elfolyó termálvízre van szükség.

(Folytatjuk)


1Ádám Béla: Energiaellátás, alternatív energiaforrások hasznosítása, Szent István Egyetem 2011
2A radiátoros rendszerekben szokásos 80/60 °C-os fűtési hőfoklépcső esetén a fűtési középhőmérséklet 70 °C. A 62/55 °C-os hőfoklépcső esetén is csak 58,5 °C!
3Az előtét hőcserélőt az elpárologtató vízkövesedésének elkerülése végett, és nem hőfokcsökkentés szándékával kell a rendszerbe illeszteni.
4A többlépcsős hűtésnél a legkedvezőtlenebb esetben a 26 °C/80 °C víz-víz hőmérsékletnél az SCOP=4,7.
5A felújítandó rendszereknél az évi átlagos hatásfok ennél az értéknél is kedvezőtlenebb.
6A rendelkezésre álló termálvíz
71000m-es tápvíz vezetékkel, hőszivattyúkkal, kiegészítő berendezésekkel, munkadíjjal kompletten.
8Négy elpárologtató oldalon sorba kötött hőszivattyú.

***

1. ábra. Magyar fejlesztésű GW205 hőszivattyú teszt közben
2. ábra. A GW205-hőszivattyú végszerelése
1. táblázat. A Vaporline® GW300-H hőszivattyú 50 °C-os fűtési hőmérsékletre vonatkozó paraméterei az elpárologtató oldali 26,7-42 °C-os termálvíz hőfokszinteken
2. táblázat. A Vaporline® GW300-H hőszivattyú 80 °C-os fűtési hőmérsékletre vonatkozó paraméterei az elpárologtató oldali 26,7-42 °C-os termálvíz hőfokszinteken

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