A magyar fürdők, az egészségturizmus hazai és nemzetközi versenyképességének javítása, erősítése, a létesítmények fenntartási költségeinek csökkentése, az energiahatékonyan és korszerűen működő egészségturisztikai objektumok megteremtése és fejlesztése össztársadalmi érdek. Tény, hogy a Széchenyi Terv pályázatai és a magántőkéből létrejött korszerű egységek beruházásai során nem fordítottak megfelelő figyelmet a hatékony és környezetkímélő energiafelhasználásra. Impozáns, korszerű fürdők jöttek létre elavult, a jelenlegi követelményeknek nem megfelelő energetikai rendszerekkel, rossz üzemeltetési paraméterekkel.

A gazdasági, társadalmi és turisztikai környezet igényli és elvárja a fürdőkben is, hogy a jelenlegi energiafelhasználás meglévő rendszerén változás következzen be.

A korszerűtlen energetikai rendszerek (ezek látványa, működése, a korszerűség szembetűnő hiánya) a környezettudatos turisták szemében akár imázsépítőként vagy imázsrombolóként is felléphetnek.¹

Energetikai szempontból a fürdőknél három jelentős kiadási terület jelentkezik:

• az épületek és medencék fűtése (hűtése),
• az épület- és vízgépészeti berendezések villamosenergia- ellátása,
• az egyéb szolgáltatásokhoz kapcsolódó energiafelhasználás (szauna-gőzkabin, gyógyászati gépek-berendezések, vendéglátás, egyéb szolgáltatások (fodrászat, kozmetika stb.).

Fűtés-hűtés

A fürdők esetében a korszerűsítés első lépcsője, hogy a drága gázfűtés kiváltására kell törekedni. Ehhez elsősorban a Magyarországon nagy mennyiségben rendelkezésre álló termálvíz hőenergiájának (termálenergia) felhasználását kell előnyben részesíteni. (Ez a fürdők esetében többnyire rendelkezésre is áll). Az elfolyó termálvíz hiányában a kutas és zárt szondás hőszivattyús rendszerek is hatékonyan alkalmazhatók, jól illeszthetők a fürdők hőenergia ellátásához.

Az elfolyó termálvíz hasznosításához a fürdők esetében azért is kedvezőbb a helyzet, mivel az első körben a termálvíz felesleges hőjét (a fürdővíz hőmérsékleténél magasabb hőmérsékletű víz) a fűtésre (épület és medencefűtés) használva, a termálvizet további felhasználás céljából a termálvizes medencébe vezetjük. Ezáltal a víz elszennyeződik, így már nem lehet a vízadó rétegbe azt visszasajtolni.

Az így elfolyó lehűlt termálvíz maradék hőjét a mai, speciálisan a feladatra tervezett hőszivattyús rendszeren keresztül, magas hatékonysággal, igény szerint még tovább használhatjuk.

A lehűlt termálvíz a befogadóba vezetve már olyan hőmérsékletű, mely nem okoz környezetvédelmi szempontból hőterhelést a természeti környezetre.

A komplex energetikai szemlélet

A fürdők energetikai tervezésénél minden esetben komplex energetikai szemléletre lenne szükség, amely a hőszivattyúk rendszerbe integrálásán túl, megteremti a hőszivattyúk, a belső hőleadók, szellőző és párátlanító rendszerek összhangját.

A komplex energetikai szemlélet lényege, hogy az épület hőenergia ellátásánál az elfolyó termálvíz hőenergiáját hasznosítsuk a lehető legmagasabb SPF² értékkel, s egyben alacsony hőfokszintre szorítsuk (12-15 °C) az elfolyó termálvíz hőmérsékletét, megszüntetve a környezet hőszennyezését.

A beépített hőszivattyúkat a feladat- és fűtési hőfokszintek alapján a kondenzátor oldalon különválasztjuk, ezzel maximalizáljuk az elérhető SPF értéket.

• épületfűtés 35 °C-60 °C
• uszoda hőntartás, felfűtés 35 °C-40 °C
• HMV, valamint légtechnikai kaloriferfűtés 60 °C -80 °C

A másik lényeges szempont, hogy optimalizáljuk a beépített fűtő és szellőzési teljesítményeket, kapacitásokat. A felfűtési hőigény évente kétszer jelentkező igény, amelynek időpontját jól lehet tervezni. Amennyiben a medencék felfűtésének időpontját fűtési szezonon kívül tervezzük, úgy az összes egyéb célra beépített kapacitás „szabad”, vagyis azokat a komfort szint csökkenése nélkül a medencék felfűtésére lehet fordítani.

A párátlanító hőszivattyú alkalmazásával, és ezzel összhangban a külső szellőző levegő mennyiségének optimalizálásával, töredékére csökkenthető a légtechnikai kalorifer fűtéséhez szükséges fűtési teljesítmény.

Az elfolyó termálvízre alapozott hőszivattyús hőközpont tervezése

Az előzőekben bemutattuk, hogy melyek azok az általános érvényű alapelvek, amelyeket a fürdőknél alkalmazott hőszivattyús rendszer SCOP értékének optimalizálása végett az elfolyó termálvíz hasznosításánál alkalmazni kellene. Természetesen az egyes fürdők esetén a helyi adottságok különbözőek, ezért a konkrét megoldások is különbözőek.

Az alábbiakban, egy konkrét eset kapcsán egy lehetséges, a hatékonyság /SCOP/ érték szempontjából minden eddiginél kedvezőbb megoldást láthatunk.

A meglévő rendszer

Egy városi többcélú uszoda hőenergia ellátását – medence fűtés és hőntartás, szellőző kalorifer fűtés, HMV-ellátás épület fűtés – a rendelkezésre bocsájtott gépészeti kiviteli tervek alapján az 50 °C-os feljövő vízhőmérsékletű termálkút vizének előhűtéséből nyert hőmennyiségével (a terv szerint Δ=10 °C ), valamint a rendszerbe épített Viessmann Vitoplex 200 -Q₁=120kW, valamint Q₂=270kW névleges teljesítményű gázkazánokkal látják el.

A termálvíz fölösleges hőjét a medencék fűtésére, HMV bojler előfűtésére, valamint padlófűtésre használják fel úgy, hogy a beérkező vizet 10 °C-kal lehűtve, pótvíz ágon juttatják tovább a külső termál medencébe.

A medencefűtés, a padlófűtés és a hőntartás rendszere, valamint a HMV-rendszer is úgy van kialakítva, hogy igény esetén a gázkazánok is a rendszerre tudjanak dolgozni.

A tervezett fűtési hőfokszintek

• A medence fűtő és hőntartó termálvíz hőcserélők hőfokszintjei a terv szerint: 28/37,4 °C-50/30 °C³.
• A medence fűtő és hőntartó gázkazán hőcserélők hőfokszintjei a terv szerint: 28/45 °C-70/55 °C.
• A szellőző kaloriferek fűtését a tervezett 70 °C/55 °C fűtési hőfoklépcsővel a gázkazánok látják el hővel.

A napi termálvíz mennyiség

Az úszómedence víztérfogata: 530 m³

A termálmedence víztérfogata: 75 m³

A külső termálmedencékből, és az uszodából elfolyó napi termálvíz mennyiség 300 m³/nap, 35 °C hőfokszinten.

A tervezett hőszivattyús rendszer

Az üzemeltetési tapasztalatok alapján a kitermelt termálvíz fölös hője kisebb teljesítményt képvisel a tervezettnél. Részlegesen tudja ellátni a padlófűtés és HMV igényét, de a medence hőntartását és a medencék felfűtését nagyrészt a gázkazánok biztosítják.

Emiatt meglehetősen nagy: évi 40 000N m³ felett van az évi gázfogyasztás.

Medence felfűtés és hőntartás

A medencék összes térfogata 605 m³. A vízcserék alkalmával a medencék tervezett hőfokra (27 °C, illetve 33 °C) történő felfűtéséhez ∼10 590 kWh fűtési energiára van szükség. Az eredetileg betervezett gázkazán kapacitással (390 kW) 27 óra alatt lehet felfűteni a medencéket. Ebből következően az elfogadható üzemvitelhez a medencék felfűtése miatt erre a teljesítmény nagyságra mindenképp szükség van.

A kapacitásigény meghatározásán túl cél, hogy a napi, viszonylag nagy mennyiségű elfolyó 35 °C-os termálvíz hőjét a lehető legnagyobb mértékben hasznosítani lehessen, s a gázkazánok teljes kapacitása ki legyen váltva. Ezzel a megoldással biztosított a medencék elfogadható időn belüli felfűtése és folyamatos hőntartása. Emellett az egyidejűségek figyelembe vételével, a kihasználás növelése végett ellátható a szellőző kaloriferek hőigénye, amely a hőenergia fogyasztás döntő részét képviseli az uszodánál, s igény esetén a HMV-ellátásba és a padlófűtésbe is besegítenek a hőszivattyúk.

Az alkalmazott hőszivattyúk kiválasztásának szempontjai

• A tervezés lényeges kiinduló pontja a napi rendelkezésre álló termálvíz mennyisége, a hőszivattyúk folyamatos működésének biztosítása.
• A hőszivattyús rendszer teljesítmény igényét tehát a medence felfűtés és hőntartás kapacitás igényéhez igazítjuk.
• Ahhoz azonban, hogy a tervezett rendszerben a hőszivattyúk a kihasználtság végett a légtechnikai kaloriferek hőellátását is biztosítsák, tehát a jelenleg rendszerbe épített gázkazánokat ki tudjuk váltani, olyan hőszivattyúkra van szükség, amely a tervezett 70 °C-on elfogadható COP értékkel képesek dolgozni, s a rendelkezésre álló 35 °C-os termálvizet az elpárologtató oldalon közvetlenül, magas COP értéken tudják hasznosítani.
• A hatékonyság növelése szempontjából az is lényeges, hogy a különböző hőfokszinteket a tervezett teljesítmény igényekhez igazodó, lehetőleg külön hőszivattyúval oldjuk meg.

A rendelkezésre álló napi elfolyó termálvíz mennyiség: 318 m³/d (∼220l/min), 35 °C-on. Ez alapján a folyamatos üzem biztosításához olyan hőszivattyú üzembe állítása jöhet számításba, amelynek elpárologtató oldali tömegáram igénye m=220l/min érték alatti. A folyamatos üzem biztosításához ezentúl a termálvíz oldalra egy minimum 100 m³-es puffertároló kialakítása is szükséges.

A speciálisan, feladatra tervezett hőszivattyú igénye

A szabványosan, sorozatra tervezett hőszivattyúk jellemzője, hogy kondenzátor oldalon a fűtési előremenő és visszatérő víz hőfokkülönbségét a működési tartományban Δt=5 °C környékére tervezik. Ez meghatározza az alkalmazott víz tömegáram igényét, amely pedig változtatja az alkalmazható elpárologtató és kondenzátor méreteket.

Jelen esetben olyan hőszivattyú kiválasztása, illetve speciális tervezése volt a cél, amely tömegáram igénye 220 l/min körüli érték, a hőszivattyús rendszerrel megvalósítható a 390 kW fűtési teljesítmény, képes magas COP értéken hasznosítani a rendelkezésre álló magas elfolyó termálvíz hőjét, és a kondenzátor oldalon a tervezett hőfokszintek beállítása biztosítható.

A speciálisan termálvíz hasznosításra tervezett Vaporline^® GWT hőszivattyú család⁴ alkalmas közvetlenül 45 °C-os termálvíz hasznosítására, és maximum 82 °Cos fűtési előremenő hőfok biztosítására, COP_45/82C=4,0 értéken!

E hőszivattyú család GWT185-H típusú tagját alkalmazva, s a speciális igénynek megfelelően áttervezve, a 1. ábrán látható, hogy az elpárologtató oldalon a szükséges tömegáram 216 l/min.⁵ Ez a tömegáram igény, a napi elfolyó termálvíz mennyiség alapján lehetővé teszi a hőszivattyúk folyamatos üzemét.

Ahhoz, hogy a gázkazán kapacitást (390 kW) ki tudjuk váltani, s így a rendszer alkalmas legyen különböző fűtési hőfokszinteket biztosítani, 3 db Vaporline® GWT185-H speciálisan a feladatra optimalizált, az elpárologtató oldalon sorba kapcsolt hőszivattyút kell alkalmazni (2. ábra). A soros kapcsolás eredményeként a medence felfűtésnél, amikor mindhárom hőszivattyú a fűtés oldalon együttesen a rendszerre dolgozik (50 °C előremenő fűtési hőmérséklet), az elfolyó termálvíz hőmérséklete 13 °C-ra csökken, és a sorbakötött hőszivattyúk fűtési teljesítménye 395 kW. Ez a fűtési kapacitás az egyidejűségek figyelembe vételével a gázkazánok teljes kiváltására alkalmas.

A Hsz1 jelű hőszivattyút a kondenzátor oldalon útváltó szelep közbeiktatásával lehet magas (70 °C/60,5 °C) fűtési hőfoklépcsővel a szellőző kalorifer fűtésére, valamint HMV-termelésére is hasznosítani.

A hőszivattyús rendszer szabályozása

A hőszivattyúkban beépített Siemens Albatros szabályzók a külső hőmérséklet függvényében tudják biztosítani a megfelelő hőfokszintet (50-70 °C között) a szellőző kaloriferek számára. Amikor azonban a hőszivattyúk medence hőntartást, illetve felfűtést végeznek, vagy a padlófűtésre segítenek, akkor az előtét hőcserélők hőmérséklet igényét 50 °C-os fűtési előremenő-folyamatosan tartják.

A tervezett hőszivattyús rendszer COP/SCOP értéke medence felfűtésnél, illetve hőntartásnál

A medence felfűtést és hőntartást a kiépített rendszer szerint 28/37,4 °C-50/30 °C hőfokszinten végzi a rendszer termálvízfűtés esetén. A hőszivattyús rendszernél is ezt a hőfokszintet célszerű alkalmazni, a gázkazános hőfokszintre beépített előtét hőcserélő átalakításával, és esetlegesen a cirkulációs szivattyúk cseréjével. A fentieknek megfelelően a hőszivattyúk átlagos COP értékének alakulását a 1. ábra alapján követhetjük nyomon.

Hőntartás

A hőntartás esetén, működés közben a hőszivattyúk a működés teljes tartományában az 50 °C-os hőfokszinten fognak működni, és ennek megfelelően a primer oldali szivattyú teljesítmény igényét is beszámítva COP_átlag= 5,5 körül alakul. Az állandó primer/szekunder oldali hőmérsékleteket figyelembe véve az SCOP=5,5.

Medence felfűtés

A medence felfűtés alkalmával 15 °C-os hőfokszintű kútvizet kell a 27 °C, illetve 33 °C hőfokszintre emelni.

A felfűtés ideje alatt a betervezett 50 °C-os fűtési hőfokszintet csak a felfűtés végén éri el a hőszivattyú. A felfűtési tartományban így COP_{átlag34,8/39C}=7,0 illetve COP_{átlag34,8/50C}=5,6 között működnek a hőszivattyúk. Ennek megfelelően a primer oldali szivattyú teljesítmény igényét is beszámítva várhatóan SCOP= 6,0 értéken alakul.

A COP/SCOP érték alakulása légtechnikai kalorifer hőellátásakor

A légtechnikai kalorifereket a külső hőmérséklet függvényében 50 °C-70 °C fűtési előremenő hőmérsékletek között szabályozzuk. 70/62 °C-os fűtési hőfokszinten a 3 db hőszivattyú COP_átlag=3,5 értéken működik. Részterhelésnél 50/40 °C-os hőfokszinten COP_átlag=5,6 Az átlagos külső hőfokszint gyakoriságot, valamint a primer szivattyúk teljesítmény igényét figyelembe véve a várható SCOP=4,6.

A hőszivattyús rendszer a fenti számítások alapján évi átlagban várhatóan minimum SCOP= 4,8 értéken képes működni. Ez azt jelenti, hogy egy h_átl.=80% átlagos gázkazán hatásfokkal számolva az energia, és az ezzel arányos költségmegtakarítás: 63%. Ezentúl nincs helyi károsanyag-kibocsájtás. A másik igen lényeges szempont, hogy jelentősen csökken a környezet hőszennyezése, a termálvíz pazarlás az elfolyó termálvíz jelentős mértékű hűtésével. Amennyiben a rendszerhez még társítunk napelem rendszert is, akkor mindenképp elmondható, hogy az uszoda energetikai szempontból üzemeltethetővé válik.

Összegzésként a tervező kollégák és beruházók figyelmébe ajánlom a példában bemutatott megoldást, azt, hogy meglévő termálfürdőinket különösebb belső hőleadó átalakítás nélkül igen hatékonyan, nagy üzemköltség megtakarítást produkálva lehet hőszivattyús rendszerre átalakítani. Ehhez azonban mindenképp szükséges a speciálisan termálhő hasznosításra tervezett hőszivattyúk alkalmazása.

¹Dr. Husti István: Bevezetés a fürdőmenedzsmentbe. Szent István Egyetem, 2011
²SPF (Seasonal Power Factor): szezonális teljesítmény tényező. Az egy fűtési szezonban a hőszivattyú által a fűtési rendszerbe bevitt energiamennyiség (kWh), a hőszivattyú által elfogyasztott elektromos energia (kWh)
³A termálvíz fűtési előremenő hőfoka 50 °C. A gázkazán hőcserélő előremenő fűtési hőfokszintje 70 °C
⁴Magyar Installateur 2015/8–9. száma, 21. oldal
⁵A fűtés oldali Δt=10-11 °C, 35 °C termálvíz hőfok esetén

***

1. ábra. A Vaporline GWT185-H típusú hőszivattyú teljesítmény táblázata. A jelenleg alkalmazott minimum hőfokszintek zöld színnel jelölve
2. ábra. Hőszivattyús rendszer elvi sémája
3. ábra. A Vaporline GWT175-H típusú hőszivattyú teljesítmény táblázata. A jelenleg alkalmazott maximális hőfokszintek zöld színnel jelölve