belépés / regisztráció
2020. december 1. kedd
Aktuális lapszám

A hőszivattyús rendszerek hatékonysága a pályázati követelmények tükrében

A mostani 2016-os hőszivattyús pályázati kiírások előtt célszerű emlékeztetni a szakmai résztvevőket a hőszivattyús rendszerekkel szemben leggyakrabban megfogalmazott ellenérvre, hogy nagyok a beruházási költségek és igen hosszúak a megtérülési idők. Ez az ellenérv sajnos jellemzően a pályázati pénzeken megvalósult hőszivattyús rendszerek esetében lehet igaz. A költségek elszabadulásának sok összetevője van, amelyek jelentős részét a megfelelő követelmények pályázati kiírása alapján csökkenteni lehetne. Az alábbiakban a hőszivattyús rendszerek bivalencia pontjának meghatározására és kiírására hívjuk fel a figyelmet bemutatva azt, hogy milyen mértékben és hogyan befolyásolja a hőszivattyús beruházások költségének alakulását.

 

Amikor bivalencia pontról beszélünk, akkor azonnal egy bivalens rendszerre gondolunk, előzetesen azonban meg kell jegyezni, hogy a bivalencia pont meghatározása nem feltétlenül bivalens rendszer kialakítását jelenti! A szakmában érezhetően keverednek a fogalmak, ezért a bivalens rendszer fogalmát célszerű konkrétam meghatározni.

A bivalens rendszer

A bivalens rendszer alatt értjük azt a rendszert, amikor a hőszivattyús rendszer mellett egy alternatív fűtési rendszer teljes kapacitásra ki van építve. A hőszivattyú dolgozik egy bizonyos méretezett külső léghőmérsékletig, utána az alternatív fűtés veszi át a szerepét.

Ilyen megoldás engedélyezése, illetve megvalósítása esetén majdnem mindegy, hogy milyen az SPF előírás, illetve milyen „gyenge” hatékonyságú hőszivattyút, illetve rosszul tervezett rendszert alkalmazunk, mert csak olyan külső hőfokszintig (a legalacsonyabb fűtési hőfokszinten 35 °C) működtetik a hőszivattyús rendszert, hogy az előírt SPF érték mindenképp teljesüljön.

A valós CO2-megtakarítás, a beruházás megtérülési ideje azonban ilyen esetekben értékelhetetlen a rendszer valós kihasználtsága, instabil működése, az üzemeltetési nehézségek miatt.

A monoenergetikus rendszer

A leghatékonyabb megoldás a monoenergetikus rendszer kialakítása. Ez alapján a bivalencia mértékét a tervezett fűtési teljesítmény igény minimum 60–70%-ára célszerű tervezni.

Ez pl. azt jelenti, hogy amennyiben a hőtechnikai számítás alapján meghatározott legnagyobb fűtési teljesítmény igény 100 kW, akkor maximum 40 kW teljesítményű rásegítő alternatív fűtés kiépítése szükséges.

A rásegítés megengedett mértékét célszerű az aktív hűtési üzemmódra is vonatkoztatni!

Ez alapján a hatékonyság szem előtt tartásával nem célszerű teljes kapacitású, levegő kondenzátoros folyadékhűtő beépítése hőszivattyús rendszer kiépítése esetén! A fűtési igényre méretezett, megfordítható körfolyamatú (reverzibilis) hőszivattyúk az esetek nagy százalékában teljesen kielégítik a hűtési kapacitás igényét.

A bivalencia pont meghatározása a külső hőmérséklet függvényében

A pályázati kiírásoknál eddig a bivalencia mértéke -2 °C külső léghőmérsékleti hőfokszintre lett meghatározva. Ezzel egyenlőségjel került a bivalencia pont és a bivalens rendszerek közé.

A jelenleg tervezett új pályázatok szakmai előírásai sajnos még nem publikusak, de várható, hogy ebben, az előzőekben leírtaknak megfelelően érdemi változás következik be.

A bivalencia pont külső hőfokszint alapján történő definiálása nem akadályozza meg, hogy pályázatok által finanszírozott hőszivattyús beruházásoknál teljes kapacitással kiépüljön a hőszivattyús rendszer mellé egy teljes kapacitású gázkazános hőközpont, és aktív hűtési igények esetén egy teljes kapacitású levegő kondenzátoros folyadékhűtő rendszer is!

A fenti állításokra példaként az alábbiakban egy már megtervezett és pályázatot nyert hőszivattyús rendszer eredeti műszaki leírását, és a pályázat módosításával megvalósult alternatív tervében a műszaki leírás a következőket tartalmazta:

Központi fűtés

Az egészségközpont téli hőszükségletének kiszolgálására és hőterhelésének csökkentésére energiahatékony hőszivattyús fűtési-hűtési rendszert tervezünk, kisteljesítményű kondenzációs falikazánnal történő rásegítéssel.
Az épület számított hővesztesége 29 kW, melynek fedezésére szivattyús keringtetésű központi fűtési hálózatot irányoztunk elő 40/30 °C hőfoklépcsővel, nagy hidegben kazános rásegítéssel 55/40 °C hőfoklépcsőjű melegvíz hőhordozóval.

A hőszivattyú így folyamatosan alacsony hőmérséklettel tud üzemelni, mert hideg esetén a hőfokemelést egy rásegítő kazán végzi, így az EER mutatója nem romlik.

A rásegítő hőtermelő egy Bosch Junkers ZSBR-28-3A (vagy egyenértékű) kondenzációs gáztüzelésű, melegvíz üzemű falikazán, 28 kW névleges teljesítménnyel.

Hűtés

A nyári hőterhelésből adódóan az épületen belül a megkívánt komfortérzet biztosításának érdekében hűtési rendszert kell kiépíteni. A hűtési rendszer hűtőközegének szükséges hőmérsékletét kültéri elhelyezésű léghűtéses folyadékhűtő berendezés biztosítja, 32 kW-os hűtési teljesítménnyel, saját szabályozóval, villamos kapcsolószekrénnyel, külső vezérlésre alkalmas kivitelben.

A hűtőközeg környezetbarát R407 C.

A tervezett hőszivattyús rendszer passzív hűtőteljesítménye 12 kW, aktív hűtőteljesítménye 26 kW.

Elsődlegesen a hőszivattyú állítja elő a hűtőközeget, a folyadékhűtő csak csúcsterhelés esetén kapcsol be, ha a hőszivattyú nem képes a szükséges előremenő hőfokot előállítani.”

A fenti műszaki leírásból érzékelhető, hogy a rendszert tervező mérnökök nem voltak, vagy érdekeik szerint nem tisztázták le a „rásegítés”, és a bivalens rendszer fogalmát. A leírásban kazános rásegítésről beszéltek, holott a rendszert egyértelműen csak 40/30 °C hőfokszinten kívánták működtetni. Így egyértelmű, hogy a tervezett 55/40 °C hőfokszinten a gázkazános rendszer működött volna. Ez így nem rásegítés, hanem kiváltás, és így ez egy tényleges bivalens rendszer.

A leírás nem említi a betervezett 20 m2 felületű napkollektoros rendszert, amely a HMV biztosítása mellett rásegít a fűtési puffer tárolóra is, és amely az amúgy is „borsos” beruházási költséget jelentősen tovább növelte.

A tervezett bivalens hőszivattyús rendszer kialakítása nem vette figyelembe a legoptimálisabb fűtési-hűtési rendszer kialakítás megoldási lehetőségeit. Feleslegesen bonyolult, sok hibalehetőséget magában rejtő kapcsolási sémát alakított ki, feleslegesen beépített elpárologtató oldali puffertartállyal, hőcserélőkkel, háromjáratú szabályzó szerelvényekkel, a teljes fűtési kapacitást kiszolgáló kondenzációs gázkazánnal, és teljesen feleslegesen 31,7 kW hűtési kapacitású folyadék hűtővel, 20 m2 felületű napkollektoros rendszerrel.

A lehető leggazdaságtalanabb hűtő, hőszivattyús rendszer, amely egy nem reverzibilis (csak fűtő üzemű) hőszivattyút külső körfolyamat megfordítással alkalmaz aktív hűtésre! Ehhez azonban a mindkét oldalra beépített hőcserélők és háromjáratú irányváltó szelepek összességében min. 8-10 °C-kal csökkentik az elpárologtató, és növelik a kondenzációs hőfokszinteket! Ennél a rendszernél így semmiképp nem beszélhetünk EER (helyesen SPF) növelésről, ahogy ez a leírásban olvasható, hanem erőteljes EER romlásról.1

Ezen beépített készülékek és szerelvények növelik a beruházási költséget, a bonyolult szabályzás miatt további költségek keletkeznek és az üzemeltetés biztonsága jelentős kockázattal jár.2

A megvalósult alternatív rendszer

Az alternatíva alapján az alacsony (max. 40 °C), és magas hőmérsékletű (max. 55 °C) fűtő és 7/12 °C hűtési hőfokszintű aktív hűtő rendszer 2 db multifunkciós (fűtőaktív hűtő-HMV) hőszivattyúval lett ellátva, amely hűtési üzemmódban is biztosítja a tervezett összes hűtési kapacitás igényt.

Fűtés:

Az egyik, alacsony hőfokszintre tervezett hőszivattyú kimenő fűtési teljesítménye a legalacsonyabb, 4 °C tervezett talajhő és a tervezett 40 °C fűtési víz hőmérséklet szintjén 25 kW (1. ábra).

A másik magas hőfokszintre tervezett hőszivattyú fűtési kimenő teljesítménye a legalacsonyabb, 4 °C tervezett talajhő és a tervezett max. 55 °C fűtési víz hőmérséklet szintjén 25,2 kW. Így a rendelkezésre álló fűtési teljesítmény: 50,2 kW!

A fűtésre így közel dupla teljesítmény áll rendelkezésre, amely esetleges üzemzavar esetén is teljes hőellátási biztonságot biztosít.3

A két hőszivattyú a hőfokszintek különbözősége miatt célszerűen külön 1-1 db 300 liter puffer tartállyal lett ellátva.

Hűtés:

Az alternatív rendszer készülékei reverzibilis hőszivattyúk, amelyek aktív hűtő üzemmódban 7/12 °C hőfoklépcsővel, 7/25 °C hőfokszinten COP (EER)= 5,5-6,6 értékkel, és 22,7 kW hűtési teljesítménnyel rendelkeznek, szemben az eredetileg betervezett folyadékhűtő COP(EER)= 2,0-2,5 értékével! (A beépített leválasztó hőcserélő miatt erőteljesen rontott érték!)

A hőszivattyúkat azonban a hűtési üzemmódban is célszerű a két külön puffertartályra dolgoztatni, hiszen a sugárzó fűtésekhez elég a 15/20 °C-os hőfoklépcső.

A 15/20 °C hőfoklépcsővel 15/25 °C hőfokszinten, COP(EER)= 7,0-7,7 értékkel és 28,9 kW hűtési teljesítménnyel rendelkezik, és minden hőterhelési viszony között tudja biztosítani a szükséges hőelvonást, minimális elektromos energia felhasználással.

Az alternatívaként így egy egyszerű, költségkímélő, az eredetileg tervezett szondaszámmal megvalósult, szabályzás szempontjából átlátható, a készülékbe épített szabályzóval szabályozott és igen gazdaságos fűtő-hűtő- HMV rendszer valósult meg, amely ellátja az eredetileg hőtechnikai szempontból erősen alulméretezett fűtő, aktív hűtő és HMV-termelő hőszivattyús rendszert.

A fenti műszaki leírásban szereplő, eredeti tervnek megfelelő megoldás annyira megemeli a rendszerek beruházási költségét, hogy a kihasználtság, üzembiztonság, hatékonyság csökkenésével értékelhetetlenné, gazdaságtalanná teszi a hőszivattyús rendszer megtérülési idejét.

A hőszivattyús rendszerek megtérülési idejét az eredeti tervtől eltérően a kihasználtság növelésével lehet csökkenteni. Épp ezért célszerű a multifunkciós készülékek használata is, amely már egy másik átgondolandó, és véleményünk szerint szintén szabályozandó költségcsökkentési lehetőség.

A párhuzamosan kiépített (bivalens) rendszer pályázati megfeleltetése az SPFprim értékével

Valószínűsíthetően a bivalencia pont külső hőfokszintre történő meghatározásával a tervezők és forgalmazók jelentős része egyetért, mert annak a valós hatékonyságra kifejtett negatív hatását a pályázatban kötelezően számítandó SPFprim érték megfelelőségével lehet eltakarni.

Megvizsgálva, a -2°C-ban meghatározott bivalencia pont által fentebb leírt problémát, valamint azt, hogy a gyenge hatékonyságú hőszivattyús rendszerek kialakítását önmagában az SPFprim érték valóban korlátozza-e, az alábbi megállapítás tehető:

A -2 °C hőfokszint a max. fűtési teljesítmény igényre vetítve ?55%-os bivalenciát jelent.

Ekkor, mint látható, a hőszivattyús fűtő rendszer fedezeti aránya a mi külső léghőmérsékleti hőfokszintjeinken 90% (2. ábra)!

Az alábbi számításban azt nézzük meg, hogy a hőszivattyús rendszer milyen SPF értéknél teljesül az SPFprim =1,3 megkövetelt értékre.

A számítást végezzük el QFteljes= 100 000 kWh/év hőigényre.

A hőszivattyúval beviendő hőmennyiség (90% fedezeti arány): 90 000 kWh

Gázkazánnal beviendő hőmennyiség (10%): 10 000 kWh

Gázenergia fogyasztás η=80% esetén = 10 000 kWh/0,8 = 12 500 kWh

SPF=3,5 esetén: 90 000kWh/3,5=25 714,3 kWh elektromos energia igény.

Ellenőrző számítás:

(Képlet)

Mint látható, egy bivalens rendszer esetén, amikor a gázkazános rendszer az évi energia szükséglet 10%-át látja el (ennek ellenére a legtöbb esetben, ahogy a fenti példában is, teljes kapacitás kiépítésre kerül) SPF=3,5-t kell teljesítenie a hőszivattyús rendszernek. Ez csak kicsit több mint monovalens rendszer esetén az SPFprim= 1,3*2,5=3,25-ös érték.

A fenti esetben, ha egy hőszivattyús rendszernek maximum -2 °C-os külső hőmérsékletig kell működnie, akkor egy max. 50 °C-ra méretezett hőszivattyús fűtési rendszer fűtési előremenő hőmérséklet igénye 35-37 °C!

A hőszivattyús rendszernek a fenti követelményt a maximális fűtési és a legalacsonyabb tervezett talajhőfokszinten ( 4 °C/37 °C), SPF=3,5-es értéken kell teljesítenie.

(Kondenzációs kazán betervezése esetén SPF=3,4.)

Ez a követelmény a mai legrosszabb kompresszorral, gyenge minőségű hőszivattyúval is megvalósítható, de ehhez kell egy közel teljes kapacitásra kiépített alternatív fűtési rendszer, amelynek kialakítását a hőfokszintre megadott bivalencia pont nem akadályozza meg, sőt kialakítását sugallja a tervezőnek!

Megjegyzem, hogy egy mai, hőszivattyús alkalmazásra szánt, jó minőségű hőszivattyú COP értéke 4°/35 °C folyadék- víz hőfokszinten COP=5,0-5,2 között mozog, és ennek megfelelően az elérhető évi hatékonyság monovalens rendszer esetében a mi külső hőfok és talajhőfok szintjeinken zárt szondás rendszerek esetén SCOP= 3,6-4,5 érték között van!

Az eddigi pályázati követelmények miatt nem kellett a rendszer tervezésébe komoly mérnöki munkát fektetni, nyugodtan lehetett vállalni a min SPFprim követelményt, és saját maga ellen dolgozik az a tervező, aki nem valós (magas költségű) bivalens rendszert tervez.

A bivalens rendszer a példában jelzett hiányosságokkal együtt beruházási értékben igen sokba kerül, amellett a valós hozadéka (energiamegtakarítás és CO2 kibocsátás csökkenés) is lényegesen kisebb, illetve más megújuló beruházásoktól veszi el a támogatási pénzt.

Összegezve megállapítható hogy a hőfokszintre meghatározott bivalencia pont az SPFprim követelménnyel egyetemben egyáltalán nem akadálya a költségpazarló, megtérülési szempontból értékelhetetlen hőszivattyús rendszerek létrejöttének, abszolút nem ösztönöz a költséghatékonyság növelésére, a költségek csökkentésére, sőt, a bivalens rendszer kiépítését preferálja!

Ajánlás

A bivalencia pontot a maximális teljesítmény igény (kW) és a hőszivattyús teljesítmény viszonylatában lenne célszerű meghatározni.

A min. 70%-os bivalencia így azt jelenti, hogy egy 100 kW max. teljesítmény igényű fűtési rendszerhez maximum 30 kW teljesítményű gázkazán építhető be, és ekkor a hőszivattyú 95%-ban biztosítja az évi fűtési energia szükségletet!

Ennek megfelelően a hőszivattyúnak minden külső hőfokszinten, és a maximális fűtési előremenő hőfokszinten is működnie kell (monoenergetikus rendszer), és így kell teljesítenie a minimálisan meghatározott SPFprim értékeket!
Ez a monoenergetikus hőszivattyús rendszer így egy költséghatékony megoldás, a gyakorlatban is hatékony hőszivattyúk és az ehhez kapcsolódó optimálisan tervezett hőközponti és hőleadó rendszerek alkalmazását preferálja, és mindenképp a precíz, hozzáértő mérnöki tervezést követeli meg. Ezzel a metódussal ugyanazon mennyiségű pályázati pénzen közel kétszer anynyi, valóban hatékony hőszivattyús projekt valósulhatna meg.
A monoenergetikus rendszer hátránya, hogy magas szintű mérnöki hozzáértést kíván meg, amely a tömeges, tényleges hozzáértést nem kívánó, hőszivattyú értékesítés ellen hat. Ennek ellenére a hőszivattyús rendszerek kiépítésének a hatékonyság növelés, és költségcsökkentés irányába kell elmozdulnia, amit a világ energia és környezeti helyzete egyre inkább megkíván.

 

1Az EER értékét a tervező rosszul alkalmazta, mert az a hűtésre jellemző mutatószám. A helyes értelmezés szerint SPF (SCOP) értéket kellett volna írni az adott helyre.
2A külső körfolyamat megfordítása miatt a szondaoldal a folyadékhűtő rendszerrel is egybe lett nyitva. A beépített sok szerelvény miatt a szondarendszer gyakori levegősödésére igen nagy az esély, ami a rendszer üzemét ellehetetlenítheti.
3A rendszer valójában erősen alultervezett volt, ezért a beépített hőszivattyús fűtési kapacitásra szükség van.

***

1. ábra.
2. ábra.

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 kettő, vagy több épület megújuló, hidrotermikus energiaellátásának megvalósítása hőszivattyúkkal

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