belépés / regisztráció
2019. június 18. kedd
Aktuális lapszám

A kettő, vagy több épület megújuló, hidrotermikus energiaellátásának megvalósítása hőszivattyúkkal

A hőszivattyúzás területén folyamatosan felmerülő kérdés, hogyan lehetne a hőszivattyúkkal a sok helyen meglévő, a termálfürdőkből elfolyó termálvizet az intézmények fűtési és HMV rendszereiben hatékonyan alkalmazni, és ezzel jelentősen csökkenteni az energiaköltségeket, megszüntetni a helyi, és töredékére csökkenteni az erőművi szintű károsanyagkibocsátást. A környezetbe elfolyó termálvíz lehűtésével a környezetünk hőterhelését is tudjuk mérsékelni vagy meg tudjuk szüntetni.

 

Ennek a feladatnak a megoldása a TOP-3.2.2-15 pályázati felhívás keretében időszerűvé és megvalósíthatóvá válhat, hiszen módosult a Széchenyi 2020 keretében megjelent, „Önkormányzatok által vezérelt, a helyi adottságokhoz illeszkedő, megújuló energiaforrások kiaknázására irányuló energiaellátás megvalósítása, komplex fejlesztési programok keretében” című felhívás ezt részletezi. A rendszer üzemeltetése a felhívás 3.2/12. pontja alapján kell, hogy történjen, valamint a felhívás 3.2/25 pontjában foglaltak alapján gazdaságilag megtérülő beruházásnak kell lennie.

A projekt műszaki-szakmai tartalmával és a megvalósítással kapcsolatos elvárásokat kiegészítették többek között az alábbi ponttal: „26) 3.1.1/b / II) tevékenység esetén a hőszivatytyúk által hasznosított geotermikus energia az Európai Parlament és a Tanács 2009/28/EK irányelve 7. sz. melléklete” szerint megújuló energiaforrásból előállított energiának (ERES) minősül, amelyet az alábbi képlet segítségével kell kiszámolni:

ERES = Qhasznos * (1–1/SPF) ahol Qhasznos = a hőszivattyúból származó teljes becsült hasznos hőenergia, amely megfelel az 5. cikk (4) bekezdésében meghatározott követelményeknek, a következők szerint megállapítva: csak az SPF > 1,15 * 1/η adottságú hőszivattyúk vehetők figyelembe, melynek teljesülését a Projekt Terv Útmutató 7.2 és/vagy 7.3-as pontjaiban kérünk bemutatni!

SPF = a becsült átlag szezonális teljesítmény faktor az említett hőszivattyúknál, amit a Projekt Terv Útmutató 7.2 és/vagy 7.3-as pontjaiban kérünk kifejteni!

(SPF = a hőszivattyúval leadott éves hőenergia (kWh)/ az éves felvett elektromos energia (kWh)) η a teljes bruttó villamosenergia-termelés és a villamosenergia-termeléshez felhasznált elsődleges energia aránya, és az Eurostat adatok alapján megállapított EU átlagként kell kiszámolni, amit a Projekt Terv Útmutató 7.2 és/vagy 7.3-as pontjaiban kérünk kifejteni!”

A lehetséges és hatékony műszaki megoldást egy olyan tervezett példán mutatják be, amely a fürdők esetében a legtöbb esetben általánosnak ítélhető.

A hőszivattyús hulladékhő-hasznosító rendszer három fő részből tevődik össze:

  1. hulladékhőt (használt termálvíz) tároló puffer,
  2. hulladékhőt szállító csővezeték rendszer,
  3. hőszivattyús hőközpontok.

A hulladékhőt (használt termálvíz) tároló puffer

A tervezett gyógyfürdőben naponta rendszeresen nagy mennyiségű, átlagban 35 °C-os hőmérsékletű használt termálvíz keletkezik, amelynek energetikai hasznosítása nem megoldott.

A hulladékhő két részből tevődik össze:

  • A medencékből elfolyó használt 35 °C-os átlagos hőmérsékletű vízből és
  • a kinyert 50 °C-os, a felhasználáshoz túl magas hőmérsékletű termálvíz 10 °C-kal történő lehűtéséből.

A medencékből elfolyó használt 35 °C-os átlagos hőmérsékletű víz.

A hulladékhőt (használt termálvíz) tároló puffer méreteinek meghatározása a rendelkezésre álló használt termálvíz mennyiségéből és időbeli rendelkezésre állásából adódik.

A napi felfogható vízmennyiség:

Vízcsere: 143,0 m3/nap

Folyamatos gyógyvíz pótlás: 46,0 m3/nap

Gyógyászati rész melegvíz: 170,0 m3/nap

Összesen: 359,0 m3/nap

A rendelkezésre álló tömegáram: m1=4,15 kg/s

A kinyerhető elpárologtató oldali teljesítmény: Pe= 4,15 kg/s*4,2KJ/kgK*20K= 348 kJ/s (kW)

Ez tehát azt jelenti, hogy amennyiben 15 °C-ig hűtjük le a rendelkezésre álló termálvizet és a hőszivattyúk csúcsterhelésével számolunk (24 h üzemidő), akkor a rendelkezésre álló tömegáramú vízből 348 kW elpárologtató oldali teljesítményt nyerhetünk. Az elfolyó víz napi eloszlása azonban nem egyenletes. Emiatt az adott kapacitás kihasználásának feltétele egy megfelelően méretezett puffer tároló.

A tároló tartály folyamatos töltésére rendelkezésre álló plusz hőmennyiség

A város a strandfürdőn kívül egy gyógyfürdővel is rendelkezik, amely kútjának (B-65) főbb jellemzői a következők:

  • üzemi hozam: 800 l/p (13,3 kg/s),
  • üzemi kútfej hőmérséklet: 50 °C.

A kinyert 50 °C hőmérsékletű termálvíz hőmérséklete túl magas a közvetlen felhasználáshoz, ezt 10 °C-kal le kell hűteni.

Ennek alapján 800 l/min tömegáramú, 50 °C-os hőmérsékletű termálvíz áll rendelkezésre, amelyet 40 °C-ra kell hűteni. A levett hővel hőcserélőn keresztül folyamatosan fűtjük a tároló tartályt.

P = 13,3 kg/s*4,2KJ/kgK*10K= 558kJ/s (kW)

Az összes rendelkezésre álló elpárologtató oldali teljesítmény:

Pöelp=348 kW+558kW=906 kW

A használt termálvíz puffer tároló mérete

A puffer tároló méretezésénél figyelembe kell venni, hogy hetente 2 nap a medencékben vízcsere történik, ekkor az egész vizet leengedik, és a feltöltés ideje alatt (16h), a puffer tárolóban összegyűjtött termálvízen kívül sem hő, sem további elfolyó termálvíz nem áll rendelkezésre a hőszivattyúk üzemeltetéséhez.

A célszerű optimális méret 150 m3. Ezzel a tároló mérettel a várható 35 °C-os hőfokszintből az alkalmazott hőszivattyúk elpárologtató oldali paramétereinek figyelembevételével 4 fokozatban lehet kinyerni a hőt. Ezt úgy célszerű megvalósítani, hogy a hőszivattyúktól visszatérő víz egy útváltó szelepen keresztül vagy a tárolóba, vagy elfolyó csatornába kerül vissza.

Az útváltó motoros szelepet egy, a tárolóba épített hőmérőnek, illetve egy szintjelzőnek kell átváltani. Amíg a tároló hőmérséklete nem süllyed 20 °C-ra, addig (ekkor a csatornába elfolyó víz hőmérséklete 15 °C) a visszatérő víz a tárolóba kerül vissza, amennyiben a tároló szintje ezt megengedi. A hőmérséklet elérésekor nyit a motoros útváltó szelep, és az elfolyó vizet a csatornába enged (ábra).

Ezzel a megoldással a puffer tárolóban tárolt használt termálvíz 4 fokozatban történő lehűtésével valójában 600 m3 35 °C–20 °C közötti előremenő hőmérsékletű tápvíz áll rendelkezésre a hőszivattyúk üzemeltetéséhez.

A beépítendő hőszivattyúk tervezett elpárologtató oldali összes csúcsteljesítmény igénye: P= 489 kW.

A napi elpárologtató oldali termálvíz hőenergia igénye: a legnagyobb terhelésű, -5 °C-os (-15°C-os) átlag külső léghőmérsékletű napokon, amikor 16h-ig nincs hőutánpótlás (0,7-es egyidejűséggel) 8 órás fűtési üzemidővel számolva, a Q= 449 kW*8h= 3592 kWh.

A puffer tárolóban rendelkezésre álló hőenergia:

Q= 150 000 kg*4,2kJ/kgK*20K= 12 600 000kJ (3500 kWh)

Így azon a heti két napon, amikor 16h-ig nem áll rendelkezésre csak a tárolt vízmennyiség, teljes kapacitású - 5 °C-os (-15 °C-os) külső léghőmérséklet mellett közel 8 órás üzemet lehet a hőszivattyúkkal biztosítani.

A hulladékhőt szállító csővezetékrendszer

A csővezetékrendszernek az a feladata, hogy a tárolóban összegyűlt használt termálvizet a szükséges tömegáramban az egyes intézmények hőközpontjaiban elhelyezett hőszivattyúk elé beépített, szerelhető hőcserélőkhöz juttassák. A visszatérő vezeték a puffer tároló közelében elhelyezett háromjáratú útváltó szelepig, és onnét az elfolyó csatornáig kerül kiépítésre.

Mivel a hőmérséklet nem haladja meg a 35 °C-t ,a kedvező árú PE csövek alkalmazása lehetséges.

A csővezeték rendszer része a cirkulációs szivattyú és szabályzó rendszer. A szükséges tömegáram és nyomómagasság biztosítására inverteres (fordulatszám- szabályozott) kút búvárszivattyú alkalmazása történik (ábra).

A szerelhető hőcserélők előtt egy tömegáram szabályzó és záró szerelvény kerül beépítésre. A tömegáram szabályzó nyitását és zárását a hőszivattyú szabályzója végzi. Amikor a hőszivattyú leáll, akkor zárja a csővezetéket. Ezáltal nő a csőrendszerben a nyomás, és az inverteres búvárszivattyú kisebb fordulaton fog működni. Amennyiben minden hőszivattyú leáll, akkor a búvárszivattyú is megáll.

A hőszivattyús központok

A hőközpontok lehetséges kialakításai:
a) Az általánosan alkalmazott víz-víz rendszerű hőszivattyúkkal
b) A speciálisan magas hőmérsékletű elfolyó termálvizek közvetlen felhasználására és magas fűtési előremenő hőfokszintre (80 °C) alkalmas hőszivattyúkkal

a) Az átlagosan 35 °C-on elfolyó termálvíz hőjének hasznosítása az intézményeknél az általánosan alkalmazott víz-víz rendszerű hőszivattyúkkal erősen korlátozott lehetőségeket biztosít.

Egyrészről korlátozó tényező, hogy a legmagasabb fűtési előremenő hőmérséklet 60 °C, ami a jelenlegi magas hőmérsékletű 80 °C/60 °C fűtési hőfoklépcsőre tervezett meglévő fűtési rendszer teljeskörű, monovalens kiszolgálásához nem elégséges. Ebben az esetben bivalens fűtési rendszer megvalósítására lenne szükség, amellyel így a rendelkezésre álló magas entalpiájú elfolyó termálvizet lényegesen kisebb üzemidőben tudnánk hasznosítani, és a rendszer megújuló energiára vetített beruházási költsége jelentős mértékben növekedne.

Ennél is nagyobb probléma, hogy a víz-víz rendszerű hőszivattyúk 20 °Cnál magasabb elfolyó vizet közvetlenül nem tudnak hasznosítani, ezért előtét hőcserélő alkalmazásával a 35 °C-ról 20 °C-ra kellene konvertálni a termálvíz hőfokszintjét. Ennek következménye azonban az, hogy a pillanatnyi COP=3,4 értéket a 60 °C-os kimenő fűtési hőmérsékleten nem lehet túlszárnyalni, ami így erőteljesen csökkenti a hőszivattyús rendszer megújuló energia tartalmát, és a megújuló energia tartalomra vetített fajlagos beruházási költséget.

Egy ilyen rendszerrel a max. 62 °C/56 °C–fűtési hőfoklépcsőre az átlag 30 °C-os tápvízből COP=3,4, az 50 °C/45 °C–fűtési hőfoklépcsőre COP=5,1 értéken tudja felfűteni. Ez azt jelenti,hogy a max. 62 °C-os fűtési hőfoklépcsőnél az elérhető SCOP≤ 4,5.

b) Ebben a variációban az intézmények magas hőmérsékletű radiátoros fűtési és HMV rendszereinek hőellátására speciálisan magas hőmérsékletű elfolyó termálvizek közvetlen felhasználására és magas fűtési előremenő hőfokszintre (80 °C) alkalmas hőszivattyúk kerülnének beépítésre.

Ezen hőszivattyúk sajátossága, hogy a rendelkezésre álló ~35 °C-os elfolyó termálvizet 80 °C/72 °C fűtési hőfoklépcsőre COP=3,3 értéken tudja felfűteni. Az 50 °C/40,5 °C fűtési hőfoklépcsőre COP=6,9 értéken.

Jelen esetben azonban a tároló hőfoka folyamatosan 20 °C-ig csökken, emiatt az átlag∼15 °C-os elfolyó termálvizet 80 °C/72 °C fűtési hőfoklépcsőre COPátlag=3,1, az 50 °C/40,5 °C fűtési hőfoklépcsőre COP=6,6 értéken tudja produkálni. Ez azt jelenti, hogy a külső hőfokszint alapján szabályozott fűtési rendszer várható hatékonysága: SCOP=5,4

Mint az a fentiekből látható, a speciálisan hulladékhő tartományra tervezett hőszivattyúval max. 80 °C-os fűtési előremenővel is SCOP=5,4 a várható érték, míg a standard víz-víz hőszivattyúval max. 62 °C-os fűtési előremenőnél is csak 4,5. Emiatt mindenképp a „b” variáció megvalósítása a célszerű megoldás.

Fő berendezések és jellemzőik

A hulladékhő hasznosító rendszer legfőbb elemei a speciálisan a magas entalpiájú elfolyó termálvízre és magas fűtési hőmérsékletre tervezett hőszivattyúk.

A magyar fejlesztésű és gyártású Vaporline® GWT(75;150;200;300)-H hőszivattyúk főbb jellemzői:

  • Kétfokozatú kivitelezése és teljesítményszabályozása lehetővé teszi a részterhelésű üzemet.
  • Nagyobb rendszerek esetén max. 15 db hőszivattyú vezérgépes, kaszkád kapcsolása is lehetséges (4,5 MW-os rendszer).
  • A mikroprocesszoros hűtőkör szabályozás – a magas COP értékek mellett – biztosítja a stabil kimenő teljesítményt, így a legmagasabb SPF értékeket.
  • Az időjárás függvényében vezérelt digitális szabályzó berendezése biztosítja a leghatékonyabb üzemet, valamint a monitoring és védelmi funkciókat. Nagy egységteljesítmény, kis fajlagos költség.
  • Alkalmas magas hőfok igényű fűtési rendszerek, meglévő intézmények, kórházak, mosodák, éttermek fűtési, légtechnikai és HMV ellátására.
  • Az elérhető maximális fűtési előremenő hőfok 82 °C.
  • Alkalmas 20 °C-46 °C hőfok közötti hulladékhő (termálvíz) közvetlen hasznosításához magas COP értéken.

A műszaki adatokat az 1. táblázat tartalmazza.

A tervezett hőközpontok fő paraméterei

Jelen esetben a vizsgálat tárgya 5 db önkormányzati intézmény gázkazános fűtési rendszerének kiváltása az elfolyó termálvízre alapozott hőszivattyús rendszerrel.

Az összesített fűtési teljesítmény igény: 521 kW

A beépített hőszivattyúk átlagos fűtési teljesítménye: 626 kW

A beruházás számított összköltsége:1 127,9 milliárd Ft

A tervezett évi fűtési és HMV energia bevitel a hőszivattyús rendszerrel: 784 142 kWh.

Az egyes hőközpontok részletezett teljesítmény adatai a 2. táblázatban láthatók.

A hőszivattyús rendszer SCOP értéke

A hőszivattyús rendszer puffer tartályában a hét 5 napján folyamatos a hőutánpótlás. Ezen az 5 napon a 35 °Cos termálvíz lehűtése egy lépcsőben történik.

Az 50-80 °C fűtési előremenő hőmérsékletek között a külső hőmérséklet függvényében szabályozott hőszivattyús rendszer átlagos értéke SCOP=5,6. A hét 2 napján a vízcserék ideje alatt hőutánpótlás nem áll rendelkezésre. Ekkor a 150 m3-es tárolóban tárolt vizet hűtjük le egészen 20 °C-ig. (3 lépcsős lehűtés). Az 50-80 °C fűtési előremenő hőmérsékletek között a külső hőmérséklet függvényében szabályozott hőszivattyús rendszer átlagos értéke SCOP=5,0.

A fentiek alapján a hőszivattyúk várható értéke: SCOP=5,4. Amennyiben a primer oldali cirkulációs szivattyú rontó hatását is beszámítjuk, akkor a komplett hőszivattyús rendszer várható értéke: SCOP=5,2.

Az SPF > 1,15 * 1/η adottságú hőszivattyú kritériumnak a tervezett hőszivattyúk megfelelnek, így az ERES = Qhasznos * (1–1/SPF) képlet alkalmazásával a rendszerek megújuló energia tartalma számítható.

Az épületbe a hőszivattyús rendszerrel bevitt hőenergia megújuló energia tartalma:

ERES = 784 142kWh*(1-1/5,2)=633 345 kWh (2280GJ). A rendszer számított évi energiamegtakarítása 12 547 120 forint.

A megújuló energiára vetített fajlagos beruházás költsége: 202,0 forint/kWh.

Megállapítható, hogy az elfolyó termálvizeinket a jelenlegi hőszivattyúkkal hatékonyan fel lehet használni az épületek hőenergia ellátásához, akár magas fűtési hőfokszinten is. Ezzel jelentős mennyiségű megújuló energiát termelünk, kedvező fajlagos beruházási költséggel. Emellett jelentős mértékben csökkentjük a környezetünk hőterhelését is. Napelemes kiegészítéssel a megtakarítás és a megújuló energia tartalom tovább bővíthető.

 

1A feltételezett városközpontban fektetendő termálvíz vezetékpár, a hőközpontok és a tervezés költsége.

Ábra. A hőszivattyús rendszer kapcsolási sémája
1. táblázat. A hőszivattyúk paraméterei
2. táblázat. A hőszivattyús hőközpontok teljesítmény paraméterei

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