belépés / regisztráció
2020. december 2. szerda
Aktuális lapszám

Hőszivattyús rendszer tervezése a gyakorlatban I.

Korábban megjelent cikkeimben részletesen foglalkoztam a hőszivattyú tervezés egyes elemeivel – hőszivattyú kiválasztása, zárt szondás rendszer tervezése –, azért hogy segítséget nyújtsak a rendszereket tervező mérnök kollégák számára. Igyekezetem ellenére az információ sok szakmabelihez nem jut el, és a gyakorlatban továbbra is olyan tervezési hibák fordulnak elő, és így sokszor olyan rendszerek valósulnak meg, amelyek nem használnak a hőszivattyús rendszerek megítélésének.

 

A hőszivattyús technika sikeres, hatékony alkalmazása felkészültséget, széleskörű épületgépészeti ismeretet igényel azoktól a szakemberektől, energia tanácsadóktól, tervezőktől, akik a megrendelőkkel kapcsolatba kerülve hőszivattyús rendszereket ajánlanak a lakó-, intézményi, ipari, mezőgazdasági épületek, uszodák fűtési-hűtési HMV igényeinek biztosítására.

Be kellene látnunk, hogy a földhő hasznosítása érzékeny és igényes terület, ahol a beruházók nagyon odafigyelnek a valós hatékonyság és a beruházási költség alakulására. Míg egy gázkazános rendszer kialakításánál és felújításánál jóformán érdektelen dolog a beruházási költség és a hatékonyság alakulása, valamint megtérülési időt sem számolunk, addig egy hőszivattyús rendszernél mindent mérni és dokumentálni kell, illetve megtérülési időket is számolunk.

Mindez rendben is van, ugyanis ha rendelkezésünkre áll egy nagyszerű technika, abból a legtöbbet kell kihoznunk, hiszen a valós célt, környezetünk károsanyag-terhelésének minimalizálását csak így tudjuk biztosítani. Számomra szomorú dolog, hogy a jelenleg rendelkezésre álló EU-s pénzekből, amelyeket eddig hőszivattyús rendszerek kiépítésére fordítottunk, másfélszer több, jó kihasználtságú, hatékony hőszivattyús rendszert lehetett volna kiépíteni. Hogy ez nem így történt, az a mi, azaz a tervezőmérnökök felelőssége, ugyanis a tervezők feladata, hogy a legmegfelelőbb, leghatékonyabb, költségkímélő, üzembiztos hőszivattyús rendszer kialakításokat, megoldásokat, hőszivattyúkat alkalmazzák az adott feladat elvégzésére.

A hőszivattyús rendszer elemei:

  • hőszivattyú,
  • hőnyerési rendszer,
  • hőközponti elemek,
  • belső hőleadók,
  • szabályozás.

Ahhoz, hogy hatékony, a megrendelő igényeit kielégítő hőszivattyús rendszert tervezzünk, és ne legyünk egy hőszivattyú forgalmazó saját érdekeinek kiszolgáltatva1, a fenti elemek hőszivattyús szempontból történő kiválasztására, összhangjára van szükség. Csak önálló gondolkodással, tervezői szemlélettel lehet hatékony hőszivattyús rendszereket tervezni, törekedve a legegyszerűbb megoldásokra.

Gyakori eset a hőszivattyús rendszerek túlbonyolítása, felesleges elemek tömegének – hőcserélők, szabályzó elemek, túlzott szondamennyiség stb.– betervezése, amely sem költség, sem hatékonyság szempontjából nem célszerű. A legtöbb esetben erre azért van szükség, mert a feladatra igyekeznek illeszteni egy arra alkalmatlan hőszivattyús készüléket, és ezt csak egyébként felesleges elemek beépítésével tudják megvalósítani. Emiatt nagyon lényeges, hogy a feladatra megfelelő hőszivattyút válasszunk, és ne akarjuk a feladatra egyébként nem a legalkalmasabb hőszivattyút erőltetni.

A hőszivattyú kiválasztásának szempontjai:

  • a számított, maximális fűtési-hűtési teljesítmény igény,
  • az alkalmazni kívánt hőfokszint,
  • az ellátandó funkciók,
  • a HMV-előállítás,
  • a hőszivattyú szabályzása.

Az alábbiakban a Pécsi Vérellátó hőszivattyús rendszerének áttervezése, kivitelezése és beüzemelése alapján mutatom be a rendszer tervezésének általam optimálisnak ítélt metódusát, valamint az előzetes tervezés közben elkövetett „apró” hibát, amely indokolttá tette az áttervezés szükségességét, és annak kijavítását.

Az előzetes terv

Az épület hőtechnikai számítását, a hőszivattyús hőközpontot, a belső hőleadó rendszert egy független tervező cég megtervezte. A kivitelező cég felkérésére alternatív ajánlat készült a hőszivattyús rendszer áttervezésére és a hőszivattyús rendszer komplett kivitelezésére. A feladat része volt a szondarendszer áttervezése az új típusú hőszivattyú igényének megfelelően.

A vérellátó hőszivattyús rendszerének tervezett paraméterei:

  • A hőszivattyúval fűtendő épület számított maximális hővesztesége: 112 kW
  • A hőszivattyúk összehasonlítására alkalmas és a szondatervezésnél fontos pillanatnyi COP értéket COP=4,1 értékben határozták meg.
  • Az összes tervezett hűtési kapacitás 7 °C/35 °C hűtési hőfokszinten: 90,6 kW.

A fenti feladatok ellátására 2 db reverzibilis, a megnevezés és típusszámok alapján azonosíthatóan víz-víz hőszivattyút terveztek be, 18 db 100 m-es szondával.

Víz-víz hőszivattyú választás szondás üzemmódra

A víz-víz hőszivattyúk választása szondás üzemmódra alapvetően helytelen, elfogadhatatlan megoldás.

Az előzetes terv alapján a hőszivattyúkkal 112 kW max. fűtési teljesítményt kellett volna biztosítani COP=4,12 értéken.

A folyadék-víz hőszivattyúkat úgy tervezik, hogy az elpárologtató oldalon legalább -7 °C-ig fagyállósított víz kering a szondákban és a hőszivattyú elpárologtatójában. Ezáltal lehetővé válik, hogy a talajból feljövő víz hőmérsékletét akár -1, -3 °C-ig is leengedjük.

A gyárilag víz-víz felhasználásra tervezett hőszivattyúk elpárologtatóba bemenő vízhőmérsékletét azonban +5 - 6 °C alá nem lehet engedni, mert ekkor az elpárolgási hőmérséklet 0 °C alá csökkenhet, és elfagyhat az elpárologtató.3

A fentiekből következően más-más a folyadék-víz, illetve víz-víz hőnyerési módú hőszivattyúk gyárilag tervezett működési tartománya.

A folyadék-víz hőszivattyúknál a COP érték maximalizálása miatt a gyártók általában nem tervezik kihasználni a kompresszor adta lehetőségeket, vagyis az elpárologtató oldalon a maximális bemenő vízhőmérséklet 10-16 °C között maximalizált (1. ábra).

A fentiekből következően, amennyiben a víz-víz hőszivattyút a tervezettnél alacsonyabb hőfokszinten működtetjük (szondás rendszer), a megengedett érték alá süllyedhet a csövekben a hűtőközeg sebessége és olaj visszahordási problémák léphetnek fel. Ez pedig hosszabbrövidebb távon kompresszor meghibásodást idézhet elő.

Az előterv vizsgálatakor felmerült az a kérdés is, hogy a tervezett földhő hőfok szintjén, és az elpárologtató oldalon legalább -7 °C-ig fagyállósított víz alkalmazása esetén4 milyen értékű lesz a hőszivattyú kimenő fűtési teljesítménye és COP értéke, hiszen a hőszivattyú kiválasztást és szonda méretezést ezen paraméterek alapján lehet megfelelő módon elkészíteni.

A tervezők a gyár által kibocsátott egyetlen hőfokszintre (10 °C/45 °C) vonatkozó paramétereket adták meg terveikben, amely paramétereknek így a jelenlegi alkalmazásban nem volt valós tartalma.

A kérdés az, hogyan lehet ezen paraméterekből megfelelő módon kiválasztani a hőszivattyút szondás alkalmazásra? A válasz erre egyértelműen az, hogy nem lehet! A választást mindig a legnagyobb terhelési szinten mutatott teljesítményre kell elvégezni! Ez azt jelenti, hogy amennyiben a legnagyobb terhelésnél a talaj hőfokát 4 °C-ra5 tervezzük leengedni, és ekkor 50 °C a fűtési előremenő hőfok igénye, akkor a hőszivattyú teljesítményét és COP értékét értelemszerűen 4 °C/50 °C folyadék-víz hőmérsékletre szükséges megadni!

Az előtervben szereplő hőszivattyús rendszer valószínűsített paraméterei

Az előtervben betervezett hőszivattyúkban alkalmazott kompresszorok paramétereiről a gyári kiválasztó program és hőszivattyú tervezési ismeretek birtokában megállapítható, hogy az optimálisnak tekinthető minimális földhő hőfokszinten (4 °C /50 °C) a hőszivattyúk valós kimenő teljesítménye 20 kW-al kevesebb, mint a tervezett. Az összehasonlításra alkalmas COP (4 °C/50 °C)=3,5.

A paraméterek kalkulációjánál az elpárologtató oldali fagyálló alkalmazásának rontó hatása gyári információk6 hiányában nincs figyelembe véve.

Nyomásvédelem

Az alkalmazni kívánt víz-víz hőszivattyúk alacsony oldali nyomásvédelmeit is a megengedhető legalacsonyabb értékre kalibrálta be a gyártó az elfagyás megakadályozása miatt. Ennek az értéknek víz-víz hőszivattyúknál a 0 °C-os elpárologtató hőmérsékletnek7 megfelelő nyomásértéknek kell lennie. Ez az érték azonban szondás rendszerhez túl magas, hiszen itt a szélső érték -7 °C.8

A hőszivattyús rendszer áttervezése

A hőszivattyús rendszer fentebb leírt szempontok szerinti áttervezésével az előterv alább részletezett hiányosságait kellett kiküszöbölni:

  • Téves csúcsteljesítmény meghatározás. A pontos kimenő fűtési teljesítményt a földhő hőfokszintjén ez esetben csak a gyártó tudta volna megadni az alkalmazott kompresszor, és a vele összhangban működő elpárologtató és kondenzátor típusának, paramétereinek ismeretében.
  • Téves COP érték meghatározás. Sajnálatos, hogy a hőszivattyúról fellelhető gépkönyv csak egy hőfokszintre ad COP értéket. Ez szondás rendszer tervezéséhez, a várható SCOP érték prognosztizálásához elégtelen. Legalább 3 hőfokszint adataira van szükség. A készüléktervezői ismeret, amellyel jó megközelítéssel lehet számítani adott hőfokokon a COP értéket, nem elvárható az alkalmazó mérnök kollégáktól.
  • Az SCOP érték prognosztizálás hiánya. A műszaki leírás nem tartalmazta az SCOP prognosztizációt, de a helytelen kiindulási adatok miatt ennek számítása megfelelő módon nem volt lehetséges.
  • Az alkalmazott hőfoktartományban részlegesen vagy egyáltalán nem működő hőszivattyús rendszer, túlzott kisegítő fűtés igény. Ahhoz, hogy egy víz-víz hőszivattyú működőképes maradjon – a nyomásvédelem ne tiltson le – a talajhős alkalmazáskor, az elpárologtatóba bemenő folyadék hőfokát min. 6-8 °C-on kell tartani. Ahhoz, hogy a szondákban a folyadék a legnagyobb terheléskor se hűljön ezen értékek alá, lényegesen több szondára van szükség. Olyan területeken, ahol gyengébb a gradiens, valamint a talaj hővezető képessége, a folyamatos működés feltételei ilyen paraméterekkel nem biztosíthatók.
  • Rossz éves kihasználtság. Az esetleges letiltások miatt a következmény nagyobb terheléseknél a kisegítő fűtés alkalmazása, amely rontotta volna a hőszivattyús rendszer éves kihasználtságát.
  • Nagy fajlagos beruházási költség. A nagyobb szondarendszer kiépítése, a kihasználtság csökkentése, irreálisan hosszú megtérülési időt eredményezett volna.

A hőközpont kialakítása

Az eredetileg tervezett 2db 150V típusú hőszivattyú kiváltására a beépítendő hőszivattyú 1 db Vaporline® GBI96-HACW, amely a fűtés mellett, a desuperheaterrel a HMV-ellátásra is rá tud segíteni, valamint alkalmas aktív hűtésre 7/12 °C hűtési hőfoklépcsővel (2. ábra).

Célszerűtlen volt két hőszivattyú alkalmazása, hiszen a kondenzációs hőfokszint az előtervben is azonos. A betervezett GBI96-HACW hőszivattyú emellett két kompresszoros, így az üzembiztonsága nem kisebb az előtervben szereplő hőszivattyúkkal összehasonlítva. Ezzel azonban szerelvények, cirkulációs szivattyúk és hőszivattyú költségek takaríthatók meg, amellyel a rendszer megtérülési ideje jelentősen javul.


1Gyakori eset, hogy egy forgalmazónak elkötelezve, a tervezett projektre közvetlenül tőle kérnek árajánlatot, amely sok esetben azt okozza, hogy nem a rendszer igényeinek hatékony kielégítésére keresnek megfelelő hőszivattyút, hanem az adott hőszivattyút igyekeznek az igényekhez igazítani, sokszor komoly veszteségek árán!
2A COP=4,1 érték önmagában értelmezhetetlen, amennyiben nincs megadva az értelmezési hőfok. Jelen esetben valószínűsíthetően ez a gyári táblázati értéket tartalmazza, amely 10 °C/45 °C hőfokszintre vonatkozik. Ez a víz-víz hőszivattyúkra vonatkozó szabványos érték. Ebben a szondás alkalmazásban ez értelmezhetetlen adat.
3Az elpárologtató szétfagyása a hőszivattyút totálkárossá teszi, mert a rendszerbe került víz a kompresszort is tönkreteszi.
4Az elpárologtató oldalon a fagyálló alkalmazása megváltoztatja az adott hőfokon az elpárologtató által felvett teljesítmény nagyságát, és így a kimenő fűtési teljesítményt és pillanatnyi COP értékét.
5Ezt a hőmérsékleti értéket szondatervezésnél mindig a tervezőnek kell meghatároznia! Nagyobb hőfokszint több szonda igényt eredményez nagyobb költséggel. Jelen esetben is valószínűsíthetően ez vezetett túlzott szondaszám alkalmazásához.
6Az elpárologtató típusa, mérete nem ismert.
7Ehhez min. 5-6 °C-os bemenő vízhőmérséklet tartozik, az elpárologtató méretezésétől függően.
8Erre az értékre fagyállósítjuk a szondákban keringő folyadékot is, és ehhez az értékhez -1, -2 °C-os bemenő folyadék hőmérséklet tartozik.

***

1. ábra.
2. ábra. Vaporline® GBI96-HACW hőszivattyús hőközpont

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