belépés / regisztráció
2019. december 13. péntek
Aktuális lapszám

Hőszivattyús rendszer tervezése a gyakorlatban II.

A cikk előző részében1 bemutattam a Pécsi Vérellátó épületének eredetileg tervezett hőszivattyús rendszerét, illetve azokat a tervezési hiányosságokat, amelyek alapvetően befolyásolhatják a hőszivattyús rendszerek hatékonyságát, a beruházási költséget, így az ár/érték arány alakulását. A fentieken túl említést tettem a rendszer áttervezéséről, és ennek megfelelően egy alternatív hőközpont és szondarendszer kialakításáról, amely nem tartalmazza az eredeti rendszer tervezési hiányosságait.

 

Az áttervezett hőközpont kialakítása

A hőszivattyús hőközpontok kialakításánál elsődleges szempont az egyszerűségre törekvés a lehetséges legnagyobb SCOP (SPF) érték elérése mellett. A feleslegesen sok szabályzó útváltó és keverőszelep, valamint hőcserélők beépítése mind csökkentik a hőszivattyús rendszerrel elérhető SCOP értéket. Ezt akkor tudja egy tervező megvalósítani, ha az ellátandó feladatra alkalmas hőszivattyút választ.

Jelen esetben az ellátandó feladat az épület téli fűtése, nyári aktív hűtése2, valamint a HMV ellátása.

A HMV kiegészítésre egy falikazánt is beépítettek a hőközpontba.

Az előző cikkben már volt arról szó, hogy a feladatra 1 db Vaporline® GBI96-HACW típusú multifunkciós hőszivattyút terveztek be, illetve építettek be, amely a fűtés és az aktív hűtés mellett a desuperheaterrel a HMV ellátását az üzemidő 70-80%-ában képes biztosítani (1. ábra).

A multifunkciós, reverzibilis körfolyamatú hőszivattyúk esetében a körfolyamat átváltása, valamint a HMV előállítása közvetlenül a hűtőkörben, a hőszivattyún belül megy végbe, és nem külső, opcionálisan illeszthető útváltó szelepek és hőcserélők rendszerbe illesztésével.3

A feladatra megfelelő hőszivattyú választás következménye, hogy egy egyszerű kapcsolási sémájú hőközpontot lehetett kialakítani (2. ábra).

A tervezett fűtési puffer tartály Heizer 1000 lit.-s. A bekötés a 1-2. ábrának megfelelően történt. A hőszivattyú kondenzátor oldali kimeneténél beépítették a DN50-es négyutú (ESBE) motoros útváltó szelepet. Ennek feladata, hogy hűtési üzemmódban az elpárologtatót ellenáramúvá tegye, és ezzel az elpárologtató hatékonysága a hűtési üzemben növekedjen. Az útváltó szelep működése automatikus, a tél/nyár kapcsoló átváltására működik.

A szondaoldalon a tágulási tartályt közvetlenül a cirkulációs szivattyú szívó oldalára kötötték be, így a rendszer nyomott, ami csökkenti a szondák levegősödésének veszélyét.

Az eredeti tervben4 a tágulási tartály a lehető legrosszabb helyen, a hőszivattyú után, a cirkulációs szivattyú nyomó oldalán lett betervezve. Ennek következménye, hogy a szondarendszer szívott, és ez nagy valószínűséggel üzemeltetési gondokat okozott volna.

A szondaoldalra beépítettek egy mikrobuborék leválasztót, amely elősegíti a hőszivattyús rendszer üzemzavar mentes működését.

Fűtési üzemmód

A belső fűtési tervek alapján a tervezett legmagasabb fűtési előremenő hőmérséklet 50 °C, 112 kW maximális fűtési teljesítményigény mellett.

A kiválasztott hőszivattyú paraméterei a tervezett legnagyobb terhelés mellett

Ahhoz, hogy a kiválasztott hőszivattyú paramétereit a legnagyobb terhelésre ki tudjuk választani, meg kell határoznunk a legnagyobb terhelésnél (legalacsonyabb külső léghőmérséklet) megengedhető legalacsonyabb, szondából feljövő folyadékhőmérsékletet.

Ez a tervező által meghatározandó folyadékhőmérséklet a szondatervezés egyik legfontosabb paramétere.

Megjegyzem, hogy a tervek többségében sajnos nem a legnagyobb terhelésre vonatkozóan adják meg a hőszivattyúk paramétereit, hanem a szabványos 0 °C/35 °C hőfokszintre, amely valójában értelmezhetetlen egy terven belül. A tervezők a szondatervezést sok esetben szondatelepítő szakcégekre bízzák, holott az alapvető kritériumot, a megengedett legalacsonyabb folyadékhőmérsékletet mindenképp a rendszertervezés első fázisában kellene meghatározni, és ebből kiindulva meghatározni a legnagyobb terhelésnél jelentkező hőszivattyú paramétereket, majd ennek alapján elkészíteni a szondatervet.

  • A legalacsonyabb folyadékhőmérséklet megválasztása alapvetően meghatározza a szükséges szondaszámot az adott területen, valamint a rendszerrel elérhető SCOP (SPF) értéket.
  • Mind magasabb folyadékhőmérsékletet írunk elő, annál nagyobb szondaszámra lesz szükség, erőteljesen nő a beruházási költség, de növekedni fog a rendszer SCOP (SPF) értéke is.
  • A minimálisan megengedett folyadék hőfoknak ár/érték optimuma van, amely az adott talajviszonyoktól is függ. Magyarországi viszonyok között optimális 3 °C-5 °C között megválasztani a folyadékhőmérséklet minimumát. Jelen esetben a szondarendszer tervezett legalacsonyabb feljövő folyadék hőmérséklete 4,5 °C5.

A megválasztott, minimálisan megengedett folyadékhőmérséklet alapján meghatározhatók a legnagyobb terhelésnél jelentkező hőszivattyú paraméterek, amennyiben rendelkezésre áll egy részletes teljesítmény táblázat, vagy jelleggörbe a maximálisan megkövetelt 50 °C-os fűtési előremenő hőfokszintre (3. ábra).

  • A tervezett 50 °C-os fűtési, 4,5 °C-os bemenő folyadék hőfokszinteken a Vaporline hőszivattyú kimenő teljesítménye 107 kW.6
  • A legnagyobb terhelésnél (-15 °C külső léghőmérséklet) a pillanatnyi COP (4,5 °C/50 °C)=3,7 (3. ábra)

A kiválasztott hőszivattyú paraméterei a tervezett legkisebb terhelés mellett

A hőközpont fűtési előremenő hőmérsékletének szabályozása a külső hőmérséklet függvényében 0 °C/35 °C között történik. A legkisebb terhelésnél (0 °C feletti külső léghőmérséklet) a hőszivattyúk tervezett működési óraszáma 2-8h/nap. Ekkor a szondák hőterhelése minimálisra csökken, ennek megfelelően emelkedik a szondahőmérséklet. Az emelkedés mértéke sok tényező függvénye, így az átlagértékének meghatározása a szondatervezés során lehetséges.

  • A legkisebb terhelésnél (0 °C feletti külső léghőmérséklet) a pillanatnyi COP (10/35 °C)=5,4.
  • Ennek megfelelően a hőszivattyú prognosztizált számított SCOP (SPF) értéke a hőszivattyúra és földoldali cirkulációs szivattyúra vonatkoztatva az SCOP=4,57
  • A puffertartály és a hőszivattyú közé Grundfos Magna 50-120F cirkulációs szivattyú beépítése történt.

Hűtési üzemmód

Hűtési üzemmódban a legmagasabb lemenő Szonda (folyadék) hőmérséklete 30 °C-ra lett tervezve. A hűtési óraszámok alakulását a belső hőfejlődés figyelembevételével az átlagtól lényegesen magasabb 660h/a értékben határoztuk meg. Az egész óraszámra vonatkozóan, de: 8hdu. 8h-ig tartó időszakra az átlagos hűtési teljesítmény nagyságát is jelentősen növeltük (60 kW). A szondatervezést e paraméterek alapján végeztük.

A 4. ábra alapján látható, hogy a Vaporline hőszivattyú kimenő hűtési teljesítménye a 7/30 °C -os hűtési/talaj hőfokszinten 98,4 kW.8

A HMV üzemmód

A hőszivattyú működése közben a teljesítménye 15%-ában HMV-t készít, ha erre szükség van, illetve a HMVtárolóba épített hőmérsékletérzékelő ezt kéri. A HMV cirkulációs szivattyú be van építve a hőszivattyúba, amelyet a beépített Carel szabályzó indít, illetve állít meg, a tartály hőfokérzékelője alapján.

A HMV előállítása a hőszivattyúba közvetlenül a kompresszor után beépített elsődleges cső a csőben hőcserélővel (desuperheater) történik. Ez a hőcserélő a hűtőkörfolyamat túlhevítési hőjét használja HMV előállítására. Egyik előnye, hogy nyáron az épületből elvont hő 15%-ából ingyen HMV-t állít elő max. 60 °C-os hőmérsékleten. Emellett a leghatékonyabb és legmagasabb hőfokszinten működő HMV előállítási mód.

A szondatervezés

A szondaterv elkészítéséhez elsőként ismert paraméter az általunk előírt 4,5 °C-os legalacsonyabb szondafolyadék hőmérséklet. A továbbiakban, az adott területen ismerve a talaj- és kőzetviszonyokat, a talaj konduktivitás értékét, az átlagos talajhőmérsékletet, valamint az összes szükséges paramétert9, a GLD design tervező programmal meghatározásra került a szükséges szondahossz az adott területen, valamint elvégeztük a hosszú távú termikus hatáselemzést is.

A bevitt paraméterek értékei az 5. ábra „input parameters” táblázataiban követhető nyomon.

A tervben megadott paraméterek és a külső léghőmérsékleti adatok alapján az adott területen 18 db 70 m mélységű szondával lehet ellátni a tervezett fűtési és hűtési igényeket úgy, hogy a szonda hőmérséklete fűtésnél ne sülylyedjen átlagban 4,5 °C alá, és az évi SCOP=4,5 érték megvalósuljon (lásd: 4. ábra System COP).

Hűtés esetén pedig a talajhő ne emelkedjen 30 °C fölé és az átlagos SEER=4,5 körül alakuljon.

A rendszerben tartalékok vannak, hiszen a talajhőt fűtési üzemmódban akár -2 °C-ig le lehet engedni, ez pedig a tervezetthez képest lényegesen nagyobb évi kWh energiamennyiség kivételét biztosítja.

Hűtési üzemmódban, amennyiben a jelentősen megnövelt terhelésnél is nagyobb terhelés érné a rendszert, a talajhő a tervezett max. 30 °C-ról akár 50 °C-ig is felmehetne és még ebben az esetben is működőképes a rendszer.10

Összegzés

Az ismertetett mintapélda remélem, segíti a hatékony hőszivattyús hőközpontok tervezését, mert a komplex (hőközpont, szondarendszer) tervezés elengedhetetlen.

Az ismertetett tervezési hibák és tervezési mintapéldák közreadása azért fontos, hogy ezzel segítsünk a mérnök kollégáknak abban, hogy minél jobb és hatékonyabb hőszivattyús rendszereket tudjanak kialakítani.

Nem cél bármely tervező kolléga munkájának bírálata, hiszen érzékelhető, hogy ezt a sajátos, perifériális, de annál mélyebb technikai ismereteket igénylő hőszivattyús rendszertervezést sehol sem oktatják megfelelő szinten. Ennek oka nagyrészt az lehet, hogy a tervezési problémák egy jelentős részét csak azok a mérnökök tudják átlátni, akik bizonyos szintű készüléktervezési tapasztalatokkal is rendelkeznek. Ez általánosságban nem elvárható, és ezt a rést, űrt szeretném szerény lehetőségeimmel, cikkeimmel csökkenteni, tapasztalataimat átadni azon kollégák számára, akik ezt elfogadják.

Irodalomjegyzék

1Magyar Installateur 2014./8-9., 18-19 old.
2A beépített technológia miatt a szokásosnál intenzívebb a hűtési igény
3A forgalomban lévő hőszivattyúk legtöbbje sajnos nem multifunkciós
4Magyar Installateur 2014./8-9., 18. old. 1. ábra
5Lásd: 5. ábra szondaterv „Unit inlet (°C)
6A 3. ábrából interpolálással meghatározható a tervezett 4,5 °C/50 °C hőmérsékletnél adódó fűtési teljesítmény és COP.
7Lásd: 5. ábra szondaterv „system COP”
8Az előzőleg tervezett hőszivattyúk hűtési teljesítménye: 90,6 kW
9Lásd: Magyar Installateur 2013./5., 30-33. old.: „A zárt szondás hőszivattyús rendszerek tervezése IV”
10A szondacsövek védelme érdekében ezt a hőmérsékletet nem szabad meghaladni

***

1. ábra. A hőközpont kapcsolási sémája
2. ábra. Hőközponti alaprajz

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