Hőszivattyús rendszerek vertikális, zárt hurkú szondarendszerrel

• 
• 

Részletek

2008. július 01. kedd, 00:00

 

Saját és beruházói tapasztalatok alapján mondhatom, hogy sok esetben a hõszivattyús rendszerek gyári katalógusokban megjelenõ COP-értéke és a megvalósulás átlagos COP-értéke között szakadék húzódik.

Az igény azonban, amely a hőszivattyús rendszerek kiépítésénél a mind magasabb COP-értékek irányába hat, erősödik, illetve erősödni fog, nemcsak nálunk, de az EU-ban is, hiszen ez összhangban van a környezetvédelmi szemlélet változásával. Jelenlegi írásomban ebből a stratégiai szemléletből kiindulva kívánok megfogalmazni olyan általános műszaki irányelveket, amelyek azokat az igényeket helyezik előtérbe melyeket a hőszivattyúk – mind magasabb COP-érték irányába ható – alapvető követelményei határoznak meg.

A hőszivattyúk követelményeiből kiinduló tervezés és kivitelezés, mint látni fogjuk, egyes esetekben megszokottól alapvetően eltérő megoldásokat (pl. a belső fűtés szabályozása) kívánnak meg mind a tervezőtől, mind a kivitelezőtől.

A vertikális, zárt hurkú szondarendszer kiépítése

A Kárpát-medence, de különösen Magyarország területe alatt a földkéreg az átlagosnál vékonyabb, ezért hazánk geotermikus adottságai igen kedvezőek. A Föld belsejéből kifelé irányuló hőáram átlagos értéke 90–100 mW/m2, ami mintegy kétszerese a kontinentális átlagnak. Az egységnyi mélységnövekedéshez tartozó hőmérséklet-emelkedést jelentő geotermikus gradiens átlagértéke a Földön általában 0,020– 0,033 °C/m, nálunk pedig általában 0,042–0,066 °C/m. A fenti termikus adottságok miatt nálunk 1000 m mélységben a réteghőmérséklet eléri, sőt meg is haladja a 60 °C-t. A fenti értékek és lehetőségek az EU-átlagtól lényegesen különbözőek. Emiatt minden alap megvan arra, hogy mi ne kritika nélkül, az EU-ban szokásos sémák alapján építsük ki szondarendszereinket, hanem számítások és elemzések alapján határozzuk meg az adott helyszínre ár/érték arányban legmegfelelőbbet.

A szondák optimális mélysége

A EU-átlagtól lényegesen kedvezőbb geotermikus viszonyaink meghatározzák azt, hogy hazánkban a mélyebb fúrásoknak lényeges COP-értéket növelő hatása van úgy, hogy bizonyos mélységhatárokig az ár/COP-arány nem, vagy minimálisan romlik.

A szondamélységnek a hidraulikai veszteségértéken tartásából – nagyobb keresztmetszetű szonda –, valamint a fajlagos fúrási költségek növekedéséből eredő többletköltségek szabnak határt. Emiatt a tervezett szondamélységet mindig az adott projektre vonatkoztatva, költség-, műszaki és hatékonyságelemzéssel kell meghatározni.

Alapelvnek azonban mindenképp elfogadható, hogy hazai geotermikus viszonyaink figyelembevételével a 100 m-es mélységet közelítő szondák hozzák az optimális ár/értékarányt (1. ábra).

Ez kissé eltér az EU-s gyakorlattól, ahol az 50–60 m-es mélységű szondák alkalmazása a gyakoribb. Ez az ottani viszonyok alapján érthető is, hiszen az 50 m-es mélységben átlagos 11,5 °C és a 100 m-es mélységben átlagos 13 °C között csak 1,5 °C a hőmérséklet-különbség.

A 100 m-es mélységig a vertikális szondarendszer megépíthető Ø32 mm SDR11 PN16 KPE csőrendszerrel. Ekkor szondarendszer hidraulikai ellenállását h =13–16 mvo között lehet tartani. 100 m mélység felett a csőátmérőt növelni célszerű, mert egyébként a növekvő hidraulikai veszteségek csökkenő COP-értéket fognak eredményezni. Műszaki szempontból célravezetőbb megoldás ilyen esetben a négycsöves kollektor alkalmazása Ø32 mm-es csövekkel szerelve. A csőátmérő- növelés, illetve a négycsöves szonda alkalmazása a közvetlen költségnövekedésén túl egyrészről magával hozza a szondafurat átmérőjének növekedését, a letétel és tömedékelés növekvő nehézségeit, illetve költségét. Másrészről azt is tudni kell, hogy a szondafurat rezisztenciája, hőellenállása (R) a furatátmérő növekedésével arányosan nő.

A rezisztencia kompenzálására a szondamélység/furatátmérő növekedésekor mindenképp a négycsöves kollektor kialakítása a célszerűbb megoldás.

A 2. ábrán látható egy 120 mm-ről 152 mm-re növelt átmérőjű szondafurat hőrezisztenciája (Borehole Thermal Resistance) 5/4"-os csővel, kétcsöves kialakítással (0,145 m2K/W). A 3. ábrán a 152 mm furatátmérőjű 1"-os csővel sze-relt, négycsöves kialakítású szonda hőrezisztenciája látható (0,120 m2K/W). A négycsöves szonda alkalmazása azonban dupla költséget jelent. A szondákat speciális, négy csőre alkalmas távtartókkal kell ellátni, a letételhez szükséges szerszámok mérete, teherbírása jelentős mértékben növekszik. A szondafurat rezisztenciája szempontjából meghatározó az, hogy a szondák milyen méretű távtartóval ellátottak. A legoptimálisabb megoldás, ha a távtartók mérete olyan, hogy a furatban elhelyezett szondák hozzáérnek a lyuk falához. Ha a szondákat nem látjuk el távtartókkal, az hőtechnikai szempontból a legkedvezőtlenebb megoldás. A 4. ábrán látható, hogy a nem távtartózott négycsöves kollektor alkalmazása a kétcsöves, de távtartózott kollektorhoz képest nem hoz érezhető eredményt (0,143–0,145 m2K/W). A 100 m-es szondamélységig a számítógépes elemzés alapján ár/érték-arányban nincs hozadéka a négycsöves szondák alkalmazásának. A szükséges szondaszám a számítások alapján mintegy 12–15%-kal csökkenhet ugyanolyan COP-értékek mellett. Ez kis rendszereknél értékelhetetlen költségcsökkenést vagy COPnövekedést jelent. Hozadéka csak a hidraulikai veszteségek csökkenésében jelentkezik, s emellett a szondaköltség a duplájára növekszik. Ekkor még nem említettem azt a rossz gyakorlatot, amikor a négycsöves szondákat minden távtartó nélkül helyezik a furatba. Az ilyen alkalmazás – mint a 4. ábrán látható – a számítások szerint energetikai szempontból sem jobb mint a kétcsöves kollektor, távtartókkal ellátva.

A hõközpont kialakítása

Ahhoz, hogy egy adott hőszivattyútípusnak megfelelő hőközpontot tudjunk kialakítani, mindenképp ismerni kell az adott gyártó által megkívánt kiépítési követelményeket. Amennyiben ezek nem állnak rendelkezésre – sajnos sok esetben előfordul, hogy csak készüléket dobnak piacra, s az alkalmazására komoly támpontot nem adnak – mindenképp ismerni kell az alkalmazott kompresszortípust, készülék- paramétereket, a készülék esetleges belső szabályozását, amely alapján eldönthető, hogy milyen puffertartályokat, cirkulációs szivattyúkat és milyen szabályzást lehet a hőközpontban alkalmazni.

Amennyiben például scroll-kompresszorral szerelt a készülék, tudni szükséges, hogy az teljesítményszabályozható, merev hajtású, vagy fordulatszám-szabályozásra nem alkalmas, „kitérő” típus, esetleg a legújabb digital scroll. Ez szabja meg, hogy a hőközpontban szükséges-e, illetve milyen térfogatú puffertartályra van szükség. A készülék esetlegesen meglévő belső szabályozása (by-pass) szintén befolyásolja a szükséges tartályméreteket.

A puffertartályok mérete és szükségessége

A jelenlegi gyakorlatban elterjedt fordulatszám- és belső szabályozás nélküli hőszivattyús készülékekhez vizsgáljuk meg a szükséges tartályméretet. Ezen készülékeknél a scroll-kompresszor tulajdonságai meghatározzák azt, hogy teljesítményszabályozást csak a nagyobb rendszereknél, az egyes kompreszszorok külön indításával, illetve megállításával lehet megvalósítani. Minden kompresszornak garanciális követelménye, hogy óránként hatnál többször ne induljon. A rendszer kialakításánál ez az első számú követelmény, amelyet teljesíteni szükséges. A tartályméretet az egykompresszoros, kisebb rendszerekhez viszonylag egyszerűen, egy „ökölszabály” alkalmazásával meg lehet határozni. Ez azt jelenti, hogy a fűtési/hűtési hőszükséglet minden 10 kW teljesítményigényéhez 100 l tárolókapacitás szükséges.

Árnyalja az ökölszabályt a nagy hőtehetetlenségű padlófűtés alkalmazása. Ez felfogható pufferként, ezért ebben az esetben mintegy 50%-ban csökkenthető a puffertartály mérete. Ennél nagyobb mértékű csökkentés, illetve a tartály elhagyása nem célszerű, hiszen az épület belső padlófűtési körei szabályozhatók, emiatt a padlófűtés hőfelvevő képessége nem állandó. A hőszivattyú hőleadó, valamint a padlófűtés hőfelvevő képessége közötti különbség növekedésével a kapcsolási szám is folyamatosan növekszik. Ennek kompenzálására mindenképp alkalmas az 50%-ban csökkentett méretű puffertartály.

A puffertartály elhagyása nem lehetséges, a szabályozás és tömegáram-stabilizálás miatt sem.

Többkompresszoros, nagyobb rendszereknél járható út a kompresszorok fokozatos indítása és megállítása. A fokozatonkénti teljesítményszabályozással már egy bonyolultabb helyzet áll elő a puffertartály méretének meghatározásánál. Maga a szabályozás eredményezheti egy kompresszor közel folyamatos működését, de a szabályozás algoritmusa, a tartály mérete, az épület fűtési teljesítményigénye, a kompresszorok teljesítménye összességében határozza meg az adott teljesítményfokozatnál le-fel kapcsolandó kompreszszor óránkénti kapcsolási számát.

A tartály méretének meghatározására ezért semmiképp nem alkalmas egy kompresszor teljesítményének a figyelembevétele, s erre az előbbi „ökölszabály” alkalmazása. Az épület fűtési teljesítményigénye által meghatározott puffertartálymérettől lényegesen eltérő méret alkalmazása a kompresszor megállása és visszakapcsolása közötti időt minimalizálja, s ezzel az óránkénti kapcsolási számot növeli.

Véleményem és tapasztalatom szerint ilyen szakaszos szabályozásnál, változó paraméterek esetében akkor járunk el helyesen, ha a puffertartály méretét a fűtési teljesítményhez választjuk meg, s a tartályméretet a szakaszos szabályozás miatt legfeljebb 30–50%-ban csökkentjük. A csökkentés lehetőségének mértékét a kialakított mikroprocesszoros szabályozás algoritmusa befolyásolja.

Pufferként ebben az esetben is felhasználhatóak a nagy hőkapacitású padló-, illetve szerkezetfűtések, de a kis kapacitású (fal-, mennyezet-, fan-coil fűtési/hűtési rendszerek) semmiképp nem jöhetnek számításba.