Égés nélküli, energiatakarékos, környezetbarát hőtermelés: A hőszivattyú
2002/10. lapszám | VGF&HKL online | 3309 |
Figylem! Ez a cikk 23 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Európában az 1970-es években, a Nyugat-Európát sújtó, a közel-keleti háborúk következtében megjelent olaj- és üzemanyag-embargók nyomán keletkező széles társadalmi nyomás hatására fordult a közérdeklődés és az energiapiac szakembereinek figyelme az ún. megújuló természeti energiák kiaknázása felé. Ezek közé tartozik – mint a szél, a napenergia és ennek tárolt megjelenése – a „földhő” hasznosítása. Az utóbbi évtizedekben az energiatakarékosság szempontjain túlmenően elsősorban környezetvédelmi célok vezetik az alkalmazás elterjesztését, hiszen ezek a felhasználás helyén teljesen „tiszta” és környezetbarát energiaforrások.
Közismert és nyilvánvaló tény, hogy a föld felszínének felső talajrétegei, a kőzetek, a felszíni vizek és talajvizek a „benapozás” következtében az egész év folyamán jelentős hőenergiát vesznek fel, és azt hosszú időn keresztül tárolni is képesek. Ennek a szinte korlátlan, állandóan rendelkezésre álló, ingyenes akkumulált energiának a kiaknázására kellett kitalálni a megfelelő technikai berendezést. Egész pontosan arról volt szó, hogy milyen „géppel” lehet a viszonylag alacsony hőmérsékletű, de óriási volumenű „hőmennyiséget” kivonni a földből úgy, hogy azt fűtési célra alkalmas, magasabb hőmérsékletű energiává alakíthassuk.
A hőmérséklet átalakítására szolgáló berendezéseket (a hűtőgépeket) már több, mint száz éve ismerték. Ott is arról van szó, hogy a hűtőszekrény belterében (a tárolótérben) lévő hőmennyiséget kivonjuk, és azt a hűtőgép környezetének átadjuk. A hűtőszekrény belső részében azért lesz hideg, mert hőelvonással és a hőmennyiség áthelyezésével operálunk. A földhőhasznosítás céljára az előbbi, csak éppen fordított irányban dolgozó elektromos „hűtőszekrény-elvet” kezdtek alkalmazni, és a berendezéseket elektromos hőszivattyúnak nevezték el.
Ebben az esetben arról van szó, hogy a hőtartalommal rendelkező közegből (telkek talaja, kőzete, tavak, folyók, patakok, talajvizek stb.) hőgyűjtő kollektorokkal szerzett hőmennyiséggel „hevítjük” a hőszivattyú munkaközegét (valamilyen freon-származék). Az ezen hőközlés hatására párolgó gázzá változó anyagot pedig a hőszivattyú kompresszorával többszörösen „összenyomjuk”. Ez a munkaközeg hőmérsékletének egyenes arányú növekedését eredményezi, amely a gyakorlatban hőcserével közvetlen fűtési- vagy használati melegvízként való felhasználást tesz lehetővé. Nézzünk egy konkrét példát. Magyarországon kb. 1,20 méter mélyen a földben még a tél közepén is + 4-5 °C hőmérsékletet találunk. A hőgyűjtő kollektorok által hőcserélőn közvetített, + 4-5 °C-os hőmérséklettel „hevített” munkaközeg tízszeres kompresszió következtében + 40-50 °C-os gázzá válik. Ezt a hőenergiát hőcserélővel kinyerve + 40-50 °C-os fűtővizet állíthatunk elő. Az elektromos úton végrehajtott „hőszivattyúzás” energiamérlege rendkívül kedvező. Az előállítandó melegvíz hőmérsékletétől függően padlófűtésnél (35-40 °C-os előremenő fűtővíz) 1:4-es bevitt, illetve kinyert energiahányadoshoz (az ún. ratiohoz) jutunk, míg radiátoros fűtésnél (45-50 °C-os előremenő fűtővíz) 1:3 arányt tudunk elérni.
Ez a gyakorlatban annyit jelent, hogy egy átlagos (kb. 150 m²-es) családi ház fűtésénél a szükséges kb. 15 kW-os fűtőteljesítmény folyamatos biztosításához 4-5 kW (380 Volton) bevitt elektromos energiára van szükség, ami azt jelenti, hogy az energia ¾, illetve ⅔ része ingyen van. A hatékony „hőszivattyú”-záshoz tehát megfelelő hőtartalommal rendelkező hőforrásra (talaj, kőzet, talajvíz, szennyvíz, technológiai vizek hőtartalma), hőszivattyúra és a hőszivattyú technikai adottságaihoz alkalmazkodó, ahhoz tervezett fűtési, illetve hűtési rendszerre van szükség. A hőforrások hőkinyerésére szolgáló, mindig biztosan és garantáltan működő eszköz az ún. talajkollektor. Ez a valóságban 40 mm külső átmérőjű műanyag, kemény polietilén cső, amelyet vagy vízszintesen elásva, vagy függőleges furatba helyezetten, méretezett hosszban telepítünk.
Vízszintes kollektorokkal – gyakorlati tapasztalat alapján – a fektetési mélység kb. 1,20 m (éppen a fagyhatár alá) és a „sortávolság” is 1,20 m. Ennek két indoka is van. Egyrészt Magyarországon az 1,20 m-es közökkel való fektetés elegendő földtömeget ad a hővisszapótlás biztosításához, másrészt a sorvégeken történő íves fordulásoknál a 60 cm-es hajlítási sugár már nem okozza a cső esetleges hajszálrepedését. Amennyiben a lefektetendő csőhossz elhelyezésére (fűtési kW-onként kb. 30 méter) nincs elég telekterületünk, úgy függőlegesen is (ún. talajmechanikai furatokban, „kutakban”) elhelyezhetjük a KPE csöveket. A furatok átmérője 110 mm, és a talaj jellegétől függően önmagában megálló, vagy védőcsővel kialakított furatról beszélhetünk. Támpontként szolgálhat, hogy a hőszivattyú fűtési teljesítményének minden kW-jára kb. 10-11 m furathosszal számolhatunk. Mind a vízszintes, mind a függőleges kollektorhosszak megállapításánál a talaj összetétele, tömörsége, talajvízzel való átitatottsága befolyásolhatja a szükséges folyóméterek mennyiségét. (A hőátadás minősége és intenzitása függ az előbbi talajjellemzőktől.)
A függőleges kollektorok a 110 mm-es furatban egy lefelé menő és egy felfelé jövő ágból, valamint a furat végén egy „viszszafordító” elemből állnak. Gyakorlati tapasztalat, hogy a függőleges kollektorok tengelyei között minimum 5-6 méter távolságnak kell lennie a megfelelő hőutánpótlást biztosító körülvevő földtömeg elérése céljából. A függőleges kollektorok hosszát és így a kollektorok darabszámát a fúrási körülmények és ezáltal a fúrási költségek befolyásolhatják.
Természetesen ha jelentős mennyiségű hőtartalommal rendelkező, közvetlenül felhasználható víz áll rendelkezésre (folyók, tavak, patakok, talajvíz, technológiai elfolyó vizek stb.), megfelelő szűréssel közvetlenül átáramoltathatók a hőszivattyú kollektor-oldali hőcserélőjén, így megtakarítható a kollektor telepítésének költsége. Ilyenkor döntő, hogy elegendő víztömeg (számított m³/ó vízfelhasználás) biztonsággal rendelkezésre álljon, és az átáramoltatott vízmennyiséget a hőcserélés után el tudjuk vezetni, ill. helyezni. (Víznyerő kutak esetében például elnyelőkutak biztonságos kiépítésével.) A hőforrásokból az alacsony „hőmérsékletű”, de nagy mennyiségű hőenergiát a „fordított hűtőgép”, a hőszivattyú alakítja át technikailag alkalmazható korszerű padló- és melegvízfűtést tápláló, megfelelő hőmérsékletű (35 °C-tól 55 °C-ig terjedő tartomány), előremenő melegvízzé. A jó minőségű hőszivattyúk 40-50 éves üzemidőre vannak tervezve, ezért az egyes alkatrészek: a kollektor és fűtőoldali keringtetőszivattyúk, a kompresszor (modern csavarkompresszorok) kiválasztásánál is a biztos, hosszú üzemidő az elsőrendű szempont. Az új fejlesztésű csavarkompresszorok hangja minimális, élettartamuk hosszú.
A jelenlegi környezetbarát hőszivattyúk munkaközege R 404 freonszármazék.
A hőszivattyúk alkalmazási területébe egyre aktívabban belép a hűtési funkció is, ugyanis a hőforrások jelentős része nyáron viszonylag alacsony hőmérsékletű (pl. a földkollektorok kollektorfolyadék-hőmérséklete a talajhűvösség következtében a legnagyobb melegben is csupán 15-17 °C). Ezzel a folyadékkal a nyári 28-32 °C-os melegben kiváló, ún. „passzív” hűtést lehet megvalósítani egyszerűen azzal, hogy a kollektorfolyadékot ventilátoros fűtő-hűtő berendezésekbe (fan-coil) vezetjük. Ekkor ugyanis csak a szivattyú és a ventilátor hajtására kell elektromos energiát fordítani (pár száz watt összesen), miközben kb. tízszeres teljesítményű hűtést tudunk produkálni. Ez a passzív hűtés lakóépületeknél önmagában elegendő, de korszerű hőszivattyúk nagyobb nyári hűtési igény esetén hűtési üzemmódba kapcsolva, hatékony hűtőgépekként is üzemelhetnek.
Az a tény, hogy az Európai Unióban konkrét célkitűzés az ún. megújuló természeti energiák kiaknázása (2010-ig eléri az összes energiafelhasználás 10%-át), valamint, hogy idehaza a hagyományos fűtőenergia-árak – gáz, cseppfolyós gáz, direkt elektromos áram, fűtőolaj – további jelentős áremelkedése várható, egyre időszerűbbé és versenyképesebbé teszi a hőszivattyúnak, ennek a biztonságos, tiszta, környezetbarát és energiatakarékos hőtermelő berendezésnek az alkalmazását.
Benyó László
