Családi ház fűtése talajvíz hőjével
2007/4. lapszám | Viczai János | 7789 |
Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Alábbi cikkünk írója PhD-értekezésének témája felkeltette szerkesztőségünk figyelmét, mert a hőszivattyú gyakorlati felhasználásának optimalizálására ad konkrét kutatás alapján módszert.
Családi ház fűtése megoldható talajvíz, mint hőhordozó közeg hőenergiájának hasznosításával. A vizsgált épületben hőszivattyúval állítjuk elő az alacsony hőmérsékletű sugárzó fűtéshez megfelelő hőfokú vizet. Ismertetem a mérés paramétereit, a családi ház szerkezetét, a fűtési rendszert, a mérés metódusát, az eredményeket, és azokból következtetéseket vonok le. Értekezésem a talaj hőjének fűtési célra történő felhasználásának kutatásával foglalkozik. A hőhasznosító rendszereket három csoportra osztottam, mely csoportosításban a fő szempont az volt, hogy az energia milyen technikai megoldás segítségével érkezik a hőszivattyú primer oldalára. A különböző hasznosítási technológiákat úgy tudtam összehasonlítani, ha a szekunder oldalt mindhárom esetben azonosnak feltételeztem. Ebben a cikkben csak egy módszerrel foglalkozom, a talajvíz hőjének fűtési célú hasznosításával.
A rendszer
A vizsgált rendszer családi ház téli hőveszteségének fedezésére lett kiépítve. A családi ház Dunaszentgyörgyön található, mely település Pakstól délre, 15 km-re helyezkedik el. A ház építésének dátuma nem ismert, mivel a tulajdonos nem az építtetőtől vásárolta azt. A ház egy épületből áll, elrendezése parasztház jellegű. A laktér elől, az utcafronttól indul, a középső részen tároló helyiségek és kamra, a hátsó traktusban gépkocsi-beálló található. A fűtött alapterület 80 m2, a belmagasság 2,70 m. Az épület külső falai vályogból épültek, melyek átlagos vastagsága 0,6 m, hővezetési tényezőjük 0,72 W/ mK. A falakon hőszigetelés nem található. A legutolsó felújítás során az épületben a padlószerkezetet módosították, az új aljzatbeton-réteg alá 0,07 m vastagságú lépésálló polisztirolhab hőszigetelést helyeztek, melynek hővezetési tényezője 0,045 W/mK. Fontosnak tartom megjegyezni, hogy a padlószerkezet hőszigetelése a külső lábazati hőszigetelés hiányában nem járul hozzá jelentősen a lakórész hőveszteségének csökkentéséhez. A padlásfödémet utólagosan leterítették bálás ásványgyapot hőszigetelő anyaggal, melynek vastagsága 0,1 m, hővezetési tényezője 0,044 W/mK. A padlástér fűtetlen és nem használható, mivel a hőszigetelő rétegre nem került aljzatbeton. A tető nem szigetelt, a cserép anyaga égetett kerámia. Az eredeti nyílászárókat utólagosan kicserélték, vázuk alumíniumprofilos, műanyag külső bevonattal, az üvegezés kétrétegű. Tapasztalati értékek alapján a nyílászáró egész szerkezetének hőátbocsátási tényezője 2 W/m2K.
A hőszükséglet fedezésére beépített hőszivattyúról műszaki dokumentáció nem állt rendelkezésemre, számításaim alapján 10 kW a fűtési teljesítménye. A hőszivattyú primer hőellátását egy 22 méter mélységű fúrt kútból biztosítjuk. A kútvíz talphőmérséklete 14 °C, a hőszivattyúhoz 13 °C-os víz érkezik. A lehűlés oka a kút hűtőhatása és a vízvezeték hővesztesége. A kútban elhelyezett búvárszivattyú teljesítményigénye 550 W, térfogatszállítását méréssel fogom meghatározni, előzetes számítások alapján 35- 45 l/min. A nyelőkút mélysége 20 m, a kitermelt vizet maradéktalanul képes elnyelni. A víz kb. 60 méteres utat tesz meg a nyerőkúttól a hőszivattyún át a nyelőkútig. A csővezeték anyaga Pe, mérete 5/4". A hőszivattyú előtt 1"-os vízszűrő van beépítve, utána pedig 1"-os golyóscsap, amely az ellenállást hivatott növelni. A rendszer kiépítésekor még nem volt a fojtás beépítve, ezért az elpárologtató nem hűtötte le jelentősen a vizet, a nyelőkút pedig nem tudta elnyelni az elfolyó mennyiséget. Most a golyóscsap majdnem zárva van, így az elfolyó víz 11 °C hőmérsékletű. Itt érdemes megemlíteni, hogy a fűtési rendszer üzemeltetési költsége tovább csökkenthető kisebb teljesítményű búvárszivattyú alkalmazásával.
A ház belső tereinek hőigényét padlófűtéssel biztosítjuk. A padlóburkolatok anyaga minden helyiségben gránitzúzalék, melynek hőellenálása megfelelő. A padlófűtési cső anyaga Pe, mérete 17x2,0 mm, fektetési távolsága 10 cm. A méretezési előremenő vízhőmérséklet 45 °C, a visszatérő vízhőmérséklet 35 °C. A belső léghőmérséklet az egész fűtési időszakban 25 °C. A fűtés szabályozása jelenleg igen bonyolult. A ház belső léghőmérsékletét programozható digitális termosztát figyeli. Amennyiben a belső hőmérséklet a beprogramozott szint alá süllyed, a termosztát elindítja a padlófűtési körök szivatytyúját. A hőszivattyú ennek, a szekunder körnek a hőmérsékletét érzékeli, melynek előre beállított érték alá csökkenésére elindítja a búvárszivattyút, majd saját kompresszorát. A hőszivattyún található saját külső hőmérséklettől függő szabályozás, melynek függvényében állítja be a szekunder kör hőmérsékletét. A külső levegő hőmérsékletét az épület homlokzatán elhelyezett digitális hőmérő méri. A szekunder vízhőmérséklet beállítására előprogramok közül lehet választani, melyeket potméterrel tudnak beállítani. Jelenleg a legkisebb meredekségű görbe van kiválasztva, melynek értéke kb. 0,15.
A monitoring-rendszer
A felépített monitoring-rendszer hosszú távú, felügyelet nélküli, megbízható adatgyűjtést tesz lehetővé, az alkalmazott ipari szintű elemek és a rendszer hibatűrő felépítése az átlagos lakó- és ipari környezetben teszi felhasználhatóvá. A rendszer esetünkben hat hőmérő pontból és egy, a hőszivattyú-kompresszor állapotát figyelő reléből áll. A két leolvasás között eltelt idő 38,883 másodperc, ami napi 2222 darab adat egy hőmérőtől. Mérjük a külső, a belső, a talajvíz előremenő, a talajvíz visszatérő, a padlófűtés előremenő és a padlófűtés visszatérő hőmérsékletet.
A monitoring-rendszer központja egy PC. A PC, mint MASTER kérdezgeti le a soros vonalaira megfelelő leválasztókkal csatolt perifériákat (multiplexereket). Az így begyűjtött adatokat Microsoft Access adatbázisban tárolja. A leválasztott RS-422 fizikai szintű csatolt soros vonalakra elhelyezett Multiplexer (MUX) a hőszivatytyú mellé volt elhelyezve. A MUX-ok intelligens eszközök, programozott mikrokontrollert tartalmaznak. Két vonalon képesek speciális hőmérő chipeket kezelni, egy további vonalon pedig egyéb információt tudnak fogadni. A hőmérséklet-monitoring szempontjából legérdekesebb a MUX két külön vonalára köthető DALLAS típusú hőmérők kezelése. Ezek a hőmérő-chipek kisméretű, kis tápigényű, önmagukban intelligens félvezető hőmérő elemek. A hőmérsékletértékeket 0,1 °C pontossággal közvetlenül digitális formában szolgáltatják. A hőmérők BUS-ra köthetők, tehát egy darab háromeres vezetékre számtalan hőmérő felfűzhető. A chipek gyárilag adott címmel rendelkeznek, aminek segítségével minden leolvasott érték a megfelelő adatsorba kerül.
Az adatok kezelése
A központi PC-n gyűjtött adatok Access-adatbázisa megfelelően csoportosítható, melyet egyszerűsítés után konvertáltam Excel szoftver által kezelhetővé. Az egyszerűsítésre azért volt mód, mivel a sűrű adatvétel miatt nem volt szükség a hőmérők által mért, két mérési pont közötti minimum- és maximumértékekre. Ezek az értékek az elemzés során nem mutattak jelentős eltérést. Ha eltérés volt, az megfelelt a két mérési pillanat közötti változással.
Az Excelben csoportosítottam az adatokat. A fő szempont az volt, hogy láthatóvá váljék a külső hőmérséklet megváltozása esetén az épületbe vitt energia és a talajból kivett energia kapcsolata, és az időbeni lezajlása. A talajból kiemelt vízmennyiséget köbözéssel állapítottam meg, valamint mértem a hőszivattyú villamosenergia-igényét, így a fűtési rendszer minden paramétere ismert vagy számítható. A napi adathalmazt grafikusan ábrázoltam. A vízszintes tengelyre az idő került, a függőleges tengelyre az egyes mért hőmérsékletek. A kapott görbék nagyon szemléletesen jellemzik a fűtési rendszer működése és az időjárás napi ciklusát.
A padlófűtés lassan reagál a változásokra, valamint érdekes lehet hosszabb távon megfigyelni a folyamatokat, ezért több napon adataival, 4 órás bontásban is vizsgáltam a mért értékeket. Mivel az energiabevitel egyaránt függvénye a külső és a belső hőmérséklet megváltozásának, ezért a szemléletesség miatt ábrázoltam ezeket. A szaggatott vonal a külső hőmérséklet változása, míg a folytonos fekete színű a belső hőmérsékleté, ez utóbbi 20 °C-kal eltolva. Az így kapott görbesereg ábrázolja az egész fűtési rendszer működését, láthatóvá téve szabályozásának és lassú reagálásának hibáit is.
Mérési eredmények
Összegezve kimondható, hogy az általam kimért, talajvízzel, mint hőközvetítő közeggel működő hőszivattyús fűtési rendszer egyéb fűtési energia bevitele nélkül képes működni az egész fűtési időszakban. A hőszivattyú (nem az egész rendszer!) jósági foka 3,9. A padlófűtés előremenő hőmérséklete nem haladta meg a 42 °C-ot, ami azt jelenti, hogy minimálisan túl van méretezve. A visszatérő talajvíz hőmérsékletének minimuma 11 °C volt, így kijelenthető, hogy nincs szükség a jelenleg megforgatott vízmennyiségre. A házhoz választott hőszivattyú a leghidegebb napokon sem üzemelt többet napi 18 óránál. Mindent figyelembe véve kijelenthető, hogy a vizsgált rendszer túlméretezett, jelenlegi működési költsége csökkenthető. Ebben az esetben a búvárszivattyú kisebb teljesítményűre cseréje lehet a legegyszerűbb változtatás, de itt figyelembe kell venni a kisebb mennyiségű víz alacsonyabb hőmérséklete miatti jósági tényező-romlást is.
A gázból és a villamos energiából származó egységnyi teljesítmény árának különbsége miatt a hőszivattyús fűtési rendszer bekerülési költségének megtérülése az ismertetett rendszer esetén 15-20 év, ami csökkenthető bonyolultabb rendszer kiépítésével. Megoldást jelent a vezértelt áram felhasználása, azonban ez tárolási problémákat okoz.
Az adatbázis felhasználása méretezésre
A mérés során kapott adatokból szimulálni lehet egy megépítendő rendszer paramétereinek változását az idő függvényében. A program eredménye az épület ellátásához szükséges eszközök méretének meghatározása, majd az éves működés költsége, energiaigénye. Bemenő adatként szerepel az épület öszszes jellemzője, a lehűlő felületektől a fűtési rendszer típusáig. Adott a külső hőmérséklet változása és a szoláris energianyereség. A kapott eredmény a rendszerelemek méretének optimuma működési költséggel.
Összegzés
A monovalens rendszerek puffertartállyal kapcsolva fűtési és hűtési energiaigény esetén is működtethetők hőszivattyúval. A rendszer sajátossága az alacsony vízhőmérséklet, mivel így kedvező jósági tényezővel üzemeltethetjük az épületet. Az alacsony vízhőmérséklethez (max. 55 °C fűtés és min. 18 °C felületi hűtés) növelt felületű hőleadókra van szükség az épületben, valamint a gépészeti rendszerekben is. Ez azt jelenti, hogy a hagyományos légtechnikai rendszer a normál mérethez képest akár háromszoros kaloriferfelülettel kell, hogy rendelkezzen. Hűtés esetén a hőszivatytyú kihagyható az üzemből, általában megfelelően hideg a talajból érkező víz. Csak fűtés esetén a hagyományos rendszerhez képest a pluszköltség megtérülési ideje 10 év alá csökkenthető a megfelelő méretezéssel. Azonban felületi hűtést is alkalmazva a megtérülés 5 év alá csökkenthető. A hőtárolás témakörében részletesebb információk közlése várható egy következő publikációban.
