Hőszivattyúk nyitott kútpáras hőnyeréssel
2008/9. lapszám | Tóth István | 9299 |
Figylem! Ez a cikk 18 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Magyarország vizekben gazdag terület, ez az adottság arra indítja az építtetőket, hogy tervezett hőszivattyújuk hőbeszerzését ilyen felszíni, felszín közeli vízkészletből oldják meg. Nem városias környezetben akár egy régi ásott kút formájában, akár tó, patak formájában ezek a vizek sokszor elérhető közelségben vannak. Cikkemben a felszín közeli vízbázisok tipikus hőhasznosítási módjával, a kútpáras kialakításról szólok.
Előnyök, hátrányok, buktatók
A cikk témája több szakterületet fog össze, nevezetesen beszélni kell a probléma hidrogeológiai (kút, vízminőség), víztermelési (szivattyú), hőszivattyú gép vonatkozásairól, a gazdaságossági és a hőszivattyúk telepítésére vonatkozó általános irányelvek mellett. Cikkemben mindezekről átfogó képet kívánok adni, elsősorban a kivitelezőknek, tervezőknek, de reményeim szerint akár az ilyen rendszer telepítését fontolgató beruházóknak is.
Először az előnyökről. A felszín alatti vizek egész évben 10-12 oC hőmérsékletű hőforrást szolgáltatnak, így a COP érték az év teljes részében magas értéken tartható, ilyen szempontból a kútpár „utánozhatatlan”. Nem kell tartani a víz termikus „kimerülésétől”, a cikkben ismertetett irányelvekkel a rendszer nagy biztonsággal tervezhető. A kút általában egyszerűbben és olcsóbban kivitelezhető, mint egy szondás vagy egy talajkollektoros rendszer. Kútpáras rendszereknél a hűtés olcsón megvalósítható és üzemeltethető.
A veszélyekről. Mindenekelőtt le kell szögezni, hogy a kútpáras rendszer nyitott rendszer, tehát ki van téve számos nehezen tervezhető és számszerűsíthető körülménynek, melyek a kutak természetes jellegéből adódnak, és amely körülmények ráadásul időben is változnak. Az ország egyes részein igen nagy üzembiztonságú kutak telepíthetők. Ezek a területek a folyók hordalékai, például a Szigetköz, a Szentendrei-sziget és Nyékládháza környéke. Az ország más pontjain a rendszer nyitottságából adódó kockázatokat alaposan meg kell vizsgálni. Hiába tűnhet vonzónak a sok esetben már meglévő kút felhasználása, illetve a kútpár olcsó telepíthetősége, a kockázat akkora lehet, hogy a kútpáras hőnyerő rendszer ötletét el kell vetni. Egyrészről szeretném bemutatni, hogy a kockázatok felmérhetők és előre jelezhetők, megóvva a beruházót egy esetleges tévúttól. Másrészről bátorítást kívánok adni azon hezitáló leendő hőszivattyú tulajdonosoknak, akik kiváló rendszert építhetnek kútpáras hőnyerésre támaszkodva.
A nyitott kútpáras rendszer részei:
- termelő kút,
- nyelő kút,
- hőcserélő,
- hőszivattyú,
- primer oldali szivattyú,
- szűrő.
Szükséges vízmennyiség és vízminőség
A hőszivattyú leadott teljesítménye és adott körülmények között elért COP értéke a gyártó gépkönyvéből kiolvasható (10/35-nél kötelező megadni). Ezek alapján számolható az a hőmennyiség, amelyet a kútból szeretnénk megkapni. Ha a 15 kW-ot leadó gép COP értéke 5, akkor a kútból szükséges hőmennyiség 12 kW. Nagyságrendileg az elpárologtatón biztosítandó vízmennyiség (m3/h) a hőszivattyú leadott teljesítményének (kW) a 20%-a, pontosan a gyártó által megadott követelményeknek kell megfelelni.
A legtöbb gyártó szigorúan előírja azt a vízösszetételt, ami a hőszivattyú elpárologtatójára közvetlenül vezethető. Ezek az előírások rendkívül szigorúak. Ennek oka az elpárologtató (ami egy forrasztott lemezes hőcserélő) gyártási technológiájában keresendő: a lemezeket rézzel forrasztják össze, a kútvíz néhány (sűrűn előforduló) összetevője pedig ezt a rezet lassan kioldja. Mindez azt eredményezi, hogy általánosságban kijelenthető, hogy a kútvíz és az elpárologtató közé leválasztó hőcserélőt kell alkalmazni. Ezt a hőcserélőt ajánlott (a karbantarthatóság miatt) szétszedhető kivitelben, és (a hosszú élettartam érdekében) rozsdamentes anyagból kivitelezni. Egy ilyen hőcserélő ára akár csak néhány kilowattos hőátvitelre tervezve is hatszámjegyű összeget tehet ki. Nagy lehet a csábítás arra, hogy ezt az eszközt kihagyják a rendszerből. Mivel azonban az elpárologtató korróziójának a veszélye magas, és egy ilyen esemény a hőszivattyú teljes tönkremenetelével járhat (minimum a munkaközeg elszökik, legrosszabb esetben a kompresszor is tönkremegy), ez a kockázat nem vállalható fel. Néhány gyártó teljesen rozsdamentes anyagból készült elpárologtatóval is kínálja gépeit, ebben az esetben ezt kell választani. A hőcserélőt a kút „homokolási hajlamának” megfelelő finomságú szűrővel kell védeni. Tekintettel a tetemes átfolyó vízmennyiségre, érdemes a legmagasabb minőségű szűrőt beépíteni. A hőcserélő méretezésénél ügyelni kell arra, hogy az elpárologtató oldal hőlépcsőjét kis értéken tartsuk (3-4 K). Amennyiben a hőszivattyúnk már tartalmazza a primer oldali szivattyút, a tömegáram számítható, ha nem, akkor a szivattyú méretezhető.
Víz kiemelése
A hőszivattyú mint gép igen jó COP értéket érhet el vizes rendszer esetén (jellemzőek az 5,2-5,8 körüli COP értékek). Ezt az értéket a búvárszivattyú áramfelvétele rontja le. Ha egy 10/35-nél 10 kW-ot leadó gép COP értéke 5,5, akkor egy búvárszivattyú 0,8 kWh teljesítményfelvétellel ezt a COP értéket 3,82-ra rontja vissza. Ez igen jelentős romlás, ezért a búvárszivattyú kiválasztása szintén érzékeny pont, érdemes energiatakarékos, magas üzembiztonságot garantáló jó minőségű terméket választani. A búvárszivattyú áramfelvétele ráadásul nem állandó érték, nagyban függ a kút dinamikus vízszintjétől. Amennyiben ez a vízszint csökken (azaz az üzemi vízszint és a vízelvétel helye közötti magasságkülönbség nő) a búvárszivattyú nagyobb munkát végez, áramfelvétele nagyobb. Gazdaságossági okokból létezik egy optimum vízszint, amely alól már nem érdemes szivattyúzni, mert a szivattyúzási költségek aránytalanul magasra nőnek. Mivel a szivattyúk vízszállítása, bekerülési áruk és üzemeltetésük nem egyenesen arányos, kis hőigényű épületek fűtésénél a kis búvárszivattyú üzemeltetési költsége igen nagy részt vihet el a teljes fűtési költségből; elképzelhető hogy ilyen indok miatt el kell vetni a megvalósítást.
Kutak vízadó és -nyelő képessége
Ha kutakról beszélünk, meg kell említeni, hogy a kútfúrás és a vízhasználat engedélyköteles tevékenységek, melyeknek célja nem a megrendelő bosszantása, hanem a vízkészletek védelme.
A kút nyugalmi és dinamikus vízszintjét a beruházás megkezdése előtt vizsgálni kell. Egyszerű módszer a próbaszivattyúzás, amikor legalább a névleges vízkivétellel, minél hosszabb ideig (12-24 órát) kell terhelni a kutat, és eközben a vízszint változását figyelni. Ha a vízszint nem változik jelentősen, akkor vízadó képessége megfelelő. Ugyanígy tesztelhető a nyelőképesség is. Nagyobb vízkivételek esetén mindenféleképpen hidrogeológus végezze a próbát.
Vizsgálandó problémakör a nyelőkutak eltömődésének a veszélye. A nyelőképesség időben változó jellemző. Befolyásolja a nyeletendő vízmennyiség, a kút és környezetének paraméterei, egyes biológiai és kémiai jellemzők. Felmerül a kérdés, hogy milyen lehetőség van abban az esetben, ha a nyelő kút nyelése nem elegendő. Ha a hely lehetővé teszi, újabb nyelőkutat kell telepíteni. Legrosszabb esetben a vizet külön szivattyúval vissza kell sajtolni a nyelőkútba, ennek a megoldásnak az üzemeltetési költsége viszont általában értelmetlenné teszi a kútpáras hőnyerés választását.
A kútpár termikus „összekötődését” megakadályozandó, a kutakat 15-20 m távolságra, a természetes vízfolyás folyásirányának figyelembevételével kell kivitelezni. Ha a természetes vízfolyás nem egyértelmű (mint folyóvizek környékén), a helyi ismeretekkel rendelkező kútfúró vagy hidrogeológus ad tájékoztatást.
Hidrogeológiai szempontból nem ideális helyeken megfontolandó a kútakna/kútgépészet olyan kiépítése, amely könnyen lehetővé teszi a termelő/nyelető funkció időszakos megfordítását is. A vizet a megszokott KPE csővezetéken juttatjuk a hőszivattyúhoz. A házba való belépéskor ügyelni kell a csőfelületen történő párakicsapódásra, és ezen keresztül az épületszerkezet károsodásának elkerülésére - itt párazáró csőszigetelést kötelező alkalmazni. A fagykárok elkerülése érdekében a megfelelő mélységeket be kell tartani a kútakna, a csőfektetés, és a cső épületbe vezetésének eseteiben.
A hőszivattyú
A hőszivattyú mint gép nem különbözik az egyéb folyadék/víz rendszerű hőszivattyú gépektől, csupán az elpárologtató oldalon biztosítunk egy magasabb és állandó hőmérsékletet ami által a COP érték kedvezőbb. A kivitelezés során gondoskodni kell a rendszer karbantarthatóságáról, az ellenőrzés biztosításáról: térfogatáram-mérő, nyomásmérő és hőmérő beépítéséről. Vizes gépeknél fontos a fagyvédelem, azaz ha az áramlás az elpárologtató kútoldalán megszűnne (pl. a búvárszivattyú hibája miatt), a kompresszort ki kell kapcsolni. Erre a célra áramláskapcsolót javasolt beépíteni, amely jelét a hőszivattyú reteszfeltételként használja.
Adja magát a passzív hűtés
A kútpáras kialakításoknál érdemes megfontolni a passzív hűtés kialakítását is, hiszen ezzel egyszerű, olcsón kivitelezhető és alacsony üzemeltetési költségű rendszert lehet megvalósítani. A legegyszerűbb esetben egy további hűtési hőcserélő és egy szabályozó beépítése elegendő. A hűtés melletti döntés a felületfűtés/hűtés tervezésére is hatással van, hiszen nagyobb felületet kell a hűtésre alkalmazni, a „majd később beszereljük” elégtelen hűtőhatással fog járni, hiszen a csak hőleadásra tervezett felület hőelvonása kicsi. Fal/mennyezet hűtésénél előálló leggyakoribb kérdés a páralecsapódás veszélye. A tapasztalat azt mutatja, hogy a 18 oC előremenő hőmérsékletet meghaladó rendszerekben a pára kicsapódása kizárható, ennek korlátozása akár elektronikus szabályozóval, akár segédenergia nélküli szabályozószeleppel megoldható. Másik út lehetne fan-coil alkalmazása, viszont ezek a gépek hűtőteljesítményét 7/12-nél állapítják meg, így ha ezeket a gépeket a hűtési hőcserélő után előálló 13-16 °C előremenővel látom el, a hűtőhatás elégtelen lesz. Megoldás lehet egy (jelentősen) nagyobb fan-coil választása, viszont ezek esztétikai és beruházási költsége ezt a megoldást kérdésessé teszi. Akinek a fan-coil tetszik, válasszon hozzá aktív hűtés funkcióval rendelkező hőszivattyút.
Összefoglalás
A tervezés szakaszában meg kell vizsgálni:
- a tervezett kútpár valószínűsíthető hozama (hidrogeológus vagy kútfúró tájékoztatása alapján, a geológiai viszonyokból vagy a kútfúró helyismeretére támaszkodva),
- kútpár kivitelezése, kútpróba (hozam, nyelés), üzemi vízszint,
- vízösszetétel (vízvizsgálati jegyzőkönyv készíttetése laborban).
A fentiek után kiválasztható a búvárszivattyú, a hőszivattyú és a leválasztó hőcserélő - ha szükséges. Korlátozott hozamú/nyelésű rendszerek esetében vizsgálható bivalens fűtés lehetősége is. A gazdaságossági számítások is ekkor pontosíthatók (beruházási és üzemeltetési költségek). Az ismertetett irányelvek birtokában a kútpáras rendszer telepítésének kockázata mérlegelhető, mellérendelhető a kedvező beruházási és üzemeltetési költségekhez.
