Uszodák hulladékvizének hőhasznosítása HMV-termelésre
2011/7-8. lapszám | Bakonyi Kornél | 3863 |
Figylem! Ez a cikk 15 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Hazákban számtalan uszoda és termálfürdő üzemel folyamatos átöblítéses medencékkel, amelyekből az elfolyó „elhasznált” víz még temérdek sok energiát hordoz magában. Ezt legjobban kihasználni a fürdési használati meleg víz céljára való visszanyeréssel lehetséges, hiszen abból jellemzően igen nagy mennyiség fogy, illetve a szezonális fűtéssel szemben ez egész évben folyamatos igény.
Hazákban számtalan uszoda és termálfürdő üzemel folyamatos átöblítéses medencékkel, amelyekből az elfolyó „elhasznált” víz még temérdek sok energiát hordoz magában. Ezt legjobban kihasználni a fürdési használati meleg víz céljára való visszanyeréssel lehetséges, hiszen abból jellemzően igen nagy mennyiség fogy, illetve a szezonális fűtéssel szemben ez egész évben folyamatos igény.
A legegyszerűbb módja a hulladékhő hasznosításának a friss hideg víz keresztáramú hőcserélőn való előmelegítése, amit azonban tovább kell melegíteni, hogy fürdésre alkalmas hőmérsékletű legyen. Ezt jellemzően gázkazánnal érik el, egyre több helyen napkollektorokkal kiegészítve, ami azonban nagy tárolókapacitást feltételez. A hőhasznosítás kézenfekvő módja lenne a hőszivattyús alkalmazás, mikor az elfolyó vizek relatív magas hőmérsékletét kihasználva készíthetünk fürdésre alkalmas használati meleg vizet. Ebben eddig a hagyományos hűtőközegek és technológiák korlátai gátolták a felhasználókat, hiszen ezen berendezések működési határait súrolja, de legalábbis a rentabilitást rontja a HMV magas hőmérsékleti tartománya. Ezen változtat az az új technológia, mely a hűtéstechnikában már bevezetett régi-új hűtőközeget, a szén-dioxidot hívja segítségül. Ennek a természetes közegnek a hűtéstechnikai paraméterei merőben eltérnek a hagyományosan, főként fűtési célra tervezett hőszivattyúkban alkalmazottakétól. Ennek köszönhetően kivételesen magas hőmérsékletű használati meleg víz is előállítható, egészen 85 °C-ig, jó hatásfok mellett.
Ezen CO2 hűtőközeggel működő hőszivattyúk gyűjtőneve az EcoCute, ami több gyártó kínálatában is megjelent már. A fent említett „hagyományos” jelző némi magyarázatra szorul: a hőszivattyú a külső környezetben lévő hőenergiát nyeri ki, s teszi azt számunkra felhasználhatóvá. Ennek megvalósításához közvetítőközegre van szükség, amin keresztül a hőcsere végbemegy. A hagyományosként aposztrofált berendezésekben valamilyen freon (HFC) közeg kering, jellemzően R407C, R410A vagy R134A, mely gázok kondenzációja (hőle- adása) viszonylag alacsony nyomáson, illetve hőmérsékleten megy végbe. Ezzel szemben a szén-dioxid esetében lényegesen magasabb nyomásszintek tartoznak a megszokott hőfelvételi és hőleadási hőmérsékletértékekhez. A CO2 kritikus pontja (31 °C, 74 bar) igen alacsony. Ha a nyomás és/vagy a hőmérséklet tovább emelkedik, a közeg úgynevezett szuperkritikus állapotba kerül, ahol a halmazállapota már se nem folyadék, se nem gáz, leginkább a túlhevített gőz állapotához hasonlítható. A CO2 a kompresszió-munkának köszönhetően ebbe a tartományba igen magas hőmérsékleten kerül, ami ideálissá teszi arra, hogy ezt a hőt ugyancsak nagy hőmérsékleten leadja, úgy, hogy a körfolyamat hatásfoka közben jelentősen ne csökkenjen. Ez teszi a CO2-t napjaink egyik ideális hűtőközegévé a magas vízhőmérsékletet igénylő hőszivatytyús alkalmazásokban.
1. ábra A meleg víz tárolására a meglévő tartályt – nem csak állapota miatt – cserélni szükséges, s helyette egy több, kisebb tartályból álló rétegtartály-rendszert kell kialakítani. Ez biztosítja, hogy a hőszivattyú ne keveredett langyos, hanem, ha csak lehet, hideg vizet keringtessen magára.
1. kompresszor, 2. CO2 elpárologtató, 3. dupla falú kondenzátor, 4. expanziós szelep, 5. töltőszivattyú, 6. használatimelegvíz-tartályok sorba fűzve
A szén-dioxid visszahűtése kritikus a hűtő-körfolyamatban, s nagyban meghatározója a rendszer hatékonyságának. Ezért a fejlesztők első lépésben az állandó, nagy T-t igénylő használati melegvíz-készítést célozták meg. A hagyományos és a CO2-hőszivattyúk funkcionalitásban egy fontos ponton eltérnek egymástól. Az EcoCute készülékek egy lépésben képesek a belépő hálózati hideg vizet a kívánt értékre, akár 85 °C-ra melegíteni. Ez az előny egyben követelmény is, azaz megfordítva, az EcoCute hőszivattyúk igénylik az alacsony belépő vízhőmérsékletet, hogy a szén-dioxid visszahűtése kellő mértékben meg tudjon történni. Min változtat ez a feltétel? Ma jellemzően kevés számú, viszont annál nagyobb kapacitású tárolókban készítjük el a meleg vizet, a felhasználás időbeni jellegétől függően akár többszörösét is az igényelt mennyiségnek. Így a tartályba folyamatosan beáramló friss hideg és a bent lévő meleg víz keveredése még elviselhető hőmérsékletű elegyet képez. A hőforrás – legyen az kazán vagy hagyományos hőszivattyú – pedig direkt vagy indirekt módon próbálja tartani a tartályban a kívánt hőmérsékletet. Ezzel szemben a CO2 hőszivattyúknál soros tartályrendszert kell kialakítani.
2. ábra A grafikonról leolvasható, hogy a modell szerinti fogyasztás esetén a betervezett 1 m³ tárolt meleg víz mennyisége (kék görbe) sem csökken 600 liter alá, az folyamatosan tartalékként jelen van.
Ennek előnye, hogy keveredés kisebb mértékben lép fel, az előremenő meleg víz hőmérséklete közel állandóan tartható, így kevesebb melegvíz-tömeget kell tárolni a tartályokban. Továbbá ezzel biztosítható, hogy a hőszivattyú mindig hideg vizet kapjon a hőcserélőjére, ami a magas hatásfok szempontjából kulcsfontosságú. Az egyik budapesti fürdő energiaracionalizálási programjának részeként került sor a HMV-készítés felülvizsgálatára, illetve korszerűsítésének megtervezésére, amit Csanád Bálint okl. gépészmérnök készített el. A kiindulási adatok alapján napi mintegy kb. 10 m³ használati meleg vizet használnak el fürdési céllal 40 °C hőmérsékleten. A fürdőmedencék átöblítése nyitvatartási időben folyamatosan, állandó tömegárammal, 2,7 m³/óra kapacitással történik. Körülbelül ugyanennyi víz kerül ki a medencékből, mint elhasznált víz, ami jelenleg a Dunába hővisszanyerés nélkül visszavezetésre kerül. Ennek az elfolyó víznek a hőmérséklete meglehetően magas, 32-34 °C körüli, ami hőforrásként túl magas bármilyen hőszivattyúnak, így a kiválasztott EcoCute CO2 hőszivattyúnak is.
Ezért a hőforrás-oldalon a hőszivattyú által meghűtött víz visszakeverésére van szükség, előállítva így a hőszivattyúnak ideális, 15-20 °C körüli hőforrás-hőmérsékletet. Mint az előzőkben írtuk, az EcoCute hőszivattyúk sajátossága – a CO2 hűtőközegből adódóan –, hogy jó hatásfokukat nagyban befolyásolja a szekunder oldalon megjelenő víz hőmérséklete, azaz hogy mennyire tudjuk visszahűteni a szén-dioxidot.
3. ábra Leolvasható, hogy a tartály kapacitása nem elegendő, hiszen a töltet mennyisége (kék görbe) negatív tartományba megy.
Éppen ezért a meleg víz tárolására a meglévő tartályt – nem csak állapota miatt – cserélni szükséges, s helyette egy több, kisebb tartályból álló rétegtartály-rendszert kell kialakítani. Ez biztosítja, hogy a hőszivattyú ne keveredett langyos, hanem, ha csak lehet, hideg vizet keringtessen magára (1. ábra). A tervezés során a tárolt meleg víz hőmérsékletét 60 °C-ban választottuk meg, hogy az éjszakai hűlés után is még megfelelő hőfokú víz álljon rendelkezésre. Ilyen körülmények között a kiválasztott EcoCute hőszivattyú hatásfoka, azaz COP-értéke 4,4. A 10 m³ 40 °C-os víz előállításához kb. 6 m³ 60 °C-os víz szükséges, ami a 25 kW fűtőteljesítményű hőszivattyú napi kapacitásának kb. 60%-a, tehát egyetlen berendezés meg tudja termelni a napi szükséges mennyiséget. A hőszivattyú folyamatos üzemben óránként kb. 400 liter 60 °C-os, azaz kb. 700 liter 40 °C-os meleg vizet képes készíteni. Ezt meghaladó felhasználás esetén a tartály ürül, ennél kevesebb felhasználás esetén töltődik. Ebből látható, hogy minél inkább egyenletes a vízfelhasználás (piros görbe), annál kisebb tartálykapacitás (ami jelen esetben 1000 liter) szükséges az igények kielégítésére.
4. ábra A tárolók összkapacitását 2 m³-re növelve már kielégítő modellt kapunk, azaz rendelkezésre áll mindig kellő mennyiségű meleg víz, igaz, kisebb tartalékkal (kb. 400 liter), mint az első esetben.
Ez esetben voltaképp átfolyó rendszerben tud működni a hőszivattyú (zöld görbe), a pillanatnyi fogyasztásbéli ingadozásokat néhány kisebb tároló is ki tudja „simítani”, s a nagy napi összmennyiség ellenére sem szükséges hatalmas tartályokat beépíteni. A grafikonról leolvasható, hogy a modell szerinti fogyasztás esetén a betervezett 1 m³ tárolt melegvíz-mennyisége (kék görbe) sem csökken 600 liter alá, az folyamatosan tartalékként jelen van (2. ábra). Ellenben minél inkább hektikus, időszakos a napon belüli fogyasztás jellege (piros görbe), annál több tartálykapacitást kell beépíteni, hogy a rövid idő alatt megugró felhasználást ki lehessen elégíteni. Az előző 1 m³-es tárolónál immár napi két erős csúcsot feltételezve, a 3. ábra diagramját kapjuk. Leolvasható, hogy a tartály kapacitása nem elegendő, hiszen a töltet mennyisége (kék görbe) negatív tartományba megy. Azaz ilyen felhasználás esetén növelni kell a tárolók számát (és nem a tárolók méretét, mert a nagyobb egységkapacitás a rétegképződés ellen hat). A tárolók összkapacitását 2 m³-re növelve már kielégítő modellt kapunk, azaz rendelkezésre áll mindig kellő mennyiségű meleg víz, igaz, kisebb tartalékkal (kb. 400 liter), mint az első esetben (4. ábra). A fürdő tervezése során sajnos nem álltak rendelkezésre részletes mért adatok arra vonatkozólag, hogy a nap folyamán milyen ütemben történik a HMV felhasználása, ezért felvettünk egy egyenletes alapfelhasználást, illetve néhány csúcsot az uszoda forgalmának megfelelően. A rendszer előnye, hogy ha a felhasználás a betervezettnél mégis hektikusabb, 1 vagy 2 újabb tartály befűzésével a probléma orvosolható. A fürdőben az elfolyó víz, azaz a hőforrásoldal folyamatosan rendelkezésre áll, így a hőszivattyú folyamatos üzeme biztosított. Terveink szerint a hőszivattyú nap közben folyamatosan üzemelve átfolyó rendszerrel elégíti ki az igényt, amit csúcsfogyasztás esetén a tartályban lévő meleg víz egészít ki, illetve mikor a felhasználás kisebb, mint a gyártókapacitás, akkor a tartályokat tölti vissza. Tekintve, hogy a hőszivattyú hőforrása egész évben állandó hőmérsékletű, a rendszer SPF- (seasonal performance factor – szezonális hatásfok-mutató) értéke 4,4, ami rendkívül kedvező, és megtérülővé teszi a hőszivattyút a gázkazánnal szemben is.
