Innováció és gyakorlat A kettő vagy több - önálló energetikai rendszerrel rendelkező- épület megújuló, hidrotermikus energia ellátásának megvalósítása hőszivattyúkkal Innováció és gyakorlat

Termálfürdők elfolyó termálvizeinek hasznosítása A hőszivattyúk alkalmazása elfolyó termálvízre alapozott önkormányzati intézmények fűtési és HMV rendszereiben Termálfürdők elfolyó termálvizeinek hasznosítása Széchenyi 2020 keretében megjelent „Önkormányzatok által vezérelt, a helyi adottságokhoz illeszkedő, megújuló energiaforrások kiaknázására irányuló energiaellátás megvalósítása, komplex fejlesztési programok keretében című (TOP-3.2.2-15 kódszámú) felhívás A pályázati kiírásban alkalmazhatÓ:ERES = Qhasznos * (1–1/SPF); SPF > 1,15 * 1/η -A hőszivattyúzás területén folyamatosan felmerülő kérdés, hogyan lehetne a hőszivattyúkkal a sok helyen meglévő –a termálfürdőkből elfolyó termálvizeket az intézmények fűtési és HMV rendszereiben hatékonyan alkalmazni,s ezzel jelentősen csökkenteni az energiaköltségeket,megszüntetni a helyi,s töredékére csökkenteni az erőművi szintű károsanyag kibocsájtást .Ezentúl a környezetbe elfolyó termálvíz lehűtésével a környezetünk hőterhelését is mérsékelni,megszüntetni. Ezen feladat megoldása a TOP-3.2.2-15 pályázati felhívás keretében időszerűvé és megvalósíthatóvá válhat,hiszen módosult a Széchenyi 2020 keretében megjelent „Önkormányzatok által vezérelt, a helyi adottságokhoz illeszkedő, megújuló energiaforrások kiaknázására irányuló energiaellátás megvalósítása, komplex fejlesztési programok keretében című (TOP-3.2.2-15 kódszámú) felhívás” az alábbiakban részletezett módon: „ Kettő vagy több önálló energetikai rendszerrel rendelkező épület geotermikus energiával történő ellátása közös vagy épületenkénti hőszivattyú(k) telepítésével, a geotermikus energia eljuttatásával az energiaellátásba bevonni kívánt épületekhez való kapcsolódási pont(ok)ig. A rendszer üzemeltetése a felhívás 3.2/12.pontja alapján kell hogy történjen, valamint a felhívás 3.2/25 pontjában foglaltak alapján gazdaságilag megtérülő beruházásnak kell lennie: „   A projekt műszaki-szakmai tartalmával és a megvalósítással kapcsolatos elvárások kiegészítésre kerültek többek között az alábbi ponttal: „26) 3.1.1/b / II) tevékenység esetén a hőszivattyúk által hasznosított geotermikus energia az Európai Parlament és a Tanács 2009/28/EK irányelve 7. sz. melléklete szerint megújuló energiaforrásból előállított energiának (ERES) minősül melyet az alábbi képlet segítségével kell kiszámolni: ERES = Qhasznos * (1–1/SPF) ahol Qhasznos = a hőszivattyúból származó teljes becsült hasznos hőenergia, amely megfelel az 5. cikk (4) bekezdésében meghatározott követelményeknek, a következők szerint megállapítva: csak az SPF > 1,15 * 1/η adottságú hőszivattyúk vehetők figyelembe! , melynek teljesülését a Projekt Terv Útmutató 7.2 és/vagy 7.3-as pontjaiban kérünk bemutatni! SPF = a becsült átlag szezonális teljesítmény faktor az említett hőszivattyúknál, amit a Projekt Terv Útmutató 7.2 és/vagy 7.3-as pontjaiban kérünk kifejteni! (SPF = a hőszivattyúval leadott éves hőenergia (kWh)/ az éves felvett elektromos energia (kWh)) η a teljes bruttó villamosenergia-termelés és a villamosenergia-termeléshez felhasznált elsődleges energia aránya, és az Eurostat adatok alapján megállapított EU átlagként kell kiszámolni, amit a Projekt Terv Útmutató 7.2 és/vagy 7.3-as pontjaiban kérünk kifejteni! „

A hőszivattyús hőközpontok A hőközpontok lehetséges kialakításai: A” Az általánosan alkalmazott víz-víz rendszerű hőszivattyúkkal „B” A speciálisan magas hőmérsékletű elfolyó termálvizek közvetlen felhasználására és magas fűtési előremenő hőfokszintre(800C) alkalmas hőszivattyúkkal „A” Az általánosan alkalmazott víz-víz rendszerű hőszivattyúkkal (R410A;R407C): Magas hőmérsékletű rendszerek átalakítás nélküli monovalens kiszolgálásához nem elégséges a hőfokszint 200C-nál magasabb elfolyó vizet közvetlenül nem tudnak hasznosítani.(COP(35/62)= 3,2-3,4) A hőközpontok lehetséges kialakításai: „A” Az általánosan alkalmazott víz-víz rendszerű hőszivattyúkkal „B” A speciálisan magas hőmérsékletű elfolyó termálvizek közvetlen felhasználására és magas fűtési előremenő hőfokszintre(800C) alkalmas hőszivattyúkkal „A” Az átlagosan 350C-on elfolyó termálvíz hőjének hasznosítása az intézményeknél az általánosan alkalmazott víz-víz rendszerű hőszivattyúkkal erősen korlátozott lehetőségeket biztosít. Egyrészről korlátozó tényező, hogy a legmagasabb fűtési előremenő hőmérséklet 600C, ami a jelenlegi magas hőmérsékletű 800C/600C fűtési hőfoklépcsőre tervezett meglévő fűtési rendszer teljeskörű , monovalens kiszolgálásához nem elégséges. Ez esetben bivalens fűtési rendszer megvalósítására lenne szükség, amellyel így a rendelkezésre álló magas entalpiáju elfolyó termálvizet lényegesen kisebb üzemidőben tudnánk hasznosítani, s a rendszer megújuló energiára vetített beruházási költsége jelentős mértékben növekedne. Ennél is nagyobb probléma,hogy a víz-víz rendszerű hőszivattyúk 200C-nál magasabb elfolyó vizet közvetlenül nem tudnak hasznosítani, s ezért előtét hőcserélő alkalmazásával a 350C-ról 200C-ra kellene konvertálni a termálvíz hőfokszintjét. Ennek következménye azonban az,hogy a pillanatnyi COP=3,4 értéket a 600C-os kimenő fűtési hőmérsékleten nem lehet túlszárnyalni,ami így erőteljesen csökkenti a hőszivattyús rendszer megújuló energia tartalmát,s a megújuló energia tartalomra vetített fajlagos beruházási költséget. Egy ilyen rendszerrel a max. 620C/560C–fűtési hőfoklépcsőre az átlag 350C-os tápvízből COP=3,4, az 500C/450C–fűtési hőfoklépcsőre COP=5,1 értéken tudja felfűteni. Ez azt jelenti,hogy a max 620C-os fűtési hőfoklépcsőnél az elérhető SCOP≤4,5

A hőszivattyús hőközpontok „B” A speciálisan magas hőmérsékletű elfolyó termálvizek közvetlen felhasználására és magas fűtési előremenő hőfokszintre(800C) alkalmas hőszivattyúkkal Sajátossága:a rendelkezésre álló ~350C-os elfolyó termálvizet 800C/720C –fűtési hőfoklépcsőre COP=3,3 értéken tudja felfűteni. Az 500C/40,50C–fűtési hőfoklépcsőre COP=6,9 értéken   Ebben a variációban az intézmények magas hőmérsékletű radiátoros fűtési és HMV rendszereinek hőellátására speciálisan magas hőmérsékletű elfolyó termálvizek közvetlen felhasználására és magas fűtési előremenő hőfokszintre(800C) alkalmas hőszivattyúk kerülnének beépítésre. Ezen hőszivattyúk sajátossága,hogy a rendelkezésre álló ~350C-os elfolyó termálvizet 800C/720C –fűtési hőfoklépcsőre COP=3,3 értéken tudja felfűteni. Az 500C/40,50C–fűtési hőfoklépcsőre COP=6,9 értéken. Jelen esetben azonban a tároló hőfoka folyamatosan 200C-ig csökken, s emiatt az átlag~150C-os elfolyó termálvizet 800C/720C–fűtési hőfoklépcsőre COPátlag=3,1 ,az 500C/40,50C–fűtési hőfoklépcsőre COP=6,6 értéken tudja produkálni. Ez azt jelenti,hogy a külső hőfokszint alapján szabályozott fűtési rendszer várható hatékonysága: SCOP=5,4 Mint a fentiekből látható a speciálisan hulladékhő tartományra tervezett hőszivattyúval max.800C-os fűtési előremenővel is SCOP=5,4 a várható érték, míg a standard víz-víz hőszivattyúval max.620C-os fűtési előremenőnél is csak 4,5. Emiatt mindenképp a „B” variáció megvalósítása célszerű megoldás.

A hőszivattyúk paraméterei GWT300-H Fűtési üzemmód ,500C fűtési előremenő hőmérséklet. 2x scroll kompresszorral /R134 A/ víz –víz Föld oldali adatok Készülék adatai Fűtés oldali adatok ELT / 0C/ Tömeg- áram /l/min/ LLT /0C/ t Elpárolg. Telj. /kW/ Elektr.telj. Igény/kW/ Amp. /A/ Fűtési telj. /kW/ COP EWT Tömeg-áram LWT 46,1 390 35,4 10,7 291,0 39,7 67,7 329,0 8,3 37,9 50,0 12,1 43,4 33,4 10,0 273,0 39,1 67,0 310,0 7,9 38,6 11,4 40,8 31,4 9,4 256,0 38,5 66,4 292,0 7,6 39,3 38,2 29,4 8,8 239,0 65,8 275,0 7,3 39,9 10,1 35,5 27,3 8,2 224,0 37,5 65,4 259,0 6,9 40,5 9,5 ELT / 0C/ Tömeg-áram /l/min/ LLT /0C/ t Elpárolg. Telj. /kW/ Elektr.telj. Igény/kW/ Amp. /A/ Fűtési telj. /kW/ COP EWT LWT 46,8 390 38,9 7,9 214,0 67,2 107,5 278,0 4,1 69,8 80,0 10,2 44,3 36,9 7,4 199,8 67,0 107,2 263,0 3,9 70,4 9,6 41,8 34,9 6,9 186,8 66,6 106,7 250,0 3,8 70,8 9,2 39,3 32,9 6,4 174,0 66,4 106,4 237,0 3,6 71,3 8,7 30,9 6,0 162,2 66,0 105,7 225,0 3,4 71,8 8,2 34,5 29,0 5,5 150,6 105,8 213,0 3,2 72,2 7,8

A műszaki megoldás egy tervezett példán keresztül A hőszivattyús hulladékhő hasznosító rendszer három fő részből tevődik össze: 1.hulladékhőt(használt termálvíz) tároló puffer Hulladékhőt szállító csővezeték rendszer Hőszivattyús hőközpontok A lehetséges és hatékony műszaki megoldás egy olyan tervezett példán keresztül kerül bemutatásra,amely a fürdők esetében a legtöbb esetben általánosnak ítélhető. A hőszivattyús hulladékhő hasznosító rendszer három fő részből tevődik össze: 1.hulladékhőt(használt termálvíz) tároló puffer 2.Hulladékhőt szállító csővezeték rendszer 2.Hőszivattyús hőközpontok

A műszaki megoldás egy tervezett példán keresztül

A tervezett hőközpontok fő paraméterei A vizsgálat tárgya 5db önkormányzati intézmény gázkazános fűtési rendszerének kiváltása az elfolyó termálvízre alapozott hőszivattyús rendszerrel. Az összesített fűtési teljesítmény igény: 521 kW A beépített hőszivattyúk átlagos fűtési teljesítménye: 626 kW Az egyes hőközpontok részletezett teljesítmény adatai a következő táblázatban láthatók. Jelen esetben a vizsgálat tárgya 5db önkormányzati intézmény gázkazános fűtési rendszerének kiváltása az elfolyó termálvízre alapozott hőszivattyús rendszerrel. Az összesített fűtési teljesítmény igény: 521 kW A beépített hőszivattyúk átlagos fűtési teljesítménye: 626 kW A beruházás számított összköltsége: 127,9mFt A tervezett évi fűtési és HMV energia bevitel a hőszivattyús rendszerrel: 784 142 kWh   A feltételezett városközpontban fektetendő termálvíz vezetékpár,a hőközpontok és tervezés költsége

A tervezett hőközpontok fő paraméterei

A használt termálvíz puffer tároló mérete: Cél: A hőszivattyúk folyamatos üzemének biztosítása Hetente 2 nap a tárolóból kell megoldani a hőszivattyúk üzemeltetését A célszerű optimális méret 150m3 Szükség esetén 150C-ig lehet lehűteni a tárolót 4 fokozatban 4 fokozatban történő lehűtéssel valójában 600m3 350C-200C közötti előremenő hőmérsékletű tápvíz áll rendelkezésre a hőszivattyúk üzemeltetéséhez. azon a heti két napon, amikor 16h-ig nem áll rendelkezésre csak a tárolt vízmennyiség ,teljes kapacitású -50C-(-150C)- os külső léghőmérséklet mellett közel 8h-s üzemet lehet a hőszivattyúkkal biztosítani. (nagyobb tároló?-Nincs lehetőség!) A puffer tároló méretezésénél figyelembe kell venni,hogy hetente 2 nap a medencékben vízcsere történik,ekkor az egész vizet leengedik, s a feltöltés ideje alatt,(16h),a puffer tárolóban összegyűjtött termálvízen kívül sem hő,sem további elfolyó termálvíz nem áll rendelkezésre a hőszivattyúk üzemeltetéséhez. A célszerű optimális méret 150m3. Ezzel a tároló mérettel a várható 350C-os hőfokszintből ,az alkalmazott hőszivattyúk elpárologtató oldali paramétereinek figyelembe vételével 4 fokozatban lehet kinyerni a hőt. Ezt úgy célszerű megvalósítani, hogy a hőszivattyúktól visszatérő víz egy útváltó szelepen keresztül vagy a tárolóba kerül vissza,vagy elfolyó csatornába. Az útváltó motoros szelepet egy a tárolóba épített hőmérőnek ,illetve egy szintjelzőnek kell átváltani. Amíg a tároló hőmérséklete nem süllyed 200C-ra addig (ekkor a csatornába elfolyó víz hőmérséklete 150C) a visszatérő víz a tárolóba kerül vissza, amennyiben a tároló szintje ezt megengedi. A hőmérséklet elérésekor nyit a motoros útváltó szelep,és az elfolyó vizet a csatornába engedi. (1.ábra) Ezzel a megoldással, a puffer tárolóban tárolt használt termálvíz 4 fokozatban történő lehűtésével valójában 600m3 350C-200C közötti előremenő hőmérsékletű tápvíz áll rendelkezésre a hőszivattyúk üzemeltetéséhez. A beépítendő hőszivattyúk tervezett elpárologtató oldali összes csúcs teljesítmény igénye: Peö= 489 kW A napi elpárologtató oldali termálvíz hőenergia igény: A legnagyobb terhelésű , -50C-(-150C)- os átlag külső léghőmérsékletű napokon, amikor 16h-ig nincs hőutánpótlás (0,7-es egyidejűséggel) 8h-s fűtési üzemidővel számolva ,a Qeö= 449 kW*8h= 3592kWh A puffer tárolóban rendelkezésre álló hőenergia: Qpö= 150 000kg*4,2kJ/kgK*20K= 12 600 000kJ (3500kWh) Így azon a heti két napon, amikor 16h-ig nem áll rendelkezésre csak a tárolt vízmennyiség ,teljes kapacitású -50C-(-150C) - os külső léghőmérséklet mellett közel 8h-s üzemet lehet a hőszivattyúkkal biztosítani.

A hulladékhőt szállító csővezeték rendszer Feladata: A tárolóban összegyűlt használt termálvizet a szükséges tömegáramban az egyes intézmények hőközpontjaiban elhelyezett hőszivattyúk elé beépített szerelhető hőcserélőkhöz juttassák A visszatérő vezeték a puffer tároló közelében elhelyezett háromjárató útváltó szelepig, s onnét a elfolyó csatornáig kerül kiépítésre. PE csövek alkalmazása lehetséges Cirkulációs szivattyú Szabályzó rendszer Mivel a hőmérséklet nem haladja meg a 350C-t ,a kedvező árú PE csövek alkalmazása lehetséges. A csővezeték rendszer része a cirkulációs szivattyú és szabályzó rendszer. A szükséges tömegáram és nyomómagasság biztosítására inverteres (fordulatszám szabályozott) kút búvárszivattyú alkalmazása történik.(1.ábra) A szerelhető hőcserélők előtt egy tömegáram szabályzó és záró szerelvény kerül beépítésre. A tömegáram szabályzó nyitását és zárását a hőszivattyú szabályzója végzi. Amikor a hőszivattyú leáll,akkor zárja a csővezetéket. Ezáltal nő a csőrendszerben a nyomás , s az inverteres búvárszivattyú kisebb fordulaton fog működni. Amennyiben minden hőszivattyú leáll,akkor a búvárszivattyú is megáll.

A hőszivattyús rendszer hatékonysága A hőszivattyúk várható hatékonysága: SCOP=5,4(5,2 cirk.sziv.) ERES = 784 142kWh*(1-1/5,2)=633 345 kWh (2280GJ) A rendszer számított évi energia megtakarítása 12 547 120-Ft. A beruházás számított összköltsége: 127,9mFt A megújuló energiára vetített fajlagos beruházás költsége: 202,0Ft/kWh A hőszivattyús rendszer SCOP értéke A hőszivattyús rendszer puffer tartályában a a hét 5 napjában folyamatos a hő utánpótlás. Ezen 5 napban a 350C-os termálvíz lehűtése 1 lépcsőben történik. Az 50-800C fűtési előremenő hőmérsékletek között a külső hőmérséklet függvényében szabályozott hőszivattyús rendszer átlagos értéke SCOP=5,6 A hét 2 napjában a vízcserék ideje alatt hőutánpótlás nem áll rendelkezésre. Ekkor a 150m3-es tárolóban tárolt vizet hűtjük le egészen 200C-ig.(3 lépcsős lehűtés) Az 50-800C fűtési előremenő hőmérsékletek között a külső hőmérséklet függvényében szabályozott hőszivattyús rendszer átlagos értéke SCOP=5,0 A fentiek alapján a hőszivattyúk várható értéke: SCOP=5,4. Amennyiben a primer oldali cirkulációs szivattyú rontó hatását is beszámítjuk,akkor a komplett hőszivattyús rendszer várható értéke: SCOP=5,2 Az SPF > 1,15 * 1/η adottságú hőszivattyú kritériumnak a tervezett hőszivattyúk megfelelnek, s így a ERES = Qhasznos * (1–1/SPF) képlet alkalmazásával a rendszerek megújuló energia tartalma számítható. Az épületbe a hőszivattyús rendszerrel bevitt hőenergia megújuló energia tartalma: ERES = 784 142kWh*(1-1/5,2)=633 345 kWh (2280GJ) A rendszer számított évi energia megtakarítása 12 547 120-Ft. A megújuló energiára vetített fajlagos beruházás költsége: 202,0Ft/kWh

Összegzés Megállapítható,hogy az elfolyó termálvizeinket a jelenlegi hőszivattyúkkal hatékonyan fel lehet használni az épületek hőenergia ellátásához,akár magas fűtési hőfokszinten is. Ezzel jelentős mennyiségű megújuló energiát termelünk, kedvező fajlagos beruházási költséggel. Emellett jelentős mértékben csökkentjük a környezetünk hőterhelését. Napelemes kiegészítéssel a megtakarítás és a megújuló energia tartalom tovább bővíthető. Megállapítható,hogy az elfolyó termálvizeinket a jelenlegi hőszivattyúkkal hatékonyan fel lehet használni az épületek hőenergia ellátásához,akár magas fűtési hőfokszinten is. Ezzel jelentős mennyiségű megújuló energiát termelünk, kedvező fajlagos beruházási költséggel. Emellett jelentős mértékben csökkentjük a környezetünk hőterhelését. Napelemes kiegészítéssel a megtakarítás és a megújuló energia tartalom tovább bővíthető.