Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Mechatronikai és Autótechnikai Intézet, Budapest, 2007. okt. 24. Komlós Ferenc A hőszivattyúzás Handbauer Magdolna „Az energia velünk van, fűtés/hűtés földhővel” c. grafikái

„Ha azt kérdezik, hogy nem késtünk-e el, hogy Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Mottó: „Ha azt kérdezik, hogy nem késtünk-e el, hogy visszafordítható-e még az a rombolás, amit az emberiség ejtett a természeten, a válaszom az, hogy nem késtünk el. Amíg él az akarat, addig sosincs késő. Ha pedig az emberek közösen akarnak valamit, akkor azt meg is teszik, ezáltal érvén el céljukat, bármi is legyen az.” Teller Ede

Hőszivattyús rendszer Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Alapfogalmak, kulcsszavak (1) Hő A hő az energia egyik formája. Ha egy anyag hőtartalom-változása hőmérséklet-változásban nyilvánul meg, akkor a hőt érzékelhető hőnek nevezzük. Ha pedig a halmazállapot-változás úgy megy végbe, hogy nincs érzékelhető hőmérséklet-változás (pl. folyadékból gázba, vagy fordítva gázból folyadékba alakul át), akkor ezt a hőt rejtett (látens) hőnek nevezzük. A hő tehát átadható érzékelhető vagy rejtett hő formájában is. MEGJEGYZÉS: a gáz halmazállapotot gőzállapotnak is nevezik. Hőszivattyú Olyan berendezés, amely bizonyos hőmérsékleten hőt vesz fel és megnövelve azt egy nagyobb hőmérsékleten adja le. Amikor a hőszivattyú hőt termel (pl. helyiségfűtésre vagy vízmelegítésre) fűtő üzemmódban, amikor hőt von el (pl. helyiséghűtésre), akkor pedig hűtő üzemmódban üzemel. Munkaközeg Azt az anyagot nevezzük munkaközegnek, amely a hőszivattyú körfolyamatában kis hőmérséklet és kis nyomás mellett hőt vesz fel az elpárologtatóban, majd nagyobb hőmérsékleten és nagyobb nyomás mellett hőt ad le a kondenzátorban [az egyik hőátadó felületen párolgás (forrás) a másikon pedig kondenzáció (cseppfolyósodás) lép fel]. Hőátadó közeg Olyan folyadék vagy gáz (általában víz vagy levegő), amely szállítja a hőt a hőszivattyúhoz vagy a hőszivattyútól. Hőszivattyús rendszer Hőszivattyús rendszeren a bevezetett energiát, a kompresszor energiaellátását és a hőforráshoz kapcsolódó berendezéseket (elpárologtatóoldal), valamint a hő hasznosításához kapcsolódó berendezéseket (kondenzátoroldal) együttesen értjük.

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Alapfogalmak, kulcsszavak (2) A hőszivattyúra jellemző elméleti (reverzíbilis) ún. CARNOT-féle COP a kondenzátor és az Elpárologtató hőmérséklet-adataiból kiszámolható: CARNOT-féle elméleti COP = TKONDENZATOR /(TKONDENZATOR – TELPÁROLOGTATÓ) ahol: T [K] = t [°C] + 273 Osztott („split”) készülék Olyan készülék, amelynél a hűtési rendszer szerkezeti egységei gyárilag egy vagy több egységre vannak felosztva úgy, hogy azok különállóan telepíthető szerkezeti egységekből álló berendezést alkotnak. Beltéri és kültéri egységből állnak, amelyeket réz csővezetékkel és villamos kábelekkel kötnek össze. Hűtésre és fűtésre is alkalmazzák. Alapkivitelben egy kültéri egységhez egy beltéri egység tartozik, de vannak összetett („multi”) rendszerű készülékek, amelyeknél egy kültéri egységhez 2–5 beltéri rész tartozhat. Ez lehetővé teszi, hogy több helyiséget fűtsünk/hűtsünk egy kültéri géppel. Az osztott („split”) klímakészülék beltéri egységét a klimatizálandó helyiségbe szerelik. A kültéri egységet legtöbbször az épület homlokzatán, tartókonzolra szerelve helyezik el, de jobb, ha a tetőre kerül. Ennek a szétválasztási módnak óriási előnye, hogy a zajosnak számító részek (ventilátor, kompresszor) a kültéri egységben helyezkednek el, így a beltéri egység csöndessé válik. A beltéri egységet általában az oldalfalra szerelik, de megkülönböztetünk elhelyezés szempontjából álmennyezetbe süllyeszthető (kazettás), mennyezet alá szerelhető és parapetre szerelhető készüléket is. Ventilátoros konvektor („fan-coil”) Olyan fűtő/hűtő készülék, amelynél a hőátadás elősegítésére ventilátort használnak. Klímakonvektornak is nevezik. A hőcserélője rézcsőre erősített sűrűn elhelyezett apró bordákból áll, ezáltal többszörösére növekedik a hőleadó felület egy hagyományos radiátorhoz képest. A levegőoldali nagy hőcserélő-felület és a ventilátorral segített hőátadás miatt a készülék nemcsak fűtésre használható, hanem hűtésre is, ha a meleg víz helyett hideg vizet keringtetünk a hőcserélő vízoldalán.

Az energia megtakarításának több lehetősége van, jellemzően: Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Az energia megtakarításának több lehetősége van, jellemzően: végenergia-csökkentés (pl. födém, padló és homlokzat hőszigetelése, nyílászárók cseréje), hatásfokjavítás (pl. régi, elavult kazán cseréje), kapcsolt energiatermelés (villany és hő egyidejű termelése) és trigeneráció, megújuló energiák hasznosítása (pl. hőszivattyúval, biokazánnal, napkollektorral, napelemmel).

energiamegtakarítást az energiatermelés és az energiafelhasználás Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Épületfajták fajlagos energiaigényei [kWh/m2év] Forrás: HOVAL cég A legnagyobb energiamegtakarítást az energiatermelés és az energiafelhasználás ésszerűsítésével, az építmények hőveszteségének csökkentésével, valamint a fűtőberendezések optimális, európai értékrend szerinti kiválasztásával és üzemeltetésével érhetjük el. Így a környezet terhelésének mérsékelésével javulhat a társadalom egészsége, életminősége.

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Keszthelyi zöldtetős gerendaház (építésekor) Forrás: HungLogHome Kft.

Egy energetikai minőségtanúsítvány összefoglaló mintalapja Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Egy energetikai minőségtanúsítvány összefoglaló mintalapja Forrás: Fritz Péter: Hol tart az energetikai minőségtanúsítvány? (Facility Management [Létesítménygazdálkodás], 2007/3 szám. A folyóirat várhatóan októberben jelenik meg.) A minőségtanúsítvány azt rögzíti, hogy rendeltetésszerű használat mellett egy év alatt mekkora az épület vagy lakás energiafelhasználása a hasznos alapterületre vetítve. A 7/2006. (V.24.) TNM rendeletben az EU-irányelvnek (2002/91/EK) megfelelően az épületek energetikai minőségi kategóriák szerint vannak besorolva: A+, A, B, C, ...I.

Két fontos szempontra hívja fel a figyelmet: Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás A Lindal-diagram a földhőhasznosítás különböző tartományait foglalja össze. Két fontos szempontra hívja fel a figyelmet: - a kombinált hasznosítás gyorsítja a geotermikus projektek megtérülését, ugyanakkor - a készlethőmérséklet korlátozza a lehetséges hasznosítások számát. Forrás: Lindal, 1973

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Különböző hőtermelések primerenergetikai hatásfoka (Primerenergia: a rendelkezésre álló és az energiaátalakításra felhasználható elsődleges energiaforrások gyűjtőneve) Forrás: Joós Lajos: Energiamegtakarítás a háztartások földgázfelhasználásában. Magyar Épületgépészet, XLI. évf. 2002/4. szám

Hőforrás Bevezetett energia Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Hőszivattyús rendszer Hőforrás (megújuló energia és/vagy hulladékhő) Bevezetett energia pl. elektromos áram, biogáz, biodizel, bioetanol Hasznos energia pl. fűtés, hűtés, használati meleg víz Hőszivattyú (hőelvonás és hőleadás)

A hőszivattyúk energiaforrása az Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás A hőszivattyúk energiaforrása az ún. „zöldhő”: - a felső három vázlatrajz a földhő (talajhő), - a középső kettő a talajvíz illetve a felszíni víz, - az alsó kettő a levegő (napenergia) hasznosítását ábrázolja vázlatosan. Forrás: VAILLANT cég

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Hőszivattyús rendszer Forrás: EVN Energie Versorgung, Niederösterreich Aktiengesellschaft 1994. p. 4.

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Idealizált Carnot-féle körfolyamatok két-két hőmérséklethatár között, négyféle felhasználási cél elérése érdekében

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Kompresszoros hőszivattyús rendszer (napkollektorral)

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Az emberi test és környezete közötti hőcsere vázlata Forrás: Bánhidi László: Ember – Épület - Energia. Akadémia Kiadó, 1994

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Kis méretű lakás padló- és falfűtése illetve -hűtése (csőkígyós vagy csőregiszteres) Forrás: VARIOTHERM cég

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Vízszintes elrendezésű talajkollektoros villamos hőszivattyú COP, ill. teljesítménytényezőjének (ε) változása a talajkollektorban áramló hőhordozó közeg hőmérsékletének függvényében, különböző (35, 45 és 55 °C-os) fűtési előremenő vízhőmérsékletek esetén Forrás: LODAM cég

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Gázmotoros levegő/víz (A/W) hőszivattyús rendszer

Hőszivattyús rendszerek üzemmódjai: Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Hőszivattyús rendszerek üzemmódjai: • felső ábra: monovalens, • középső ábra: bivalens alternatív, • alsó ábra: bivalens parallel

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Monoenergetikus működés elvi rajza Forrás: DAIKIN cég A villamos hőszivattyúk monoenergetikus rendszerű működését úgy biztosítjuk, hogy a hőszivattyú az éves fűtési hőigény 90–95%-át fedezi, a maradék fűtési igény 5–10%-át pedig egy tartalék elektromos fűtőtest biztosítja (az ábrán az elektromos fűtőtestet egy kis zöld téglalap ábrázolja). A hőszivattyút úgy választják meg, hogy a fűtési hőigényt 60%-ban szolgáltatja a tervezett leghidegebb napon. A beruházási és üzemeltetési költségek szempontjából általában ez az optimális választás.

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Levegő/víz (A/W) hőszivattyú fűtésre és HMV készítésére Megjegyzés: itt a split készülék (levegő/víz hőszivattyú) kültéri egysége a környezeti levegő energiáját hasznosítja, a beltéri hidraulikus modul adja át a hőenergiát a radiátoros padlófűtésnek és a HMV tárolójának. Forrás: DAIKIN cég

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Földhőhasznosítás zárt hurkos csövezéssel, vízszintes kollektorral, sólé/víz (B/W) hőszivattyúkkal Forrás: Villavärmepumpar, Energimyndighetens sammanställning av värmepumpar för småhus

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Földhőhasznosítás zárt hurkos csövezéssel, függőleges kollektorral, sólé/víz (B/W) hőszivattyúkkal Forrás: Villavärmepumpar, Energimyndighetens sammanställning av värmepumpar för småhus

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Földhőhasznosítás nyitott rendszerű, ún. kétkutas, víz/víz (W/W) hőszivattyúval Forrás: Geowatt Kft.

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Hőtermelők összehasonlítása (az olaj- és a gázkazánhoz viszonyítva) Megjegyzés: a hőszivattyút jellemző teljesítménytényezőt, COPÉVES-t jóságfoknak is írják. Forrás: IWP-Initiativkreis Warmepumpen e. V., Stiebel Eltron Kft.

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Olajkazánhoz viszonyított globális CO2-kibocsátás (a villamos hőszivattyúk lokális CO2-kibocsátása nulla) Forrás: Nemzetközi Energia Ügynökség (IEA) Kitörést hozhat fejlődésünkben az energia ésszerű felhasználásának eszköze: a hőszivattyú. Az energiamegtakarításhoz olyan energiahordozót használhat fel, ami nem okoz szén-dioxid (CO2)-növekedést! Sőt globálisan CO2- és légszennyezés-csökkenést jelent a használata!

Jellemző példaként ismertetem egy magyar Kft. levegő/víz (A/W) Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Hőszivattyús rendszerek költségei (1) Jellemző példaként ismertetem egy magyar Kft. levegő/víz (A/W) hőszivattyúkkal kapcsolatos, anyagra és munkára vonatkozó tájékoztató árait. A készülékek 5−16 kW fűtőteljesítményig kaphatóak. Az árak teljesítménytől és gyártótól függően 850.000.- Ft + áfa és 1.650.000.- Ft + áfa között vannak. A HMV-tárolók a saját rendszeréhez illeszthetőek. 150, 200 és 300 literesek. Áruk: 190.000.- Ft + áfa és 230.000.- Ft + áfa között vannak. A hőszivattyú beszerelési költsége kb. 80.000−100.000.- Ft + áfa (ezt az árat felmérés után pontosítják). A továbbiakban ugyanúgy kell szerelni, mint egy hagyományos fűtési rendszert. Karbantartási költség évente kb. 10.000.- Ft + áfa (+ kiszállási költség).

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Hőszivattyús rendszerek költségei (2) 2. A hőszivattyús rendszerek gazdaságosságát alapjaiban meghatározza az adott rendszerrel elérhető COPéves teljesítménytényező értékének alakulása. A földhős zárt hurkos, ún. földszondás hőszivattyús rendszereket jelenleg COPéves = 4,5 értékre tervezik. Ennek az értéknek a megvalósulása azonban számos tényező függvénye. Az üzemeltetés is odafigyelést igényel. Az egyre korszerűbb automatikák beépítésével csökken a beavatkozás lehetősége és így csökken a negatív tényezők szerepe is. Ezen érték megvalósulása jelenleg 45−50% körüli pénzbeli megtakarítást hoz a megrendelőnek a vezérelt és nappali áram 70/30 százalékos igénybevétele által.

2 db 15 m talpmélységű vízkútpár (termelő + nyelető): 600.000.- Ft Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Hőszivattyús rendszerek költségei (3) 3. Jellemző példaként az alábbiakban ismertetem egy napjainkban elkészült 11 kW-os teljesítményű, ún.  kétkutas hőszivattyús rendszer beruházási költségét: Hőszivattyú: 2.060.000.- Ft  Gépészet: 380.000.- Ft Munkadíj: 170.000.- Ft 2 db 15 m talpmélységű vízkútpár (termelő + nyelető): 600.000.- Ft Kútgépészet: 460.000.- Ft Beszabályozás, beüzemelés: 100.000.- Ft Összes bruttó költség: 3.770.000.- Ft

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Hőszivattyús rendszerek költségei (4) 4. Lakóépületek esetében a beruházási költség bruttó 4,0−5,3 millió Ft között mozog zárt hurkos, függőleges kollektoros (földszondás) hőszivattyús rendszerek kivitelezésével. Ezen érték csökkenése a magyarországi hőszivattyúgyártás (az ún. Heller-program) eredményeképpen képzelhető el. Ez bruttó 0,8–1,0 millió Ft csökkenést eredményezhet. Amennyiben a rendszerek megtérüléséről beszélünk, külön kell választanunk az újonnan épülő és az átalakításra, fűtéskorszerűsítésre szoruló épületeket, ezenkívül külön kell vizsgálni a családi lakóházakat (legfeljebb 10−20 kW hőigény) a nagyobb rendszerektől.

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás A vonatkozó jogszabályok alapján a környezeti levegőből (a légkör troposzféra rétegéből), és a felszíni vizekből (állóvizek, vízfolyások) vett hőenergia hőmérséklethatár nélkül költségmentes (ingyenes), a földhő (geotermikus energia) hasznosítása pedig addig szintén költségmentes, amíg a hőszivattyú hőforrásoldali csőcsonkján a hőhordozó közeg hőmérséklete a 30 °C-ot nem haladja meg. Szinte mindenütt van alkalmas környezeti hőforrás, amelyet csak hőszivattyúval lehet energetikailag kedvezően hasznosítani, ráadásul a hőhordozóját sem kell megvásárolni, tárolni. A hosszú élettartam (kb. 30 év) és a kisebb üzemeltetési költség miatt a beruházási többletköltség a berendezés működési ideje alatt többszörösen megtérül (szakszerű tervezés-kivitelezés és üzemeltetés esetén)!

A hőszivattyú múltjának magyar vonatkozásával kapcsolatban Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás A hőszivattyú múltjának magyar vonatkozásával kapcsolatban jelezni kell, hogy 1948-tól a Heller László (1907–1980) közreműködésével kidolgozott kompresszoros hőszivattyú áttörést jelentett e technológia történetében. A „Heller László terv, egy munkahelyteremtő kezdeményezés” című javaslat névadója, világhírű professzor, akadémikus. 1948-ban védte meg doktori disszertációját, amelynek témája a hőszivattyúk alkalmazásának technikai, gazdasági feltételei volt (Heller L.: Die Bedeutung der Wärmepumpe bei thermischer Elektrizitadserzeugung Universitaetsdruckerei, Budapest, 1948)

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás A hőszivattyúk hőforrásai

Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Befejezésül még egy mottó: „Lehetetlen egy probléma megoldása azokkal a módszerekkel, amelyek magát a problémát hozták létre.” (Albert Einstein)

A fenntartható fejlődés útja: Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás A fenntartható fejlődés útja: az emberhez méltó környezet létrehozása Ezt a rajzot Handbauer Magdolna grafikus készítette

Felhasznált és ajánlott irodalom, internetes források Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Mérnöki Kar Komlós Ferenc: A hőszivattyúzás Az előadó rövid bemutatása okleveles gépészmérnök, épületgépész (BME), ny. vezető-főtanácsos. Aktív tagja vagyok a következő szakmai szervezeteknek: MEE, MNT, ETE, MIPOET, MET Hidrogén Tagozat, valamint az ÉTE Hőszivattyús Szakosztály elnökségének. 2005-ben kidolgoztam és széles szakmai körben ismertettem a „Heller László terv, egy munkahelyteremtő kezdeményezés” című (röviden: Heller-program) országos viszonylatú javaslatot. 2002 óta publikációm többsége a világhálón is megtalálható. Ezúton jelzem, hogy ebben az épületben, illetve ennek az iskolának az elődjénél voltam középiskolás, és itt jó alapokat kaptam. E-mail: komlosf@pr.hu Felhasznált és ajánlott irodalom, internetes források ● Komlós Ferenc: Hőszivattyú lakossági tájékoztató anyag: http://klima.kvvm.hu/index.php?id=48 (Kapcsolódó háttéranyag: http://klima.kvvm.hu/index.php?id=14 ) ● Komlós Ferenc−Fodor Zoltán−Kapros Zoltán−Vaszil Lajos: A hőszivattyú. Csináljuk Jól! energiahatékonysági sorozat 22. szám. Energia Központ Kht. Budapest, 2007. november (várható megjelenés): http://www.energiakozpont.hu/ Komlós Ferenc: Igény a hőszivattyúra ELEKTROTECHNIKA 2007/10 http://www.mee.hu/elszam0710.php http://www.epiteszforum.hu/ http://www.zoldtech.hu/