Talajkollektoros hőszivattyúk anomáliái

Hőszivattyús rendszerek vízoldali kialakításának buktatói

Örvendetes tény, hogy az érdeklődés az utóbbi időkben az alternatív energiák irányában erősödni kezdett.

Ezen belül sok esetben a hőszivattyúk jelentik az ideális, a megrendelő lehetőségeihez és igényeihez képest, megoldást. A szaporodó érdeklődés egyre több megvalósuló rendszert eredményez. A tisztelt megrendelő meg sok esetben hajlamos az olcsóbb megoldást választani, amit sok kivitelező ki is használ. ezzel még nem volna baj, de az olcsósítás sok esetben olyan kivitelezői, vagy rendszer egyszerűsítésekből adódik amely már komoly működési zavarokat okozhat a későbbiek során. Tapasztalatom szerint ezen kivitelezési követelményekkel sokszor még az ajánlkozó kivitelező sincs teljesen tisztában, gondolván, hogy az eddig megszokott épületgépészeti gyakorlatnak megfelelően egy kismértékű alulméretezés nem is okoz észrevehető hiányt a működésben. Tévedés, a hőszivattyús rendszerek érzékenyek minden rendszerbeli egyensúlytalanságra. Míg a megszokott rendszerek esetében, gázkazános rendszereknél, az egyes elemek külön - külön beszabályozhatóak voltak, ezáltal nem okozott problémát egy kissé nagyobb kazán, vagy esetleg nagyobb radiátorok. Persze, itt nem a bekerülésre gondolok, hanem az ebből eredő működési zavarok súlyosságára. A hőszivattyús rendszereknél viszont, a kompresszoros kör merevségéből adódóan a hőforrásnak a hőszivattyúnak és fogyasztói oldalnak azonos teljesítményűnek kell lenni. ha majd eljön az az idő, hogy a gyártók gyártani kezdik az inverteres hőszivattyúkat, akkor ez a probléma kevesebb gondot fog okozni.

Egy hőszivattyús rendszernél nem elég az épület hőszükségletéből kiindulva a hőszivattyú teljesítményét meghatározni, és ezzel elintézettnek tekinteni a dolgot.

A forrás oldal- hőszivattyú- épület hőigénye hármasak pontosan egyeznie kell, mert ha valamelyik elem teljesítménye eltár a másik kettő értékétől, akkor már nem lehet garantálni a rendszer tökéletes, energiatakarékos működését. Az sem jó ha valamelyik teljesítmény érték túl nagy, de az sem, ha túl kicsi.

Cikkünkben nem az épület hőigényével akarunk foglalkozni, az minden szakember számára evidens feladat. A gyakorlatban manapság inkább a forrás oldal kialakítása körül vannak hiányosságok. Kicsit olyan ez a dolog, mint az ismert hályogkovács esete. Amíg nem tudjuk mit lehet elrontani, nagy bátorsággal vállalkozunk a kialakításra.

Mielőtt a kivitelezésbe fogunk, ne csak az árat nézzük, hanem figyeljünk néhány, a működést jelentősen befolyásoló szempontra is.

Leggyakrabban függőleges szondák kerülnek kialakításra, ha már zárt rendszerről beszélünk.

Vizsgáljuk meg a talajszondák oldaláról, mit okozhat, ha nem megfelelő a méretezés (A kör).

Ha a szondák mérete kevés, és ez szokott a gyakoribb probléma lenni, mert hát nagyon csábító a beruházás költségeinek a csökkentése érdekében hogy kevesebb szonda létesül, mint amire valóban szükség volna.

A szonda valójában hőcserélő, és a talajhő összegyűjtésére szolgál. Ha kevés, akkor valójában a hőcserélő felületét csökkentettük, és nem tud megfelelő talajhőt összegyűjteni. Igen ám, de a kompresszor teljesítménye a hőszivattyúban adott, és az meg ezt az adott hőt vonja el a szondáktól, kényszerítve azt, hogy a talajból mégiscsak gyűjtse össze a szükséges hőt. A hőcserélőn a teljesítmény csak akkor biztosítható, ha növeljük az áramló közeg és a talaj hőmérséklet közti a különbséget, vagyis az áramló közeg (glikolos vízoldat) egyre hidegebb lesz.

A közeg hőmérséklete viszont meghatározza a hőszivattyú elpárolgási hőmérsékletét, vagyis minél hidegebb a keringtetett glikolos oldat egyensúlyi hőmérséklete, annál inkább leromlik a hőszivattyú COP- ja, és ilyenkor találkozhatunk akár 2- nél kisebb COP- val működő rendszerekkel is.

A keringtetett glikolos oldat 0 °C alá is lehűlhet, ezért szükséges az elfagyás elkerülése miatt a glikolozás, de szélsőséges esetben a hőszivattyú leállását is okozhatja.

A problémát leegyszerűsítve az alulméretezett szondarendszer a hőszivattyú jelentős COP romlásához vezet.

Ha viszont túlságosan óvatosak vagyunk, és a szondákat túlméretezzük, akkor megint csak hibásan járunk el. Nagyobb szondarendszer kialakítási költsége többe kerül, nagyobb a primer rendszer térfogata, több glikolra van szükség, és mindezek már eleve gazdaságossági oldalról teszik soha meg nem térülővé a beruházást.

Üzemeltetés szempontjából meg a nagyobb szondarendszerben, a megfelelő áramlási sebesség eléréséhez, ami a megfelelő belső csőoldali hőátadást meghatározza, nagyobb szivattyút kell alkalmazni, amelynek nagyobb az elektromos teljesítmény felvétele, amely ugyancsak a rendszer COP- jának a romlását okozza.

Tehát a túlméretezés sem járható út, mert nemcsak többe kerül, hanem a működése sem lesz megfelelő a rendszernek.

A talajból kinyerhető hőteljesítmény 1 m szondára vonatkoztatva tájékoztató jelleggel:

• a táblázat érvényes 30 kW- os hőszivattyúra vonatkoztatva, max 100-150 kWh/m kivétel esetén,
• csak fűtésre használva, függőleges szondahosszak 40-100 m,
• minimális távolság a szondák közt: 5 m 40-50 m- hosszú szondák esetében, 6 m 50-100 m hosszú szondák esetében
• dupla U csöves 60 mm átmérőjű szondák DN 20,DN25, DN32 csőből kialakítva

Mint a táblázatból látható, a szonda mérete nagyon függ a helyszíni adottságoktól. Csupán a talaj jellegétől függően a kinyerhető teljesítmény akár a fele is lehet egy kedvezőtlenebb, szárazabb talaj esetében mint a szükséges. Különösen veszélyes az a „méretezési mód”, ha azt vesszük figyelembe, hogy egy korábbi létesítménynél milyen teljesítmény igényhez, mekkora szonda került kialakításra. Ami ott megfelelt, nem biztos, hogy egy másik helyszínen is megfelel. Mindig egyedileg kell vizsgálni.

Az elégtelen hőcserélő vagy szonda felület a környező talajt is behűtheti, esetenként akár meg is fagyaszthatja. A fagyott talaj kitágul, és az esetlegesen rajta elhelyezkedő felépítményeket károsíthatja, nem beszélve a környező növényzet gyökereinek a károsodásáról.

A nyíltvizes kialakításoknál, amennyiben megoldható, magasabb COP értékek érhetőek el. A kialakításnál viszont nem minden esetben veszik figyelembe, hogy a kút vízhozama nem állandó. ha a hozam elapad, az elpárologtatón csak a névlegestől jóval kevesebb vízáram biztosítható, amely hőfoklépcsője ennek megfelelően megnő. Ez azt is jelentheti, hogy -0 °C alá is eshet a visszatérő víz hőmérséklete. Ez veszélyt jelent, ugyanis a kútvízét nem lehet glikollal „megvédeni” az elfagyástól. Persze, megfelelő védelem esetében nem fog elfagyni, csak a berendezés áll le, szüneteltetve a fűtést.

A vízkő, meg egyéb kémiai összetételből adódó veszélyeket itt nem akarom tárgyalni, mert azok egyszerűen károsíthatják a hőszivattyút, és nem csupán üzemeltetési anomáliákat okoznak. Továbbá nem tárgy a cikkünknek a hatósági engedélyezés sem.

A fentiekhez hasonló problémát okozhat a szekunder oldali teljesítmény egyensúly megbomlása.

Külön figyelmet kell fordítani a hőszivattyú fűtési rendszer oldali - szekunder vízáram - méretezésére. A legtöbb víz-víz hőszivattyú egy munkapontban, egyfokozatú kompresszorral üzemel, emiatt az összes transzformált hőenergiát azonnal el kell szállítani a hőszivattyúból. Ha a szekunder vízáram alacsony, vagy túl magas hőmérsékletű ami azt is jelentheti, hogy az épület teljesítménye jóval kisebb mint a hőszivattyú teljesítménye), és nem szállítják el a hőmennyiséget, az intelligens hőszivattyúk akár hibaüzenettel leállhatnak, és csak kézi beavatkozással indíthatók újra. Ennek oka, hogy a hűtőkörben a kompresszor összenyomja a hűtőközeget a kondenzátorban nagy nyomásra, de amennyiben a kondenzációhoz szükséges hőt nem tudjuk elvonni, akkor egy magasabb nyomásérték alakul ki, amely generálhat hibát, leállást, vagy nem ennyire szélsőséges esetben működik ugyan a berendezés, de nem a kívánt nyomásszinten. Ha a kompresszor nagyobb nyomást kell biztosítson a kondenzációhoz, akkor nagyobb lesz az elektromos teljesítmény felvétele is. Ez meg szintén a COP romlásához vezet. A szekunder vízáram létrehozható, ha az egész rendszert a szükséges vízáramra tervezik. Ez viszont a nagy csőkeresztmetszet miatt drága (C kör).

A hőtároló és a hőszivattyú közé szivattyút tesznek, amely a hőszivattyú megfelelő működéséhez szükséges vízáramot szolgáltatja.

A szekunder oldal viszont így könnyebben kezelhető, ugyanis a hőszivattyút eleve a legnagyobb még elfogadható előforduló fűtési igényre szoktuk méretezni, de enyhébb időszakban nincs ekkora teljesítmény igény. A kiszolgáló teljesítmény puffer közbeiktatásával változtatható, illetve akár kisebb fokozatokban is biztosítható. A szekunder vízáramnak és a megfelelő hőfoklépcsőnek viszont a puffer felfűtésekor kell megfelelőnek lennie (B kör) , hogy a hőszivattyú elfogadhatóan működhessen.

Remélem, e cikk, nem túl tudományosan, de néhány olyan dologra felhívja a figyelmet, amelyek elkerülésével jobb rendszereket építhetünk. Minél több jól működő, megbízható, gazdaságos, megtérülő rendszer létesül, annál könnyebben és gyorsabban lehet elterjeszteni ezt a környezetbarát technológiát, ezáltal az ára egyre kedvezőbb lesz, és így, hozzájárulhat a gázfüggőség mérsékléséhez, és a lokális kibocsátás javulásához. Reméljük, az illetékes szervek és vállalatok is felismerik a lehetőségeket, az áramot környezetbarát módon, hatékonyabban fogják előállítani.

 Varga Csaba