e-gépész online szaklap

Ideális körülmények a levegő-víz hőszivattyú uszodatechnikai alkalmazása során

2013. október 1. | Dr. Géczi Gábor, Dr. Korzenszky Péter, Dr. Bense László | |  0 |

A hőszivattyús alkalmazások terjedése annak köszönhető, hogy felismertük a tényt: részben ez is megújuló energiaforrás. Legalábbis olyan mértékben, amilyen COP-értékkel (Coefficient of Performance, fűtési teljesítmény együttható) éppen működik. (Tovább javul majd a megítélés, ha a működtetéséhez is megújuló energiaforrást alkalmazunk!) A levegő-víz hőszivattyúk is egyre nagyobb területet követelnek maguknak, és már téli időszakban is képesek egy lakás vagy irodaépület fűtésére, HMV-ellátására.

A cikk a Magyar Épületgépészet 2013/7-8. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke letölthető itt.

Köztudott, hogy a levegő-víz hőszivattyúk teljesítménye változik a külső levegőhőmérséklet és a kívánt/elért vízhőmérséklet függvényében, ezért az említett COP-t csak pillanatnyi adatként értelmezhetjük. Egyre több kritika éri ezt a mutatót, és az utóbbi években újabb és újabb energetikai mutatók jelentek meg, amelyek hasznosabbnak bizonyulnak a szakemberek számára. Egyszerű vagy súlyozott átlagszámítás szabályaira alapozva bevezetésre került a COPátlag, a SCOP (Seasonal Coefficient of Performance, szezonális teljesítmény együttható) illetve az SPF (Seasonal Performance Factor, szezonális teljesítménytényező), amelyek pontosabb képet adhatnak az energiafogyasztásról, és akár az alkalmazhatósági körülményekről is.

A Szent István Egyetem tanműhelyében kialakításra került egy levegő-víz hőszivattyús mérőkör, amely lehetővé tette a pillanatnyi COP meghatározását. Mindezek mellett egy uszodatechnikai alkalmazás példáján valós körülmények között is tanulmányozhattuk az energetikai mutatók változását. A nyári szezonra korlátozott, kültéri medencék – hotelek, panziók, nyári táborok, családi házak – esetén eredményesen használják ki a levegő-víz rendszerű hőszivattyúkat a medence vizének felfűtésére és hőntartására. A folyamatos mérési eredményekből számítással és grafikus integrállal képzett COPegyenérték megmutatja, hogy az uszodatechnikai alkalmazás ideális körülményeket teremt a levegő-víz hőszivattyúk számára.

1. A hőszivattyú története röviden

Szerencsére az utóbbi időben egyre népszerűbb a hőszivattyú és e lap hasábjain is folyamatosan olvashatjuk a lehetőségeket, a fejlesztéseket, láthatjuk a népszerűségét és terjedését.

Csupán a teljesség kedvéért röviden a tények:
A hőszivattyús technika nem új, az alapelvet Sadi Carnot francia fizikus, matematikus fogalmazta meg 1824-ben a Carnot-körfolyamat bevezetésével. Ezek alapján képesek vagyunk alacsonyabb hőmérsékletű közegből hőt elvonni és egy magasabb hőmérsékletű közegnek azt leadni energia befektetése árán.
A fűtési célokra alkalmazott hőszivattyú elvét 1852-ben James Joule és William Thomson alkotta meg. Ezt felhasználva Peter Ritter von Rittinger készítette el 1856-ben az első ipari hőszivattyút, amelyet só szárítására alkalmaztak a sóbányákban. A legnagyobb mérföldkő az első alkalmazási példa: 1938-ban a zürichi városháza fatüzelésű kályháit hőszivattyúkra cserélték, amelyek hőforrása a Limmat folyó vize volt. Ma már számos példát láthatunk irodaházakban, fürdőkben, családi házakban és állami intézményekben – mint például a német Bundestag épülete –, a hőszivattyúk működtetésére. [2], [7]

A hőszivattyú múltjának magyar vonatkozása, hogy az 1948-tól Heller László közreműködésével kidolgozott kompresszoros hőszivattyú áttörést jelentett e technológia történetében. A világhírű műegyetemi professzor, akadémikus 1948-ban védte meg doktori disszertációját Zürichben, amelynek témája a hőszivattyúk alkalmazásának technikai, gazdasági feltételei volt (Heller László: Die Bedeutung der Wärmepumpe bei thermischer Elektrizitätserzeugung. Universitätsdruckerei, Budapest 1948). A hőenergetikával foglalkozó, iskolateremtő professzor elképzelései között szerepelt a Parlament és a Műegyetem épületének hőszivattyús fűtése, a Duna vizét felhasználva hőforrásként. A hőszivattyúk világméretű terjedésével napjainkban igazolódnak a gondolatai. [2]

Az eddigi példákból is látható, hogy a hőszivattyú tulajdonképpen egy hűtőgép, hiszen a környezetünkből hőt vonunk el, de a lényeg, hogy ezt a hőt hasznosítjuk. Az alkalmazások során egy alacsonyabb hőmérsékletű helyről (talaj, víz, levegő) történik a hőelvonás és a hőt egy már magasabb hőmérsékletű helyre szállítjuk, ami csak energia-befektetés segítségével lehetséges. A bevezetőben említett COP éppen azt mutatja meg, hogy egységnyi befektetett villamos energiából mennyi termikus energiát állít elő az adott hőszivattyú. A továbbiakban a Microwell gyártmányú, levegő-víz rendszerű hőszivattyúk laboratóriumi és valós körülmények között történő vizsgálatával szeretnénk mi is igazolni, hogy a hőszivattyúk használata hozzájárulhat a költségek és környezeti ártalmak csökkentéséhez.

2. Levegő-víz rendszerű hőszivattyúk

Az elnevezésből egyértelműen kiderül, használatuk során a környezeti levegőből elvont hő hasznosul (az elpárologtató a környezeti levegőt hűti). A kondenzátoroldalon érvényesül a hőhasznosulás, amely a víz hőmérsékletét növeli. [1], [4], [6]

Levegő-víz hőszivattyús rendszerek egyre nagyobb létjogosultságot kapnak a családi házak fűtésénél és melegvízellátásánál is. Cikkünkben egy szűkebb felhasználási területet választottunk, medencék vizének felmelegítésénél vizsgáltuk meg a hatékonyságukat és alkalmazhatóságukat.

2.1. Hőszivattyús mérőkör a Szent István Egyetem Gépészmérnöki Karán
A hőszivattyúk hatékonysága, jósága kifejezhető a teljesítmény-tényezővel, közismertebb nevén a COP-vel, amely az elért hőteljesítmény, Qh [W] és a befektetett villamos teljesítmény, Pw [W] hányadosa:

(1)

Ezt a bizonyos COP értéket meghatározza az elpárologtató és a kondenzátor hőmérséklete, ami az uszodatechnikai alkalmazások során a környezeti levegővel és a medencevíz hőmérsékletével azonosítható. Az is nyilvánvaló, hogy alacsonyabb léghőmérséklet és/vagy magasabb medencevíz hőmérséklet esetén a hőszivattyú hatékonysága rosszabb, de ennek mértékéről a gyártók által közölt – sokszor ideális esetekre érvényes – COP érték nem tanúskodik.

A Szent István Egyetem Gépészmérnöki Karán összeállítottunk egy hőszivattyúk üzemi paramétereit folyamatosan rögzítő mérőkört. A mérőkör elrendezési vázlatát az 1. ábra mutatja.

1. ábra. A mérőkör elrendezési vázlata

A vizsgálatok során 1 m3 vizet melegítettünk fel egy HP700 (Microwell, ©aµa, Szlovákia) típusú hőszivattyúval. 2013. márciustól júniusig alkalmunk volt arra, hogy 13 és 27 °C közötti környezeti léghőmérséklet mellett több mint 40 alkalommal 13 °C-ról 44 °C-ra melegítsük fel a tartály tartalmát. (A nyári hónapokban a 13 °C-os kezdeti hőmérsékletet a hőszivattyú hűtési funkciójával értük el.)

A vizsgálatok során Ni–Cr-Ni hőelem segítségével mértük a hőszivattyúba belépő és kilépő víz hőmérsékletét Tbe és Tki [°C], valamint a tartályban lévő víz Tvíz [°C] hőmérsékletét. A környezeti levegő hőmérsékletét Tlevegő [°C] és páratartalmát  [%] FHA646-E1C (Ahlborn, Holzkirchen, Németország) típusú kombinált érzékelővel állapítottuk meg.

A víz térfogatáramát az elkerülő ág nyitásával V = 6 m3•h-1 nagyságúra állítottuk be és állandó értéken tartottunk, értékét ARAD Woltman Silver Turbó (WST model, Arad Hungária, Miskolc, Magyarország) mechanikus áramlásmérővel ellenőriztük.

Actaris SL7000 (Ganz Mérőgyár Kft., Gödöllő, Magyarország) teljesítménymérő segítségével mértük a villamos teljesítményt, Pw, [W]. A felsorolt paraméterek mérését és tárolását ALMEMO 2590-9 mérő- és adatgyűjtő rendszerrel (Ahlborn, Holzkirchen, Németország) valósítottuk meg. A Szent István Egyetem Gépészmérnöki Karán kialakított mérőkört a kapcsolódó mérőeszközökkel mutatja a 2. ábra fényképe.

2. ábra. Hőszivattyús mérőkör a Szent István Egyetem Gépészmérnöki Karán

A víz hőmérsékletének a figyelembe vételével a fajhő, cp , [J•kg-1•K-1] és sűrűség, , [kg•m-3] értékek táblázatokból kiolvashatók és ezek alapján a pillanatnyi hőteljesítmény kiszámítható:

(2)

Felhasználva a mérési adatokat, az (1) és (2) egyenletek segítségével meghatározott pillanatnyi COP értékeket a 3. ábrán látható diagramban ábrázoltuk a tartályvíz és a környezeti levegő hőmérsékletének a függvényében. Az eredmények az ismert törvényszerűséget támasztják alá, mely szerint a környezeti levegő hőmérsékletének a csökkenése és/vagy a medencevíz hőmérsékletének a növekedése alacsonyabb pillanatnyi COP értéket eredményez.

3. ábra. A pillanatnyi COP érték a víz és a környezeti levegő hőmérsékletének a függvényében (V = 6 m3•h-1 = állandó)

A rendelkezésünkre álló pillanatnyi értékek azonban már lehetővé teszik – a várható időjárási körülmények és az elérni kíván vízhőmérséklet alapján – a tervezést, az optimalizálást vagy akár egy átlagos COP érték meghatározását is.

2.2. Kültéri úszómedence hőszivattyús melegítésének vizsgálata
A COP érték alakulását és egy időszakra való viselkedését ún. üzemi körülmények között is meghatároztuk. A mérésekhez kitelepültünk egy Budapesten lévő, 8,0 x 4,0 x 1,40 méretű, feszített víztükrű magánmedencéhez, május hónapban, a szezon kezdetén, néhány nappal a medence feltöltését követően (4. ábra).

A vizsgált medencénél a víz felmelegítésére és hőntartására két alternatív lehetőség adódhat. Az egyik egy szolár takaró, amely a Nap sugárzó energiájának abszorpcióján és a párolgási veszteségek csökkentésén alapul. (A kísérlet során ezt a lehetőséget nem alkalmaztuk.) A másik fűtési megoldás egy levegő-víz hőszivattyú, amely a szűrő-forgató rendszer csőhálózatában, az elkerülő ágon került kiépítésre. A kísérlet során a medencevíz hőmérsékletét HP500 típusú hőszivattyú (Microwell, ©aµa, Szlovákia) segítségével melegítettük és a laboratóriumi körülményekhez hasonlóan vizsgáltuk az üzemi és környezeti paramétereket.

4. ábra. Úszómedence, a partján elhelyezett hőszivattyúval (2013. május 10.)

A medence szűrő-forgató rendszerének technológiai elrendezését az 5. ábra mutatja. Piros ponttal jelöltük a technológiai folyamatábrán a kísérlet során mért paramétereket. A hőmérséklet és a villamos teljesítmény meghatározásához felhasználtuk az előző pontban bemutatott – laboratóriumi körülmények között is alkalmazott – mérőeszközöket. Az adatgyűjtést ezúttal is az ALMEMO 2590-9 (Ahlborn, Holzkirchen, Németország) mérő- és adatgyűjtő rendszerrel valósítottuk meg. A mechanikus térfogatáram-mérő beépítésére nem volt lehetőségünk, a térfogatáramot köbözéssel határoztuk meg és az üzemelés során állandónak feltételeztük. Az elkerülő ág csapkombinációjával ezúttal is V = 6 m3•h-1 térfogatáramot állítottuk be.

5. ábra. Úszómedence technológia folyamatábra. Forrás: Kerex Óbuda Kft.

A mérés első napján (2013. május 10.) a hőszivattyú reggel 8:00-tól 20:00-ig üzemelt és a 12 óra alatt a ~46 m3 víztömeg hőmérsékletét 18,4 °C-ról 22,2 °C-ra emelte fel. A második napon már elértük a 23,6 °C-os vízhőmérsékletet, a harmadik napon pedig a kedvezőtlenné vált időjárási körülmények ellenére is a medence vízhőmérséklete meghaladta a 25 °C-t.

A 2013. május 10-én elkezdett felmelegítési kísérlet első két napjának mérési eredményeit a 6. ábrán mutatjuk be. A mérés során a medencetakaró nem volt használatban (éjszaka is nyitva hagytuk), a két nap folyamán a mérést esőzés nem zavarta meg, az átlagos páratartalom 50,52%-os volt. Az ábrán látható, hogy a hőszivattyú működése során a medencevíz hőmérséklete folyamatosan emelkedik. A hőmérsékleti görbe meredekségének a változása viszont arról tanúskodik, hogy a COP érték nem tekinthető állandónak.

6. ábra. A medencevíz hőmérsékletének alakulása

A pillanatnyi COP értéket a mérési eredmények és a korábban bemutatott (1) és (2) egyenletek segítségével ezúttal is meghatározhatjuk. A 7. ábrán látható, hogy a felmelegítés első napjának 12 órás időtartamát ábrázolva a pillanatnyi COP érték 3,65 és 5,57 között adódik, a környezeti paraméterektől függően. A görbe alatti terület megegyezik a berajzolt téglalap területével, így látható, hogy a HP500 (Microwell, ©aµa, Szlovákia) berendezés COP = 4,94 egyenértékkel vehető figyelembe. Ez kimagaslóan jó érték, ha fi gyelembe vesszük, hogy a gyártói leírásban 24/27 levegő/vízhőmérséklet esetén 4,8 COP hatékonyságot találhatunk.

A fajhőt cp = 4,182 – 4,184 kJ•kg-1•K-1 értékkel, a víz sűrűségét pedig  = 997,7 – 998,5 kg•m-3 értékkel kalkuláltuk a hőmérséklet függvényében. A víz hőmérséklete az első napon Tvíz =18,5 – 22,1 °C.
A villamos teljesítményt (Pw = 1,41±0,03 kW) szintén az Actaris SL7000 (Ganz Mérőgyár Kft., Gödöllő, Magyarország) típusú teljesítménymérővel határoztuk meg.

7. ábra. A pillanatnyi COP érték változása a medence 12 órás melegítése során

3. A levegő-víz hőszivattyú alkalmazásának tapasztalatai
A hőszivattyú működését hőkamerával készített fényképpel is szeretnénk illusztrálni (8. ábra). A medence vízének áramoltatása során a hőszivattyú Thőszivattyú ≈ 1 °C hőmérséklet-különbséget ér el V = 6 m3•h-1 térfogatáram mellett. A 6. ábra diagramján látható, hogy ez 3,7 °C-os hőmérsékletemelkedést okozott az első nap és 3,2 °C-ot a második napon. Látható, hogy az éjszaka során a nyitott medence vizének a hőmérséklete megközelítőleg 2 °C-ot csökkent. Ennek a veszteségnek a jelentős részét csökkenthetjük a medence letakarásával.

8. ábra. Hőkamerás felvétel a vizsgálat során

A bemutatott vizsgálatok alapján látható, hogy a levegő-víz hőszivattyúk alkalmazására ideális környezet az úszómedencék vízének melegítése. A nyári időszakban, kültéri medence esetén a levegő hőmérséklete (az elpárologtató hőmérséklete) elég magas (T > 20 °C), a medencevíz hőmérséklet (a kondenzátorhőmérséklete) pedig elég alacsony (T < 30 °C).

Annak ellenére, hogy a pillanatnyi COP érték folyamatosan változik – a környezeti feltételek és az elért felmelegítés miatt –, a COPegyenérték jól demonstrálja a hőszivattyú hatékonyságát a vizsgált időszakban. A bemutatott 12 órás felmelegítés során a hőszivattyú 16,8 kWh villamos energiát használt fel és előállított 82,9 kWh hőenergiát. Elérhettük volna ugyanezt az eredményt ~9 m3 földgáz elégetésével is. A jelenlegi árak mellett Magyarországon ez ~30%-os költségmegtakarítást jelent, de talán még ennél is fontosabb, hogy közel 50%-os CO2-kibocsátás-csökkenést eredményezett. (Számított kibocsátás 0,56 kg CO2/kWh és 1,96 kgCO2/m3 földgáz értékekkel).

Köszönetnyilvánítás
Kutatásainkat „Az oktatás és kutatás színvonalának emelése a Szent István Egyetemen” TÁMOP 4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0003 számú projekt támogatta. Köszönetünket szeretnénk kifejezni a Microwell Magyarország Kft., a Senselektro Kft. és a Kerex Óbuda Kft. munkatársainak, hogy műszerekkel, érzékelőkkel, adatokkal valamint tanácsaikkal támogatták a munkánkat, a későbbiekben is számítunk rá.

Felhasznált irodalom
1. Dexheimer, R. Donald, 1985. Water-Source Heat Pump Handbook.
National Water Well Association, Worthington, OH.
2. Komlós F., Fodor Z., Kapros Z, Vajda J., Vaszil L. (2009):
Hőszivattyús rendszerek (Heat Pump Systems).
Magánkiadás, ISBN: 9789630675741, p.215
3. Komlós F., Fodor Z. (2011): Városok hőszivattyús fűtése. Átfogó tervre lenne szükség.
Magyar Épületgépészet, LX. évfolyam, 2011/5. szám.
4. Lund, John W., 1988. “Geothermal Heat Pump Utilization in the United States,” Geo-Heat Center Quarterly Bulletin,
Vol. 11, No. 1 (Summer), Klamath Falls, OR
5. Randy F. Petit Sr., Turner L. Collins (2011): HEAT PUMPS Operation Installation Service
Ecopress Mount Prospect, Illinois,
6. Reay, D. A.; Macmichael, D. B. A. (2008): Heatpumps,
Pergamon Books Inc., Elmsford, NY. (United States), p. 350
7. Zogg M. 2008. “History of Heat Pumps - Swiss Contributions and International Milestones” Final Report, Swiss Federal Office of Energy, Berne; p. 114. downloadable from
www.zogg-engineering.ch/publi/HistoryHP.pdf

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul