Alapvető konstrukciós és alkalmazástechnikai kritériumok a helyes rendszerkialakításhoz
Hogyan kell szakszerűen kiválasztani egy bivalens üzemű hőszivattyús fűtési rendszert?
A szerző ezt a feladatot vizsgálja szakcikkében, amely a Gázközösség Egyesülés által 2023. május 10-én megtartott Szekszárdi Szakmai Napon elhangzott előadásának írásos változata.
Hőszivattyús berendezések térnyerése
A klímaváltozással kapcsolatos szakmai válaszlépések jelentős része a fűtéstechnikában az épületek hőveszteségének csökkentésére és a kondenzációs kazánokra történő váltására irányult. A gáz-energiahordozók felhasználásával időközben felmerült problémák a hőszivattyús technológiák alkalmazásának előtérbe kerülését hozta.
Ez adja az alapját, hogy megvizsgáljuk annak részleteit, hogy milyen feltételekkel kell, érdemes egyik vagy másik, esetleg mindkét hőtermelő berendezést alkalmazni.
Az épületek hőátbocsátási tényezője („U” érték) ez elmúlt évtizedekben is folyamatosan, de a 2010 esztendőtől nézve még intenzívebben csökkent a megengedett érték és a karbonsemlegesség elérése érdekében. Ezt az intenzív csökkenést magától értetődően a hőtermelő berendezéseknek is követniük kell(ene), felújításkor, készülékcsere kapcsán mindenképpen. A kis teljesítményigény (100–120 m2, családi ház esetén 8–10kW) felveti a kérdést az energiahordozók megosztására, földgázról elektromos áramra (ennek a fogyasztók oldaláról nézve a kiváltó oka a „rezsicsökkentés csökkentése”, azaz az átlagos fogyasztási limit bevezetése).
A beruházási igény kontra üzemi költségek alapján is igazolni lehet a hőszivattyúk térnyerését, hiszen egy kedvezményes tarifa (pl. „H” kedvezményes áramdíj) esetén az üzemeltetés költsége egy jó minőségű hőszivattyúval akár 9 forintra is alakulhat kWh-ként, míg a kondenzációs gázkazánnak ehhez az energiamennyiséghez közel 13 forintra van szüksége. (2023 I. negyedévi energiadíjak.)
Mit tegyünk ebben az esetben? Egyszerűnek tűnik az ötlet, hogy akkor az egyik fehér doboz (gázkazán) helyett tegyünk fel egy másik fehér dobozt (levegő/víz hőszivattyú beltéri egysége), hiszen a két berendezés „szinte” egyforma, és a dolog el van intézve. Sajnos nem így van, és ebben a cikkben is a két berendezés közti különbségekre szeretném felhívni a figyelmet.
A gázkazán és a hőszivattyú közti különbségek
1. Nézzük a külső megjelenést (szándékoltan olyan márkát választottam, ahol a két hőtermelő berendezés 98%-ban azonos képet mutat).
1. kép – Levegős hőszivattyú kültéri egységgel, és gázkazán HMV-tárolóval.
2. A belső tartalomban viszont markáns különbségek vannak – ha leegyszerűsítjük a kérdést, a kazántest helyett hőcserélő van, de a többi kiegészítő elem (szivattyú, tágulási tartály, elektronika stb.) analóg módon mindkét hőtermelő egységben megtalálható.
3. Az alkalmazástechnika, más néven vezérlés-szabályozás platformja mindkét berendezés esetén azonos. Alapesetben ez időjárásfüggő szabályozás, és a távfelügyeletet benne a fűtőkörök számával azonosan kell a bővítőmodulok számát hozzátenni.
Csak ezen a három példán keresztül is jól látható, hogy ha nem vagyunk elég körültekintőek, akkor könnyelműen úgy kezelnénk a hőszivattyút, mintha egy kazán lenne, holott ez közel sincs így!
- Hidraulikai kialakítás és működés mint különbözőség
Kondenzációs kazán:
- a kondenzációs kazánban a kazántest (hőcserélő) öntvény
- a rendszerhőmérséklet: alacsony visszatérő vízhőmérséklet
- előremenő hőmérséklet: 40–60 ℃
- a viszonylag nagy hőmérsékletkülönbség (ΔT=20 K) miatt a tömegáram kicsi
- HMV-teljesítmény igényfüggő
- az égő be-kikapcsolási gyakorisága: nincs korlátozás (készülékfüggő égőtiltási idő)
- min. tömegáramigény: van
- Q=15kW és ΔT=20K, akkor a térfogatáram V=0,645 m3/h
- induló keresztmetszet: DN20
Levegő/víz split rendszerű hőszivattyú:
- a hőszivattyúban a kondenzátor (hőcserélő) forrasztott lemezes
- a rendszerhőmérséklet: alacsony előremenő vízhőmérséklet
- előremenő hőmérséklet: 35(55) ℃
- a viszonylag kicsi hőmérsékletkülönbség ΔT=<7K miatt a tömegáram nagy
- HMV-teljesítmény többek között a hőszivattyú teljesítményétől függ
- a hőszivattyú be-kikapcsolási gyakorisága: 2-3 indulás/h min 20 perc futási idővel (kompresszor-élettartam)
- min. tömegáramigény: van, sőt viszonylag magas érték
- Q=8kW és ΔT=7K, akkor a térfogatáram V=1,4 m3/h
- Induló keresztmetszet DN25–35
5. Hangteljesítmény szintek („hangosság”) mint különbözőség
Kondenzációs kazán:
- kondenzációs kazánnak nincs „kültéri egysége”, így a környezetére nincs kihatással
- maga a kazán egy csendes zajforrás, üzem közben 46 dB(A) (WTC-GW 15-B) a hangteljesítményszintje (ISO 9614-2 szerint)
Levegő/víz split rendszerű hőszivattyú:
- itt már van kültéri egység mint zajforrás. Egy 8 kW-os berendezés hangteljesítményszintje max. 60 dB(A) (ISO 9614-2 szerint)
- a beltéri egység csendesebb, mint egy gázkazán. Nem nevezhető zajforrásnak, emiatt általában nincs is feltüntetve a hangteljesítmény szintje.
Az utóbbi két, igen fontos szempont szerinti értékelésből már jól látható, hogy egy hőszivattyú alkalmazása egy gázkazán helyén más szempontok figyelembevételét igényli.
A készülékek kiválasztása
És elérkeztünk a legfontosabb különbséghez, magához a kiválasztáshoz. Ha csak gázkazán vagy csak hőszivattyú van, akkor a méretezési állapotnak megfelelően kiválasztott berendezés a kiszámított paraméterek alapján üzembe helyezve egyértelmű.
Viszont amikor már mindkét berendezés egyidejűleg vesz részt a hőigény kiszolgálásában, akkor több tényező egyidejű figyelembevételére van szükség, főleg a hidraulika területén.
Az ábrák értelmezéséhez el kell dönteni egy fontos üzemviteli tényezőt. Ez pedig nem más, mint a hőszivattyú és a gázkazán együttes vagy külön-külön történő működése. Ebből a szempontból meg kell különböztetnünk a „bivalens párhuzamos” üzemet – azaz a hőigény kiszolgálásában a bivalenciapont elérése után a hőszivattyú meghívja a folyamatba a gázkazánt – és így mindkét hőtermelő részt vesz a hőveszteség fedezésében. (Bivalens párhuzamos üzem az is, amikor a hőszivattyú a második hőtermelőnek nem a gázkazánt, hanem az elektromos kisegítő fűtést, fűtőpatront aktiválja, és együtt szolgálják ki az épület hőigényét.) És meg kell különböztetnünk a másik, a „bivalens alternatív” működési módot, amikor a bivalenciapont elérését követően a hőszivattyú leáll (kilép az üzemből), és teljes mértékben a második hőtermelő, jelen esetben a gázkazán veszi át hőveszteség fedezését.
A bivalanciapont a hőszivattyú adott külső hőmérséklethez tartozó maximális kompresszorfordulatához tartozó teljesítmény metszéspontja az épület hőveszteségével. Az 5. ábrán bejelölt teli piros és vonalkázott piros háromszögek jelentőséggel bírnak. Monoergikus rendszerben (csak elektromos áram) az átmeneti időszakban történő ún. taktálás (kapcsolgatás) elkerülése érdekében a hőszivattyút nem méretezzük túl, hanem törekszünk arra, hogy a „hiány” (teli piros háromszög) és a „többlet” (vonalkázott piros háromszög) egyensúlyban (közel azonos terület) legyen. A hibrid rendszerek esetében a hőszivattyút soha nem a névleges teljesítményhez igazítjuk, hiszen a csúcsteljesítmény fedezésére ott a második hőtermelő, a kondenzációs gázkazán. Mivel a gázkazán teljesítménye nem függ a külső hőmérséklettől (entalpiától), és a kondenzációs technika nagy széles modulációs tartománnyal rendelkezik (20–100%), így a hőszivattyú megfelelő COP-értékét is figyelembe vevő bivalenciapont meghatározását követően kiszolgálja a fűtési rendszert (sárga háromszög a 6. ábrán). A kék háromszög pedig azt a tartományt jelzi, ahol a gázkazán teljesítménye magasabb, mint az épület hővesztesége. Itt a kazán már nem tud jobban lemodulálni, és ki-be kapcsolós (taktálás) lesz az üzem.
A hidraulikus kialakítások a gyártók technika leírásai, javaslatai, a tervezési segédletekben szereplő ajánlásai szerint mások és mások lehetnek. Több gyártó az előremenőbe épített, megnövelt térfogatú hidraulikus váltó (párhuzamos puffer), míg más gyártó a visszatérőbe épített tároló (soros puffer) mellett tette le a voksát, és erre építette fel a szabályzását, hidraulikáját.
Az ábrán lévő részegységek megnevezése:
- 1. Split hőszivattyú (levegő/víz) kültéri egysége
- 2. Split hőszivattyú (levegő/víz) beltéri egysége
- 3. HMV bivalens tárolója
- 4. Kondenzációs fali gázkazán
- 5. Soros puffertároló
- 6. Hidraulikus váltó
- 8. Fűtési keringtető szivattyú motoros keverőcsap-szabályozással
Nagyobb gépházigény, nagyobb keresztmetszetű fűtési csővezetékek
Sok esetben a kivitelezés során nem áll rendelkezésre megfelelő hely, hiszen egy hőszivattyú elhelyezése esetén több helyre van szükségünk a létesítéshez, ha csak a puffertárolóra gondolunk például. Emiatt egy érdekes műszaki megoldáson keresztül szemléltetném a tömegáramigények okozta szükséges csőkeresztmetszeteket, hogy ne megszokásból, hanem a berendezés-rendszer-fűtőkörök igényeinek megfelelő csőátmérők álljanak rendelkezésre a helyes működés eléréséhez. Szeretném kiemelni, hogy a szivattyú biztos, hogy szállít majd valamennyi fűtő/hűtő vizet, de ez korántsem azt jelenti, hogy a felhasználási helyen elegendő térfogatáram, ebből következően elegendő teljesítmény fog rendelkezésre állni.
Vizuálisan is jól érzékelhető, hogy az egyes hőtermelő berendezések tömegáramigényének megfelelően a hidraulikus váltó primer oldalán különböző méretű csonkokon keresztül szolgálják ki rendszert, amit a szekunder oldalon egy még nagyobb keresztmetszetű csatlakozás követ. Jelen ábrán a gázkazán csatlakozása 1”, a hőszivattyúé 5/4”, a rendszer elmenő és visszatérő csonkja pedig 6/4” méretű.
Amennyiben jól választjuk ki a hőszivattyút, megfelelő a kondenzációs kazán teljesítménye (mindkettő illesztve van az épület hőigényéhez – ehhez szükséges a cikkben is szereplő, egyszerűsített ábrázolási mód), és a hidraulikai elemeket a tömegáramigényekkel összhangban határozzuk meg, akkor kijelenhető, hogy bár a hibrid rendszerek beruházási oldalról nézve a legdrágábbak (2 hőtermelő berendezés szükséges), üzemeltetési oldaláról nézve a legjobb mutatókkal bíró megoldást adják.
Nagyon fontos szabály, hogy a hőszivattyú nem gázkazán! Nem szabad úgy bánni vele (tervezés, kiválasztás), mintha egy – más elveken működő – gázkazán lenne. Ha ezt az alapszabályt a kiválasztás, tervezés, kivitelezés során betartjuk, akkor nem csak egy jól működő, megbízható rendszert alkottunk, hanem egy megelégedett ügyfelet is szereztünk.
Versits Tamás
