Miben különbözik egymástól a hybrid bivalens alternatív és a hybrid bivalens párhuzamos üzem? Milyen szempontok alapján történik a hőtermelők teljesítményének meghatározása? Mindezekre válaszhoz jut a cikkben, és képet kap egy hotelépület fűtéskorszerűsítéséről is.
A hybrid rendszerek létjogosultságáról
Az épülteink hőszolgáltatásaira biztosított energiaforrások napjainkban már nem alapvetően fosszilis energiahordozókra épülnek. Az elektromos áram széleskörű alkalmazása a hőszolgáltatásban egyre nagyobb igény és kihívás. Bár még az ellátás kapacitása nem elegendő, hogy mindenki áttérjen az elektromos áramra, de az egyre nagyobb számban létesülő felhasználói berendezések (lásd pl. hőszivattyúk) kiszolgálása biztosítható. Tudvalevő, hogy a csővezetéken (földgázszolgáltatás) még mindig többszörös energiamennyiséget tudunk végpontokhoz eljuttatni, mint elektromos távvezetéken keresztül. Ennek ellenére a lakossági felhasználás mellett az ipari fogyasztók is egyre nagyobb számban veszik igénybe mindkét energiaforrás adta lehetőségeket és előnyöket. Ezeket a rendszereket hívjuk hybrid rendszereknek, ahol a fosszilis energia (pl földgáz) mellett megjelenik és igen komoly fedezeti arányban kiveszi a részét az elektromos áram, mint hőszolgáltatást biztosító berendezés (pl. hőszivattyú) energiaforrása.
Az ipari felhasználásban rejlik némi forráselosztási potenciál, hiszen e felhasználók viszonylag nagy elektromos áram felhasználással rendelkeznek pl. hűtéstechnika (folyadékhűtők) területén.
Ez a lehetőség adta azt az „ötletet” is, hogy ami működik „kicsiben” az miért ne működne „nagyban” is ott, ahol a rendelkezésre áll a megfelelő elektromos kapacitás.
A megvalósult projekt részletes bemutatása előtt célszerűnek tartom, hogy a kiválasztás, méretezés elméleti kérdéseivel is ismerkedjünk meg, hogy a döntési mechanizmus teljesen átlátható legyen.
A hybrid bivalens alternatív üzem jellemzői
Az 1. ábrán látható rendszer sajátossága – ahogy a nevében is benne van „altervatív azaz vagy-vagy” – hogy a hőszivattyú a bivalencia (váltási) ponton (egy adott külső hőmérséklethez tartozó üzemváltási ponton) átadja a másodlagos hőtermelőnek (jelen esetben a kondenzációs kazánnak) a hőtermelés feladatát. Ez a kapcsolás egy döntés eredménye, mert a tervező, vagy az üzemviteli tulajdonságok döntik el, hogy a hőszivattyúval a kívánt fűtési igényt milyen mértékben és milyen hatékonysággal kívánjuk kiszolgálni, azaz milyen COP értékig engedjük működni a hőszivattyút (az átkapcsolás kiváltó oka lehet pl. elektromos áram aktuális beszerzési ára) A hőszivattyú fedezeti aránya pl. +2∞C külső hőmérsékleti bivalencia pontnál 0,46 (46%), azaz a fűtési munkatartományban ekkora arányban veszi ki a részét. A többit a másodlagos hőtermelő biztosítja.
A hybrid bivalens párhuzamos üzem jellemzői
A 2. ábrán látható rendszer már egy érdekes hidraulikai kötésben mutatja a hőszivattyú és a gázkazán kapcsolatát. A párhuzamos működéshez sorba kötött viszonyban vannak az egyes hőtermelők. A „párhuzamos azaz és” azt jelenti, hogy a hőszivattyú a bivalencia ponton meghívja a másodlagos hőtermelőt és együttesen látják el a hőtermelés feladatát. Ez a kapcsolás szintén egy döntés eredménye, mert a tervező, vagy az üzemviteli tulajdonságok döntik el, hogy a hőszivattyúval a kívánt fűtési igényt milyen mértékben és milyen hatékonysággal kívánjuk kiszolgálni. A hőszivattyú fedezeti aránya pl +2∞C külső hőmérsékleti bivalencia pontnál 0,83 (83%, lásd 1. táblázat)), azaz a fűtési munkatartományban ekkora arányban veszi ki a részét. A többit energiát a másodlagos hőtermelő szállítja a rendszerbe.
Jól érzékelhető, hogy párhuzamos üzemben a hőszivattyú sokkal nagyon munkatartományban, sokkal nagyobb arányban dolgozik, ami a hybrid kapcsolások üzemeltetési költségében fog számunkra kedvezően megmutatkozni, ha jól választottuk meg a hőszivattyú teljesítményét.
A teljesítmények meghatározásáról
A következőkben a hőszivattyú és a kondenzációs kazán teljesítményét határozzuk meg a rendelkezésre álló adatok, illetve a méretezés alapján. Azt már az elején leszögezhetjük, hogy ahogy a monovalens rendszerek esetében sem, úgy különösen a bivalens rendszereknél sem méretezzük túl a teljesítményeket.
A 3. ábrán jól lehet grafikusan is érzékelni, hogy a hőfokhíd alapján hol a van az a munkaterület, ahol a legnagyobb potenciál alakulhat ki egy levegő/víz hőszivattyú alkalmazásához. Az átmeneti időszakban a külső levegő hőmérsékletéből fakadó energiamennyiség jelent számunkra egy jól kihasználható területet, ahol kellően jó mutatószámokkal (COP, SCOP) tud a hőszivattyúnk dolgozni.
A hybrid rendszerek esetében nagyon jól lehet illeszteni a hőszivattyú(k) teljesítményét a földgáztüzelésű kondenzációs kazán(ok)hoz. Az épület hőigényére nagyon szépen rá lehet „simítani” a hőtermelő berendezések által termelt energiamennyiségeket és annak karakterisztikáját. Viszont egy fontos dolgot itt is el kell dönteni, illetve meg kell határozni. Nagyobb teljesítményű összetett rendszerek esetében, mint pl. egy hotel hőellátása, számolni kell magas előremenő fűtővíz hőmérsékletet igénylő (pl. légtechnika, hmv) fűtési körökkel. Ezen magas hőmérsékletű áramkörök nem igazán alkalmasak hőszivattyú hatékony alkalmazására, mert még visszatérő fűtővíz hőmérséklet emelésre is legalább meg kell haladni az 50∞C-os előremenő hőmérséklet szintet hőszivattyú oldalon.
(Megjegyzés: ha egy hőszivattyú (pl. R290 hűtőközeggel) tud akár 70∞C-os előremenő hőmérsékletet, akkor is a külső hőmérséklet függvényében kinyerhető energiához, a hidegebb körülmények között egyre több villamos energia befektetésre van szükség, ami akár 50%-os többlet villamos energia fogyasztást is jelenthet.)
Meg kell találni a fűtési rendszer azon pontját, elemét, ahol a hőszivattyúval, annak még gazdaságos működését eredményező előremenő fűtővíz hőmérséklettel ki tudunk szolgálni fűtési igényeket. Azaz, nem az egész rendszert támogatom hőszivattyúval, hanem annak azon elemeit, részeit, ahol potenciál van, ahol ki tudom használni a hőszivattyú tudását egy alacsonyabb üzemeltetési költség elérése érdekében. Ilyen fűtési (illetve hűtési) lehetőségek lehetnek a sugárzó fűtések (padló-, fal- illetve mennyezetfűtés), de tapasztalatom szerint a fan-coil-os köröknél is nagyon hatékonyan lehet használni a hőszivattyúk adta lehetőséget 40-42 ∞C-os előremenő fűtővíz esetén.
Ezzel kapcsolatban három fontos dolgot kell meghatároznunk.
- Határozzuk meg a hőszivattyú gépkönyvében lévő kompresszor frekvenciához tartozó teljesítményt, a külső hőmérséklet függvényében 45°C-os előremenő hőmérséklet mellett. (A szabványos értékek: A2/W35 és A7/35, illetve ugyanilyen külső hőmérséklet mellett 55∞C előremenőre, a DIN EN 14511-3:2013 alapján. Az „A” a külső levegőt, a „W” a fűtővíz előremenőjét jelenti, az utánuk lévő számok pedig hőmérséklet-értékek ∞C-ban.)
- Határozzuk meg a földgáz és elektromos áram beszerzési árának függvényében, hogy hol van az a COP érték, ahol a két energiahordozó azonos ár-potenciálra kerül. Vagy fordítsuk meg. Határozzuk meg azt COP értéket, ahol már a földgázból előállított 1kWh energia olcsóbb, azaz kedvezőbb üzemeltetési költség mellett tudunk hőenergiát előállítani
- Alakítsuk ki azt a hidraulikai kapcsolást, ahol a hőszivattyú potenciált kihasználva az alternatív energiát hatékonyan tudjuk felhasználni.
Az első feladat viszonylag egyszerű, hiszen egy matematikai összefüggéssel (lineáris interpoláció, azaz a hasonló háromszögek oldalainak aránya egyenlő) meghatározható ez a köztes érték úgy, hogy a hőszivattyú teljesítményleadását lineárisnak vesszük. Továbbá ez az összefüggés segítségével a COP érték is modellezhető.
A második eset sem annyira bonyolult, mert a földgáz Ft/MJ árához igazítjuk az elektromos áram COP-vel korrigált értékét és így kapunk egy olyan viszonyszámot, ami alá nem engedjük a hőszivattyú jósági fokát. Így ez az érték fogja nekünk előrevetíteni, hogy valójában hol kell meghúznunk a határt a hőszivattyús részarány kihasználásában.
Ezzel kapcsolatban egy harmadik fogalom is ismertetésre kell, hogy kerüljön. Ez pedig a hőszivattyú rész-parallel üzemmódja. Ez azt jelenti, hogy egy adott külső hőmérséklet mellett (bivalencia pont) a hőszivattyú meghívja a második hőtermelőt a hőszolgáltatásba, de ő maga csak addig marad a közös rendszerben, amig a külső hőmérséklethez tartozó üzemviteli tényezői és potenciálja hatékony marad. Ezen hőmérséklet alatt pedig csak a másodlagos hőtermelő – példánkban a kondenzációs gázkazán – marad üzemben. Megítélésem szerint ez a leghatékonyabb üzemeltetés.
És végül a hidraulikai kapcsolás kialakítása. Talán ez a legnehezebb feladat. Ugyanis – mint ahogy ezt több esetben is bizonyítva lett – a fűtési rendszerek hőfoklépcsője eltérő a gázkazános és hőszivattyús hőtermelők esetén, ebből fakadóan az adott hidraulikai körben keringtetett térfogatáram is más. Amennyiben ez a fűtési áramkör, pl. FC-kör, hűtés funkcióval is rendelkezik, akkor ez a viszony még inkább kritikus tud lenni. Itt a koncepció nagyfokú körültekintést igényel, mert a maximális teljesítményt kell eljuttatnunk a végpontra, amihez csődimenziót / térfogatáramot kell biztosítani. És ehhez még társul egy minőségi (bekeverő) szabályozás szabályzószerelvényének (pl. 3utú 2járatú motoros-szelep) megfelelő mérete (dimenzió, Kvs-érték).
A megvalósult projekt
A konkrét projekt kivitelezése 2024 őszén indult és a hotel teljes és folyamatos üzeme mellett megújult a teljes HMV készítő egység (külső hőcserélős töltőszivattyús tároló-kaszkád 3x800l térfogattal), beépítésre került 6db WTC-GW 80-A 80 kW egységteljesítményű kondenzációs kazán önálló égéstermék (C33) elvezetési megoldással, 5 db WSB 18 L RMD levegő/víz split rendszerű hőszivattyú, új hidraulikai blokkok, rendszerleválasztó hőcserélők, felújításra került az egész kazánházi infrastruktúra (festés, műgyanta padlóburkolás, ablakcsere) és teljes szabványosítási felújításon esett át az elektromos hálózat és a tűzgátlás, tűzvédelem feladatai is.
A teljes üzem 2025 januártól működik, így már vannak fűtési időszakra és hűtési időszakra is vonatkozó fogyasztási adataink. A cikk írásának idején már túl vagyunk az augusztus első felében tapasztalt extrém és tartós hőségen, ami a gyakorlatban is igazolta a tervezési koncepció minőségét.
A havi fogyasztási adatok (gáz, villany) elemzése és összehasonlítása után prognosztizáltan kijelenthető a 2025 évre, hogy összehasonlítva a 2023 tisztán korábbi műszaki állapotban elfogyasztott energiához képest földgázból 45% felett, elektromos áramból – a hőszivattyúk fűtési célú felhasználása mellett is – közel 3%-ot takarított meg az üzemeltető az üzemeltetési költségekben. 2024 év őszén már működtek a kazánok, de így is a 2024/2025 reláció gázmegtakarításában 38%-t mutatnak a valós fogyasztási adatok a megtakarítás vonatkozásában. Elektromos áramból ugyanebben az időszakban közel 9%-kal kevesebb fogyott, amely viszonylag csekély érték abból fakad, hogy a folyamatos üzem fenntartása okán az új HMV készítő egység, az új kazánokra történő átkötés előtt elektromos fűtőpatronról (3×9 kW) üzemelt, ami – ahogy a folyadékhűtők esetén is kézzelfogható – 1:1 arányban használják fel az elektromos energiát, ami a gáz-energiafelhasználáshoz képest (természetesen beszerzési ár függvényében) akár 4x nagyobb költséget is jelenthet. Szerencsére ez az állapot viszonylag rövid (≈1,5 hónap) ideig állt fenn, de így biztosítva volt a 136 hotelszoba használati melegvízellátása a kivitelezés ideje alatt is.
Ennél a hotelnél alkalmazott hidraulikai kapcsolás csak az épület 2-csöves FC fűtési körére segít rá alternatív energiával. A HMV és a légtechnikai áramkörök csak a primer hőtermelővel, azaz a kondenzációs kazánokkal kerülnek kiszolgálásra. Az FC kör fűtési és egyben hűtési energiaszolgáltatására hivatott a hőszivattyú. Az üzem a rész-parallel szakaszban közös a kondenzációs kazánnal, majd amikor a meghatározott jósági fok alá (külső hőmérséklet függvényében) esne a hőszivattyú hatékonysága, a kondenzációs kazánok önállóan átveszik a hőszolgáltatást.
A hűtés kérdésében az épület rendelkezik folyadékhűtővel. A hőszivattyú teljesítménye elegendő ahhoz, hogy a méretezési határértékig önállóan el tudja látni az FC kör hűtési igényét. Amennyiben a hazánkban is tapasztalható extrém tartós hőség miatt a hűtési energiát fokozni kell, illetve többlet energiaára van szükség, úgy a hőszivattyú hűtési teljesítménye mellé a felügyeleti eszköz bekapcsolja a stand-by üzemmódban lévő folyadékhűtőt és együttesen látják el a megnövekedett igényt. Mi indokolja ennek a logikának a létjogosultságát? A hőszivattyúk hűtési üzemmódban is rendelkeznek „jósági fokkal” (DIN EN 14511-3:2013 alapján EER mutató), míg a folyadékhűtőknél a villamos áram felhasználása nagyságrendileg 1:1 arányban történik. Ez azt jelenti, hogy a hőszivattyú üzemeltetési költsége az EER mutató arányában kedvezőbb, mint egy folyadékhűtő berendezés alkalmazása esetén.
Versits Tamás
okl. épületgépész mérnök
Weishaupt Hőtechnikai Kft.
Fotók: IBIS Hotel hőközpont
