Hogyan célszerű termálvizes rendszer esetén kétlépcsős hőhasznosítást kialakítani, és hogyan alakul az egyes hőtermelők lefedési aránya?
A projekt célja
A tanulmányban bemutatott gyógyfürdő távfűtési rendszerének modernizációja példaértékű megoldást kínál a megújuló geotermikus energia lépcsőzetes hasznosítására. A projekt célja egy fürdőkomplexum tervezett bővítéséhez kapcsolódó energiaigény fedezése mellett a rendszer energiahatékonyságának jelentős javítása és a fosszilis energiahordozók használatának minimalizálása volt. A fejlesztési igény a 2022-es gázárrobbanást megelőzően jelentkezett, de a tervezés már a megváltozott energiapiaci helyzetben zajlott.
Kiindulási helyzet és kihívások
A fürdő a hőszivattyús geotermális energiahasznosítás területén korát megelőzve élen járt. Kezdetben a fürdőhöz kapcsolódó épületeket, majd a környező létesítményeket látta el távfűtési rendszeren hőenergiával. Az 1997-ben tervezett rendszer az idők során számos változáson ment keresztül: új fogyasztók csatlakoztak, mások leváltak, továbbá a hőtermelői oldalon is jelentős átalakulások következtek be. A meglévő rendszer 4,32 MW névleges fűtési teljesítményre volt képes, melyet elsősorban három darab, egyenként 1 MW teljesítményű termálvizes hőcserélő, valamint egy 1,32 MW-os gázkazán biztosított. A tervezés időszakában a korábban beépített két darab 1,1 MW-os hőszivattyú nem üzemelt.
Mért adatok alapján a meglévő rendszer 2,3 MW tényleges üzemi teljesítménnyel üzemelt, mely a megelőző évek enyhébb téli időjárásával magyarázható. A meglévő rendszer azonban nem lett volna képes biztosítani teljes egyidejűség esetén méretezési állapotban a szükséges csúcsteljesítményt, mely 6,7 MW volt a bővítés előtt.
A fürdő jelentős fejlesztési programja – új gyógyászati épület, bejárati épületek, üvegház és vízgépház felújítása – miatt a teljesítményigény 8,4 MW-ra nőtt teljes egyidejűség esetén, méretezési állapotban.
Energetikai koncepció
A megváltozott igények, valamint a korábbi rendszerelemek jelentős karbantartási igénye miatt a rendszer komplex, mindenre kiterjedő energetikai felülvizsgálata vált szükségessé, mely feladatot végül a KomfortMűhely Kft. vállalta fel.
Az energetikai tanulmányban analitikus és szimulációs eszközökkel, a mért adatok alapján történt meg a valós igények meghatározása. A kiértékelés során megállapításra került, hogy a valós igény lényegesen kisebb, mint a feltételezett teljesítményigény, így a tervezés során úgynevezett „kockázatelvű méretezést” alkalmaztunk, figyelembe véve a meteorológiai adatokat, valamint a felhasználás időben való eltolódását.
(Forrás: Országos Meteorológiai szolgálat: met.hu)
A 2015–2020 közötti időszak külső hőmérsékleti értékeinek vizsgálata alapján megállapítható, hogy a -5 °C alatti napi középhőmérsékletű napok száma évente rendkívül alacsony (0–15 nap). A diagram trendjéből jól látható, hogy a téli napi középhőmérséklet egyre magasabb. Így a tényleges beépítendő teljesítmény 6,9 MW-ban került meghatározásra.
Az energetikai koncepció, valamint a helyszíni adottságok alapán a geotermikus energia kétlépcsős hasznosítása indokolt, hangsúlyt fektetve a szekunder hasznosításra.
Elsődleges hőhasznosítás
A 62 °C-os termálvíz hőtartalma három darab 1 MW teljesítményű lemezes hőcserélőn keresztül közvetlenül hasznosul, 55/45 °C hőfoklépcsővel. Ez a megoldás primerenergia-inputot nem igényel, így a leggazdaságosabb üzemmód.
Másodlagos hőhasznosítás
A medencékből elfolyó termálvíz hőhasznosításának érdekében víz-víz üzemű hőszivattyús energiakinyerést alkalmazunk. A termálvizes medencékből elfolyó, kb. 32 °C-os víz „hulladékhő” energiatartalma két darab újonnan telepített, speciális kivitelű hőszivattyúval (egyenként 1,3 MW fűtési teljesítménnyel) hasznosítható. Az elfolyó víz hőmérséklete 12 °C-ra csökken a hasznosítás során, mely után biztonságosan engedhető a csatornába.
Csúcsigényfedezés
A szélsőséges időjárási viszonyok és napi csúcsok esetére az 1,32 MW teljesítményű gázkazánt tartották meg.
A hőközpont tervezett kialakítása és műszaki optimalizálása
A tervezett hőhasznosítást a 2. sematikus ábra szemlélteti.
A hőközpont áttervezése során nagy hangsúlyt fektettünk az energetikai optimalizálásra és az üzembiztonságra. A hőtermelők hidraulikai váltóra dolgoznak, párhuzamos kapcsolásban, minimalizálva a rendszer hidraulikai ellenállását. Erre azért volt szükség, hogy ne kelljen minden hőtermelőn a teljes rendszer vízmennyiségét keringtetni, ezzel feleslegesen nagy ellenállást vinni a rendszerbe, illetve a csőméretek szempontjából is kedvezőbb, hiszen az adott hőtermelőt csak a saját teljesítményéhez tartozó csőmérettel kellett rákötni a rendszerre. Az egyetlen kivétel a 3 darab termál hőcserélő, melyek előfűtik a visszatérő fűtőközeget. A teljesítmény korlátozása érdekében egy bypasság is betervezésre került strangszabályzó szelepekkel. Az újonnan beépített két hőszivattyú okozta teljesítménynövekedésből adódóan a meglévő csőhálózat és a szivattyúk nem alkalmasak a rendszer ellátására. Ebből adódóan mind a csőhálózat, mind pedig a szivattyúk cseréje indokolt.
Az északi vezetékről ellátott épületben a korábbi fejlesztések alkalmával egy végponti szivattyú került beépítésre, mely nagymértékben hat a primer hálózatra. A jelenleg beépített szivattyúk hidraulikai kölcsönhatása miatt a jelenlegi rendszer üzeme instabil, a további hőtermelők beiktatása nagy valószínűséggel a rendszer hidraulikai összeomlásához vezetne. Ebből adódóan az északi vezeték hőközponti részére egy hidraulikus váltó kerül beépítésre, mely függetleníti a primer hőközponti szivattyúkat a végponton elhelyezett szivattyútól. A hidraulikus váltó elé kettős beszabályozó szelep szükséges, mivel új végpont jön létre.
A tervezett rendszert a jelenleg elbontandó hőszivattyúk helyén alakítjuk ki. A csővezetékek nyomvonalának csökkentése érdekében a szerelvények jelentős része áthelyezésre kerül a hőszivattyúkkal azonos térbe. A gázkazán a jelenlegi helyén marad, a gázkazán jelenleg is – a hatályos szabályoknak megfelelően – különálló helyiségben található.
A medencékből elfolyó víz tárolására a hőközpont mellett összesen 950 m3 térfogatú puffertározó áll rendelkezésre.
Az új hőszivattyús berendezések védelme érdekében a termálvíz minden esetben lemezes hőcserélőn keresztül adja át a hőtartalmát. A zárt fűtési rendszer a mechanikai szennyeződések, valamint a korrózió ellen hatékonyan védett. A szerelt lemezes hőcserélők mosócsonkokon keresztül is karbantarthatók.
A rendszer vezérlési hierarchiája a fűtővíz hőmérsékletén alapul: elsőként a termál hőcserélők fedezik az igényt, szükség esetén a hőszivattyúk kaszkádosan lépnek be, szélsőséges külső hőmérsékleten pedig a gázkazán egészíti ki a teljesítményt. Az épületfelügyeleti rendszer feladata a hőszivattyúk és keringtetőszivattyúik indítása, valamint a kaszkád léptetése, amennyiben a termál hőcserélők után kilépő víz hőmérséklete nem elegendő. Ezentúl feladta a gázkazánok indítása, amennyiben a hidraulikus váltóból kilépő víz hőmérséklete nem elegendő. Az épületfelügyeleti rendszer integrálja a teljes hőközpont mérési és vezérlési infrastruktúráját: valamennyi hőmérséklet- és nyomásmérési pont digitális szenzorral is felszerelt, a hőmennyiségmérők, a szivattyúk üzemállapota és hibajelzése, valamint a külső hőmérséklet egyaránt becsatornázott. A szivattyúk rendszeres, letapadást megelőző kényszerített járatása szintén automatizált. Ez az átfogó adatgyűjtés nem csupán a megbízható üzemeltetést teszi lehetővé, hanem a kinyert üzemi adatok alapján várhatóan a projektcélok teljesítése számszerűen is igazolható.
A tervezés során ugyan nem volt igény a BIM-keretrendszer alkalmazása, a tervezés során a 3D-modellezés eszköztárát kihasználva alakítottuk ki a hőszivattyúkat magába foglaló gépházat. A háromdimenziós modellezés biztosította az optimális helykihasználást, a berendezések szervizelhetőségét, valamint a szerkezeti és gépészeti ütközések elkerülését a kivitelezés előtt.
Energetikai hatás
A vezérlési hierarchia biztosítja a leghatékonyabb üzemvitelt: elsődlegesen a termál hőcserélők, másodsorban a hőszivattyúk, végül csúcsigény esetén a gázkazán lép működésbe. A rendszert épületfelügyeleti rendszerrel látták el, mely biztosítja az optimális szabályozást és a folyamatos monitoring lehetőségét.
Az energetikai számítások alapján a rendszer éves energiamérlegében a termál hőcserélők 74%-os, a hőszivattyúk 24%-os, míg a gázkazán mindössze 2%-os arányt képviselnek. Ez jelentős gazdasági és környezetvédelmi előnyt jelent, hiszen a fosszilis energiahordozó használata minimálisra csökkent. Az ismert beépített teljesítményekből következtethetünk a hőtermelő által lefedhető fűtési határhőmérsékletre, tehát arra a külső hőmérsékletre, melyen az egyes hőtermelők képesek fedezni az ahhoz a külső hőmérséklethez tartozó aktuális összes hőveszteséget. A fűtési határhőmérsékleteket a hőfokgyakorisági görbén ábrázolva meghatározható az egyes hőtermelőhöz tartozó hőfokhíd, mely a 4. ábrán látható.
Az egyes hőfokhídértékek arányát a diagramon feltüntettük. A hőfokhíd egyenesen arányos az energiaigénnyel. A magas termál- és hőszivattyús hőhasznosítás energetikailag kedvező üzemeltetést tesz lehetővé, hiszen a rendszer döntő részét megújuló energiaforrásból biztosítják.
Összefoglalás
A bemutatott gyógyfürdő energetikai rendszerének korszerűsítése komplex, többlépcsős hasznosítási koncepciót valósít meg, mely maximálisan kihasználja a rendelkezésre álló geotermikus potenciált. A termálvíz hatékony kihasználásához lehetőség szerint mindkét hasznosítási forma alkalmazandó: a direkt hőhasznosítás megfelelő vízhőmérséklet esetén, valamint a szekunder hasznosítás az elfolyó víz tárolásával és felhasználásával. Jelen korszerűsítés során elsősorban a szekunder hasznosítás infrastruktúrájának kiépítésén volt a hangsúly, amelynek megvalósításához a teljes rendszer felülvizsgálatára és üzemszerű működésének biztosítására volt szükség.
A projekt demonstrálja, hogy a megújuló energiaforrások intelligens hasznosításával jelentős mértékben csökkenthető a fosszilis energiahordozók felhasználása. Átfogó rekonstrukció esetén a rendszer energiahatékonysága mellett az üzembiztonság is javítható. A koncepció, valamint később a megvalósítás tapasztalatai hasznosak lehetnek más, hasonló adottságokkal rendelkező létesítmények számára, ahol geotermikus energia áll rendelkezésre.
Dr. Cakó Balázs
Ózdi András
Cakó Balázs
BSc-szintű tanulmányait 2009–2013 között a Pécsi Tudományegyetem Pollack Mihály Műszaki és Informatikai Karán végezte. 2016-ban mesterszintű oklevelet szerzett a Szent István Egyetem Gépészmérnöki Karának létesítménymérnöki képzésén. A Pécsi Tudományegyetem Breuer Marcell Doktori Iskolájában 2020-ban doktori fokozatot szerzett. Kutatási területe a komfortelmélet és az épületenergetika.
A 2016-ban alapított tervezővállalkozása épületgépészeti tervezéssel, energetikai szakértési feladatok ellátásával foglalkozik.
Elnökségi tagja a BVMK Épületgépészeti Szakcsoportjának, az MMK Épületgépészeti Tagozatában pedig elnökségi tag.
Jelenleg a Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Kar oktatója, beleértve Breuer Marcell Doktori Iskolát is, valamint az Épületgépészeti és Létesítménymérnöki tanszék adjunktusa, tanszékvezetője.
Ózdi András
Szakképzettséget a Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Kar gépészmérnöki alapképzésén, épületgépészeti szakirányban szerzett 2021-ben. Gyakorlati tapasztalatot a PTE Politechnika Kutató, Fejlesztő és Tervező Kft.-nél, valamint a KomfortMűhely tervező és szolgáltató Kft.-nél szerzett segédtervező, szerkesztő beosztásban, később beosztott mérnökként. Épületgépészeti tervezésben való munkája mellett szakmai képzését jelenleg a PTE gépészmérnöki mesterképzésén folytatja. 2024-ben a Magyar Mérnöki Kamara által tanúsított, épületinformációs modellezési tevékenységhez szükséges végzettséget szerzett.
