Hidrológiai tájékoztató, 1995
2. szám, október - ÁLTALÁNOS VONATKOZÁSÚ CIKKEK - Hajdú György: A víz és a hőszivattyú
Azóta a hőszivattyú fantasztikus világkarriert futott be. Sok millió kisebb-nagyobb gép adja háztartások, közületek, üzemek hő és HMV szolgáltatását. Gyárak tucatjai állítanak elő hűtőgépek mellett hőszivattyúkat is. Különösen nagy lendületet vett a hőszivattyúk elterjedése az olajárrobbanás után. Pl. Auszriában a 80-as években évente 10-12 000 hőszivattyút vásároltak. A piac telítődésének jelei mutatkoznak, a 90-es években már „csak" évi 5-6000 db-ra van vevő. Ezek túlnyomó része kis, 2 és 20 kW közötti teljesítményű, háztartások fűtését és HMV-jét adja, de nem ritka a nagy, szállókat, iskolákat, kórházakat ellátó gép. Az osztrák hőszivattyúk összkapacitása eléri az 500 MW-ot. Évi 200 000 t olaj importját és az ebből eredő környezetszennyezést takarítják meg velük. Hasonló a helyzet Svájcban. Mindkét országban kormányprogram tűzte ki célul, hogy 2000-re elérjék az 1000 MW-ot. A hőszivattyú viszonylag egyszerű gép. Két, a primer oldalon összekötött edényből, egy kompresszorból és egy dekompressziós szelepből áll. Mint a hűtőgépnek, a hőszivattyúnak is a lelke egy olyan anyag, melynek igen alacsony a forráspontja. Ez korábban freon volt, most már hígított freonokkal és más, az ózonpajzsra ártalmatlan anyagokkal helyettesítik. A primer közeg kering körfolyamatban a két edényben, halmazállapota változtatásával segít a hő átalakításában. Az egyik edény az evaporátor (elpárologtató). Itt érintkezik a primer közeg az energiaszolgáltató szekunder közeggel, pl. +10 °C hőmérsékletű talajvízzel. Az elpárologtatóba a primer közeg a dekompressziós szelepen keresztüljut. A lecsökkent nyomáson hirtelen elpárolog és lehűl 0 °C alá. A párolgáshoz szükséges hőt az elpárologtatóban elhelyezett csőkígyón átáramló vízből vonja el, azt 3-8 fokkal lehűti. Az elvont hőtől felmelegedett primer közeget a kompresszor elszívja és a másik edénybe, a sűrítőbe komprimálja. A kompresszor munkája ekkor hővé alakul át és hozzájárul a közeg felmelegedéséhez. A nagy nyomástól a felmelegedett primer közeg lecsapódik. A lecsapódás következtében felszabaduló hőt átadja a kondenzátor csőkígyójában áramoltatott fűtővíznek. Ezután a primer közeg a dekompressziós szelepen keresztül újra az alacsony nyomású elpárologtató terébe kerül és a folyamat ismétlődik. A hőszivattyú szekunder közege, tehát a hőforrás lehet bármilyen anyag, amelyből hő vonható el. Igen sok hőszivattyú a levegőt használja szekunder közegnek. De a leggyakoribb hőnyerési közeg a víz. Nem áll ugyan mindenhol rendelkezésre, mint a levegő, sokszor tekintélyes távolságból kell a helyszínre szállítani, de hőmérséklete elég egyenletes, míg a levegőé változik, éppen a hideg időszakban romlik le a levegős hőszivatytyúk hatékonysága. A levegős gépnek a mi éghajlati körülményeink között alkalmazkodni kell -15 és a +30 °C közötti hőmérsékletekhez és ez drágább gépet eredményez. Míg ha víz az energiaforrás, ott nagy változásra nem kell számolni, kisebb, egyszerűbb, olcsóbb gépet lehet alkalmazni. Gazdasági kérdés, hogy melyiket válasszuk. Stockholmban az 1986-ban üzembe helyezett Hammarby 175 MW teljesítményű hőszivattyús telepe egy szennyvíztisztító elfolyó, 7-18 °C-kú vízét hasznosítja átlagos E = 3,4 hatásfokkal. A Stockholm Ropsten 260 MW-os távfűtő erőműve, mely 1985 óta dolgozik, a téli 2 °C-os tengervízből nyeri a hőt és transzformálja fel a fűtőközeget 75-85 °C-ra. Elképesztő a víz hőenergia tartalma. Pl. a mi Dunánkban a közepes vízhozam 2000 m 3/s, vagyis 7 200 000 m 3 óránként. Ha csak 1 °C-ot nyernénk ki, abból m 3-enként 1 Mcal, vagyis 1,163 kWó energiát nyerünk, összesen 8373 MW-ot, ami meghaladja az egész ország energiaigényét. A meder alatti földrétegtől néhány km után a víz visszamelegszik a korábbi hőmérsékletre, tehát a geotermikus energiát hasznosítanánk. De a Duna ritkán hűl le ennyire, a fűtési időszak túlnyomó részében 5 °C felett van a hőmérséklete, tehát 4—5 °C kinyerhető belőle. Egy-egy Duna-parti kisváros, mint Komárom, Esztergom, Baja, Vác stb. 10-20 MW-os távfűtési hőigényét 500-1000 l/sec Duna-vízből kinyerhetjük. A bevitt hőt a P meghajtó energia a kompresszor segítségével olyan hőmérsékletre transzformálja fel, amely már fűtésre hasznosítható. A környezetből az elpárologtatóban q hőmennyiséget vonunk el. A hőszivattyú hőleadása Q = P + q. A hőszivattyúnál nem beszélünk hatásfokról és nem használjuk az r| betűt, hogy ne sértsük azt a meggyökeresedett tételt, hogy az csak kisebb lehet egynél. Ezért hatékonysági foknak nevezzük COP-vel, e-nal vagy E-vel jelezzük. E = Q/P = Q/Q-q Az E nagysága függ a TI és T2, tehát a két szekunder közeg hőmérsékletétől. Ahogy fentebb már szerepelt: E = T1/(T1-T2). Ha T1-T2, tehát a hőforrás és a felmelegített fűtőközeg között a különbség nem nagyobb 25 °C-nál, akkor E értéke elméletileg 10 lehet. A gyakorlatban a veszteségek miatt ez kb. 7 lesz. Ezzel dolgozik pl. a Szekszárdi Húskombinát hőszivattyúja, mely a kb. 25 °C-os szennyvízből 45-50 °C-ra előmelegíti a kazántápvizet. Ha nagyobb a különbség, úgy az E értéke csökken. Pl. a stockholmi 260 MW-os távfűtő telep, mely a hőenergiát a téli 2 °C-os tengervízből nyeri, „csupán" E = 2,8-as hatékonysággal dolgozik. A leggyakoribb hőnyerő közeg a víz és a levegő. De bármilyen más közegből is lehet energiát nyerni. Pl. Halimbán a bauxitbányászatnál keletkező zagyból, a Fővárosi Csatornázási Művek Soroksári úti telepén a tisztítatlan szennyvízből nyerik a fűtési energiát. Az E értéke 3 és 5 között gyakori. Ilyen pl. az Esztergomi Tanítóképző két db 160 kW-os gépe, mely a Strand kútjának 25 °C-os vizéből nyer kétszer 5 °C-ot. A két gép evaporátorát sorba kapcsoltuk, a kondenzátorokat párhuzamosan. A fűtővíz 45-55 °C-os. A tényleges hatékonyság a fűtővíz hőmérsékletétől függően 4,5-5,5 között van. Természetesen nem feledkezhetünk meg arról, hogy a P meghajtó energia egy gőz- vagy gázturbina, esetleg egy atomerőmű által termelt áramból származik. Az áramtermelő egység hatásfokának és a hőszivattyú hatékonysági fokának összeszorzása adja az összhatásfokot. Ha ez jobb, mint egy tüzelőanyaggal helyszínen fűtött kazán vagy turbina hatásfoka, akkor energetikailag előnyös a hőszivattyú. Pl. az Esztergomban felhasznált áramot a Dorogi Erőmű 30%os hatásfokkal dolgozó gőzturbinás áramfejlesztője adja. E 4. ra l„. = 0,3x4,5 = 1,35 EÍ. 4,i. = 0,3x5,5 = 1,65. A Tanítóképző olajkazánjai max. 70%-os hatásfokkal égették el az olajat. Tehát a hőszivattyú összhatásfoka ennél még egyszer jobb. Speciális eset, ha a hőszivattyút gáz vagy dízelmotorral hajtjuk meg. Ekkor nemcsak a tengelyteljesítménye alakul át hővé, hanem a motor hűtővízének és kipufogógázának hőjét is a fűtésnél hasznosítani lehet. Pl. egy levegő-víz hőszivattyú -5 °C külső hőmérsékleténél, 45/50 °C fűtővízzel 184 kW hőt termel 21,6 m 3/óra földgáz felhasználásával. 1 m 3 földgáz energiatartalma 9,31 kWó. A gázmotor hatásfoka 35% 21,6 m 3/ó x 9,31 kWó/m 3 = 201 kW 201x0,35 = 70,4 kW. A hőszivattyú hatékonysági foka: E= 184/70,4 = 2,61. A hűtővízből és a kipufogógázból még további 105 kW vehető ki és vihető be a fűtési rendszerbe. A termikus hatásfok: E ö t = (184+105)/201 = 1,44. Gázkazánnal 0,9-nél jobb hatásfokot nehéz elérni. Tehát a gázmotoros hőszivattyú összhatásfoka 50%-kal jobb. Hozzátehetjük, hogy hazánkban a fűtési idény igen rövid része hidegebb -5 foknál. Változó külső hőmérsékletnél a gép hatásfoka a következőképp alakul: 22
