Ahogy előző bejegyzésemben ígértem, most a hőszivattyú primer körének a kialakításával foglalkozom részletesen. Ha eldöntötted már, hogy milyen legyen, már csak azt kell megtudnod, hogyan is valósítsd meg.
Először a talaj hőmérsékletváltozását nézzük meg. A felszín közeli rétegekben a hőátmenet hősugárzással történik a légkör irányából és hővezetéssel a mélyebb rétegek felől. Mivel mennyiségileg a Napból sugárzással fölvett hőmennyiség sokszorosa a mélyebb rétegekből felvett hőmennyiségnek, ezért a legfelső rétegek hőmérséklete évszakonként változik. Ez a változás Magyarországon kb. 12 m mélységben egyenlítődik ki. A legfelső állandó hőmérsékletű zóna hőmérséklete 9-10 °C (kb. 12m mélységben), és innen kezdve lefelé növekszik. Magyarországon az átlagos kútvízhőmérséklet és szondahőmérséklet 50 méteres mélységig 12°C körül alakul, annál mélyebben 20-30 méterenként 1°C-ot emelkedik a talaj hőmérséklete.
Fenti ábra a talajfelszíntől mért mélység függvényében mutatja a talaj hőmérsékletváltozását az év négy különböző szakában. A mélység a függőleges tengelyen olvasható le méterben. A görbék időpontja közvetlenül a vízszintes tengely alatt balról jobbra haladva: február, május, november, augusztus.
Kútvizes primer kör
A kútfúrás ma Magyarországon bejelentésköteles. A bejelentést az önkormányzatoknál kell benyújtani. A bejelentéshez csatolni kell a kút térképen történő elhelyezési tervét, és a kút kivitelezési tervét, melyeket vízmérnöknek kell elkészítenie. A fúrás befejeztével pedig a végleges megvalósítási dokumentumokkal kell "készrejelenteni" a kiépített kutakat. A bejelentés minimális mértékű illeték befizetését követeli meg, a vízmérnök munkadíja azonban nem minimális! Neki ki kell nyitnunk a pénztárcánkat.
Legalább két kút megfúrása szükséges. A forrás kút és nyelő kút funkciókat úgy kell megválasztani, hogy a felszín alatti vízáramlások ne okozzanak hidrológiai rövidzárat. Vagyis a hőszivattyú által lehűtött víz ne a forrás kút felé áramoljon, hanem el tőle. A forrás kútba pedig folyamatosan azonos hőmérsékletű víz érkezzen. A két kutat egymástól minimum 10 méterre, egyes nézetek szerint 25 méterre kell elhelyezni. Vannak esetek, amikor nem elegendő egy darab nyelő kút, egy kút nem képes olyan gyorsan elnyelni a vizet, amennyit a forrás kútból kiveszünk. Ilyen esetben második, néhol harmadik nyelőkút fúrására is szükség van. Ha még így sem elég gyors a vízelnyelés, akkor zárt kutat kell kiépíteni, sajtolással kell a mélyebb rétegekbe a vizet visszajuttatni. Az is előfordulhat, hogy egy forráskútból nem tudjuk biztosítani a megfelelő tömegáramot, ebben az esetben több forráskútra van szükség.
Kútvizes primer kör esetén a kút vizét hőcserélővel kell elválasztani a hőszivattyútól. A kút vizében olyan apró szennyező részecskék vannak, amik részecskeszűrőkön átjutnak, szabad szemmel szinte alig láthatók, de a hőszivattyúban lévő lemezes hőcserélő vékony járatait gyorsan eltömíthetik. Ezen kívül vízkő és egyéb vegyi anyagok jelenléte a kútvízben károsíthatja a hőcserélő anyagát, kilyukaszthatja vagy eltömítheti azt. Ilyen indokok miatt csak külső hőcserélő közbeiktatásával használjunk kútvizes primer kört! Hogy olcsóbb legyen a kútvíz esetleges romboló tevékenysége következményeit kijavítani! Ebben az esetben a kútvizet leválasztó hőcserélő mindkét ágában kell ellenőrizni az áramlási sebességet, a két áramláskapcsolót egymással sorba kell kötni. A hőszivattyú működését csak abban az esetben engedélyezzük, ha mindkét körben megvan a megfelelő sebességű áramlás. Ez az ellenőrzés a hőszivattyút megvédi a szétfagyástól, TILOS kikerülni! Kikerülése a garancia azonnali elvesztését vonja maga után!
Talajszonda
Házilagos kivitelezés nem lehetséges. 20 méternél mélyebb talajszondák építéséhez a területileg illetékes bányakapitányságtól kell engedélyt kérni. A kérvényhez csatolni kell kamarai nyilvántartásban szereplő mérnök által készített terveket. Az engedély illetékköteles, egy-két hely kivételével általában könnyen megadják. A bányakapitányságnak az építés befejezését, a megvalósult talajszondákat is be kell jelenteni, újabb illeték befizetése mellett.
Talajszonda létesítésekor fúrógéppel veszik birtokba a területet, és a kiszámolt darabszámú, tervezett mélységű kutak megfúrása közben a környezet viszonylag legminimálisabb megbolygatása mellett általában műanyag (KPE) csövekből hegesztéssel készült szondákat tolnak le a kifúrt lyukakba. A szondákat egymástól minimum 5 méterre, de inkább 8 méteres távolságban kell elhelyezni. Bár sokkal kisebb területet igényel a talajszonda, mint a talajkollektor, a kivitelezés nagy precizitást és odafigyelést igényel. A szonda többféle kialakítású lehet. Létezik 'cső-a-csőben' és U-alakú szonda is. Egy-egy kút megfúrásával letolhatnak egy szondát vagy szondapárt is, esetleg több szondát egymáshoz viszonylag közel. Természetesen az egy szondának fúrt kút szűkebb keresztmetszetű, mint a szondapárhoz vagy több szondához szükséges átmérő. A szondák letolása után a szonda és a kút fala közötti hézagot bentonittal töltik fel. Így biztosítják a fúrás közben átszakított vízzáró rétegek további normális működését. Ugyanis a talajszonda kialakításának legfontosabb feltétele, hogy a mélyebb rétegek vízháztartását ne bolygassa meg. A szondaépítés technológiáját úgy alakították ki, hogy ennek a kritériumnak maradéktalanul eleget tegyenek.
Manapság már léteznek nemcsak egyenesen, függőlegesen lefelé menő szondák, hanem elágazó, a függőlegessel szöget bezáró szondaágak, egy fejben összesítve. Ezekről még nincsen túl sok tapasztalat. Ott érdemes ilyen elrendezéssel próbálkozni, ahol kevés földterület áll rendelkezésre. Ezzel a módszerrel a 'szomszéd alá' is lehet fúrni, egy kicsit nagyobb területről gyűjthető be a hőszivattyú kiszolgálásához szükséges hőmennyiség. Ilyen szondakialakításhoz természetesen a szomszédnak is hozzá kell járulnia, ha ténylegesen az ő területe alól is szeretnénk hőt kinyerni.
A különböző szerkezetű anyagok hővezető képessége különböző. Általában minél sűrűbb egy anyag, annál jobb hővezető. És minél nedvesebb egy talajréteg, annál jobb hővezető. Mivel a szonda hosszában változó a talaj minősége,nem egyforma a hőátadás mértéke. Az minden mélységben az ott jelenlévő anyag minőségétől függ. Egy szondára vonatkoztatva például egy száraz homokos talajban csak 35W/m, egy nedves homokos talajban 50W/m teljesítményt lehet elérni, míg például földfelszín alatti áramlások vonalában akár 100W/m vagy annál egy kicsit nagyobb hőnyereség is reális. A tervezők kis (30kW-nál kisebb) rendszerek esetében a talajszerkezet pontos ismerete hiányában a fúráskor tapasztalt talajminőség függvényében táblázatból kiolvasható W/m értékkel számolnak. Ez természetesen csak közelítő becslés. Az így tervezett talajszonda az év nagy részében kielégíti a primer oldalon a hőigényeket. Precíz teljesítménymérés hiányában azonban csak a legnagyobb hidegben derülne ki, hogy a szondánk nem tudja azt a teljesítményt leadni, amit várunk tőle. - Ezért is szükséges a próbafúrás, egy szonda elkészítése és bemérése, majd ez alapján a helyileg szükséges szonda darabszám és szondahossz megállapítása. - Az elkészült szondákat azután egy gyűjtőbe vezetik és összekötik. Szabályozószelepek beépítésével, vagy egyforma hosszúságú szondavezetékekkel biztosítják a szondák egyforma működését.
A VDI 4640 előírásai a lehetséges hőkivétel mértékére az üzemelési idő/év adatokra vonatkoztatva itt látható:
Például: ha csak fűtünk a szondáról, háztartási melegvizet más módon készítünk, akkor egy fűtési szezonban kb. 1800 órán keresztül veszünk ki hőmennyiséget a talajból. Ha a szondánk nedves agyagos/vályogos talajba került (ezt a fúrás közben lehet megállapítani), akkor a kivehető hőmennyiség 35-50 W/m. Ha a háztartási melegvizet is a hőszivattyúval készíttetjük, akkor egy évben kb. 2400 órányit üzemel a hőszivattyú. Ebben az esetben ugyanabból a szondából kivehető hőmennyiség csak 30-40W/m. A kivehető hőmennyiség nagyban függ a szonda készítésekor pontosan betartott technológiától, a visszatömedékelés pontosságától. A szondafúrás közben meghatározott talajminőségre jellemző adatokkal lehet korrigálni az előzetes szondaméret tervezéseket. Bár általában megbízható adatforrások állnak rendelkezésre a magyarországi talajadottságokról, helyi eltérések lehetnek. Éppen ezért fúrás közben is ellenőrizni kell a tervek helyességét.
Nagyobb teljesítményű szonda-rendszerek esetén mindenképpen szükséges bemérni a szondák várható teljesítményét. Az első fúrással egy próbaszondát építenek meg. A próbaszonda bemérése a következő módon történik: Megfúrják a szondát, majd néhány napig pihentetik. Összekötik a TRT (Thermal Response Test) berendezéssel, melybe fűtőszál van beépítve. Ennek a fűtőszálnak a leadott teljesítményét a teszt során folyamatosan feljegyzik. Először a primer oldali keringető szivattyú fél órán keresztül történő járatásával meghatározzák a talaj nyugalmi hőmérsékletét. Ezután bekapcsolják a fűtőszálat, és a szondában a víz folyamatos keringetésével fűtik a szonda környezetét. A tesztelő berendezést legalább 48-72 órán át üzemeltetik. Közben mérik a különböző mélységekre beépített hőmérséklet érzékelőkkel a szondahőmérsékleteket. Rögzítik a mért adatokat. Majd a leállítás után is mérik, milyen gyorsan hül vissza a szonda környezete. Az így nyert adatokból bonyolult képletek segítségével kiszámolják a talaj ekvivalens hővezetőképességét és a fúrt lyuk termális ellenállását. Ezen adatok segítségével meghatározható, hogy a kívánt teljesítményű hőforráshoz hány darab, milyen elrendezésű - a próbaszondával azonos hosszúságú - szondát kell fúrni. Ezt a számítást számítógéppel is el lehet végeztetni az EED szoftver segítségével. Ezt a szoftvert német és svéd egyetemek együttműködésével fejlesztették ki 1997-ben. A tesztelésnek folyamatosnak kell lennie. Áramszünet, vagy egyéb ok miatti megszakítás esetén kb. 2 hétig pihentetni kell a szondát, és csak utána kezdhető újra a szondateszt.
Talajkollektor
Házilag a legkönnyebben kivitelezhető. Azért egy árokásó gép nagyban gyorsíthatja és megkönnyítheti a kétkezi munkát! A gépészmérnök tervező munkája nem kihagyható!
Többféleképpen lehet megvalósítani. A két leggyakoribb módja a következő:
Árkot ásnak 1-3 méter mélyen, olyan hosszban és elrendezésben, ahogy az a talajkollektor létesítési tervében szerepel. Nagyobb teljesítmény (itt háztartási méretekben nagyobbról van szó!) esetén fa-szerkezetet alakítanak ki. Van egy vastagabb csőből készült gerincvezeték-pár, melyhez - mint a fa törzséhez az ágak - csatlakoznak az oldalleágazások. Egy-egy ilyen oldalleágazás 100 és 200 méter közötti hosszúságú. Szerencsésebb a több rövidebb körből álló talajkollektor hálózat, kisebb ellenállást jelent a keringető szivattyú számára. Az egyik mód szerint ezekbe a kiásott árkokba lefektetik simán a csöveket U-alakban, minél jobban kiegyenesítve, a lejtésre ügyelve. A csővezeték lejtését úgy kell kialakítani, hogy a gerincvezeték legyen a legmagasabban, minden légbuborék ki tudjon jutni oda az oldalágakból. A gerincvezeték legmagasabb pontjain pedig (mindkét ágban) légtelenítő szelepeket kell elhelyezni.
A másik módszer az, amikor az oldalágakba szánt, általában 25mm átmérőjű KPE csöveket tekercsben hagyják, a tekercs meneteit széthúzzák, és viszonylag síkra ledöntve karikákban hagyva fektetik bele a kissé szélesebbre ásott árkokba. Ezt a kialakítást sokkal nehezebb légteleníteni az előző változatnál. Itt jól jöhet egy drága, kifejezetten a légtelenítést segítő keringető szivattyú használata, mely néhány perc üzem után tart néhány perc szünetet, hogy a vízben tovahordott levegőbuborékok össze tudjanak gyűlni, és a légtelenítő szelepet megtalálva távozni tudjanak a csővezetékekből.
A fenti két megoldás közül bármelyiket választjuk is, a visszatemetés már ugyanazon séma szerint alakul: homokkal kell körbevenni a lefektetett csővezetékeket, beiszapolni, hogy a lehető legjobban tömörödjön a talaj a csövek körül. Majd 20cm homokréteg után lehet visszatölteni az eredeti talajt. Bármilyen gondosan is cselekszünk, az első télen még biztosan nem fog tudni maximális hatásfokkal üzemelni a kollektor. A talaj teljes tömörödéséhez / beiszapolódásához legalább egy, de inkább két hóolvadási szezonon kell túllenni. Kb. két év múlva aztán már nem lehet probléma a jól méretezett talajkollektorral.
A légtelenítés nagyon fontos, a hőszivattyút csak teljesen légtelenített primer kör tudja terv szerinti hőmennyiséggel kiszolgálni.
Földhőkosár
Nem árt markológépet segítségül hívni a hatalmas méretű munkagödrök kiásásához.
A földhőkosarakhoz 1,5-2 méter átmérőjű, 4-5 méter mély munkagödröket kell kiásni. Minden egyes munkagödörbe egy-egy 100 méteres tekercs csővezetéket kell elhelyezni. A földhőkosarat úgy lehet kialakítani például KPE csőtekercsből, hogy egyenletes távolságra széthúzzuk a tekercs meneteit, majd fixen rögzítjük a csöveket egymáshoz úgy, hogy kb. azonos távolságot tartsunk a menetek között. Ezt az egymáshoz rögzítést végezhetjük fával vagy műanyaggal is. A lényeg az, hogy addig tartsa meg a csövek egymáshoz képesti távolságát, amíg a munkagödör betemetése befejeződik. Utána akár el is korhadhat a fa, soha többet a csőtekercset kiásni nem fogjuk. Durva becsléssel egy ilyen földhőkosár kb. 1kW energiát jelent forrás oldalon. Ahány kW-os a hőszivattyúnk, annyi ilyen földhőkosarat kell kialakítani. A legkisebb egymásra hatás elérése érdekében a kosarakat egymástól kb. 5m távolságra lehet elhelyezni, annál nem közelebb. A kosarak végződéseit egy gyűjtőbe össze kell vezetni, és szelepekkel ellátva összekötni. Itt is fontos a légtelenítő szelepek legmagasabb ponton történő elhelyezése. Ezt praktikusan a gyűjtőnél kell kialakítani.
Mire kell ügyelni?
Fontos, hogy a keringető szivattyú méretezése a kiépített primer körrel harmonizáljon. Ellenőrzésképpen ultrahangos áramlásmérővel tudjuk ellenőriz(tet)ni a hőszivattyú adatlapján előírt áramlási sebesség meglétét.
A légtelenítés mindegyik primer köri kialakítás esetében nagyon fontos, de a legjobban a talajkollektornál kell rá ügyelni. Ott a legkönnyebb a megfelelő lejtések kialakításakor hibázni. A légtelenítés megfelelő voltát jelzi, ha a keringető szivattyú szépen halkan (légbuborék-mentesen) jár, és a hőszivattyú számára a keringetési sebesség elég gyors (vagyis a folyadék-áramlás kapcsoló azt jelzi, hogy megvan a megfelelő áramlási sebesség).
Következő cikkünkben a fenti módok valamelyikén kiépített primer körök hűtési célú felhasználását, vagyis a passzív hűtési lehetőségeket vesszük górcső alá.
Utolsó kommentek