Lapszámok

Összefoglalás

Az építményalapok, elsősorban a cölöp- és kútalapok geotermikus hasznosítása a rendszerek kiépítése és üzemeltetése szempontjából is kedvező. Bár ezekben az esetekben a szondák számát és elhelyezését alapvetően a statikai igények határozzák meg, és ez akár jelentős korlátozásokat is jelenthet, de így az alap mechanikai védelmet jelent, és megfelelő kiépítés esetén a kinyerhető hőteljesítmény akár 7%-kal is növelhető. Ha az épület hűtését is a hőszondák segítségével oldják meg, illetőleg ha a felszín felől érkező hőtöbblet miatt a felszín alatti térrész éves átlaghőmérséklet is nő, a kivehető teljesítmény tovább növekszik. A kapott eredmények alapján e rendszerek alkalmazása elsősorban alacsony energiaigényű, alacsony hőmérsékletű hőleadókkal rendelkező házak esetén vagy bivalens rendszerekben perspektivikus.

Bevezetés

A geotermikus energia hasznosításának legjelentősebben növekvő ágazata a hőszivattyús energiahasznosítás (Lund et al. 2010, Rybach 2010), melynek során külső energia felhasználásával a kisebb hőmérsékletű környezeti energia a nagyobb hőmérsékletű épületbelsőbe juttatható (Ochsner 2007). 

Mivel hagyományos értelemben vett hőforrásra vagy rezervoárra e rendszerekben nincs szükség, így széles körben alkalmazhatók, jelentős gazdasági és környezeti előnyöket biztosítva. A rendszerek kiépítése más energiaforrásokhoz képest két jelentős többlet-tételből áll: a hőszivattyú, valamint a primeroldali hőcserélő felület kialakításának költségéből. 

Ez utóbbi jelentősen csökkenthető, ha a hőcserélő felületet az épületek valamely szükséges, felszín alatt található elemében, annak kiépítésével egy időben alakítják ki. Erre leginkább az épületalap használható, amelynek kiépítési költségét csak mérsékelten növeli az átalakítás. 

Emellett egyes esetekben a talajvízsüllyesztés rendszere is kialakítható úgy, hogy a környezeti hőt el lehessen vonni ezen keresztül. Jelen tanulmány elsősorban a cölöplapok energiacölöpként történő alkalmazásának legfontosabb előnyeit és problémáit tekinti át, figyelembe véve, hogy alkalmazásuk egyre szélesebb körben elterjedt (de Moel et al. 2010, Ruukki 2011). E rendszerek telepítése elsősorban kis fajlagos hőigényű épületek esetében lehet gazdaságos, mivel a csökkenő hőigény kisebb primeroldali kiépítést igényel, így jobban illeszthető a statikai kívánalmakhoz.

A hőszivattyús rendszerek primeroldali kiépítésének feltételei és jellemző megvalósításai

A hőszivattyús rendszerek primeroldali igénye, hogy a hőszivattyú elpárologtatójára megfelelő mennyiségű és hőmérsékletű fluidum érkezzen (Ochsner 2007, Komlós et al. 2009).

A primeroldal kialakítása alapján megkülönböztethetünk nyílt és zárt rendszereket. Az előbbieken a környezeti hőt tartalmazó fluidum – általában levegő, felszíni vagy talajvíz – halad át az elpárologtatón, hőmérséklete megegyezik a környezeti hőmérséklettel és maximális hozamát a hőszivattyú kialakítása határozza meg. A lehűlt fluidumot a környezetbe engedik vissza, általában a kivételi helytől viszonylag távol. Zárt rendszerek esetén a primeroldali hőt egy zárt csőrendszerben keringő fluidum juttatja el a hőszivattyúba, a fluidum hőmérséklete télen, fűtési üzemmódban a primeroldali hőmérsékletnél kisebb. Ennek megfelelően a primeroldali közegben (felszíni vízben, felszínközeli talajban, üledékekben, kőzetekben) nagyméretű hőcserélő felületet kell létrehozni, amelyben a keringtetett fluidum felveszi az energiát, majd a hőszivattyú elpárologtatójában leadja. Ennek következtében a primeroldali hőmérséklet folyamatosan csökken, amit a keringtetett fluidum hőmérsékletének a csökkenése is követ.

A zárt rendszerű alkalmazások kiépítése ezért szabványban rögzített méretezést kíván. A jelenleg használt tervezési gyakorlatok a VDI 4640-es szabványt veszik alapul, ami az évi átlagos kihasználtsági idő segítségével, a felszín alatti közeg adottságainak függvényében adja meg, hogy mekkora a rendszer fajlagos hőleadó képessége, tehát az 1 méternyi szondahosszra vagy 1 m²-nyi szondafelületre meghatározott teljesítmény (Ochsner 2007). Ebből az épület maximális hőigénye és a tervezett hőszivattyú COP értéke alapján meghatározható, hogy mekkora primeroldali szondahossz vagy hőcserélő felület szükséges.

A kiépítések alapvetően két irányvonalat képviselnek: a viszonylag nagy mélységet elérő (akár 100 – 150 m-ig lefúrt) függőleges kiképzésű hőszondák, illetve a néhány méter mélységbe telepített hőkollektorok. A hőszondák esetében minden fúrásban egy vagy több csőpár található, a csőpár tagjai a lyuktalpon össze vannak kötve. Az egyes csőpárok lehetnek sorosan vagy párhuzamosan kötve, az összekötés jellege hőfelvétel és hidraulika szempontjából egyaránt fontos.

A sekélyebb rendszerek kezdetben vízszintes kiépítésűek voltak, de ezek nagy helyigénye a jelentős tereprendezési munkálatok és a későbbi korlátozott területhasznosítás miatt elősegítette más megoldások kifejlesztését. Ezek közül gyakori a sekély árkokban elhelyezett, spirál formában lerakott cső, elsősorban a melegebb területeken, ahol a talajfagy mélysége kicsi vagy nincs érdemben talajfagy és a teljes hőigény kisebb. Előnye, hogy nem a teljes területen, hanem csak töredékén kell a földmunkákat elvégezni. A horizontális területigény csökkentése általában a hőkinyerésbe bevont mélységtartomány növelésével jár együtt. Ilyen technológiák az úgynevezett földhőkosár és a spirálkollektor, amelyek magassága akár 4 m, legnagyobb telepítési mélysége akár 5 m is lehet, átmérőjük a földhőkosár esetében elérheti a 2 m-t, míg a spirálkollektor esetében 60 cm.

A csövek anyaga általában PE vagy PE-X, ritkábban réz vagy többrétegű PE-alumínium. A csőrendszerrel szembeni legfontosabb elvárások a csőfal jó hővezető-képessége, a terhelhetőség, a hosszú élettartam, a kis áramlási veszteség, illetve korrózióállóság. A termikusan felfűtött területeken, illetőleg aktív hűtés esetén a csőrendszernek a felszín alatti sekély zónák hőmérsékleténél (–5 °C – 20 °C) nagyobb hőmérséklettartományban is kedvező tulajdonságokkal kell rendelkezniük. Hőszondák esetén a csöveket egymástól azonos távolságban helyezik el a béléscső nélküli lyukban, amit ezután alulról felfelé tömedékelő anyaggal töltenek fel. A földmunkákkal járó kiépítések esetén a csövek a megfelelően előkészített felszínre kerülnek, és a kitermelt anyaggal (amennyiben nem tartalmaz köveket) a kollektor lefedhető. A csövek nagy felületű épített elemekbe helyezésével masszív abszorbereket is létre lehet hozni.

További részletek lapunk 2016/6-os számának nyomtatott változatában található, illetve a teljes cikk pdf-formátumban is rendelkezésre áll regisztráltaknak havonta egy alkalommal, előfizetőknek korlátlanul).