Termálvizes fürdő bővítése hőszivattyúk alkalmazásával


Fodor Zoltán, Komlós Ferenc
1 – Geowatt Kft., 2 – Ny. minisztériumi vezető-főtanácsos

 „Minden kérdést, amit meg lehet kérdezni, meg is kell kérdezni”[1]
Erdős Pál (1913–1996)

Dolgozatunkban mindenekelőtt a nagykőrösi strandfürdő bővítésének hőszivattyús rendszerű épületgépészetét mutatjuk be. Ez a kivitelezés alatt álló beruházás egy újonnan épített 25 méteres úszómedence építésével, egy fedett, egész idényben üzemelő tanuszoda és meleg vizes termálfürdős medence építésével és egyéb gyógyászati tevékenység céljára kialakított helyiségekkel valósul meg. Ezekből a hőtermelő berendezéseket illetve a hőszivattyúk elpárologtató felőli és kondenzátor felőli oldalát, valamint a medencetér párátlanításának energiatakarékos megoldását szeretnénk a jelenlegi állapotában ismertetni.

A víz a Föld napsugárzás által körforgásban tartott, folytonosan megújuló energiahordozója[2]. A hőszivattyúk a fürdők és az egyéb elfolyó vizek hőtartalmát is tudják hasznosítani. Ismertetjük ezért a kiskőrösi termálfürdő bővítés példáját, majd ennek sikeres megvalósításának hatásaként a nagykőrösi termálfürdő bővítésének áttervezését, ahol magyar gyártmányú hőszivattyúkat terveztek beépíteni.

Hulladékhő hasznosítására példa a kiskőrösi termálfürdő 2008. évi energiahatékony bővítése

A hőszivattyús bővítés a meglévő termálfürdő elfolyó vízét (hulladékhőjét) használja fel [1]. (Az új úszó- és tanmedence az 1. ábrán látható).


1. ábra. Az új úszó- és tanmedence (kiskőrösi termálfürdő)
Fotó: Geowatt Kft.

Főbb adatok és rövid leírás

Hőforrások:

– 7:00–18:00 h-ig: az elfolyó termálvíz
            V1 = 15 m3/h;
             t1 = 32 °C

– 18:00–20:00 h-ig: a meglévő termálkút
            V2 = 15 m3/h;
             t2 = 50 °C

– 20:00–07:00 h-ig: a 100 m3-es épített gyűjtő-tároló tartály.

A hőigény részletezése:

– hmv[3] előállítása (1000 liter):                          52,4 kW
– Medencefűtés:                                               109,5 kW
– Padló- és radiátoros fűtés:                             46,4 kW
– Párátlanító és légtechnikai léghevítők:          200,0 kW
Összesen:                                                          408,3 kW

A hőigényhez a hőt két db hőcserélővel (anyaga 254 SMO®) és három db hőszivattyúval szolgáltatják (2. ábra):


2. ábra. A kiskőrösi termálfürdő új hőszivattyús hőközpontja és új épületrészei
Fotó: Geowatt Kft. és Kőrösvíz Kft.

Részletezve:

  • az úszó- és tanmedence felfűtése (évente kétszer) és hőntartása
    [Nordic WEC-300-H hőszivattyú (100 kW), 1500 l-es puffer tartály],
  • az új épületrészek használati meleg vízének előállítása
    [Nordic WEC-150-H (50 kW), 1000 l-es hmv tartály 45 °C-ig, 45 °C felett villamos utófűtés],
  • az új épületrészek fűtése: a padlófűtési körök fűtése, a párátlanító gép és a légkezelő léghevítő, valamint a radiátorok fűtése (Nordic WEC-400-H jelű hőszivattyú).

A medencetér párátlanításához alkalmazott Nordic PC-75 is egy hőszivattyús készülék.

A hőszivattyúk vezérlése:

  • a belső fűtést és a légkezelést ellátó WEC-400-H készülék a Geocontrol készülékkel külső hőmérsékletről van szabályozva,
  • a WEC-300-H készüléket egy vízhőmérsékletet szabályozó termosztáttal vezérelik a szükséges vízhőmérsékletre,
  • a WEC-150-H készüléket szintén vízhőmérsékletre szabályozzák,
  • a PC-75 készüléket a belső páratartalom alapján vezérelik.

Magyar fejlesztésű hőszivattyú család

A Geowatt Kft. az elmúlt kilenc évben a Nordic hőszivattyúk forgalmazójaként mintegy 200 db hőszivattyús rendszert tervezett és telepített. Sikereket ért el a hőszivattyús hulladékhő hasznosításban. Több uszoda hőszivattyús rendszerét tervezte és üzembe helyezte (köztük az előbbiekben ismertetett kiskőrösi termálfürdőjét). Tapasztalatait felhasználva az elmúlt néhány évben minden energiáját a hőszivattyú fejlesztésre és a magyarországi gyártás megvalósítására összpontosította. A fejlesztésük alapja egy új típusú Copeland EVI (Enhanced Vapour Inject) kompresszor, amelyet a gyártó speciálisan hőszivattyús alkalmazásra, magas hőmérsékletre és magas COP értékre fejlesztett ki [2]. Erre a kompresszorra alapozva kidolgozta egy reverzáló EVI körfolyamatot, amelyre szabadalmi mintaoltalommal is kapott. Ez alapján kezdte el az európai készülékektől lényegesen eltérő ún. Vaporline® hőszivattyú család kifejlesztését. Célja az volt, hogy a lehető legmagasabb SPF (SPF: Seasonal Power Factor) értéket érjen el a hőszivattyúikkal, és emellett ezzel a technikával meglévő radiátoros rendszerek max. 63 °C előremenő fűtési vízhőmérsékleten, pl. 63/57 °C-os hőlépcsővel is gazdaságosan működőképesek legyenek. A fejlesztés, amelyhez támogatást is kaptak teljes sikerrel zárult. A készülékek nem csak a tesztlaborúkban, hanem a gyakorlatban is bizonyítottak. A hőszivattyúikkal kizárólag csak radiátorral ellátott rendszereket is üzemeltetnek. Ezek a technika mai szintjén álló technikák, az Új Széchenyi Terv segítségével, gazdaságunk dinamizálására szolgálhatnak, minden feltétel megvan arra, hogy Magyarországon is elterjedjen az építmények fűtésének-hűtésének energetikailag leghatékonyabb módszere a hőszivattyús technológia és letörjük ezen a területen a várható hőszivattyús importdömpinget.

Egy megtervezett rendszer a nagykőrösi strandfürdő bővítése. Főadatai és rövid leírása

A kivitelezést megelőzően ezen alcím alatt leírt megoldást áttervezték (ld. a következő alcímet).

A számított hőigények

Az épület hővesztesége:                                        64,6 kW.
A légtechnika hőigénye:                                       140 kW.
A medencék hőigénye hőntartáskor:                    40 kW.
A 25 m-es úszómedence hőigénye felfűtéskor:    140 kW.
A tanuszoda hőigénye felfűtéskor:                       50 kW.
A hmv-ellátás hőigénye:                                       70 kW.

A hőigényt kielégítő berendezések

A kitermelt „geotermikus fluidum” 48 °C hőmérsékletű és 200 liter/perc térfogatáramú. Ezt a termálvizet a három medence felfűtésére és hőntartására, valamint a hmv előmelegítésére, továbbá az épület fűtésére tervezték.

A kültéri medence felfűtése a téli fűtési idényt kivéve termálvizes hőcserélő alkalmazását tervezték. Ez a hőcserélő kisebb termálvíz tömegárammal a kültéri medence hőntartására is szolgált volna.

A légtechnikai hőigény biztosítására 2 db Vitodens 80 kW teljesítményű kondenzációs földgázkazánt terveztek. Ezek a kazánok kizárólag a légtechnikai léghevítők fűtésére szolgáltak volna.

Az épület földszintjén külön gépészeti helyiségben tervezték elhelyezni a kaszkádkapcsolású Vitocal WW/WWWS 145 típusú 114,2 kW teljesítményű hőszivattyút. A hőszivattyú a visszahűtött, puffertárolóban lévő termálvíz hőmérsékletét 35 °C-ra hivatott emelni. A hőszivattyú ezzel a termálvízzel az épületet és a hmv tárolót fűtené. A hmv előállítása a hőszivattyú előnykapcsolásával történt volna.

Szellőztetés és légkondicionálás

Ennél a megoldásnál a légkezelők a nagymennyiségű friss levegővel oldották volna meg a medencetér relatív páratartalmának megfelelő értéken való tartását.

Berendezései:

– VENTUS VS-100-L-PMH1 (12 000 m3/h)
– VC-21-R-PH (2600 m3/h)

A nagykőrösi strandfürdő bővítésének áttervezése energiatakarékosabb megoldásra

A fenti tervezett rendszer legnagyobb problémája a medencetér párátlanításának friss levegővel történő megoldása, amely jelentős légcserét és ehhez tartozó jelentős hőmennyiséget igényel, a másik problémája, hogy műszakilag nem jobb csak drágább import hőszivattyút tervez alkalmazni. Az áttervezés ezért mindenekelőtt a medencetér párátlanításának energiatakarékosabb megoldására irányult, amely jelentősen csökkentette az épület hőszükségletét (3. ábra.)

Kiinduló és alapadatok

–    A beltéri termálmedence felülete:              135 m2
–    A medencevíz hőmérséklete:                     33 °C
–    A tervezett összes létszám:                        61 fő
–    Előírt szellőzési igény:                                30 m3/h
–    Az épület egyik oldalon nagy nyitható ablakfelülettel és csúszásgátló padozattal rendelkezik (radiátoros és padlófűtés sem alkalmazható).
–    Levegő hőmérséklete:                                30 °C
–    Előírt relatív páratartalom:                         60%
–     medencetér kondicionáló kizárólag a belső levegő keringtetését végzi, a párából a rejtett hőt visszanyeri, és azt az épület légfűtésére vagy a medence hőntartására használhatja.

A fenti főadatokból számítással meghatározott medencetér kondicionáló típusa, darabszáma és a szellőzőgép:

–    Nordic PC-75; 2 db.
–    A kiválasztott szellőzőberendezés: VENTUS VS-15-R-PH (1830 m3/h)


3. ábra. A nagykőrösi strandfürdő bővítés gépészetének elvi kapcsolási rajza

Az épületbe bevitt hőhöz hozzáadott hő a kompresszorok hajtásához szükséges villamos energiából és kompressziós munkából származó hő, amely szintén a kondenzátorban vehető át. Ez a hozzáadott hőáram 12 kW. A medencetér párátlanító a visszanyert hőt folyamatosan a levegő hőmérsékletének adott értéken tartására használja fel. Tavasszal és nyáron viszont lehetőség van a felesleges hőnek a külső medence vizéhez való átadására. Ekkor a párátlanító hűtött levegőt fúj be a medencetérbe. A befújt levegő temperálásához léghevítők szükségesek a PC-k után, amelyek a fűtéshez szükséges hőt a légtechnikai fűtési puffertárolóból nyerik. A szükséges tömegáramhoz egy fordulatszám-szabályozású keringtető szivattyú van betervezve, amely a fordulatszámát a beállított léghőmérséklet függvényében szabályozza.

A beltéri medence hőntartását külön hőszivattyú biztosítja.

Az áttervezés miatt újraszámolt hőigények

Az épület hővesztesége: 27,8 kW
A medencetér kondicionálóval bevitt fűtési teljesítmény: 12,0 kW
A szükséges fűtőkapacitás: 15,8 kW

Jelezzük, hogy szellőzési hőigénnyel itt nem számolunk, mert az a légtechnikánál jelentkezik.

A medencék hőigénye hőntartáskor: 40 kW
A 25 m-es úszómedence hőigénye felfűtéskor: 140 kW
A tanmedence felfűtési hőigénye: külön teljesítményigénye nincs
A hmv-ellátás hőigénye (38 °C kondenzációs hőmérséklet; 2000 literes hmv tároló): 70 kW
A légtechnika hőigénye:
– A VS-15-R-PH-T légkezelő fűtőegység teljesítménye: 16,6 kW

A hőszivattyú kondenzátoroldali hőmérséklete: 50/40 °C.

Az energiaellátás folyamatának leírása

A 3. ábrán látható, hogy a hőszivattyúk elpárologtatóoldali táplálása egyrészt az elsődleges hőcserélőn keresztül történik, ahol a termálmedence vízpótlására szolgáló termálvíz 48 °C-os hőmérséklete 38 °C-ra csökken. Ehhez a maximális termálvíz-igény a medencetöltés ideje alatt 120 liter/min. Ezzel a tömegárammal a termálmedencét 8 óra alatt lehet feltölteni. A feltöltési idő alatt 680 kWh hőenergia keletkezik, amelynek felhasználásáról mind a téli, mind a nyári időszak alatt gondoskodni kell.

A termálvíz tömegáramának szabályozására fordulatszám-szabályozású szivattyút (Tsz) kell beépíteni, amely így képes a feltöltés ideje alatt 120 liter/min, a folyamatos üzem alatt pedig 55 liter/min tömegáramot biztosítani az elsődleges hőcserélő számára.

A téli időszakban a kültéri medence hiányában a feltöltéskor keletkező energiát a beltéri medence hőmérsékletének emelésére, a hmv előállítására és a légfűtés biztosítására lehet felhasználni. Szabályzással biztosítható, hogy a feltöltés ideje előtt a beltéri medence, valamint a pufferek fogadóképesek legyenek.

Tavasztól őszig a kültéri medence üzeme alatt a termálmedence feltöltése alatt keletkező energiát a kültéri medence hőntartására lehet felhasználni.

A folyamatos üzem alatt a hőszivattyúk hőenergiával történő ellátására a szükséges termálvíz tömegáram 55 liter/perc. Így az elpárologtatóoldali 1000 literes puffertartályt 17/11 °C hőmérsékletlépcsővel, az elsődleges hőcserélőn keresztül 38 kW teljesítménnyel tudjuk táplálni. Ez a hőmérsékletlépcső nem fedezi az elpárologtatóoldali teljesítményigényt, ezért a kiegyenlítő tartályból elfolyó 34 °C-os termálvíz hőmérsékletét 12,7 °C-ra lehűtve, és így elengedve még kb. 86 kW teljesítménnyel, 17/11 °C-os hőmérsékletlépcsővel tápláljuk meg az elpárologtatóoldali 1000 literes puffertartályt. Ezáltal a tervezett hőszivattyúk primeroldali hőigényét, amely 124,1 kW, teljesíteni tudjuk 17/11 °C-os hőmérsékleten.

A betervezett hőcserélők

Az elpárologtatóoldalra két hőcserélő kerül beépítésre a különböző hőmérsékletszintek miatt (3. ábra). Az egyik az elsődleges hőcserélő a termálmedence hőntartásához szükséges 48 °C-os termálvizet hűti le 38 °C-ra, és a kapott fűtési teljesítménnyel 17 °C-os tápvizet állít elő a hőszivattyúk számára. Ezt a tápvizet egy 1000 literes puffertárolóban tároljuk, és közösítjük a másodlagos hőcserélő által előállított tápvízzel. A másodlagos hőcserélő a termálmedence kiegyenlítőtartályából elfolyó termálvizet hasznosítja.

Az elsődleges hőcserélő típusa
Tranter, SUPERCHANGER összeállítás: GCP-009-L-5-P-22-73607

A másodlagos hőcserélő típusa
Tranter, SUPERCHANGER összeállítás: GCP-009-M-5-P-46-73607

A beltéri medence felfűtés/hőntartás hőcserélő típusa (beltéri medencevíz-hőmérséklet: 33 °C)
Tranter, SUPERCHANGER összeállítás: GLD-013-L-4-P-40-73607

A kültéri medence felfűtés/hőntartás hőcserélő típusa (kültéri medencevíz-hőmérséklet: 28 °C)
Tranter, SUPERCHANGER összeállítás: GLD-013-L-4-P-32-73607

A betervezett hőszivattyúk darabszáma, típusa és funkciói

A hőszivattyúk hatékonyságának (amelynek jellemzője az SPF értékek nagysága) biztosítására a különböző hőmérsékletszintekre külön-külön hőszivattyúk lettek betervezve.

– 1 db Vaporline® GBI24-HW többfunkciós készülék:
medencetér fűtése + medence felfűtése + hmv-előállítás deszuperheaterrel

– 1 db  Vaporline® GBI18-HW többfunkciós készülék:
légkezelő léghevítő fűtése + medence felfűtése + hmv előállítása deszuperheaterrel

– 1 db  Vaporline® GBI33-HW fűtő + hmv készítő készülék:
az uszodavíz hőntartása + hmv előállítása deszuperheaterrel

– 1 db  Vaporline® GBI33-HDW többfunkciós készülék:
hmv előállítása + medence felfűtése

Az egyes funkciók ellátására szükséges és a hőszivattyúk a rendelkezésre álló teljesítménye:

–    medencetér fűtés: 25,7 kW > 15,8 kW
–    légkezelő léghevítő fűtése: 25,6 kW > 16,6 kW
–    uszodavíz hőntartása: 45,4 kW > 40 kW
–    medence felfűtése: 142 kW > 140kW
–    hmv ellátása: 55,5 kW

A szükséges villamos teljesítmény igény [kW]:

A rendszer szabályozása

A rendszer szabályozását processzoros szabályzók végzik (3. ábra. R1 és R2), amely kezelni képes az egyes üzemmódokat (feltöltés, folyamatos üzem, medence felfűtés). A szabályzó feladata a következőeken részletezetteken túl a termálvíz szivattyú funkcióváltása, és ennek megfelelően a termálvíz tömegáramának a szabályozása (R1), valamint a szabályzó végzi a hőszivattyúkhoz tartozó primer-/szekunderoldali szivattyúk indítását és megállítását, illetve fordulatszám-szabályozását (R2).

  • Vaporline® GBI24-HW medencetér fűtés + hmv + medence felfűtés

A medence felfűtés hőcserélőkön keresztül történik (3. ábra). Emiatt a fűtési rendszer a hőcserélőkig egy zárt kört alkot. A funkcióváltás a hidraulikus körbe beépített háromjáratú motoros szeleppel történik. A funkcióváltást a szabályzó segítségével lehet megtenni, amely a motoros szelepet működteti és lekapcsolja a fűtési üzemmódot szabályzó beépített CAREL szabályzót, és a készüléket „KÉZI” üzemmódba helyezi. Ebben az esetben a szabályzást a medencevíz visszatérő vezetékébe épített állítható termosztát végzi, amely a beállított hőmérséklet elérésekor visszakapcsolja a készüléket fűtési üzemmódba.

  • Vaporline® GBI18-HW – a léghevítő fűtése + hmv + medence felfűtés

Az előző bekezdésben írtakkal egyezően történik a szabályozás. A léghevítő fűtése és medence felfűtése közötti átváltást itt is a beépített háromjáratú irányváltó motoros szelep működtetése biztosítja. A hmv előállítás deszuperheaterrel történik, minden esetben, amikor a készülék üzemel. A szabályzás a keringető szivattyú indítására és megállítására korlátozódik, amit a tartályba beépített termosztát biztosít.

  • Vaporline® GBI33-HW uszoda hőntartás + hmv

Beépített CAREL szabályzó nélküli, „KÉZI” üzemmódban termosztátról szabályozott hőszivattyú. A hőntartás irányát és intenzitását a szabályzó a medencék hőmérséklete alapján a beépített szivattyúk indításával és megállításával szabályozza. A hmv-t deszuperheaterrel állítja elő minden esetben, amikor a készülék üzemel. A szabályzás a keringető szivattyú indítására és megállítására korlátozódik, amit szintén a tartályba beépített termosztát biztosít.

  • Vaporline® GBI33-HDW

Fő funkciója a hmv előállítás, és emellett a medence felfűtés alkalmanként. Ehhez kétkondenzátoros készülék szükséges, beépített CAREL szabályzó nélkül. A funkcióváltás a szabályzó (R2) és hőmérséklet-érzékelők segítségével automatikusan a hmv előnykapcsolásával történik. Funkcióváltáskor a kondenzátorok és a hőmérséklet-érzékelők is felcserélődnek.

 

Összefoglalás

Az ebben a dolgozatban bemutatott nagykőrösi termálvizes fürdőbővítés projektben a hőtermelő berendezések jelentős része magyar fejlesztésű villamos hőszivattyú, amelyek termálvizes hőforrást hasznosítanak, a medencetér párátlanítását pedig hulladékhő hasznosítását lehetővé tevő egyedi kivitelű hőszivattyúk biztosítják. A földgáz kiváltása, a termálvíz és a hulladékhő energiatakarékos felhasználása, nevezetesen az ésszerű és hatékony energiagazdálkodás minden önkormányzatnak, fogyasztónak, felhasználónak illetve üzemeltetőnek közös érdeke.

Széles körben ismert szlogen, hogy „Magyarország Európa fürdő nagyhatalma”. Az Új Széchenyi Terv középpontjában a foglalkoztatás dinamikus bővítése, a pénzügyi stabilitás fenntartása, a gazdasági növekedés feltételeinek megteremtése, valamint hazánk versenyképességének javítása áll. A tízéves gazdaságstratégia kijelöli azokat a kitörési pontokat és a hozzájuk kapcsolódó programokat, amelyek biztosítják Magyarország hosszú távú fejlődését. Az Új Széchenyi Terv 1. programja a „Gyógyító Magyarország – Egészségipari Program”. Ennek része a fürdőfejlesztéseink energiahatékony folytatása.

Jelezzük, hogy várható a nagykőrösi strandfürdő bővítés projekt befejezése és Önöknek talán már a Magyar Hidrológiai Társaság XXIX. Országos Vándorgyűlésén[4] beszámolhatunk az üzembe helyezés és az üzemeltetés tapasztalatairól.

 

IRODALOM

[1] Komlós Ferenc − Fodor Zoltán − Kapros Zoltán − Dr. Vajda József − Vaszil Lajos: Hőszivattyús rendszerek. Heller László születésének centenáriumára. Magánkiadás: Komlós F., Dunaharaszti, 2009.

[2]  Komlós Ferenc − Fodor Zoltán: Városok hőszivattyús fűtése. Átfogó tervre lenne szükség.
Magyar Épületgépészet, LX. évfolyam, 2011/5. szám.


[1] Forrás – Marx György: A MARSLAKÓK ÉRKEZÉSE (277. old.) Akadémia Kiadó, 2000.

[2] Komlós Ferenc: Vízből hőt hőszivattyúval
http://www.hidrologia.hu/vandorgyules/26/7szekcio/Komlos_FerencOK.htm

[3] hmv: használati meleg víz

[4] 2011. július 6. és 8. között. Helyszín: Eszterházy Károly Főiskola - Eger, Egészségház u. 4.