Our Blog

Leírás

MI IS AZ A HŐSZIVATTYÚ?

A hőszivattyú a környezet energiáját hasznosító berendezés, amely a hűtőszekrény elvén alapul, de nem az elpárologtatóval elvont, hanem a kondenzátorban leadott hőmennyiséget hasznosítja (Környezet- és Természetvédelmi Lexikon, 2002). Télen fűtésre, nyáron hűtésre, légkondicionálásra használható, illetve használati melegvíz előállítására is alkalmas. A működtetésére felhasznált energiát nem közvetlenül alakítja hővé, hanem a külső energia segítségével a hőt az alacsonyabb hőfokszintről egy magasabb hőfokszintre emeli. A hőforrása lehet a külső levegő, egy folyó vagy tó vize, kutak vizének vagy a talajnak a hőtartalma, vagy ipari hulladékhő.

Működésének alapja, hogy egy alacsonyabb hőmérsékletű közegből (például a külső levegőből) mechanikai munka segítségével hőt szállít egy magasabb hőmérsékletű közegbe (például egy lakásba). Nyáron, amikor hűtésre van szükség, a szállítási irányt kell csak megváltoztatni, akkor a melegebb lakásból vonja ki a hőt, és a kültérbe adja le. Elvi alapja a termodinamika második főtétele, amely szerint „nem lehetséges olyan körfolyamat, amelynek eredménye az, hogy egy hőtartályból felvett hővel egyenlő értékű munkavégzés történjék”. Azaz a hidegebb test nem adhat át hőt a melegebb testnek, a hő magától csak a melegebb helyről a hidegebbre mehet át: így egyenlítődnek ki a hőmérséklet-különbségek (Holics, 1998). A hőszivattyú a fordítottját csinálja: mechanikai munka befektetésével hőt termel, a hőtermeléshez pedig olyan hőmérséklet-különbséget hoz létre, amelynél az alacsonyabb hőmérsékletet a környezet, a nagyobb hőmérsékletet pedig a hasznosítható hő határozza meg (Komlós et. al, 2007). A Carnot-féle termodinamikai körfolyamatot is meg kell említeni, mivel ez írja le a hőszivattyúk elméleti működését. Holics (1998) szerint „a reverzibilis Carnot-körfolyamat hatásfoka független a folyamatot végző munkaközeg anyagi minőségétől és a gép szerkezetétől, csak a hőátadó test T1 és a hőátvevő test T2 hőmérsékletének függvénye”. Ideális körülmények esetén, a minimális és a maximális hőmérsékletek között végbemenő reverzibilis körfolyamatok közül ennek hatásfoka (munkaszám, COP) a legnagyobb. Azaz azonos hőmérséklet eléréséhez ez a körfolyamat emészti fel a legkevesebb energiát.

A hő szállításához folyamatosan elektromos energiát kell a rendszerbe táplálni, ez jelenti a munkát. Hatékonyságát az ún. munkaszámmal (COP=Coefficient of performance) jellemezhetjük, ez ami azt mutatja meg, hogy a hőszivattyú által leadott hasznos hőteljesítmény hányszorosa a működtetéshez felhasznált hajtási teljesítménynek. Ez az arányszám az év folyamán változhat a hőforrás hőmérsékletének változásával, ezért az egy évre vonatkozó energiaszám (SPF = Seasonal Performance Factor: éves munkaszám) pontosabb képet ad a hőszivattyú teljesítményéről. Ez elsősorban attól függ, hogy mekkora hőmérsékletkülönbséget kell áthidalni (a hőforrás és a fűtési előremenő hőmérséklet különbsége), általában 3,0 -5,0 közötti érték, tehát egy-egység villamos energiával három-öt egység hőenergiát állíthatunk elő. (szemben az elektromos fűtéssel, ahol egy egység villamos energiával egy-egység hőenergiát kapunk.)
A gyakorlati COP általában 4-5 közötti érték, tehát egy egység villamos energiával 4-5 egység hőenergiát állíthatunk elő (Tóth, 2008). Ez az elméleti értéknek a 45-65%-a, de a technika, főleg a kompresszorok fejlesztésének köszönhetően ez állandóan javul (az közelmúlt terméke például a csavar- vagy scroll-kompresszor, amely 20-30%-kal növelte a hatásfokot a dugattyús kompresszorokhoz képest).

Hőszivattyúk működése

A hőszivattyú működése azon a fizikai törvényen alapul, hogy a párolgás hőt von el, a lecsapódás pedig hőleadással jár.
A működés során az alacsony forráspontú munkaközeg – amely az elpárologtatóban (elgőzölögtetőben) hőt vesz fel kis hőmérséklet és alacsony nyomás mellett – gázzá alakul. Ez a gáz a szívóvezetékbe kerül, onnan pedig az elektromos energiával üzemelő kompresszor segítségével egy nyomóvezetékbe. A kondenzátorban hőleadás kíséretében, ismét cseppfolyóssá válik. A folyadék állapotú munkaközeg ezután egy expanziós (adagoló) szeleppel elválasztott folyadék- illetve befúvó vezetékbe kerül, ami ismét az elpárologtatóhoz juttatja. Így visszajut a ciklus elejére.

A fent leírt belső körfolyamat tehát négy fő egységből épül fel:

1. Kompresszor
2. Elpárologtató
3. Kondenzátor
4. Expanziós szelep

Az elpárologtató egy hőcserélő, ahol a hőforrás (levegő, talajvíz, föld) hőmérséklete a gáz körfolyamatnak átadódik – a természetben tárolt alacsony hőmérsékletű energiát a hőszivattyú felveszi.
A kompresszor a hűtőközeget összenyomja. Ezzel megnöveli a gáz nyomását és annak hőmérsékletét is. Így már megfelelően magas a hűtőközeg hőmérséklete ahhoz, hogy az épület felé azt le tudja adni.
A kondenzátor egy hőcserélő, ahol a hőleadás történik az épület felé. A környezetből felvett energia itt kerül leadásra.
Az expanziós szelep felel a hűtőközeg nyomásának csökkentéséért, így annak hőmérséklete is lecsökken. Ezzel a lépéssel jutunk vissza a kiindulási állapothoz, amikor is a hűtőközeg fel tudja venni a környezetben rejlő újabb „energia csomagot”.

I. Hőszivattyúk csoportosítása a rendszer felépítése szerint

• Monovalens rendszer (kisegítő fűtés nélkül): Földhő szondák fúrása, sík kollektor telepítése, termál és egyéb hulladékhő, talajvíz.
• Bivalens rendszer (kisegítő fűtéssel): Levegő, felszíni víz

II. Hőszivattyúk csoportosítása hőforrás szerint

A hőszivattyúk a fűtéshez szükséges hő nagy részét valamilyen környezeti közegből nyerik ki. Ez a közeg lehet a levegő, a talajvíz vagy akár maga a talaj is.

A hőnyerő (primer) oldal típusai:

A talajkollektoros rendszer esetében több száz méter hosszú speciális kemény PVC köpennyel ellátott rézcsöveket, vagy polietilén csöveket fektetnek le 1-2 méter mélyen, felső – nap által egész évben felmelegített – rétegekben eltárolt hő kinyerésére. Hátránya, hogy nagy felületen (a fűtött alapterület 1,5-3-szorosán) kell megbontani a telket a csövek lefektetésekor, ezért leginkább új építésű házak esetén jöhet szóba.

Talajkollektoros rendszer

A földhő szondás rendszer esetén kb. 15 cm átmérőjű, 80-120 méter hosszú függőleges lyukat fúrnak a földbe. Ebbe helyezik az U alakú szondát, amiben zárt rendszerben cirkulál a hűtőközeg. Ilyen mélységben már állandó a hőmérséklet – területi adottságtól függően 12-16 °C-os a közeg hőmérséklete – így a hőszivattyú egyenletes, magas hatásfokkal tud üzemelni egész évben.

Vertikális talajszondás rendszer

A talajvíz, természetes rétegvíz ideális hőforrásként üzemelhet, hiszen hőmérséklete közel állandó 10-14°C körüli. Bár a felszín alatti vízre kiépített rendszerek nagy előnye, a hőmérsékleti stabilitás – amely nemcsak a fűtésnél, de a hűtésnél is igen jelentős megtakarításokat eredményezhet – sajnos alkalmazásuk korlátozott, mert a rendszer működéséhez szükséges vízmennyiség, nem mindenhol áll rendelkezésünkre.

A sekély mélységű talajvíz kútra épülő hőszivattyús rendszer esetén, leggyakrabban termelő-nyelető kútpár(ak) kialakításával kivitelezzük a rendszert, de ha lehetőség van rá (és az engedélyező Hatóság is hozzájárul) a vízkútból kitermelt vizet felszíni vízbe (patak, tó, folyó) vezetjük, vagy földbe fektetett dréncsöveken át elszivárogtatjuk.
A rétegvíz kútból kinyert víz kitermelésének és hasznosításának elvi elvonása után a vizet vagy egy másik kútba, vagy felszíni vízbe (patak, tó, folyó) vezetik, vagy elszivárogtatják földbe fektetett dréncsöveken át.

Vízkutas rendszer

További speciális alkalmazás, amikor hőforrásként egy tó szolgál. Ebbe helyezik el körkörösen a kollektorként szolgáló csöveket.

Tóba fektetett csőrendszer

Kinti, vagy használt levegő hasznosítása

A külső levegő mindenhol rendelkezésünkre áll, és a hőszivattyú a levegőben található hőt – mint hőforrást – hasznosítani tudja. Hátránya viszont, hogy a levegő hőmérséklete nem állandó, így a rendszer hatékonysága is változó. A változó hatékonyság mellett további probléma, hogy akkor nyerhető ki belőle a legnehezebben energia, amikor a legnagyobb az épület fűtési igénye, azaz a téli fűtési szezonban. Ekkor a rendszer hatásfoka viszonylag alacsony lesz és megnőnek az üzemeltetési költségek is, illetve a ventillátorok által keltett zaj is problémát jelenthet.

Felhasználásra kerülhet még a ház pincéjének levegője is. Központi szellőztető rendszerrel ellátott ház esetén az kifúvásra kerülő elhasznált levegő is használható hőforrásként, vagy a befúvásra kerülő levegőt melegítve, vagy a fűtési rendszerre rásegítve. (Ennél egyszerűbb megoldás a hőcserélők alkalmazása, ahol a kifúvott meleg és a beszívott hideg levegő egy nagy felületű berendezésen átadja a hőt, anélkül, hogy keveredne.)