A hőszivattyú működési elve

A hőszivattyú működési elve gyakorlatilag megegyezik a hűtőszekrénnyel, csak technikailag "ki van fordítva". A hűtőszekrényben egy speciális folyadék áramlik, ami egyrészt belül hűt, másrészt a hűtő hátoldalán, ahol fűti a rácsot.

Fogalmazhatunk akár egy kicsit szakszerűbben is: kívül hőt ad le, belül pedig hőt vesz fel.

Ehhez a történéshez ismernünk kell azt a fizikai jelenséget, hogy a kitáguló illetve elpárolgó anyag hőt vesz fel környezetéből, az összesűrített anyag pedig hőt ad le. Amikor a szifonpatronban hirtelen lecsökken a nyomás, akkor fagy oda az ujjunk, ha óvatlanságból vagy puszta kíváncsiságból a betekerés közben megérintjük azt.

A hűtőszekrényben ez a jelenség belül, a hűtőtálcában játszódik le, a felvett hő jó részét a hűtő hátoldalán végigfutó rácson adja le a készülék. A keringető motor hozza létre a nyomás- különbséget, és szállítja el a hőt.

A hőszivattyú mindezt "fordítva produkálja": A kertben végigvezetett tömlőben a víz felmelegszik. Ezt a hőt veszi fel a hőcserélőn keresztül a kerengetett folyadék az egyik oldalon, alacsony nyomáson. Ennek a folyadéknak a hője emelkedik meg a szűk keresztmetszetű csövön, ahol leadja ezt a hőt.

A hűtőszekrényes hasonlattal élve, a hűtőbe vezetjük be a kerti vizet, és a hűtő hátoldalán melegedő bordákkal fűtjük a lakást.

A folyamat értelemszerűen megfordítható, a nyári rekkenő melegben a lakásban veszi fel a hőt a folyadék, és a föld alatti tömlőn adja le azt, a vakondok legnagyobb örömére.

A hőszivattyúhoz hasonlóan kevésbé ismert (hűtési) rendszer az abszorpciós hűtés, ahol akár hulladékhővel is működtethető a hűtőberendezés.

A hőszivattyúk típusai

• Levegőből - fűtött levegő típus
• Levegőből - fűtött víz típus (Levegőhő)
• Vízből - fűtött víz típus (Talajszonda, Talaj kollektor, Masszív hőelnyelő, Kútvíz (talajvíz))
• Vízből - fűtött levegő típus

Ezek első ránézésre úgy néznek ki, mint egy kínai horoszkóp, pedig a hőszivattyúk különböző közegek közötti hőátadásait jelentik.

A hőfelvétel történhet levegőből, vagy vízből. A levegőből való hőfelvétel előnye, hogy nem igényel akkora befektetést, mint a vízből való hőfelvétel, hátránya egyrészt, hogy a levegő rossz hőfelvevő képességének "köszönhetően" nagy mennyiségű légátmozgatást igényel (nem igazán hangtalan), másrészt, hogy a levegő hőmérséklet csökkenésével együtt csökken a fűtőteljesítménye.

Igazán pech, de a környezeti hőmérséklet csökkenése télen a leginkább jellemző, amikor voltaképpen fűteni szeretnénk. A hőszivattyú sem képes csodákra, így megeshet, hogy szemernyi hőt sem sikerül kitermelnie az alacsony környezeti hőmérsékletből, ezért fűtés nélkül is maradhatunk.

A jelenleg forgalomban levő legjobb hűtőközeggel is -15 °C-ig van esélyünk a levegőből hő kinyerésére.

Néhány speciális esetben ennek ellenére megéri alkalmazni, például hulladékhő hasznosítása esetén, ezen belül pedig például a lakásból távozó elhasznált levegőből is visszanyerhetjük a belegyilkolt energiát.

Amennyiben a víz a hőleadó közeg, egyszerűsödik a helyzet. Persze hátrány, hogy költségesebb, mint a levegő felhasználása, de egy jól kiépített szondás rendszernél a víz hőmérséklete évszaktól függetlenül állandó. Ezzel a megoldással kinyerhető maximum vízhőmérséklet 55 °C.

Ebből a hőfokplafonból következően a hőszivattyúhoz

• padlófűtést és falfűtést érdemes társítani,
• meglevő fűtés esetén a radiátorok számát kell megemelni,
• meglevő fűtés esetén és/vagy rásegítő fűtést kell alkalmazni,
• a fan coil rendszerű (átszellőzetetős) fűtésnek is érdemes utánanézni.

COP

A rendszer hatékonyságát az ún. munkaszámmal (COP=Coefficient of performance) jellemezhetjük, ami azt mutatja meg, hogy a hőszivattyú által leadott hasznos hőteljesítmény hányszorosa a működtetéshez felhasznált hajtási teljesítménynek. Ez az érték természetesen az üzemelési körülményekkel együtt változhat. (lsd. SPF fejezet)

Ha például a fenti példát alapul véve a COP 4.4, és a szükséges fűtési teljesítmény 10 kW, akkor a bevitt villamos energiafogyasztás (10 / 4.4) 2,27 kW körül várható.
(Lásd még: apszorpciós hűtés COP)

Az energiahordozók fajlagos árának (ft/MJ) az összehasonlítását ebben a fejezetben találja.

SPF

Az SPF (seasonal performance factor ) szám a COP egész évre levetített korrekciós értéke (általában βa - val jelölik). A COP-vel a hőszivattyú ideális hatásfokát lehet kiszámítani, míg az SPF egy kissé „kritikusabb" érték. Ebbe bele kell számolni az évszakos változásokkal hűlő és melegedő talaj COP-t befolyásoló értékeit (lsd. talajhő évszakos változása), a hűtési/fűtési igények évszakos váltakozásait, illetve például a jégtelenítési fázisokat is.

Az SPF voltaképpen a hagyományos fűtési rendszrek (pl. bojler) és a hőszivattyúk összehasonlítását teszi lehetővé.

Talajkollektor méretezése hőszivattyúhoz

Ennek az ábrának az eredetiját egy német, hőszivattyúkkal foglalkozó pdf-ben találtam, gondoltam érdemes lesz idebiggyeszteni. A fenti ábra alapján az adott talajtípus ismeretében és az elvárt fűtési teljesítmény és COP alapján lehet kalkulálni a szükséges talajkollektor-cső mennyiségét és a hőmennyiség kinyeréséhez szükséges telekméretet. Amennyiben a fenti táblázat alapján kiszámolthoz képest maradna esetleg néhány méter cső, kérem, ne küldje el reklamáció gyanánt.

A fenti táblázat "működése"

A táblázat jobb felső részén lehet a SPF tényező alapján kiszámolni, hogy a várt fűtési teljesítményhez mekkora hőmennyiséget szükséges kisajtolnunk a talajból. Ha például 15 kW fűtési energiát igényel házunk (vízszintes skála), és az SPF (βa) 3.5 környékén van, akkor a fűtéshez a talajból kb. 10.7 kW-ot kell kinyernünk (függőleges skálán a felső vonal vetülete).

Ha az előbb elkezdett vonalat tovább húzzuk a bal felső táblázatba, és tudjuk, hogy a talajunk hővezető képessége közepes (20 W/m²), akkor a narancssárga vonalat keresztezve függőlegesen megkeressük az ide tartozó értéket, az 550 m²-t. Ez a szám azt jelenti, hogy gazdaságosan 550 m²-en tudjuk talajszondával kitermelni a nekünk szükséges hőmennyiséget.

Ha az előbbi függőleges vonallal tovább vágtázunk lefelé, és a másik narancssárga vonalat elérve (ugye továbbra is közepesen jó hővezető a kertünk) jobbra fordulunk, a függőleges tengelyen megkapjuk a talajkollektor-cső várható hosszát. Esetünkben ez úgy 1100 m-re jön ki.

Ez természetesen függ a talajkollektor típusától (a táblázat a vízszintes elrendezésű talajkollektorra vonatkozik), a cső átmérőjétől, anyagától, meg még pár hasonló apróságtól..

Hatásfok

A fűtési rendszerek hatékonyságán azt a viszonyszámot értjük, amely megmutatja, hogy a rendszerbe juttatott egységnyi energiából mekkora rész hasznosul. A hagyományos rendszerekben ezt nevezik hatásfoknak. Elméleti maximális értéke 100%. A hőszivattyús rendszerek hatékonysági tényezője villamos hálózati szempontból többszörösen meghaladja a 100%-ot, azaz a kompresszort meghajtó 1k W-os energia 3-4, kedvező esetben 7 kW hőenergiát termel.

A hatékonysági tényező értéke alapvetően függ a környezeti energiaforrás (talaj, talajvíz, levegő) hőmérsékletétől és az elérendő hőfok különbségétől. Minél kisebb ez a hő különbség, annál nagyobb a hatékonysági tényező.

Meg kell azonban jegyezni, hogy még -5 °C-os hőmérsékletű levegőből is 1 kW villamos energiával 2.5-3 kW hőenergiát lehet előállítani. Az Ausztriában működő hőszivattyúk 25%-a a levegőből vonja el a fűtéshez szükséges energiát.

Forrás: www.kekenergia.hu