Hőszivattyú útmutató – általános szempontok

HŐSZIVATTYÚK – BEVEZETÉS

A korlátozott tüzelőanyag-források és a világméretű környezetvédelem iránti orientáció olyan szempontok, amelyek felhívták a figyelmet a megújuló energiaforrások felhasználásának lehetőségére. Ezek a hőszivattyúk ma biztonságos, hatékony és innovatív fűtőberendezést képviselnek, energiafogyasztás szempontjából gazdaságos működéssel.

Hőszivattyúk – olyan berendezések, amelyek biztosítják a szükséges műszaki feltételeket a felszín alatti vízben, a talajban vagy a levegőben felhalmozódott napenergia ökológiai hő formájában történő hatékony felhasználásához, helyiségek fűtésére vagy hűtésére, valamint használati melegvíz készítésére.

A hőszivattyú a szükséges energia hozzávetőleg háromnegyedét a környező környezetből nyeri, a többit pedig a hőszivattyú elektromos áramot használ meghajtási energiaként.
A modern hőszivattyúk hatékony műszaki lehetőségeket kínálnak az energiafogyasztás és a CO2-kibocsátás csökkentésére. Régi és új épületek korszerűsítésekor a hőszivattyú jó alternatíva.

Ez a cikk a hőszivattyús technológia alapelveivel, a főbb műszaki változatokkal foglalkozik, és bemutatja az ezeket a berendezéseket integráló alkalmazások legfontosabb szempontjait.

MIÉRT A HŐSZIVATTYÚ?

1. Gazdasági motiváció

1.1 Csökkentett működési költségek

• hőszivattyú típusától függően a fűtési energia akár 3/4-e a környezetből nyerhető (ingyenes)
• a hőszivattyú (elektromos hajtású) kompresszor segítségével a környezetből kivett hőközeg hőmérsékletét az otthoni fűtési rendszerben szükséges hőmérsékletre emeli
• hőszivattyúval a környezetben felhalmozódott napenergia egész évben hasznosítható!

1.2 Függetlenség a fosszilis tüzelőanyagoktól

A hőszivattyú által felhasznált energiaforrások közvetlenül a küszöbünkön állnak rendelkezésre, teljesen függetlenül a fosszilis tüzelőanyagok elérhetőségétől vagy árától.

2. Kényelem

A hőszivattyús fűtési rendszer biztosítja a legmagasabb fokú kényelmet és a legegyszerűbb kezelést. Az általában hőszivattyúkkal kombinált hőelosztó rendszer (padlófűtés, falfűtés, alacsony hőmérsékletű fűtési rendszerek) kényelmes és egészséges klímát garantál.

A reverzibilis hőszivattyús modellek (víz-víz vagy talaj-víz) nyáron is hűtést tudnak biztosítani.

A hőszivattyús rendszerek általában nagyon csendesek, teljesen automatizáltak és nem igényelnek rendszeres karbantartást.

Nincs szükség üzemanyag-raktárra, hamueltávolításra és kéménytisztításra.

3. A jövő biztonsága

A fűtési rendszer kiválasztása sok évre szóló döntés. A hőszivattyúk a ma elérhető legmodernebb fűtési technológia.

Manapság a hőszivattyúk nemcsak a fával, folyékony tüzelőanyaggal vagy szénnel működő fűtési rendszereket váltják fel, hanem egyre inkább a földgázt használó rendszereket is.

Emellett felmerül a kérdés: meg tudjuk-e fizetni a fűtési rendszer költségeit 20 év múlva? A fosszilis tüzelőanyagok árának minden egyes emelkedésével a hőszivattyús fűtés költsége előnyösebbé válik a gázzal, folyékony tüzelőanyaggal vagy pelletekkel való fűtéshez képest.

Az áram drágulásától függetlenül hőszivattyúval az elfogyasztott energia 3/4-e ingyenes és az is marad.

4. Biztonságos működés

A hőszivattyúk hőenergiát termelnek termodinamikai cikluson keresztül, tüzelőanyag elégetése nélkül. Ez a szempont jelentősen csökkenti a balesetek kockázatát! Ezenkívül a hőszivattyúk nem gyúlékony hűtőközegekkel működnek.

5. Ideális új épületekhez és meglévő épületek rehabilitációjához egyaránt

A hőszivattyúk új épületek és alacsony energiafogyasztású építmények fűtésére és hűtésére használhatók (ahol a legtöbb hagyományos rendszer nem áll rendelkezésre, vagy az alacsony hőteljesítmény miatt műszakilag vagy gazdaságilag nem kényelmes kivitelezése). Ahol már létezik egy korszerű, fosszilis tüzelőanyagot használó fűtési rendszer, és költségcsökkentés kívánatos, ott hőszivattyúk is használhatók kiegészítő fűtési rendszerként (bivalens működés).

6. Több funkció

A hőszivattyúk egész hideg évszakban fűtést, meleg évszakban hűtést (kisebb módosításokkal) és használati meleg vizet egész évben biztosíthatnak.

7. Ökológiai

Az otthonok és irodák fűtésére szolgáló fosszilis tüzelőanyagok elégetése ma a CO2-termelés egyik legnagyobb forrása. A hőszivattyúk szennyező anyagok nélkül termelnek hőenergiát a környezetből származó energiával.

HOGYAN MŰKÖDIK EGY HŐSZIVATTYÚ?

A hőszivattyú működése – egyszerű elv, kivételes eredménnyel!

Típusuktól függetlenül ezek a hőszivattyúk olyan berendezéseknek tekinthetők, amelyek növelik a munkakörnyezet hőmérsékletét, további energiamennyiség felhasználásával hasznos energia előállítására.

A hőszivattyú működése alapvetően ugyanaz, mint egy olyan berendezésé, amelyet mindennap használunk: a hűtőszekrényé. Ugyanaz a technika, csak fordított felhasználással; a hűtőszekrény esetében a hűtőközeg veszi az élelmiszerből a hőt és adja át a környezetnek. A hőszivattyú veszi a hőt a környezetből (talaj, víz vagy levegő), és hőenergia formájában továbbítja a fűtési rendszernek.

1. A párologtató - hő felvétele a környezetből (talaj, víz, levegő)

Az elpárologtatóban alacsony nyomású folyékony munkaközeg van (hűtőközeg). Ez egy alacsony forráspontú anyag. A forrás (talaj, víz vagy levegő) hőmérséklete magasabb, mint a hűtőközeg nyomásának megfelelő forráspont. Ez a hőmérséklet-különbség a környezet hőjének átadásához vezet a munkaközeghez, amely felforr és elpárolog. Az elpárologtatásához szükséges hő a külső hőforrásból (talaj, víz, levegő) származik.

2. A kompresszor - hőmérséklet emelkedés

A munkaközegből származó gőzöket a kompresszor folyamatosan szívja ki a párologtatóból. A hűtőközeget addig sűrítik, amíg el nem éri a fűtéshez és használati melegvíz elkészítéséhez szükséges hőmérsékletet.

A kompressziós folyamat elengedhetetlen a hőszivattyú hatékonyságához. A hőszivattyúk teljes választékához Compliant Scroll kompresszorokat használnak, amelyek két spirálból állnak (egy rögzített és egy mozgatható), amelyek folyamatosan összenyomják a munkaközeget. A megfelelő kompresszorok teljesen hermetikusak, sokkal hosszabb élettartamúak és csendesebbek, mint a hőszivattyúkhoz korábban használt dugattyús modellek.

3. A kondenzátor – Hőátadás a fűtési rendszernek

A munkaközeg (hűtőközeg) gőzei eljutnak a hőszivattyú kondenzátorába, amelyet a hőközeg vesz körül. A termikus közeg hőmérséklete alacsonyabb, mint a munkaközeg kondenzációs hőmérséklete, így a gőzök lehűlnek és lecsapódnak.

A párologtató által felvett energia (hő), valamint a kompressziós folyamat során (a kompresszorban) keletkező hő a kondenzátorban felszabadul, és a fűtéshez hasznos energia formájában a hőközegbe kerül.

4. Tágulási szelep – az áramkör bezárul

A munkaközeg később egy expanziós szelepen keresztül visszakerül a párologtatóba. Így a munkaközeg a kondenzátor magas nyomásáról az elpárologtató alacsony nyomására megy át. A párologtató bejáratánál elérik a kezdeti nyomás- és hőmérsékletértékeket. Így az áramkör zárva van.

HŐSZIVATTYÚK – FŐ ALKATRÉSZEK
HOL VEGYÜNK FŐT?

A talaj, a víz és a levegő olyan elemek, amelyek korlátlan mennyiségben állnak rendelkezésre hőszivattyú forrásaként.

A legelőnyösebb energiaforrás minden esetben a helyi körülményektől, az épület elhelyezkedésétől és hőigényétől függ.

A gyakorlati felhasználáshoz az energiaforrásoknak több feltételnek kell megfelelniük:

• elegendő mennyiségben elérhető
• maximális tárolókapacitás
• a lehető legmagasabb hőmérsékleti szintet
• elegendő regeneráció
• gazdasági befogás

A föld

A talajnak megvan az a tulajdonsága, hogy a napenergiát huzamosabb ideig képes felhalmozni és fenntartani, ami az év során megközelítőleg állandó hőmérsékleti szintet és ezáltal nagy teljesítménytényezővel rendelkező hőszivattyúk működését eredményezi.

A talaj hőmérséklete egész évben 7 és 13°C között van (2 m mélységben).
A környezeti környezetből felvett hőt víz-fagyálló keveréken (sós víz) továbbítják a talaj-víz hőszivattyú párologtatójába; ennek az oldatnak a fagyáspontja körülbelül -15 °C.
A talajban felgyülemlett hőt vízszintesen szerelt hőcserélőkön - más néven talajkollektorokon - vagy függőlegesen szerelt hőcserélőkön - talajszondákon - keresztül veszik fel.

Földbe helyezett kollektorok - vízszintes kollektorok

A talaj hőjét nagy felületen a talajba szerelt műanyag csövek – polietilén – segítségével veszik fel.

A csöveket párhuzamosan, a talajba helyezzük, 1,2-1,5 m mélységben és a cső átmérőjétől függően kb. 0,3-0,7 m, így a befogófelület minden négyzetméterén kb. 1,43-2 m cső.

A felhasználható hőmennyiség és ezáltal a szükséges felület nagysága nagyban függ a talaj minőségétől. Ebből a szempontból a meghatározó mennyiségek: mindenekelőtt a talajban lévő víz mennyisége, az ásványi komponensek mennyisége és a levegővel kitöltött pórusok mérete. Minél nagyobb a felhalmozási képesség és a hővezető képesség, minél jobban nedvesítik a talajt vízzel és minél több az ásványi összetevők mennyisége, és minél kisebb a pórusok száma. A talaj fajlagos elszívási teljesítményének értékei 10 és 35 W/m2 közé esnek.

Vízszintes kollektorok használata esetén a nagyon mély gyökerű növényeket nem szabad a csövek köré ültetni. A talajregenerálás már a fűtési szezon második felétől napsugárzással és bőségesebb csapadékkal történik, így a következő szezonra biztosítani kell, hogy a talaj "akkumulátora" ismét fűtésre kész legyen.

Talajszondák

A vízszintes kollektorok beépítéséhez szükséges nagy területek miatt a rendszer megvalósítása helyhiány miatt esetenként nehézkes.

Kisebb területeken a talajszondák alternatívát jelentenek a talajba vízszintesen elhelyezett kollektor helyett. 50-150 m mélységig behelyezhetők.

A szondák általában polietilén csövekből készülnek, és általában négy párhuzamos csövet szerelnek fel (kétcsöves szonda U profillal).

A víz-fagyálló keverék két csövön keresztül a legalacsonyabb szintre áramlik, a másik kettőn pedig visszatér a hőszivattyú elpárologtatójába. Ily módon a keretet a talajról veszik le, a csövek teljes hosszában. A csövek és a talaj közötti tereket jó hővezető képességű anyaggal (bentonit) kell kitölteni.

Az elszívási teljesítmény nagyon eltérő, 20 és 100 W/m szondahossz között.

Talajvíz

A talajvíz a napenergia jó tárolója is. A leghidegebb téli napokon is 7 és 12°C között alakul a hőmérséklet. A talajvíz azonban nem minden területen áll rendelkezésre kellő mennyiségben és megfelelő minőségben.

A hő felhasználásához két kutat kell készíteni: egy szívó és egy elnyelő (leeresztő); közöttük legalább 5 méter távolságot kell biztosítani, a helyet pedig úgy kell megválasztani, hogy a víz áramlási iránya a szívókúttól a felszívó kútig legyen.

A tavak és folyók vize is alkalmas hőforrásként való felhasználásra, mert hőtárolóként is funkcionál.

A levegő

A levegő a legolcsóbb megoldás, ha hőszivattyú forrásaként használják.

A levegő-víz hőszivattyúk a külső levegőt használják hőforrásként, amelyet légcsatornákon keresztül, a készülékbe épített ventilátorral az elpárologtatóba irányítanak, amely a levegőből vonja ki a hőt.

Hulladékhő

A hőszivattyúval használható források közül a hulladékhő a leghatékonyabb, amely biztosítja a legmagasabb teljesítményparamétereket. Hátránya azonban a nagyon korlátozott elérhetőség.

A hőszivattyú nevét a primer és szekunder körön lévő munkaközeg adja. Primer kör alatt itt a hőforrást (levegő, talaj, víz), a szekunder kör pedig a fűtési rendszert értjük.

*A talaj-víz hőszivattyúk "sós víz-víz hőszivattyúk" néven is megtalálhatók. Ez a név a primer körön (forráson) hőátadásra használt közegből származik; ehhez víz és fagyálló keveréket (tyfocor) használnak, amit angolul "brine"-nek, németül "sole"-nak neveznek. A hőszivattyúk működési módja az épületben meglévő fűtési rendszerhez igazodik, régebbi épületek esetén, melyhez korszerűsítéseket végeznek. Ebben az esetben figyelembe kell venni azt a maximális hőmérsékletet, amelyet a hőszivattyúk ciklusonként el tudnak érni (55 és 65°C között).

A már ezen hőmérsékleti szint feletti méretű rendszerekben a hőszivattyúk csak egy másik hőtermelővel működhetnek együtt. Új épületekben választható a hőelosztó rendszer. Ebben az esetben a legmagasabb éves külső hőmérsékleti paraméterek figyelembevételével olyan fűtési rendszer kerül kiválasztásra, amelynek körönkénti maximális hőmérséklete 35°C (padlófűtés, falak stb.).

Technikai szempontból a következő működési módok különböztethetők meg:

• A monovalens üzemmód – a hőszivattyúnak egyedüli hőtermelőként a teljes épület fűtési szükségletét kell biztosítania
• Monoenergiás üzemmód – a hőszivattyút egy másik, elektromos árammal működő fűtési rendszerrel kombinálják
• Bivalens üzemmód – a hőszivattyút egy másik hőforrással együtt használják, amely szilárd, folyékony vagy gáznemű tüzelőanyaggal működik.

Egy hőszivattyú vagy egy komplett hőszivattyús rendszer értékelésénél a legfontosabb tényezők a teljesítménytényező és az éves teljesítménytényező.

Teljesítmény együttható és éves teljesítménytényező

A felhasználható hőenergia és a kompresszor által átvett elektromos hajtási energia arányát "pillanatnyi teljesítményindexnek" vagy "teljesítményi együtthatónak" nevezik.

Teljesítmény együttható (COP) = a gyártó által megadott, laboratóriumi érték

Éves teljesítménytényező (FPA) = az év során kitermelt hő és az év során felhasznált összes energia aránya

Általában a teljesítménytényező növekszik, ha a forrás és a fűtési rendszer közötti hőmérséklet-különbség csökken.

Empirikus képlet:

• A fűtőkör hőmérsékletének egy fokkal emelkedése a COP 2,5%-os csökkenéséhez vezet
• A forráshőmérséklet egy fokos emelkedése a COP 2,7%-os emelkedését eredményezi.