A hőszivattyúk működése
A hőszivattyúk funkciója hasonlatos a hűtőgép funkciójához. Mindenki tudja, hogy a hűtőgép belsejében hideg van, de a hátsó oldalán van egy hőcserélő, ami meleg. Ahhoz, hogy a hőszivattyú fűteni tudjon, hőt kell valahonnan elvonnia, vagyis valamilyen anyagot le kell hűteni. A hő átvitelét munkaanyag végzi, az ún. hűlő anyag, amely változtatja halmazállapotát.
A szivattyú elektromos energiával átalakítja a padlás, a föld alatti vagy föld fölötti víz vagy levegő kihasználatlan hőjét, melegítésre vagy fűtésre alkalmas hővé. (Svédország erőművei ezen az elven működnek. A tenger vizének melegét vonják el és teszik alkalmassá felhasználásra.) A természettől szerzett hő átalakítása háztartási felhasználáshoz (vagy máshoz) kis hőmérsékletű hő, de sok van belőle és ingyenes.
Csak tudni kell jól kihasználni. Ilyen fajta hőforrásból több is létezik:
- földi (geotermikus hó). A földben levő hőt csövekből készült cserélőkkel lehet kinyerni. Ezek általában mély furatban (egészen 150 m-ig) vagy felületi kiásott kollektorban (2 m-es mélységben) helyezkednek el;
- föld alatti vagy felületi víz. Tisztának kell lennie, elegendő mennyiségben, és hőmérsékletének min. 8 °C-osnak kell lennie;
- levegő, amely tetszés szerinti mennyiségben a legjobban hozzáférhető. A külső levegőből visszanyert hő persze az épület hőveszteségei miatt ismét elvész. Hátránya a jelentősen változó hőmérséklet, amely megváltoztatja a szivattyú paramétereit;
- a gyártás során keletkezett hő csak technikai folyamatoknál jöhet számításba, a háztartásokban ritkán fordul elő, tehát ennek a fajta hőnek a gyakorlati kihasználása minimális.
1 kW-h elektromos energia felhasználása közben hőszivattyú révén átlagosan 2,5-3 kW-h hőenergiát lehet nyerni. Az elektromos energia 1/3 részben veszi ki részét a hőenergia termeléséből, 2/3 részt a természeti forrásokból származó hő tesz ki. A teljesítmény és a hőszivattyú áramfogyasztása közti arányt fűtő faktornak nevezzük és értéke általában 2,5-3. Minél nagyobb a kis potenciájú hőforrás hőmérséklete és minél kisebb a fűtőközeg hőmérséklete, annál előnyösebb lesz a hőszivattyú.
A víz melegítéséhez és a fűtéshez használatos hőszivattyú lehető legelőnyösebb kihasználásnak feltételi:
- az épület minél kisebb hővesztesége és minél nagyobb hőkapacitása legyen;
- kis hőmérsékletű fűtési rendszer (padlófűtés) csekély felhasználással és kis hőveszteséggel;
- kis potenciájú hőforrás elegendő hőmérséklettel vagy állandóan nagy mennyiségben levő hővel;
- a fűtőközeg átfolyása a hőszivattyún független a fűtési szerkezeten való átfolyástól, mind a hőszivattyú, mind a fűtési szerkezet különálló keringtető-szivattyúval rendelkezik. A fűtési rendszerben van akkumulációs tartály;
- a hőszivattyút 10-27 °C-os hőmérsékletű szellőző, pormentes helyen kell elhelyezni.
Amennyiben a hőszivattyútól nyert hő az összes fűtési költséget fedezi, akkor azt a szivattyút monovalens szivattyúnak nevezzük. További hőforrásra (elektromos kazán, szoláris kollektorok) kapcsolt fűtőszivattyút bivalens szivattyúnak hívjuk. Bivalens hőszivattyúval felszerelt rendszer lehetővé teszi a szivattyú és az elektromos kazán egyidejű működését, a gyorsabb felfűtést, miközben a hőszivattyút nem kell maximális fűtőteljesítményre beállítani.
A hőszivattyúval ellátott egész rendszer három önálló egységet alkot:
- kis potenciájú hőforrás,
- hőszivattyú,
- felhasználó rendszer (fűtés vagy a melegvíz-tartály).
A hőszivattyú alapvető rendszerei:
- víz-víz;
- levegő-víz;
- nap-víz;
- föld-víz;
- víz-levegő;
- levegő-levegő;
- nap-levegő.
A legtöbb hőszivattyú víz-víz és levegő-víz rendszerben dolgozik.
- Fűtőrendszerek – gáz, kandalló, fűtés
- Fatüzelésű vaskályhák veszélyei és használata
- Fűtésszabályozás – Rendetlenkedő szelepek
Ezek a cikkek is érdekelhetnek:
54. ábra. Levegő-víz hőszivattyú vázlata
1 villamos motor; 2 ventilátor; 3 hőcserélő; 4 kompresszor; 5 kondenzátor; 6 expanziós szelep; 7 légtelenítő; 8 melegvíz-tároló; 9 keringtetőszivattyú.
A 54. ábrán a kis potenciájú hő forrása a kinti levegő, amely a lehűléssel egy időben szárad is. Kondenzálja a nedvességet, ami lefolyik a hőcserélő alá. Kis hőmérsékleten a kondenzátum megfagyhat. A fagyás csökkentené a teljesítményt, ez a hűtőkör rövid ideig tartó áramlás irányváltoztatásával kiküszöbölhető.
Az egész fűtési rendszer az alábbi körökre oszlik:
- elsődleges – biztosítja a kis potenciájú hő bevezetését a hőszivattyúba. Ezen kör víz-víz rendszerében megfelelő hőhordozó közegnek kell lennie. Ez lehet pl. monopropilén glikol;
- másodlagos – továbbítja a hőszivattyú teljesítményét a felhasználási hálózatba.
Példa
A hőszivattyú primer (hűtő) körének négy alapvető része van:
- 1. A hőcserélőt némely szerző levegőhűtőnek nevezi. A hűtött anyag alacsony potenciájú hőt vezet a hőcserélőbe, ami a hűtőanyag kipárolgásai eredményezi. A pára átvezeti az energiát a kompresszorba. A hő elvezetésével a hűtő anyag lehűl, majd a kis potenciájú hő által ismét felmelegszik. A kipárolgás akkor következik be, ha a nyomás megfelel a hűtött anyag hőmérsékletének. A levegő-víz hőszivattyúknál a ventilátor zajforrás lehet, ezzel már a rendszer tervezésénél számolni kell.
- 2. A kompresszor nagyobb nyomásúvá alakítja a hőcserélőből kijövő párát és kinyomja a kondenzátorba. Ezzel a hűtőanyag keringését biztosítja. A kompresszor által keltett nagyobb nyomás lehetővé teszi a hűtőanyag kondenzációját. A munka a kompresszor hajtóműjén hővé alakul, amely hozzáadódik a hőcserélőből elvezetett hőhöz.
- 3. A kondenzátor a kondenzáció szóból ered, azaz a gázhalmazállapotot cseppfolyós halmazállapottá változtatja. Ez a második hőcserélő a primer körben. A fűtőközeg azt a hőt vezeti el a kondenzátorból, amely a hőcserélőből és a kompresszorból került oda. A kondenzáció ismét a hűtőanyag hőmérsékletének megfelelő nyomáson következik be.
- 4. Zárószelep. A kondenzátorban levő hűtőanyag kondenzációja növelt nyomáson következik be. A cseppfolyósított hűtőanyag a kondenzátorból a hőcserélőhöz kerül a záró szelepen keresztül, amely a kondenzációs nyomást kisebb nyomássá alakítja. Ez a folyamat energetikai változások nélkül megy végbe.
A fűtési rendszerek a hőszivattyúk alkalmazása szempontjából:
- 1. A fűtési rendszerbe belépő víz hőmérséklete megegyezik a hőszivattyúból kilépő víz hőmérsékletével, ezeknél a szerkezeteknél nagy felületű fűtőtestek és hőmérséklet-szabályozó szelepek használatosak.
- 2. A fűtési rendszerben levő hőmérséklet kisebb. A padlófűtésnél keverő-szeleppel használják fel.
Fűtés közben a rendszer keringtetőszivattyúi vagy állandóan (amikor előre meghatározott kis belépő hőmérsékleten üzemel) vagy megmegszakítva (a szivattyú a termosztát által irányított az adott helyiség hőmérséklete alapján) működnek.
A fűtési rendszer vezérlése a mértékadó hőmérséklet alapján igen előnyös, mivel az reagál leggyorsabban a rendszer változásaira. A referens hőmérséklet a legkisebb hőmérséklet a fűtési rendszer forrás- és akkumulációs részeiben. A hőszivattyú és az elektromos kazán üzemelése mikroprocesszoros hőmérséklet-szabályozóval irányítható, amely a hiszterézis alapján működik.