Ingatlan Invest

Hőszivattyú

• Mi is az a hőszivattyú?
• Milyen hőszivattyúk léteznek?
• Mire használható a hőszivattyú?
• Hol célszerű a víz-víz hőszivattyú használata?
• Mikor célszerű levegő-víz hőszivattyút használni?
• Milyen hatásfokkal működik a hőszivattyú?
• Megtérül a hőszivattyús fűtési rendszer használata?
• Néhány példa víz-víz hőszivattyús fűtési rendszer kiépítésére

Mi is az a hőszivattyú?

A hőszivattyú olyan berendezés, mely egy hidegebb helytől hőt von el és azt egy melegebb helynek adja át. Például a hűtőszekrény is hőszivattyú: a belsejéből hőt von el és a külső térnek adja át. A fűtési célú hőszivattyúknál valamilyen külső, a fűtendő tér hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékletű helyről (például egy tó vagy kút vizéből) vonunk el hőenergiát és azt a fűtendő térnek (például szobának) adjuk át.

Ez a hőátadás a következő fizikai jelenséggel érhető el: Minden folyadék halmazállapotú anyagnak energiára van szüksége ahhoz, hogy gázneművé alakuljon. Ha elég alacsony forráspontú folyadékkal dolgozunk, az képes az alacsony hőmérsékletű környezetéből elvont hő hatására elpárologni, légneművé alakulni. Ezzel a folyamattal érjük el a hőelvonást alacsonyabb hőmérsékletű helyről. És hogyan tudjuk az így begyűjtött, még mindig viszonylag alacsony hőmérsékletű gáznemű anyagból kivonni a többletenergiát? Az mindenki számára ismert, hogy ha egy gáz kitágul, a környezetéből hőt von el. Ezt láthatjuk például a szifonpatron felületén, amikor beleengedjük a gázt a kis méretű patronból a nála jóval nagyobb méretű szifonba. A patron felülete zúzmarás lesz. Ennek a jelenségnek a fordítottja is igaz, ha egy nagyobb térfogatú gázt összenyomunk, az hőt ad le. Ezt tapasztalhatjuk például a biciklipumpánál: pumpálás közben felmelegszik. Ha a mi légneművé átalakult anyagunkat összenyomjuk egy kompresszorral, az is felmelegszik. Ezt a hőt vonjuk el az anyag környezetéből egy hőcserélő segítségével, így hasznosítva azt a hőmennyiséget, amelyet a külső környezetéből vont el. Az így lehűtött anyag hűlés közben visszaalakul gázneműből folyékony halmazállapotúvá, közben a nyomása is csökken. Újra elkezdhető vele a körfolyamat: a környezetétől elvont hő hatására újra gázneművé alakul. Közben a nyomását is csökkentjük, amivel még alacsonyabb lesz a közeg forráspontja, hamarabb történik meg a halmazállapot változás. Aztán ebből a légnemű anyagból újra kinyerjük a hőt, az anyag újra lehűl, újra visszaalakul folyékony halmazállapotúvá, és ez a folyamat ismétlődik a végtelenségig.

Ebbe a körfolyamatba nekünk kívülről csak annyi energiát kell betáplálnunk, amennyi a gázneművé alakult anyag összenyomásához kell. A többi energiát a környezettől vonjuk el. Az így kinyerhető energia hatékonysága függ attól, hogy a kinyeréséhez képest mennyivel magasabb hőmérsékleten akarjuk elhasználni. Természetesen minél kisebb a hőmérsékletkülönbség a kinyerés és a felhasználás között, annál jobb a hatásfok.

Milyen hőszivattyúk léteznek?

A hőforrás és a hőátadás közege szerint beszélhetünk levegő-levegő, levegő-víz, víz-levegő, víz-víz hőszivattyúkról.

A levegő-levegő hőszivattyúnál (ilyenek például a légkondicionáló berendezések) a külső hűvösebb levegőből vonjuk el a hőmennyiséget és azt a belső levegőnek adjuk át (légfűtés). Ennek a rendszernek a hátránya, hogy működési hőmérséklet tartománya korlátozott, minél alacsonyabb a külső hőmérséklet annál rosszabb hatásfokú a működés.

A levegő-víz hőszivattyúnál szintén a külső hűvösebb levegőből vonjuk el a hőmennyiséget és azt egy melegvízzel működő belső fűtési rendszernek adjuk át. Ennek a rendszernek is hátránya, hogy működési hőmérséklet tartománya korlátozott, minél alacsonyabb a külső hőmérséklet annál rosszabb hatásfokú a működés.

A víz-levegő hőszivattyúknál a hőforrás valamilyen folyadék-áramoltatású hőcserélő (méretezni kell!), mellyel a külső környezetből (talajból - ezt nevezzük geotermikus hőhasznosításnak - vagy nagy tömegű vízből, pl. kútból vagy tóból) vonjuk el a hőt és azt a belső levegőnek adjuk át (légfűtés).

A víz-víz hőszivattyúknál külső nagy tömegű vízből (például - hőcserélőn keresztül - kútból) vonjuk el a hőenergiát és azt a belső csővezetékben keringő folyadéknak adjuk át (falfűtés, padlófűtés, alacsony hőmérsékletű radiátoros fűtésben keringő folyadéknak).

A fenti fajták közül magyarországi időjárási viszonyok mellett a víz-víz hőszivattyúk működtethetők a leghatékonyabban és legkomfortosabban. (A légfűtés például hálószobában éjszaka nem feltétlenül előnyös!)

Mire használható a hőszivattyú?

A hőszivattyú fűtés mellett használható még melegvíz előállításra és hűtésre is. Némelyik fűtésre tervezett hőszivattyúba gyárilag beépítenek úgynevezett keresztszelepeket, mellyel a fűtési folyamat megfordítható, vagyis a hőszivattyú a belső térből vonja el a felesleges hőmennyiséget és azt a külső közegnek adja át. Ahol ez a szelep gyárilag nincs a készülékbe építve, ott külső vezérelt szelepekkel kell megoldani a forrás- és a céloldal felcserélhetőségét.

Hol célszerű a víz-víz hőszivattyú használata?

Minden olyan helyen célszerű a víz-víz hőszivattyú használata, ahol a geotermikus energia könnyen kiaknázható formában van jelen. (Például nagy tömegű élővíz, könnyen fúrható talaj kútnak, vagy könnyen megmunkálható talaj hőszonda elhelyezéséhez. Természetesen egy sziklás hegyoldalon mindezen feltételek nem teljesülhetnek, ott inkább levegő-levegő vagy levegő-víz hőszivattyú javasolt.) Víz-víz hőszivattyúval 100%-osan megoldható egy épület fűtése.

Mikor célszerű levegő-víz hőszivattyút használni?

Minden olyan helyen célszerű a levegő-víz hőszivattyú használata, ahol a geotermikus energia nem aknázható ki könnyen. (Például sziklás hegyoldalban, sűrű beépítésű övezetben, már parkosított területen, ahol nincs mód földszondák elhelyezésére vagy kút fúrására.) Általában nem érhető el olyan jó hatásfok a levegő-víz hőszivattyúval, mint a víz-víz hőszivattyúval, de ha hővisszanyerős levegő-víz hőszivattyút telepítünk, annak hatásfoka (hosszabb távon átlagolva) már megközelíti a víz-víz hőszivattyú hatásfokát.

Mit is jelent a hővisszanyerés?

Nyáron, amikor a lakást nem fűteni, hanem hűteni kell, hőfelesleg keletkezik (mint a hűtőszekrény hátulján is), amit nem csak úgy a szabadba engedünk ki, hanem először a használati melegvizet melegítjük fel vele, majd ha a melegvíz már elérte a kívánt hőfokot, csak azután szabadulunk meg a hőfeleslegtől a szabadba történő kiengedéssel. Tehát a zárt térből (lakásból) elvont hőt hasznosítjuk (nyerjük vissza) a használati melegvíz előállítására.

Milyen hatásfokkal működik a hőszivattyú?

A víz-víz hőszivattyú hatásfoka általában 400-500% körül van. Ez azt jelenti, hogy az általunk közüzemi számlán kifizetett energia mennyiségéhez képest 4-5-szörös a kapott hőenergia mennyisége. (A környezetből elvont hőmennyiségért nem kell fizetnünk!)

A levegő-víz hőszivattyú hatásfoka ettől elmarad. Ezt könnyen beláthatjuk, ha meggondoljuk, hogy a legnagyobb hőmennyiségre éppen akkor van szükségünk, amikor odakint a leghidegebb van. A víz-víz hőszivattyú esetén télen egyenletes hőmérsékletű vízből nyerjük a hőt, tehát ha kint hidegebb van, akkor is ugyanolyan hőmérsékletű vízből kell több hőenergiát kinyernünk. Ez gyakoribb hőkinyerő ciklusokat eredményez. De a hőszondákat úgy kell méretezni, hogy a leghidegebb időben is legyen ideje visszamelegedni a külső körben keringetett folyadéknak. Ellenben a levegő-víz hőszivattyúnál minél hidegebb van, annál hidegebb levegőből kellene előállítanunk egyre több hőmennyiséget. Egyre nehezebb dolga van a hőszivattyúnak, egyre kisebb hatásfokkal tud működni. Egy levegő-víz hőszivattyú, amelyik +5°C  külső hőmérséklet mellett 2.5kW elektromos teljesítményből 10kW fűtőteljesítményt képes előállítani, -15°C-on már csak 5kW fűtőteljesítményre képes, miközben változatlanul 2.5kW elektromos teljesítményt igényel. Ha ebben az időszakban nagyobb az épület hőigénye 5kw-nál, akkor azt más módon (pl.. a beépített kisegítő elektromos fűtéssel) pótolni kell. Viszont tavasszal és ősszel megfelelő egy adott épület kifűtésére, nyáron pedig nagy melegben ellátja a klímaberendezés funkcióját melegvíz előállítással együtt. Tehát egy ilyen berendezés telepítésével jelentősen csökkenthetjük a fűtésszámlát, megspórolhatjuk a klíma beruházási költségeit és még a melegvízszámlánk is csökkenni fog. Kiegészítő fűtésről csak télen, -5°C külső hőmérséklet alatt kell gondoskodni.

Megtérül a hőszivattyús fűtési rendszer használata?

Igen. Hőszivattyús rendszer telepítése a korábban fűtésre használt energiahordozótól függően különböző idők alatt térül meg, de ha a károsanyag kibocsátás teljes megszünését tekintjük, egészségünk védelme érdekében mindenképpen megtérülő beruházás. Szokták mondani, hogy az egészség minden pénzt megér: hát egy hőszivattyús fűtési rendszer beruházási költségét biztosan!

Ezen kívül, ha például új építkezésről beszélünk, sokkal gyorsabban megtérülő beruházás, mint egy már meglévő fűtési rendszer átalakítása esetén: hőszivattyús fűtési rendszer kiépítéséhez ugyanis nincs szükség kéményre, nincs szükség külön tüzelőtároló helyiségre (akár szilárd tüzelőanyagról van szó, akár gáz- vagy olajtartály elhelyezéséről), kizárólag a belső fűtési rendszert kell kiépíteni (amit egyébként is meg kellene tenni) és a hőszondát elhelyezni, aminek a telepítési költsége összemérhető a kémény és a tüzelőtároló helyiség építési költségével. A hőszivattyú ugyan drágább, mint bármilyen kazán, de üzemeltetése jóval olcsóbb azoknál. Összességében elmondható, hogy a két különböző rendszer (hagyományos és hőszivattyús) telepítési költsége - ugyanolyan komfortfokozattal - nagyságrendileg összemérhető, a hőszivattyús rendszer kiépítése idővel anyagilag is mindenképpen megtérülő beruházás, nemcsak az egészségünket tekintve.

Néhány példa víz-víz hőszivattyús fűtési rendszer kiépítésére

A víz-víz hőszivattyús rendszerek között a hőforrás oldalt tekintve léteznek nyitott és zárt hurkú rendszerek. A zárt hurkú rendszerekről beszélve tudni kell, hogy a zárt hurok a hőgyűjtő kör, - ebben állandóan ugyanaz a folyadék kering (telepítési helytől függően lehet tiszta víz vagy fagyállóval kevert víz), a vízkő kicsapódásának veszélye nem áll fenn (olyan kis mennyiségű és csak egyszeri a csővezetékbe a vízkőbevitel) - ezt helyezzük el olyan helyen hogy lehetőség legyen a hőgyűjtésre.

A zárt hőgyűjtő kör elhelyezésére több lehetőség kínálkozik:

Függőleges földszondák elhelyezése fúrt lyukakban. A lyukak 50-150m mélyek, a földszondák elhelyezése után vissza vannak temetve. Ott alkalmazható, ahol ennél mélyebben van a talajvíz. Ott érdemes alkalmazni, ahol már parkosítással kialakított terep van, és kevés hely áll rendelkezésre. A fúrt lyukak darabszáma a hőigénytől függ.

Vízszintes földszondák elhelyezése ásott árkokban. Az árkok mérete és a belefektetett csövek hossza és átmérője a hőigénytől függ. A csöveket mindenképpen 1,2m alá kell lefektetni, ideális mélység a 2m. Kivitelezése olcsóbb a függőleges földszondás elrendezésnél. Ott célszerű alkalmazni, ahol nagy földterület áll rendelkezésre (még parkosítás előtt, vagy mezőgazdasági művelésű terület).

Ha a telepítési helyhez közel nagy felületű vagy vízhozamú élővíz található (tó vagy folyó), abban is elhelyezhetünk egy hőgyűjtő kört. Mivel a víz hővezetése sokkal jobb, mint a talajé, sokkal kisebb méretű csővezetékkel megvalósítható ugyanolyan mennyiségű hő kinyerése, mint az előző két módszernél. A zárt rendszerű hőgyűjtő körök közül ennek a telepítése a legolcsóbb, de víztől csak korlátozott távolságon belül használható. Alkalmas viszont például hajók, hajókabinok vagy vízpartra telepített épületek fűtésére.

A nyitott rendszereknél folyamatos víz oda- és elvezetés szükséges. Ez történhet például folyóból vagy kútból. Ha kútból nyerjük a vizet, szükség van egy második kútra is az elsőtől minimum 10m távolságra, amelybe a hidegebb vizet vezetjük vissza. A két kútnak ugyanahhoz a vízgyűjtő réteghez kell kapcsolódnia! Mire a víz visszaáramlik az első kúthoz, ahonnan azt kiszivattyúztuk, a talajhőtől visszamelegszik. Ha a kútvíz vasat, vagy más szennyező anyagot tartalmaz, akkor az lerakódhat a hőcserélőben, ami rontaná a hőszivattyú hatásfokát illetve későbbi karbantartási igényt vonna maga után. Ezért nyitott rendszer megvalósításakor egy köztes hőcserélő beiktatása javasolt. Ennek esetleges cseréje lényegesen kisebb költségű, mint a hőszivattyúba beépített speciális hőcserélő javítása. Ez a köztes hőcserélő lehetővé teszi nyári passzív hűtés megvalósítását is. Ekkor lényegében a kútvízzel hűtjük a fűtőkört, amivel 4-5°C-kal lehet csökkenteni a lakás hőmérsékletét minimális költséggel, hiszen csak a keringető szivattyúk működnek. A fenti lehetőségek közül ez a változat tűnik a legegyszerűbben megvalósíthatónak Magyarország sík vidékein sűrűn lakott területeken.

A hőszivattyús fűtést természetesen kombinálhatjuk egyéb környezetkímélő energiaforrás (napenergia, szélenergia) felhasználásával is.

Így működik a hőszivattyú

Hőszivattyú technológia 

Az elektromotorral hajtott kompresszor a hő átadó folyadékot bekényszeríti a hőszivattyú kondenzátorába gázállapotban körülbelül 100 °C hőmérsékleten. A gáz és a fűtésrendszerből származó víz áthalad a kondenzátoron, amely egy rozsdamentes acél hőcserélő. Amikor a forró gázt lehűtötte a keringtetett víz, akkor ez lecsapódik (folyadékká változik). Amikor ezt teszi, energiát ad a fűtőrendszernek vagy a melegvíznek. A kondenzátor után a hűtőközeg, mely most folyékony állapotú, továbbhalad egy szárítószűrőn és egy tartályon keresztül. A szűrő összegyűjti a rendszerben lévő összes nedvességet, és a tartályt tágulási tartályként használjuk a hő átadó folyadékhoz, ezzel biztosítva, hogy mindig a helyes mennyiség legyen a kondenzátorban.

A szűrő után a hő átadó folyadék áthalad egy nézőüvegen. A nézőüveget arra használjuk, hogy ellenőrizzük a hő átadó folyadék mennyiségét a rendszerben. Normál működés közben nem lehetnek buborékok a nézőüveg mögött. Rövidebb időre azonban megjelenhetnek buborékok, főleg a gyors változásokkor a forró víz és radiátor működése közt és a hőszivattyú indulásakor vagy leállásakor.

A nézőüveg után a hő átadó folyadék eljut egy expanziós szelephez. A szelep áramláskorlátozóként működik a rendszer nagy- és kisnyomású oldalai között. A szelep, melynek van egy érzékelője (gömb) közvetlenül a kompresszor előtt, a megfelelő mennyiségű folyadékot engedi a következő hőcserélőbe, a párologtatóba. A párologtatóban a folyadék találkozik a földben vagy fúrt lyukban lévő energiaforrástól érkező keringtetett hő átadó folyadékkal. Ebben a folyamatban a folyadék gázzá válik (elpárolog) alacsony nyomáson, ami hőenergiát használ fel. A hőt a külső levegőből vonjuk ki, ami ingyen van.

A párologtatón való áthaladás után a hő átadó folyadék még egyszer gáz halmazállapotot (pára) vesz fel. Az expanziósszelep-érzékelő folyamatosan ellenőrzi, hogy a párologtató optimális módon működik-e, hogy a lehető legtöbb ingyen energiát használhassa fel. Ezután a gáz halmazállapotú hűtőközeg bejut a kompresszor szívóoldalára, ahol újra összepréselik. Ezzel zárul a hő átadó folyadék köre.

A rendszer magas és alacsony nyomású oldalain nyomáskapcsolók vannak beépítve, hogy védjék a hőszivattyút. Ezek lezárják a hőszivattyút, ha a rendszerben lévő nyomás rendellenes értéket ér el.  

A hőszivattyú alkatrészei

(MEGJEGYZÉS: A képen egy Bosh hőszivattyú látható.)

Működési elv

A fűtés- és meleg víz vezérlés elve 

Hőszivattyúink fel vannak szerelve egy vezérlőegységgel, hogy garantálja a maximális megtakarítást és a sok évig tartó működést. Az egység, mely fejlett figyelési funkciókat tartalmaz, vezérli otthonunkban a fűtést és a melegvizet. Ez biztosítja, hogy az összes fontos funkció folyamatos figyelés alatt van, és azt, hogy problémák felmerülése esetén a hőszivattyú kikapcsolásra kerül, még mielőtt tönkremenne.

Amikor a hőszivattyú nem képes megfelelni a fűtési követelményeknek, bekapcsolódik a kiegészítő fűtés, mely a hőszivattyúval együtt biztosítja a kívánt hőmérsékletet. A Greenline E sorozatnak van egy beépített villamos melegítője, mely három lépésben csatlakoztatható. A kiegészítő fűtés csak annyi hőt ad ki, amennyit a hőszivattyú nem képes előállítani, és ilyen módon sohasem veszi át teljesen a ház fűtését. Amikor a hőszivattyú már képes kielégíteni a fűtési igényt, a kiegészítő fűtés önműködően kikapcsol. A Greenline D sorozathoz normál esetben egy olajtüzelésű vízmelegítőt használunk kiegészítő fűtésként. Ez esetben a Rego 600 vezérli az olajtüzelésű vízmelegítőt és a meglévő keverőszelepet.

A hőszivattyú a fűtési rendszer visszatérő vezetékéhez van csatlakoztatva úgy, hogy ez mindig a leghidegebb vizet kapja. A hőszivattyúban felmelegített víz ezután visszatáplálódik a fűtőrendszerbe. Míg a hőszivattyú a használati melegvizet melegíti a villamos vízmelegítővel, a fűtőrendszer átmenetileg leválasztódik a háromutas szelepen keresztül. A melegvíztartályban egy érzékelő biztosítja, hogy mindig a melegvíz melegítése kapja meg az elsőbbséget. Amikor a tartályban lévő víz elérte a szükséges hőmérsékletet, a melegítés újra a fűtőrendszerbe táplálódik.

Áramkimaradások

A tápfeszültség-ellátás esetleges kimaradása után a vezérlőegység emlékszik az összes beállítására, és a feszültség visszatérésekor újraindítja a hőszivattyút.

Jóságfok

A hőszivattyúk  jóságfoka (COP) a hasznos kinyert hőenergia, osztva a  bevitt mechanikai, elektromos és egyéb energiák összegével.

Ezt az arányszámot leginkább az egyes típusok összehasonlításhoz használják mind  a vásárlók, mind a gyártók és forgalmazók. Nem szabad elfelejteni, hogy a jóságfokot bizonyos paraméterekhez kötik a gyártók. 35-40 ^oC előremenő   0-(+)5 ^oC forrásoldali közeg hőmérséklet esetén igaz.

Az általunk forgalmazott hőszivattyúk jóságfoka között nincs jelentős eltérés. Értékük a fenti paraméterek esetén a talajszondás rendszer esetén: 4,5.

Érdemes azonban megjegyezni, hogy  az előremenő víz hőmérsékletének emelkedése esetén a COP jelentősen leromlik. 55 ⁰C fokos vízhőmérséklet esetén  a COP már csak 2,8-3 körül van.

Ezért javasolt olyan fűtésrendszer kiépítése, ami 40 ⁰C körüli fűtőközeg esetén is befűti a házat.

Az alábbi ábrán látható az előremenő hőmérséklet növekedés hatására megváltozó teljesítmények értéke.