Hőszivattyúk » Fűtés a környezetből származó hőenergiával
A globális felmelegedés, az éghajlatváltozás, a CO2-kibocsátás és az üvegházhatás olyan szavak, amelyek az elmúlt években gyakran megjelentek a hírekben.
Ezért olyan fontos az üvegházhatást okozó gázok, például a fluorozott szénhidrogének, a metán, a dinitrogén-oxid és a szén-dioxid (CO2) kibocsátásának csökkentése. A globális felmelegedéshez és az éghajlatváltozáshoz különösen a szén-dioxid járul hozzá, amelyet többek között számos fűtési rendszer bocsát ki a fosszilis tüzelőanyagok, például a szén, a kőolaj vagy a földgáz elégetése során.
Ezért sürgősen szükség van környezetbarát vagy klímasemleges, megújuló energiaforrásokat használó alternatívákra. Ha fűtésről van szó, sokszor megjelenik a " hőszivattyú " kifejezés. De mik azok a hőszivattyúk, hogyan működnek, és valóban megoldást jelentenek-e a klímaválságra? Ezekre a kérdésekre szeretnénk választ adni és érdekes információkkal szolgálni ebben a fontos témában.
Sok hő van a levegőben, a talajban és a vízben, amit fűtésre lehet használni. Ennek oka a napsugárzás vagy a Föld forró magja. Az izlandi forrásban lévő gejzíreken kívül azonban a rendelkezésre álló hőenergia sajnos közvetlenül nem alkalmas fűtésre. Ennek az az oka, hogy a fűtési szezonban a levegő, a víz vagy a talaj hőmérséklete gyakran jóval alacsonyabb , mint az előírt 20 Celsius-fok, amely szobahőmérsékletként javasolt.
Itt egy kis technikai tudásra van szükség ahhoz, hogy a fűtési folyamat továbbra is hatékony és környezetbarát módon működjön. A levegő-víz hőszivattyúk (1) például arra szolgálnak, hogy a levegőben rendelkezésre álló hőenergiát (2) sokkal magasabb szintre (3) emeljék.
Az így elért magas hőmérséklet vagy annak emelkedése ezután átkerül a fűtési rendszer vízkörébe (4 ). Egyedi helyiségek, egész épületek, sőt egész uszodakomplexumok is könnyen és hatékonyan fűthetők így.
A titok az, hogy a fűtési energia nagy része közvetlenül a környezetből származik. A költségekre csak az ideális esetben megújuló energiaforrásból előállított szivattyúhoz (5) szükséges villamos energia van hatással.
A hőszivattyúk nem a XXI. század új találmányai. Több mint 100 éve léteznek. Alapvetően minden hűtőszekrény vagy fagyasztó egyben hőszivattyú. Az egyetlen különbség az, hogy ezek a hűtőberendezések a belső hőmérséklet csökkentését használják, nem pedig a hátul keletkező hulladékhőt. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan működik egy hőszivattyú, először nézzük meg közelebbről a kompresszoros hűtőszekrény működését.
A kompresszoros hűtőszekrény jellemzői
A hűtőszekrény zárt hűtőkörrel rendelkezik, amely gáznemű vagy folyékony hűtőközeget, például izobutánt tartalmaz. Az izobután vagy az R600a nagyon alacsony forráspontú, és -11,5 °C-on elpárolog.
A gáznemű hűtőközeget (1) a kompresszor (2) sűríti , amely a hűtendő belső téren kívül (külső) helyezkedik el. A hűtőközeg körülbelül 60-100 °C-ra melegszik fel a Joule-Thomson effektus hatására. A forró és sűrített hűtőközeget ezután a hűtőszekrény hátsó falán lévő hűtőkörbe vagy hőcserélőbe (3) táplálják. Ott a hőenergia egyszerűen a környezeti levegőbe kerül.
Mivel a túlnyomásos hűtőközeg forráspontja jóval magasabb, mint -11,5 °C, a hűtőkörben lecsapódik és folyadékká alakul. Ezért hívják a szakértők a hűtőkört kondenzátornak.
A folyékony hűtőközeg ezután a kapilláris csövön keresztül a hűtőszekrény belsejébe (középen) áramlik. A kapilláris cső csillapítóként vagy expanziós szelepként (4) szolgál, amely csökkenti a nyomást és kipermetezi a hűtőközeget. Az elpárologtató csővezetéke (5) elegendő helyet biztosít ahhoz, hogy a hűtőközeg a nyomás csökkentésével visszatérjen gáz halmazállapotúvá. Az elpárologtatáshoz (párolgásos hűtéshez) szükséges hőenergiát a hűtőszekrény belsejéből vonják ki az elpárologtatón keresztül, mint hőcserélőt. Az elpárologtató után a hűtőgázt visszavezetik a kompresszorba, hogy a ciklus újra indulhasson. A hőmérsékletet egy termosztát szabályozza , amely egy adott hőmérsékleti tartományon belül be- vagy kikapcsolja a kompresszort.
A hőszivattyú működése
A hőszivattyú egy zárt kört alkot a hűtőközeggel, két hőcserélő és egy kompresszor segítségével. A hűtővel ellentétben azonban a hőmérséklet növekedését használja fel, nem pedig a csökkenését.
Ebből a célból a gáznemű hűtőközeget (2) a kompresszor (1) segítségével sűrítik össze. A felmelegített hűtőközeget az első hőcserélőbe vagy kondenzátorba (3) vezetik.
A hűtőfolyadék-ellátó csöveken kívül ez a hőcserélő hűtőfolyadék-keringtető csövekkel (4) is rendelkezik.
A csőrendszerek termikusan kapcsolódnak egymáshoz. Ez lehetővé teszi a hatékony hőátadást a sűrített hűtőközegből a hőelosztó és -tároló rendszerrel ellátott fűtőkörbe.
A lehűtött és folyékony hűtőközeget egy csappantyún (5) keresztül a második hőcserélőbe, elpárologtatóba vagy hőforrásrendszerbe (6) irányítják . A hűtőközeg csövein kívül az elpárologtató tartalmaz egy termikusan csatolt rendszert is a hűtőkör (7) számára. A rendszer általában fagyálló folyadékkal és vízzel van feltöltve, és környezeti hővel képes kompenzálni az elpárologtatóban történő párolgás során keletkező hideget. Ily módon pozitív mellékhatásként hűti a környezetet a hőszivattyú. Az immár ismét gáz halmazállapotú hűtőközeget a kompresszorba táplálják, amely lezárja a ciklust.
Különféle típusú hőszivattyúk léteznek, attól függően, hogy milyen közegből veszik a fűtéshez szükséges energiát. Itt szeretnénk közelebbről megvizsgálni a legnépszerűbb típusokat:
Levegő-víz hőszivattyú
Levegő-víz hőszivattyú vagy levegő hőszivattyú esetén (lásd az A ábrát) a hőforrás a környezeti levegő. Egyes esetekben osztott egységeket szerelnek fel, ahol a kompresszor, az elpárologtató és a ventilátor kívül, a kondenzátor pedig keringető szivattyúval és vezérléstechnikával a házon belül található. A levegő-víz hőszivattyúk -20°C-os levegőhőmérsékletig gazdaságosan működtethetőek.
Javaslataink levegő-víz hőszivattyúkhoz
Sós-víz hőszivattyú
A sós-víz hőszivattyúk, más néven talajhőszivattyúk, természetes geotermikus hőt használnak energiaforrásként. Ebből a célból talajkollektorokat a felszín közelébe temetnek (lásd B ábra), vagy kutakat fúrnak (40-100 m) (lásd a következő C ábrát). Annak ellenére, hogy a telepítési költségek lényegesen magasabbak, a magasabb talajhőmérséklet általában nagyobb hőszivattyú-hatékonyságot tesz lehetővé.
Víz-víz hőszivattyú
Víz-víz hőszivattyú esetén (lásd a D rajzot) általában a talajvizet használják hőforrásként. Ezért a merülő hőszivattyúkhoz kútra van szükség a víz beszívásához és visszavezetéséhez.
A talajvíz hőmérséklete évszaktól függetlenül egész évben állandó, így ezek a rendszerek nagyon hatékonyan tudnak működni. A talajvíz használata azonban sok helyen engedélyköteles.
Levegő-levegő hőszivattyúk
A levegő-levegő hőszivattyú a külső levegőt vagy a házból elszívott levegőt használja hőforrásként. A levegő-víz hőszivattyúval ellentétben az energia nem a vízzel feltöltött fűtőkörbe, hanem a szellőzőrendszerbe kerül. A levegő-levegő hőszivattyúk ideálisak passzív házakhoz és energiatakarékos épületekhez, ahol hővisszanyerős szellőzőrendszert kell beépíteni.
Hőszivattyúk melegvízhez
A melegvíz hőszivattyút kifejezetten használati melegvíz készítésére tervezték környezeti levegő és hőszivattyús technológiával. A hőszivattyú és a víztartály gyakran egy egészet alkot. Egyes modelleknél a használati melegvíz hőszivattyúk fűtőelemekkel is fel vannak szerelve, amelyek szükség esetén körülbelül 65°C-ra emelhetik a víz hőmérsékletét. Lehetőség van ezeknek a rendszereknek a napkollektorokhoz való további csatlakozásaival történő utólagos felszerelésére is, ami lehetővé teszi az energiahatékonyság további optimalizálását.
A hőszivattyú kiegészítése napkollektorokkal
Természetesen lehetőség van a hőszivattyú napkollektorokkal való hatékony kiegészítésére és támogatására. Közvetlenül melegvíz előállítására vagy a hőforrás teljesítményének növelésére használhatók alacsony hőmérsékleten. A lehetőségek ezen a téren olyan szerteágazóak, hogy a tervezést érdemes szakemberekre bízni.
A hőszivattyús technológia otthonok és épületek fűtésére és hűtésére egyaránt használható. Az egyre melegebb nyarak miatt a lakások falán egyre gyakrabban találhatók hőszivattyús korszerűsített klímaberendezések. Ezt a technológiát már évtizedek óta használják járművekben is.
Ma már a háztartási gépek is ezen az átgondolt technológia alapján működnek. A szárítógépek kényelmesek és hasznosak, de viszonylag nagy mennyiségű áramot is igényelnek. A modern modellek hőszivattyút használnak a villamosenergia-fogyasztás csökkentése és a szárítási hatékonyság megőrzése mellett. A hőszivattyús szárítógépek esetében nincs szükség a levegő folyamatos melegítésére, amely a szárítási folyamat befejezése után egyszerűen kikerül a helyiségbe vagy a környezetbe. A szárítólevegőt egyre inkább zárt körben újrahasznosítják, és az integrált hőszivattyúnak köszönhetően célzottan fűtik és hűtik.
A hőszivattyúknak számos előnye van, de vannak hátrányai is, melyeket nem akarunk eltitkolni. A legnagyobb előny talán az, hogy a megtermelt hőenergia nagy részét a környezetből veszik fel, így korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre. Ha a kompresszor meghajtásához használt villamos energia megújuló forrásból származik, akkor a hőszivattyúk környezetbarát hőszolgáltatók. Sajnos az állami támogatások ellenére magasak a beruházási költségek. Emellett a meglévő épületekbe való integrálás is nehézkes a néha alacsony tápvízhőmérséklet miatt.
A hőszivattyúk előnyei és hátrányai
Előny:
✓ Környezetbarát energiaszolgáltató
✓ Nagy hatásfok
✓ Szinte kimeríthetetlen hőforrás
✓ Nagy rugalmasság az energiaforrások tekintetében
✓ Alacsony üzemeltetési költségek, gyors amortizáció
✓ Gyakorlatilag karbantartásmentes működés
✓ Fűtés és hűtés üzemmódban is működtethető
Hátrány:
✗ Magas beszerzési költségek
✗ Korlátozott áramlási hőmérséklet
✗ Jó épületszigetelés szükséges
✗ Optimális hatásfok csak padlófűtéses rendszereknél
✗ Nehéz a radiátorokkal dolgozni
✗ Használati meleg vízhez külön rendszer szükséges
✗ A tervezés és kivitelezés csak szakemberek által javasolt
A fűtési rendszer hatásfokát a szolgáltatott energia és a felhasználható hő aránya határozza meg. Ha egy gázfűtési rendszer 10 000 kWh földgázból körülbelül 9000 kWh hőt termel, akkor a rendszer hatásfoka 0,9. Hőszivattyúknál a hatásfok 2 és 5 között van! Ez azt jelenti, hogy egy kilowattóra (1 kWh) villamos energia hozzávetőlegesen 2-5 kWh hőt termel, amelyet a legjobb megújuló energiából nyerni.
A hőszivattyúk azonban nem varázsdobozok, amelyek csodával határos módon a semmiből termelnek energiát. A nagy hatásfok inkább annak köszönhető, hogy ebben az esetben csak a szükséges elektromos energiát veszik figyelembe a számításoknál , nem pedig a környezetbe juttatott energia mennyiségét.
Ez azonban végső soron nem számít, mert a szükséges környezeti energia korlátlan mennyiségben rendelkezésre áll, és nem jelenik meg a villanyszámlákon. Ideális esetben nincs üzemeltetési költség, ha a hőszivattyú kezelője olyan napelemes rendszerrel rendelkezik, amely a kompresszor, a ventilátor és a szivattyúk számára elegendő villamos energiát termel. A megújuló energiaforrásoknak köszönhetően a fűtés teljesen CO2-mentes lehet.
Annak érdekében, hogy az embereket arra ösztönözzék, hogy jelenlegi vagy régi fűtési rendszerük korszerűsítése vagy átalakítása során éghajlatbarát hőszivattyúra váltsanak, a kormány pénzügyi támogatást nyújt az új hőszivattyú vásárlásához. A támogatás azonban meghatározott feltételekhez kötött. Ráadásul a támogatás idővel változik. Ezért a döntés meghozatala előtt célszerű felkeresni a kormány honlapjait, és ellenőrizni, hogy melyik évben milyen támogatási programok érvényesek.