2019 november 15 - péntek

2.4.5.10. A hőszivattyú

A hőszivattyú sok helyen szerepel az Interneten magyar nyelven is, bár azoknak az információknak a célja nem a működés ismertetése, hanem inkább csak reklámozás. Ezen az oldalon egy kicsit alaposabb betekintést kaphatsz a hőszivattyú működési elvébe.

A hőszivattyú működési elve

A hőszivattyú olyan berendezés, melynek segítségével a környezet hőjét elvonjuk s azt fűtésre, vízmelegítésre vagy akár hűtésre használjuk. A környezeti hőt a föld, a levegő, a napsütés, a szennyvíz vagy bármilyen más hőforrás szolgáltathatja. Ezeknek a hőforrásoknak a hőmérséklete azonban viszonylag alacsony – bár nem minden esetben – ahhoz, hogy azt közvetlenül tudjuk hasznosítani, ezért meg kell emelnünk. Erre való a hőszivattyú. De hogyan is működik egy hőszivattyú? Ugyanúgy, mint a hűtőgép a konyhánkban, bár a hűtő esetében hűtünk, tehát a folyamat meg van fordítva.

Bizonyára már Te is jó párszor tapasztaltad, hogy mikor a szódás szifon fejébe becsavarod a gázpatront, akkor a patron nagyon hideg lesz. Ez a nagyon hideg azt jelenti, hogy odafagyhat az ujjad.

Miért hűl le a patron? Mielőtt becsavarnánk a patront, az már feltehetően jó ideje a szobában volt, ezért a patronban és a környezetben lévő gázmolekulák hőmérséklete kiegyenlítődött. Amikor kiengedjük a gázmolekulákat a patronból, annak belsejében csak jóval kevesebb számú gázmolekula marad, melyek már sokkal ritkábban ütköznek, ezért a hőmérsékletük jelentősen lecsökken. Mivel azonban ez a patron nem csak "van" egy légüres térben, hanem kívülről a levegő molekulái veszik körül, ezért a rendszer – azaz a patron belseje és külseje – egyensúlyra törekedve hőt von el a külső felén lévő levegő molekuláktól (vagy éppen az ujjunktól, ha hozzáérünk). Ez a kívülről elvont hő egy idő után megnöveli a patronban maradt gázok hőmérsékletét – ezáltal pedig az energiáját .

Innét már egyenesen következik a hőszivattyú működési elve. Hozzunk létre egy tartályt, azt töltsük fel valamilyen gázzal majd gyorsan engedjük ki belőle a gáz egy részét. Ezáltal hőt tudunk elvonni a környezettől. Ez a környezeti hőenergia azonban még önmagában elég alacsony hőmérsékleten jelentkezik. Ha viszont ezt a környezeti hő által felmelegített kisnyomású gázt összenyomjuk, akkor a hőmérséklete megemelkedik. A gáz összenyomását egy egyszerű kompresszor segítségével megoldhatjuk.

A következő táblázat a különböző halmazállapotú anyagok részecskéinek kinetikus (mozgási) és potenciális (helyzeti) energiáit mutatja.

 
gáz
folyékony
szilárd
E_potenciális
kicsi
közepes
nagy
E_kinetikus
nagy
közepes
kicsi

1. táblázat. A különböző halmazállapotú részecskék potenciális és kinetikus energiája

Az összenyomás során a gáz cseppfolyóssá válik, azaz a részecskék potenciális energiája megnövekszik a kinetikus energia rovására. Ennek a magas hőmérsékletű cseppfolyós gáznak a hőjét un. kondenzátoron keresztül leadjuk egy másik közegnek, pl. a fűtendő víznek.

Az itt ismertetett módszert végteleníthetjük úgy, hogy a kondenzátor másik oldalán a cseppfolyósított gázt visszavezetjük abba a tartályba, ahol a környezet hőjét vonjuk el. Gondoskodni kell azonban arról is, hogy ezt a cseppfolyós gázt csak fokozatosan vezessük vissza, hogy ott az a kis nyomáson már alacsonyabb hőmérsékleten is elpárologhasson. Erre a célra egy expanziós szelepet alkalmazunk, mely a nagynyomású cseppfolyós gáznak mindig csak egy kis részét engedi át. A szelep másik oldalán megjelenő folyékony közeg alacsony nyomású és alacsony hőmérsékletű lesz. Mivel ez a hőmérséklet alacsonyabb a környezet hőmérsékleténél, ezért hőt fog elvonni onnét. A hőelvonás során viszont a folyadék elkezd párologni, azaz ismét gáz halmazállapotúvá válik. Ezt a tartályt, ahol a folyadék elpárolog, párologtatónak nevezzük. Az elpárologtatott gázt ismét összenyomjuk a kompresszorral, amitől az magasabb hőmérsékletűvé és cseppfolyóssá válik.

Ezt mutatja be a következő ábra:

hosziv_mukodes_sema 2.4.5.10. A hőszivattyú

1. ábra. A hőszivattyú működési elve

Milyen gázt használjunk munkaközegnek?

Olyan gázra van szükségünk a hőszivattyúban, aminek nagyon alacsony a forráspontja és csak nagy nyomás alatt cseppfolyósodik. Miért fontos ez? Mert ha a gáz forráspontja nem elég alacsony, akkor már kis nyomáson is cseppfolyós marad, így nem kezd el párologni, azaz nem von el hőt a környezetétől. Sokféle gázt alkalmaznak a különböző hőpumpákban. A régebben használt gázok klórtartalmuk miatt az ózonréteget nagymértékben károsították, ezért manapság már olyan gázok használata terjed egyre jobban, melyek amellett, hogy hasonlóan jó hatásfokkal rendelkeznek, még környezetbarát anyagok is. Ezekről bővebben itt olvashatsz angolul.

Elméletileg a vizet is használhatjuk a hőpumpánál és ipari eszközöknél ez gyakori is, de itt alapfeltétel, hogy a működési hőmérséklet magas, 80-150°C körüli legyen.

A hűtőszekrényeknél használt R134a jelű gáz (C2H2F4) a hőpumpánál is ideálisnak tűnik, mivel azt viszonylag könnyen és olcsón be lehet szerezni és környezetbarát, mindemellett pedig jók a paraméterei, azaz nagyon alacsony a forráspontja és csak nagy nyomás alatt cseppfolyósodik.

A következő táblázat az R134a jelű gáz párolgási hőmérsékletét mutatja különböző nyomáson. A nyomás oszlopaiban megadott értékeket 100-zal elosztva azt bárban kapjuk meg (1 bar = 100 000 Pa = 100 kPa), tehát pl. az első sorban megadott 129,0 kPa = 1,29 bár.

Nyomás
Párolgási hőmérséklet
Nyomás
Párolgási hőmérséklet
129,0 kPa
-45,6 °C
352,3 kPa
12,8 °C
116,5 kPa
-42,8 °C
413,7 kPa
15,6 °C
102,0 kPa
-40,0 °C
477,8 kPa
18,3 °C
86,2 kPa
-37,2 °C
489,5 kPa
21,1 °C
67,6 kPa
-34,3 °C
541,9 kPa
23,9 °C
47,6 kPa
-31,7 °C
590,2 kPa
26,7 °C
25,5 kPa
-28,9 °C
655,7 kPa
29,4 °C
0,7 kPa
-26,1 °C
718,4 kPa
32,2 °C
12,1 kPa
-23,3 °C
784,6 kPa
35,0 °C
28,3 kPa
-20,6 °C
855,6 kPa
37,8 °C
44,8 kPa
-17,8 °C
930,1 kPa
40,6 °C
62,7 kPa
-15,0 °C
1008,7 kPa
43,3 °C
82,0 kPa
-12,2 °C
1092,1 kPa
46,1 °C
103,4 kPa
-9,4 °C
1179,7 kPa
48,9 °C
126,9 kPa
-6,7 °C
1272,1 kPa
51,7 °C
152,3 kPa
-3,9 °C
1370,0 kPa
54,4 °C
179,2 kPa
-1,1 °C
1472,7 kPa
57,2 °C
208,9 kPa
1,7 °C
1581,0 kPa
60,0 °C
241,3 kPa
4,4 °C
1694,0 kPa
62,8 °C
275,8 kPa
7,2 °C
1813,3 kPa
65,6 °C
313,0 kPa
10,0 °C

2. táblázat. Az R134a jelű gáz párolgási hőmérséklete különböző nyomáson

A 2.táblázat adatait innét vettem.

nyomas_hom 2.4.5.10. A hőszivattyú

2. ábra. A 2. táblázat grafikus ábrázolása (kék vonal – a forráspont a nyomás függvényében, rózsaszín vonal – a nyomás a forráspont függvényében)

Könnyen belátható, hogy a párolgás nagyobb nyomáson több energiát, azaz több hőt igényel, mivel nagyobb nyomáson a levegőmolekulák által a folyadékra ható erő nagyobb, amit csak nagyobb ellentétes irányú erővel lehet legyőzni. Az azonban már nem ilyen nyilvánvaló, hogy miért van a 2. táblázatban egy anomáliának tűnő dolog, vagyis hogy a -45,6 °C-os és a -28,9 °C-os hőmérséklettartományban a csökkenő nyomás mellett nő a párolgási hőmérséklet!? Erre az a magyarázat, hogy az R134a gáz sem ideális gáz (akárcsak a többi, gyakorlatban használt gáz), így nagy nyomáson és alacsony hőmérsékleten sajátságosan viselkedik.

A hőszivattyú hatásfoka

A hőszivattyú hatásfokát a kimeneten megjelenő energia és a befektetett energia hányadosaként kapjuk meg, akárcsak mint minden más rendszer esetében. Az érdekesség az, hogy ez a hatásfok meghaladja a 100 %-ot! A hatásfokot az határozza meg, hogy

  • milyen hőmérsékletről milyen hőmérsékletre melegítjük fel a munkaközeget,
  • milyen környezeti hőforrást használunk,
  • a kompresszor elektromos vagy tisztán mechanikus, stb.

A hőforrás függvényében a házak fűtésére használt hőszivattyúk hatásfoka 300 és 800 % között mozog éves viszonylatban:

  • levegő – 300 %
  • talajvíz – 400 %
  • termálvíz 20-25 °C-os csurgaléka – 500-800 %

Az ipari hőszivattyúk hatásfoka ennél valamivel magasabb, mivel ott kisebb a hőmérsékletkülönbség a párologtató és a kondenzátor között.

A fenti adatokat innét vettem.

A szakemberek azt mondják, hogy ez a 100 %-nál jobb hatásfok nem mond ellent az energia-megmaradás törvényének, hiszen a plusz energiát a környezet hője adja.

h = [(E_vill*h_kompr) + (E_hő*h_hőcser)] / (E_vill)

ahol:

  • h – a hőpumpa hatásfoka
  • E_vill – a kompresszor meghajtására fordított villamos áram energiája
  • h_kompr – a kompresszor hatásfoka
  • E_hő – a környezet hőjének energiája
  • h_hőcser – a két hőcserélő (párologtató és kondenzátor) össz. hatásfoka

Mint az egyenletből látjuk, a kimeneten nem csak a kompresszorba fektetett energia bizonyos százaléka jelenik meg, hanem a hőenergia is. Ezt mutatja be a következő ábra:

hosziv_egyszeru 2.4.5.10. A hőszivattyú

3. ábra. A hőszivattyú energetikai egyensúlya

Az ábrát innét vettem.

Mindez azt jelenti, hogy a hőszivattyú is egy ingyenenergia gép, mivel az ingyenenergia készülékeknek is pontosan ez a működési elve, vagyis hogy egy kisebb energia segítségével megcsapolunk – azaz vezérlünk – egy másik, nagyobb energiaforrást. Senki nem beszél arról, hogy a semmiből állítunk elő energiát!

Ezt figyelembe véve egyértelműen kijelenthetjük, hogy a hőszivattyú ingyenenergia gép!

Amennyiben a kompresszor meghajtására felhasznált villamos energiát nem az áramszolgáltatótól vásárolt árammal oldjuk meg, hanem valamilyen más módon, pl. napelemek vagy más, ingyenenergiát előállító szerkezet segítségével állítjuk elő, akkor a rendszer valóban ingyen működtethető, csak a beszerelési költségekkel kell egyszer számolnunk!

Megfelelően tervezve a hőszivattyút még az is megoldható, hogy az így termelt hő egy részét elektromos árammá alakítjuk, s azzal tápláljuk a kompresszort és a keringető szivattyúkat! Sőt, még akár az egész ház elektromos fogyasztóit is üzemeltethetnénk a hőszivattyú által termelt hő villamos energiává történő átalakításával!

Erről olvashatsz majd a következő oldalon.

A környezeti hőforrások

A környezet hőmérsékletét a párologtatón keresztül tudjuk "megcsapolni" a következőképpen:

  • talajszonda
  • talaj kollektor
  • masszív hőelnyelő
  • kútvíz (talajvíz)
  • levegőhő
  • termálvíz

Ezekről a módszerekről egy kicsit részletesebben itt olvashatsz. A cikkből kitűnik, hogy a legegyszerűbb és legolcsóbb megoldás az lenne, ha a levegő hőjét hasznosítanánk, de télen, amikor igazán szükség volna a melegre, akkor a rendszer hatásfoka jelentősen csökken, s egy bizonyos hőmérséklet alatt (kb. -15 °C) már nem is üzemelne a rendszer.

Ami viszont minden lakóháznál megoldható, az a geotermikus, azaz a Föld hőenergiájának a felhasználása. Erre is van több módszer, bár a legvonzóbbnak a kútvízben rejlő hő megcsapolása tűnik, mivel így a kifúrt kutunk kis átalakításával illetve kibővítésével jóval olcsóbban meg tudjuk oldani a házunk vízellátását és a fűtést is – egyszerre.

A talajvíz hőmérséklete attól függően, hogy milyen mélyről hozzuk fel +4 és +10 °C között változhat.

Kétféle megoldás kínálkozik:

  • Nyílt rendszerű és
  • Zárt rendszerű

A nyílt rendszerű megoldásnál két, egymástól elkülönített kutat kell ásni. Az egyikből a kútban lévő búvárszivattyú keringetné a vizet a párologtatón keresztül, majd a lehűtött vizet a másik kútba engedjük vissza. Az is megoldható, hogy a lehűtött vizet nem egy másik kútba, hanem a közeli álló vagy folyó vízbe engedjük. Ekkor a második kút fúrási költségeit megspóroltuk. A nyílt rendszerű talajvizes hőszivattyúnál külön oda kell figyelni a víz szűrésére és arra, hogy ne fagyjon be a rendszer.

A zárt rendszerű megoldásnál a párologtató, azaz a hőcserélő csöveit egyből a kútban helyezzük el, s a hőpumpa munkaközege ott párolog el.

A zárt rendszerű talajvizes hőpumpa tűnik a legegyszerűbben kivitelezhetőnek, különösen ha már rendelkezünk egy fúrt kúttal.

A talajvizes hőpumpáról az információkat innét vettem.

Van még egy hőforrás, ami nem kimondottan környezeti hő, bár mind a talaj, mind pedig a levegő ennek hatására melegszik fel. Ez a Nap hője. Ezt a hőt un. napkollektorokkal tudjuk megcsapolni, melyek nem azonosak a napelemekkel. A napelem villamos áramot állít elő, míg a napkollektor hőt. A napkollektorokról pár információt olvashatsz itt, ahol még egy saját készítésű napkollektor leírását is elolvashatod (lásd itt). A napkollektorok hőmérséklete jóval magasabb, mint a talaj és a levegő hőmérséklete, ezáltal a hőpumpa hatásfoka jelentősen megugrik, ráadásul ha Te magad barkácsolod össze a napkollektort, akkor sokkal olcsóbb lesz a hőpumpád, mint ha kutat kellene ásatnod. Viszont télen vagy borús időben a napkollektorok teljesítménye csak a töredéke a névleges értéknek.

Az igazi megoldás az lenne, ha a napkollektor és a talajvíz egymást segítve végezné a hőszivattyú munkaközegének a párologtatását.

Kapcsolódó kísérletek:

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás