Hőszivattyú hőszivattyú kérdései

Átírás

1 Hőszivattyú hőszivattyú kérdései Mi is az a hőszivattyú? A hőszivattyú egy olyan eszköz, amely hőenergiát mozgat egyik helyről a másikra, a közvetítő közeg így lehűl, vagy felmelegszik. A hőenergiát elvonjuk valamilyen forrástól (hőnyerő közeg) és máshol azt leadjuk, hasznosítjuk. Fűtés esetében a hőnyerő közeg lehet levegő, víz vagy talaj, míg a hőátadás oldal a fűtendő tér. Hűtés esetén a hőenergia az ellenkező irányba áramlik, a hőt elvonjuk a tértől és a levegőbe, vízbe, talajba juttatjuk. A hőszivattyú története A hőszivattyú alapelve a Carnot körfolyamat, amely során hőenergiát nyerünk ki egy alacsonyabb hőmérsékletű forrásból és azt egy magasabb hőmérsékleten hasznosítjuk. Ahhoz, hogy megemeljük a hőmérsékletet energiát kell befektetnünk, aminek a mértéke a kinyert hőenergia mértéke alatt marad a teljes körfolyamat során. Az arány a hasznosított hőenergia és a befektetett energia között az úgynevezett jósági fok, COP. A termodinamikai körfolyamatok széleskörű hasznosítását a múlt században kezdték meg főleg hűtőszekrények és egyéb hűtésre alkalmas eszközök formájában. A termodinamikai körfolyamatok fűtési hasznosítását csak az elmúlt évtizedekben kezdték meg. Az első hőszivattyús alkalmazások az USAban jelentek meg, ahol igény mutatkozott a nyári hűtés és téli fűtés megvalósítására. Az energia válság 1974 ben felkeltette az érdeklődést a hőszivattyúk iránt Európában és Ázsiában is. Németország, Skandinávia, Franciaország és Japán is fejlesztésekbe kezdett a hőszivattyúk terén. A stabilizálódó olaj ár és a viszonylag magas készülék árak a hőszivattyúk ismételt visszaszorulásához vezetett. Azonban a 80 as évek végén a növekvő környezeti problémák, a növekvő CO2 kibocsátás következtében ismét felismerték a hőszivattyúkban rejlő lehetőségeket. A fellendülés eredménye a még megbízhatóbb, még csendesebb kompresszorok és még gazdaságosabb hőszivattyúk megjelenése. A hőszivattyúk megjelentek a háztartásokban és az iparban egyaránt, mint gazdaságos energiatakarékos hűtési, fűtési eszközök. Hogyan működik a hőszivattyú? A hőszivattyú a hőcserélő folyadékot áramoltatja egy párologtatón, kompresszoron, kondenzátoron és egy expanziós szelepen keresztül. A hőcserélő folyadék gáz halmazállapotúvá válik, felmelegszik, amint a hőt felveszi hőcserélőn keresztül a hőnyerő közegtől. Ezt követően a kompresszoron áthaladva tovább nő a hőmérséklete a sűrítés folyamán. A kondenzátorban majd lecsapódik, ahol leadja a hőt egy másik hőcserélőnek. Ezt nevezzük Carnot folyamatnak.

2 1. Kondenzátor hőcserélő 2. Expanziós szelep 3. Elpároló hőcserélő 4. Kompresszor Ahhoz, hogy a hőszivattyút hűtésre is használhassuk egy váltó szelepre is szükség van, ami megfordítja az áramló hőcserélő folyadék, ezáltal a hőáramlás irányát. A Carnot körfolyamat, a hőszivattyú termodinamikája Az ideális termodinamikai körfolyamat leírását a francia Nicolas Léonard Sadi Carnot adta meg 1824 ben, mely folyamat ideális estben megadja a hőszivattyú elméleti működését. A Carnot körfolyamatból számított ideális COP t a következő összefüggéssel kapjuk: ahol a T_leadott a leadott hőmérséklet, míg a T_forrás a forrás oldal hőmérséklete. Az ideális termodinamikai körfolyamat megmutatja, hogy a hőszivattyú hatásfoka leginkább a forrás és a fogyasztó oldal hőmérséklet különbségétől (T_leadott T_forrás) függ. A hőszivattyú teljesítménye úgy növekszik, ahogy ez a hőmérséklet különbség csökken. A gyakorlatban nem érhető el az ideális állapot ezért a hőszivattyúk jellemzésére bevezetett mérőszám a következő:

3 Tehát a gyakorlatban a hőszivattyú jóságát a kinyert hőenergia és a befektetett összes elektromos energia hányadosával számítjuk. A gyakorlatban megvalósítható legnagyobb hatásfokot az elpárologtatás kompresszió körfolyamat során érhetjük el, ami körülbelül a harmada az ideális Carnot körfolyamat hatásfokának. Az ábrán látható, hogy a Carnot körfolyamat hatásfoka meghaladja az egyéb valóságot jobban jellemző termodinamikai körfolyamatokét. A Rankine körfolyamat írja le az erőművekben használt turbinák működését, ahol a hőforrást legtöbbször valamilyen fosszilis energiahordozó alapú égetés adja. A fő különbség, hogy a Rankine folyamatban valamilyen szivattyút használnak a folyadék tömörítéséhez, míg a Carnot folyamatban a gáz tömörítését kompresszor végzi. A szaggatott görbe mutatja az elektromos

4 energia alapú párolgás kompresszió körfolyamatot, melyet a hőszivattyúk esetében a gyakorlatban is alkalmazunk. Látható, hogy ennek a hatásfoka körülbelül az elméleti Carnot folyamatnak a harmada. A Peltier gépek különböző anyagok elektromos energia hatására fellépő hőmérséklet gradiens kialakulását hasznosítják hűtésre és fűtésre egyaránt, de hatásfokuk a hőszivattyúé alatt marad. Az elektromos fűtés hatásfokát tekintjük a konstans 1 nek, mivel ehhez viszonyítjuk az összes többi rendszert. Miért jó a hőszivattyú? A hőszivattyú kevesebb energiát (elektromos áram) használ, mint amennyit lead (hő). A kinyert hőenergia és a befektetett elektromos energia arányszámát teljesítmény tényezőnek (COP Coefficient Of Performance) nevezzük, amely a hőszivattyú legfontosabb jellemzője. Ebben az értelemben a hőszivattyú hatásfoka nagyobb, mint 100% (általában % lehet). Mire használható a hőszivattyú? A különböző hőszivattyús rendszerek használhatók fűtésre és/vagy hűtésre, meleg víz előállításra háztartási, ipari és mezőgazdasági méretekben egyaránt. Mi szükséges a hőszivattyú működéséhez? A hőszivattyúval működő rendszert három részre oszthatjuk: 1. Hőnyerő közeg (hőforrás) 2. A hőszivattyú és a hozzá kapcsolódó hőcserélők, amelyeken keresztül a hőátadó közeg és víz áramlik 3. A hűtési, fűtési hálózat A hőnyerő közeg lehet levegő, víz vagy föld. A hőnyerő közegtől egy "külső hőcserélő" szállítja a hőenergiát közvetlenül a hőszivattyúba a hőcserélő folyadék segítségével. Előnyös, ha a hőmérséklet különbség a hőnyerő közeg és a hőcserélő folyadék, a hőcserélő folyadék és a hőátadó oldal hőmérséklete között állandó. Ez egyes hőszivattyú fajtáknál nem kivitelezhető. Az elosztó hálózat a hőszivattyú után lehet a fűtési, használati meleg víz rendszer vagy egyes hőszivattyú típusoknál a hűtési rendszer. Fűtés esetén a legoptimálisabb működést a korszerű alacsony hőmérsékletű fűtési módozatoknál érhetjük el, mint például a fal, mennyezet, szegély vagy padlófűtés. A hőszivattyú megújuló energiaforrást használ? Igen a hőszivattyú megújuló energiahasznosítási eszköz. A legtöbb hőszivattyú közvetve a napenergiát hasznosítja. A hőnyerő közeg a levegő, talaj, víz esetén tárolja a nap sugárzását, amit a hőszivattyú hasznosít. A földszondás hőszivattyúk egyes fajtái alkalmasak a geotermikus energia hasznosítására.

5 Mik a különböző energia forrásai a hőszivattyúnak? A hőszivattyú hőforrása legtöbbször a közvetett napenergia a levegőből, vízből vagy földből. Ezenkívül lehet hőnyerő közeg bármilyen "maradék" hőenergia például ipari folyamatokból. A levegő víz (levegő: hőnyerő közeg, víz: hőátadó közeg) hőszivattyúknál a külső levegő hőmérsékletét hűtjük le a hőszivattyú hőcserélőjén átáramoltatva. A hőmérséklet különbséget felhasználva elpárologtatjuk a hőcserélő folyadékot a hőszivattyúban. A kompresszálás után a kondenzátoron lecsapódik a közeg és átadja hőjét a víznek, ami már a felhasználó rendelkezésére áll. A víz víz hőszivattyúk esetén a talajvíz, közeli folyó, tó vizét hűtjük le néhány fokkal átáramoltatva a hőcserélőn. A föld víz hőszivattyúk lehetnek földkollektoros vagy szondás kialakításúak. A földkollektoros föld víz hőszivattyúk egy kb m mélyre fektetett nagy felületű (2 2.5 x a fűtött terület) csőkígyón áramoltatják a hőcserélő folyadékot, így hasznosítva a föld hőjét. A szondás kivitel kb m mély lyukakba helyezett KPE csövekből áll. Mik az előnyei a hőszivattyúnak? Energia hatékonyság: A hőszivattyúk energia hatékonyak, mivel a befektetett (kifizetett) energiánál (elektromos) több energiát (hő) termelnek. A szolgáltatott és befektetett energia arányát a COP teljesítmény tényezővel írjuk le. Környezetbarát: A hőszivattyúk megújuló és maradék, hulladék energiákat hasznosítanak a konvencionális fosszilis (olaj, gáz, szén) helyett. Megtérülés: Az üzemeltetési költsége a hőszivattyúnak alacsonyabb, mint a hagyományos fűtési hűtési módozatoknak. A kezdeti beruházási költség igaz magasabb, mint az egyéb konvencionális rendszereké, de a hosszú élettartamnak és a folyamatosan növekvő energia áraknak eredményeképp biztosan megtérül a hőszivattyús rendszer ára. Egyes típusok előnyei és hátrányai: Víz víz hőszivattyú: 1. legmagasabb COP: 5 7 (W10 10 C fokos vízhőmérsékleten mérve) 2. állandó COP biztosítása 3. passzív hűtés kialakításának lehetősége 4. nem szükséges alternatív fűtési rendszer 5. nagy mennyiségű vizet igényel 6. jelentős munkálatok, hosszú előkészítést igényel 7. kút elapadása esetén nem működik Föld víz hőszivattyú (szondás kivitel): 1. jó COP: (B0 0 C fokos talajhőmérsékleten mérve) 2. állandó COP vel működik 3. passzív hűtés kialakításának lehetősége 4. a jövőbeni működés teljesen biztosított 5. szinte bárhova telepíthető 6. nem szükséges alternatív fűtési rendszer 7. drága telepítés: fúrás 8. nagy földmunkát igényel

6 Föld víz hőszivattyú (földkollektoros kivitel): 1. jó COP: (B0 0 C fokos talajhőmérsékleten mérve) 2. állandó COP vel működik 3. passzív hűtés kialakításának lehetősége 4. a jövőbeni működés teljesen biztosított 5. nem szükséges alternatív fűtési rendszer 6. nagy földmunkát igényel 7. hűtheti a fák gyökerét (min 2m távolságot kell tartani) 8. nagy területet igényel (2 2.5 x a fűtött terület) Levegő víz hőszivattyú: 1. egyszerűen, olcsón telepíthető 2. nem igényel előkészítést 3. bárhova telepíthető 4. könnyen integrálható a meglévő fűtési rendszerbe 5. a föld és vizes hőszivattyúkhoz képest kisebb beruházást igényel 6. kül és beltéri típusok 7. alacsony COP: (A2 2 C fokos levegőn mérve) 8. hőmérséklet függő COP 9. alternatív fűtési rendszert igényel 10. beltéri kivitel esetén zajhatás (54 db) figyelembe vétele Mikor térül meg a hőszivattyú? Hőszivattyú alkalmazásával lehetőségünk van házunk teljes fűtésének ellátására. Átlagosan egy hőszivattyú COP értéke 3 6 között változik, ami azt jelenít, hogy a fűtéshez szükséges energiának 1/6 t 1/3 t kell befektetnünk elektromos áram formájában, a többit a hőszivattyú nyeri a forrásából. Ez azt jelenti, hogy máris olcsóbban fűtünk, mint vezetékes gáz esetén és ne felejtsük el, hogy a gáz árak növekedése napjainkban sokkal drasztikusabbak, mint az elektromos áram árának növekedése. A hőszivattyú gazdaságosan és gyorsan tudja biztosítani a használati meleg víz ellátását is. Alkalmas hőszivattyú típus választása esetén, házunk hűtését is megoldhatjuk a legmelegebb napokon is, lényegesen olcsóbban, mint bármilyen klíma készülékkel. Az általunk forgalmazott hőszivattyúk, mind hosszú fejlesztések eredményei. Egytől egyig jó minőségű alkatrészekből állnak, melyek garantálják a minimum 40 éves élettartamot, amely időtartam alatt a hőszivattyú sokszorosan visszatermeli az árát a felhasználónak. Van valamilyen akadálya a hőszivattyúk alkalmazásának? A föld víz hőszivattyúk a nagy helyigény és a nagy földmunkálatok miatt nem javasoltak már berendezett vagy kisebb kertek esetén. Bár a munkálatok befejeztével semmi látható nyoma nem marad a hőszivattyús rendszernek. Levegős hőszivattyúk esetén nagyon fontos az elhelyezése a hőszivattyúnak, a megfelelő légáramlat biztosítása végett. A hőnyerő közeg (hőforrás) és a fűtendő tér közötti nagy hőmérséklet különbség lecsökkenti a működési hatásfokot. A legoptimálisabb működés a két közeg közötti kis hőmérséklet különbség mellett érhető el.