Hőszivattyúk

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 változzon. 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 mindíg 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 halmazállapotváltozás. 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 hőmérséklet különbség a kinyerés és a felhasználás között, annál jobb a hatásfok.

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

A levegő-levegő hőszivattyúnál 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, a mai levegő-levegő hőszivattyúk esetén kb. -5°C alatti hidegben nagyon rossz hatásfokkal működik.

A levegő-víz hőszivattyúnál szintén a külső hűvösebb levegőből vonjuk el a hőmennyiséget és azt egy melegvízzel működő belső fűtési rendszernek adjuk át. A tehetetlensége nagyobb, mint a levegő-levegő hőszivattyúnak, viszont a hátrány is megmarad, hogy kb. -5°C alatt nagyon rossz hatásfokkal működik.

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 a víz-víz hőszivattyúk működtethetők a leghatékonyabban és legkomfortosabban. (A légfűtés például hálószobában éjszaka nem feltétlenül előnyös!)

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.

Minden olyan helyen célszerű a víz-víz hőszivattyú használata, ahol a talajban tárolt napenergia vagy a geotermikus energia könnyen kiaknázható formában van jelen: például nagy tömegű élővíz, könnyen fúrható talaj kútnak vagy függőleges földszondának - geotermikus energia hasznosítása esetén nagy mélységű kútnak -, vagy könnyen megmunkálható talaj vízszintes talajkollektor elhelyezéséhez. Természetesen egy sziklás hegyoldalon mindezen feltételek nem teljesülhetnek, ott inkább levegő-levegő vagy levegő-víz hőszivattyú javasolt.

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!)

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, 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.

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 ma már 20-200m mélyek, akár elágazóak is lehetnek, és 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 talajhő kinyerésére. A fúrt lyukak mélysége és darabszáma a hőigénytől függ. 20m-nél mélyebb földszondák elhelyezéséhez a bányakapitányság engedélye szükséges. Bányák, barlangok közelében környezetvédelmi okokból nem feltétlenül kapható meg ez az engedély.

Vízszintes földszondák, úgynevezett talajkollektorok 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 2-3m. Kivitelezése olcsóbb a függőleges földszondás elrendezésnél. Ott célszerű alkalmazni, ahol nagy földterület áll rendelkezésre (még parkosítás előtt, vagy mezőgazdasági művelés miatt éppen parlagon hagyott terület). A talajkollektor egy-egy ágát úgy képzeljük el, mintha egy feltekert csőköteget harmonika-szerűen széthúznánk. A légtelenítésére különös gondot kell fordítani, hogy a telepített csőhosszról a kiszámított hőmennyiséget valóban be tudjuk gyűjteni!

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 kutak létesítéséhez a Környezetvédelmi és Vízügyi Felügyelőség engedélyét kell beszerezni.

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