Vitathatatlan, hogy a hőszivattyú rendkívül fontos szerepet fog betölteni a jövő fűtéstechnikájában. Jelen szakcikk szerzője cikksorozatában márkasemleges módon az elektromos üzemű kompresszoros hőszivattyúkat tárgyalja meg. Az első részben ezek felépítéséről, működési alapelvéről, környezetvédelmi jellemzőiről és hűtőközegeiről lesz szó. A második rész alkalmazási és kiválasztási szempontokat, energetikai tudnivalókat, új, illetve meglévő fűtési/hűtési hálózatokhoz való illesztéseket, valamint szabályozás-vezérlési lehetőségeket ismertet majd. A harmadik részben pedig beépítési, beüzemelési, üzemeltetési és szervizkérdések megtárgyalására kerül sor.
A levegő mint hőforrás
A levegő-víz hőszivattyú a levegő hőforrását hasznosítja a fűtési hőszükséglet fedezésére. Természetesen alkalmazható hűtési feladatok ellátására is, a későbbiekben részletezett módokon. A cikkben tárgyalt hőszivattyú tulajdonképpen egy kompresszoros hűtőberendezés, amelynek attól függően, hogy melyik hőcseréjét hasznosítjuk, beszélhetünk fűtésről (kondenzátoroldal) vagy hűtésről (elpárologtató oldal).
A levegő mint hőforrás mondhatni korlátlanul áll rendelkezésre, és a mai műszaki megoldásoknak és hűtőközegeknek köszönhetően nem jelent akadályt a hőszivattyúk alacsonyabb külső hőmérséklet melletti üzemeltetése.
A működést befolyásoló levegő-hőmérséklet alakulását az 1. ábra mutatja.
1. ábra – A külső levegő átlagos havi középhőmérsékletének és napi hőmérsékletének alakulása egy fűtési napon (Forrás: OMSZ)
A jelenleg elérhető hőszivattyúk fűtésben -20-tól -25 °C-ig, illetve hűtésben akár +40 °C külső hőmérsékletig megbízhatóan üzemelnek. Értékelésük nem a határhőmérsékleteken mutatott energetikai paraméterek alapján történik, mivel ezek előfordulása szezonálisan elenyésző (részletezve később).
A levegő-víz hőszivattyúk felépítése
Osztott (split) vagy mono típusú berendezést különböztetünk meg. Mindkét típus használható fűtéshez, hűtéshez és használati meleg víz előállítására is.
Osztott típus
Leginkább az oldalfali mono splitnek nevezett direkt elpárologtatós lakás hűtő-fűtő berendezéseihez hasonló. Egy kültéri és egy beltéri egységből áll, amelyeket a hűtőközeg-csőhálózat és természetesen a vezérléshez szükséges vezetékhálózat köt össze. A beltéri egység tulajdonképen egy hidraulikus blokk, amely a fűtési hálózathoz csatlakozik saját keringtető szivattyúval, fűtéshez és hűtéshez alkalmazható vezérlési lehetőséggel.
Mono típus (minden egyben)
Tulajdonképpen a külső térben elhelyezett berendezés tartalmazza a kültéri és beltéri egységet egy egységben. Mivel a hidraulikai modul (beltéri egység) csatlakozik a központi fűtési hálózathoz, ezért fagyás veszély miatt ezt a szakaszt ajánlatos víz-fagyálló keverékkel feltölteni.
Működési alapelv
A levegős hőszivattyúk a környezeti levegőből (alacsony hőmérséklet) nyerik a szükséges hőmennyiség jelentős részét, és emelik át azt magasabb hőmérsékletszintre, a fűtési hőcserélő hőmérsékletére, ahonnan víz hőhordozó segítségével biztosítják a fűtési hőigényt. A 2. ábra az elvi energiafolyam ábráját mutatja. Az ábrán Egép a kompresszorba bevitt villamos energiát, ERES a környezetből elvont hőenergiát, QHSZ pedig a hőszivattyú hőleadását jelenti. Látható, hogy a befektetett villamos energia (teljesítmény) ugyan részt vesz a hőigény fedezésében, de a fő összetevő a levegő hőtartalma.
Kissé szemléletesebben a következő ábrák mutatják a megvalósítási hűtőkörfolyamatokat.
R410A hűtőközeggel megvalósított tényleges hűtőkörfolyamatra a logp-hdiagramon (3. ábra) egy példa látható a hűtőköri kapcsolással. Amennyiben a külső hőmérséklet -15 °C körüli, úgy a COP alacsony, és a nyomócső-hőmérséklet magas értéket vesz fel, ami a berendezés megfelelő üzemét veszélyeztetheti (kompresszorhiba, olajozási gondok). Az alacsony COP a nem gyakori előfordulás miatt energetikailag a fűtési szezonban nem jelent gondot.
3. ábra – Egyfokozatú kompresszoros hűtőkörfolyamat logp-h diagramja és hűtőköri kapcsolása
A zordabb, hidegebb klimatikus viszonyok mellett biztonságosan alkalmazható a két kompressziófokozatú berendezés, amelynek logp-h diagramját a 4. ábra mutatja. Ennek működése biztonságos extrém alacsony külső hőmérsékletek mellett is. A COP továbbra is alacsony, de a nyomócső (gáztúlhevítési) hőmérséklet jóval alacsonyabb az egyfokozatúval összehasonlítva, az üzemeltetése biztonságosabb.
4. ábra – Kétfokozatú kompressziós hűtőkörfolyamat logp-h diagramja, hűtőköri kapcsolással
A logp-h ábrák tartalmazzák az üzemi körülményeket, elpárolgási nyomás és hőmérséklet, kondenzációs nyomás és hőmérsékletet, továbbá gáztúlhevítési (nyomócső), elpárolgási túlhevítési, kondenzátoroldali utóhűtési paramétereket. Az ábra azonban csalóka lehet, mert fajlagos értékkel kalkulálja az entalpiát (kJ/kg), ami egy jó indikátor, de a tényleges teljesítményértékeket és üzemet egyéb szempontok is befolyásolják. A COP energetikai jellemzőkénti ismertetésére a 2. részben kerül sor.
Környezetvédelem
A környezetvédelemmel kapcsolatos feltételek a következők:
- Ózonbontó hatás (ODP): 0 kell legyen.
- A globális felmelegedési potenciál (GWP): lehetőleg alacsony értékű legyen.
- Biztonsági előírások: ne legyen tűz- és robbanásveszélyes szivárgás esetén.
- Balesetvédelem: egészségkárosítás – ne legyen mérgező!
A környezetvédelemmel kapcsolatos szabályozás a következő harmonizált EU-s rendeletek szerint: 842/2006/EU, 517/2014/EU.
A már ismertetettek szerint a hőszivattyúk e csoportja tulajdonképpen hűtőberendezés, amelyek hűtőközeggel üzemelnek. A hűtőközegek előnyös termodinamikai, áramlási tulajdonságaiknak köszönhetően alkalmazhatók. (Alacsony fagyásfont, kezelhető kondenzációs és elpárolgási nyomások, stabilitás az alkalmazási tartományokon belül (hőmérséklet), kedvező hőátadás, hővezetés, viszkozitás, volumetrikus hűtőteljesítmény.)
Egy hasznos jellemző, a TEWI, amely a teljes egyenértékű (élettartamra vonatkozó) üvegházhatást jelenti. Ez beruházások elbírálásánál fontos szempont. Lényege a berendezés élettartam alatti környezeti hatása. Számítása közvetlen részből: szivárgás, szerviztevékenység, illetve közvetett részből: a működtető elektromos energiatermelésből adódó hatás. Érdekes, hogy a közvetett és közvetlen részarány: 94% – 6%. Ez azt sugallja, hogy a közvetett rész csökkentése lehet a megoldás. A közvetlen rész csökkentésének módja többé-kevésbé már biztosított (modern szerelési anyagok, szereléstechnológia, időszakos szivárgás-ellenőrzés, karbantartás), ez jóval kisebb részarányt jelent. A nagyobb rész (közvetett: > 90%) függ a villamosenergia-termelési mixtől (fosszilis, nukleáris, víz, termál stb.), amit nem tudunk megváltoztatni, de a berendezés hatásfokának növelésével, üzemeltetési jellemzőivel ezen javíthatunk.
Hűtőközegek
A hűtőközegek csoportosítása a kémiai összetételük szerint történik. Fluortartalmú hűtőközegek: HCFC (pl. R22), HFC (pl. R32), HFC blend (pl. R410A) és HFO. Természetes hűtőközegek például az R717(ammónia), R744 (szén-dioxid), R290 (propán). A fentiek mellett egyéb közegek is léteznek, de a leggyakrabban használatosak az alábbiak.
R410A: keverék, R32 50% és R125 50% összetételben. Az R125 összetevő a tűzbiztonság miatt fontos. Nem mérgező hűtőközeg, ODP=0, kedvező termodinamikai tulajdonságokkal rendelkezik, nagy a volumetrikus hűtőteljesítménnyel. Az R22 helyett használható, ami igen jó tulajdonságokkal rendelkezett, de környezetvédelmi okokból kivezetésre került. Az R410A jó volumetrikus hűtőteljesítménye előnyösen érintette a gyártási költségek (kompresszor mérete, csőátmérők) csökkentését. Az R22-höz képest volumetrikus hűtőteljesítménye adott paraméterek mellett akár ~40%-kal magasabb. Ugyan a kondenzációs és elpárolgási nyomása is magasabb (adott hőmérsékleten), de ez nem jelent gondot a jelenleg használatos szerkezeti anyagoknál. Nem mérgező, dea levegőnél nagyobb sűrűsége miatt a padlószinttől telítődik a helyiségben, ami bizonyos koncentráció felett fulladást okozhat, hasonlóan a bor erjedésénél zárt térben keletkező szén-dioxid gázhoz. GWP=2088, ami magasnak mondható érték, és amit az EU szeretne lépcsőzetesen kivezetni. A kvóta 2032-re a 2015-ös érték 21%-a lehet. Ózonkárosító hatása ODP=0, tűz- és robbanásveszélyessége ugyancsak nulla.
5. ábra – Az R410A kvóta az EU-ban 2015–2032 között
| év | rendelkezésre álló mennyiség |
| 2015 | 100% |
| 2016-17 | 93% |
| 2018-20 | 63% |
| 2021-23 | 45% |
| 2024-26 | 31% |
| 2027-29 | 24% |
| 2030 | 21% |
A biztonság szempontjából a rendszer hűtőközeg-tartalma a teljes mennyiség szivárgása esetén a zárt térbeni koncentráció kevesebb mint 0,44 kg/m3 legyen!
R32: egyalkotós hűtőközeg, difluormetán, kémiai képlete CH2F2. Előnyösebben alkalmazható, mint az R410A, sokban hasonló tulajdonságokkal rendelkezik. Az éghetőség miatt használata, szerelése és szervizelése azonban szigorúbb. Ózonkárosító hatása ODP=0, mérgező hatása ugyancsak nulla. A tűz- és robbanásveszélyesség szempontjából korlátozottan éghető. Biztonsági kódja: A2L. Az R410A-val összehasonlítva a gőz túlhevítési hőmérsékletét kivéve az R32 kedvezőbb értékeket mutat a volumetrikus hűtőteljesítmény, a COP-érték és a hűtőközeg tömegáramának vonatkozásában. Az R32 GWP-értéke 675, tehát jóval kisebb, mint az R410A esetében. Fajtérfogata kisebb, viszkozitása alacsonyabb, súrlódási nyomásvesztesége: folyadék -10%, gőz -25%. A kisebb móltömege pedig kisebb szivárgási arányt eredményez.
A fentiek szerint az R32 előnyösebben alkalmazható, de a szerelésnél és szerviztevékenységeknél fokozottabb figyelmet igényel, különös tekintettel a zárt térben történő munkavégzésre.
Összefoglalás
A levegő-víz hőszivattyúk tulajdonképpen hűtőberendezések, amelyek alkalmazhatók hűtésre és fűtésre is. Az egyszerűen elérhető, korlátlan hőforrásnak köszönhetően gazdaságosan és előnyösen illeszthető épületek fűtési rendszereihez, továbbá használati meleg víz termelésére is. Felépítésük osztott vagy mono. Környezetvédelmi előírásokat kielégítve üzemelnek. A hűtőközegekre vonatkozó biztonsági és balesetvédelmi feltételek melletti működésük biztosítható a megfelelő műszaki ismeretekkel rendelkező szakemberekkel. A következő részekben a megvalósíthatóság, az alkalmazás, az üzemeltetés és a szerviz kérdéseit taglalom.
Gáti György
okleveles gépészmérnök
Gáti György 1978-ban, a Budapesti Műszaki Egyetem Gépészmérnöki Karán szerzett okleveles épületgépész mérnöki diplomát. 1987-ben ugyanott megszerezte a hűtéstechnikai szakmérnöki képesítést is. Hosszú pályája során volt tervező (KOGÉPTERV), építésvezető (Angyalföld Építőipari Üzletág), üzemeltetési főgépész és műszaki vezető (Dunakeszi Hűtőház, Budapest Sportcsarnok), szervizmenedzser (Fővárosi Ásványvíz és Üdítőipari Vállalat), továbbá értékesítő és szaktanácsadó szakember (Equinox Kft., LG Magyar Kft.). Tagja a Magyar Mérnöki Kamarának, tervezői, szakértői és felelős műszaki vezetői jogosultságokkal rendelkezik.
