A cikksorozat második részében a szerző alkalmazási és kiválasztási szempontokat, energetikai tudnivalókat, új illetve meglévő fűtési/hűtési hálózatokhoz való illesztéseket, valamint szabályozás-vezérlési lehetőségeket ismertet.
Alkalmazás
A levegő-víz hőszivattyúk használatának kérdései több szempontból is fontosak. Általánosságban ezen berendezések üzemeltetése akkor igazán gazdaságos, ha a fűtővíz hőmérséklete alacsony tartományban van (28–35 °C). Ez azt jelenti, hogy alkalmazásuk felületfűtési rendszereknél előnyös, de természetesen telepíthető magasabb hőmérsékletű rendszereknél is (ha radiátor hőleadó: 55–60 °C, ha klímakonvektor (fan-coil): 40–50 °C). A berendezés lényeges jellemzője az alkalmazási tartomány. Tervezői feladat adott külső (hőmérséklet, páratartalom) és belső légállapot (hőmérséklet) alapján a megfelelő készülék kiválasztása. Az alábbi 1. ábra egy példa, amely a levegő-víz hőszivattyú alkalmazási tartományát mutatja, mind fűtési, mind hűtési üzemmód szerint. Látható, hogy a hőszivattyú a magyarországi klimatikus viszonyokat kielégíti. Ez a legtöbb gyártó esetében teljesül, és így tervezési paraméterek tekintetében (pl. külső hőmérséklet) megfelelnek a hőszivattyúk.
Az alkalmazási tartomány segítségével a hőszivattyú szükséges fűtési teljesítményigényét tudjuk meghatározni a méretezési pontban. Azonban ez az igény a fűtési szezon elenyésző részében jelentkezik, és a kérdés a továbbiakban a berendezés teljesítményigazítása, szabályozása a külső hőmérséklet szerint. Ezt később részletesen tárgyaljuk.
A hőszivattyú beépítése fűtési és hűtési rendszerekben a következők szerint alakulhat.
Fűtés:
- központi fűtési hálózatok hőleadók szerint: felületfűtés (padló, fal, mennyezet), radiátor, klímakonvektor fan-coil,
- HMV-termelés: indirekt tárolós, hőcserélő plusz tároló, előzőek napkollektoros kiegészítéssel,
- kisebb teljesítményigényű légkezelő berendezések fűtő hőcserélője.
Hűtés: padlóhűtés nem javasolt.
- Felülethűtés: mennyezet, fal,
- klímakonvektor fan-coil,
- légkezelő hőcserélője.
Alkalmazás fűtési rendszerek szerint
Kiválasztási elvek: komfortfeltételek és energiahatékonyság
A komfort a legfontosabb szempont, amit biztosítani kell: fűtés esetében az előírt belső hőmérsékletet. Természetesen a komfortérzetet más paraméterek is befolyásolják (páratartalom, légmozgás, öltözet stb.), de ezeket a berendezés nem kezeli. A méretezési állapot a maximális teljesítményigényt fejezi ki, és lényeges kérdés hogyan működik a hőszivattyú az egész fűtési idényben. A leadott fűtési teljesítmény függ a külső hőmérséklettől, valamint a hőleadás hőmérsékletszintjétől (előremenő/visszatérő). A 2. számú elvi ábra mutatja a kapcsolatot a leadott, illetve igényelt teljesítmény között adott előremenő hőmérsékleten. A készülék tulajdonképpen hűtő berendezés, és az a külső hőmérséklet csökkenésével kisebb teljesítményt képes leadni. Vannak olyan esetek, amikor kétfokozatú hőszivattyú esetében közbenső hűtő beépítésével a leadott teljesítmény közel állandó, akár -15 °C-ig, 35 °C előremenő vízhőmérséklet mellett. A méretezési pont régiónként változhat -10 °C és -20 °C között hazánkban. A gyártói adatok a berendezések névleges teljesítményét adják meg, ami a méretezési állapottól eltérő. A névleges teljesítmény értéke 7 °C külső hőmérséklet és 20 °C belső hőmérséklet mellett értendő, adott előremenő vízhőmérsékletek mellett. A kiválasztás történhet többféleképpen, aszerint, hogy csak a hőszivattyút alkalmazzuk vagy hidegebb időszakban egyéb kiegészítő hőtermelőt is. A bivalenciapont azt mutatja, hogy a berendezésünk addig képes fedezni a fűtési igényt, azt követően pedig egyéb hőtermelői igény lép fel, ami lehet elektromos (beépített) vagy gáz-, pellet-, fa-, gáztüzelésű kazán.
További teljesítménycsökkenés lép fel fűtés esetén -5 és +5 °C külső hőmérsékleti tartományban, mert a kültéri egység hőcserélő felületi hőmérséklete 0 °C alá csökken, ami dérkiválást (jegesedés) okoz. A jég több gondot okoz, elsősorban hőszigetelő hatású, valamint a bordás hőcserélő járatai közötti keresztmetszetet is csökkenti, ezáltal a hőátvitelt lerontja. Tehát a dér eltávolításáról gondoskodni szükséges. A hűtőkörfolyamat megfordításával – üzemmódváltással –, fűtés helyett hűtési módba kapcsolással a kültéri apróbordás hőcserélő kondenzátorként üzemel, ami biztosítja a leolvasztást. A gyártók a hőszivattyú szabályozási/vezérlési logikájával gondoskodnak az automatikus leolvasztásról.
Utalva a 2. ábrára, a 3. ábrán különböző megoldások szerepelnek a kiegészítő hőtermelő alkalmazására. 3.a: csak hőszivattyús üzem, 3.b: hőszivattyús és kazános üzem felváltva, 3.c: hőszivattyús és kazános üzem párhuzamosan.
Léteznek még a magas hőmérsékletű kivitellel készült hőszivattyúk is, ahol a két hűtőkörös fűtő berendezés R410A és R134a hűtőközeggel üzemel. Ez ugyan ritkábban értékesített készülék, de ha például 75–85 °C vízre van szükség, akkor előnyösebben alkalmazható, mint a tisztán elektromos fűtőbetét vagy kiegészítő gázkazán. Fajlagos fűtési foka (COP-értéke) jóval alacsonyabb az egy hűtőkörös típusoknál, és csak fűtésre használhatók.
Energetikai kérdések
A berendezés energetikai hatékonyságát többféleképpen adhatjuk meg. A legjobban ismert és alkalmazott tényező a fajlagos fűtési fok: COP, ami egy viszonyt fejez ki a leadott fűtési teljesítmény és felhasznált villamos teljesítmény között. A COP viszont csak korlátozottan alkalmazható energetikai értékelésre a teljes fűtési idényben, mivel függ a külső hőmérséklettől, az előremenő víz hőmérsékletétől, a berendezés egyéb jellemzőitől (hűtőkör, vezérlés). A 4. ábra mutatja egy adott készülék teljesítmény- és COP-változását a külső hőmérséklet függvényében.
Ahhoz, hogy teljesebb képet kapjunk a szezonális hatékonyságról, és összehasonlítható legyen a hőszivattyú más hőtermelőkkel, egy hatásfok jellegű paraméterre lenne szükség. Első lépésként meghatározandó a teljes fűtési idényre vonatkozó COP, ami már energiaértékre (fűtés, villamos betáplálás) vonatkozik, jele: SCOP. Ennek értéke meteorológiai adatoktól és attól függ, hogy mi a tartandó belső hőmérséklet, a határhőmérséklet (épület, belső hőtermelés, hőnyereség) és a méretezési külső hőmérséklet. Általában a belső hőmérséklet +20 °C, a fűtési idény tartománya pedig +12 (határ) és -13 °C (méretezési) hőmérséklet között értelmezhető, de ez régió szerint változhat.
A mai modernebb gyártmányok SCOP-értéke hazánkban eléri a 4,25–4,5 értéket. Az SCOP egy súlyozott átlag, kifejezi az adott berendezés szezonban leadott összes fűtési energia és az üzemeltetéshez szükséges összes villamos energia viszonyát.
Hogyan tudjuk összehasonlítani egy hőszivattyú, illetve például egy gázkazán energetikai hatékonyságát? A kazán esetében annak éves hatásfoka jellemezi a hatékonyságot (pl. 0,94), de ez nehezen összehasonlítható az SCOP-értékével (4,25). Az elektromos energiával üzemelő hőszivattyú SCOP-értéke a vételezési helytől vett energiát veszi figyelembe, ami a hatásfok-értelmezésben hamis lehet. A villamos energia, míg a vételezési helyhez jut, addig sok veszteséget szenved. Figyelembe kell vennünk a termelés (erőmű), az elosztás (transzformátorállomások) és a hálózat veszteségeit. A teljes veszteség amíg a felhasználási helyhez érkezik, elérheti a 60-70%-ot. A veszteség mértéke függ az energiatermelési mixtől és a fosszilis/vízi/nukleáris erőművi összetételtől országonként. Hatásfok jellegű paramétert az SCOP esetében az elektromosenergia-átvitel hatékonyságának figyelembevételével lehet számítani. Tehát a hőszivattyú hatásfoka az SCOP és a villamosenergia-transzport hatásfokának szorzata. Hőszivattyú szezonális hatásfoka: , (
: szezonális hatásfok,
: villamos ellátás hatásfoka). A villamos ellátás hatásfoka a primer energia átalakítási tényező 2,5 reciproka (
). A szezonális hatásfok meghaladja a 100%-ot, ami nem jelent perpetuum mobilét, mivel a villamos komponensek (kompresszor, ventilátor) az energiatranszportban vesznek részt a hűtőkör folyamatában, a lényeges rész a környezetből érkezik (75-80%). Egyéb elektromos energiafogyasztást is figyelembe vesznek: készenlét, üzemszünet, elektromos fűtőbetét. A minősítést, illetve a gyártói műszaki adatok valódiságát biztosítják az európai minősítő szervezetek: az EUROVENT vagy a KEYMARK. A berendezések beépítésének szükséges feltétele a CE-tanúsítvány és az ECO Design direktíva szerinti megfelelőség! Az 5. ábra mutatja az energiaosztályokat SCOP –
szerint.
A minősítő szervezetek honlapjairól letölthető információk között találhatók a zajadatok (egyenértékű hangnyomásszint), ami a beépítésnél lényeges. A tervező a fenti adatokat és jellemzőket a kiválasztott hőszivattyú műszaki leírásában megkapja. A 6. ábra szerinti energiacímke kötelező, és a szerelésnél azt rögzíteni kell a készülékházra.
Lényeges szempont lehet, hogy a készülék hűtésre is alkalmas, ami a teljes évre vonatkozó fajlagos energiafokot tovább növeli, és az elérheti akár a 8-as értéket is.
Illesztés, szabályozás
Amennyiben új beruházás keretében alkalmazunk hőszivattyút, úgy a legelőnyösebben a felületfűtési rendszerek alkalmazhatók. Hőszivattyúk magasabb előremenő hőmérsékletre (radiátor, fan-coil) is betervezhetők, nem elfelejtve, hogy kedvezőtlenebb hatékonysággal fog üzemelni, ami energiaköltség-többletben jelentkezik. A hőszivattyú illesztése új, illetve meglévő fűtési rendszerhez is gondos előkészítést igényel. Ha mono kivitelt építenek be, akkor gyakran alkalmazzák fagyálló és víz keverékét. Ilyenkor ajánlatos leválasztani a fagyállókeverék- és a központifűtés-kört, mondhatnánk a primer és szekunder hálózatot. A leválasztás forrasztott lemezes hőcserélő beépítésével lehetséges, nem elfelejtve, hogy az áramlási és hőátadási viszonyok a primer körben eltérőek a szekunder hálózat tisztavíz-töltetétől. A hőszivattyúkat ellátják zárt tágulási tartállyal, ami egy adott központi fűtési víztöltetet jelent, és azt a gyártók a műszaki leírásban feltüntetik. Az esetleg szükséges zárt tágulási tartály bővítésére ügyelni kell, amire a cikksorozat 3. részében részletesebben kitérek majd. Mint már említettem, nemcsak fűtésre és hűtésre alkalmasak a berendezések, hanem HMV előállítására is. A HMV-termelés történhet indirekt tárolóval, illetve lemezes hőcserélő + tároló alkalmazásával. Az időszakos (heti egyszeri) fertőtlenítés magasabb hőmérsékletű fűtővizet igényel (70–75 °C), amit a készülék elektromos fűtőbetét segítségével érhet el. A betétek beépített kivitelűek, és külön a tárolóba is szerelhetők. A fertőtlenítés időzítését és vezérlését a hőszivattyú központi vezérlő áramköre lekezeli. További lényeges elemek a hidraulikai váltó és/vagy fűtési tároló, amely nemcsak hidraulikai leválasztást tesz lehetővé, hanem biztonságot nyújt a hűtőközegvíz hőcserélő fagyásvédelmére. A hőszivattyú leolvasztás alatt hűtési üzembe kapcsol, ami a nem megfelelő víztöltet, illetve áramlás miatt okozhatja a hőcserélő egyes járataiban jégdugó képződését, majd üzemmódváltást követően repedést. Ekkor a hűtőközeg és a víz elválasztása megszűnik, és komoly károsodás léphet fel a kompresszornál (hűtőközeg és víz keveredése, korróziós hatás, zárlat, olajozási gondok). Gyakran előfordul a bivalens üzem, például meglévő gázkazán együttes üzemével, ezt a készülék beépített vezérlése intézheti (külső hőmérséklet szerinti ki-be kapcsolással). A vezérlés kezelőpanelen történik, ami általában érintőképernyős kivitelű. Erről lehet indítani, leállítani, hőmérsékletet állítani (belső vagy előremenő vízhőmérséklet), időjáráskövető automatikus üzem, HMV-termelés, szekunder köri keringtető szivattyú indítása, termosztát alkalmazása, időprogramozás (menetrend). A lista nem teljes, és gyártók szerint különböző lehet. Vannak olyan vezérlőpanelek, amelyek a berendezés üzemi paramétereit is képesek megjeleníteni, ezzel segítve a szervizt végző szakember munkáját. Saját gyártói központi vezérlő is alkalmazható például csoportvezérlésre, időzítésre, vészleállás aktiválására. Lehetőség van épületfelügyeleti rendszerhez való csatlakozásra (MODBUS, KNX, LONWORK, BACNET), ezzel a hőtermelő beillesztésére egy teljes felügyeleti rendszerbe.
Összefoglalás
A levegő-víz hőszivattyúk beépíthetők új, illetve meglévő központifűtés-hálózatokhoz, gondos épületgépészeti tervezői tevékenység igénybevételével. A beépítés lehet mono (csak hőszivattyú), illetve bivalens kivitelű. A hőszivattyúk alkalmasak nemcsak fűtésre, hanem HMV előállítására is a beépített vezérlési logika alapján. Energetikai jellemzőik, a COP, az SCOP és a minőségi paraméterek segítenek a beruházói döntésben. Minősítésük akkreditált európai intézetek (EUROVENT, KEYMARK) értékelése alapján rendelkezésre áll. Gazdaságosságuk összeköthető SCOP-értékükkel, erről a későbbiekben érdemes lesz részletesebben tárgyalni. A következő, 3. részben a beépítési, beüzemelési, üzemeltetési, diagnosztikai és szervizkérdéseket tárgyaljuk részletesebben.
Gáti György
okleveles gépészmérnök
