Lehetséges helyettesítő hűtőközegek
Mit kell tudni a szén-dioxidos hőszivattyúk jellemzőiről, és mire kell figyelni azok HMV-termelési és fűtési célú alkalmazásánál?
Az F-gáz rendelet szigorításai kihúzták a talajt a hőszivattyúgyártók lába alól, új technológiák felé kellett fordulni. Hosszú távú megoldásként a környezetvédelmi irányelvek kizárólag természetes hűtőközegek alkalmazását fogják engedélyezni, amihez a gyártóknak technológiai fejlesztésre, a gépésztervezőknek pedig a fűtési rendszerek újragondolására lesz szüksége. Azzal kapcsolatban, hogy mikor melyik technológia lehet a befutó, szeretnék néhány gondolatot megosztani, illetve bemutatni egy olyan alternatívát, amely az eddig hőszivattyúval nem vagy nehezen megoldható igényekre nyújt megoldást.
Nem kétséges, hogy a természetes hőtűközegek közül a propán lesz a legelterjedtebb, különösen a lakossági szegmensben lesz egyeduralkodó. Itt a kihívás inkább a megfelelő szakemberháttér biztosítása lesz, hiszen a robbanásveszély eddig az üzemeltetők és szerviztechnikusok számára ismeretlen veszélyforrás volt, amire fel kell őket készíteni. Az enyhén gyúlékony (A2L kategóriájú) hűtőközegekkel üzemelő hőszivattyúk véleményem szerint kevés gyártónál fognak megjelenni, és ott is csak a nagy teljesítményű berendezések esetében, hiszen 2050-ig a teljes F-gáz-mentesítés a cél, azaz ez csak egy átmeneti technológia.
A propánon kívül természetes hűtőközeg még az ammónia és a CO2. Szándékosan veszem előre az ammóniát, hiszen működési jellegét tekintve a propánhoz hasonló. A hűtőkörfolyamat részeként a hőleadás során kondenzáció történik, ami állandó hőmérsékleten megy végbe. Ezért a kívánt vízhőmérséklet az egyedüli olyan vízoldali adat – leszámítva természetesen a szükséges teljesítmény értékét –, amire a berendezés kiválasztása, energetika számítása során egy tervezőnek szüksége van. Így a kívánt vízhőfok és a hőszivattyú kondenzációs hőmérséklete szorosan összefügg, mondhatni kéz a kézben jár. Az ammónia-hűtőközeggel működő hőszivattyúk várhatóan a nagy teljesítményű, ipari rendszerekben terjednek majd el, köszönhetően jó energetikai paramétereiknek, ami sajnos cserébe nagyobb beruházási és üzemeltetési költséggel párosul.
Harmadik lehetőség, amelyet egyben cikkem fókuszába helyezek, a CO2-töltetű hőszivattyúk jellegzetességei, illetve ezek helye a hőszivattyús piacon, mire alkalmazhatók jól, és mire kevésbé. Kissé rendhagyó módon álljon itt először a konklúzió, majd csak azt követően az alátámasztás:
A CO2-hőszivattyú nagy mennyiségű használati meleg víz előállítására a legideálisabb megoldás, fűtés esetén pedig – némi kötöttséggel – a magas hőmérsékletet igénylő (70-80 °C) alkalmazásokban tud jól teljesíteni.
Különböző hűtőközegekkel megvalósított körfolyamatok összehasonlítása
A megértéshez szükséges a hűtőkörfolyamatot némileg megismerni. Minden nem CO2-töltetű hőszivattyú – legyen az ammónia, propán vagy F-gáz – az imént említett módon, kondenzáció során adja át a hőenergiát a fűtővíz számára. Az igényelt vízhőmérséklet determinálja a kondenzációs hőmérsékletet, az pedig a kondenzációs nyomást. A hőcserélőbe belépő vízhőmérséklet nem befolyásolja a rendszer hatékonyságát, sem teljesítményét mindaddig, amíg a hőcserélőből kifolyó víz hőmérséklete a kívánt értékű. A CO2-hűtőközegnek azonban olyan alacsony a kritikus pontja – azaz az a legmagasabb hőmérséklet, amelyen a közeg még egyáltalán kondenzálható –, hogy az bizony alkalmatlanná teszi a hagyományos értelemben vett, kondenzáció útján történő, épületgépészeti célú hőszivattyúzásra. Ez a kritikus hőmérséklet 31 °C, kondenzálni csak ez alatti hőmérsékleten lehet. Azonban a kritikus pont feletti tartományban, az ún. szuperkritikus tartományban, bár kondenzációra nem, de hőátadásra ugyanúgy kényszeríthető a közeg, mely ez esetben nem állandó hőmérsékleten (mint a kondenzáció), hanem folyamatosan csökkenő hőmérsékleten valósul meg. A folyamatosan csökkenő hőmérsékletű CO2-közeggel szemben, a fűtővizet ellenáramú hőcserélőben áramoltatva egészen magas, akár 90 °C-os kilépő fűtővizet is kaphatunk, miközben a CO2-hűtőközeg folyamatosan visszahűl a kompresszorból kilépő 100-110 °C-ról a belépő vízhőmérséklet feletti értékig. És itt álljunk meg egy pillanatra, mert bejött egy új fogalom, amiről eddig egy szó sem esett, a belépő vízhőmérséklet! Mert egy CO2-közeggel üzemelő hőszivattyú teljesítménytényezőjére (COP) legnagyobb hatással éppen ez van, a belépő vízhőmérséklet. Ennek minél alacsonyabb értéken tartása a kulcs a jó hatékonysághoz, energetikához, fenntarthatósághoz, gazdasági megtérüléshez. A három hűtőkörfolyamat végletekig egyszerűsített folyamatát az 1. ábra szemlélteti.
Felül a hőcsere (piros vonallal a hűtőközeg, míg kékkel a fűtővíz), alul a log p-h diagram látható. A két ábra között sraffozott területtel jelöltem a leadott hőenergiát – zöld és a kompresszor által felvett, piros a befektetett villamos energia. A kettő hányadosa adja a hőszivattyú berendezés teljesítménytényezőjét, azaz a COP-értékét. Az itt feltüntetett értékek több gyártó átlagolt COP-értékei alapján lettek feliratozva, mivel minden berendezés hatékonyságát több műszaki jellemző is befolyásolja. Közös mindhárom ábrában, hogy +7 °C-os hőforrásból 60 °C-os víz előállítása a cél. Ami jól látszik a két CO2-hűtőközegű ábrán, hogy a hidegebb belépő vízhőmérséklettel (HMV-készítés során) a COP-érték emelkedik, nem is akármilyen mértékben.
HMV-termelés szén-dioxidos hőszivattyúval
Egy használati meleg víz előállítására optimalizált, CO2-közeggel működő levegő-víz hőszivattyú SCOP-, azaz egész éves COP-értéke kb. 4,2, ami kiemelkedően magas, miközben télen-nyáron 60 °C-os meleg vizet készít. Ennek feltétele, hogy a fűtési feladatot „átfolyó jelleggel” egy lépésben tudja elvégezni a hideg vízből a kívánt hőmérsékletre, melyet a 2. ábrán látható elvi kapcsolással, rétegtároló rendszerrel lehet megvalósítani. Fontos, hogy a tartályokban a keveredés minél kisebb mértékben történjen meg, ezért a geometriáját tekintve keskeny és magas tárolók sorba kapcsolása szükséges.
Egy ilyen technológia a 3. ábrán látható COP-értékek mellett képes használati meleg víz előállításra. Kék sávval a téli, pirossal a nyári állapotot, zölddel pedig az éves átlaghőmérsékletet, vagy épp egy épület nyári 12 °C-os hűtési visszatérő vízhőmérsékletének megfelelő üzemállapotot jelöltük. Mint hőforrás, egy 12 °C-os hűtési visszatérő látszólag rosszabb COP-értéket eredményez, mintha a legalább 20 °C-os környezeti hőforrásból merítené az energiát, de mivel ez esetben a hőszivattyú hideg oldalán is hasznos hőenergia kerül leadásra, a COP-érték a hőenergia összegének és a felvett villamos teljesítménynek lesz a hányadosa, ami így 6-9 közötti értéket vesz fel, függően a kívánt vízhőmérséklettől.
Fontos megjegyezni, hogy +20 °C felett a COP-érték már nem emelkedik tovább, hanem a 20 °C-os értéken állandósul. Víz-víz hőszivattyú esetében pedig a hőforrás hőmérséklete maximum 20 °C-os lehet, melyet vízoldalon kell gépészeti megoldással (visszakeveréssel) biztosítani.
Fűtés szén-dioxidos hőszivattyúval
Fűtési feladat esetén az irányelvek hasonlóak, azaz kiemelkedően fontos, hogy a fűtési rendszerből visszatérő víz hőmérséklete minél alacsonyabb legyen. Egy CO2-hűtőközegű hőszivattyú a hőleadói oldalon maximum 50 °C-os belépő víz fogadására képes, hogy abból akár 80-90 °C-os előremenő fűtővizet állítson elő. Egy meglévő épület 80/60 °C-os fűtési rendszeréhez azonnal ugyanilyen feltételekkel ezért egy CO2-hőszivattyú nem illeszthető. Felül kell vizsgálni több lehetőséget, amivel a 60 °C-os visszatérő, azaz a hőszivattyú belépő vízhőmérséklete csökkenthető. Az első legegyszerűbb és legkézenfekvőbb kérdés, hogy szükséges-e egyáltalán a 80 °C-os előremenő hőmérséklet. A meglévő magas hőmérsékletet gond nélkül előállító hőtermelők esetében (pl. gázkazán, távhő) nem feltétlenül volt szempont, hogy ezt az üzemi körülményt felülvizsgálják. Azonban egy CO2-hőszivattyú esetében ez nem is az előremenő, hanem az ahhoz párosuló visszatérő hőmérséklet miatt kritikus. A teljesítményt a hőmérséklet-különbség „szállítja”, így azonos tömegáram mellett egy 80/60 °C-os egyenértékű egy 70/50 °C-os rendszerrel, feltéve, hogy a hőleadók képesek ellátni a rendeltetésszerű feladatukat ezen a hőmérsékleten is.
Másodsorban meg kell vizsgálni minden fogyasztót, ill. fogyasztói ágat, hogy onnan a lehető legkisebb mértékben tudjon hőelvétel nélkül a fűtővíz visszafordulni, ezáltal felmelegítve a visszatérő víz hőmérsékletét. Tipikus példa erre egy légkezelő fűtő hőcserélője, mely előtt jellemzően bypasság és egy saját kevert fűtőkör van kialakítva.
A harmadik és egyben legkomplexebb teendő azt megvizsgálni, hogy amennyiben az épületben különböző hőmérsékletigényű fogyasztók vannak, pl. légkezelő, radiátoros fűtés, fan-coilok sőt akár felületfűtés is, az eltérő hőmérsékletű fogyasztókat ne minden esetben a hőszivattyú által előállított 70-80 °C-os előremenő fűtővizéből szolgáljuk ki kevert kört alkalmazva, hanem vizsgáljuk meg annak lehetőségét, hogy pl. a magas hőmérsékletet igénylő szellőzőgép visszatérő fűtővizéből az alacsony hőmérsékletet igénylő hőleadók előremenő igényei kielégíthetők-e. Ezzel a két eltérő hőmérséklet-igényű fogyasztót sorba kapcsolva tovább csökkenthető a CO2-hőszivattyú belépő vízhőmérséklete, ami a COP jelentős javulását idézi elő.
Sajnos vagy sem, a környezetvédelem jegyében megjelent F-gáz rendelet nem egyszerűsítette a gépészeti modernizálásban részt vevő tervezők, kivitelezők, szervizek dolgát. Mindezen szempontok mérlegelése komplex feladat, egyelőre nehezen tipizálható. Előbb-utóbb biztosan kialakulnak „ökölszabályok” és sztenderd kapcsolások, de addig is sok – főleg nagy – épület egyedi átgondolást kíván. Azonban amennyiben ez sikerül, úgy egy jelentős lépést tettünk a fenntartható és gazdaságos épületgépészet irányába.
Bakonyi Kornél
A szakcikkel kapcsolatban további információ a hmvhoszivattyu.hu oldalon.
Kiemelt kép: Canva / AI
