A hőszivattyú napjaink egyik feltörekvő fűtési és hűtési megoldása, ami számos előnnyel rendelkezik. Azon túlmenően, hogy az egyik leggazdaságosabb fűtési és hűtési megoldás a hőszivattyú, különösen napelemmel párosítva, környezettudatosság szempontjából is a legjobb választás fűtés és használati melegvíz készítéséhez, mert kifejezetten energia takarékos. Joggal merül fel a kérdés, hogy akkor miért nem ezt használják minden újonnan épülő vagy most felújított lakásban, családi házban? Mi az a hőszivattyú? Számos kérdés van amire most megpróbálunk választ adni, de ehhez vissza kell menni a kályhához…

Mi a hőszivattyú?

A hőszivattyú olyan fűtő / hűtő berendezés, ami az egyik oldalról kivont hőt a másik oldalra szállítja, tehát a egyik irányba fűt, a másikba hűt. Azt is mondhatnánk, hogy a természetben „ingyen” elérhető energiát hasznosítja fűtésre, használati melegvíz előállításra és képes a lakás hűtésére is. Hűtés esetén, a hőszivattyú üzemmódját tekintve képes fordított üzemmódban is működni, ebben az állapotban nem fűteni fogja az otthonunkat hanem hűteni, mindezt úgy, hogy a fűtéscsövekben nem melegvizet keringtet hanem hideget. Megfordítva a körfolyamatot, a házból vonja el a hőt és vezeti a szabadba. A hőszivattyú működési elvét tekintve megegyezik a hűtőszekrény működési elvével.
A hőszivattyú többféle közegben lévő energiát is képes hasznosítani, ez lehet föld, talajvíz vagy levegő, az üzemeltetéshez szükséges elekromos energia előállítása ezektől függetlenül környezetbarát módon, károsanyag kibocsátás nélkül is történhet, pl. napelemek segítségével. A fűtéshez szükséges melegvíz vagy meleg levegő előállítására alacsony környezeti hőmérséklet (akár -20°C) esetén is képes a hőszivattyú, így a Magyarországi hőmérsékleti viszonyok között is kiválóan megállja a helyét: nem véletlen, hogy Svédországban is a legtöbb háztartás levegő – víz hőszívattyúval fűt.

A hőszivattyús rendszer működése

A hőszivattyú működési elve elsőre bonyolultnak tűnhet, mint a Michael Jackson féle Moonwalk, de ha a dolgok mögé nézünk akkor láthatjuk, hogy nem is annyira bonyolult.

Adódik a kérdés, hogy milyen módon lehet a kinti hidegebb levegőből az otthonunkat fűteni úgy, hogy a hőmérséklet különbség akár 30-32°C is lehet a kinti (-10°C) és az elérni kívánt benti (22°C) hőmérséklet között.

Hőszivattyús fűtés működési elve:

Egy kis fizika

• A természetes hőátadás mindig a melegebb közeg (pl.: levegő, víz, gáz) felől a hidegebb felé áramlik, azaz a meleg közeg mindig hőt ad át a hidegebbnek, melegívte azt. Ez minden hőmérséklet különbség esetén igaz: A jégkocka nem csak a 30°C-os melegben fog elolvadni, hanem a 2°C-os téli hidegben is, csak sokkal több idő szükséges hozzá.
• Minden abszolút nulla foknál ( -273 °C = 0 Kelvin) melegebb test belső energiával rendelkezik, amit képes leadni a nála hidegebb közegnek hő formájában. Ezekből a fizikai alapfeltevésekből jól láthatjuk, hogy a -10°C-os kinti hőmérsékletből a hőszivattyú képes energiát kinyerni és ezzel meleg biztosítani az otthonunknak.
• Gázok térfogat változáskor hőt vonnak el vagy adnak le környezetüknek. Ha csökkentjük a gázok térfogatát (összenyomjuk őket) akkor a gázok hőt tudnak leadni (felmelegszenek), míg térfogat növekedés estén hőt vonnak el a környezetükből (lehűlnek).

A hőszivattyú működése négy lépésben írható le, mely lépések a párologtatás, sűrítés, cseppfolyósítás, oldódás. Nézzük meg, hogy pontosan mit is jelentenek ezek.

I. Párologtatás

A ciklus elején a hűtőközeg folyékony halmazállapotban van és a hőmérséklete nagyon alacsony, így képes elnyelni a környezeti hőt. A hűtőközeg hőmérsékletváltozás esetén képes halmazállapotot is váltani (folyadékból gáz lesz) akkor ezzel az elpárologtatással újabb energiát tudunk majd kinyerni a rendszerből. A hőszivattyúkban található hűtőközeg az esetek többségében speciális gázok keveréke különböző arányokban, amely gázok nyomás hatására folyékony halmazállapotúvá válnak. Ezt a folyékony, alacsony hőmérsékletű, nyomás alatt lévő hűtőközeget a környezet felmelegíti és gáz halmazállapotú lesz. A folyamat párologtatás része a hőszivattyúban található hőcserélőben zajlik le.

II. Sűrítés

Az előzőleg felmelegített gáz halmazállapotú hűtőközegből szeretnénk még több hőt kinyerni. Mindezt a hőszivattyúban lévő kompresszor segítségével tudjuk elérni. A hőcserélőből érkező gázt a kompresszor összenyomja, majd a felmelegített, nagy nyomású gázt továbbítja a rendszer többi elemének. A kompresszor működéséhez természetesen energia szükséges, legyen az elektromos vagy gáz meghajtású kompresszor, viszont a megfelelő hatásfokkal működő hőszivattyú esetén a kompresszor sokkal kevesebb energiát használ el, mint amennyit a hőszivattyú szállítani tud.

III. Cseppfolyósítás

A hőszivattyú kompresszora által összesűrített és felmelegített gázt, amelynek a hőmérsékletet már alkalmas az otthonunk fűtésére, bevezetjük egy újabb hőcserélőbe, ahol az átadja a hőt a lakás fűtővízének. A hőleadás következtében a gáz halmazállapotú hűtőközeg folyékony lesz, kondenzálódik (lecsapódik). Itt szintén felhasználjuk a halmazállapot változáskor keletkező hőt, az úgynevezett kondenzációs hőt. A hőszivattyúban lévő olyan hőcserélőt, ahol ez a folyamat végbemegy kondenzátornak nevezzük.

IV. Oldódás

Az előző lépésben a hőszivattyú már megfelelően felmelegítette a fűtővizünket ahhoz, hogy otthonunkban kellemes hőmérséklet legyen. Most a meleg, folyékony hűtőközeget kell kivezetnünk a kinti rendszerbe és folyamat kezdőik elölről. A hűtőközeg kivezetése a hőszivattyú külső egységébe egy expanziós szelepen vagy adagolón keresztül történik. Ennél a lépésnél a hűtőközeg az alacsony nyomású oldalra kerül, és a kinti hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékletre hűl le.

Természetesen a hőszivattyú fűtés működése során számos egyéb folyamat játszódik le, de a folyamat főbb lépései ezek. A hőszivattyú által szállított hő kb. 75%-át a környezetből vonja el és maradék 25%-át a kompresszió során keletkezet energiából állítja elő.

Hőszivattyú típusai

Számos hőszivattyú típus létezik, amelyek abban különböznek, hogy milyen környezetből képesek kinyerni és leadni a fűtéshez vagy hűtéshez szükséges energiát. Itthon három típus az, ami a legelterjedtebb, a levegő-víz hőszivattyú, ahol levegőből nyerjük ki a hőt és vizet melegítünk vele. A víz-víz, ahol talajvizet használjuk a meleg előállításához és a talajszondás hőszivattyú, ahol a geotermikus hőt hasznosítjuk. Természetesen léteznek még hőszivattyús üzemű klímaberendezések (légkondícionálók) is, amiket levegő – levegő hőszivattyúnak is lehet hívni.

Levegő víz hőszivattyú működése

A hőszivattyúk ezen csoportja, mint ahogy a nevéből is látható, a külső levegőből von el hőt és ezzel a hővel vizet melegít, ami az otthonunk fűtőtesteiben kering. Felépítését és telepítését tekintve a legegyszerűbb és legkedveltebb hőszivattyú típus.

A levegő víz hőszivattyú működése is könnyen leírható. Általában két egységből áll: Egy béltéri és egy kültéri egységből áll, amelyek telepítése nem igényel semmilyen plusz előkészítői munkát csupán a megfelelő helyet kell nekik biztosítanunk.

A COP – jósági fok – egy energiahatékonyságot mutató arányszám. A leadott fűtőteljesítmény és az ehhez felvett elektromos teljesítmény hányadosa. Fontos tudni, hogy a COP értéke az adott hőszivattyúra +7°C környezeti hőmérséklet és 35°C fokos előremenő fűtővíz esetén került meghatározásra (A7/W35). Sok esetben megadják ezt az értéket +2°C környezeti hőmérséklet és 35°C fokos előremenő fűtővíz esetén is, ez sokkal fontosabb a magyarországi éghajlati viszonyoknál. Minél magasabb a COP értéke, annál jobb hatásfokú a hőszivattyú.

A levegő-víz hőszivattyúk COP értéke kisebb, mint pl. a talajszondás hőszivattyú esetében, mégis az itthoni hőmérsékleti viszonyokhoz egy jó választás lehet, a legalacsonyabb befeketetési költséggel megvalósítható rendszer.

Pro: Földrajzi adottságoktól függetlenül bárhova telepíthető és üzembehelyezhető, ahol van elekrtromos áram ellátás. A telepítés nem jár plusz előkészületi munkákkal és költséggel, így a beruházás összege és alacsony szinten maradhat. A megtérülési idő az alacsony telepítési költségeknek köszönhetően relatív alacsony és mindehhez egy jó, 3.5 – 4.2 COP érték is társul.

Kontra: Az általa előállított hő külső hőmérséklet függő. Szélsőséges időjárási viszonyok esetén plusz rásegítést igényelhet, ami csökkenti az üzemeltetési hatékonyságot és növeli a költségeket.

Víz-víz hőszívattyú (fúrt kutas)

Ha csakis kizárólag a hatékonyságot, üzemeltetési költséget (COP) vesszük figyelembe a hőszivattyú választásakor akkor a víz – víz hőszivattyú lehet a legjobb választás. A hőszivattyúk ezen típusánál a talajvízből nyerjük ki a fűtéshez szükséges hőt, majd ezt a vizet vissza is juttatjuk talajba, ezzel egy körforgást biztosítva.

A víz víz hőszivattyú működési elve miatt szükségünk van egy forrás kútra, amiból a vizet nyerjük, illetve egy vagy akár több úgynevezett nyelő kútra is ahová visszajuttatjuk a fűtéshez elhasznált vizet. A telepítést megelőzően érdemes próbafúrást végeznünk, hogy megbizonyosodjunk róla van-e elegendő víz, annak minősége megfelelő-e a hőszivattyú működéséhez.

Pro: COP (hatékonyság, jósági tényező) érték itt a legmagasabb 5- 7 között is lehet akár nagyon nagy hidegekben is. Nincs szükség alternatív fűtési megoldásokra és jól tervezhető a hőnyereség mértéke, valamint az üzemeltetési költségek is. Gyakorlatilag ingyen lehet velük hűteni.

Kontra: A telepítést megelőzően sok előkészületet – kutak fúrása – és ezzel együtt többlet költséget igényel. A víz elapadása esetén a hőszivattyú nem működik, márpedig ezekne a rendszereknek nagy mennyiségű vízre van szükségük. (Naponta több m3.)

Talajszondás hőszivattyú (földszondás) 

Ebben az esetben a hőszivattyú a talaj geotermikus energiáját használja és abból nyeri a hőt az otthonunk számára. Itt az előző esethez hasonlóan szintén fúrnunk kell, hogy a szonda KPE csöveit megfelelő mélységbe juttassuk le a talajban. A csöveket 60-120 méteres mélységbe kell lerakni, mindezt úgy, hogy egy furatba 2 előremenő – 2 visszatérő cső szükséges. A fúrás itt összetettebb feladat, ehhez már bányakapitánysági engedély szükséges.

Pro: Magas COP érték, ami 4-5 közötti értéket jelent, külső hőmérséklettől függetlenül. E kis helyigényű hőszivattyús rendszer működése teljesen önállóan el tudja látni egy családiház fűtési szükségletét, nyári időszakban a hűtés majdnem ingyenes lehet.

Kontra: Bár a geotermikus fűtés működése költséghatékony, a fúráshoz bányakapitánysági engedély szükséges, nagyon magas telepítési költség.