A hőszivattyú működésének egyik legérdekesebb tulajdonsága, hogy a környezetben – például a külső levegőben, a talajban vagy a vízben – rendelkezésre álló hőenergiát veszi fel, majd egy magasabb hőmérsékleti szintre emeli, hogy azt az épület fűtésére lehessen használni.
Ehhez egy zárt hűtőközeg-körfolyamatot használ, amelynek négy meghatározó eleme a párologtató, a kompresszor, a kondenzátor és az expanziós szelep. A rendszerben keringő hűtőközeg ezek között haladva folyamatosan változtatja nyomását, hőmérsékletét és halmazállapotát.
De pontosan mi történik a gép belsejében? Nézzük végig a hőszivattyú részeit, mégpedig úgy, hogy közben végigkövetjük a hűtőközeg útját is.
Hogyan épül fel egy hőszivattyú?
Ha a hőszivattyú felépítését szeretnénk megérteni, érdemes először különválasztani a hűtőkört és a teljes gépészeti rendszert. A hűtőkör négy alapvető eleme:
- a párologtató
- a kompresszor
- a kondenzátor
- az expanziós szelep
Ezek között áramlik a hűtőközeg, amelynek feladata a hőenergia szállítása. A Daikin leírása szerint a körfolyamat során a hűtőközeg a párologtatóban hőt vesz fel, a kompresszor megemeli a nyomását és hőmérsékletét, a kondenzátorban leadja a hőt, az expanziós szelep pedig ismét lecsökkenti a nyomását. Ezután kezdődik elölről a folyamat.
A teljes hőszivattyú természetesen ennél jóval több alkatrészből állhat. A kialakítástól függően találhatunk benne ventilátort, keringető szivattyút, érzékelőket, vezérlőelektronikát, váltószelepet, különböző biztonsági szerelvényeket és további hőcserélőket is.
Nem minden hőszivattyú felépítése azonos: más kialakításra van szükség egy levegő-víz és egy talajszondás rendszer esetében. A különbségekről részletesebben a Hőszivattyú-típusok teljes útmutatója — levegő-víz, levegő-levegő, geotermikus, hibrid című cikkünkben írtunk.
Hőszivattyú működése részletesen: kövessük végig a hűtőközeg útját
A működés megértéséhez először egy alapvetést kell tisztázni: a hőszivattyú nem „hőt gyárt”, hanem valójában hőt szállít egy alacsonyabb hőmérsékletű közegből egy magasabb hőmérsékletű közeg felé. Ehhez elektromos energiára van szükség, amelynek egyik legfontosabb felhasználója a kompresszor.
A hőszivattyúban keringő hűtőközeg különleges termodinamikai tulajdonságainak köszönhetően viszonylag alacsony hőmérsékleten is képes elpárologni. A körfolyamat során pedig éppen ezt használjuk ki. Induljunk el a párologtatótól.
1. Párologtató: itt veszi fel a hőszivattyú a környezeti hőt
A párologtató egy hőcserélő. Fűtési üzemben ezen keresztül kerül a környezetből származó energia a hűtőközegbe.
Az energia forrása a hőszivattyú típusától függhet. Levegő-víz hőszivattyúnál a külső levegőből, geotermikus rendszernél a talajból, víz-víz rendszernél pedig megfelelő vízforrásból származhat a hő.
A párologtatóba alacsony nyomású és alacsony hőmérsékletű hűtőközeg érkezik. Miközben hőt vesz fel a környezetből, a folyékony hűtőközeg elpárolog, így a párologtatóból már alacsony nyomású gőzként távozik.
De hogyan lehet hideg levegőből hőt kinyerni?
Elsőre furcsának tűnhet, hogy egy hőszivattyú akár fagypont alatti külső hőmérséklet mellett is képes hőt felvenni. A magyarázat az, hogy a 0 °C-os vagy akár mínusz fokos levegő sem „hőmentes”. A hőátadáshoz az szükséges, hogy a hűtőközeg párolgási hőmérséklete a hőforrás hőmérsékleténél alacsonyabb legyen. Így a hideg külső levegőből is energia áramolhat a még hidegebb hűtőközeg felé. A Daikin is kiemeli, hogy a levegő-víz hőszivattyúk hideg időjárásban is képesek energiát felvenni a külső levegőből.
2. Kompresszor: a hőszivattyú „motorja”
A párologtatóból kilépő hűtőközeg már gáz halmazállapotú, de még alacsony nyomású. Ebben az állapotában azonban nem tudná kellően magas hőmérsékleten átadni a hőt az épület fűtési rendszerének. Itt lép működésbe a kompresszor.
A kompresszor összesűríti a hűtőközeggőzt. A kompresszió hatására jelentősen megemelkedik annak nyomása és hőmérséklete, így a kompresszorból már forró, nagynyomású hűtőközeggőz távozik.
Egyszerűsítve tehát:
alacsony nyomású gőz → kompresszor → magas nyomású, magas hőmérsékletű gőz
A kompresszor segítségével kerül a hűtőközeg olyan hőmérsékleti szintre, amelyről már képes hőt átadni az épületnek.
Miért fogyaszt áramot a hőszivattyú?
A hőszivattyú tehát nem energia nélkül mozgatja a hőt. Elektromos energiára van szüksége többek között a kompresszor, valamint a rendszer kialakításától függően a ventilátorok, szivattyúk és vezérlés működtetéséhez.
Ez segít megérteni a hőszivattyúknál gyakran emlegetett COP fogalmát is.
Ha egy berendezés egy adott üzemi pontban például 1 kWh villamosenergia-felhasználás mellett 4 kWh hőenergiát ad át a fűtési rendszernek, akkor a COP értéke 4. Az átadott hő jelentős része a környezetből felvett energia, amelynek magasabb hőmérsékleti szintre emeléséhez használjuk fel az elektromos energiát.
3. Kondenzátor: itt kerül át a hő a fűtési rendszerbe
A kompresszorból érkező forró, nagynyomású hűtőközeg következő állomása a kondenzátor. Ez szintén hőcserélő, csak itt éppen fordított folyamat zajlik: a hűtőközeg hőt ad le. Egy levegő-víz hőszivattyúnál ez a hő kerül át a vízkörbe, amely aztán például padlófűtésen, radiátorokon vagy fan-coilokon keresztül fűti az épületet. Megfelelő rendszerkialakítás esetén a hőszivattyú használati meleg víz előállítására is használható. Ahogy a hűtőközeg leadja a hőt, lehűl és kondenzálódik: a gőzből ismét folyadék lesz.
Miért előnyös az alacsony előremenő vízhőmérséklet?
A hőszivattyú energiahatékonysága szempontjából nem mindegy, milyen magas hőmérsékletre kell emelnie a hőt. Egy alacsony hőmérsékletű padlófűtési rendszer lényegesen alacsonyabb előremenő vízhőmérséklettel képes kifűteni egy épületet, mint egy magasabb hőmérsékletre méretezett hagyományos radiátoros rendszer. Minél kedvezőbbek a hőforrás és a hőleadó oldal hőmérsékleti viszonyai, annál kedvezőbb hatásfokkal működhet a hőszivattyú. Az Európai Bizottság fogyasztói útmutatója is kiemeli, hogy alacsony hőmérsékletű fűtési rendszerrel a hőszivattyú teljesítménye, illetve hatékonysága általában kedvezőbb.
4. Expanziós szelep: ismét lecsökken a hűtőközeg nyomása
A kondenzátorból kilépő hűtőközeg folyékony állapotú, de még mindig nagy nyomáson van. Ahhoz, hogy újra képes legyen alacsony hőmérsékleten hőt felvenni a párologtatóban, a nyomását csökkenteni kell. Ez az expanziós szelep feladata.
A szelepen történő áthaladáskor hirtelen nyomásesés következik be, és ezzel együtt a hűtőközeg hőmérséklete is jelentősen csökken. Az expanziós eszköz után már hideg, alacsony nyomású folyadék-gőz keverék halad tovább a párologtató felé.
A modern rendszerekben elektronikus expanziós szelep is alkalmazható, amely pontosabban szabályozhatja a hűtőközeg áramlását és a túlhevítést. Ezzel vissza is érkeztünk a kiindulóponthoz. A hűtőközeg ismét belép a párologtatóba, hőt vesz fel a környezetből, elpárolog, majd a kompresszorhoz jut. A körfolyamat addig ismétlődik, amíg az épületnek fűtési igénye van.
A hőszivattyú működése 4 lépésben
Ha röviden szeretnénk összefoglalni a folyamatot, a hőszivattyú működése négy alapvető lépésre bontható:
- Párologtató: a hűtőközeg hőt vesz fel a környezetből és elpárolog.
- Kompresszor: összesűríti a gázt, ezzel megemeli annak nyomását és hőmérsékletét.
- Kondenzátor: a hűtőközeg leadja a hőt a fűtési rendszernek, miközben kondenzálódik.
- Expanziós szelep: lecsökkenti a hűtőközeg nyomását, így az ismét alkalmassá válik a környezeti hő felvételére.
A folyamat tehát körbe-körbe ismétlődik:
Párologtató → kompresszor → kondenzátor → expanziós szelep → párologtató
Mi történik közben a hűtőközeggel?
A hűtőközeg állapotváltozásait egy táblázatban még egyszerűbb áttekinteni:
| Szakasz | Nyomás | Hőmérséklet | Jellemző állapot | Mi történik? |
|---|---|---|---|---|
| Párologtató | Alacsony | Alacsony | Folyadék-gőz → gőz | Környezeti hőt vesz fel |
| Kompresszor után | Magas | Magas | Gőz | Megnő a nyomása és hőmérséklete |
| Kondenzátor | Magas | Magasból csökken | Gőz → folyadék | Hőt ad át a fűtési rendszernek |
| Expanziós szelep után | Alacsony | Alacsony | Folyadék-gőz keverék | Leesik a nyomása és hőmérséklete |
A megfelelő hűtőközeg kiválasztása ezért a rendszer működését, kialakítását és szervizelését egyaránt érintő műszaki kérdés. Az újabb hőszivattyúk között egyre több R290, vagyis propán hűtőközeggel működő berendezéssel találkozhatunk. Az Európai Bizottság az R290-et a hőszivattyúk klímabarát, nem fluorozott alternatív hűtőközegei között tartja számon. Ennek műszaki és szervizelési következményeit részletesen bemutatjuk a Miért az R290 a jövő hűtőközege? – Szemléletváltás a szervizelésben című cikkünkben.
Honnan származik a hő, amit a hőszivattyú felhasznál?
A fent bemutatott hűtőkör alapelve sokféle hőszivattyúban ugyanaz. Jelentős különbség van azonban abban, honnan nyeri a rendszer azt a hőt, amelyet magasabb hőmérsékleti szintre emel.
Levegő-víz és levegő-levegő hőszivattyúnál a külső levegő szolgál hőforrásként. Geotermikus rendszereknél a talajból nyerjük az energiát. A hőforrás megválasztása jelentősen befolyásolja a rendszer felépítését, beruházási költségét és működési tulajdonságait.
És hol van ebben a víz vagy a glikol?
Itt érdemes tisztázni egy gyakori félreértést: a hűtőközeg és a fűtési rendszerben keringő víz vagy víz-glikol keverék nem ugyanaz. A hűtőközeg a fent bemutatott zárt hűtőkörben kering a kompresszor, a kondenzátor, az expanziós szelep és a párologtató között. A fűtési víz ezzel szemben a hidraulikai rendszer része: ez szállítja tovább a kondenzátoron keresztül átadott hőt például a padlófűtés vagy a radiátorok felé.
Ennek különösen monoblokk hőszivattyúknál lehet jelentősége, mivel bizonyos kialakításoknál a fűtési vízkör a kültéri egységig is eljut. Áramszünet vagy keringési probléma mellett fagypont alatti időben ezért a fagyvédelem különösen fontos kérdés. Ezt részletesen a Glikol vagy víz – elfagyhat-e a monoblokk hőszivattyú? című cikkünkben járjuk körül.
Mi határozza meg a hőszivattyú hatásfokát?
Most már az is jobban érthető, miért nem lehet pusztán egyetlen adat alapján megmondani, mennyire gazdaságosan működik majd egy hőszivattyú. A rendszernek annál nagyobb „hőmérsékleti lépcsőt” kell áthidalnia, minél hidegebb hőforrásból kell minél magasabb hőmérsékletű fűtővizet előállítania. Ezért számít többek között a külső hőmérséklet, a szükséges előremenő vízhőmérséklet, a hőleadók kialakítása, a kompresszor szabályozása, valamint a teljes rendszer megfelelő méretezése.
A radiátorok és más hőleadók kialakítása azért is lényeges a hőszivattyúk energiahatékonysága szempontjából, mert az épület hőigénye és a hőleadók teljesítménye határozza meg a szükséges előremenő vízhőmérsékletet. A berendezés és a hozzá kapcsolódó teljes gépészeti rendszer együtt határozza meg, hogyan fog működni a hőszivattyú a valóságban.
Mi romolhat el a hőszivattyú fő alkatrészeiben?
Mivel a hőszivattyú működése több egymásra épülő folyamat eredménye, egy rendellenességnek számos oka lehet. Problémát okozhat például a kompresszor hibája, a ventilátor vagy valamelyik keringető szivattyú meghibásodása, egy érzékelő vagy a vezérlés problémája, az expanziós szelep hibás működése, a hőcserélő szennyeződése vagy a hűtőközeg-kör hibája.
| Hőszivattyú eleme | Feladata | Mi történik a hűtőközeggel? |
|---|---|---|
| Párologtató | Környezeti hő felvétele | Hőt vesz fel és elpárolog |
| Kompresszor | Nyomás és hőmérséklet megemelése | A gőz összesűrűsödik, felmelegszik |
| Kondenzátor | Hő átadása a fűtési rendszernek | Hőt ad le és folyadékká kondenzálódik |
| Expanziós szelep | Nyomás csökkentése | Nyomása és hőmérséklete leesik |
A gyakorlatban természetesen a különböző gyártók és készülékcsaládok eltérő műszaki megoldásokkal valósíthatják meg ugyanezt az alapelvet. Ha konkrét berendezések között szeretnénk eligazodni, a Daikin Altherma áttekintő: Altherma 3, 3H HT, M és melyik mikor a jó választás? című cikkünkben több eltérő felhasználási területre készült megoldást is bemutatunk.
Gyakori kérdések a hőszivattyú részeiről és működéséről
Melyek a hőszivattyú legfontosabb részei?
A hagyományos gőzkompressziós hőszivattyú hűtőkörének négy alapvető eleme a párologtató, a kompresszor, a kondenzátor és az expanziós szelep. Ezek között kering a hűtőközeg, amely a környezetből felvett hőt magasabb hőmérsékleti szintre emelve továbbítja a fűtési rendszer felé. A kompresszort gyakran nevezik a rendszer „szívének”, mivel ez emeli meg a hűtőközeg nyomását és hőmérsékletét.
Mit csinál az expanziós szelep?
Az expanziós szelep a kondenzátorból érkező folyékony hűtőközeg nyomását csökkenti. A nyomásesés következtében a hűtőközeg lehűl, és alacsony nyomású folyadék-gőz keverékként jut tovább a párologtatóba, ahol ismét hőt tud felvenni.
Miért tud a hőszivattyú hideg levegőből is hőt kinyerni?
Azért, mert a fagypont alatti levegő is rendelkezik hőenergiával. Ha a hűtőközeg párolgási hőmérséklete ennél is alacsonyabb, hő áramolhat a külső levegőből a hűtőközeg felé.
Mi a különbség a hőszivattyú és a klíma működése között?
Az alapvető hűtőközeg-körfolyamat nagyon hasonló, sőt egy fűtésre is alkalmas split klíma maga is levegő-levegő hőszivattyúként működik. A különbséget elsősorban az jelenti, milyen közegből vesz fel és milyen közegnek ad át hőt a rendszer, illetve milyen feladatra és üzemi körülményekre tervezték.
Miért működik jól a hőszivattyú padlófűtéssel?
A padlófűtés nagy hőleadó felületének köszönhetően viszonylag alacsony előremenő vízhőmérséklettel is képes kifűteni egy megfelelően kialakított épületet. Ez kedvező a hőszivattyúnak, mert kisebb hőmérséklet-különbséget kell áthidalnia, ami általában jobb energiahatékonyságot tesz lehetővé.
A hőszivattyú működése egyszerű elven alapul
A hőszivattyú felépítésének megértéséhez tehát négy kulcselem működését kell ismernünk. A párologtató felveszi a környezeti hőt, a kompresszor megemeli a hűtőközeg nyomását és hőmérsékletét, a kondenzátor átadja a hőt a fűtési rendszernek, az expanziós szelep pedig ismét lecsökkenti a nyomást. Ezután kezdődik elölről a körfolyamat.
Az alapelv egyszerűnek tűnik, a jól működő rendszer megtervezése azonban már összetett épületgépészeti feladat. A hőforrás, a hőleadók, az előremenő vízhőmérséklet, a hűtőközeg, a hidraulikai kialakítás és maga a berendezés egyaránt befolyásolja, hogyan teljesít majd a hőszivattyú a mindennapi használatban.
Éppen ezért a hőszivattyú kiválasztásánál nem csak azt érdemes megkérdezni, milyen készüléket vásároljunk, hanem azt is, hogyan illeszkedik az adott berendezés az épület egészének gépészeti rendszerébe.