Hőszivattyú

Hőszivattyúval mindenki találkozhatott, legfeljebb nem ezzel a megnevezéssel. Ilyen elv alapján működik például a háztartási hűtőszekrény, amely úgy hűt, hogy a belsejéből hőszivattyú távolítja el a hőenergiát. A hűtőszekrény hátulján általában feketére festett hűtőrácsot találunk, amelyen keresztül a hő a külvilág felé távozik. Miközben tehát a hőszivattyú a hűtőszekrény belsejét hűti, ugyanakkor a külső teret pedig fűti.
Hőszivattyúval tehát hűteni és fűteni is lehet. Ily módon a lakásunkat is fűthetjük, például a külvilágból (vízből, talajból, levegőből, geotermikus vagy napenergiából, stb.) elszivattyúzott hőenergia segítségével. A hőszivattyú működtetéséhez azonban külső (többnyire elektromos) energia szükséges. A modern hőszivattyúk hatásfoka jó, egy egységnyi energia befektetéssel akár 4–5 egységnyi hőenergiát is képesek átszivattyúzni.
A hőszivattyús rendszerek alkalmazását az indokolja, hogy egy modern háztartásban az összes felhasznált energia mintegy 70–90%-át fordítják fűtésre és meleg víz készítésére, vagyis a „betáplált” energia nagyobbik része hőenergia formájában hasznosul.
Mivel a hőszivattyúval fűteni és hűteni is lehet, ezzel a módszerrel megoldható az épületek nyári klímatizálása is, sőt arra is van lehetőség, hogy nyáron a lakásból kivont hőt meleg víz készítéséhez használjuk fel.
A hőszivattyú alapelvét egy bicikli pumpa és egy szódás szifon példájával szemléltethetjük. Amikor felpumpáljuk a bicikli kerekét, a pumpa alsó részén a levegő az összesűrítés hatására felmelegszik. A szódásüveg patronja pedig, amikor azt becsavarjuk, a benne lévő gáz gyors kitágulása miatt annyira lehűl, hogy rajta a vízpára megfagy és dér képződik. A hőszivattyú kombinálja a bicikli pumpa és a szódás szifon működési elvét, azzal az eltéréssel, hogy a magas hatásfok érdekében a körfolyamatban szereplő gázt (pl. ammónia, széndioxid, propán, izobután, halogénezett szénhidrogén, stb.) annyira összesűrítik, hogy az cseppfolyós állapotba kerül.
Épületek fűtéséhez és klímatizálásához egyre terjed a hőszivattyús talajhő-hasznosító megoldás. A talaj mélyebb rétegeiben ugyanis a hőmérséklet télen-nyáron csaknem állandó, 15-20 méter mélyen például +8~10 C fok körüli. Ezért a talajból télen hőt szivattyúzva az épületet fűthetjük, nyáron pedig oda hőenergiát vissza pumpálva klimatizálhatjuk.
Érdekes hőszivattyús fűtési megoldás még a levegőkazán. Ez a külső levegőből veszi ki a hőenergiát, és még –20 C fokos környezeti hőmérséklet esetén is képes a lakás belső terét 20-25 C fokra felfűteni. Egy ilyen hőszivattyú magát a levegőt használja primer munkaközegnek, és annak összesűrítésével nyeri ki belőle a hőenergiát, amiből egy újabb (zárt rendszerű kompresszoros) hőszivattyú állít elő magas hőmérsékletű munkaközeget.
A berendezés a beszívott levegőt atmoszférikus nyomásra expandáltatva mintegy 50 C fokkal alacsonyabb hőmérsékleten bocsátja ki, ami azt jelenti, hogy ha kint a hőmérséklet pl. –20 C fok, akkor a berendezés nagy mennyiségben fújja ki a szabadba a -70 C fokos levegőt. Ilyen megoldás ezért leginkább csak nagy szabad területen álló önálló épületek fűtésére alkalmas.
Az sem biztos, hogy a hőszivattyús fűtés környezetvédelmi szempontból mindig nyereséges. Ha például valaki lecseréli a gázfűtést 4-szeres hatásfokú hőszivattyús fűtésre, akkor 1 kWatt villamos teljesítménnyel 4 kWatt fűtőteljesítményhez jut. Ámde ha a villamos energiát egy gáztüzelésű hőerőmű szolgáltatja, amelynek a hatásfoka 25%, akkor az 1 kWatt villamos teljesítmény megtermeléséhez az erőműben 4 kWatt fűtőteljesítményű gázt kell elégetni, és ezzel az üvegház-gáz kibocsátás volumene nem változott.
A klímaberendezésekben alkalmazott hőszivattyú nemcsak kompresszoros elven működhet. Ismeretesek abszorpciós hűtési rendszerek is, közöttük olyanok, amelyek közvetlenül napenergiával működnek. Az ilyen berendezésekben a munkaközeg kompresszoros cseppfolyósítása helyett a munkaközeg oldószeres elnyeletését alkalmazzák. A munkaközeg lehet például ammónia vagy széndioxid, az oldószer pedig desztillált víz, és van olyan megoldás is, amelynél a munkaközeg vízgőz, az oldószer pedig lítium-bromid oldat.
Ismeretesek ezen kívül munkaközeg nélküli hőszivattyúk is, amelyek a hőenergia áramoltatását közvetlenül villamos energiával működtetik. Működésük alapja az ún. termo-elektromos effektus, amelynek három fő típusa a Seebeck effektus, a Peltier effektus, és a Thomson effektus.
A gyakorlatban ezek közül a Peltier effektus alkalmazása terjedt el. Az ilyen elven működő eszköz neve: Peltier elem, amely alkalmas arra, hogy villamos energia felhasználásával hőenergiát juttasson hidegebb helyről melegebb helyre, és ezáltal az egyik oldalon hűtsön, a másikon fűtsön.
Peltier elemekkel elvileg lehetne villamos energiát is előállítani napenergia felhasználásával, azonban az ilyen eszközök alkalmazása ilyen célra nagyon gazdaságtalan, mivel a hatásfokuk kicsi, ráadásul a kereskedelmi forgalomban kapható szendvics szerkezetű Peltier elemek hideg és meleg oldalai közötti távolság mindössze néhány milliméter, ami problémát okoz a szerkezeti kialakításban. Jól alkalmazhatók ugyanakkor a Peltier elemek elektronikus készülékekben, pl. számítógépekben az alkatrészek hűtésére.

Héjjas István

Zöld Válasz