A hőszivattyú ugyanolyan hőtermelő egység, mint egy gázkazán, de az általa termelt fűtővíz alacsonyabb hőmérsékletű (max. 50 C°). A fizika szabályainak sem mond ellent az, hogy 5 C° hőmérsékletű vízből 50 C° hőmérsékletű fűtővizet termel.
A hőszivattyú hőmennyiséget transzformál, amely a hőmérséklet különbség és a vízáram szorzata. Egyszerűbben fogalmazva a hőszivattyú olyan, mint egy kifordított hűtőszekrény: kívül hűt és belül fűt.
A hőleadás kialakítása kissé eltér a hagyományos fűtési rendszerektől, tekintettel az alacsony fűtési hőmérsékletre. A radiátorok használata rendkívül gazdaságtalan, mert hűtésre nem alkalmas és legalább dupla felületű hőleadó szükséges.
A belső hőleadók alacsony előremenő vízhőmérséklettel is kel tudjanak működni. Erre a célra tehát a legmegfelelőbbek a fan coilok, melyek nyáron a hűtésre is alkalmasak. Hűtésre és fűtésre a fan coil (ventilátoros radiátor, és a falfűtés, csak fűtésre a padlófűtés ajánlott Téli üzemre a legcélszerűbb kombinált fan coil és padlófűtést alkalmazni. A fan coilok kivitelük szerint lehetnek álló burkolatosak, légcsatornázhatóak, kazettásak, vagy burkolat nélküliek, melyek egy egyedi takarás mögé rejthetőek.
A hőszivattyú kiválasztásakor figyelembe kell venni az épület fűtési és hűtési energiaigényét, a fűtési rendszer csőkeresztmetszetét, a rendelkezésre álló elektromos energiát és a geotermikus hőnyerési lehetőségeket.
A teljesítmény méretezése a magyarországi viszonyok között a fűtési teljesítmény méretezésre történik. Ezután a kiválasztott gép hűtési teljesítményét összevetjük az épület számított hűtési teljesítmény igényével. Speciális épületszerkezeteknél az épület számított hűtési teljesítmény igénye extrém hűtési energiát igényel, ilyenkor indokolt a hűtési teljesítmény alapján gépet választani.
A hőszivattyú-választás gyakorlatilag megegyezik a hagyományos hőtermelő egységek választásával: ismerni kell az épület fűtési hőigényét. Jelentős összeg takarítható meg, ha a hőszivattyút nem a csúcsüzemre tervezzük, mert a statisztikák szerint Magyarországon a csúcsteljesítmény 60 százaléka felett 115 órát, 70 százaléka felett kb. 22 órát üzemel egy hőtermelő berendezés. Az adott alkalmazásban célszerű lehet egy 60-70 százalékra méretezett hőszivattyút és a maradék teljesítményre kiegészítő elektromos vagy gázkészüléket betervezni. Ez azért is célszerű, mert hazánkban a hűtési csúcsteljesítmény-igény szinte soha sem éri el a fűtési igény 60 százalékát, így a hőszivattyú tökéletesen alkalmas a megfelelő hűtési teljesítmény szolgáltatására. Ha azonban a kiegészítő fűtés használati többletköltségeinek 5 éves összesítése nem tér el lényegesen a többlet beruházási költségtől, az egyszerűbb felépítés és vezérlés érdekében érdemes a 100 százalékos hőszivattyú-teljesítményre méretezni a rendszert.
A hőszivattyú kiválasztásakor a teljesítmény mellett fontos szempont az előremenő víz mennyisége is. Pl. a fenti készüléknél ez 80 l/perc, de extrém munkapontban akár 95 l/perc is lehet a vízmennyiség amihez a fűtési csőrendszert méretezni kell. Amennyiben nem vesszük el folyamatosan a kondenzátor oldalon a 28kW fűtési, ill. a 23 kW körüli hűtési hőmennyiséget, a gép leáll és csak kézi alaphelyzetre állítással indítható újra.
Az elektromos hálózat kialakításakor célszerű az indítási csúcsáramot is figyelembe venni a méretezéshez, hacsak nem Inverteres szabályzású a kompresszorunk.
A földkéregből nyitott vagy zárt rendszerű hőnyerő hálózaton keresztül tudjuk szállítani a hőenergiát. A nyitott rendszereknél ( a primer víz kútból vagy nyílt vízből, szűrés után kerül a hőszivattyúba, majd vissza a talajba (körforgás). Ezeknek a rendszereknek nagyon jó a hatásfoka, de a bizonytalan vegyi összetételű víz miatt gyakrabban kell a berendezést karbantartani, és meghibásodáskor akaratlanul is jelentős környezeti károkat okozhatunk.
A zárt rendszerekben fagyálló folyadék, víz vagy hűtőfolyadék kering a csőhálózatban és a talajjal érintkező csövek továbbítják a hőt. Hatásfokuk rosszabb, mint a nyitott rendszereké, de lényegesen biztonságosabb az üzemeltetésük. Mivel a rendszer állandóan ugyanazzal a folyadékkal van feltöltve kevésbé korrodálódik és élettartama is hosszabb. Hátránya, hogy nagyobb a beruházási költsége és rosszabb a hatásfoka, mint egy nyitott rendszernek. Telepíthetők vízszintes árokba, függőlegesen fúrt lyukba , nyílt vizekbe, folyókba vagy tavakba .
A talajhőcserélő méretezése a jól működő rendszer legfontosabb feltétele. Olyan talajhőcserélőt kell választani, amelyik a legkritikusabb, január végi időszakban is képes megfelelő teljesítményt szolgáltatni a talajból, ráadásul ekkor az elpárologtató 0/5 C° hőmérsékleten fog működni.
A zárt hőnyerő hálózat tervezésére kialakított modellek meglehetősen bonyolultak, meghaladják jelen jegyzet kereteit. A tervezés alapelveit a következő részben fogjuk megtárgyalni. Most tájékoztatásul adunk némi támpontot a hőnyerő hálózat becsléséhez, de minden esetben pontos terv alapján kell dolgozni.
A vízszintes hőnyerő esetében 1 kW teljesítményhez 15–25 m árkot kell készíteni, kialakítástól függően 1–6 csővezetékkel. A cső legalább 1,2 m mélyre kerül és az árkok legalább 3 m távolságra vannak egymástól.
A függőleges fúrt hőnyerő 1 kW teljesítményéhez 15–20 m fúrt lyuk szükséges, 2–4 csővel lyukanként.
Tóba helyezett hőnyerőnél 2,5–3 m mély, 100 m2/kW felületű tó kell, kb. 100 m/kW hosszúságú csővezetékkel. Minél mélyebbre kerül a csővezeték annál egyenletesebb és jobb hatásfokú hőenergia nyerhető.
A csőben fagyálló folyadék kering a hőátadás szempontjából legoptimálisabb sebességen. A fagyálló azért szükséges, mert kritikus esetekben a hőszivattyú fagypont alá is lehűtheti a folyadékot, amely visszatér a csőhálózatba.
A hőnyerő oldali csőhálózat és szivattyú méretezését úgy kell kialakítani, hogy a legoptimálisabb hőátadás érdekében mindenhol turbulens áramlás legyen. A turbulens áramlási sebesség függ a folyadék viszkozitásától (pl. 1” méretű csőben a tiszta víz 5 l/perc, a 20 százalék töménységű glikol oldat 17 l/perc vízmennyiség áramlásakor turbulens).
A hőszivattyú alkalmazásához a hagyományos gépészeti tervezési feladatok mellett a talajban elhelyezett hőnyerő hálózatot is méretezni kell. Az ide kapcsolódó feladatok áttekintésére vizsgáljuk meg egy hőszivattyús fűtési-hűtési rendszer működési hatásmechanizmusát.
Egy hőszivattyú belső szerkezete fizikailag megegyezik az iparban és kereskedelemben számtalan helyen használt közvetlen léghűtő berendezések felépítésével. A különbség az, hogy amíg a folyadékhűtők kondenzátor oldalán is a levegőhűtés a jellemző, a hőszivattyús alkalmazásban a talajhűtést alkalmazunk. A hőszivattyút fűtési üzemmódban „kifordítjuk” és a talaj oldalra kerül az elpárologtató (2. ábra). A hőcserélő csőhálózatban keringő víz felveszi a talajból a hőmennyiséget, és a hőszivattyú elpárologtatóján leadja azt. A legkritikusabb január vége – február eleje időszakban a zárt talajhőcserélők esetében a hőszállító folyadék belépő hőmérséklete 4 °C-ra is lemehet, a kilépő hőmérséklet pedig 0 °C környékén van. Magyarországon rendszerint víz-víz hőszivattyúkkal termeljük a szükséges hőt. Néhány speciális hőszivattyún egy közvetlen mellékkör-t építenek ki (lásd 1. és 2. ábra) a használati melegvíz termeléshez. Ennek az előnye, hogy nyáron a hűtési üzemmódban is lehetséges a használati melegvíz előállítása a készülékkel, ráadásul hulladékhő felhasználásával.
A fűtési üzemmódban a primer hőszállító közeg hőmérséklete 0 °C körül lehet így fagyálló folyadékot kell alkalmazni, rendszerint glikol-víz vagy metilalkohol-víz keverékét.
Vizsgáljuk meg, hogyan jut el egy hőszivattyú fűtési alkalmazásában a hőenergia a forrásától a felhasználás helyéig? A jegyzetünk előző részében már említettük, hogy a geotermikus energia forrása a földkéreg alatt kb. 3000 km-re kezdődő magmában keletkező hő. Ezt a hőt egészíti ki a földkéreg által nyáron elnyelt napsugárzás és a hűtéssel belepumpált hőmennyiség, felmelegítve a talaj külső rétegét. Természetesen télen a kéreg felső néhány méterében tárolt hőenergia fokozatosan távozik és ennek megfelelően lehűl a külső réteg.
A felszíni hőmérséklet évi változása (As) egyre jobban csillapodik a mélyebben lévő talajrétegekben. A változás amplitúdója mellett a változás csúcsa is eltolódik a különböző mélységekben (felszínen febr. 4-én van a minimum, amíg 1,5 m mélyen március 11-én).
Függetlenül a csőhálózat kialakításától a hőnyerő hálózat a föld méretéhez képest pontszerűnek tekinthető és a ábra mutatja a hőáramlás jellegét a talajban. A hőnyerő hálózatban áramló folyadék hőmérséklete fűtés üzemmódban alacsonyabb, mint a talaj hőmérséklete így a hőáram megindul a környező talajrétegekből a hőnyerő irányába.
Mivel a hőnyerőhöz közeli talajrétegek elkezdenek lehűlni, így a hőáram megindul a külső talajrétegekből a belsők felé. Ezzel a hőnyerő félgömb-szerűen kiszívja a hőmennyiséget a környező talajrétegekből. A talaj hővezető képességétől és a kinyerni kívánt hőmennyiségtől függ az, hogy mekkora felületű talajhőcserélőt kell alkalmaznunk. Mivel a használat során folyamatosan messzebbről fog a hőáram a hőnyerőhőz eljutni a talaj hőellenállása időfüggő, növekszik a használati idő függvényében. A rendszert úgy kell méretezni, hogy a legrosszabb esetben is a szükségletek kielégítésére alkalmas hőmennyiséget ki lehessen termelni a talajból.
A talajba ágyazott hőcserélő-hőnyerő hálózat méretezése a hőszivattyús rendszer működésének kulcspontja. A csőhálózatban áramló közeg hőmérsékletének és a hőmennyiségnek illeszkednie kell a hőszivattyú üzemi munkapontjához, a hőszivattyú csak így tudja folyamatosan előállítani az épület fűtéséhez szükséges mennyiségű és hőmérsékletű fűtővizet.
A függőleges szondák esetében a felső 10 m es szakaszon érezhető az évszakok hatása, télen hűl, nyáron melegszik, de kb. 10 m mélység után már évszaktól független a hőmérsékletek alakulása és a geotermikus adottságok a meghatározóak.
A szondafuratok szokásos mélységi mérete 50-150 m közötti, ezért ha ettől nagyobb értékek jönnek ki, akkor több szondafuratot kell fúrni. Ha több szondafuratot kell fúrni, az egyes furatok egymástól legalább 5 m távolságra legyenek. A talajszondákat a hőszivattyúval összekötő csöveket mindenütt, ahol ez problémát okozhat a levegőből a csőre való kondenzátum lecsapódás elkerülése érdekében szigetelni kell, mert a csövek f
A szondafuratok szokásos mélységi mérete 50-150 m közötti, ezért ha ettől nagyobb értékek jönnek ki, akkor több szondafuratot kell fúrni. Ha több szondafuratot kell fúrni, az egyes furatok egymástól legalább 5 m távolságra legyenek. A talajszondákat a hőszivattyúval összekötő csöveket mindenütt, ahol ez problémát okozhat a levegőből a csőre való kondenzátum lecsapódás elkerülése érdekében szigetelni kell, mert a csövek felületi hőmérséklete hidegebb, mint a levegő. A talajszondás rendszer hidraulikusan zárt, nyomás alatti kör, ezért a keringető szivattyú és a légtelenítők mellett tágulási tartály és biztonsági szelep beépítése is szükséges. A talajszonda kollektorok többféle kialakítása létezik. A leggyakoribb a szimpla U csöves és a dupla U csöves megoldások.
A szondafurat fúrása, a szonda bevezetése, a furatfal és a szonda közötti tér töltő szuszpenzióval való kitöltése szakember feladata, mert ha a szonda levezetése nem a furat legaljáig történik, vagy a szuszpenzióval való kitöltés nem teljes, a hőátadás drasztikusan romlik, és a kinyerhető hőteljesítmény a tervezettet nem éri el.
A szonda a lábánál egy U-alakú fordító elemmel van gyárilag összekötve.
A talajban elhelyezett szondákat a bányakapitányságon engedélyeztetni kell.
