Működési elv

Hőszivattyúk működési alapelve

A hőszivattyú a következő energetikai feladatot végzi: a kishőmérsékletű környezetből (levegőből, vízből vagy földből) hőt von el, és azt egy nagyobb hőmérsékleten teszi felhasználhatóvá, pl. egy épületben. Így mondhatjuk: a környezetből a hőt - külső energia befektetése árán - „szivattyúzza” a hasznosítható hőmérsékletre. Szinte mindenütt van alkalmas környezeti hőforrás, amelyet csak hőszivattyúval lehet energetikailag kedvezően hasznosítani, ráadásul a hőhordozóját sem kell megvásárolni.

A hőszivattyúk egyes kivitelei energiatakarékosan nemcsak fűtési feladatra, hanem hűtésre is alkalmazhatók. Így ezzel a megoldással a klimatizáláshoz szánt - külön telepítendő - hagyományos klímagépcsoport költsége megtakarítható.
Az ábrából látható,hogy a rendszer elemei zárt hurkot alkotnak, amelyben hűtőközeg töltet van elhelyezve. A hűtőközeg fém falon keresztül érintkezik az elpárologtatóban a földhőt hordozó folyadékkal (fagyállósított víz, vagy víz), valamint a kondenzátorban a fűtőrendszer hőhordozó közegével (desztillált víz).

A működési elv az ábra felhasználásával is jól szemléltethető:

• A hőforrást (zöldhőt) hasznosító elpárologtatóban  a pillanatnyi földhőtől több fokkal hidegebb hűtőközeg a hőfokkülönbség hatására hőt vesz fel. Az entalpia (hőtartalom) növekedés hatására a hűtőközegben halmazállapot változás megy végbe. A folyadék állapotú hűtőközeg gőz halmazállapotúvá válik amikor elhagyja az elpárologtatót. Hőmérséklete azonban az elpárologtató előtt és után közel azonos.
• A talajhővel, vagy hulladékhővel („zöldhő”) növelt entalpiájú,de alacsony hőmérsékletű gáz halmazállapotú hűtőközeg a kompresszorba kerül, ahol a hűtőgázt- elektromos áram bevitelével- összesűríti. A hűtőközeg nyomása és hőmérséklete jelentősen megemelkedik, s az entalpia a bevitt elektromos energiamennyiséggel (kWh) tovább növekszik.
• A munkaközeg nagy nyomású gőze a kondenzátorba jut, itt a munkaközeg átadja hőjét ,amelyet a talajhőböl,valamint a bevezetett elektromos energiából nyert, a nála kisebb hőmérsékletű hőfelvevő közegnek, miközben lecsapódik, kondenzálódik. Hőmérséklete azonban a kondenzátorba lépéskor és a kondenzátor után közel azonos (magas hőmérséklet).
• Az expanziós szelepben a mostmár folyadék halmazállapotú munkaközeg nyomása a kondenzátor-nyomásról az elpárologtató nyomására csökken. A munkaközeg elpárologtatóba áramlásával a körfolyamat pedig ismétlődik.

A VAPORLINE hőszivattyúk működési elve

Az elvi körfolyamthoz hasonló. A eltérés a megfordítható körfolyamat,a speciális hőszivattyús alkalmazásra szánt EVI (Enhanced Vapor Inject) kompresszor, s a körfolyamatban szereplő ekonomizer, az ekonomizer expanziós szelepe,a gőzvezeték,valamint a kiegészítő berendezések.

A körfolyamatba épített ekonomizernek ( hűtőközeg- hőcserélő) kettős hatása van:

1. Növelt entalpiájú, alacsony hőmérsékletű hűtőközeg gőzt juttat a kompresszorba, s ezáltal csökkenti a túlhevített hűtőközeg hőmérsékletét.

2. Erőteljes utóhűtést hoz létre, amely javítja a körfolyamat hatásfokát.

Mindezek eredménye:

• Jobb teljesítmény
  A teljesítmény javulását inkább a rendszerben lévő entalpia növelésével éri el, mint a tömegáram növelésével. Ezt a lökettérfogatok növelése nélkül valósítja meg.
  
  
• Megnövelt COP
  A hatásfok növekszik annak a ténynek köszönhetően, hogy a leadott teljesítmény növekedése nagyobb, mint a kompresszor által felvett teljesítmény növekedése.
  
  
• Előnyös költség és energiafogyasztás
  Mivel kisebb méretű kompresszort lehet alkalmazni ugyanolyan teljesítmény eléréséhez, mint a nagyobb, hagyományos modellnél, az előnyösebb költség magából adódik.
  
  
• Magasabb elérhető kondenzációs hőmérséklet

A desuperheater

A VAPORLINE hőszivattyúk reverzibilis (Fűtő-hűtő) típusainál a használati melegvíz előállítására egy elsődleges speciális tervezésű és gyártású cső a csőben hőcserélőt (desuperheater) alkalmazunk. Ez a hőcserélő a hűtőkörfolyamat túlhevítési hőjét használja HMV termelésre. (lásd: T-S diagram 1-2-3. pont)

1-2 között a száraz, telített hideg gőz sűrítse történik. A sűrítés 2-nél következik be a túlhevített tartományban.
2-3 között hőleadás történik p₂=állandó nyomáson, a forrásponti hőmérséklet eléréséig. Ez a hőmennyiség az, amelyet a kompresszor után közvetlenül beépített elsődleges hőcserélővel (desuperheater) használati melegvíz céljára fel tudunk használni.(lásd.:9.ábra)  Ez a hőmennyiség a körfolyamat összes teljesítményének 12-15%-a.

A desuperheater alkalmazása  főként reverzibilis(fűtő/aktív hűtő) hőszivattyúk esetében előnyös, hiszen ezzel a megoldással nyári üzemmódban ingyen az épületből elvont hőből tudunk HMV-t készíteni.

Másik előnyös tulajdonsága, hogy ezen szakasz átlag hűtőközeg hőmérséklete magasabb ,mint a kondenzációs hőmérséklet, s emiatt magasabb 55-65⁰C HMV hőmérsékletet lehet elérni optimális kondenzációs hőmérsékletnél. Hátrány, hogy HMV termelés csak akkor történik amikor fűtési vagy hűtési üzemmódban dolgozik a készülék. Az átmeneti időszakban kiegészítő fűtésről (napkollektor, elektromos betét) kell gondoskodni.

Nagyobb HMV igényű rendszereknél direkt HMV hőcserélő (dupla kondenzátor) beépítésével oldjuk meg a HMV termelést a kondenzátorról is. A készülék nagy előnye, hogy ebben az esetben is elérhető az 55-60⁰C-os HMV hőmérséklet.

A hűtőközegtartály (receiver)

 Vaporline hőszivattyúk tervezésénél az alapvető cél a COP érték maximalizásása és stabilizálása. Ezt a célt szolgálja egy egyszerű,de annál hasznosabb alkatrész a receiver. 

Jellemzői:

Egyszerű szerkezet,de nagyon fontos szerepe van a többfunkciós  hőszivattyús rendszerekben.
Megoldja a folyadék oldalon a megfelelő utóhűtést, modulálja a hűtőközeg mennyiségét a körfolyamatban.
Kompenzálja a szükséges hűtőközeg mennyiség különbséget a hűtési és fűtési üzemmód között, az összes, illetve egy adott működési tartományban.
Segíti a nagyobb rendszer teljesítmény elérését magasabb elpárolgási hőfokszinteken.

Teszt információ:

A teszt 50%-os kapacitásnál és 6sec periódusidővel rendelkező kompresszorral történt.
3 kg-os hűtőközeg tartály alkalmazása esetén a kimeneti nyomásváltozás 0,25 Mpa volt a hűtőközeg tartályban.

-Amennyiben a folyadéktartály mérete nő, a nyomváltozás mértéke csökken.

A lecsökkent nyomásváltozás eredményeképp a hűtőközeg stabil áramlása biztosított az EEV szelephez. Ez segíti a rendszer teljesítményének növelését.

Az ábrák segítenek bemutatni, hogy a nagyobb hűtőközeg tartály méret alacsonyabb Δ_p-t biztosít és további rendszer teljesítmény növekedést eredményez.