Hogyan melegítsük a szobát akár a fagyos levegő segítségével? Hogyan nyerhetünk ki hőt a környezetből? A folytatásban megtalálod a választ ezekre a kérdésekre!

Először is tisztázzunk pár fogalmat! Hallani lehet olyat, hogy a hőszivattyúk hatásfoka 100% fölötti, így a befektetett villamos áramnál nagyobb hőt ad vissza nekünk. Ennek a mondatnak az eleje ferdítés, de a második fele tökéletesen igaz.

A hőszivattyú tényleg képes az általunk befektetett teljesítménynél nagyobb hasznos teljesítményt szolgáltatni, mivel a környezetből is hőt von el. Alább láthatod a hőszivattyú energiamérlegét. Mi befektetünk villamos munkát, aminek a hatására a hőszivattyú hőt von el a környezetből, majd végezetül hőt ad le a szobában.

Számunkra a hasznos mennyiség a szoba felé leadott hő. Ha ezt osztjuk az általunk befektetett villamos munkával, akkor megkapjuk a hőszivattyú hatásosságát, ami minőségileg jellemzi a berendezésünket. Ezt a hatásosságot szokták a hatásfokkal keverni, de ezek nem ugyanazt jelentik.

A hatásosság tényleg 1-nél nagyobb, mivel a környezetből is tudunk hőt kinyerni. Ezt hogyan csináljuk? Az az érdekesség, hogy a bevezetőben említett hőszivattyút is el lehet készíteni a valóságban. A kinti fagyos levegővel is tudjuk melegíteni a benti meleg levegőt, csak megfelelő körfolyamatot kell létrehozni.

Úgy működik a hőszivattyú, hogy folyadékot keringetünk, ami hőt vesz el egy közegtől, majd hőt ad le egy másik közegnek. Egy ilyen körfolyamatot ábrázoltam neked az alábbi diagramon, ami a hőmérsékletet ábrázolja az entrópia függvényében. A hőszivattyúban keringetett folyadék állapotait tartalmazza ez a diagram. Most annyit érdemes tudnod, hogy a nyilakkal körbezárt terület nagysága jelenti a leadott hőt, azaz a szoba fűtésére használt energiát.

Az 1-es és 2-es pontok között hőt vesz fel a keringetett munkaközeg a környezetből. Itt az a fontos, hogy a hőszivattyúban lévő folyadék alacsonyabb hőmérsékletű legyen, mint a környezet, amiből a hőt elvonja. A hőfelvétel közben a folyadékunk folyamatosan párolog. Az 1-es pontban egyszerre cseppfolyós és gáznemű részecskék is vannak, a 2-es pontban pedig már csak gáznemű részecskéink vannak. A párolgás miatt nagyobb mennyiségű hőt tud felvenni a folyadék.

A 2-es és 3-as pontok között komprimáljuk, azaz összenyomjuk a gáznemű közeget. Ezt például egy dugattyús kompresszorban egyszerűen megtehetjük. Ehhez persze villamos energiát kell befektetni, ahogy az már korábban szerepelt. Az összenyomás hatására megnő a nyomás és a hőmérséklet is.

A 3-as pontban egy magas hőmérsékletű gáznemű folyadékunk van, ami a 4-es pontig hőt ad le a fűtendő szobának. Ez csak úgy lehetséges, ha a szobahőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten van a folyadékunk, de ezt a megfelelő sűrítéssel el tudjuk érni. Amint belép a haranggörbe alá a közeg, a vízszintes szakasz mentén kondenzálódik a munkaközeg. A 4-es pontban már tisztán cseppfolyós folyadékról beszélhetünk.

Ezzel elértük már a célunkat. A környezetből elvont hőt átadtuk a fűtendő szobának. Innentől csak azért érdemes zárni a kört, hogy körfolyamatként, egymás után több ciklusban, végezhessük a fűtést.

A 4-es pontból az 1-es pontba jutunk, ha expandáltatjuk a folyadékot egy turbinán. Eközben villamos energiát is tudunk visszanyerni a folyamatból. (Persze kevesebbet, mint amennyit befektettünk.) A valóságban értelmetlen lenne turbinát használni, mivel a cseppfolyós közeg gyorsan tönkreteszi. Helyette fojtást szoktunk alkalmazni.

A fojtás azt jelenti, hogy lecsökkentjük a közeg nyomását, miközben nem nyerünk ki energiát. Például átvezetjük a folyadékot egy szűkületen, ami ettől nyomást veszít. Így a szaggatott vonal mentén zajlik a folyamat, ami energiaveszteséggel jár, de megspóroljuk vele az állandó turbinajavítást. Anyagilag ez éri meg, ezt szokták alkalmazni.

Ha végiggondolod a folyamatot, akkor láthatod, hogy tényleg lehet egy alacsonyabb hőmérsékletű környezetből való hőelvonás és elektromos energia befektetésének segítségével hőt leadni egy magasabb hőmérsékletű szobában. Így bármilyen körülmények között képesek vagyunk a szobánk fűtésére.

Mi a helyzet a gyakorlattal?

• Szükségünk van egy olyan munkaközegre, ami megfelelő hőmérsékleten tud párologni és kondenzálódni, tehát a körülményekhez alkalmazkodva más és más közeg kell.
• Valóban lehet hideg környezettel is fűteni, de jobban megéri egy meleg környezetet használni. Gyakorlatban a Föld hőjét lehet jól hasznosítani, csak sajnos ehhez mélyre kell ásni és egy komoly szivattyút kell üzemeltetni. A telepítési és üzemelési költségeket fontos mérlegelni egy hőszivattyú telepítésénél. Nagyobb épületeknél könnyebben megtérül a hőszivattyúval való fűtés.
• Gyakorlatilag egészen biztos vagyok benne, hogy te is üzemeltetsz „hőszivattyút”, csak te hűtőnek hívod.

A hűtő és a hőszivattyú működése között nincs érdemi különbség. Egyedül a hasznos hő definíciója különbözik. A hőszivattyúnál az a hasznos hő, amivel a szobát fűtjük, a hűtőnél pedig az a hasznos hő, amit elvonunk a hűtő belsejéből.

A hűtőgépnél villamos energia befektetésével elvonjuk a hűtő belsejéből a hőt, majd leadjuk a hűtő hátulján lévő hőcserélőkön keresztül a szobának a hőt. A folyamat teljesen ugyanaz, mint amit a hőszivattyúnál leírtunk. Egyedül a hatásosság definíciója változik a hűtő esetére, mivel az elvont hő a hasznos hő:

Reméljük, hogy sikerült megértened a hőszivattyú és a hűtő működési elvét. Ezeket a mindennapi folyamatokat érdemes ismerni!

Borítókép:
Pixabay