Miért jobb egy hőszivattyús klíma mint a hagyományos kompresszoros?

A korábban egyeduralkodónak számító kompresszor-alapú hűtési rendszer ellenfelére talált a hőszivattyús megoldásokban. Mivel a meghajtása hasznos teljesítményt von el, az elektromos járművek fűtése, hűtése a jármű hatótávjára jelentős hatást gyakorol, hiszen a fűtésre az akkumulátorból közvetlenül kell felvenni az energiát. Ez azonban ez nem érződik azonnal a vezető számára – egy belső égésű motorral szerelt járműben már a kompresszor bekapcsolásakor érezhető a teljesítény csökkenése. Az ICE járműveknél a hulladékhővel való fűtés is jellemzi a rendszert.

Az igény létrejötte

Ahogy az elektromos járművek fokozatosan teret nyertek, egyre égetőbb módon vált szükségessé egy olyan rendszer integrálása, amely a kompresszoros megoldásnál hatékonyabb energiafelhasználású, egyúttal szintén kívánatos volt, hogy ne mechanikai úton működtesse az autó.

A belső égésű változatoknál nem jelentett kifejezetten gondot ez a két tulajdonság, hiszen sok egyéb segédberendezés is mechanikai úton kapja a meghajtást, ráadásul a fent említett, sokféle veszteségből adódó hőt is képes a rendszer fűtésre felhasználni.

Az elektromos járművek struktúrájukat tekintve a téma szempontjából igen lényeges pontokon különböznek korábban említett társaiknál.

A hajtáslánc hatásfoka sokkal nagyobb, így a hulladékhő is nagyságrendekkel kevesebb. Ami viszont ennél sokkal lényegesebb, hogy az akkumulátorok energiasűrűsége ma is jócskán elmarad a benzin és a gázolaj mögött, olyannyira, hogy ezt a jobb hatásfok sem pótolja. Ennek következtében minden egyes plusz fogyasztó a hajtásban számottevő hatással bír az autó hatótávolságára.

Az ellenállásos fűtőelem

Az elektromos autók fűtéséhez használt egyik legegyszerűbb szerkezet az ellenállás alapú fűtőelem, amely még a mai napig nagyon sok járműben megtalálható szekunder fűtőrendszerként – nemsokára kitérünk arra is, hogy ennek mi az oka.

Mechanikai meghajtást nem igényel, kevés alkatrészből, megbízható módon képes működni, viszont a hatásfoka nem kiugró, és csak fűtés irányban használható, tehát önmagában kevés a klimatizáláshoz. Létjogosultsága viszont a BEV-típusú autóknál megkérdőjelezhetetlen, hiszen kellően nagy hidegben a hulladékhő egyáltalán nem elég a kabin fűtéséhez a túl jó hatásfok miatt.

(stock fotó – pixabay.com)

A hőszivattyú működése

Az előzőek okán szükségessé vált egy olyan klímarendszer, amely mindkét irányba működik, és számottevően hatékonyabb az energiafelhasználása.

Azt gondolhatnánk, hogy egy lakóházhoz képest kimondottan szerény térfogatú utastér fűtése vagy hűtése elenyésző energiaigénnyel tartható fenn, ám ez csak részigazság.  A gépkocsik szigetelése sokkal gyengébb, és a kifelé áramló levegő mennyisége is nagyobb egységnyi idő alatt, ezért a rendszer méretezésénél jelentősen nagyobb légtérfogatot kell figyelembe venni, mint amennyi egyszerre a kabinban elfér.

A fent említett hatékonyságot az ilyen rendszereknél a COP értékkel mérjük. Ez nem más, mint a leadott hő és a bemeneti teljesítmény aránya. Ez a viszonyszám egy ellenállásnál mindig 1, hiszen nem tud több hőt leadni, mint amennyi energiához hozzáfér.

Ez az a pont, ahol a hőszivattyú a többiek fölé magasodik.

A majdnem 200 éves találmány a hulladékhő felhasználásával akár 1-nél nagyobb COP-értékkel is rendelkezhet, ezáltal jobb lehet a hatásfoka minden más hűtő/fűtő rendszernél.

A hőszivattyús rendszer működési elve hasonló a légkondicionáló egységekéhez: a hűtőközeg összenyomódik és kondenzálódik, hogy megemelje a hőmérsékletét, vagy táguláson és párologtatáson megy keresztül, hogy csökkentse a hőmérsékletét.

Az A/C az alacsony hőmérsékletű hűtőközeget használja a hűvös légáramlás generálására, a kondenzátorok által termelt hő pedig a kültéri egységen keresztül szabadul fel. Ez a jól ismert koncepció létezik a hőszivattyús rendszerben is, azzal a különbséggel, hogy a hőt ahelyett, hogy a szabadba juttatnák, a kabin fűtésére használják fel. Összefoglalva, a hőszivattyú ismétlődő kompressziós, kondenzációs, tágulási és párologtatási cikluson keresztül veti alá a hűtőközeget, és az ezzel járó magas és alacsony hőmérsékletet fűtési és hűtési célokra egyaránt felhasználja.

A probléma

Bármennyire is tűnik ideálisnak a hőszivattyú, vannak a rendszernek hátrányai. A legtöbb változat (különösen azok, amelyek összenyomható hűtőközeget használnak, azaz a többsége) csak meglehetősen korlátozott hőmérsékleti tartományban tud működni – ha túl hideg lesz kint, egyszerűen nem találnak hőt, amelyet a szivattyúval a kabinba pumpálhatnának.

Itt jön képbe újra az ellenállásos fűtőelem: ez az az ok, amiért a hőszivattyú alkalmazása esetén szükség van egy tartalék hőforrásra.

Ezenkívül a COP csökken, ahogy a meleg és a hideg oldali hőmérséklet különbsége nő – más szóval, egy hőszivattyú, amely megpróbálja felfűteni egy autó (vagy egy ház) belterét, csak addig hatékony, amíg a környezeti hőmérséklet nincs túl alacsony tartományban.

(stock fotó – pixabay.com)

A másik faktor, hogy az összenyomható hűtőközeget használó hőszivattyúk mindig bonyolultabbak, mint egy egyszerű rezisztív vagy akár tüzelőanyaggal égető fűtőberendezés, ami általában azt jelenti, hogy kevésbé megbízhatóak, és az említett hűtőközeg vagy gyúlékony (pl. ciklopentán), erős hatású. üvegházhatású gáz (pl. CFC-k vagy klórozott-fluorozott szénhidrogének), vagy mérgező (pl. ammónia).

Fokozatos térnyerés

Az elektromos járművek fogyasztóinak legnagyobb gondja mindig is a viszonylag rövid hatótávolság volt. Ez akkora nyomást jelent a mai napig, hogy minden hátránya ellenőre a hőszivattyús rendszer szinte egyeduralkodóvá vált a piacon.

Pláne úgy, hogy ezek az aggodalmak csak felerősödnek a téli hónapokban, amikor a fűtés bekapcsolása 30-40%-kal csökkentheti a hatótávot. Ez tetemes eltérés – fűtőberendezések ennyi energiát használnak fel. Egy 2014-es felmérés szerint az elektromos autót használók közül sokan hidegben vezettek fűtés nélkül, attól tartva, hogy a fűtés lemerítheti az akkumulátort.

Ezt a felmérés a KIA végezte, és még abban az évben előálltak a hőszivattyús Soul EV-vel. Reprezentatív adattal nem rendelkezünk a változásokról, de az tény, hogy az Ionic Electric 19%-os javulást mutatott a téli hatótávolság csökkenésében, miután hőszivattyúval szerelték fel.

Az első alkalmazás pontosan tíz éve, 2012-ben történt, a Nissan állt elő a Leaf hőszivattyús változatával. A következő dekádban pedig szinte kivétel nélkül az összes gyártó átvette a megoldást.