Hogyan működik a villanyautók hőszivattyús fűtése?

Villanyautós körökben gyakran felmerül a kérdés egy-egy járgány kapcsán, hogy „Milyen a fűtése, fűtőszálas vagy hőszivattyús?”. A kérdés sok esetben jogos, hiszen a két rendszer között fogyasztásban akár háromszoros eltérés is tapasztalható. De mi a fene az a hőszivattyú és hogyan fogyaszthat kevesebbet, mint egy fűtőszál, ami közismerten a villamos energia 100%-át hővé alakítja? A következőkben erre a kérdésre fogunk választ kapni.

Mi az a hőszivattyú?

A hőszivattyú egy termodinamikai körfolyamatot megvalósító berendezés, amely két hőcserélőből, egy kompresszorból, csövekből, szelepekből és a hőt továbbító gázból áll. A folyamat során az egyik hőcserélő melegebb lesz, ezáltal hőt ad le, a másik hőcserélő pedig hidegebb lesz, tehát hőt von el a környezetéből. Ha valakinek még mindig nem esett le, hogy miről van szó, az gondoljon a kutya közönséges háztartási hűtőgépre, vagy a jól ismert klímaberendezésekre.

Akiben az a kérdés merült fel, hogy mi köze a hűtőgépnek és a klímának a fűtéshez, azt arra kérem, hogy álljon fel, menjen ki a konyhába és óvatosan tapogassa meg a hűtőszekrény hátulján lévő fém rácsot (ha a hűtő hátulján nincs rács akkor az már egy igazán modern hűtőgép aminek a hőcserélője máshová van elrejtve). Na ugye, a rács egészen meleg, mert a hűtőszekrény belsejéből a hőt a hőszivattyú kiszivattyúzza a hátul elhelyezett hőcserélőre, ahonnan a meleg lakásba távozik.

Ugyanez a helyzet a split klímaberendezésekkel is, ahol minden esetben van egy lakáson kívüli és egy lakáson belüli gép, ráadásul mindkettőben van ventilátor is a gyorsabb hőleadás érdekében. Amikor a lakást hűtjük, akkor tulajdonképpen a környezetet fűtjük a lakásból kiszívott hővel. Egyes klímaberendezések tudnak a hűtés mellett fűteni is. Ilyenkor nem történik más, mint hogy a két hőcserélő szerepe felcserélődik. Amelyik eddig meleg volt az lesz a hideg és fordítva. Amikor odabent meleget csinálunk, akkor a kinti hideget még hidegebbé tesszük a berendezés segítségével.

Részletesebben

Kicsit jobban belemenve a technikai részletekbe, a hőszivattyú egy olyan erőgép, amely a befektetett mechanikai energiát (munkát) hőmérséklet különbséggé alakítja. Lehetőség van ennek fordítottjára is, de ez a berendezés a gyakorlati életben sokkal ritkább. A hőszivattyú tehát minden esetben tartalmaz egy kompresszort, amit valahogy meg kell forgatni. Hagyományos autóknál a kompresszor meghajtását a motor főtengelyéről szíjhajtással levett teljesítmény végzi, elektromos autóknál viszont egy néhány kilowattos villanymotor (csakúgy mint a hűtőgépnél és a háztartási klímánál).

A hőszivattyú működési elve. 1: meleg oldali hőcserélő; 2: fojtószelep; 3: hideg oldali hőcserélő; 4: kompresszor. Forrás: Homer Landskirty

A kompresszor (4) összenyomja a csövekben lévő gáz halmazállapotú anyagot, amely ettől felmelegszik. A meleg gáz hőjét átadja a meleg oldali hőcserélőnek (1), ami pedig továbbadja a levegőnek, ezáltal a gáz lehűl és sok esetben a nagy nyomás miatt folyékony halmazállapotúvá válik. A folyadék ekkor egy elektronikusan vezérelt szelepen (2) keresztül átkerül egy alacsony nyomású térbe, a hideg oldali hőcserélőbe, ahol elpárolog és újra gáz halmazállapotot vesz fel. A párolgás következtében lehűl, ami ezzel együtt a hideg oldali hőcserélőt (3) is hűti. A hideg és meleg oldal hőcserélője négyjáratú szelepekkel megcserélhető, ezáltal szabadon megválaszthatjuk, hogy hűteni vagy fűteni szeretnénk a berendezéssel.

Suzuki Swift klímájának külső hőcserélője a hűtőventilátorral. Fotó: Magyar Péter

A hőcserélőkről a meleget illetve a hideget általában ventilátorok segítségével juttatjuk a környezetbe és az utastérbe. Az autókban lévő külső hőcserélő egyébként kinézetre nem sokban különbözik a hagyományos autók vízhűtőjétől, tele van rendkívül sok finom lamellával, ami miatt hatalmasra nő a hőleadó felület. A belső hőcserélő is nagyon hasonlóan néz ki, csak az el van rejtve valahol a szellőzőrendszerben.

Suzuki Swift klímájának belső hőcserélője. Fotó: Magyar Péter

A hőszivattyú maximális teljesítményét alapvetően a kompresszor nagysága (hajtásának teljesítménye) és a hőcserélők hőleadó felülete határozza meg. Ha a hajtóteljesítményt csökkentjük, akkor a hűtő-fűtő teljesítmény is csökken. Ez villanymotoros meghajtás esetén igazán finoman szabályozható. Ezzel a megoldással működő berendezéseket a köznyelvben inverteres klímának is nevezik.

És mi a helyzet az villanyautóknál?

A villanyautók esetében pontosan ugyanez a működési elv. A klímaberendezés nyáron hűt, télen pedig fűt. Ilyen egyszerű az egész. Nincs is igazán különbség a két működési mód között és plusz berendezés beépítése sem szükséges (kivéve az irányváltást lehetővé tévő szelepeket). Jogosan merül fel ezek után a kérdés, hogy miért alkalmaztak egyes elektromos autóknál mégis elektromos fűtőszálakat az utastér melegítésére? A válasz az alkatrészek árában keresendő. A klímaberendezés irányának megfordításához szükség van néhány útválasztó szelepre és egy vezérlő elektronikára, ami felügyeli a működést. Ennek a beépítési költsége valószínűleg meghaladja filléres ellenálláshuzalra fordított összeget. Sajnos a későbbi fogyasztáskülönbség a gyártáskor nem volt szempont, sokáig ezért nem is törekedtek a hőszivattyús fűtés beépítésére a gyártók.

A 2018-as Nissan LEAF motortere. A bal felső sarokban a klímaberendezés alumíniumcsövei láthatók. Fotó: Magyar Péter

De miből adódik a fogyasztáskülönbség?

A fűtőszál ugye majdnem 100%-os hatásfokkal dolgozik, de hogyan lehet ezt megháromszorozni. A választ a hőtani körfolyamatban kell keresni. A bevitt villamos energiát nem közvetlenül fűtésre, hanem a hőszivattyú működtetésére fordítjuk. Tehát a meleg oldalon megjelenő hőenergia csak egy kis része származik a bevitt áramból, a nagyobbik része a hideg oldali hőcserélőből, vagyis az utastéren kívülről származik. Ez az oka annak, hogy sokkal hatékonyabban fűt és kevesebb energiát igényel a modern hőszivattyús fűtés mint a konzervatív cekaszos.

Érdemes megemlíteni, hogy általában a hőszivattyús villanyautókban is van fűtőszál olyan esetekre amikor a külső környezet egyszerűen túl hideg ahhoz, hogy érdemben hőt lehessen elvonni belőle (-20-30 °C alatt). Ilyenkor kénytelen besegíteni a fűtőszál, hogy az utasok mégse fagyjanak meg odabent.

Ma már szinte minden modern autóban alapfelszereltség a hőszivattyú, amit egyszerűen csak klímaberendezésnek hívunk. Szerencsére a villanyautók legtöbbjében a gyártó megteszi azt a szívességet, hogy beépíti az áramlási irány megfordítását lehetővé tévő többlet alkatrészt, az amúgy is alapként bent lévő klímába, annak érdekében, hogy a villanyautók hűtése mellett a fűtése is takarékos legyen. Ezt az állapotot hívjuk a hőszivattyús fűtésnek és ezért van az, hogy manapság a fűtés nem csökkenti sokkal jobban a hatótávot, mint a klímaberendezés használata. Tulajdonképpen egy és ugyanazon eszközről beszélünk.

Érdekel a villanyautók technológiája? Szeretnéd tudni milyen akkumulátorok, motorok és egyéb berendezések találhatók az elektromos autókban? Akkor nézz szét a Kisokos menüpont alatt, ahol sok érdekes technikai jellegű írás vár!

Magyar Péter

Villamosmérnökként szakmai csodálattal tekintek minden elektromos járműre, ugyanakkor azt látom, hogy sok az ismerethiányból adódó ellenérzés irántuk. Írásaimmal ezen szeretnék pozitív irányban változtatni!