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).

EZT OLVASTAD MÁR?  Az SUV szegmensbe is betör a hihetetlen pickup megalkotója
A hószivattyú 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.

EZT OLVASTAD MÁR?  Négy éven belül 10 teljesen elektromos Mercedes jöhet
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!

Elektromos autót használsz?

Magyar Péter

Végzettségem szerint villamosmérnök és közgazdász vagyok. 10-15 éve olvasok autós magazinokat. Azóta várom az elektromos autók elterjedését de még ma is hatalmas az ellenállás a műfajjal szemben. Írásaimmal szeretném érthetővé tenni az elektromos járművekkel kapcsolatos fogalmakat, mértékegységeket és szeretnék segítséget nyújtani abban, hogy milyen szempontok szerint érdemes közelíteni a villanyautózás felé.