zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfazobacz pdfa zobacz pdfa  zobacz pdfa      

Pompa ciepła to urządzenie chłodnicze, którego podstawowym celem jest pozyskiwanie energii cieplnej w procesie chłodniczym. W odróżnieniu od chłodzącego układu chłodniczego automatyka sterująca ukierunkowana jest na uzyskanie temperatur medium chłodzącego skraplacz, a nie medium podgrzewającego parownik.

W pojęciu pompy ciepła typu powietrze-powietrze  mieszczą się urządzenia, które pobierają energię cieplną z powietrza w danym rejonie (który będzie ochładzany) i oddaje bezpośrednio do innego rejonu (który będzie podgrzewany). Niezbędny jest przy tym wkład pracy.

Wyróżniamy pompy ciepła:

* półprzewodnikowe, w których efekt chłodniczy wywołany jest przez prąd stały przepływający przez element półprzewodnikowy, wraz ze zmianą przepływu prądu zmienia się funkcja grzania i chłodzenia stron półprzewodnika; elementy te są powszechnie stosowane w lodówkach samochodowych oraz małych lodówkach stacjonarnych;

* absorpcyjne, w których efekt chłodniczy wywołany jest przez zmianę stężenia czynnika chłodniczego w roztworze krążącym w układzie chłodniczym; rozwiązania te są stosowane w obiektach posiadających duże ilości ciepła odpadowego, np. spalarnie śmieci, obiekty z własnymi źródłami energii (lotniska) itp.

* sprężarkowe, w których efekt chłodniczy wywołany jest przez zmianę stanu skupienia czynnika chłodniczego w funkcji ciśnienia; najbardziej rozpowszechnione pompy ciepła i z tej racji zajmą poniższy artykuł.

Odkąd Komisja Unii Europejskiej zakazała wprowadzania do obrotu klimatyzatorów split (tylko chłodzących), czy jest nam to potrzebne, czy nie, kupując klimatyzator, nabywamy zawsze urządzenie grzewczo-chłodzące, czyli pompę ciepła powietrze-powietrze.

Ten typ urządzeń oznacza, że energia cieplna pobierana jest przez czynnik chłodniczy z powietrza  stanowiącego dolne źródło energii (powietrze zewnętrzne) i oddawana do powietrza górnego źródła energii (powietrze  w ogrzewanym pomieszczeniu) bez mediów pośrednich.

Na ilustracjach przedstawiono schemat działania takiego urządzenia.

Czynnik chłodniczy w postaci pary mokrej trafia do wymiennika ciepła (3) jednostki wewnętrznej, gdzie na skutek kontaktu z rurkami miedzianymi ogrzewanymi przez powietrze zewnętrzne zaczyna wrzeć, odbierając od powietrza zewnętrznego energię cieplną (przy temperaturze powietrza zewnętrznego -15°C czynnik chłodniczy ma temperaturę około -22 ÷ -27°C, co umożliwia wymianę ciepła). Wymiana cieplna jest intensyfikowana przez wentylator wymuszający przepływ powietrza przez wymiennik jednostki zewnętrznej. Urządzenia konstruowane są w taki sposób, by cała cieczowa frakcja czynnika została odparowana. Dalej przegrzane pary (forma wyłącznie gazowa) zasysane są przez sprężarkę (1), gdzie są sprężane. Wskutek procesu sprężania pary zwiększają swoją temperaturę (do około 70°C). Dalej pary kierowane są do wymiennika ciepła jednostki wewnętrznej (6).

Przez wymiennik przepływa powietrze (przepływ wymuszany jest wentylatorem (7)) ogrzewanego pomieszczenia (np. o temperaturze 22°C). Na skutek wymiany ciepła czynnik chłodniczy ochładza się do temperatury skraplania (+35 ÷ +50°C), a następnie wskutek procesu skraplania przechodzi najpierw w parę mokrą, a potem w ciecz z dochłodzeniem około 10 K. W formie cieczy i wysokiego ciśnienia czynnik chłodniczy wraca do jednostki zewnętrznej, gdzie przepływ jest dławiony w elektronicznym zaworze dławiącym (5) do ciśnienia odparowania. Procesowi temu towarzyszy spadek temperatury czynnika z 35°C do wspomnianych wcześniej -22 ÷ -27°C i przejście w stan pary mokrej. Następnie znów następuje proces wrzenia czynnika. Podane powyżej temperatury są przykładowe.

Oczywiście klimatyzator (pompa ciepła) klimatyzatorowi nie równy. Pomimo że producenci podają podobną graniczną temperaturę powietrza zewnętrznego, dla skutecznego działania pompy ciepła na poziomie -15°C, a nawet -25°C, jedno urządzenie pracować będzie skuteczniej, inne troszkę słabiej. Istotą jest przede wszystkim konstrukcja sprężarki i wymiennika ciepła w jednostce zewnętrznej. Dlaczego?

Wymiana energii cieplnej zależy od kilku czynników:

* jest wprost proporcjonalna do logarytmicznej różnicy temperatur powietrza zewnętrznego i temperatury odparowania,
* wprost proporcjonalna do powierzchni wymiany ciepła,
* wprost proporcjonalna do współczynnika przejmowania ciepła.

Niestety układ chłodniczy pracuje tym efektywniej, im wyższa jest temperatura odparowania, tym samym najlepsze pompy ciepła to urządzenia, w których temperatura odparowania nie jest niższa o więcej niż 5÷8 K od temperatury powietrza zewnętrznego termometru mokrego. Dlaczego nie robią tak wszyscy producenci? Dlatego że aby obniżyć różnicę temperatur, trzeba albo zwiększyć powierzchnię wymiany ciepła (czyli wielkość wymiennika ciepła i całej jednostki zewnętrznej), albo zwiększyć współczynnik przejmowania ciepła, a najlepiej i jedno i drugie.

Z tego powodu niektórzy producenci stosują w wymiennikach ciepła jednostki zewnętrznej rurki o przekroju w kształcie litery U zamiast okrągłych, żłobkowanych rurek, a także wymyślne konstrukcje lamel. Jednak to wszystko kosztuje. Dlatego tzw. chińskie produkty nie są tańsze tylko dlatego, że są produkowane w Chinach, ale przez to, że ich konstrukcja jest prostsza, mniej materiałochłonna (czyli tańsza w produkcji), ale i mniej efektywna.

Pompy ciepła powietrze-powietrze w porównaniu do innych typów pomp ciepła charakteryzuje stosunkowo prosta budowa, niski koszt inwestycyjny i bardzo duża sprawność (brak czynników pośrednich). Mają jednak też i wady. Ich eksploatacja wymaga pracy wentylatora w jednostce wewnętrznej, jak i zewnętrznej, przez co emitują hałas (znów niektóre konstrukcje większe, inne mniejsze). Stąd też ich praca w mieszkaniach i domach może być uciążliwa zarówno dla samych mieszkańców, jak i dla sąsiadów. Dlatego, montując takie urządzenia, powinniśmy sprawdzić poziom ciśnienia dźwięku emitowanego przez jednostkę wewnętrzną, zewnętrzną, a najlepiej moc akustyczną. Należy przy tym pamiętać, że:

* niektórzy producenci podają poziom ciśnienia dźwięku przy odniesieniu do 10 μPa, a inni do 20 μPa, czyli przy tej samej podanej wartości urządzenia mogą być dwa razy głośniejsze,
* poziom emitowanego dźwięku podawany jest w skali logarytmicznej, czyli 3 dB(A) różnicy oznacza około dwukrotnie większą głośność,
* jeśli producent podaje głośność w widełkach, np. ±2 dB(A), najprawdopodobniej urządzenie będzie bardzo głośne.

Wiele przy tym zależy od poziomu tła akustycznego. W biurze, gdzie tło wynosi 45÷60 dB(A), jednostka wewnętrzna klimatyzatora praktycznie nie będzie słyszalna, w sypialni, gdzie tło spada poniżej 30 dB(A), należy zastosować urządzenie z najwyższej półki, byśmy mogli spać spokojnie.

Podobnie rzecz się ma z jednostką zewnętrzną. Przy instalacji przy ruchliwej ulicy poziomem ciśnienia hałasu nie powinniśmy się przejmować, przy instalacji na cichym osiedlu trzeba bardzo uważać, by nie narazić się na złość sąsiadów.

Inną wadą jest niska elastyczność systemu. W ten sposób możemy ogrzać tylko jedno pomieszczenie lub –przy zastosowaniu jednostki wewnętrznej kanałowej i systemu kanałów – większy obiekt, ale bez możliwości regulacji temperatury w poszczególnych pomieszczeniach, co może być uciążliwe eksploatacyjnie.

Z problemem tym radzą sobie urządzenia typu multisplit, gdzie do jednej jednostki zewnętrznej podłączonych jest nawet pięć jednostek wewnętrznych. Zasada działania jest ta sama, a jednostka zewnętrzna jest wyposażona w elektroniczne zawory dławiące w ilości równej ilości jednostek wewnętrznych.

Jednak i ten system ma bardzo istotną wadę. Czynnik chłodniczy wracający z jednostek wewnętrznych musi być zdławiony do jednego wspólnego ciśnienia parowania, czyli ciśnienie skraplania we wszystkich jednostkach wewnętrznych musi być jednakowe. Co jeśli w jednym ogrzewanym pomieszczeniu chcemy utrzymać 25°C, a w innym 20°C?
Jednostka wewnętrzna w pomieszczeniu o temperaturze 20°C obniży ciśnienie skraplania w sposób, który uniemożliwi skuteczne ogrzanie pomieszczenia z nastawą temperatury 25°C. Na to rady nie ma.
Producent, według sobie znanego algorytmu, wprowadzi program uśredniający pracę zaworów, a urządzenia, pomimo właściwie dobranej wydajności chłodniczej, nie dogrzeje pomieszczenia o temperaturze 25°C albo przegrzeje to z nastawą 20°C (albo jedno i drugie), a do tego w sposób niezamierzony przez użytkownika wydatki powietrza nawiewanego przez wentylatory w jednostkach wewnętrznych będą się zmieniać (zmieniając tym samym energię cieplną skraplania). Na szczęście zwykle oczekiwania temperaturowe przy trzech pomieszczeniach nie różnią się zbyt wiele. Warto jednak wiedzieć, dlaczego coś czasami nie gra.

Najskuteczniejszym systemem pomp ciepła wielostrefowych są systemy o nazwach VRV, VRF, Supermulti itp. W systemach takich jedna jednostka zewnętrzna obsługuje nawet kilkadziesiąt jednostek zewnętrznych i możliwa jest przy tym w pewnym zakresie regulacja ciśnienia skraplania, a więc lepszego dostosowania jej do zadanych parametrów w ogrzewanych pomieszczeniach, bez względu na panujące w nich temperatury. Systemy te są bardziej rozbudowane. Ich jednostki wewnętrzne wyposażone są w elektroniczne zawory dławiące, które podczas pracy w trybie chłodzenia działają jak typowy zawór dławiący. Niezależnie od tego jednostka zewnętrzna też jest wyposażona w zawór lub zestaw zaworów dławiących.

W uproszczeniu można przedstawić to tak, że w funkcji pracy w trybie grzania zawory w jednostce zewnętrznej przejmują funkcję dławienia czynnika chłodniczego do temperatury odparowania, zaś zawory w jednostkach wewnętrznych pełnią rolę zaworów stałego ciśnienia skraplania.

Czy jest to system bez wad?
Niestety nie. Z pracą zaworów dławiących związana jest emisja hałasu. Lokalizacja tego elementu w jednostce wewnętrznej powoduje, że podczas pracy urządzenia słyszalne są gwizdy, szumy, piski, a w trybie odszraniania wymiennika zewnętrznego także bulgotanie jak w czajniku. Stąd system ten zupełnie nie nadaje się do instalacji w domach jednorodzinnych, choć i na tę wadę konstruktorzy znaleźli rozwiązanie.
Niektóre konstrukcje umożliwiają wyniesienie zaworu dławiącego na instalację poza jednostkę wewnętrzną, tak by można było je zainstalować w pomieszczeniach pomocniczych (korytarzach, łazienkach, garderobach, garażach, strychu itp.).

Warto jeszcze wspomnieć o istnieniu kompaktowych pomp ciepła powietrze-powietrze w formie klimatyzatorów przenośnych lub systemów central wentylacyjnych z kanałowym rozprowadzeniem powietrza. Zasada działania jest identyczna co przy klimatyzatorach split, ale wszystkie elementy urządzenia są zamknięte w jednej obudowie.

Piotr Celmer

 

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij