Pompa ciepła na ciężką zimę: jak działa w minusowych temperaturach?

Zastanawiasz się nad wymianą źródła ciepła w swoim domu? Postaw na rozwiązanie ekologiczne, wygodne i funkcjonalne, które radzi sobie także w środku intensywnej zimy. Dowiedz się więcej o pompach ciepła i o sposobie ich działania w minusowych temperaturach.

Przekraczający wszelkie dopuszczalne normy stopień zanieczyszczenia powietrza jaki występuje w Polsce, szczególnie w okresie grzewczym, nie jest jednak sytuacją nieodwracalną. Warto więc stosować technologie grzewcze sprzyjające ograniczaniu smogu. W naszym klimacie idealną odpowiedzią wydaje się zastosowanie pomp ciepła ZUBADAN produkowanych przez Mitsubishi Electric. Wbrew często słyszanym opiniom, mówiącym, że tego typu urządzenia nie są w stanie sprostać wymogom panującego w naszym regionie klimatu, pompy ciepła radzą sobie w takich temperaturach doskonale.

Skąd więc pochodzi technologia, która umożliwia mam pobieranie ciepła z otoczenia do temperatury zewnętrznej -28°C, a następnie przetransportowanie go do ogrzewanego budynku? Czy następują tu zjawiska wbrew ogólnie panującym zasadom termodynamiki? A może wykorzystywane są inne niż do tej pory znane nam prawa? Najprościej byłoby zadać te pytania Clausiusowi, współtwórcy zasad termodynamiki bądź Lindemu, twórcy pierwszej chłodziarki sprężarkowej, ale niestety w przypadku obydwu Panów spóźniliśmy się przynajmniej o 83 lata. 

Czym jest technologia Zubadan?

W typoszeregu urządzeń split Mitsubishi Electric znajduje się model urządzenia zewnętrznego typu powietrze-woda PUHZ-SHW zwany ZUBADAN, co według języka japońskiego oznacza „super grzanie”. Najważniejszą cechą tych jednostek jest ich temperaturowy zakres pracy w trybie grzania. Technologia, w którą wyposażone są te urządzania, gwarantuje pracę do –28°C na zewnątrz oraz stuprocentową wydajnością nominalną przy temperaturze zewnętrznej do -15°C. Parametry te idealnie wpisują się w polski klimat, gdzie w najchłodniejszej ze stref temperatura projektowa wynosi -24°C. Dla osób z branży klimatyzacyjnej czy grzewczej informacje te są już doskonale znane, ponieważ pierwsze urządzenia Zubadan pojawiły się w Polsce blisko 10 lat temu. Sama technologia jest jeszcze starsza, ponieważ pierwsze urządzenia opuściły linie produkcyjną już w 2005 roku. Początkowo stworzone zostały dla regionu północnej Japonii, gdzie temperatura w mieście Hakkaido dochodziła do -20°C, następnie zaczęto eksportować je do Europy, jako jednostki Zubadan, oraz Ameryki Północnej, jako urządzenia Hyper-Heating.

Pompa ciepła a niska temperatura   

Jednym z najczęściej zadawanych pytań jest: „jak to jest możliwe że te jednostki pracują do tak niskich temperatur?”. Otóż odpowiedzialne za to jest serce układu chłodniczego, czyli sprężarka. W tym przypadku jest to sprężarka typu scroll z technologią Flash Injection, czyli wtryskiem. Dlaczego zastosowano taki rodzaj sprężarki?

Głównym problemem dla powietrznych pomp ciepła jest niska temperatura dolnego źródła ciepła w okresie zimowym. Standardowe urządzenia charakteryzują się spadkiem wydajności już od temperatury zewnętrznej + 5°C  i przy temp. zewnętrznej rzędu –25 °C dysponują zaledwie 55% znamionowej mocy grzewczej.

Wynika to z faktu, iż ciśnienie parowania czynnika przy temperaturze zewnętrznej -28°C wynosi 2,9 bar, a temperatura parowania -30°C (ponieważ w celu pobrania energii musi występować różnica temperatury). Przeprowadzając analizę pracy standardowej jednostki oraz jednostki ZUBADAN o nominalnych mocach 14 kW należy się odwołać do lewobieżnego obiegu Lindego. Porównujemy pompy ciepła wyposażone w sprężarki ANB33FNCMT oraz ANB33FJLMT – z wtryskiem. Dla obliczeń przyjmujemy oznaczenia: INV – standard, FNJ – ZUBADAN. Jednostka typu INV w temp. otoczenia +7°C dysponuje strumieniem masowym INV= 245 [kg/h], zaś w temperaturze otoczenia -28°C INV= 65 [kg/h]. Spowodowane jest to zmianą gęstości czynnika z 31,6 do 10,6 . Mając wartości entalpi h1, h2, h3,4, możemy obliczyć moce jakimi dysponują te urządzenia w danych temperaturach. I tak dla +7°C na zewnątrz h1=423 , h2=475, h3,4=265 [kJ/kg.]

Wydajność grzewczą urządzenia otrzymujemy ze wzoru:

Dla temperatury -28°C na zewnątrz h1’=417, h2’=510, h3,4’=265 [kJ/kg]. Wydajność grzewcza wynosi Q=4,4 [kW]. Jak widzimy, wydajność spada do 30%. Przy tak skrajnie niskich temperaturach zbliżamy się do temperatury tłoczenia rzędu 120°C, która jest niebezpieczna dla oleju i może powodować jego rozpad. Dodatkowo urządzenia wyposażone są w czujniki temperatury płaszcza sprężarki nie pozwalające na przekraczanie temperatur powyżej 110°C.

W przypadku urządzeń typu ZUBADAN technologia utrzymuje stałą wydajność od +5 °C do -15°C. Dzieje się tak, ponieważ urządzenie ma sprężarkę z bezpośrednim wtryskiem mokrych par czynnika do komory scrolla. Stopień suchości pary regulowany jest przez elektroniczny zawór rozprężny w zakresie do x=0.2 do x=1. Dodatkowo urządzenie wyposażone jest w wymiennik typu HIC, gdzie czynnik chłodniczy wstępnie odparowuje, by później trafić do komory sprężania. Efektem tej przemiany jest pobranie ciepła od przepływającej przez wymiennik cieczy, czyli zmniejszenie jej entalpi. W wyniku tego następuje zwiększenie wydajności chłodniczej, czyli zdolności do pobierania ciepła z otoczenia.

Wtrysk pary mokrej

Przy urządzeniu typu Standard, wraz ze spadkiem temperatury zmienia się gęstość czynnika, a co za tym idzie zmienia się strumień masy. Co daje mam wtrysk pary mokrej? Wtrysk czynnika eliminuje to zjawisko oraz obniża temperaturę tłoczenia, zapewniając stałą wydajność oraz możliwość pracy w niskich temperaturach zewnętrznych, ale czy to takie proste? Nie do końca… Cała tajemnica tkwi w rodzaju wtryskiwanego czynnika. Producenci, ze względów bezpieczeństwa, realizują wtrysk czynnika w postaci pary suchej gdzie x=1, ale jeśli spojrzymy na wykres czynnika R410A, zobaczymy że para sucha ma kilkadziesiąt razy mniejszą gęstość niż para mokra, co w konsekwencji może nie wystarczyć do obniżenia temperatury tłoczenia. Występują również sprężarki z wtryskiem „cieczy” gdzie do komory sprężania zostaje podana para mokra o stopniu suchości x=0,2. Wtrysk pary o takich parametrach powoduje znaczne obniżenie temperatury tłoczenia, co w konsekwencji może doprowadzić do sytuacji, w której końcowa temperatura tłoczenia znajdzie się poza obszarem pracy suchej przegrzanej i spowoduje spadek temperatury zasilania skraplacza.

Partnerzy