Zastosowanie pomp ciepła – systemy hybrydowe

Jedną z bardzo wielu możliwości wykorzystania pośredniego chłodzenia wyparnego do klimatyzacji jest hybrydowy system z pompą ciepła. Jest to kompaktowe urządzenie do klimatyzacji pomieszczeń, łączące tradycyjny układ sprężarkowy, oparty na chemicznym czynniku chłodniczym (R410A) z pośrednim wymiennikiem wyparnym, który wykorzystuje zjawisko nierównowagi termodynamicznej powietrza do pozyskiwania odnawialnej energii. Rozwiązanie to pozwala na szersze zastosowanie proponowanej jednostki w bardziej wilgotnych strefach klimatycznych oraz w obiektach o wymaganej dużej mocy chłodniczej. Dzięki zastosowaniu chłodnicy z bezpośrednim odparowaniem R410A możliwe jest osuszanie powietrza w układach z pełną klimatyzacją. Przykładem tego typu rozwiązania może być jednostka H80 firmy Coolerado (rys. 2.).

Rys. 1. Pośrednie urządzenia wyparne: a) pośredni cykl chłodzenia wyparnego (1 – para wodna; 2 – ciepło jawne); b) przeciwprądowy pośredni wymiennik wyparny (A – parametry wejściowe przepływu głównego i pomocniczego; B– parametry wyjściowe przepływu głównego; B’– parametry wyjściowe przepływu pomocniczego); c) ilustracja przemian zachodzących w trakcie realizowania pośredniego chłodzenia wyparnego na wykresie Molliera

Urządzenie H80 może pracować jako pompa ciepła do ogrzewania powietrznego w okresie zimnym z opcją rozbudowy o nagrzewnicę wodną. Praca pompy ciepła przebiega wbrew naturalnemu kierunkowi przepływu ciepła (od temperatury niższej do wyższej). Jest to możliwe dzięki dostarczonej do układu energii za pomocą sprężarki. Dolnym źródłem dla pompy ciepła jest zatem strumień powietrza wywiewanego. Maksymalna wydajność chłodnicza wynosi 17,6 kW, natomiast maksymalna moc grzewcza urządzenia to 44,0 kW. Strumień powietrza klimatyzującego w przypadku jednostki H80 równy jest 2 700 m3/h.

Rys. 2. Jednostka H80 firmy Coolerado

Rys. 3. Wymiennik ciepła i masy realizujący pośrednie chłodzenie wyparne: a) wypełnienie wymiennika; b) schemat przepływu powietrza przez wymiennik

Na rysunku 3a pokazano wypełnienie wymiennika ciepła i masy. Konstrukcja wymiennika opiera się na materiale porowatym, w którym woda rozprowadzania jest równomiernie za pomocą sił kapilarnych. Eliminuje to obecność dysz zaburzających przepływ powietrza. Pośredni wymiennik wyparny wykorzystujący M-obieg (obieg Maisotsenki patrz obok) pozwala na schłodzenie powietrza poniżej temperatury termometru mokrego [2]. Strumień powietrza jest dzielony na przepływ główny oraz przepływ pomocniczy. W kanale suchym powietrze realizuje pośrednie chłodzenie wyparne, co obniża jego temperaturę bez zmiany zawartości wilgoci (rys. 3b). Dzięki zastosowaniu perforacji do mokrych kanałów napływa powietrze wstępnie ochłodzone, które nawilżając się, obniża swoją temperaturę (rys. 3b). Cykl pracy jednostki w okresie letnim z wykorzystaniem wyłącznie świeżego powietrza przedstawiono na rysunku 5. Strumień powietrza zewnętrznego, którego temperatura może wynosić nawet 40°C (warunki obliczeniowe dla większości krajów UE zakładają temperaturę równą 30°C, jednakże w okresie ciepłym często jest ona przekraczana), jest czerpany, następnie przepływa przez przepustnicę (1) i przed wlotem do wymiennika jest filtrowany (2). W pośrednim wymienniku ciepła i masy strumień powietrza jest dzielony na dwie części, które realizują pośredni obieg chłodniczy Maisotsenki (3). Przepływ główny jest dodatkowo schładzany na chłodnicy w układzie sprężarkowym, co pozwala również na jego osuszenie (5). W tak skonstruowanym urządzeniu możliwe jest obniżenie temperatury powietrza z 43°C do temperatury powietrza nawiewanego równej nawet 13°C. Następnie powietrze jest rozprowadzane siecią kanałów do użytkowników (6). Należy zaznaczyć, że ograniczeniem efektywności urządzenia jest poziom zawartość wilgoci w strumieniu zewnętrznym. Powietrze pomocnicze po realizacji procesów wymiany ciepła i masy w typowym rozwiązaniu jest usuwane z układu. W prezentowanym systemie fakt, że temperatura przepływu roboczego jest niższa niż otoczenia został wykorzystany do poprawienia sprawności układu sprężarkowego – przepływ pomocniczy wykorzystywany jest do chłodzenia skraplacza (7). Następnie powietrze jest usuwane na zewnątrz za pomocą wentylatora wywiewnego.