W artykule przedstawiono rozwiązania powietrznych pomp ciepła ze szczególnym uwzględnieniem sposobu realizacji cyklu odszraniania stosowanego przez wybrane firmy. Istotnym czynnikiem wpływającym na przebieg procesu odszraniania i jego sprawność jest moment inicjacji procesu i jego zakończenia. Analiza dostępnych na rynku powietrznych pomp ciepła pozwoli na wykazanie najkorzystniejszego energetycznie rozwiązania.

Współczesne powietrzne pompy ciepła (PPC) coraz częściej pracują w warunkach szronienia, co powoduje konieczność ich okresowego odszraniania. Najczęściej odszraniane są gorącym gazem czynnika chłodniczego, co realizowane jest głownie przez odwrócenie obiegu. Powoduje to okresowe oziębienie wymiennika ciepła górnego źródła i wyłączenie ogrzewania pomieszczeń lub ciepłej wody użytkowej. Odpowiednia organizacja procesu odszraniania i optymalizacja częstości cykli może znacząco przyczynić się do ograniczenia zużycia energii elektrycznej, poprawiając efektywność energetyczną PPC oraz sprawność samego procesu. Jak wykazują obserwację powietrznych pomp ciepła, są one zbyt często odszraniane. Proces jest wówczas realizowany nawet przy niewielkim lub zerowym oszronieniu powierzchni zewnętrznego wymiennika ciepła. W takich warunkach sam proces trwa bardzo krótko, podczas gdy powrót do normalnej pracy pompy ciepła trwa dwa do trzech razy dłużej od procesu odszraniania. Takie rozwiązanie powoduje dodatkowy spadek wydajności i efektywności energetycznej urządzania.

Analiza dostępnych na rynku powietrznych pomp ciepła pozwoli na wykazanie najkorzystniejszego energetycznie rozwiązania. Właściwą przesłanką dla decyzji o odszranianiu powinna być rzeczywista grubość warstwy szronu na powierzchni wymiennika ciepła δ ≥ δgr. Ocena wielkości δgr wynikać powinna z analizy budowy wymiennika – głównie z podziałki jego żeber. Należy stwierdzić, iż stosowana podziałka żeber w wymiennikach wynosi 1,5÷3,0 mm.

Inicjacja procesu odszraniania powietrznych pomp ciepła

Jednym z ważniejszych czynników wpływających na przebieg procesu odszraniania i jego sprawność jest moment inicjacji. Projektując czy dobierając system sterowania procesem odszraniania należy rozważyć szereg parametrów eksploatacyjnych powietrznej pompy ciepła. W dostępnej literaturze [1] opisywanych jest kilka metod inicjacji procesu odszraniania powietrznych pomp ciepła czy innych urządzeń chłodniczych eksploatowanych w warunkach szronienia [2]. I tak cykl odszraniania może być inicjowany:

- według nastawy czasowej. Metoda ta jest niekorzystna z punktu widzenia energetycznego, często może się okazać, że proces odszraniania realizowany jest przy czystej, nieoszronionej powierzchni wymiennika. W takiej sytuacji bardzo często się zdarza, że powrót pompy ciepła do normalnej pracy w trybie grzania trwa dłużej niż proces odszraniania. Czas inicjacji odszraniania jest dobierany tak, aby zapewnić bezpieczną pracę układu w najbardziej niekorzystnych warunkach;

- według nastawy czasowej z uwzględnieniem temperatury parowania czynnika chłodniczego to lub jego ciśnienia po. W miarę jak na powierzchni wymiennika ciepła tworzy się warstwa szronu temperatura i ciśnienie odparowania czynnika chłodniczego obniżają się.

Kiedy temperatura lub ciśnienie osiągną zadaną wartość następuje inicjacja procesu odszraniania;

- wartością różnicy temperatury pomiędzy temperaturą powietrza, a temperaturą wrzącego czynnika chłodniczego. Gdy wartość różnicy temperatury wzrośnie powyżej określonej wartości następuje inicjacja procesu. W tym przypadku, może się zdarzyć, że na skutek zanieczyszczenia powierzchni wymiennika zmaleje strumień powietrza omywającego wymiennik i dojdzie do nadmiernego wzrostu różnicy temperatury pomiędzy powietrzem i czynnikiem, co będzie stanowić sygnał dla inicjacji procesu odszraniania;

- wartością wzrostu różnicy ciśnienia powietrza omywającego zewnętrzny wymiennik ciepła. Tworząca się na powierzchni zewnętrznego wymiennika ciepła warstwa szronu powoduje wzrost oporów hydraulicznych, co prowadzi do spadku natężenia strumienia powietrza omywającego wymiennik i wzrostu różnicy ciśnienia Δppow powietrza na wymienniku. Gdy wartość różnicy ciśnienia Δppow osiągnie określoną wartość, następuje inicjacja procesu odszraniania. W metodzie tej, wymagane jest zachowania czystości powierzchni wymiennika ciepła. Może się zdarzyć, że na skutek dużego zanieczyszczenia powierzchni wymiennika ciepła wzrosną opory hydrauliczne i system sterowania pompy ciepła odczyta to jako sygnał dla inicjacji procesu odszraniania;

- wartością wydajności grzewczej pompy ciepła Qg [1]. Tworząca się na powierzchni warstwa szronu prowadzi do obniżenia wydajności dolnego źródła ciepła Qo i w konsekwencji wydajności grzewczej pompy ciepła. Zjawisko to może zostać wykorzystane, jako sygnał sterujący inicjacją procesu odszraniania. W momencie, gdy wydajność Qg=f(tz) obniży się do wartości Qgmin=f(tz), wówczas następuje inicjacja procesu odszraniania. Należy tu zaznaczyć, że wartość Qg jest funkcją temperatury powietrza zewnętrznego tz. W tym przypadku istnieje niebezpieczeństwo, że zanieczyszczenie powierzchni lub awaria wentylatora może sygnalizować potrzebę odszraniania. Stąd, w tego typu systemach należy stosować dodatkowe zabezpieczenia.

Powietrzna pompa ciepła Carriera (...)

Inicjacja procesu odszraniania w określonych odstępach czasowych Δτ (...)

Inicjacja procesu odszraniania wartością spadku ciśnienia powietrza Δp (...)

Powietrzne pompy ciepła Danfossa

W ofercie firmy Danfoss występują dwa różne rozwiązania powietrznych pomp ciepła: DHP-A (AL.) i DHP-AX. W pierwszym z nich ciepło od powietrza atmosferycznego odbierane jest w systemie pośrednim, a w drugim przypadku czynnik chłodniczy wrząc w zewnętrznym wymienniku ciepła odbiera ciepło od powietrza.

Ideowy schemat powietrznej pompy ciepła firmy Danfoss z serii DHP-A (Al) został przedstawiony na rys. 3 [6]. Ciepło od powietrza atmosferycznego odbierane jest tu w systemie pośrednim. W zewnętrznym wymienniku ciepła (6) zimny glikol ogrzewa się kosztem ciepła z powietrza, następnie jest chłodzony w parowaczu (4). Różnica temperatury w dolnym źródle ciepła zgonie z danymi firmy wynosi 3 K.

Rys. 2. Charakterystyka pracy PPC Cariera: φotoczenia – wilgotność powietrza zewnętrznego, t1 – temperatura otoczenia, t2 – temperatura w górnym źródle, QG – wydajność grzewcza PPC, 1 – stan pracy (0 – pompa ciepła wyłączona, 2 – pompa ciepła włączona, 3 – pompa ciepła pracuje wspomagana piecem gazowym), Δt - różnica temperatur czynnika chłodniczego na wyjściu z zewnętrznego wymiennika ciepła i powietrza atmosferycznego, Δp – spadek ciśnienia powietrza omywającego wymiennik ciepła [3]

Rys. 3. Ideowy schemat powietrznej pompy ciepła – cykl pracy odszranianie: 1 – sprężarka, 2 – skraplacz, 3 – zawór rozprężny, 4 – parowacz, 5 – zawór trójdrogowy (odszraniania), 6 – jednostka zewnętrzna (wymiennik pobierający ciepło z otoczenia), 7 – pompa obiegu dolnego źródła, 8 – zasobnik ciepłej wody z płaszczem, 9 – pompa obiegu górnego źródła [6]

W odróżnieniu do pompy ciepła oferowanej przez Carriera, zastosowano tu system odszraniania gorącym glikolem zmagazynowanym w podwójnej ścianie zasobnika ciepłej wody użytkowej (8). Podczas procesu odszraniania gorący czynnik tłoczony jest przez zawór trójdrogowy (5) do zewnętrznego wymiennika ciepła. Zawór ten jednocześnie umożliwia mieszanie gorącego płynu ze zbiornika z czynnikiem obiegowym dolnego źródła tak, aby temperatura płynu kierowanego do zewnętrznego wymiennika wynosiła około 15°C.

Proces odszraniania w prezentowanym rozwiązaniu powietrznej pompy ciepła firmy Danfoss przebiega według następującego schematu [6]: inicjacja procesu ma miejsce, gdy temperatura czynnika roboczego w obiegu dolnego źródła osiąga wartość zadaną dla odszraniania. Następnie zostaje zatrzymana sprężarka i wentylator zewnętrznego wymiennika ciepła. Zawór trójdrogowy (5) otwiera się, umożliwiając mieszanie gorącego czynnika roboczego ze zbiornika do odszraniania z zimnym czynnikiem dolnego źródła, płynącym do jednostki zewnętrznej. Proces mieszania gorącego glikolu ze zbiornika z zimnym jest tak prowadzony, aby uzyskać ciecz o temperaturze około 15°C. Podgrzany glikol przepływając przez zewnętrzny wymiennik topi warstwę szronu. Zakończenie procesu odszraniania następuje, gdy temperatura glikolu na wyjściu z zewnętrznego wymiennika ciepła wzrośnie powyżej 11°C (nastawa fabryczna), wówczas zawór trójdrogowy zamyka przepływ glikolu ze zbiornika do odszraniania. Pompa ciepła powraca do normalnej pracy. (...)

Powietrzna pompa ciepła Viessmanna

W dostępnej literaturze firmy Viessmann zakres informacji dotyczących procesu odszraniania jest ograniczony. Zgodnie z danymi firmy do niedawna w powietrznych pompach zewnętrzny wymiennik ciepła odszraniany był grzałkami elektrycznymi, w najnowszych modelach proces odszraniania realizowany jest gorącym gazem czynnika [10], [11]. Moc instalowanych grzałek zależy od wydajności cieplnej urządzenia i waha się w granicach od 2,1 kW dla urządzenia o nominalnej wydajności cieplnej 5,4 kW, do 4,7 kW dla wydajności 14,6 kW. W przypadku pomp ciepła wyposażonych w system odszraniania gorącym gazem zgodnie z danymi zawartymi w dokumentacji technicznej [8] moc odszraniania waha się od 3,3 kW dla pompy ciepła o nominalnej wydajności cieplnej 10,6 kW, do 6,2 kW dla wydajności 18,5 kW. Procentowy czas odszraniania waha się w granicach od 7 do 17%.

Zgodnie z informacjami producenta proces odszraniania przebiega następująco:
- inicjacja procesu odszraniania następuje w zależności od ciśnienia czynnika chłodniczego w parowaczu,
- proces odszraniania trwa do momentu, gdy temperatura czynnika na wyjściu z parowacza wzrośnie do 20°C lub osiągnięty zostanie τod max.
- maksymalny czas odszraniania τod max = 30 minut,
- minimalny odstęp pomiędzy kolejnymi cyklami wynosi 1,5 h.

Algorytmy sterowania procesem odszraniania powietrznych pomp ciepła (...)

Podsumowanie

Analizowany w artykule materiał pozwala na sformułowanie następujących wniosków:
- wysoka częstość odszraniania jest następstwem zbyt małej podziałki żeber oziębiaczy powietrza pompy ciepła,
- w obecnie używanych systemach sterowania odszranianiem najczęściej nie jest mierzony stan oszronienia,
- istnieje możliwość poprawy efektywności energetycznej pomp ciepła dzięki racjonalizacji cyklu odszraniania,
- konieczna jest dokładna analiza przyczyn stosowania w oziębiaczach powietrza pomp ciepła tak małej podziałki żeber.

LITERATURA

[1] Li CHUN-LIN, Li JUN-MING, Wang RUI-XIANG: Defrost control method for air heat pump based on average heating capacity” 7-th International Energy Agency Conference on Heat Pumping Technologies, 2002.
[2] ZAKRZEWSKI Bogusław: Odszranianie oziębiaczy powietrza. WNT Warszawa 2007 r.
[3] Improved Defrost Cycle for Heat Pump Systems and Comparisons of heating systems for Moderate Climates by Joe Meha.
[4] Dokumentacja techniczna pompy ciepła 25HNA9 Carriera.
[5] ZAKRZEWSKI Bogusław, HRYCYK Ewelina: Eksploatacji powietrznych pomp ciepła w warunkach szronienia. Chłodnictwo 11/2008.
[6] Instrukcja montażu i serwisu pomp ciepła Danfoss. 2008.
[7] Instrukcja montażu i serwisu pomp ciepła Danfoss seria DHP-AX. 2009.
[8] ZAKRZEWSKI Bogusław, HRYCYK Ewelina: Systemy odszraniania powietrznych pomp ciepła. Chłodnictwo 10/2008.
[9] NIKOŃCZUK Piotr, ZAKRZEWSKI Bogusław, HRYCYK Ewelina: Automatyzacja cyklu odszraniania oziębiaczy powietrza. Chłodnictwo 8/2009.
[10] Instrukcja montażu i serwisu pomp ciepła Hermia. 2008.
[11] Dokumentacja techniczna pompy ciepła Viessann – Vitocal 300.
[12] Dokumentacja techniczna pompy ciepła Viessann – Vitocal 350.