Jaka płaca, taka... temperatura - klimatyzatory grzewczo-chłodzące (1)

Transkrypt

1 Jaka płaca, taka... temperatura - klimatyzatory grzewczo-chłodzące (1) W celach ogrzewania pomieszczeń coraz powszechniej stosuje się tak zwane klimatyzatory grzewczo-chłodzące. Są to urządzenia zaprojektowane jako chłodzące, w których wprowadzono dodatkowe elementy konstrukcyjne w celu umożliwienia zamiany funkcji wymienników ciepła w jednostkach wewnętrznych i zewnętrznych. Zastosowane rozwiązania adaptacyjne są różne i rzutują na walory użytkowe trybu pracy grzania w dużo większym stopniu niż na chłodzenie. W przypadku pracy klimatyzatora w trybie grzania (pompy ciepła) interesować nas będą dwa aspekty: ekonomika pracy i zakres działania urządzenia. Na rys. 1 przedstawiam schemat chłodniczy urządzenia klimatyzacyjnego, który spełnia tylko funkcję chłodzącą. Pokrótce zastanówmy się, jak wpływają na eksploatację urządzenia poszczególne elementy układu chłodniczego. Wymiennik energii cieplnej jednostki zewnętrznej - podczas chłodzenia będzie pełnił rolę skraplacza. Musi oddać do powietrza zewnętrznego energię cieplną parowania (Qo -odebraną od powietrza w klimatyzowanym pomieszczeniu) i energię wprowadzoną do obiegu freonu przez pracę sprężarki napędzanej silnikiem elektrycznym (Pe - pobór mocy sprężarki), czyli Qo + Pe. Ilość energii cieplnej, jaką może oddać skraplacz do otoczenia, jest wprost proporcjonalna do jego powierzchni, prędkości przepływu powietrza przez lamele wymiennika i różnicy temperatur pomiędzy powietrzem chłodzącym skraplacz i czynnikiem chłodniczym (z uwagi na zmienność temperatur tych mediów wraz z ich przepływem wyznacza się tak zwaną logarytmiczną różnicę temperatur). Dla danej wielkości klimatyzatora im większa będzie powierzchnia wymiennika (w określonym zakresie), tym mniejsza będzie musiała być moc silnika wentylatora wymuszającego przepływ i niższy będzie hałas emitowany przez wentylator (w nowoczesnych urządzeniach klimatyzacyjnych sprężarki są już wyciszone w takim stopniu, że głównym źródłem hałasu jednostki wewnętrznej jest właśnie wentylator). Markowi producenci urządzeń najczęściej przewymiarowują nieco ten wymiennik z uwagi na jego pracę w środowisku zapylonym i zarastanie wymiennika brudem ograniczającym wymianę ciepła. Niestety, im większy wymiennik ciepła, tym jest on droższy. Stąd w marketach możemy kupić tanie klimatyzatory, z wręcz miniaturowymi jednostkami zewnętrznymi, które na dodatek są dość ciche. Jak to możliwe? Może to być okupione celowo podniesioną temperaturą kondensacji, a co za tym idzie, zwiększonym zużyciem energii elektrycznej przez urządzenie. W Polsce najczęściej uchodzi to płazem, bowiem temperatury latem najczęściej nie osiągają 30 C, więc urządzenie sobie poradzi. Jednak gdy pojawią się prawdziwe upały, w serwisach zaczynają się urywać telefony. W przypadku eksploatacji tego rodzaju produktów konieczne jest bezwzględne utrzymanie w czystości wymienników zewnętrznych. Wentylator wymiennika zewnętrznego - jego wydatek powietrza jest dobierany wspólnie z powierzchnią wymiennika i, jak podają producenci, zawsze jest on optymalny (słowo optymalny" zawsze budzi we mnie uśmiech, używają go głównie handlowcy i nigdy nikt nie jest w stanie

2 powiedzieć, dla jakich parametrów brzegowych jest coś zoptymalizowane). Element dławiący - kapilara lub elektroniczny zawór rozprężny. W zasadzie nie stosuje się w klimatyzatorach termostatycznych zaworów rozprężnych. Zaletą kapilary jest jej niewielki koszt (kapilara to miedziana ru ra o średnicy wewnętrznej od dziesiętnych milimetra do kilku milimetrów w zależności od wydajności chłodniczej urządzenia). Wadą jest niezmienna charakterystyka dławienia w funkcji prędkości przepływającego czynnika. Długość kapilary jest tak dobrana, by zapewnić nominalne parametry pracy urządzenia. Sama kapilara nie wymaga utrzymania Minimalnego Sygnału Sterującego, czyli przegrzania czynnika chłodniczego w parowniku (jak ma to miejsce dla TZR), lecz dla zabezpieczenia sprężarki przed zasysaniem pary mokrej klimatyzatory z takim elementem dławiącym projektuje się z przegrzaniem rzędu 6-^8K przy nominalnych warunkach pracy. Kapilara nie posiada jakichkolwiek elementów sterujących. O wiele lepszym energetycznie rozwiązaniem jest zastosowanie elektronicznych zaworów rozprężnych. Dysponują one sporym zakresem różnicy ciśnień dławienia freonu. Pracują zwykle przy przegrzaniu zaledwie 2K. Wymagają jednak zainstalowania przynajmniej dwóch czujników temperatury i układu sterowania. Zawór tego typu nawet w zwykłych klimatyzatorach umożliwia obniżenie kosztów eksploatacji. Z jednej strony zmniejsza zużycie energii elektrycznej przez sprężarkę (małe przegrzanie), a przy temperaturach powietrza różnych od nominalnych obniża stopień sprężania sprężarki, zmniejszając zużycie energii elektrycznej. Przy urządzeniach klimatyzacyjnych wyposażonych dodatkowo w sprężarkę inwerterową oszczędności energii są znaczące. Wymiennik energii cieplnej jednostki wewnętrznej - podczas chłodzenia pełni rolę parownika. Ma podobną budowę co skraplacz, jednak jego powierzchnia wymiany jest znacznie mniejsze niż wynikałoby to z proporcji wydajności chłodniczej do mocy skraplania. Jest to spowodowane tym, że klimatyzatory mają stosunkowo niską temperaturę odparowania w stosunku do temperatury powietrza w pomieszczeniu. Wzwiązku z tym większa jest logarytmiczna różnica temperatur towarzysząca wymianie ciepła, dodatkowo zaś prócz ochłodzenia powietrza na chłodnicy dochodzi także do wykraplania wody zawartej w powietrzu (tak zwane ciepło utajone). Wentylator wymiennika wewnętrznego - podobnie jak w przypadku wentylatora wymiennika zewnętrznego, jest dobierany wraz z wymiennikiem energii cieplnej jednostki wewnętrznej. Sprężarka z separatorem cieczy - w przypadku klimatyzatorów split stosuje się trzy typy sprężarek hermetycznych: z wirującym tłokiem, swing i spiralne. Sprężarki tłokowe są stosowane bardzo rzadko i w zasadzie tylko dla większych wydajności chłodniczych. O ile sprężarka typu swing stanowi odmianę sprężarki z wirującym tłokiem, o tyle sprężarka spiralna ma inną zasadę działania i inną geometrię. Mniejsza jest w nich tak zwana przestrzeń szkodliwa, a to rzutuje na zakres pracy pompy ciepła. Urządzenia klimatyzacyjne pracujące w trybie pompy ciepła, wyposażone w ten typ sprężarki będą sprawnie działały do niższych temperatur powietrza zewnętrznego niż analogiczne urządzenia ze sprężarkami z wirującym tłokiem i swing. Niestety, sprężarki tego typu są zdecydowanie droższe od dwóch pozostałych typów, w związku z czym stosuje się je do urządzeń o wydajnościach chłodniczych powyżej 7 kw. Każda z tych trzech typów sprężarek może zostać wyposażona w silnik z inwerterową regulacją obrotów, a więc posiadać będzie w szerokim zakresie regulację wydajności chłodniczej. Określa się ją jako regulacja płynna, w rzeczywistości jednak jest ona skokowa i wiąże się ze zmianą częstotliwości prądu zmiennego zasilającego silnik sprężarki. Kroki zmiany obrotów są jednak tak małe, że przyjmuje się, że regulacja jest płynna. To, czy sprężarka jest wyposażona w regulację inwerterową, czy też nie, nie rzutuje na zakres pracy pompy ciepła, natomiast fakt ten będzie miał duży wpływ na koszty eksploatacyjne klimatyzatorów.

3 Projekt na parametry. Większość oferowanych na naszym rynku urządzeń tylko chłodzących klimatyzacyjnych projektowana jest na nominalne parametry: temperatura powietrza zewnętrznego 35 G, temperatura termometru mokrego powietrza w klimatyzowanym pomieszczeniu 19 G, temperatura termometru mokrego powietrza w klimatyzowanym pomieszczeniu 27 G. Przy powyższych parametrach temperatura odparowania wynosi najczęściej około 4 G, skraplania 45 G. Dla czynnika chłodniczego R410A będą to ciśnienia odpowiednio: odparowanie około 9 barów, skraplanie około 27 barów. Różnica ciśnień w układzie chłodniczym pomiędzy stroną ssawną i tłoczną wyniesie 18 barów. Stopień sprężania sprężarki wyniesie 2,8. Przyjmijmy przykładowo, że klimatyzator ze sprężarką typu on-off i kapilarą jako elementem dławiącym, będzie posiadał nominalną wydajność chłodniczą 2,5 kw przy zużyciu energii 0,77 kw Pomijając straty energii, przyjmujemy, że moc skraplania podczas pracy nominalnej wyniesie 3,27 kw

4 Z zaworem. Czy wystarczy do powyższego układu chłodniczego wstawić zawór czwórdrogowy, by otrzymać sprawnie działającą pompę ciepła? Rozważmy, co stanie się, gdy powyższy klimatyzator doposażymy w zawór czwórdrogowy (rys. 2). Podczas pracy w trybie chłodzenia warunki pracy prawie się nie zmienią. Zwiększą się tylko opory przepływu freonu z uwagi na wprowadzenie zaworu trój drogowego, powstanie także miejsce niewielkiej wymiany ciepłapomiędzy czynnikiem na ssaniu i tłoczeniu sprężarki. W trybie grzania sprawa nieco się komplikuje: Wymiennik ciepła w jednostce wewnętrznej, który ma mniejszą powierzchnię wymiany ciepła od wymiennika ciepła w jednostce zewnętrznej, będzie musiał oddać ciepło parowania i ciepło wprowadzane do freonu przez sprężarkę. Wymiennik będzie niedowymiarowany. By oddać całe ciepło skraplania, temperatura kondensacji będzie musiała być wyższa o około 20 K od temperatury powietrza zasysanego przez wentylator jednostki wewnętrznej. Jeśli w pomieszczeniu temperatura wynosi 21 G, temperatura kondensacji wyniesie 41 G (ciśnienie kondensacji 25 barów). Zainstalowana w klimatyzatorze sprężarka zachowa nominalny dla trybu chłodzenia przepływ freonu przy stopniu sprężania 2,8, czyli ciśnienie ssania wyniesie około 8,2 bara. Przy zachowanym masowym strumieniu przepływu czynnika chłodniczego element dławiący w postaci kapilary zadławi na ciśnienie czynnika chłodniczego do 18 barów, czyli o 7 barów. Jak widać, charakterystyki przepływowe sprężarki i elementu dławiącego są różne. Punkt współpracy sprężarki i elementu dławiącego będzie różny od punktu współpracy układu chłodniczego w trybie chłodzenia. W porównaniu z trybem chłodzenia w trybie pracy pompy ciepła zwiększy się stopień sprężania sprężarki, co spowoduje zmniejszenie masowego strumienia przepływu czynnika chłodniczego przez sprężarkę, mniejszy strumień przepływu freonu przez kapilarę spowoduje zmniejszenie dławienia. W praktyce taki klimatyzator po doposażeniu go w odpowiednie zabezpieczenia instalacji freonowej nadawałby się tylko do dogrzewania pomieszczeń zlokalizowanych w strefie okołozwrotnikowej w pobliżu morza. Klimatyzator zainstalowany w Polsce będzie grzał dla temperatur powietrza zewnętrznego powyżej 5 G. Ile takich klimatyzatorów trafia do Polski, trudno określić. Ich dystrybucją zwykle zajmują się hipermarkety, a same klimatyzatory mają coraz to nowe nazwy. Czy więc prosty klimatyzator może grzać przy niższych temperaturach powietrza zewnętrznego? Oto przykłady stosowanych rozwiązań: 1. Zastosowanie kapilary o większym dławieniu strumienia pozwala na eksploatację urządzeń klimatyzacyjnych w trybie pompy ciepła do temperatur powietrza zewnętrznego około -5 G. Wady: poprawienie parametrów grzania odbywa się kosztem parametrów chłodzenia - projektowane większe ciśnienie skraplania w trybie chłodzenia zwiększa stopień sprężania sprężarki, co z kolei powoduje większe zużycie energii elektrycznej i intensywniejsze zużywanie się elementów sprężarki. W trybie chłodzenia przy temperaturach powietrza zewnętrznego poniżej 30 C konieczne jest stosowanie regulatorów obrotów wentylatora wymiennika zewnętrznego -jego brak najczęściej prowadzi do oblodzeń wymiennika w jednostce wewnętrznej. 2. Zastosowanie dwóch kapilar pracujących równolegle lub szeregowo pozwala na eksploatację urządzeń klimatyzacyjnych w trybie grzania do temperatury powietrza zewnętrznego około 8 G. Dzięki dwóm kapilarom i jednemu zaworowi zwrotnemu otrzymujemy dwie różne charakterystyki dławienia. Przepływ z mniejszym dławieniem wykorzystywany jest dla trybu pracy chłodzenia, przepływ z większym dławieniem wykorzystywany jest w trybie pracy grzania. Poprawa parametrów grzania nie odbywa się kosztem parametrów chłodzenia. 3. Zwiększenie wydatków powietrza wentylatorów jednostek wewnętrznej i regulacja wydatku powietrza wentylatora jednostki zewnętrznej - dzięki temu rozwiązaniu zmniejszeniu ulegną różnice temperatur pomiędzy odparowaniem i powietrzem zewnętrznym w funkcji oszronienia wymiennika ciepła oraz pomiędzy skraplaniem i powietrzem w ogrzewanym pomieszczeniu. Przy tym zachowanym stopniu sprężania sprężarki możliwa będzie eksploatacja pompy ciepła przy

5 temperaturze powietrza zewnętrznego około -10 C. Wadą rozwiązania jest konieczność zastosowania elektronicznych układów sterowania prędkością obrotową wentylatorów w jednostkach wewnętrznej i zewnętrznej, co jest znacznie droższe w produkcji. Inną wadą jest zwiększenie poziomu emitowanego hałasu przez wentylator jednostki wewnętrznej. 4. Zastosowanie elektronicznego zaworu rozprężnego - czasem jest to sekcja z kapilarą. Zawór ten umożliwia sterowanie przegrzaniem freonu i utrzymanie go na bardzo niskim poziomie sięgającym nawet 2K. Klimatyzatory wyposażone w tego typu zawór wyposażone są w wentylatory o zwiększonym wydatku powietrza w trybie grzania, co w sumie umożliwia pracę nawet do -15 C. Wadąjest konieczność rozbudowy systemu sterowania i jego wysoki koszt, stąd obecnie dla małych wydajności chłodniczych stosuje się je wyłącznie w agregatach z inwerterową regulacją wydajności chłodniczej. 5. Ostatnim sposobem na poprawę parametrów pracy klimatyzatora grzewczo-chłodzącego jest jego projektowanie pod kątem pracy pompy ciepła. Są to urządzenia pełniące rolę jedynych lub głównych źródeł ciepła. Jednostki wewnętrzne mają w stosunku do zwykłych klimatyzatorów grzewczo-chłodzących powiększoną nawet o 50% powierzchnię wymiany ciepła, co umożliwia obniżenie ciśnienia i temperatury skraplania. Jednostki zewnętrzne posiadają przewymiarowane wymienniki ciepła z lamelami o większym rozstawie lamel i wentylator o większym zakresie regulacji wydatku powietrza. Taka budowa jednostki wewnętrznej pozwala utrzymać na możliwie niskim poziomie różnicę temperatur parowania i powietrza zewnętrznego niezależnie od stopnia zaszronienia wymiennika ciepła. Prawdopodobnie oferowane tego typu urządzenia wyposażone są w elektroniczne zawory rozprężne, sprężarki z inwerterową regulacją chłodniczą i zwiększone wydatki powietrza. Tak skonstruowane klimatyzatory umożliwią skuteczne grzanie nawet do temperatury powietrza zewnętrznego -20 G. Jedyną ich wadąjest wysoki koszt zakupu urządzeń. Nie są to jedyne aspekty skutecznego działania pompy ciepła. Ale o tym w następnym odcinku. Rys. 1. Schemat chłodniczy klimatyzatora tylko chłodzącego. Rys. 2. Schemat chłodniczy klimatyzatora grzewczo-chłodzącego - praca w funkcji chłodzenia. Rys. 3. Schemat chłodniczy klimatyzatora grzewczo-chłodzącego - praca w funkcji grzania. Źródło: Autor: Piotr Celmer