Elementy pomp ciepła. Budowa, działanie, zasilanie oraz właściwy montaż

W parowniku pomiędzy płytami zlokalizowany jest czynnik chłodniczy w postaci cieczy, charakteryzujący się niską temperaturą wrzenia, po przekazaniu mu temperatury wrze i odparowuje, a powstała para jest sprężana przy użyciu sprężarki do wysokiego ciśnienia. Taki zabieg powoduje jej skroplenie, przy którym następuje wydzielenie dużych ilości ciepła. Po oddaniu ciepła w skraplaczu, czynnik roboczy w postaci cieczy przepływa przez zawór, gdzie obniża się jego ciśnienie i następuje ponowna zmiana stanu skupienia z cieczy w parę. 

Sprężarka wykorzystywana w pompie ciepła ma za zadanie spowodowanie wzrostu ciśnienia czynnika roboczego, tak aby uległ on skropleniu, a przy tym wydzielił ciepło. Najczęściej stosowane w pompach ciepła są sprężarki wyporowe, które rozróżnia się głównie na sprężarki tłokowe oraz rotacyjne. Odmienny jest w ich przypadku sposób, w jaki realizowane jest sprężanie. W wersji tłokowej zachodzi ono w cylindrze, w którym ruchem posuwisto – zwrotnym porusza się tłok, natomiast w wersji rotacyjnej sprężanie zachodzi dzięki elementom wirującym, przez które następuje ciągły przepływ gazu. Sprężarki tłokowe nie są uzależnione od działania sieci energetycznej, ponieważ są zwykle zasilanie silnikiem spalinowym na benzynę lub olej napędowy, natomiast ich wada jest generowany wysoki poziom hałasu. W zależności od potrzeb dobrać można odpowiednie podtypy, przykładowo w zależności od liczby stopni sprężania jednostopniowe i wielostopniowe lub od rodzaju chłodzenia powietrzem lub wodą. Sprężarki rotacyjne także posiadają szeroki wachlarz podtypów, między innymi w zależności od wirujących elementów roboczych, przykładowo wyróżnić możemy: śrubowe, łopatkowe, spiralne, czy z wirującym tłokiem. Obecnie za najbardziej wydajne dla użytku w pompach ciepła uznać można sprężarki inwerterowe. Do ich działania wykorzystywany jest prąd stały, który jest pozyskiwany dzięki zastosowaniu inwertera zamieniającego prąd zmienny 230 V pobierany z sieci na prąd stały 300 V. Daje to możliwość, aby przez zmianę częstotliwości prądu przemiennego, regulować  prędkość obrotową sprężarki, a przez to jej wydajność. Dzięki możliwości stopniowego zwiększania obrotów silnika po stracie, sprężarki inwerterowe pobierają mniejszy prąd rozruchowy, przez co pozwalają na większą oszczędność energii i nie generują wysokich poziomów hałasu. Ich wadą na ten moment jest cena, która jest zauważalnie wyższa, niż dla innych sprężarek. Różnice między działaniem sprężarki standardowej a sprężarki inwerterowej przedstawiono na poniższym rysunku 1.

Rysunek 1. Różnica w pracy sprężarki standardowej i sprężarki inwerterowej

Źródło: https://instsani.pl/technik-urzadzen-i-systemow-energetyki-odnawialnej/vademecum-energetyki-odnawialnej/pompy-ciepla/budowa-sprezarkowej-pompy-ciepla/sprezarki-w-pompach-ciepla/

Kolejnym ważnym elementem pompy ciepła są parownik i skraplacz, które pełnią funkcję wymiennika ciepła. W przypadku parownika pobierane jest ciepło z dolnego źródła, natomiast w przypadku skraplacza oddaje on ciepło do górnego źródła. Oba urządzenia cechują się podobną budową, a ich rodzaj zależy głównie od źródeł ciepła wykorzystywanych przez pompę. Jeżeli jako źródło ciepła wykorzystywane jest powietrze, którego pojemność cieplna nie jest wysoka wymienniki musza mieć dużą powierzchnię wymiany ciepła, na rysunku 2 przedstawiony został przykładowy parownik wykorzystywany w pompie typu powietrze – woda. W urządzeniach typu woda – woda stosuje się natomiast parowiki płytowe lutowane lub uszczelkowe. Ich główną zaletą jest dużo mniejszy rozmiar w porównaniu do wymienników powietrznych. Parowniki niezależnie od swojego rodzaju pracują zazwyczaj w temperaturze powietrza zewnętrznego, a więc są też narażone na spadki temperatur. Już przy temperaturze na poziomie +5^oC rozpoczyna się proces oblodzenia, co wymaga przeprowadzenia odszraniania. Im temperatura bardziej spada, tym częściej jest taka konieczność. Z uwagi na fakt, że oblodzenie parownika obniża sprawność całego urządzenia, ponieważ zmniejszone zostaje pole wymiany ciepła, proces odszraniania musi być wykonywany cyklicznie. Proces na ogół trwa kilka minut i polega na odwróceniu obiegu, przez co gorący czynnik chłodniczy jest przepuszczany przez parownik. Aby uniknąć zbierania się i ponownego marznięcia wody skapującej z rozmarzającego parownika, zaleca się montaż tac pod urządzeniem, które będą ją zbierać a następnie odprowadzać do gruntu. Przy rozmrażaniu parownika pobierana jest energia z sieci, a jej ilość zależy od sposobu i częstotliwości procesu, odległości między lamelami parownika, czy też usytuowania pompy. Ciężko jest dokładnie określić, jaką ilość energii zużywa pompa na odszraniane, natomiast można przyjąć, że w warunkach polskich, gdzie taka konieczność występuje przez około 3 – 4 miesiące w roku, na wszystkie cykle zużywa się około od 2% do 5% całkowitej energii elektrycznej wykorzystywanej przez pompę.

Rysunek 2. Parownik wykorzystywany w pompie ciepła powietrze – woda

Źródło: https://instsani.pl/technik-urzadzen-i-systemow-energetyki-odnawialnej/vademecum-energetyki-odnawialnej/pompy-ciepla/budowa-sprezarkowej-pompy-ciepla/parowniki-i-skraplacze/

Rysunek 3. Parownik płytowy wykorzystywany w pompie ciepła woda - woda

Źródło: https://lns.com.pl/blog/baza-wiedzy/plytowe-i-plaszczowo-rurowe-wymienniki-onda/

Niezbędnym elementem do działania pompy ciepła jest zawór rozprężny, którego zadaniem jest obniżenie ciśnienia czynnika roboczego, tak aby nastąpiło jego całkowite odparowanie. Jego zadaniem jest także dławienie czynnika roboczego, tak aby sprężarka miała możliwość uzyskania wymaganego ciśnienia w skraplaczu oraz rozprężenie czynnika roboczego w momencie powtórzenia obiegu termodynamicznego. Przykładowy schemat zaworu rozprężnego został pokazany na poniższym rysunku 4, gdzie zastosowano następujące oznaczenia: 1 – membrana, 2 – mieszek ciśnieniowy, 3 – popychacz, 4 – dysza, 5 – iglica, 6 – sprężyna, 7 – śruba regulacyjna, 8 – czujnik temperatury, 9 – komora niskiego ciśnienia, 10 – komora wysokiego ciśnienia.

Rysunek 4. Schemat zaworu rozprężnego

Źródło: https://instsani.pl/technik-urzadzen-i-systemow-energetyki-odnawialnej/vademecum-energetyki-odnawialnej/pompy-ciepla/budowa-sprezarkowej-pompy-ciepla/zawory-rozprezne/

Do charakterystyki pompy ciepła wykorzystuje się najczęściej takie parametry jak: moc pompy ciepła (w tym rozróżnienie na moc cieplna i moc chłodniczą), efektywność pompy ciepła (COP) oraz moc elektryczną. Moc pompy ciepła to ilość energii jaką pompa może wytworzyć i przekazać do górnego źródła ciepła. Wyliczana jest jako suma mocy pobieranej z dolnego źródła oraz mocy elektrycznej pobieranej z sieci. Z uwagi na fakt, że pompy ciepła mogą działać w cyklu grzania lub chłodzenia wyróżnia się moc cieplną i moc chłodniczą. Moc cieplna to ilość energii, jaka jest oddawana przez pompę do systemu grzewczego wewnątrz budynku. Natomiast moc chłodnicza to ilość energii, jaka jest pochłaniania z budynku w trakcie chłodzenia.

Do określenia efektywności pompy ciepła wykorzystuje się współczynnik COP (ang. Coefficent Of Performance), które definiuje się jako stosunek ilości dostarczanego ciepła do ilości energii, która została zużyta w trakcie pracy. Wyższy współczynnik jest wskaźnikiem niższych kosztów eksploatacji pompy. Wyraża wzorem COP = Q3/Q2, gdzie Q3 to moc cieplna lub chłodnicza, a Q2 moc elektryczna pompy. Pompy ciepła, które obecnie są na rynku są w stanie uzyskiwać COP na poziomie powyżej 5, dla porównania klasyczny kocioł gazowy uzyskuje wartość około 1. Wskaźnik COP nie jest jednak najlepszym jeżeli chodzi o odniesienie do rzeczywistych warunków, ponieważ wylicza się go zaplanowanych warunków idealnych. Z tego względu korzysta się również ze wskaźnika SCOP (Seasoneal Coefficent Of Performance), który opisuje sprawność pomy ciepła w trakcie całego roku dla klimatu umiarkowanego lub zimnego. Jest to wskaźnik szczególnie przydatny na terenach ze zmienną temperaturą w zależności od pory roku, takich jak na przykład Polska. Daje to możliwość sprawdzenia wydajności cieplnej w różnych warunkach i wyciągnięcie średniej w skali roku.

Montaż pompy ciepła to bardzo istotny etap całej inwestycji, który jest podstawa do jej bezawaryjnego, sprawnego działania. Rodzaj montażu jest przede wszystkim mocno uzależniony od wybranego rodzaju pompy ciepła i sposobu dostarczania energii z zewnątrz (powietrze, grunt, woda). W zależności od dolnego źródła energii znacząco będzie różnić się stopień zaawansowania prac oraz koszty montażu. Najmniej inwazyjny i najtańszy jest montaż pomp ciepła korzystających z powietrza, jako zewnętrznego źródła energii, zdecydowanie inaczej wygląda sytuacja dla pomp gruntowych i wodnych.

Montaż powietrznej pompy ciepła:

• Jednostka zewnętrzna zlokalizowana nie dalej niż 30 cm od ściany domu
• Montaż jednostki zewnętrznej na wysokości co najmniej 40 cm powyżej gruntu
• Montaż jednostki na konstrukcji wsporczej lub betonowym postumencie

Montaż gruntowej pompy ciepła:

• Wymagana instalacja kolektora poziomego lub pionowego
• Dla kolektora pionowego konieczne jest wykonanie odwiertu w gruncie (głębokość około 100 m)
• Dla kolektora poziomego konieczne jest wykonanie płytkiego przekopu (około 1,5 metra) na dużej powierzchni działki

Montaż wodnej pompy ciepła:

• Wykonanie odwiertów, które będą pełnić rolę studni czerpnej i zrzutowej
• Zabezpieczenie instalacji przed je wprowadzeniem do zbiornika wodnego

Montaż pompy ciepła obejmuje także część w środku budynku. Jednostkę wewnętrzną należy zamontować tak, aby zapewnić wygodę w jej codziennym użytkowaniu,  a także w możliwych pracach serwisowych.

Większość pomp ciepła składa się z jednostki wewnętrznej i zewnętrznej i obie z nich wymagają zasilania. Jeden obwód odpowiada za zasilanie sprężarki w jednostce zewnętrznej, a drugi za zasilanie grzałek lub buforu ciepła. Doboru liczby żył i średnicy przekroju przewodów zasilających dokonuje się z uwzględnieniem mocy pompy ciepła i rodzaju zasilania – 1 lub 3 fazy. Głównym zabezpieczeniem pompy ciepła pod kątem elektrycznym są wyłączniki nadprądowe, które umieszcza się w rozdzielni, z której jednym zbiorczym przewodem  biegnący do kotłowni należy realizować zasilanie pompy. Wyłącznik nadprądowy chroni przed skutkami przepływu prądów zwarciowych i przeciążeniowych.

Do kontrolowania poprawnej pracy obwodu elektrycznego jednostki zewnętrznej i wewnętrznej wykorzystuje się skrzynkę bezpiecznikową. Oprócz monitorowania poprawnej pracy, służy ona także do pomiaru zużytej energii. Zestaw skrzynki bezpiecznikowej  powinien zawierać odpowiednio do typu pompy:

-      skrzynkę natynkową o klasie szczelności IP40 oraz pojemności 12 modułów lub 18 modułów w przypadku montażu z grzałkami bufora

-      zabezpieczenie 3-fazowe bezzwłoczne B16/3 lub jednofazowe B16/1 do wpięcia pompy

-      zabezpieczenie 3-fazowe bezzwłoczne B20/3 do wpięcia grzałek bufora i zasobnika

W przypadku podłączania zewnętrznych urządzeń należy stosować przewód LIYCY (TP) 2x2x0,75 lub jego odpowiednik. Alternatywny przewód powinien mieć przekrój wynoszący przynajmniej 0,75 mm2. Powinien to być ekranowany przewód parowany z homologacją do zastosowań zewnętrznych. Maksymalna długość przewodu powinna być nie większa niż 30 m.