2023-11-13

Szronienie i odtajanie parownika powietrznej pompy ciepła

Tegoroczna jesień jest łaskawa ale sezon na szronienie i odtajanie z pewnością możemy uznać za otwarty.

Zakładając, że czynnik w parowniku pracuje w temperaturze poniżej zera stopni Celsjusza możemy spodziewać się pojawienia nalotu szronu na lamelach wymiennika nawet w temperaturze dodatniej powietrza zewnętrznego. Uznaje się, że najintensywniej parowniki pomp ciepła szronią się pomiędzy +5 a -5 st. C.

Sprzyja temu wysoka wilgotność powietrza w okresie jesiennym dochodząca nawet do 100%.

Kiedy temperatura powietrza spada poniżej zera, nie ma wątpliwości iż parownik musi się oszronić
w czasie pracy, tym bardziej, że wilgotność powietrza jest jeszcze całkiem spora.

Ze spadkiem temperatury poniżej -5 stopni spada znacznie wilgotność powietrza i mimo niższej temperatury szronienie postępuje wolniej.

Duże znaczenie w procesie szronienia ma również prędkość powietrza wynikająca z prędkości wentylatora. Im prędkość powietrza będzie wyższa tym struktura szronu będzie bardziej zbita, gęstsza.

Parownik i wentylator pracuje w największym obciążeniu blisko temperatur obliczeniowych, poniżej – 15 stopni Celsjusza. Takich godzin w sezonie przy odpowiednio dobranej mocy pompy jest stosunkowo mało i nie ma to większego znaczenia dla bilansu rocznego. Inaczej się sprawy maja w przypadku niedoszacowania mocy pompy do potrzeb budynku. Takie urządzenie nawet przez 30% sezonu i więcej pracuje na najwyższym możliwym poziomie.

Maksymalne obciążenie parownika i maksymalne obroty wentylatora przez długie godziny powodują bardzo szybkie i gęste zaszronienie.

Ekstremalnie może się zdarzyć, że pompa wpadnie w „autokonsumpcję ciepła”. To oznacza, że ciepła od cyklu do cyklu odtajania wystarczy tylko na odtajanie albo niewiele więcej. Jako ratunek pozostaje tylko wspomaganie np. grzałką przepływową. W grę wchodzi również zastąpienie pompy ciepła innym źródłem już w nowym wyższym punkcie biwalentnym.

Możemy zatem stwierdzić, że pierwszy problem z odtajaniem parownika możemy mieć bez udziału instalacji, poprzez nieodpowiedni dobór urządzenia. Jeśli mamy bufor w instalacji, pompa często potrafi jedynie utrzymać temperaturę zadaną na buforze i nic poza tym.

Ten problem nie istniałby gdyby np. odtajanie parowników było realizowane przez bezpośrednie ogrzanie wmontowanymi w parownik grzałkami elektrycznymi. Rozwiązanie kłopotliwe serwisowo, produkcyjnie
i kosztowo zarówno w fazie produkcyjnej jak i w czasie eksploatacji.

Niektórzy producenci zdecydowali się na montaż grzałek w jednostkach monoblokowych, po stronie wodnej do wspomagania pracy PPC również defrostu. Inni poszli nawet dalej i załączenie takich grzałek wymuszone zostaje automatycznie w momencie inicjacji procesu odszraniania. Już nie trzeba się martwić skąd pompa weźmie ciepło do odszraniania. Nie martwi się producent i instalator ale użytkownik już niestety tak bo to on zapłaci najdrożej jak tylko można za ten proces.

W zdecydowanej większości pomp ciepła małej mocy proces odtajania parowników odbywa się poprzez odwrócenie cyklu na zaworze czterodrogowym chłodniczym. Parownik ze skraplaczem zamieniają się miejscami i ciepło potrzebne do stopienia szronu pobierane jest ze skraplacza czyli z wody grzewczej.

Teraz nasuwa się oczywiste pytanie, ile tego ciepła potrzeba do skutecznego odtajania w jednym cyklu?

Gdybyśmy się poświęcili i zebrali cała masę wody ze stopionego szronu z wszystkich defrostów z sezonu
i podzielili przez ich ilość otrzymalibyśmy średnią masę szronu na jeden cykl. Ciepło właściwe i ciepło topnienia lodu jest znane więc moglibyśmy obliczyć średnie ciepło potrzebne do jednego cyklu odszronienia parownika. Musielibyśmy jeszcze dorzucić straty ciepła linii chłodniczej po drodze do parownika.

Lepsza metoda to monitorowanie ciepła pobranego z instalacji w czasie defrostu. Np. temperatura wody w buforze przed defrostem 40 st. po 30 st. i przepływ 150 l = 1740 W.

Defrost defrostowi nierówny i ilość ciepła, która jest potrzebna do defrostu najlepiej odnieść do mocy pompy. Wielkość ta zawiera się w przedziale od 15–30% mocy pompy ciepła. Czyli pompa ciepła o mocy 10 kW do skutecznego defrostu będzie potrzebowała pomiędzy 1,5 do 3,0 kW mocy w zasadzie w ciągu 5–8 minut. Tyle czasu bowiem powinien zajmować defrost.

Możemy się spotkać z określeniem agresywnego defrostu ale to nie jest pojęcie adekwatne. Defrost musi być szybki ponieważ pompa musi zużytą energie odpracować i wrócić do normalnej pracy. 5–8 minut defrostu, następnie 5–8 minut odpracowanie to już jest 10–16 minut w ciągu godziny kiedy pompa pracuje na własne potrzeby. Można by ja uznać za pasożyta w tym momencie.

Wróćmy jeszcze na chwilę do ciepła, które pompa musi pobrać z instalacji aby wykonać skuteczne odtajanie parownika.

Jaka musi być temperatura wody i ile jej musimy mieć aby wystarczyło do odszronienia parownika?

Temperatura wody do 20 stopni Celsjusza jest temperaturą graniczna od której pompa ciepła może bezpiecznie pracować. Poniżej tej temperatury wody istnie możliwość zamrożenia i zniszczenia wymiennika, skraplacza. Weźmy na przykład ogrzewanie podłogowe i temperaturę zasilania 33 st. powrotu 28 st. średnio 30,5 st. WT 21 i 50 W/m² dom 150 m².

Moc pompy 7 kW i 30% z tej mocy 2,1 kW. Instalacja bezpośrednia raster 10 cm czyli 10 mb rury /1 m² powierzchni. 1500 mb rury × 0,12 l/m pojemności = 180 l + 20 l w pozostałej części instalacji razem 200 l. Mnożymy 200 l × 10,5 st. C (różnica pomiędzy śr. 30,5 a minimum 20 st.) × 1.16 (1 wat × 1 K) = 2,436 kW.

W przypadku opisanym powyżej wystarczy nam energii z samej wody grzewczej.

Teraz obniżmy temperaturę zasilania do 28 st. C i powrotu do 24 st. C średni 26 st. C. i mamy tylko 1,4 kW mocy. Możemy się domyślać, że takie parametry zasilania będą w okresie cieplejszym więc parownik pokryje się mniej gęstym szronem i tej energii wystarczy (15%). Poza tym mamy zapas ciepła zgromadzony w betonie i woda przepływająca w rurkach podłogowych ogrzeje się od tego betonu i oddając to ciepło w skraplaczu.

Wszystko się zgadza pod warunkiem, że nie mamy anhydrytu zamiast betonu lub suchej podłogi to po pierwsze.

Po drugie musimy pamiętać, że przejmowanie ciepła przez przez wodę ma swoje opory chociażby ścianka rury. Ważna jest też prędkość przepływu wody w rurach ogrzewania podłogowego i różnica temperatury pomiędzy wodą grzewczą a ta ścianką. Jednym słowem przez 5–8 minut trwania defrostu ten przekaz jest ograniczony.

Skoro już jesteśmy przy przekazywaniu ciepła to nie możemy pominąć budowy układu chłodniczego
i wpływu konstrukcji na szronienie i odtajanie parowników.

Jak zbudowany jest parownik i skraplacz ?

Parownik w pompie ciepła to zespół gęsto meandryczne zagiętych rurek na które, prostopadle do nich co 2–3 mm nawleczone są aluminiowe cienkie blaszki. Blaszki zwiększają powierzchnie odbioru ciepła
z powietrza i przekazują je do rurek wypełnionych czynnikiem. Jedna kilkukrotnie zagięta rurka to jedna sekcja parownika odpowiedniej długości, średnicy która swój początek bierze w rozdzielaczu wieńcowym a koniec jej wlutowany jest w kolektor zbiorczy odpowiedniej średnicy. Radiatory aluminiowe (blaszki) powinny mieć możliwie największą powierzchnię, odpowiednią wytrzymałość na odkształcenia, powinny być impregnowane i najlepiej dodatkowo pofałdowane (wygięte w fale). Istotny jest też raster radiatorów (odstep miedzy blaszkami).

Parownik o tej samej wydajności, który posiada gęstsza sieć sekcji z cieńszych rurek będzie sprawniejszy niż rzadziej rozmieszczone sekcje o większej średnicy pomimo tej samej powierzchni wymiany ciepła. Pofalowane radiatory wydłużają powierzchnie odbioru ciepła, powodują turbulentny przepływ powietrza. Parownik jest równomiernie obciążony na całej powierzchni. Nie ma tzw. martwych stref. Jest to cecha niezmiernie ważna przy odbiorze ciepła i jeszcze chyba bardziej przy odszranianiu.

Skraplacz to wymiennik płytkowy zbudowany z płytek o powierzchniach formowanych w sposób zapewniający najlepszy odbiór ciepła poprzez czynnik grzewczy od czynnika chłodniczego.

Sa to wymienniki ze stali szlachetnej lutowane miedzią, przeciwprądowe. Przepływ jeszcze może być diagonalny. Producenci nieustannie pracują nad sposobem zwiększenia wydajności z jednostki powierzchni. Jednym słowem wydajność wymiennika jest najważniejszym kryterium wyboru. Skraplacze to wymienniki wąskie i długie o stosunku boku 5:1 i więcej.

Zarówno dobór parownika jak i skraplacza wpływa na COP pompy ale również na cenę.

Jeśli będziemy chcieli „wycisnąć” z pompy maksymalna wydajność za minimalna cenę zaprojektujemy tak urządzenie, że będzie pracować z maksymalna wydajnością sprężarki i maksymalną temperatura tłoczenia powyżej 90 st. Do tego dobieramy na takie parametry skraplacz i parownik. Nazwijmy to doborem na styk.

Inny dobór nazwijmy go umiarkowanym to temperatura pracy do 90 st. C i poniżej.

Zakładając, że w obydwu przypadkach mamy do czynienia z ta samą sprężarką w drugim przypadku musimy zastosować większy parownik i większy skraplacz. I tutaj właśnie będzie nam potrzebny parownik z gęstszą siecią rurek i pofałdowanych lamelach. W przypadku R 290 możemy osiągnąć temperaturę zasilania nawet 75 st. C. Jeśli chcemy osiągnąć taka temperaturę zasilania wody grzewczej na skraplaczu przy temperaturze gazu gorącego poniżej 90 st. musimy znacznie zwiększyć wydajność i przepływ skraplacza zapewne też i jego rozmiary. Tym samym koszt urządzenia będzie większy.

Jaka z tego wynika konkluzja? Otóż pompy ciepła zaprojektowane umiarkowanie, z nadmiarem
w parowniku i jeszcze większym w skraplaczu pracujące poniżej ekstremum oprócz oszczędniejszej pracy będą miały łatwiejszy defrost.

Ciągła praca z maksymalna wydajnością parownika znacznie szybciej go zaszroni i gęstszym trudniejszym lodem. Zaszronienie jak również odszronienie będzie nierównomierne lub niecałkowite. Skraplacz natomiast zwymiarowany na styk będzie wymagał wyższego parametru na wejściu np. 40 st. C i pracy pompy obiegowej na maksymalnej wydajności aby pokonać opory wymiennika i zapewnić przepływ
o odpowiedniej wydajności.

To oznacza, że monter budując instalację będzie musiał zapewnić odpowiedni parametr i ilość wody stosując bufor odpowiedniej wielkości i utrzymując w nim odpowiednią temperaturę. Oczywiści wymuszenie pracy kilku kilowatowej grzałki w czasie defrostu rozwiąże problem ale będzie to odszranianie elektryczne przy pomocy układu chłodniczego a nie gorącym gazem. Oczywiści najdroższe jakie można zastosować.

Być może producenci pomp, którzy stosują właśnie takie rozwiązanie chcą uniknąć problemu złego doboru bufora do instalacji lub złego doboru pomp do budynku. Może jeszcze to nie jest kocioł elektryczny wspomagany układem chłodniczym nazywany pompą ciepła ale taki kierunek konstrukcji wskazuje wyłącznie na komercję a nie rozwój technologii.

Podsumowując, dobrze opracowana procedura skutecznego odszraniania gorącym gazem jest pietą achillesową większości producentów. Najwięcej pracy przy opracowaniu sterowania zajmuje właśnie praca na skutecznym odszranianiem. Inicjacja tego procesu jest jednym z kluczowym elementów całości.

Na szczęście większość producentów poradziła sobie z tym procesem w sposób zadowalający natomiast pamiętajmy, że bez dostarczenia ciepła proces odszraniania nie będzie możliwy.

Najczęstsze błędy po stronie instalacji to;

– za mała pojemność instalacji lub bufora,
– za małe średnice nominalne rurociągów,
– za mała wydajność pompy górnego źródła,
– brak dostępu do zładu – zawory termostatyczne i siłowniki na zaworach ogrzewania podłogowego,
– brak bajpasu lub zaworu różnicowego,
– nieodpowiedni wymiennik pośredni (obieg glikolowy) albo pompa obiegu wtórnego,
– za mały zład w instalacji bezpośredniej,
– źle dobrana moc pompy ciepła,
– zanieczyszczenia w instalacji (niewypłukane istniejące instalacje w termomodernizacji).