Elementy pompy ciepła kształtujące COP: sprężarka (1)

Sprawdzamy co jest najważniejsze w gruntowych pompach ciepła

W prasie branżowej można znaleźć wiele artykułów poświęconych efektywności instalacji z pompą ciepła – większość autorów skupia się jednak na samej instalacji towarzyszącej pompie ciepła, tzn. wymiennikom gruntowym, pompom obiegowym, buforom magazynującym…
Poniższy artykuł dotyka również tematu efektywności, ale od strony elementów kształtujących COP w samej pompie ciepła.
AUTORZY: Xuehua An-Matyjasik, Szymon Piwowarczyk

Podstawowe pojęcia ze względu na pojemność artykułu nie zawsze mogły być wytłumaczone. Z tego samego powodu poruszone zostały wyłącznie aspekty dotyczące najważniejszych elementów kształtujących COP w pompie ciepła tzn.: sprężarki, zaworu rozprężnego oraz wymienników płytowych i pomp obiegowych.

Sprężarka
Najbardziej energochłonnym elementem w układzie pompy ciepła jest sprężarka. W pompach ciepła wykorzystujących ciepło zawarte w gruncie najczęściej stosuje się sprężarki typu rotacyjnego, podwójnego rotacyjnego (udoskonalenie sprężarki rotacyjnej) i typu spiralnego (scroll). Jest to podział opierający się na zasadzie działania elementu sprężającego.
Poza tym możemy podzielić sprężarki na inwerterowe prądu stałego i tradycyjne prądu zmiennego o stałej prędkości obrotowej wirnika.

Czym jest praca inwerterowa?

Sprężarka nazywana inwerterową charakteryzuje się możliwością płynnej zmienny wydajności pracy. Napięcie zasilania sprężarki (standardowe z sieci 230 V AC) zamieniane jest na prąd stały o napięciu 300V DC. Za pomocą zmiany częstotliwości prądu (w zakresie 20-120 Hz AC) regulujemy prędkość obrotową wirnika. Widoczne jest to na poniższym wzorze:

Gdzie:
n – prędkość wirnika sprężarki, f – częstotliwość
sprężarki, s – to poślizg silnika,
p – ilość par biegunów.
Poślizg silnika w przypadku sprężarek inwerterowych
DC wynosi s = 0, w przypadku
sprężarek AC s = 0,2.

 

Nie można tego porównania całkowicie oderwać od podziału na typ budowy sprężarki, ponieważ tylko spojrzenie na całość może dać nam odpowiedni obraz – np. sprężarka typu scroll jest lepsza od rotacyjnej, ale już podwójna rotacyjna inwerterowa może będzie lepszym wyborem niż zwykła sprężarka scroll. Oczywiście jakość elementu jest też zależna od producenta.

Jeśli weźmiemy pod uwagę budowę sprężarki, to elementami zwiększającymi efektywność urządzenia będą, m.in.: inwerter DC, silnik bezszczotkowy, większa liczba par biegunów silnika.

Najbardziej efektywną sprężarką jest inwerterowa DC scroll. Jej cena jednak jest bardzo wysoka, a doświadczenie w produkcji ma jedynie kilka firm na całym świecie.
Dobrą alternatywą cenowo–jakościową do sprężarek inwerterowych DC scroll jest sprężarka typu inwerterowego DC Twin-rotary (podwójna rotacyjna).


Jest to urządzenie stosunkowo nowe, łączące jednak zalety niezbyt wygórowanej ceny oraz eliminujące wady standardowych sprężarek rotacyjnych. Kolejne w uszeregowaniu będą sprężarki tradycyjne scroll i sprężarki tradycyjne rotacyjne.

Sprężarki typu inweter DC Twin Rotary mają kilka cech, które zwiększają ich trwałość i efektywność. Dołożenie drugiego tłoka w porównaniu do sprężarki rotacyjnej spowodowało większą stabilność pracy. Układ jest mniej pulsacyjny, a ponadto został dużo lepiej wyważony, przez co siły niszczące wał napędowy są dużo mniejsze. Jest to odczuwalne zwłaszcza w przypadku mniejszych prędkości, gdzie efektywność sprężarki tego typu jest bardzo dobra. Większość producentów sprężarek wybrała ten typ do rozwoju urządzeń inwerterowych. Standardowo przyjmuje się, że sprężarki Twin Rotary mogą pracować w większym zakresie prędkości obrotowej (15-150 rps, a urządzenia scroll 30-120).

 

 

W przypadku sprężarek typu scroll efektywność jest mniejsza, jeśli urządzenie pracuje w częstotliwości poniżej 65 Hz.
Sprężarki zwykłe rotacyjne (z jednym tłokiem) stosowane są praktycznie wyłącznie w układach typu ON/OFF, głównie do podgrzewania samego c.w.u. Dla zbyt niskich prędkości obrotowych wał napędowy może wpadać w wibracje, co spowoduje spadek wydajności i skrócenie życia urządzenia.

Zalety sprężarki inwerterowej DC do sprężarki ON/OFF:
– precyzyjna regulacja temperatury wody na wyjściu (precyzja sterowania do 0,5°, w porównaniu ON/OFF >2°) = większy komfort;
– szybsze chłodzenie i grzanie (okresowe zwiększenie mocy);
– mniejsze koszty eksploatacji w przypadku długotrwałej pracy – kluczem jest wtedy praca na mniejszej częstotliwości urządzenia, tak
aby sprężarka pracowała z mniejszą mocą (mniejsza moc sprężarki, wielkość wymienników pozostaje taka sama);
– pompa ciepła może pracować przy niższym napięciu z sieci (do 187V);
– niższy poziom głośności (5-10 dB niższy niż w ON/OFF);
– dłuższy czas życia sprężarki (5-8 lat dłużej niż w przypadku ON/OFF, szacunkowo ok. 20 lat);
– niski prąd rozruchowy.

 

 

 

 

Całość artykułu do pobrania w PDF

Bezpłatna prenumerata