Dlaczego powietrzna pompa ciepła

Obecnie (2013 rok) pompa ciepła kojarzy się w powszechnej świadomości jako urządzenie, które do zainstalowania wymaga zrujnowania ogródka, przemieszczenia ogromnych mas ziemi lub wykonania kosztownych i wymagających pozwoleń wodno-prawnych odwiertów. Zastosowanie powietrznych pomp ciepła PUCHACI w całości eliminuje takie problemy. Postęp technologii pozwolił na zastosowanie nowoczesnych sprężarek spiralnych COPELAND z bezpośrednim wtryskiem par. Sprężarki takie są wystarczająco wydajne i niezawodne, aby w naszym umiarkowanym klimacie, w którym zimą temperatury spadają poniżej -15°C, bez problemu zaspokoić zapotrzebowanie na wysoką temperaturę wody grzewczej dla standardowej instalacji C.O. .

Powietrzna pompa ciepła PUCHACI przy zachowaniu kompaktowych wymiarów, pozostaje urządzeniem wydajnym i trwałym, a co najważniejsze, jej instalacja w obiekcie docelowym jest najmniej kłopotliwa spośród wszystkich innych rodzajów pomp ciepła. Dla porównania poniżej zestawiono wady i zalety pompy z wymiennikiem gruntowym:

Często argumentem na rzecz pomp ciepła z wymiennikiem gruntowym jest fakt, że czynnik chłodniczy (dolne źródło ciepła) dostarczany z wymiennika gruntowego zapewnia stabilne i niezmienne w sezonie warunki pracy. To prawda. Temperatura dolnego źródła może wynosić od 12°C (początek sezonu – jesień) do 2-4°C (koniec sezonu grzewczego). Odejmując od tych wartości przegrzanie na termostatycznym zaworze rozprężnym (mechanicznym) ok 7°K, otrzymujemy zakres ciśnień ssania +5 °C do – 5°C.

W porównaniu z parametrami wymiennika powietrznego odpowiada to temperaturom otoczenia od +7°C do 0°C, czyli dopiero przy temperaturach otoczenia poniżej 0°C wymiennik gruntowy wykazuje przewagę ekonomiczną (wyższe ciśnienie ssania – lepsze parametry) z wymiennikiem powietrznym. Należy pamiętać jednak, że rok ma 365 dni i przez większość czasu temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa niż 0°C, co powoduje, iż w okresach przejściowych (wiosna, jesień) parametry uzyskiwane przez powietrzne pompy ciepła są lepsze niż pomp gruntowych, a w okresie letnim, powietrzna pompa ciepła używana do wytwarzania ciepłej wody użytkowej jest bezkonkurencyjna (COP w okolicy 4.5 – 5.0 !) przy temperaturach CWU na poziomie 45-48°C.

Dodatkowym argumentem przemawiającym na korzyść powietrznej pompy ciepła jest fakt, że wykonanie wymiennika gruntowego jest kosztowne – rozkopany ogródek lub konieczność wykonywania odwiertów. Wymiennik gruntowy wymaga też zastosowania znacznej długości (kilkaset metrów) rury z tworzywa sztucznego oraz wypełnienia kilkuset litrami glikolu (lub innej syntetycznej solanki). Parametry wymiennika gruntowego nie dają się precyzyjnie określić (zależą od rodzaju gruntu i poziomu wód gruntowych), co wymaga pewnego przewymiarowania wymiennika (a więc i nieuzasadnionego wzrostu kosztów). Wymiennik gruntowy wymaga wyłączenia z użytku (części lub całości) ogródka w związku z kilkuletnim okresem zapadania i stabilizowania się gruntu nad wykopem oraz ograniczeniami w obsadzaniu roślin. W odróżnieniu od takiego nakładu prac ziemnych i kosztów z tym związanych, instalacja wymiennika powietrznego wymaga jedynie postawienia tegoż urządzenia na utwardzonym gruncie, w bliskiej odległości od budynku.

Do zalet wymiennika powietrznego należy zaliczyć również to, że jest on praktycznie obojętny dla środowiska. Użyte do produkcji materiały to dużo miedzi, aluminiowe lamelki oraz obudowa ze stali nierdzewnej, a więc materiały pochodzenia hutniczego – nie zaś syntezy przemysłowej chemii organicznej. 

 

W wynik​u prac studialnych, a następnie konstrukcyjnych powstało urządzenie typu SPLIT z poziomym parownikiem oraz kompaktową jednostką wewnętrzną. Wybraliśmy sprężarkę spiralną z wtryskiem par. W obwodzie głównym parownika jak i w sekcji wtrysku par użyliśmy elektronicznie sterowanych zaworów rozprężnych firmy DANFOSS, kontrolowanych za pomocą układów elektronicznych naszej konstrukcji. Wszystkie pomiary temperatur zostały zrealizowane za pomocą czujników temperatury z bezpośrednim przetwarzaniem cyfrowym (Analog Devices).

 

Sprężarka

W naszym urządzneiu zastosowaliśmy sprężarkę produkcji firmy COPELAND, która jest najlepszym na świecie producentem sprężarek spiralnych i liderem technologii tego typu urządzeń. W efekcie, wybór ten zapewnia bezkompromisową niezawodność i jakość dostarczanych podzespołów.

 

Parownik

Zaprojektowanie parownika powierzyliśmy firmie PPUCH TARCZYN, producentowi z tradycjami na polskim rynku, dysponującym bogatą wiedzą i doświadczeniem inżynierskim. Parownik posiada rurki miedziane, na które nasunięte są aluminiowe lamelki. Odpowiednio duży odstęp między lamelami pozwala na rozsądny kompromis pomiędzy wymiarami, powierzchnią wymiany ciepła, oporami przepływu powietrza, szybkością zaszraniania oraz zdolnością do szybkiego i bezproblemowego odladzania (szron i lód łatwo wypada ze szczelin, dzięki pionowej orientacji lameli). Ponadto cały parownik wraz ze zintegrowanym układem chłodniczym, zaworem rozprężnym, układem pomiaru ciśnienia oraz wielopunktowym pomiarem temperatury zintegrowany jest w obudowie wykonanej ze szlifowanej blachy nierdzewnej. Na szczycie zespołu umieszczony jest wentylator firmy ZIEHL-ABEGG, wybrany ze względu na swoją wydajność, trwałość (50 tys godzin) oraz bardzo niski poziom hałasu dzięki specjalnej konstrukcji łopat (owlets). Prędkość obrotów wentylatora regulowana jest przez falownik, którym steruje system mikroprocesorowy dobierający optymalne warunki pracy do temperatury zewnętrznej i obciążenia cieplnego urządzenia.

 

Odszranianie "rewersem"

Sposób odszraniania to ugruntowany w praktyce układ z zaworem czterodrożnym (DANFOSS), który powoduje odwrócenie obiegu czynnika chłodniczego – parownik i skraplacz „zamieniają” się miejscami.

Dzięki takiemu zabiegowi pełna moc grzewcza urządzenia przekazywana jest na zalodzony parownik (na którym może zgromadzić się nawet 2-3kg lodu w jednym cyklu pomiędzy odszronieniem a ponownym oblodzeniem parownika), natomiast część energii cieplnej pobierana jest z uprzednio ogrzanej wody obiegowej C.O. Takie rozwiązanie zapewnia odszronienie w czasie 3-6 minut, co byłoby nieosiągalne przy użyciu „klasycznych” grzałek elektrycznych zamontowanych na parowniku.

Układ chłodniczy z zaworem czterodrożnym pozwala także na wytwarzanie w okresie letnim wody lodowej po zainstalowaniu odpowiedniego oprogramowania oraz modyfikacji instalacji hydraulicznej do gromadzenia i rozprowadzenia wody lodowej (poza standardowym układem C.O.).

 

Wtrysk par EVI

Pojawienie się wysokotemperaturowych powietrznych pomp ciepła było ograniczone końcowymi temperaturami sprężania przy użyciu jednostopniowych sprężarek chłodniczych. Wysoka temperatura końcowa sprężania powodowała rozkład czynnika chłodniczego oraz problemy z olejami chłodniczymi, a co za tym idzie z przyspieszonym zużyciem sprężarek. Dzięki zastosowaniu międzystopniowego wtrysku par, osiągane jest obniżenie końcowej temperatury sprężania oraz wzrost sprawności energetycznej sprężarki. Konsekwencją tego jest bardziej efektywny (wyższy COP) proces uzyskiwania ciepła z otoczenia. Proces wtrysku par sterowany jest precyzyjnie za pomocą elektronicznego zaworu rozprężnego na podstawie sygnału ciśnienia i temperatury. Działanie takie ma na celu uzyskanie optymalnych parametrów pracy układu wtrysku w całym zakresie zmienności temperatur zewnętrznych.

 

Elektroniczne zawory rozprężne

Dzięki zastosowaniu elektronicznych zaworów rozprężnych możliwa jest praca w bardzo szerokim zakresie temperatur zewnętrznych przy zachowaniu niskich wartości przegrzania czynnika chłodniczego oraz bezpieczne prowadzenie procesu odparowania w zmiennych warunkach pracy (niedopuszczanie do zalewania sprężarki cieczą). Sterowniki TOMAK prowadzą proces odparowania z przegrzaniami zależnymi od warunków pracy w celu zapewnienia stabilnej pracy parownika. Dla niskich temperatur otoczenia przegrzania schodzą nawet do 3,5°K.

Efektywność procesu pozyskiwania energii cieplnej z otoczenia zależy od wielu czynników. Jednym z nich jest możliwie najwyższa (najbardziej zbliżona do temperatury otoczenia) temperatura odparowania czynnika. Zmniejszenie różnicy temperatury powietrza zewnętrznego i temperatury ssania można osiągnąć poprzez zwiększanie powierzchni parownika, zwiększenie prędkości przepływu powietrza oraz poprzez zmniejszenie przegrzania par czynnika chłodniczego.

Zwiększanie powierzchni parownika jest kosztowne ze względu na ceny materiałów i ograniczenia minimalnego odstępu pomiędzy lamelami. Zwiększanie prędkości przepływu powietrza powoduje wzrost hałasu oraz nakładów energetycznych (poboru mocy) przez wentylator (co zmniejsza COP). Pozostaje nam zmniejszenie przegrzania par.

Parownik powietrznej pompy ciepła pracuje w bardzo szerokim zakresie temperatur otoczenia. W krytycznych warunkach srogiej zimy obserwuje się spadki temperatury nawet do -25°C, natomiast w lecie powietrze może osiągać +40°C. Mamy też do czynienia z dużą zmiannością temperatur w ciągu doby. Termostatyczne zawory rozprężne, ze względu na swoją mechaniczną naturę, dobrze pracują w otoczeniu jednego (ustalonego) punktu pracy. Dla bezpieczeństwa sprężarek ustawia się też na nich stosunkowo duże przegrzania - od 5°K do 10°K. Wpływa na to brak możliwości weryfikacji przegrzania w warunkach normalnej eksploatacji (konieczność podłączania odpowiednich przyrządów serwisowych).Dzięki obniżeniu cen elektronicznych czujników ciśnienia, sterowników mikroprocesorowych oraz elektrycznie sterowanych zaworów rozprężnych (zawór iglicowy sterowany silnikiem krokowym), opłacalne ekonomicznie stało się zastosowanie ich w konsumenckich urządzeniach małej mocy (<100kW). Precyzyjny czujnik ciśnienia oraz dokładny termometr cyfrowy mierzą temperaturę i ciśnienie gazu za parownikiem. Na podstawie tych danych komputer na bieżąco (co 1 sekundę) oblicza ustawienie (stopień otwarcia) zaworu rozprężnego w zależności od panujących warunków. Obliczenia te dokonywane są precyzyjnie na podstawie tabel charakterystyk czynnika chłodniczego (temperatura pary nasyconej dla danego ciśnienia). Na podstawie wyników sterowany jest mechanizm (silnik krokowy) zaworów rozprężnych. Powietrzna pompa ciepła Puchaci wyposażona jest w 3 elektronicznie sterowane zawory rozprężne (parownik, wtrysk par, skraplacz jako parownik w trybie rewersu).

 

Dlaczego SPLIT?

Na rynku dostępne są urządzenia w kilku wykonaniach:

Monoblok: parownik powietrzny, sprężarka i skraplacz na zewnątrz budynku

Zalety:

• cały hałas generowany przez urządzenie pozostaje na zewnątrz budynku
• nie zajmuje miejsca w budynku

Wady:

• obieg C.O. narażony na zamarzanie, gdyż jest wyprowadzony na zewnątrz budynku
• w czasie gdy zdarzy się czasowa przerwa w eksploatacji urządzenia w okresie zimowym, wymagane jest stałe ogrzewanie, by zapobiec zamarznięciu rur oraz wymiennika, lub konieczne jest użycie cieczy niezamarzającej
• problemy ze smarowaniem sprężarki w niskich temperaturach – konieczność ogrzewania karteru grzałką elektryczną, by zapobiec spienianiu się oleju. Powoduje to niższy COP dobowy (grzałka musi pracować w trakcie zatrzymania sprężarki w celu zapobiegania nasycania się oleju czynnikiem chłodniczym)

 

Monoblok: (urządzenia mniejszej mocy) z doprowadzeniem powietrza kanałami

Spotykany w przypadku powietrznych pomp powietrza do ogrzewania ciepłej wody użytkowej (ok 1-2kW), gdzie cała jednostka powietrznej pompy ciepła jest zintegrowana, a powietrze doprowadzane jest kanałami (dolotowym i wylotowym lub tylko wylotowym). Dostępne są także urządzenia większej mocy, niemniej ich instalacja w budynku może być uciążliwa. Rozwiązania wymaga też problem odprowadzania skroplin i wody w cyklach odszraniania.

 

SPLIT: parownik i sprężarka na zewnątrz, skraplacz wewnątrz budynku

Zalety:

• mały wymiar jednostki wewnętrznej
• hałas pozostaje na zewnątrz budynku
• zatrzymanie obiegu wodnego C.O. wewnątrz budynku

Wady:

• podwyższone straty energii cieplnej w przewodzie tłocznym czynnika chłodniczego
• potencjalne problemy z powrotem oleju
• problemy ze smarowaniem sprężarki w niskich temperaturach
• niższa sprawność energetyczna ze względu na to, że ciepło rozproszone w jednostce sprężarkowej tracone jest do otoczenia na zewnątrz budynku

 

SPLIT: tylko parownik na zewnątrz – rozwiązanie Powietrznej Pompy Ciepła Puchaci

Zalety:

• jednostka wewnętrzna ze sprężarką i wymiennikiem C.O. wewnątrz pomieszczenia
• na zewnątrz pozostaje tylko parownik
• energia rozproszona pozostaje w budynku i lekko ogrzewa pomieszczenie w którym znajduje się sprężarka
• brak problemów z zamarzaniem wody C.O.w trakcie przerw w eksploatacji.

.Wady:

• potencjalne problemy z powrotem oleju (jak w każdym splicie - wymaga pewnych obostrzeń przy prowadzeniu przewodów chłodniczych)

Powietrzna pompa ciepła Puchaci wyposażona jest w grzałkę karteru sprężarki by zgodnie z zaleceniem producenta, w okresach długich przerw w eksploatacji, przed załączeniem podgrzać olej w sprężarce do wymaganej temperatury pracy.

 

Cyfrowy pomiar temperatury

W urządzeniach, w których dokonywane są termodynamiczne przemiany fazowe, bardzo ważnym zadaniem jest precyzyjne i niezawodne określanie na bieżąco warunków tych przemian – czyli precyzyjny pomiar temperatury. W powietrznej pompie ciepła Puchaci zastosowaliśmy cyfrowe czujniki temperatury z bezpośrednim przetwarzaniem cyfrowym i cyfrowym wyjściem PWM. Zapewniają one wysoką dokładność i niezawodność pomiaru oraz charakteryzują się bardzo dużą stabilnością długoczasową.

 

COP online – przejrzyste i jasne zasady

Puchaci to bezpośredni i ciągły pomiar parametrów zużywanej energii elektrycznej oraz dostarczanej energii cieplnej. Układ elektroniczny mierzy napięcie fazowe, prąd uzwojeń silnika, moc czynną i moc bierną, dzięki zainstalowanemu wewnętrznemu trójfazowemu licznikowi energii elektrycznej, który równocześnie wykorzystywany jest do ochrony silnika. Układ ten wykrywa zdarzenia awaryjne i kontroluje: kolejność faz, zanik fazy, niezrównoważenie obciążenia faz przy zbyt niskim lub zbyt wysokim napięciu zasilania i zadziałanie wewnętrznego zabezpieczenia termicznego sprężarki.

W celu dostarczenia użytkownikowi informacji o bieżącej efektywności urządzenia, obieg C.O. wyposażony jest w ultradźwiękowy przepływomierz firmy KAMSTRUP Takie rozwiązanie pozwala (w połączeniu z czujnikami temperatury wody na wlocie i wylocie wymiennika ciepła), na obliczanie aktualnego współczynnika efektywności energetycznej urządzenia - COP. Współczynnik ten obliczany jest w interwałach 10 sekundowych i prezentowany na wyświetlaczu urządzenia. Daje on możliwość bieżącej oceny efektywności energetycznej urządzenia i świadome podejmowanie decyzji o pracy pompy, czy też o użyciu alternatywnego źródła ciepła (przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych spada moc cieplna urządzenia oraz obniża się współczynnik efektywności energetycznej COP). Mimo tego urządzenie działa sprawnie nawet przy temperaturach zewnętrznych na poziomie -25°C, - 30°C. Przy takich warunkach temperaturowych, COP może się znacznie obniżyć i zbliżać się do wartości 2. W takiej sytuacji sprawność pompy ciepła znacznie spada, lecz nadal z każdej 1 kWh energii elektrycznej dostarczonej do urządzenia, otrzymujemy 2kWh energii cieplnej – dodatkowa 1 kWh to „darmowa”, czysta energia cieplna „wyprodukowana” przez naszą pompę ciepła.

Wielu producentów pomp ciepła podaje - jako wiodący - współczynnik COP dla najbardziej korzystnych warunków pracy urządzenia (np. A7/W35). Powietrzna pompa ciepła Puchaci, dzięki pomiarowi bezpośredniemu COP, prezentuje użytkownikowi prawdziwe dane na bieżąco, nie pozostawiając go w świecie iluzji i kampanii marketingowych. COP podawany przez sterownik uwzględnia CAŁE zużycie energii elektrycznej przez urządzenie, łącznie z wentylatorem, pompą obiegową C.O. oraz grzałką karteru sprężarki i sterownikiem mikroprocesorowym.

Powietrzna pompa ciepła Puchaci nie zawiera żadnych dodatkowych, ukrytych elektrycznych grzałek wspomagających, służących w wielu spotykanych na rynku urządzeniach do maskowania niskiej wydajności pracy przy ujemnych temperaturach panujących na zewnątrz. Moc takich grzałek może dochodzić do 6kW w urządzeniach o znamionowej mocy cieplnej 9kW, co oznacza że w niskich temperaturach otoczenia rzeczywisty COP może oscylować w granicach 1.2 – 1.4 (!!!). Rozwiązania takie bywa skrzętnie ukrywane przed klientem poprzez podawanie w katalogach parametru COP dla warunków A7W35, które są bardzo korzystne dla układu chłodniczego.

 

Jakość bez kompromisów

Zaprojektowanie parownika - najważniejszego elementu dla prawidłowego funkcjonowania urządzenia - powierzyliśmy najlepszym specjalistom z branży chłodniczej w Polsce, firmie PPUCH TARCZYN funkcjonującej na rynku nieprzerwanie od 1951 roku.

Chcąc zapewnić pewne działanie naszego urządzenia w warunkach polskiej zimy, parownik powietrzny umieściliśmy w pozycji poziomej. Ma on duży odstęp między lamelami w celu łatwego i pewnego usuwania lodu w procesie odszraniania. 

Dodatkową zaletą pompy PUCHACI jest zastosowanie wentylatora ZIEHL-ABEGG, jednej z najlepszych firm w Europie, wiodącego producenta wentylatorów dla przemysłu chłodniczego i pomp ciepła. Wentylator ten sterowany jest przez falownik z indukcyjno-pojemnościowym filtrem napięcia wyjściowego w celu zapewnienia czystego przebiegu sinusoidalnego na zaciskach silnika,  mając na uwadze funkcję ochrony łożysk przez zużyciem w wyniku przepływu prądów upływu. W obwodzie chłodniczym zastosowaliśmy natomiast czujniki ciśnienia i elektroniczne zawory rozprężne firmy DANFOSS. Podzespoły tej firmy wykorzystano w praktycznie całym układzie chłodniczym, wykonanym z miedzianych komponentów chłodniczych. Całość spojona jest ze sobą za pomocą lutu srebrnego Ag45 i Ag55 oraz specjalnych topników. Zastosowanie wymienników płytowych SWEP zapewnia trwałość i efektywność wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem chłodniczym i wodą.

Użyliśmy najlepszej na świecie sprężarki rotacyjnej firmy COPELAND. Do pomiaru przepływu wody w instalacji grzejnej zastosowaliśmy ultradźwiękowy przepływomierz KAMSTRUP – jednego z najlepszych producentów automatyki ciepłowniczej.

Całe urządzenie wyposażyliśmy w elektronikę i system sterowania oparty na naszym 25-letnim doświadczeniu w konstrukcji, produkcji i eksploatacji elektroniki przemysłowej.

Naszym celem nie było stworzenie taniego i prostego odpowiednika dostępnych na rynku urządzeń. Zaprojektowaliśmy i produkujemy niezawodny produkt do ogrzewania domu. Dajemy komfort niezajmowania się problemem ogrzewania. Niskie koszty eksploatacji (i efektywność odbioru energii cieplnej z powietrza) wynikają z sposobu zaprojektowania parownika, doboru jego powierzchni, niskich parametrów przegrzania oraz odpowiedniej współpracy z wentylatorem powietrza.

Trwałość urządzenia gwarantuje użycie najlepszych materiałów i komponentów, staranny projekt mechaniczny i solidność wykonania. Zapewnia to spokój i pewność na lata eksploatacji oraz szybki zwrot wydatków na powietrzną pompę ciepła PUCHACI.