Proces szronienia parownika i wykraplania się wody z powietrza podczas pracy pompy ciepła
Podczas pracy pompy ciepła parownik jest najzimniejszym elementem pompy ciepła. Czynnik chłodniczy, którzy krąży w pompie ciepła, przykładowo: R32, R290, R134a, w parowniku musi mieć na tyle niską temperaturę, by pobrać ciepło z powietrza zewnętrznego. W wyniku dostarczenia do niego ciepła z powietrza odparowuje, czyli zmienia stan skupienia z ciekłego na gazowy, jest to jeden z niezbędnych procesów podczas pracy układu pompy ciepła. Zatem podczas pracy w trybie grzania temperatura parownika jest zawsze nieco niższa, niż temperatura powietrza zewnętrznego (Rysunek 1).
W wyniku przejścia powietrza zewnętrznego przez parownik obniża się temperatura tego powietrza. Podczas tego procesu może dochodzić do wykroplenia się wody (wilgoci) z powietrza, czyli przekroczenia punktu rosy. Woda ta osadza się na parowniku i spływa w dół, a gdy parownik ma temperaturę niższą od 0oC, to woda zaczyna zamieniać się w lód. Powstaje szron i lód osadzający się na lamelach parownika. Często proces wykroplenia się wody z powietrza (przekroczenia punktu rosy) można zauważyć na przykład na rurach transportujących zimną wodę, można go też zaobserwować w nieocieplonym domu, albo i w ocieplonym – tam gdzie znajdują się mostki cieplne (błędy w izolacji domu), gdzie taki proces może stać się przyczyną powstania zagrzybienia ściany. Przekroczenie punktu rosy widać też na szklanej butelce wyjętej z lodówki, po chwili zaczyna się na jej powierzchni wykraplać woda. Generalnie przekroczenie tego punktu zależy od poziomu wilgoci w powietrzu oraz temperatur, więc nie w każdych warunkach będzie tak samo występował, stąd też tak samo odszranianie w pompie ciepła zachodzi z różną częstotliwością, w zależności od warunków.
W wyniku zaszronienia parownika zmniejsza się jego zdolność do pobierania ciepła z powietrza- odnawialnego źródła; lód blokuje też swobodny przepływ powietrza. W związku z tym szron/lód musi zostać usunięty, by umożliwić dalszą pracę jednostki.
Proces odszraniania parownika
Proces ten zwany jest również przez niektórych producentów procesem rozmrażania parownika, angielska nazwa to „defrost”, również często stosowana potocznie przez instalatorów. Proces ten polega na usunięciu zgromadzonego na lamelach parownika lodu/szronu. Standardowo pompa ciepła pracując w trybie grzania realizuje obieg chłodniczy jak na Rysunku 4. Wtedy parownik pobiera ciepło z otoczenia, a skraplacz oddaje wygenerowane ciepło do instalacji grzewczej. Natomiast do realizacji trybu odszraniania obieg musi się odwrócić, stąd też pompy ciepła, w których możliwy jest tryb odszraniania, są wyposażone w odwracalny obieg chłodniczy. Budowę takiego rodzaju obiegu chłodniczego umożliwia zastosowanie zaworu czterodrogowego. Podczas procesu odszraniania parownik, który dotychczas pobierał ciepło, staje się skraplaczem oddającym ciepło do otoczenia, a skraplacz staje się parownikiem, czyli pobiera ciepło z systemu grzewczego – jest to odwrócenie ról tych dwóch wymienników ciepła (Rysunek 5). Pompa ciepła w trybie odszraniania pracuje dokładnie tak, jak podczas trybu chłodzenia – pobiera ciepło z systemu grzewczego, na przykład bufora, a oddaje ciepło na zewnątrz. W ten sposób pokryty lodem parownik odszrania się w wyniku dostarczonego do niego ciepła.
Aby proces odszraniania się powiódł, to magazyn ciepła, z którego pompa ciepła pobierze ciepło, musi być odpowiedni. Producenci tego typu urządzeń określają minimalne temperatury wody w systemie grzewczym dla pracy pompy ciepła oraz minimalne temperatury medium grzewczego na wejściu do pompy ciepła. Gdy temperatura w buforze/instalacji grzewczej podczas odszraniania spada zbyt nisko, to może być konieczne załączenie grzałki wspomagającej, która podgrzewa medium grzewcze. Podczas standardowego ogrzewania budynku zapotrzebowanie na wspomaganie grzałką do procesów odszraniania jest niewielkie, jednak ciekawym przypadkiem są pompy ciepła pracujące w budynkach wykańczanych (w trakcie budowy). W tego typu obiektach inwestorzy często po wygrzaniu wylewek ogrzewania podłogowego ustawiają parametry zadane w pompie ciepła na bardzo niskim poziomie, tak, by w budynku panowała niezbyt wysoka temperatura.
To może być właśnie przyczyną dużej ilości załączeń grzałki na potrzeby odszraniania, gdyż nie ma zgromadzonej wystarczającej ilości ciepła w systemie grzewczym, by proces przebiegał bez wspomagania grzałki. Często okazuje się, że zużycie energii przez grzałkę zabudowaną w pompie ciepła będzie dobowo większe w budynku, gdzie utrzymywana jest temperatura w pomieszczeniach 13oC i pompa ciepła pracuje tam na zadanej temperaturze wody w systemie grzewczym 20–25oC, niż w pompie ciepła utrzymującej w budynku już zamieszkanym 22oC i pracującej na zadanej temperaturze 30oC. W standardowo użytkowanym już budynku nowoczesne algorytmy odszraniania pomp ciepła raczej nie potrzebują do jego realizacji załączenia grzałki wspomagającej, a jeżeli już, to w skrajnych warunkach i na bardzo krótkie okresy czasu.
Jak często zachodzi odszranianie
Proces ten w typowej pompie ciepła trwa zazwyczaj kilka minut i powtarza się co 0,5–2h w okresie zimowym. Temperatura parownika podczas odszraniania wzrasta powyżej temperatury powietrza zewnętrznego w wyniku jego ogrzewania (Rysunek 7).
Na rysunku 7 możemy zaobserwować, że przy temperaturze zewnętrznej ok. -2 do -5oC proces odszraniania występował w ciągu doby wielokrotnie. Gdy temperatury powietrza zewnętrznego były wyższe (ok 6–11oC) odszranianie nie było odnotowywane (Rysunek 1). Przedstawione dane obrazują pracę rzeczywistej jednostki pompy ciepła ze stycznia 2024, który był najzimniejszym miesiącem sezonu grzewczego. Odszranianie w tym przykładowym dniu nastąpiło 17 razy, czyli co około 1,5 godziny.
Rysunek 8 przedstawia pracę pompy ciepła w bardzo niekorzystnych temperaturach zewnętrznych, około -15oC, wtedy odszranianie wg. pomiarów następowało co około 1 godzinę.
Częstość odszraniania jednak nie jest tym większa, im niższe temperatury powietrza zewnętrznego są odnotowywane, to zależy również od warunków wilgotności powietrza. Może okazać się, że pompa ciepła częściej będzie się odszraniać w temperaturze zewnętrznej +2oC niż -15oC, gdyż podczas dużych mrozów zawartość wilgoci w powietrzu spada – jest ono bardziej suche, przez to też częstość, czy też długość odszraniania, może być mniejsza.
Warto zauważyć, że podczas realizacji odszraniania pompa ciepła nie grzeje pomieszczeń, co więcej – pobiera ciepło z magazynu ciepła, który wcześniej załadowała. Po defroście ponownie musi nadrobić stracone ciepło i pokryć straty ciepła z budynku, przy doborze zbyt małej pompy ciepła i częstym występowaniu defrostów może pojawić się problem z dogrzaniem pomieszczeń, dlatego poprawny dobór jednostki do budynku jest bardzo istotny. Zbyt mała dobrana pompa ciepła do budynku skutkuje również tym, że urządzenie już w temperaturach 0oC, czy -5oC musi pracować na swoich maksymalnych obrotach sprężarki. Przez to dochodzi szybciej i częściej do zaszronienia parownika. Standardowo optymalny jest dobór pompy ciepła, gdy pracuje ona na maksymalnych obrotach dopiero w temperaturze ok -10oC.
Co decyduje o aktywacji trybu odszraniania
Proces odszraniania jest zaszyty w algorytmie producenta każdej pompy ciepła. Producenci nie zdradzają dokładnych algorytmów załączenia i zakończenia procesu rozmrażania parownika, jednakże konieczność realizacji procesu zawsze powiązana jest właśnie z odczytywaną temperaturą powietrza zewnętrznego i temperaturą mierzoną na parowniku pompy ciepła. W pierwszych modelach pomp ciepła można było spotkać algorytm typowo czasowy, w nowoczesnych urządzeniach obecnie sprzedawanych na rynku, algorytmy są bardziej zaawansowane. Na przedstawionych wykresach (Rysunki 7 i 8) widać, że przed rozpoczęciem procedury odszraniania temperatura parownika zaczyna spadać – zaczyna się powiększać różnica pomiędzy temperaturą powietrza, a temperaturą parownika. To właśnie jeden z parametrów brany pod uwagę przez sterownik pompy ciepła, mówiący o tym, że zaszronienie parownika postępuje.
Skutki fizyczne odszraniania
Podczas realizacji rozmrażania parownika zgromadzony na wymienniku lód musi zostać roztopiony i zamienia się w stan skupienia głównie ciekły – wodę. Tu przechodzimy do aspektu skroplin w pompach ciepła. Powstają one podczas normalnej pracy, ale w największych ilościach podczas procesu odszraniania. Woda ta musi zostać poprawnie odprowadzona z pompy ciepła. Producenci przewidują różne rozwiązania w tym zakresie. Spotykany jest swobodny odpływ skroplin do podłoża żwirowego lub też tace ociekowe z możliwością podłączenia rury do odprowadzenia skroplin. Zawsze istotnym aspektem jest zabezpieczenie tacy i rury odpływowej skroplin przed zamarznięciem, stosowane są do tego celu np. grzałki elektryczne, które załączają się w trakcie odszraniania.
Podczas odszraniania parownika, użytkowników może zaniepokoić para wydobywająca się z jednostki. Podczas dostarczania ciepła do parownika w trakcie procesu może dochodzić do zmiany stanu skupienia wody na gazowy – para wydostająca się z jednostki nie powinna niepokoić użytkownika. To normalne, choć efektowne zjawisko.
Pod kątem skroplin ważne jest również poprawne zamontowanie jednostki, tj. odpowiednio wysoko nad gruntem. Jeżeli decydujemy się na odpływ skroplin do podłoża żwirowego pod jednostką to w przypadku małej odległości pompy ciepła od gruntu może narastać na gruncie lód i stwarzać problemy eksploatacyjne, nawet unieruchomić jednostkę. Niepoprawne zagospodarowanie skroplin może powodować oblodzenia szklaków komunikacyjnych na działce i być groźne dla mieszkańców (pod kątem kontuzji – patrz Rysunek 10).
Możliwe do napotkania problemy
Jeżeli urządzenie jest poprawnie zamontowane i zastosowano się do wytycznych producenta, to większość zagrożeń związanych z odszranianiem zostaje wyeliminowana. Warto zwrócić uwagę w instrukcji urządzenia na minimalny zład (ilość) wody w instalacji, wymóg bufora i jego pojemności, odległości montażowe, kwestie związane z odprowadzeniem skroplin, wymagany przepływ, średnice orurowania, czystość instalacji w przypadku modernizacji (płukanie instalacji przed montażem pompy ciepła).
Zdarza się też, że podczas montażu instalator poprawnie wykona instalację i nie będzie ona miała problemów z odszranianiem, a po jakimś czasie klient dołoży, na własną rękę, termostaty odcinające dane pętle ogrzewania podłogowego po osiągnięciu zadanej temperatury w pomieszczeniu. Wtedy może okazać się, że ilość wody krążąca w układzie pompy ciepła stanie się niewystraczająca do wykonywania odszraniania, mogą też występować problemy z przepływem. Wszystko zależy od tego, jak dokładnie zbudowana jest instalacja, a klient bez konsultacji z instalatorem nie powinien dokonywać modyfikacji.
Podczas uruchamiania pompy ciepła zimą w nowych, niewygrzanych budynkach, można napotkać problemy z odszranianiem jednostki. Dziać się będzie tak, gdy pompa ciepła nie ma skąd pobrać ciepła na potrzeby odszraniania, a grzałka wspomagająca w niej zabudowana nie jest w stanie wytworzyć odpowiedniej ilości ciepła, ze względu na pracę w niewygrzanym jeszcze budynku. Tutaj ważna jest odpowiednia wiedza instalatora i rozważne uruchamianie instalacji w takich trudnych warunkach (na przykład stopniowe wygrzewanie wstępne, dodatkowa grzałka w buforze).
Na rynku można spotkać urządzenia nazywane pompami ciepła, które nie posiadają odwracalnego obiegu chłodniczego (zabudowanego zaworu czterodrogowego). To urządzenia przystosowane do pracy w temperaturach powietrza powyżej +7oC, zatem przewidziane do realizacji funkcji centralnego ogrzewania w cieplejszym klimacie, niż panujący w Polsce. Ważne, żeby zweryfikować zakres pracy urządzenia i dostosowanie do naszych warunków klimatycznych, żeby nie skusić się na niską cenę urządzenia. Na rynku polskim dostępne są również pompy ciepła tylko typowo do ciepłej wody użytkowej, które mają zakres pracy właśnie od +7oC, jednak te urządzenia w okresie zimowym przewidują ogrzewanie wody głównym źródłem ciepła w budynku – np. kotłem.
Odszranianie jest bardzo ważnym procesem, który dotyczy tylko pomp ciepła powietrze-woda, zachodzącym wielokrotnie w okresie zimowym. Ważny jest odpowiedni sposób jego przeprowadzenia, a producenci pomp ciepła stale udoskonalają algorytmy rozmrażania parownika.
Źródła:
[1] Pomiary własne autora wykonane za pomocą oprogramowania firmy PLUM
[2] https://instsani.pl/technik-urzadzen-i-systemow-energetykiodnawialnej/vademecum-energetyki-odnawialnej/pompy-ciepla/budowa-sprezarkowej-pompy-ciepla/parowniki-i-skraplacze/
[3] https://budujemydom.pl/instalacje/pompy-ciepla/a/1360-pompaciepla-w-klimatyzacji-zima-grzeje-latem-chlodzi
[4] https://budujemydom.pl/irbj/porady/108791-cykl-defrost-wpowietrznej-pompie-ciepla-dlaczego-jest-tak-niezbedny
[5] https://www.greenbuildingadvisor.com/question/air-source-heat-pump-in-a-very-cold-climate
