Skąd pochodzi technologia Zubadan, która umożliwia pobieranie ciepła z otoczenia przy temperaturze zewnętrznej do -28°C, a następnie przetransportowanie go do ogrzewanego budynku? Czy następują tu zjawiska sprzeczne z ogólnie panującymi zasadami termodynamiki? A może wykorzystywane są inne niż do tej pory znane nam prawa?

Najprościej byłoby zadać powyższe pytania Clausiusowi, współtwórcy zasad termodynamiki, bądź Lindemu, twórcy pierwszej chłodziarki sprężarkowej. Niestety, w obu przypadkach spóźniliśmy się przynajmniej o 83 lata. Czym więc jest technologia Zubadan i jak wytłumaczyć jej działanie?
W typoszeregu urządzeń split Mitsubishi Electric znajduje się model urządzenia zewnętrznego typu powietrze-powietrze, powietrze-woda PUHZ-SHW, zwany Zubadan, co tłumacząc z ja- pońskiego oznacza „super grzanie”. Najważniejszą cechą tych jednostek jest temperaturowy zakres pracy w trybie grzania. Technologia, w którą wyposażone są owe urządzenia, zapewnia pracę w temperaturze zewnętrznej do -28°C oraz stuprocentową wydajność nominalną przy -15°C. Parametry te bardzo dobrze wpisują się w polski klimat, gdzie w najchłodniejszej strefie klimatycznej temperatura projektowa wynosi -24°C. Pierwsze urządzenia Zubadan pojawiły się w Polsce w 2008 r. Sama technologia jest jeszcze starsza, ponieważ pierwsze jednostki opuściły linię produkcyjną w 2005 r. Początkowo były one produkowane dla północnej Japonii, gdzie temperatura w mieście Hakkaido dochodziła do -20°C. Następnie zaczęto je eksportować do Europy jako jednostki Zubadan oraz do Ameryki Północnej (np. USA) jako urządzenia Hyper-Heating.

Praca w niskiej temperaturze

Jak to jest możliwe, że jednostki Zubadan pracują w tak niskiej temperaturze? Otóż odpowiedzialne za to jest serce układu chłodniczego, czyli sprężarka. W tym przypadku sprężarka typu scroll z technologią Flash injection, czyli wtryskiem. Dlaczego zastosowano taki rodzaj sprężarki? – Głównym problemem powietrznych pomp ciepła jest niska temperatura dolnego źródła ciepła w okresie zimowym. Standardowe urządzenia charakteryzują się spadkiem wydajności już od temperatury zewnętrznej +5°C, natomiast przy -25°C dysponują 55% znamionowej mocy grzewczej. Spadek mocy grzewczej wynika z faktu, że ciśnienie parowania czynnika przy temperaturze -28°C wynosi 2,9 bar, przy czym temperatura parowania to -30°C. Występująca różnica wartości temperatury spowodowana jest koniecznością pobrania energii.
Przyjrzyjmy się pracy jednostki typu Standard oraz jednostki Zubadan, każda o nominalnej mocy 14 kW. W tym celu należy odwołać się do lewobieżnego obiegu Lindego. Pompy ciepła wyposażone są w sprężarki ANB33FNCMT bez wtrysku oraz ANB- 33FJLMT z wtryskiem.

Jednostka typu Standard. W temperaturze otoczenia +7°C dysponuje ona strumieniem masowym czynnika 245 kg/h, zaś w temperaturze -28°C strumień ten maleje do 65 kg/h. Różnica spowodowana jest zmianą gęstości czynnika: z 31,6 na 10,6 kg/m3. Znając wartości entalpii h₁, h₂, h₃, h₄, możemy obliczyć teoretyczną moc, jaką dysponują urządzenia w danej temperaturze zewnętrznej (rys. 1). I tak dla temperatury +7°C mamy kolejno: h₁ = 423, h₂ = 475, h_3,4 = 265 kJ/kg. Wydajność grzewczą urządzenia otrzymujemy ze wzoru:

gdzie:
m. – strumień masowy czynnika [kg/h],
h₁ – entalpia przegrzanej pary czynnika za parowaczem [kJ/kg],
h₂ – entalpia sprężonej pary czynnika przed skraplaczem [kJ/kg].
Dla temperatury zewnętrznej -28°C h₁ = 417, h₂ = 510, h_3,4 = 265 kJ/kg. Wydajność grzewcza wynosi 4,4 kW i jak widać spada do 30%. Przy tak niskiej temperaturze zewnętrznej zbliżamy się do wartości temperatury tłoczenia rzędu 120°C, co jest niebezpieczne dla oleju i może powodować jego rozpad. Dodatkowo urządzenia wyposażone są w czujniki temperatury płaszcza sprężarki zapobiegające przekraczaniu 110°C.

1. Lewobieżny obieg Lindego w układzie ciśnienie-entalpia standardowej jednostki zewnętrznej podczas pracy urządzenia w temperaturze zewnętrznej +7°C (linia zielona) i -28°C (linia czerwona)		2. Wykres w układzie ciśnienie-entalpia z trzystopniową regulacją zaworami LEV, które regulują stopień przegrzania par i dochłodzenia cieczy

Jednostka typu Zubadan. Zastosowana technologia pozwala na utrzymanie stałej wydajności w temperaturze od +5 do -15°C. Dzieje się tak, ponieważ urządzenie wyposażono w spręsza żarkę z bezpośrednim wtryskiem mokrych par czynnika do komory scrolla. Stopień suchości pary regulowany jest przez elektroniczny zawór rozprężny w zakresie od x = 0,2 do x = 1. Dodatkowo, urządzenie ma wymiennik typu HIC, w którym czynnik chłodniczy wstępnie odparowuje, by później trafić do komory sprężania. Efektem tej przemiany jest pobranie ciepła od przepływającej przez wymiennik cieczy, czyli zmniejszenie jej entalpii. W rezultacie następuje zwiększenie wydajności chłodniczej, a więc zdolności do pobierania ciepła z otoczenia.

Co daje wtrysk pary mokrej?

Jak wspomniałem wcześniej, w urządzeniu typu Standard, wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej, zmienia się gęstość czynnika, a co za tym idzie – zmniejsza się strumień masowy czynnika. Zastosowanie wtrysku pary mokrej eliminuje zjawisko spadku gęstości czynnika oraz obniża temperaturę tłoczenia, zapewniając stałą wydajność i możliwość pracy urządzenia w niskiej temperaturze zewnętrznej. Ale czy to takie proste? Niezupełnie. Cała tajemnica tkwi w rodzaju wtryskiwanego czynnika. Producenci ze względów bezpieczeństwa realizują wtrysk czynnika w postaci pary suchej, gdzie x = 1, ale patrząc na wykres czynnika R410A można zauważyć, że para sucha ma kilkadziesiąt razy mniejszą gęstość niż para mokra, co może nie wystarczyć do obniżenia temperatury tłoczenia. Na rynku występują również sprężarki z wtryskiem „cieczy”, gdzie do komory sprężania zostaje podana para mokra o stopniu suchości x = 0,2. Wtrysk pary o takich parametrach powoduje znaczne obniżenie temperatury tłoczenia, co dalej może prowadzić do sytuacji, w której końcowa temperatura tłoczenia znajdzie się poza obszarem pary suchej przegrzanej i spowoduje spadek temperatury zasilania skraplacza.
W jednostkach Zubadan stopień suchości wtryskiwanej pary jest regulowany przez elektroniczny zawór rozprężny, dzięki czemu wydajność grzewcza utrzymana jest na stałym poziomie. Dodatkowo urządzenia te wyposażone są w przegrzewacz pary zamiast akumulatora czynnika chłodniczego. W procesie odszraniania pozwala to na szybkie osiągnięcie wysokiej temperatury tłoczenia i skraca czas odszraniania do 2 minut.
Możliwość zastosowania takiego rozwiązania wynika ze sposobu regulacji układu chłodniczego. Regulacja ta odbywa się za pomocą trzech zaworów rozprężnych, które regulują stopień przegrzania par oraz dochłodzenia cieczy (rys. 2). Jest to optymalne rozwiązanie, które czyni Zubadan idealnym urządzeniem do zastosowań w systemach ATA (air to air) lub ATW (air to water) jako jedyne źródła ciepła.

Autor: Piotr Jabłoński