Sprężarka inwerterowa w pompie ciepła

Rodzaje stosowanych w pompach ciepła sprężarek

Zasada działania sprężarki inwerterowej

Korzyści wynikające z zastosowania sprężarki inwerterowej

Wydanie 1/2015

30.11.2015

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

2

Sprężarka – główny element w budowie

pompy ciepła

Sprężarka jest często uznawana za

najważniejszy element w budowie pompy

ciepła. Zapewnia pracę obiegu chłodniczego

i w pierwszym rzędzie to od niej zależy

efektywność pracy pompy ciepła. Największa

część zużycia energii elektrycznej ( 90%)

przypada w pompie ciepła na sprężarkę

(pozostała część na pompę obiegową oraz

sterowanie)

3

Potencjał techniczny dla wzrostu

efektywności pracy pompy ciepła

Konstrukcja sprężarki: +9%

Sterowanie wydajnością: +25%

Wysokoefektywna

pompa obiegowa: +5%

Rodzaj czynnika chłodniczego: +10%

Konstrukcja parownika

i skraplacza: +10%

Opory przepływu: +3%

Ekonomizer (wymiana ciepła

w obiegu chłodniczym): +10%

Współczesne pompy ciepła wysokiej klasy technicznej cechują się wysoką efektywnością

pracy, jednak cały czas upatruje się możliwości jej zwiększania. Potencjał leży w samej

konstrukcji urządzenia i wg różnych szacunków, zwiększenie efektywności może wynosić

nawet 2030%. Wysokie znaczenie odgrywa tu konstrukcja sprężarki i sterowanie jej

wydajnością. Potencjały wzrostu dla wymienionych punktów nie sumują się ze sobą ze

względu na wzajemne oddziaływanie na siebie. W opracowaniu z 2009 r. nie wskazano m.in.

takich elementów jak: zawór rozprężny (elektroniczny), czy wentylator (silnik prądu stałego).

Źródło: „Guter Geräte-COP kein Effizienzgarant”, W.Schmid, SBZ 03/2009

4

Typy sprężarek dla pomp ciepła małej mocy

(nie przemysłowych itp.)

Dla powszechnie stosowanych pomp ciepła spotykane są 3 główne typy sprężarek:

Sprężarka

tłokowa

Coraz rzadziej obecnie stosowane ze względu na stosunkowo niską sprawność,

nierównomierną pracę i zwiększony poziom drgań podczas pracy. Zaletą jest niska

cena, prosta konstrukcja. Spotykane w pompach ciepła wody użytkowej małej mocy.

Sprężarka

spiralna

Sprężarki nazywane także typem Scroll znajdują zastosowanie zwykle w pompach

ciepła „większej” mocy (od około 10 kW). Cechują się bardzo wysoką sprawnością,

stabilną i cichą pracą oraz równomierną wydajnością (bez pulsacji). Wymaga wysokiej

precyzji wykonania i cechuje się najwyższym kosztem zakupu, szczególnie w wersjach

z płynną regulacją wydajności.

Sprężarka

rotacyjna

Szeroko rozpowszechnione w pompach ciepła i produkowane w wielu odmianach:

od najprostszych rotacyjnych z jednym tłokiem działających w trybie ON/OFF

(np. w pompach ciepła wody użytkowej), po zaawansowane z podwójnym tłokiem

(Twin Rotary) i płynną (inwerterową) regulacją wydajności.

W ostatnich latach nastąpił znaczący rozwój technologiczny i rozpowszechnienie

zastosowania sprężarek z podwójnym tłokiem i inwerterową regulacją wydajności.

5

Prąd zmienny AC

230V 50Hz Regulator

Zasada pracy sprężarki typu ON-OFF

Prąd zmienny (a dokładniej: przemienny) zasila bezpośrednio sprężarkę poprzez regulator,

który jedynie decyduje o potrzebie włączenia lub wyłączenia sprężarki z pracy.

Obroty sprężarki są stałe, a wydajność pompy ciepła zależy od temperatur roboczych

po stronie dolnego i górnego źródła ciepła.

Prąd zmienny AC

230V 50Hz

ON-OFF

Brak regulacji wydajności nie jest problemem w przypadku np. pomp ciepła wody

użytkowej, gdzie stosuje się sprężarki małej mocy (2÷3 kW), warunki pracy są w dużym

stopniu przewidywalne i stabilne. Czas pracy sprężarki jest stosunkowo długi, nawet kilka

godzin przy podgrzewaniu wody od np. 15 do 45 oC: około 5÷7 godz. Regulacja wydajności

jest z kolei wskazana dla pomp ciepła pracujących na potrzeby ogrzewania budynku, gdzie

potrzeby cieplne są zmienne w czasie.

6

Prąd 3-fazowy Inwerter

(Falownik) Prąd stały DC Przekształtnik

prądu

Zasada regulacji wydajności sprężarki

z inwerterem prądu stałego (Inwerter DC)

Prąd zmienny (a dokładniej: przemienny) 230 lub 400 V jest zamieniany na prąd stały przez

tzw. przekształtnik. Rolą inwertera (falownika) jest z kolei zamiana tego prądu na 3-fazowy

zasilający sprężarkę i zapewnianie w ten sposób wymaganych obrotów sprężarki.

Regulacja obrotów sprężarki przez inwerter odbywa się przez zmianę częstotliwości oraz

amplitudy prądu. Przykładowy zakres regulacji częstotliwości dla sprężarki zastosowanej

w pompie ciepła powietrze/woda Vaillant aroTHERM VWL 115/2A może wynosić od 15 do

120 Hz (lub w innej jednostce: RPS).

Prąd zmienny AC

230V 50Hz

DC

INVERTER

Inną odmianą (wcześniejszą) są inwertery prądu przemiennego (AC), gdzie klasyczny silnik

indukcyjny przystosowano do pracy z niższymi obrotami (zmiana napięcia). Cechują się one

jednak niższą sprawnością (5÷8%) niż silniki prądu stałego, mniejszym zakresem regulacji

i większymi gabarytami.

7

Sprężarka rotacyjna Twin Rotary – rozwinięcie

konstrukcji sprężarki rotacyjnej

Rozwinięciem konstrukcji sprężarek rotacyjnych stała się sprężarka z dwoma tłokami (Twin

Rotary). Dzięki temu zwiększono wydajność przy mniejszych rozmiarach sprężarki, a przede

wszystkim zdecydowanie zmniejszono wibracje i tym samym obciążenie mechaniczne wału

(wpływ na niezawodność, trwałość, hałas). Sprężarka z dwoma tłokami pracuje w stabilny

sposób – sprężanie nie jest tak pulsacyjne jak przy sprężarce z jednym tłokiem. Sprężarki

z dwoma tłokami mogą pracować także stabilnie przy niższych obrotach, stąd można w nich

zastosować płynną inwerterową regulację wydajność (Twin Rotary Inwerter).

Twin Rotary

Sprężarki rotacyjne

z jednym tłokiem

stosowane są w niskim

zakresie mocy, głównie

dla pomp ciepła wody

użytkowej

Single Rotary

8

Częstotliwość (Hz, RPS)

Zależność efektywności pracy pompy ciepła

od wydajności sprężarki inwertowej DC

95100%

9095%

7590%

CO

P (

śre

dn

ie d

la: A

2/W

35,

A7/W

35

, A

10

/W35

, A

12/W

35)

Nowoczesna sprężarka inwerterowa cechuje się wysoką efektywnością pracy w szerokim

zakresie obrotów/częstotliwości. W podstawowych najczęściej spotykanych warunkach pracy

pompy ciepła (temperatura zewnętrzna od +2 do +12 oC), najwyższa efektywność COP

pompy ciepła przypada na zakres 4070 Hz. Nadal wysoka efektywność COP na poziomie

9095% wartości maksymalnej COP przypada na cały zakres 3085 Hz. Dopiero przy

podwyższonej częstotliwości (> 85 Hz), obniża się efektywność. Są to jednak najczęściej

chwilowe warunki pracy – gdy

temperatura rzeczywista na

zasilaniu instalacji grzewczej

odbiega znacznie od

temperatury żądanej i pompa

ciepła musi zwiększyć swoją

wydajność grzewczą.

Wykres dla pompy ciepła

Vaillant aroTHERM VWL 115/2,

dla podgrzewania wody 30-35 oC

COPmax = 4,60

9

Wpływ pracy sprężarki inwerterowej

na efektywność COP pompy ciepła (W30-35oC)

CO

P

Temperatura zewnętrzna

W30-35oC

A2/W30-35 A7/W30-35 A-7/W30-35 A-15/W30-35

Najwyższa efektywność pompy ciepła przypada na obciążenie sprężarki rzędu 40-70%:

obroty od 40 do 70 RPS (obr/sek.). Zwiększone (występujące przeważnie chwilowo)

obciążenie rzędu 80-108 RPS zmniejsza efektywność COP pompy ciepła

Przykładowy wykres dla pompy ciepła powietrze/woda Vaillant aroTHERM VWL 115/2A

o mocy znamionowej 10,5 kW (A7/W35), dla podgrzewania wody od 30 do 35 oC (W30-35oC)

10

CO

P

Temperatura zewnętrzna

W40-45oC

A2/W40-45 A7/W40-45 A-7/W40-45 A-15/W40-45

Najwyższa efektywność pompy ciepła przypada na obciążenie sprężarki rzędu 40-70%:

obroty od 40 do 70 RPS (obr/sek.). Zwiększone (występujące przeważnie chwilowo)

obciążenie rzędu 80-100 RPS zmniejsza efektywność COP pompy ciepła

Przykładowy wykres dla pompy ciepła powietrze/woda Vaillant aroTHERM VWL 115/2A

o mocy znamionowej 10,5 kW (A7/W35), dla podgrzewania wody od 40 do 45 oC (W40-45oC)

Wpływ pracy sprężarki inwerterowej

na efektywność COP pompy ciepła (W40-45oC)

11

Zaawansowane technologie w budowie

sprężarek inwerterowych

W sprężarkach inwerterowych stosowanych w pompach ciepła typoszeregu aroTHERM,

silnik wykonany jest w technologii bezszczotkowej (BLDC). W tego typu silnikach stosuje się

magnesy stałe np. neodymowe lub zawierające metale ziem rzadkich (np. samar). Dzięki

temu wirnik cechuje się około 3-krotnie wyższą indukcją pola magnetycznego w porównaniu

do standardowego wirnika wykonanego z magnesu ferrytowego.

Silnik bezszczotkowy cechuje się wyższą

o około 58% sprawnością w porównaniu

do klasycznych silników (szczotkowych).

Korzyścią jest obniżenie zużycia energii

przez sprężarkę, a tym samym wzrost

efektywności pracy pompy ciepła. Mniejsza

ilość części ruchomych wydłuża trwałość

silnika bezszczotkowego.

Korzystne są także warunki rozruchu

silnika, także dzięki połączeniu z regulacją

wydajności przez inwerter (start z mniejszą

wydajnością w porównaniu do sprężarek

ON-OFF).

Vaillant aroTHERM VWL

12

Korzyści z zastosowania sprężarki

inwerterowej – porównanie pracy

Moc grzewcza pompy ciepła powietrze/woda ze sprężarką typu ON-OFF przekracza

znacznie potrzeby cieplne budynku w wyższych temperaturach zewnętrznych. Powoduje to

powstawanie nadmiaru ciepła i tzw. taktowanie pracy sprężarki. Może zachodzić konieczność

zastosowania zbiornika buforowego. Sprężarka inwerterowa o płynnej regulacji wydajności

pozwala dostosować moc grzewczą pompy ciepła do chwilowego zapotrzebowania ciepła.

Temperatura zewnętrzna (oC)

Mo

c/Z

ap

otr

zeb

ow

an

ie (

%)

Temperatura zewnętrzna (oC)

ON-OFF INWERTER

13

Korzyści z zastosowania sprężarki

inwerterowej – dostosowanie do potrzeb

Sprężarka inwerterowa zapewnia wysoką stabilność temperatury zasilania instalacji

grzewczej, co przekłada się na małe wahania temperatury wewnętrznej w budynku.

Ogranicza się dzięki temu przegrzewanie lub niedogrzewanie budynku.

Sprężarka inwerterowa pozwala także na szybsze uzyskanie wymaganej temperatury

wewnętrznej, a obniżanie wydajności zmniejsza liczbę uruchomień pompy ciepła

(taktowanie). Przekłada się to na wzrost efektywności, niezawodności i trwałości sprężarki.

Czas pracy

Te

mp

era

tura

we

wn

ętr

zn

a

Temperatura żądana

Duże wahania temperatury

Krótki czas rozruchu

Pompa ciepła inwerterowa

Pompa ciepła ON-OFF

Małe wahania temperatury

14

Korzyści z zastosowania sprężarki

inwerterowej – wydłużenie trwałości

Możliwość obniżania wydajności, powala wydłużać pracę sprężarki jednocześnie

zmniejszać liczbę włączeń i wyłączeń (tzw. taktowanie). W przypadku pomp ciepła dąży się

do jak najmniejszej liczby jej włączeń. Każdy rozruch powoduje zwiększone zużycie energii,

a w początkowej fazie pracy pompy ciepła występują niekorzystne warunki ze względu

na ograniczone smarowanie części ruchomych olejem zawartym w czynniku chłodniczym.

W monitorowanych 22 pompach ciepła typu powietrze/woda (dane Instytutu ISE Fraunhofer)

w okresie 07.2012-06.2013, średnia dzienna liczba włączeń wyniosła 13 (od 4 do 29)

(jedynie 5 pomp ciepła posiadało sprężarki o regulowanej wydajności).

170.000

włączeń

35 lat

Dla deklarowanej trwałości sprężarki

= 170.000 włączeń, przy średniej

ilości włączeń 13/d, czas jej pracy

można szacować nawet na ok. 35 lat.

Prąd rozruchu sprężarki rotacyjnej

inwerterowej (aroTHERM VWL) jest nawet

2-krotnie niższy od tej samej mocy

sprężarek spiralnych. Łagodny

rozruch nie wymaga stosowania

wyższych zabezpieczeń elektrycznych

czy też wyższej mocy zamówionej.

15

Korzyści z zastosowania sprężarki

inwerterowej – prosty układ grzewczy

Brak nadwyżek ciepła eliminuje potrzebę stosowania dużych zbiorników buforowych dla

akumulacji ciepła. Obniża to koszty inwestycyjne, oszczędza miejsce zabudowy w kotłowni.

Przykładowy układ hybrydowy pompy ciepła typu powietrze/woda (1) z wiszącym kotłem

gazowym (2) korzysta jedynie ze zbiornika buforowego (4) małej pojemności (40 litrów),

który pełni funkcję sprzęgła hydraulicznego. Wydajność grzewcza pompy ciepła jest płynnie

regulowana w zależności od zapotrzebowania ciepła budynku (5). Ciepła woda użytkowa (6)

jest w tym przypadku podgrzewana w podgrzewaczu (3) tylko przez kocioł grzewczy

(nie podwyższając temperatur pracy pompy ciepła, co obniżało by efektywność jej pracy).

16

Sprężarki inwerterowe – standard

nowoczesnych pomp ciepła

Pompy ciepła powietrze/woda znajdują zastosowanie

coraz częściej w budynkach nie tylko nowych, ale także

modernizowanych z instalacjami grzejnikowymi.

Na ich wzrost popularności wpływ miał również rozwój

technologiczny w budowie sprężarek, który doprowadził

do wzrostu ich efektywności i zwiększenia możliwości

regulacyjnych.

Współczesne wymagania dla efektywności pomp

ciepła, gdzie istotna jest sezonowa efektywność SCOP,

a nie chwilowa COP, stawiają na preferowanej pozycji

sprężarki inwerterowe. Wartość SCOP jest określana

dla 4 różnych częściowych obciążeń pompy ciepła.

Efektywność sprężarki inwerterowej jest w szerokim

zakresie wyrównana i wysoka, co sprzyja osiąganiu

wysokiej efektywności sezonowej SCOP.

Vaillant aroTHERM VWL

Chłodzenie

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji