Wprowadzenie

W system chłodzenia opartym na pompie ciepła wytwarzanie chłodu realizowane jest z wykorzystaniem przemian termodynamicznych czynnika chłodniczego krążącego w układzie zamkniętym wewnątrz urządzenia. Wszystkie sprężarkowe układy chłodnicze zasilane energią elektryczną składają się z 5 podstawowych elementów: parownika, skraplacza, sprężarki, zaworu rozprężnego oraz czynnika roboczego.

Czynnik roboczy odparowując pobiera ciepło z otoczenia, ochładzając go. Po podwyższeniu ciśnienia z wykorzystaniem sprężarki, gazowy czynnik chłodniczy ulega skropleniu w skraplaczu oddając ciepło do otoczenia. Na skutek rozprężenia realizowanego z wykorzystaniem zaworu rozprężnego w warunkach obniżonego ciśnienia, czynnik chłodniczy ulega odparowaniu w parowniku.

Wszystkie małe układy chłodzenia oparte na sprężarkowej pompie ciepła realizują taki cykl przemian.

W sprzedaży dostępne są trzy warianty pomp ciepła –powszechnie zwanymi klimatyzatorami. Klimatyzatory przenośne i stacjonarne (tak zwane monobloki klimatyzacyjne) oraz klimatyzatory składające się z dwóch jednostek: wewnętrznej i zewnętrznej (tak zwane Split system). Czwarty rodzaj stanowią pompy ciepła pochodzące z demontażu agregatu chłodzącego z chłodziarki (lodówki).

Monobloki klimatyzacyjne

Klimatyzatory przenośne

Wykonane w postaci kompaktowej, składają się z jednej jednostki, wewnątrz której zainstalowany jest agregat chłodzący w tym zarówno parownik jak i skraplacz. Do urządzenia doprowadzona jest rura elastyczna wyrzucająca powietrze (odbierające ciepło od skraplacza) na zewnątrz chłodzonego pomieszczenia.

Podłączenie jednostki sprowadza się do montażu przewodu elastycznego (tak zwanego fleksa) o znacznej średnicy w zewnętrznej ścianie budynku lub istniejącym kanale wentylacji grawitacyjnej oraz zasilenia energią elektryczną. Niestety, efektywność energetyczna tych jednostek jest niewielka.

Skraplacz, aby odbierał wystarczającą ilość ciepła wymaganą do poprawnego działania pompy ciepła, potrzebuje stosunkowo dużych ilości powietrza. Jest ono pobierane z chłodzonego pomieszczenia, w którym znajduje się jednostka. Taka konstrukcja urządzenia powoduje, że ochłodzone powietrze jest usuwane na zewnątrz budynku, a efekt chłodzenia jest miarą subiektywną odczuwalny tylko stojąc na wprost urządzenia. Dodatkowo klimatyzator generuje hałas związany z praca zarówno sprężarki jak i wentylatorów zainstalowanych wewnątrz, co może być bardzo uciążliwe dla wielu użytkowników.

Klimatyzatory przenośne –wykonanie niestandardowe

W sprzedaży znajdują się dwie wersje klimatyzatorów przenośnych, różniących się nieco budową.

Pierwsza z nich wykonana jest w postaci kompaktowego urządzenia, do którego zainstalowane są dwie rury elastyczne (fleksy). Należy je zamontować w zewnętrznej ścianie budynku tak, aby jednym z kanałów pobierane było powietrze chłodzące skraplacz, a drugim powietrze ogrzane –wyrzucane na zewnątrz. Przepływ powietrza przez skraplacz wymusza wentylator umieszczony w obudowie. Efektywność energetyczna tych urządzeń jest nieco wyższa, niż jednostek kompaktowych z jedną rurą elastyczną, ponieważ powietrze odbierające ciepło od skraplacza jest wyłączenie powietrzem zewnętrznym. Przy czym, należy zwrócić uwagę na poprawne zamontowanie przewodów pobierających chłodne powietrze zewnętrzne i wyrzucających powietrze ogrzane tak, aby nie następowało „podbieranie” strumienia powietrza. Wadą klimatyzatorów przenośnych w takim wykonaniu jest to, że w pomieszczeniu generowany jest hałas pochodzący od całego układu chłodniczego. Zarówno parownik, skraplacz, sprężarka, zawór rozprężny i dwa wentylatory są wbudowane w urządzenie.

W drugim wykonaniu klimatyzatorów przenośnych skraplacz stanowi odrębne urządzenie. Jest ono zwykle na trwałe połączone liniami ”freonowymi” z klimatyzatorem montowanym w pomieszczeniu –czyli rurkami miedzianymi w których znajduje się czynnik chłodniczy.

Montaż takiego urządzenia sprowadza się do zainstalowaniu skraplacza na zewnątrz budynku na przykład poprzez otwarcie okna i wstawieniu w niego jednostki zewnętrznej z wmontowanym w obudowie wentylatorem. Niektórzy producenci posiadają z swojej ofercie klimatyzatory przenośne, w których jednostka zewnętrza jest połączona z liniami freonowymi przy użyciu szybkozłączek. Znacznie upraszcza to montaż urządzenia i nie wymaga specjalistycznego sprzętu oraz wiedzy fachowej.

Ze względu na krótkie linie freonowe klimatyzator stacjonarny musi znajdować się blisko zewnętrznej ściany budynku. Do zalet tych urządzeń należy mniejszy hałas, ponieważ wewnątrz znajduje się tylko parownik, zawór rozprężny, sprężarka i wentylator wymuszający obieg powietrza w chłodzonym pomieszczeniu.

Klimatyzatory "okienne"

Istnieje specyficzna odmiana klimatyzatora stacjonarnego potocznie nazywanego „okiennymi”. Wykonane są w postaci kompaktowego urządzenia, które montuje się w przegrodzie budowlanej pomiędzy pomieszczeniem chłodzonym po jednej stronie ściany i stykające się z powietrzem zewnętrznym na drugiej.

Jest to rozwiązane nieco lepsze niż klimatyzator przenośny, ponieważ powietrze odbierające ciepło od skraplacza jest powietrzem zewnętrznym, a parownik odbiera ciepło tylko od powietrza znajdującego się w pomieszczeniu. Nie ma strat „chłodu” na skutek usuwania ochłodzonego wcześniej powietrza na zewnątrz budynku –jak to miało miejsce w typowych urządzeniach przenośnych.

Kompaktowe klimatyzatory okienne nie wymagają dodatkowej instalacji chłodniczej w związku, z czym ich montaż ogranicza się wyłącznie do osadzenia urządzenia w otworze okiennym lub w ścianie. Warto zwrócić uwagę na możliwość przenoszenia drgań od urządzenia –konieczność stosowania podkładek amortyzujących.

Split system

Klimatyzatory naścienne

Konstrukcja tych urządzeń opiera się na dwóch jednostkach: wewnętrznej i zewnętrznej, połączonych ze sobą rurami miedzianymi, w których przepływa czynnik roboczy. Na zewnątrz budynku zainstalowany jest skraplacz z wentylatorem i pozostałymi elementami pompy ciepła: sprężarką oraz zaworem rozprężnym, układem zasiania i sterowania. W chłodzonym pomieszczeniu na ścianie lub przy suficie montuje się jednostkę wewnętrzną -parownik z wentylatorem wymuszającym przepływ chłodzonego powietrza obiegowego.

Zaletą tych urządzeń jest to, że cały hałas powodowany pracą urządzenia generowany jest na zewnątrz budynku, a w chłodzonym pomieszczeniu znajduje się zwykle wentylator małej wydajności wymuszający ruch powietrza w pomieszczeniu. Taki układ jest dużo bardziej korzystny energetycznie niż klimatyzatory kompaktowe i posiada większą moc chłodniczą. Dedykowany jest dla osób z dużymi uprawami roślin owadożernych w obszernych pomieszczeniach, dla których wymagane są w miarę stabilne parametry powietrza.

Montaż jednostek jest znaczenie bardziej problemowy. Wymaga połączenia jednostki zewnętrznej i wewnętrznej rurami miedzianymi izolowanymi cieplnie (łączonymi na lut twardy), zasilenie jednostki wewnętrznej i zewnętrznej energią elektryczną i wykonania tak zwanego odprowadzenia skroplin –pary wodnej, która wykrapla się z powietrza po zetknięciu się z chłodną powierzchnią parownika. W ostatnim etapie układ należy napełnić czynnikiem chłodniczym.

DIY

Agregat chłodniczy DIY

Lodówka jest przykładem małego układu chłodniczego, w którym wykorzystana jest pompa ciepła. Wewnątrz urządzenia znajduje się parownik. Wykonany jest z rurek, w których przepływa czynnik chłodnicy. Na powierzchni rurek umieszczone są zwykle tak zwane żebra –element zwiększający powierzchnię wymiany ciepła. Czasem rolę żebra stanowi blacha aluminiowa. W chłodziarkach starego typu jest to bardzo dobrze widoczne, ponieważ parownik często tworzy komorę zamrażarki w górnej części.

W tylnej części lodówki znajduje się sprężarka, zawór rozprężny oraz skraplacz wykonany w postaci rurek ukształtowanych na wzór meandra malowany na kolor czarny. Do nich zgrzane są poprzecznie pręty o małej średnicy –zwiększające powierzchnię oddawania ciepła do otoczenia. Przepływ powietrza przez skraplacz jest swobodny. Dlatego tak ważne jest, aby lodówka znajdowała się w pomieszczeniu w miejscu dobrze wentylowanym, lekko odsunięta od ściany z dala od źródła ciepła (grzejnika). W przeciwnym przypadku, efektywność urządzenia, wyrażana współczynnikiem EER znacznie spada.

Istnieje wiele przykładów udanej próby wykorzystania niepotrzebnej lodówki w agregat chłodzący pracujący na cele uprawy roślin owadożernych. Modernizacja takiego systemu wymaga wiedzy fachowej i umiejętności technicznych. Nie mniej jednak, szeroko opisywane na forach adaptacje takich urządzeń w system chłodzenia stanowią źródła wielu inspiracji dla podobnych tego typu rozwiązań. Jeden z przykładów adaptacji układu chłodzącego na potrzeby budowy "chłodnego vivarium" - LINK.

Efektywność energetyczna

Pompy ciepła wykorzystywane są, jako urządzenia przeznaczone wyłącznie do ogrzewania lub wyłącznie chłodzenia. Niektóre z tych urządzeń, wyposażone w zawór trójdrogowy i dodatkowy zawór rozprężny posiadają możliwość odwracania obiegu czynnika roboczego (parownik pełni rolę skraplacza i na odwrót) i służą one zarówno do grzania jak i chłodzenia –w zależność od potrzeb.

Efektywność energetyczna pomp pracujących na potrzeby ogrzewania określa się bezwymiarową wartością współczynnika COP. Z kolei efektywność energetyczna chłodzenia układów chłodniczych -wartością EER. W dużym uproszczeniu współczynniki te określają ile kW ciepła lub chłodu można uzyskać z 1 kW pobranej przez sprężarkę energii elektrycznej. Jednak parametry te podane są dla określonych warunków pracy pompy ciepła (umieszczone zwykle przez producenta małym druczkiem) i odbiegają od warunków rzeczywistych, w których dany układ jest wykorzystywany. Wartość COP i EER jest większa od 1. Producenci podają w katalogach, że COP i EER waha się w przedziale 3-4, a niekiedy osiąga wartość 5. W rzeczywistości, wartości te rzadko są większe od 3, a zwykle osiągają 2,5.

Większa efektywność układów chłodzenia (wyższa wartość współczynnika EER) i tym samym niższe zużycie energii elektrycznej jest możliwe przy zapewnieniu odpowiednich warunków pracy danego układu. Pompa ciepła pracuje wydajniej, jeżeli różnica temperatur pomiędzy temperaturą parownika, a skraplacza jest stosunkowo nieduża. Niestety chłodzenie stosuje się zwykle, gdy na zewnątrz panują wysokie temperatury, a ogrzewania gdy temperatura powietrza jest bardzo niska. W pozostałych przypadkach, przy umiarkowanych temperaturach powietrza, które odbiera ciepło od parownika –pompa ciepła pracuje wydajnie.

W niektórych przypadkach istnieje techniczne wskazanie na montaż jednostki „zewnętrznej” wewnątrz budynku –np. na poddaszu nieużytkowym lub w piwnicy. Takie rozwiązanie wymaga uwzględnienia warunków pracy układu.

Przepływ powietrza przez jednostkę zewnętrzną, niezbędny do prawidłowej pracy urządzenia wynosi nawet 2500m3/h. Kubatura pomieszczenia o przykładowych wymiarach 10x10x2,5m wynosi 250 m3. W ciągu godziny, wentylator wymusi 10 krotny obieg powietrza z pomieszczenia odbierający ciepło od skraplacza Gdy jednostka zewnętrzna zostanie zainstalowana w piwnych, która jest dobrze wentylowana i powietrze posiada niższą temperaturę niż powietrze na zewnątrz budynku –pompa w trybie chłodzenia pracuje bardziej wydajniej. Jednak, jeżeli piwnica jest niewielka i słabo wentylowana może dojść do sytuacji, w której powietrze zostanie ogrzane na tyle, że przestanie ono odbierać ciepło z parownika. Wydajność układu znaczenie spadnie. Pompa ciepła może ulec awarii.