Sprężarka pompy ciepła - jak działa? Jakie są jej rodzaje?

Sprężarka do pompy ciepła - co to jest?

Sprężarka w pompie ciepła stanowi “serce” całej instalacji i to właśnie dzięki niej urządzenie to nosi nazwę “pompy”. Jest ona jednym z jej elementów, odpowiedzialnym za cyrkulację czynnika chłodniczego w układzie. Sprężarka zasysa go w formie gazowej, jednocześnie go sprężając. To w efekcie podnosi temperaturę czynnika chłodniczego i umożliwia odbiór tego ciepła w skraplaczu, a w późniejszym etapie - energia ta jest przekazywana do instalacji grzewczej, znajdującej się w budynku (może nią być np. niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe).

Sprężarka odpowiada zatem za prawidłowe funkcjonowanie ogrzewania budynku, jak i za efektywność pracy pompy ciepła. Jest ona również jej najbardziej energochłonnym elementem, albowiem może zużywać nawet do 90% energii elektrycznej wykorzystywanej przez pompę ciepła. Tak więc zarówno rodzaj, jakość, jak i wydajność sprężarki ma duży wpływ na efektywność pracy tego ekologicznego urządzenia grzewczego (miarą, która pozwala ją określić, jest współczynnik COP).

Jak działa sprężarka pompy ciepła?

Sprężarka znajdująca się w pompie ciepła jest urządzeniem, za pośrednictwem, którego możliwe jest przenoszenie energii z dolnego do górnego źródła (działa na zasadzie sprężania czynnika chłodniczego przenoszącego ciepło z jednego do drugiego miejsca).
Przy czym proces ten, przebiega zgodnie z zasadami termodynamiki, gdzie energia nie powstaje na nowo ani nie ulega zniszczeniu, może jedynie zachodzić jej przemiana z jednej formy w drugą. Pracę sprężarki w pompie ciepła można opisać w kilku etapach.

Najpierw sprężarka pobiera niskotemperaturowy czynnik chłodniczy, który jest w postaci gazowej, z jednostki wewnętrznej pompy ciepła. Następnie jest on w niej sprężany, co powoduje wzrost ciśnienia i temperatury. Po opuszczeniu sprężarki, czynnik chłodniczy przepływa przez wymiennik ciepła, gdzie oddaje ciepło do otoczenia (ogrzewa instalację grzewczą - centralnego ogrzewania i/lub ciepłej wody użytkowej). Po wszystkim czynnik chłodniczy przechodzi do postaci ciekłej i wraca z powrotem do obiegu pozyskiwania ciepła. Istotne jest, aby tak ważny element, jak sprężarka, był dobrany odpowiednio do wymagań pompy ciepła i jej wydajności. Tylko w ten sposób bowiem można zapewnić jej efektywną i niezawodną pracę.

Żywotność sprężarki w pompie ciepła

Żywotność pompy ciepła w dużej mierze określa żywotność sprężarki, która w zależności od producenta wynosić może od 50.000 do 100.000 godzin pracy. Trzeba jednak podkreślić, że równie ważnym parametrem jest liczba cykli jej załączeń (startów), która może wynosić połowę liczby godzin pracy. Zakładając więc, że pompa ciepła pracuje średnio 8 godzin na dobę, w ciągu roku daje to 3.000 h, a więc ok. 33 lata (100 000 / 3000) funkcjonowania urządzenia. Przy uwzględnieniu jednak ograniczenie w postaci 50.000 startów (ok. 2.500 roczne), ostateczny wynik, jeśli chodzi o żywotność pompy ciepła, wynosi 20 lat (50.000 / 2.500).

Producenci podają także liczbę załączeń sprężarki na godzinę - im jest ona mniejsza, tym dłuższa jest zarówno jej żywotność, jak i efektywność (szacuje się, że powinna się ona włączać dwa lub trzy razy na godzinę). Urządzenia te bowiem najlepiej pracuje w długich interwałach czasowych: długich okresach przestojów i długich okresach pracy. W celu zadbania o sprężarkę pompy ciepła można również rozważyć zamontowanie bufora w instalacji.

Rodzaje sprężarek w pompach ciepła

Sprężarki do pompy ciepła dzieli się na dwa podstawowe rodzaje, różniące się między sobą budową, a także zastosowaną technologią. Są to:

Sprężarki ON/OFF (włącz/wyłącz), zwane tradycyjnymi

Cechują się one prostszym rozwiązaniem i mniejszą precyzją działania. Ponadto sprzyjają one wyższemu zużyciu energii elektrycznej, co z kolei może powodować intensywniejszą eksploatację i krótszą żywotność urządzenia. Ten typ sprężarek włącza się i wyłącza w zależności od temperatury otoczenia i zapotrzebowania na ciepło w budynek. Przy czym, im wyższa temperatura zewnętrznego źródła energii, tym też wyższa nadwyżka ciepła wyprodukowanego przez pompę ciepła (konieczne może okazać się wówczas zastosowanie zbiornika buforowego). Są one stosowane coraz rzadziej

Sprężarki inwerterowe do pomp ciepła

Urządzenia te są technologicznie bardziej zaawansowane i umożliwiają płynną regulację pracy przy zachowaniu wysokiej sprawności, co jest możliwe dzięki zmianie częstotliwości i amplitudy prądu. Prąd stały w prąd zmienny, przekształca w tym przypadku tzw. przekształtnik, po czym inwerter zamienia go w prąd 3-fazowy (ten rodzaj prądu zapewnia wymagane obroty sprężarki inwerterowej).

Źródło: vaillant.pl

Inwertery w sprężarkach pozwalają na regulację prędkości ich pracy w zależności od zapotrzebowania na ciepło w budynku, co pozwala jej dostosować pracę do zmieniających się warunków i umożliwia uzyskanie wysokiej wydajności przy minimalnym zużyciu prądu. Co ważne, przy wyższych temperaturach zewnętrznych, pompa ciepła ze sprężarką inwerterową nie wygeneruje nadmiaru ciepła (nie trzeba więc będzie go magazynować w zbiorniku buforowym).

Obecnie są one uważane za jedne z najbardziej efektywnych i najczęściej wykorzystywanych przez producentów sprężarek. Największą popularnością cieszą się sprężarki inwerterowe znajdujące zastosowanie w powietrznych pompach ciepła typu powietrze/woda. Wszystko ze względu na ich wiele zalet, takich jak m.in.

• niezawodność, trwałość i długa żywotność. Sprężarki inwerterowe nie wyłączają i nie włączają się (niekorzystne zjawisko taktowania), tak często jak modele tradycyjne;
• energooszczędność. Wszystko dzięki płynnej pracy sprężarki inwerterowej bez częstych rozruchów, powodujących zwiększenie zużycia energii;
• lepsza kontrola i wysoka stabilność temperatury. Urządzenie to pozwala na płynną regulację mocy w szerokim zakresie, a wysoka stabilność temperatury zasilającej instalację grzewczą przekłada się na małe wahania temperatury wewnątrz budynku (obniża też ryzyko przegrzania lub niedogrzania pomieszczeń);
• pełen komfort termiczny. Sprężarka inwerterowa szybciej uzyskuje zadaną temperaturę i nie dopuszcza do nagłych spadków, bez względu na warunki.
• łagodny rozruch (małe natężenie prądu rozruchowego). W przeciwieństwie bowiem do sprężarek standardowych, rozpoczynających pracę od razu na pełnych obrotach, te mają tzw. „miękki start” (stopniowo zwiększając obroty silnika, przez co pobierają mniejszy prąd rozruchowy);
• precyzyjna regulacja wymaganej temperatury wody w instalacji grzewczej;szerszy zakres pracy dla wahań napięcia w sieci energetycznej.

Rodzaje sprężarek w pompach ciepła - pozostały podział

Zgodnie z jeszcze jednym podziałem, wyróżnia się następujące rodzaje sprężarek w pompach ciepła:

Sprężarkę tłokową

Sprężarka tłokowa należy do grupy sprężarek objętościowych, dzielonych na jednostopniowe i wielostopniowe (w zależności od liczby stopni sprężania). W ich przypadku zwiększanie ciśnienia gazu następuje na zasadzie ruchu posuwistego tłoka w cylindrze. Ten typ urządzenia, ze względu na niską sprawność oraz nierówną i stosunkowo głośną pracę, jest stosowany najrzadziej (np. w pompach ciepła do c.w.u. o małej mocy). Do zalet sprężarki tłokowej zaliczyć można natomiast jej niską cenę i prostą konstrukcję.

Sprężarkę spiralną (typu scroll)

Sprężarka spiralna jest typem sprężarki wyporowej znajdującej szerokie zastosowanie w m.in. samochodach, układach klimatyzacji i chłodzenia, czy w pompach ciepła (zwłaszcza w przypadku tych o dużej mocy). Urządzenie to działa na zasadzie wewnętrznego sprężania powietrza lub innego gazu. Dzięki prostej i jednocześnie efektownej konstrukcji ma wiele zalet.

Do tych głównych należy stabilna praca oraz wysoka niezawodność (praktycznie zerowe wymagania serwisowe) i sprawność, dzięki czemu najczęściej stosowana jest w pompach ciepła o dużej mocy (w tym w zastosowaniach przemysłowych). W przypadku tych ostatnich istnieje szansa na zastosowanie ogrzewania wysokotemperaturowego (m.in. w budynkach nie posiadających ogrzewania podłogowego i wyższej klasy energetycznej). Minusem jest natomiast wysoka cena sprężarki spiralnej.

Sprężarkę rotacyjną

Sprężarki rotacyjne są jednymi z tych najbardziej rozpowszechnionych. W ich przypadku sprężanie gazu następuje w komorach powstających, dzięki ruchowi obrotowemu wirnika (tłoku) lub wirników. Wyróżnia się wiele odmian sprężarek rotacyjnych:

• począwszy od prostych działających w trybie ON/OFF (z jednym tłokiem - tzw. Rotary). Urządzenia te cechują się niską ceną produkcji, jednak mają słabą szczelność i niski stopień sprężania, przez co stosowana jest niemal wyłącznie w taniej klimatyzacji;
• po te bardziej zaawansowane i efektywne (dzięki podwójnemu tłokowi - sprężarka Twin Rotary ) z płynną (inwerterową) regulacją wydajności. Dzięki umieszczeniu drugiego tłoka na jednym wale, uzyskano spadek hałasu i drgań oraz wzrost współczynnika COP.

Jaką sprężarkę do pompy ciepła wybrać?

Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na to pytanie, ponieważ wybór odpowiedniego typu sprężarki do pompy ciepła zależy od wielu czynników. Mowa tu chociażby o cenie pompy ciepła (wpływ na nią ma jej rodzaj i zastosowanie), czy też wymaganiach i preferencjach samych użytkowników. Wszystkie sprężarki posiadają bowiem swoje wady i zalety.

I tak zarówno najprostsze, jak i najtańsze w produkcji są sprężarki tłokowe. Generują one jednak większe wibracje i hałas. Cichsze od nich i bardziej wydajne są natomiast sprężarki spiralne. Są one już jednak droższe w produkcji jak i naprawie. Za to najbardziej zaawansowanymi technologicznie i dającymi możliwość lepszej kontroli nad zużyciem energii elektrycznej, są sprężarki inwerterowe, pracujące na prądzie stałym.

Stanowią one obecnie najbardziej wydajne urządzenia na rynku pomp ciepła i klimatyzatorów. Przy czym najbardziej efektywna jest sprężarka inwerterowa DC scroll. W jej jednak przypadku, trzeba liczyć się ze sporym wydatkiem, w dodatku doświadczenie w jej produkcji ma jedynie kilka firm na świecie. Cenowo - jakościową alternatywą do niej jest za to sprężarka typu inwerterowego DC Twin Rotary.

Sprężarka do pompy ciepła - najczęstsze przyczyny awarii

Przyczyny awarii sprężarki pompy ciepła mogą być różne. Wynikają one chociażby z powodu złej jakości urządzenia (mowa tu zwłaszcza o tych „wątpliwego” pochodzenia), wówczas częściej dochodzi do uszkodzenia lub przedwczesnego wyeksploatowania urządzenia. Wpływ na jej prawidłową pracę i żywotność mają również błędy w jej użytkowaniu lub też w konstrukcji i montażu.

Uszkodzenia sprężarek można podzielić na dwie podstawowe grupy, jakim są uszkodzenia elektryczne i mechaniczne. Przy czym do najczęściej występujących zalicza się awarie wynikające z m.in.

• braku właściwego smarowania, co prowadzi do zatarcia sprężarki;
• przegrzania sprężarki;
• zalania sprężarki czynnikiem chłodniczym;
• zalania startu sprężarki;
• problemów elektrycznych;
• uderzenia cieczowego, spowodowanego przez większe ilości ciekłego czynnika, które nie mogą być odparowane lub wytłoczone przez zawór tłoczny.

Rozwiązanie problemu związanego z awarią sprężarki do pompy ciepła, zależy w dużej mierze, zarówno od jakości jej wykonania, jak i producenta pompy ciepła. Jeśli jest to urządzenie słabszej jakości, to może się zdarzyć, że części zamienne są tak drogie, że tańsza będzie wymiana całego urządzenia. Natomiast w sytuacji, gdy awarii uległo urządzenie z wyższej półki cenowej, do produkcji którego użyto najwyższej jakości komponentów, to wtedy można rozważyć naprawę samej sprężarki.

Sprężarka do pompy ciepła - cena

Sprężarka to najdroższy element każdej pompy ciepła, który ma decydujący wpływ na trwałość i wydajność tego urządzenie grzewczego. Przy czym koszt sprężarki inwerterowej zależy od producenta, mocy i typu podzespołu (Scroll lub twin-rotatory). Przedział cenowy dla tych urządzeń wynosi od kilku do kilkunastu tysięcy złotych.