Wpływ mrozu na systemy wykorzystujące czynniki chłodnicze – co musisz wiedzieć o ich funkcjonowaniu zimą?

Systemy wykorzystujące czynniki chłodnicze stosowane są dziś zarówno w domowych lodówkach i klimatyzatorach, jak i w pompach ciepła, klimatyzacji samochodowej oraz przemysłowych agregatach wody lodowej. Bez nich trudno wyobrazić sobie nasze życie, ponieważ systemy chłodzenia i klimatyzacji umożliwiają zarówno produkcję i przechowywanie żywności, jak i uzyskanie komfortu cieplnego w domu czy samochodzie podczas letnich upałów.

 Przechowywanie w niskich temperaturach dotyczy nie tylko artykułów spożywczych, ale także i np. leków. Jednak w naszym klimacie występują także i zimy, co prawda łagodniejsze i krótsze niż dawnej, jednak nagłe pojawienie się mrozu i śniegu w styczniu nadal nie jest czymś wyjątkowym. Ponieważ wiele domów jednorodzinnych w Polsce wykorzystuje powietrzne pompy ciepła, narażone na działania niskich temperatur, warto zainteresować się tym, jak mrozy wpływają na urządzenia wykorzystujące czynniki chłodnicze.

Technologie chłodnicze

Od lat w chłodnictwie, zaś od jakiegoś czasu także i w ogrzewnictwie (pompy ciepła) podstawową technologią jest wykorzystywanie obiegu termodynamicznego z użyciem czynnika chłodniczego (ziębnika). Jest ona dość skomplikowana, jednak jej zaletą jest nadzwyczaj wysoka efektywność: z 1 kWh energii elektrycznej można uzyskać nawet 4-6 kWh energii cieplnej lub chłodniczej. Innowacje w chłodnictwie obejmują takie technologie, jak: chłodzenie absorpcyjne, termoelektryczne oraz magnetyczne.

Czym są czynniki chłodnicze?

Czynnik chłodniczy to substancja używana w cyklu termodynamicznym do absorbowanie ciepła z otoczenia i przenoszenie go w inne miejsce, w celu rozproszenia. Doskonały przykład stanowi tu domowa lodówka, w której czynnik pobiera ciepło z komory z przechowywaną żywnością i odprowadza je do radiatora z tyłu urządzenia, powodując tym obniżenie temperatury wewnątrz. Zwykle stosowane czynniki chłodnicze są gazami w temperaturze pokojowej, chociaż wykorzystywane są także ciecze lub nawet ciała stałe, w zależności od zastosowania i warunków pracy systemu. Tradycyjnie jako czynniki chłodnicze stosowano fluorowęglowodory, zwłaszcza chlorofluorowęglowodory (CFC), ale są one obecnie wycofywane ze względu na ich działanie niszczące warstwę ozonową. Inne powszechnie stosowane czynniki chłodnicze to amoniak, dwutlenek węgla i węglowodory niechlorowcowane, takie jak propan. Większość czynników chłodniczych znajdujących się w urządzeniach wycofanych z eksploatacji to związki zubożające warstwę ozonową i powodujące globalne ocieplenie. Obecnie w systemach chłodnictwa i klimatyzacji najczęściej wykorzystuje się: CFC (np. R-12), HCFC (np. R-22), HFC (np. R-134a, R-410A), HC (np. propan, czyli R-290), oraz naturalne (np. amoniak, R-717 czy dwutlenek węgla, R-744), oraz nowsze HFO (np. R-1234yf). UE promuje czynniki ekologiczne, takie jak naturalny propan.

Właściwości czynników chłodniczych

Z punktu widzenia efektywności energetycznej, czynniki chłodnicze powinny posiadać jak najlepsze właściwości termodynamiczne, takie jak: normalna temperatura wrzenia, ciśnienie nasycenia i objętość właściwa pary. W przypadku pompy ciepła czynnik o dobrych parametrach zapewni wysoką wartość współczynników COP (SCOP), czyli odpowiednią wydajność ogrzewania, czyli niższe koszty eksploatacji. Podobnie jest w klimatyzatorach, gdzie ważna jest odpowiednia efektywność chłodzenia (określana współczynnikami EER i SEER). Jednak ważne są także kwestie ekologii oraz bezpieczeństwa użytkowania. Na znaczeniu zyskały takie parametry, jak ODP, czyli potencjał niszczenia warstwy ozonowej oraz GWP - potencjał wpływu na globalne ocieplenie. Wartości tych parametrów powinny być jak najniższe. Niestety dobre parametry termodynamiczne mogą pozostawać w sprzeczności z innymi wymaganiami. Ponadto np. naturalny propan jest łatwopalny i wybuchowy, zaś popularny w chłodnictwie przemysłowym amoniak należy do substancji toksycznych. Osobna kwestia to wysokie ceny niektórych czynników ekologicznych.

Wydajność pomp ciepła w zimie

Jak już wspomnieliśmy, w Polsce zimy są coraz łagodniejsze, jednak mrozy mogą się zdarzyć, szczególnie na obszarach górskich. Dlatego warto wiedzieć, że efektywność popularnych u nas powietrznych pomp ciepła zależy od różnicy temperatur pomiędzy tzw. źródłem dolnym, czyli powietrzem na zewnątrz budynku, a tzw. źródłem górnym, którym jest wybrany system grzewczy, podłączony do instalacji w budynku. Gdy temperatura na zewnątrz spada, wydajność pomp również, w ekstremalnych warunkach zbliżając się do wartości zaledwie 1. Czasami – podczas mrozów - konieczne jest wspomaganie pompy dodatkową grzałką elektryczną, co spowodowało powstanie mitu, że pompa zimą generuje duże koszty. Jednak w Polsce, przy prawidłowo zaprojektowanej i wykonanej instalacji oraz dobranej pompie ciepła dla domu jednorodzinnego, udział grzałki wspomagającej w zużyciu energii elektrycznej wynosi praktycznie od 1% do 3%.

W kilku krajach, zarówno o umiarkowanym, jak i bardziej surowym klimacie, przeprowadzono długotrwałe testy tych urządzeń w warunkach zimowych. Gdy temperatura na zewnątrz wynosiła -10°C ... -5°C, średnia wartość współczynnika efektywności energetycznej COP wyniosła od 2,4 (Chiny) i 2,5 (Wielka Brytania) do 3,2 (Szwajcaria) i 3,7 (Niemcy). Wykonano również testy pomp przeznaczonych do ekstremalnie zimnego klimatu, produkcji światowych liderów branży. W temperaturze -30°C (Alaska) uzyskano COP od 1,0 do 2,0. Pompy te wykorzystywały czynnik R32, czyli difluorometan. Cieszy się on popularnością ze względu na dobre właściwości termodynamiczne (bardzo wysokie cieple parowania i duża objętościowa wydajność chłodnicza) oraz stosunkowo niski współczynnik GWP, równy 675 (o niemal 70% mniejszy w porównaniu do R410A).

Zamarzanie pomp ciepła zimą

Jest to dość powszechny problem. Gdy pompa pracuje w trybie normalnym (ogrzewania), czynnik chłodniczy zamienia się z pary w ciecz w wężownicy parownika, znajdującego się w jednostce zewnętrznej pompy typu split czy całej pompie monoblok. W rezultacie na wężownicy skrapla się para wodna, szczególnie wtedy, gdy powietrze jest wilgotne. Gdy temperatura spada poniżej °0C, skropliny zamarzają, tworząc widoczną warstwę szronu lub lodu na jednostce zewnętrznej. Pompy ciepła są projektowane między innymi pod kątem adaptacji do warunków zimowych, dlatego posiadają funkcję „defrost”, czyli odszraniania (odmrażania). Gdy sterownik urządzenia wykryje warunki sprzyjające powstawaniu lodu (temperatura i wilgotność powietrza), aktywuje zawór rewersyjny. Odwraca on obieg w pompie: gorący czynnik chłodniczy płynie do wężownicy zewnętrznej (tak jak w trybie klimatyzacji latem). Podnosi on temperaturę wężownicy, odszraniając skraplacz pompy ciepła. Pracując w trybie odszraniania, pompa ciepła wykorzystuje elektryczną grzałkę wspomagającą, aby utrzymać w domu temperaturę ustawioną na termostacie. Jednak cykl odszraniania trwa tylko około 10 do 15 minut, dlatego ilość energii elektrycznej zużytej przez grzałkę nie będzie duża. Jeśli jednak w pompie wystąpiła awaria i odszranianie nie działa, powinniśmy jak najszybciej wezwać specjalistę, gdyż rachunki za prąd będą naprawdę wysokie.

Główne przyczyny zamarzania pomp to:

• Zanieczyszczenia osadzające się na jednostce zewnętrznej, takie jak śnieg, brud, rośliny i liście. Mogą uniemożliwiać właściwe funkcjonowanie urządzenia. Wężownica parownika nie pobiera odpowiedniej ilości ciepła, zaś zimą pompa może zamarznąć. Dlatego powinniśmy utrzymywać jednostkę zewnętrzną pompy ciepła oraz obszar wokół niej w czystości. Trzeba też zwrócić uwagę, czy woda z rynien nie kapie na jednostkę zewnętrzną pompy ciepła, co może spowodować jej zamarzanie zimą. Dlatego pompę powinniśmy zamontować w odpowiednim miejscu.
• Niewystarczający przepływ powietrza przez wężownicę parownika (lub jego brak), który uniemożliwia przekształcenie czynnika chłodniczego w ciepły gaz. W rezultacie na wężownicy tworzy się szron i lód, zaś woda w przewodzie odprowadzania skroplin zamarza (o ile nie jest on podgrzewany). Przyczyną zakłócenia przepływu może być nieprawidłowo działający silnik lub zablokowane łopatki wentylatora jednostki zewnętrznej, który nawiewa powietrze z otoczenia na wężownicę parownika.
• Niski poziom czynnika chłodniczego, co oznacza jego wyciek. Jeśli w systemie nie ma wystarczającej ilości czynnika chłodniczego, nie może on pochłaniać odpowiedniej ilości ciepła. W rezultacie wężownica może zamarznąć, jeśli temperatura zewnętrzna spadnie poniżej 0°C. W takiej sytuacjo konieczne jest wezwanie specjalisty.
• Uszkodzony sterownik (kontroler) odszraniania. Monitoruje on temperaturę i wilgotność powietrza aby wykryć, czy istnieją warunki sprzyjające tworzenia się lodu na wężownicy jednostki zewnętrznej. Jeśli ten element działa nieprawidłowo, może uniemożliwić uruchomienie trybu odszraniania w razie potrzeby, co prowadzi do zamarznięcia wężownicy.
• Uszkodzony zawór rewersyjny pompy ciepła. Jego zadaniem zaworu rewersyjnego jest zmiana kierunku przepływu czynnika chłodniczego. Dzięki temu pompa ciepła działa zarówno w trybie ogrzewania zimą, jak i chłodzenia latem. Jeśli zawór ten jest uszkodzony, prawidłowe odszronienie pompy może nie być możliwe.

Dlatego warto jest utrzymywać pompy ciepła w czystości oraz odpowiednim stanie technicznym, wykonując regularnie przeglądy. Inaczej skutki mrozu mogą być poważne – brak odpowiedniego ogrzewania domu oraz wysokie koszty serwisu oraz zużytej energii elektrycznej.

Chłodnictwo zimą

Podobnie jak w domach jednorodzinnych, konserwacja urządzeń chłodniczych w przemyśle, transporcie i handlu, jest bardzo ważna. Systemy muszą utrzymywać określoną temperaturę, niezależnie od warunków panujących na zewnątrz (np. głębokie zamrażanie żywności do temperatur niższych od -18°C). W przemyśle produkcyjnym niektóre procesy technologiczne wymagają odpowiedniego chłodzenia oraz niskich temperatur. Osobny temat to serwerownie i centra danych, generujące ogromne ilości ciepła, które musi być skutecznie odprowadzane. Niektórzy producenci przemysłowych agregatów wody lodowej, wykorzystywanych w chłodnictwie przemysłowym, podają następujące zalecenia na temat eksploatacji tych urządzeń podczas mroźnej zimy:

• Dodanie środka przeciw zamarzaniu, temperaturę krzepnięcia krążącej wody lodowej
• Podczas ekstremalnie niskich temperatur, gdy najniższa temperatura otoczenia spada poniżej -15C zaleca się, aby agregat pracował nieprzerwanie przez 24 godziny na dobę, aby zapobiec zamarzaniu wody lodowej.
• Zaleca się ocieplić agregat za pomocą zastosowanie dodatkowej izolacji termicznej
• Jeśli agregat chłodniczy musi zostać wyłączony w okresie świątecznym lub w celu konserwacji, ważne jest, aby wyłączyć system wody chłodzącej, przywrócić ustawienia fabryczne agregatu chłodniczego, wyłączyć go i odłączyć zasilanie, a następnie otworzyć zawór spustowy, aby usunąć wodę chłodzącą, a następnie za pomocą sprężonego powietrza
• Ważne jest regularne sprawdzanie układu chłodzenia.

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (T.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.klimatyzacja.pl