Климатик за студен климат: как термопомпата въздух-въздух отоплява в студа

Защо студът е труден за термопомпата

Климатикът не произвежда топлина, а я пренася. ENERGY STAR описва безканалната система така: външното тяло извлича топлина от въздуха навън, дори когато е студено, а хладилният агент я пренася до вътрешното тяло. Колкото по-голяма е разликата между външната и вътрешната температура, толкова по-голямо налягане трябва да създаде компресорът и толкова повече работа изразходва.

Според ENERGY STAR сертификатът за студен климат изисква проверени от трета страна резултати при −15 °C (5 °F). Уредът работи и под тази температура, но при по-силен студ ENERGY STAR съветва да има резервен източник на топлина. Историята на самата термопомпа е разказана в текста за изобретяването на термопомпата.

Скрежът и размразяването

Зимата външният топлообменник е по-студен от въздуха. Когато повърхността му падне под точката на оросяване и под 0 °C, по нея се образува скреж. Изследователи от Политехническия университет на Хонконг, които изучават размразяването на термопомпи с въздушен източник, обясняват, че скрежът влошава работата и ефективността на уреда и затова периодично размразяване е задължително.

Най-разпространеният стандартен начин е обръщането на цикъла: за кратко термопомпата работи като климатик, външният топлообменник се загрява и скрежът се топи. Същите изследователи показват, че стопената вода, която се стича по вертикален топлообменник с няколко кръга, удължава размразяването и увеличава разхода на енергия, и изпитват хоризонтално монтиран топлообменник.

Инжектирането на пари в компресора

Едно от основните решения за студен климат е инжектирането на пари. В магистърската си теза в университета „Пърдю“ Юанпей Сонг моделира спирален компресор, в който хладилният агент се впръсква като наситена пара при две междинни налягания по време на сгъстяването. Според изчисленията му за климата на Минеаполис сезонната ефективност при отопление е с 13% по-висока от тази на обикновения цикъл, а подобрението на коефициента на преобразуване расте с отношението на наляганията и стига 19% при отношение 8.

Технологията е в производство. През февруари 2024 г. датски производител на компресори представи спирален компресор за термопомпи с инжектиране на пари и течност, който работи с икономайзер (допълнителен топлообменник) и е предназначен и за работа при ниски външни температури.

Предизвикателството на DOE

През 2021 г. Министерството на енергетиката на САЩ (DOE), заедно с EPA и канадското министерство на природните ресурси, обяви технологично предизвикателство за термопомпи за студен климат. Спецификацията (версия 1.2 от 24.09.2021 г.) се отнася за жилищни термопомпи с въздуховоди, но изискванията показват добре накъде вървят всички уреди за студ:

• мощност при −15 °C, равна на номиналната мощност при 8 °C (отношение 1,0);
• компресорът да спира не по-рано от −23 °C и да тръгва отново най-късно при −21 °C;
• втори, по-труден сегмент с работа при −26 °C;
• хладилен агент с потенциал за глобално затопляне (GWP) не повече от 750;
• уреди с променлива скорост (инверторни), които при 8 °C могат да намалят мощността си поне с 30% под номиналната.

Целта е такива уреди да се разработят, изпитат и пуснат в продажба до 2024 г.

Инверторът

Инверторният компресор променя скоростта си: при студ работи по-бързо, за да запази мощността, а при меко време намалява. Затова спецификацията на DOE иска от уредите с променлива скорост да могат да слязат поне с 30% под номиналната мощност при 8 °C. Мощността при −15 °C пък се мери при най-високата скорост, която компресорът може да поддържа продължително, а не при краткотраен режим „турбо“. Това е важна подробност за всеки, който сравнява данни: питайте при какъв режим е измерена мощността.

Ако работите по подобрение

Термопомпите за студ са активна област: управление на размразяването, форма на топлообменника, инжектиране, нови хладилни агенти. Започнете с проучване в Espacenet, защото много идеи вече са заявени. Ако подобрението е в управлението, вижте софтуерът и патентите, а за изпитвания пред хора извън екипа пазете новостта. Как е устроен самият климатик, вижте в текста за изобретяването на климатика, а разликата между сплит и моноблок – в текста за термопомпите сплит и моноблок.