Abstract

The expansion air source heat pump heating systems in Hungary is unbroken due to the low price and easy installation of the system. From an energy point of view, however, the air heat source has a lesser known advantage and a better known disadvantage. The advantage is that the system can also utilize the latent heat of the water vapour content of the air. This results in less temperature drop of the air, which has a beneficial effect on the Coefficient Of Performance (COP). The disadvantage, however, is that the condensing water vapour forms a frost layer on the heat exchanger under certain conditions, which significantly impairs the efficiency of the equipment. To avoid this, the unit performs intermittent defrost cycles, which results an increased additional energy consumption and a decrease the average heating output. There are a number of methods available to prevent or remove frost layer. In the present work, I review these, and later, through the analysis of measurement data, I examine the defrost cycle of a typical air-to-air heat pump from an energy point of view, as well as its effect on operation.

Absztrakt

A levegő hőforrású hőszivattyús fűtési rendszerek terjedése hazánkban töretlen, köszönhetően a rendszer alacsony árának és egyszerű telepítésének. Energetikai szempontból azonban a levegő hőforrásnak van kevésbé ismert előnye, és jobban ismert hátránya. Előnye, hogy a berendezés képes a levegő vízgőz tartalmának latens hőjét is hasznosítani. Ez azt eredményezi, hogy a levegő lehűlése a hőcserélőn kisebb lesz, ami előnyösen hat a teljesítmény tényezőre, COP (Coefficient Of Performance). Hátránya ugyanakkor, hogy a kondenzálódó vízgőz bizonyos körülmények mellett a hőcserélőn dér réteget képez, ami jelentősen rontja a berendezés hatékonyságát.

Ezt elkerülendő, a berendezés időszakosan leolvasztási ciklusokat végez, amelynek eredménye a dér réteg megszűnése mellett a járulékos energiafogyasztás megnövekedése és az átlagos teljesítmény csökkenése. A dérréteg kialakulásának megakadályozására illetőleg eltávolítására számos módszer áll rendelkezésre. Jelen cikkemben ezek áttekintését végzem el, később pedig mérési adatok elemzésén keresztül energetikai szempontból vizsgálom egy tipikusnak mondható levegő-levegő hőszivattyú leolvasztási ciklusát, valamint annak üzemvitelre gyakorolt hatását.

1. A téma jelentősége és aktualitása

Hazánkban a hőszivattyús fűtési rendszerek térhódítása különösen az újépítésű ingatlanok esetében figyelhető meg, aminek több oka is lehet: Egyrészről szigorodtak az épületenergetikai előírások, így egy újépítésű épület hőigénye kellően alacsony ahhoz, hogy a hőszivattyús fűtési rendszer jelentős többletköltség nélkül kiépíthető legyen. Másrészt, a 7/2006.

TNM rendelet előírásai szerint kötelezően megvalósítandó 25%-os megújuló részarány könnyen teljesíthető ily módon.

További érvek szólnak meglevő fűtési rendszerek korszerűsítése esetén a földgáz üzemű hőtermelők kiváltása mellett: nincs szükség új égéstermék-elvezető rendszer kiépítésére, megfelelő hőleadók alkalmazásával a nyári hűtési igények is kiszolgálhatók, és a rendszer üzemeltetési költsége is kedvezőbben alakulhat. Természetesen a környezeti szempontokat sem szabad mellőzni, hiszen a hőszivattyúk telepítése elsősorban ott észszerű, ahol a villamos energia előállítása alacsony CO2-kibocsátás mellett valósul meg [1].

Az előnyöket az értékesítés volumene igazolja: 2019-ben a statisztika szerint az újonnan beépített teljesítmény elérte a 189 MW-ot [2]. A statisztikában nem szerepelnek a nem regisztrációköteles berendezések, amelyekben a hűtőközeg CO2-egyenértéke nem éri el az 5 tonnát [3]. Tekintve, hogy ezek a berendezések is nagyszámban kerülnek telepítésre és jórészt levegő hőforrásúak, a fentiekben tárgyalt arányok a valóságban még inkább a levegő hőforrás irányába tolódnak el. Az 1. ábra a hazánkban és a környező országokban (V4) mutatja a beépített hőszivattyú teljesítmény alakulását [2].

A kis teljesítmény tartományban észszerűnek mutatkozik a levegő hőforrás alkalmazása, hiszen nem bonyolítja és drágítja a kivitelezést a víz hőforrás hasznosításához szükséges talajkollektor, talajszonda vagy víznyerő kút kiépítése [4]. A statisztika ismét igazolja a felvetést: az újonnan üzembe helyezett berendezések teljesítményét tekintve 96%-a levegő hőforrás aránya [2].

Természetesen a levegő hőforrás alkalmazásának több hátránya is van, ilyen lehet például magának a kültéri egységnek a létezése, hiszen azt megfelelően el kell tudni helyezni a levegő áramlási rövidzár elkerüléséhez, és a ventilátorok zajterhelése megzavarhat más lakókat. Sajnos még mindig látni olyan telepítéseket, ahol a kukatárolóban (vagy mellette), 3-4 oldalról zárt, szűk helyre építik be a kültéri egységet esztétikai vagy helykihasználási szempontok alapján. A hibás telepítési körülmények fokozhatják a levegő hőforrás legjelentősebb hátrányát: az elpárologtatón gyorsabban képződhet dér, amelynek eltávolítása ezáltal többlet energiaigényt és csökkent teljesítményt von maga után. Jelen munkámban a dérképződés elkerülésének, illetőleg a dér réteg eltávolításának lehetőségeit elemzem.

2. A deresedés folyamata és elkerülésének lehetőségei

A tárgyalt hőszivattyúk elpárologtatója lamellázott rézcsövekből álló levegő-hűtőközeg hőcserélő, amelynek működését és modellezési lehetőségeit korábban már vizsgálták [5]. A hűtőközeg a csövekben elpárolog, a hő a lamellákon keresztül a levegőből a csövek belseje felé áramlik. Ebből következően a csövek belsejében üzemszerűen mindig a beáramló levegőnél alacsonyabb hőmérséklet uralkodik. A levegőben levő vízgőz bizonyos mennyiségben kondenzálódni fog a lamellákon.

Amennyiben a lamellák hőmérséklete valamely okból eléri a fagypontot, úgy rajta dér keletkezhet, illetőleg a korábban kondenzálódott víz megfagyhat. Dér képződés esetén a folyékony halmazállapot kimaradásával történik a fagyott réteg kialakulása, azonban hőszivattyúk esetén előfordulhat, hogy először víz kondenzálódik a lamellákon, majd ez változatos szerkezetű jéggé fagy. A jelenséget a továbbiakban együttesen dérképződésként említem.

Alacsony külső hőmérséklet esetén a dérképződés csökken, hiszen a levegő hőmérsékletének csökkenésével annak abszolút nedvességtartalma is jelentősen lecsökken. A jelenség előnye, hogy izoterm hőelvonást tesz lehetővé a légkörből, melynek mértéke jelentős lehet, hátránya ugyanakkor, hogy dérképződés esetén a lamellák közötti keresztmetszet lecsökken, ezáltal csökken a légáramlás. Ráadásul a dérréteg szigetelőként viselkedik, ezzel növeli a hőmérséklet-különbséget a hőcserélő két oldalán, vagyis csökkenti az elpárolgási hőmérsékletet, ezen keresztül az elpárolgási nyomást, végső soron pedig a COP-t. Szélsőséges esetben teljesen ellehetetleníti a berendezés üzemét, tehát e jelenség ellen védekezni kell.

Az alábbiakban néhány, talán kevéssé ismert eljárást mutatok be a dérréteg kialakulásának elkerülésére illetőleg eltávolítására.

2.1. Deresedés megakadályozása passzív módon: hidrofóbizálás

Ebben az esetben a hőátadó felületre hidrofób festéket visznek fel, amihez a vízcseppek kisebb felületen kötődnek, következésképp javul a leolvasztás hatékonysága. Egyes kutatók hidrofób tulajdonságú festéket használtak, amelyet 30 μm vastagságban hordtak fel a hőcserélő lemezek felületére [6].

Az általam vizsgált hőszivattyú elpárologtatója is hasonló bevonattal rendelkezik. Az eredményeket a 2. ábra mutatja, ahol a hőcserélő levegőoldalán létrejövő nyomáskülönbséget ábrázoltam az idő függvényében. Itt megfigyelhetők az üzemi ciklusok, amikor a dér réteg vastagszik, majd a leolvasztási ciklusok, ahol igen rövid idő alatt ez a vastagság nullára csökken. 2,2 °C-os belépő és –0,5 °C-os kilépő levegő hőmérséklet (RH = 90%) mellett azt találták, hogy a bevonattal ellátott felület nyomásesése nagyobb volt a második üzemi ciklusban (2,5 v.o.mm) a bevonat nélküli felülethez képest (1,45 v.o.mm), feltehetőleg a bordahézagok csökkenése miatt. Ez azonban megváltozott a 2. és a 3. ciklus alatt, bár a nyomásesés a második ciklus alatt még mindig nagy volt. Ezenkívül az első ciklusban a nyomásesés 30 v.o.mm alatt marad 137 percig a bevont felületen, míg mindössze 80 percig a bevonatlan felületen. A kilépő léghőmérséklet azonban mindkét felület esetében közel azonos volt.

A leolvasztási eljárás során a bevont lamellák viszonylag gyenge tapadási jellemzőt mutattak, a bevonat nélküliekhez képest.

A második ciklus után azonban hasonló leolvasztási időt láthatunk a bevonat nélküli felülettel összehasonlítva. Az eredmények a bevont felület laza fagystruktúrájára utaltak, és így könnyebben végbement a leolvasztás. Megállapítható, hogy a hidrofóbizált felületek alkalmazása csökkenti ugyan a deresedési hajlamot, és a gyártók széles körben alkalmazzák is az eljárást, azonban nem képes megakadályozni a hőcserélő eljegesedését.

2.2. Deresedés megakadályozása aktív módon: rezgés alkalmazása

Az egyik legegyszerűbb eljárás a rezgés felhasználása a deresedés (fagyott réteg képződés) megakadályozására. Korábban a rezgések hatását vizsgálták elektrodinamikus rázógép segítségével, különböző amplitúdók (40 ≤ D ≤ 100 mm) és frekvenciák (100 ≤ f ≤ 200 Hz) alkalmazásával. Előbbi esetben a fagyás 20 perc után indult meg, rezgés alkalmazásával viszont már 10 perc után, ha a hőmérsékleti viszonyok ezt lehetővé tették. Rezgés hatására korábban, és kisebb méretben fagytak meg a vízcseppek. A 3. ábra mutatja a struktúrák közötti különbséget [7].

Feltehetőleg az alkalmazott rezgés fokozza a lamella és a folyadékcseppek közötti hőátadást, és a folyadékcseppek gyors túlhűtéséhez vezet, ami által kisebbek lesznek a fagyott vízcseppek. Ezeknek az eltávolítása adott esetben könnyebben, gyorsabban végbemehet, ami a leolvasztási ciklus energiaigényét lényegesen nem, idejét azonban jelentősen képes lehet befolyásolni. Összefoglalva: az alacsony amplitúdójú rezgés kevés pozitív hatást gyakorol a fagyott réteg kialakulására az általam is vizsgált hőszivattyús alkalmazás tekintetében. A gyakorlatban nem is találkozni ezzel a módszerrel.

2.3. Deresedés megakadályozása aktív módon: ultrahangos bontás

E téren [8] szerzői kísérleteztek nagyfrekvenciás ultrahangos rezgéstechnikával és a dérréteg körülbelül 60%-os csökkenését észlelték egy 37 kHz frekvenciájú és 3,1 μm amplitúdójú ultrahangos forrás alkalmazásával. A vizsgálatot 90 percig végezték, 2 °C környezeti hőmérsékleten és közel 100% relatív páratartalom mellett, alumínium lemezen. Hasonló vizsgálatok során [9] is az ultrahangos rezgés deresedésre gyakorolt hatását vizsgálták egy természetes konvekciónak kitett lamellás-csöves elpárologtatón. A kísérletben a felületkezeléseket (hidrofil bevonat) és az ultrahangos rezgést (60 W névleges teljesítmény és 28,2 kHz frekvencia) kombinálták, eredményeiket a 4. ábra mutatja.

Megállapítható, hogy a bordahézagokat a dér kb. 32 perc múlva elzárta ultrahangos kezelés nélkül, míg nagyjából 2/3-ban maradtak átjárhatóak 92 perces működés után, amikor nagyfrekvenciás ultrahangos rezgést alkalmaztak. A dérképződés minimalizálása érdekében számos más típusú szabályozási stratégiát is vizsgáltak, ezek az eljárások (a hidrofób bevonatot leszámítva) a gyakorlatban nem terjedtek el, így a következőkben a valódi leolvasztási módszerek elemzésére térek át.

3. A dér eltávolítása leolvasztással

Hőszivattyúk tekintetében szinte kizárólag az úgynevezett „meleggázos” leolvasztási eljárás terjedt el. Ez a módszer magas hőmérsékletű hűtőközeg gőzt juttat a kompresszorból az elpárologtatóba a leolvasztás felgyorsítása érdekében.

Bonyolult és viszonylag költséges a kialakítása, de a leolvasztás hatékonysága jobb, mint pl. a villamos fűtőszállal történő leolvasztás esetében, mivel a forró gáz az egész csőhálózaton végigáramlik, így a hőcserélő teljes felületét fel tudja melegíteni. Ebben az elrendezésben a meleg hűtőközeg gőz áramlásának iránya ellentétes a normál működéssel, ezért gyakorta fordított ciklusú forró gázos leolvasztásnak is nevezik, elsősorban a nemzetközi szakirodalomban. Tekintve, hogy ez az eljárás a leginkább elterjedt, és munkám során magam is ezt vizsgálom, a továbbiakban ennek a típusnak a specialitásait tekintem át.

Ipari hűtőrendszer vizsgálata során kimutatták, hogy a ki-bekapcsolásos leolvasztáshoz képest a forró gázos leolvasztás – különösen, ha több elpárologtatón időbeni eltolással alkalmazzák – sokkal egyenletesebb belső hőmérsékletet eredményezett a belső térben levegő-levegő hőszivattyúk esetén [10].

Az általam mért értékek és tapasztaltak összhangban vannak az szakirodalomban felleltekkel: a leolvasztáshoz szükséges idő is jelentősen csökkent, a következő oldalon látható 5. ábra alapján nagyjából 60-ról 20 percre, vagy az alá.

Nehéz egyértelmű választ adni a kérdésre: mikor kezdődjön a leolvasztási ciklus? Több szempontból is kereshető optimum, továbbá figyelembe kell venni a műszaki és gyakorlati megvalósíthatóság, alkalmazhatóság korlátait is. Ennek ellenére számtalan kutatás folyt a témával kapcsolatban, amelyek közül áttekintés jelleggel néhányat ismertetek.

3.1. Időalapú indítás

Időalapú leolvasztás-indítási módszereknél a leolvasztást egy előre beállított időzítő kezdeményezte. Az egyszerűség és az alacsony költség miatt sok korai hőszivattyúban alkalmazták ezt az egyszerű módszert annak ellenére, hogy energetikai szempontból kifogásolható. Általában minden 60–90 perc működés után leolvasztási ciklust indítanak [11]. Ezeknek a korai hőszivattyúknak a leolvasztásra fordított teljesítménye azonban a felesleges leolvasztási ciklusok miatt csökkenti a COP-értéküket. Más kutatók megállapították, hogy ezzel a módszerrel a leolvasztási műveletek közel 68%-a felesleges volt a vizsgált fűtési szezonban, ami akár 40%-kal is csökkentette a rendszer COP-ját [6]. Némileg javítja, de nem tökéletesíti a módszert, ha az elpárologtató hőmérsékletét is figyelembe veszik a leolvasztás indításának meghatározásakor. Az így kialakított Temperature-Time (T-T) módszert széles körben alkalmazzák ugyan, de hatékonysága még mindig kívánnivalót hagy maga után.

3.2. Igény alapú indítás

A leolvasztás megindításának igényalapú módszerével – amint neve is sugallja – a leolvasztást csak szükség esetén kezdik meg, vagyis amikor a deresedés jelentős negatív hatással van a hőszivattyú teljesítményére. Az energiahatékonyság és a beltéri hőkomfort javulása érhető el, ha igényalapú leolvasztás-indítási módszert alkalmazunk. Szükséges azonban a kültéri elpárologtató felszínén a dérréteg detektálása az igényalapú leolvasztás megindításához.

Már 1978-ban felvetődött az ötlet, amely szerint megfelelő villamos kapacitásmérési stratégiát lehetne alkalmazni a dérképződés kimutatására. Ez a stratégia meglehetősen praktikus az egyszerűsége miatt, mivel elektronikus eszközökkel megvalósítható [12]. Működési elvét tekintve az elpárologtató villamos kapacitásának változását figyeli, ami megváltozik a deresedés hatására, így a mért villamos jellemző alapján meghatározható a deresedés mértéke, vagyis a leolvasztás időzítése megoldható.

A hűtőközeg túlhevítésének mérésével kapcsolatosan is zajlottak kutatások. Ezzel a szabályozási módszerrel a leolvasztás optimális kezdési ideje meghatározható, és a ciklusidő körülbelül 10–15%-os csökkenését tapasztalták [13]. Az általam vizsgált berendezés feltehetőleg – részben vagy egészben – hasonló szabályozási stratégiával dolgozik, legalábbis a mérési adatok ábrázolása erre enged következtetni.

Mint látható volt az előzőekben, az igényalapú leolvasztás-indító módszerek esetében (korlátozott számú releváns kutatás mellett) a tényleges igény, például a dérréteg vastagságának meghatározása nagy valószínűséggel tapasztalatokra támaszkodott, nem pedig a működési jellemzők pontos mérésére. Természetesen utóbbira is vannak példák, ahol környezeti jellemzők, vagy a hűtőkör bizonyos paraméterei alapján hoznak döntéseket.

A hőszivattyúk optimális leolvasztási kezdő-időpontjának előrejelzéséhez egy többváltozós, nemlineáris modellt fejlesztettek tovább, amellyel közvetlenül és egyszerűen meghatározhatjuk az indítás időpontját a környezeti jellemzők ismeretében, ahogy a 6. ábrán látható [14]. Mint látható, a környezeti hőmérséklet (Ta) tartománya –15 °C és 6 °C között volt, a relatív páratartalom (RH) pedig 50 és 100% között, ami a hőszivattyúk gyakorlatilag teljes üzemi tartományát lefedi. A pontos összefüggést az alábbi egyenlet írja le: Ha Ta-t és RH-t használjuk a modell bemeneteként, akkor a leolvasztási ciklusok között eltelt idő számítható, melynek alkalmazása minimális teljesítményvesztést és COP romlást eredményez, továbbá egyszerűen mérhető jellemzőkből számítható. Saját méréseim során a fentiekkel jó egyezést mutató eredményekre jutottam: közel 100%-os páratartalom és –5 … +5 °C tartományban a leolvasztási ciklusok között eltelt idő az (1) szerinti egyenlettel leírható volt.

3.3. Hőmérséklet alapú leállítás

Miután áttekintő képet adtam a leolvasztási ciklusok időzítéséről, fontosnak tartom megemlékezni a leolvasztási ciklusok leállításának időzítéséről is, hiszen egy fölöslegesen elnyújtott ciklus éppolyan káros a COP-re, mint egy részlegesen végbement ciklus, tehát mindkettő kerülendő.

A szakirodalmi áttekintés során lényegesen kevesebb publikációt találtam a leolvasztási ciklus optimális befejezésével kapcsolatosan, mint az indításra vonatkozóan. Ezek közül egyet, a leginkább kézenfekvő és elterjedt módszert ismertetek részletesen. Bizonyos kutatók arra a megállapításra jutottak, hogy az elpárologtató teljes körű leolvasztásához a csőkígyó hőmérsékletét 20…25 °C közé, optimálisan 22 °C-ra kell emelni a ciklus végéig [15]. Ez az eljárás tehát visszacsatolást tartalmaz, nem úgy, mint a legegyszerűbb, tisztán időalapú leolvasztás, ahol inkább előre programozott vezérlésről beszélhetünk. Ennek megfelelően a most ismertetett módszer lényegesen takarékosabb lehet, a mindenkori körülményekhez jobban illeszkedik.

5. Összefoglalás

Kutatásaim során arra jutottam, hogy a hőszivattyúk elpárologtatóinak leolvasztására, illetőleg eljegesedésük megelőzésére számtalan, olykor egészen különleges eljárással kísérleteztek már. Ezek közül a gyakorlatban mindössze néhány változat terjedt el, ilyenek a lamellák hidrofóbizálása, a fix idő alapú, valamint a hőmérséklet-idő alapon indított fordított ciklusú leolvasztás.

Az elpárologtató jegesedésével kapcsolatosan végzett kutatásaim során a szakirodalomban talált megállapításokkal jól egyező eredményeket értem el. Az elpárologtatón létrejövő kondenzáció energetikai szempontból kedvező hatással van a rendszerre, ugyanakkor, ha fagyott réteg alakul ki a lamellákon, az jelentősen csökkentheti az elpárolgási nyomást, ami a COP romlásához vezet.

Köszönetnyilvánítás

AZ INNOVÁCIÓS ÉS TECHNOLÓGIAI MINISZTÉRIUM KOOPERATÍV DOKTORI PROGRAM DOKTORI HALLGATÓI ÖSZTÖNDÍJ PROGRAMJÁNAK A NEMZETI KUTATÁSI, FEJLESZTÉSI ÉS INNOVÁCIÓS ALAPBÓL FINANSZÍROZOTT SZAKMAI TÁMOGATÁSÁVAL KÉSZÜLT.

Irodalomjegyzék

[1] Tóth L., Schrempf, N., Nagygál, J. (2016). Energiaellátás, jelen és jövő. Mezőgazdasági Technika, 57:5, 2-6. [2] Eurostat: Heat pumps – technical characteristics by technologies http://appsso.eurostat. ec.europa.eu/nui/ show.do?dataset=nrg_inf_hptc&lang=en (elérés: 2021. XI. 17.) [3] 517/2014/EU rendelet a fluortartalmú üvegházhatású gázokról [4] Mohammed, H. A., Kurjak, Z., Beke, J. (2021). The Readiness Investigation of the Ground Soil Temperature for Underground Heat Exchange Systems Installation in Hot Climates. European Journal of Energy Research, 1:2, 1-6. DOI: 10.24018/ejenergy.2021.1.2.8 [5] Garbai, L., Méhes, Sz. (2007). System Theory Models of Different Types of Heat Pumps. IASME / WSEAS International Conference on Energy & Environment, Portoroz, Slovenia, May 15-17, 2007. [6] Huang, L., Liu, Z., Liu, Y., Gou, Y., Wang, J. (2009). Experimental study on frost release on finand-tube heat exchangers by use of a novel anti-frosting paint. Experimental Thermal Fluid Science, 33, 1049–1054. [7] Cheng, C-H., Shiu, C-C. (2003). Oscillation effects on frost formation and liquid droplet solidification on a cold plate in atmospheric air flow. International Journal of Refrigeration, 26, 69–78. [8] Adachi, K., Saiki, K., Sato, H., Ito, T. (2003). Ultrasonic frost suppression. Journal of Applied Physics, 42, 682–685. [9] Wang, D., Tao, T., Xu, G., Luo, A., Kang, S. (2012). Experimental study on frosting suppression for a finnedtube evaporator using ultrasonic vibration. Experimental Thermal Fluid Science, 36, 1–11. [10] Cho, H., Kim, Y., Jang, I. (2005). Performance of a showcase refrigeration system with multievaporator during on-off cycling and hot-gas bypass defrost. Energy, 30, 1915–1930. [11] Sommers, A.D., Yu, R., Okamoto, N.C., Upadhyayula, K. (2012). Condensate drainage performance of a plain fin-and-tube heat exchanger constructed from anisotropic microgrooved fins. International Journal of Refrigeration, 35, 1766–1778. [12] Buick, T. R., McMullan, J. T., Morgan, R., Murray, R. B. (1978). Ice detection in heat pumps and coolers. International Journal of Energy and Resources, 2, 85–98. [13] Jiang, Y., Dong, J., Qu, M., Deng, S., Yao, Y. (2013). A novel defrosting control method based on the degree of refrigerant superheat for air source heat pumps. International Journal of Refrigeration, 36, 2278–2288. [14] Li, Z., Wang, W., Sun, Y., Liang, S., Deng, S., Lin, Y., Wu, X. (2020). A novel defrosting initiating method for air source heat pumps based on the optimal defrosting initiating time point. Energy and Buildings, 222, 116-505. [15] Song, M., Wang, X., Liao, L., Deng, S. (2017). Termination control temperature study for an air source heat pump unit during its reverse cycle defrosting. Energy Procedia, 105, 335–342

Forrás: Magyar Épületgépészet