Zkušenosti s provozem tepelných čerpadel 2.: Frekvenční měnič, expanzní ventil
I tepelná čerpadla s frekvenčně řízenými kompresory jsou náchylná vůči chybám. Možné je zničení frekvenčního měniče, zničení kompresoru nasáváním kapalného chladiva, závady vzniklé neznalostí servisních techniků aj. Snížení ekonomické výhodnosti tepelných čerpadel je možné se vyhnout.
Tepelná čerpadla s frekvenčně řízenými kompresory
Životnost tepelných čerpadel s frekvenčně řízenými kompresory lze zatím pouze odhadovat vzhledem k poměrně krátké historii v porovnání s ON/OFF stroji. Předpokládá se okolo 80 až 100 tisíc provozních hodin, ale tento předpoklad není zatím praxí dostatečně potvrzen.
Při správném návrhu TČ nejsou s takto řízenými kompresory větší problémy, ale řízení pro činnost tepelného čerpadla stěžejní skupiny „Kompresor + Frekvenční měnič + Expanzní ventil“ je náročnější než u strojů s ON/OFF řízením.
Běžně se dosahuje 9 až 16 hodin provozu na jeden start kompresoru.
Co musí výrobce tepelného čerpadla s frekvenčním měničem při návrhu řešit proti ON/OFF stroji?
- Olejové hospodářství pro spolehlivé mazání kompresoru zejména za nízkých otáček
- Kompresor tedy nesmí běžet příliš dlouhou dobu na příliš nízkých otáčkách
- Řízení elektronického expanzního ventilu (EEV)
- Optimální funkce EEV je závislá na rychlosti vyhodnocení stavů regulací a provedení regulačního zásahu a na přesnosti čidel
- Správné otevření EEV při startu kompresoru
- Rychlost a změnu otevření EEV při přepínání třícestného ventilu mezi režimy vytápění, přípravy teplé vody, chlazení
- Jak se bude EEV uzavírat nebo otevírat při zpomalování nebo zvyšování otáček kompresoru
Výsledek, respektive jak se to vše výrobci povedlo skloubit, se nedozvíme hned, ale až během několika let provozu.
Příklad perfektního provozu tepelného čerpadla s kompresorem řízeným frekvenčním měničem
Instalováno bylo TČ vzduch/voda IVT Air X70, které má podle výpočtu pokrýt 78 % potřebného výkonu zdroje tepla s pomocí kompresoru, zbytek výkonu pokrývá elektrický dotop. V domě je podlahové vytápění využité jak pro vytápění, tak aktivní chlazení. Jeden přímý okruh bez směšování.
V praxi, po dvou topných sezónách, nebyla zjištěna žádná potřeba elektrického dotopu. Ve výpočtu tepelné ztráty totiž byla zahrnuta normovaná rezerva na pokrytí ztráty větráním, která však nebyla během provozu plně využita. Tepelné čerpadlo tak v uvedených sezónách pokrylo ze 100 % potřebu tepla (a tedy i výkonu) výhradně činností kompresoru.
Kompresor byl v provozu během roku cca 5500 h a na jeden start kompresoru připadá průměrně 9 hodin provozu. Dosažené SPF při vytápění včetně přípravy teplé vody dosáhlo krásné hodnoty 3,51.
Obr. 1 Schéma zapojení TČ vzduch/voda
Frekvenční měnič (FM) pohonu kompresoru
Obr. 2 Příklad frekvenčního měniče otáček kompresoru
Při dobrém dimenzování stroje většinou moc poruch frekvenčního měniče neřešíme a jak projektanti, tak instalační firmy i zákazníci tomuto řešení právem fandí.
Pokud je stroj příliš poddimenzován, je pak FM více zatěžován, s čímž roste riziko zvýšeného výskytu poruchy a zkrácení životnosti FM.
Frekvenční měnič znamená jistou komplikaci při diagnostice stroje, protože funkčnost kompresoru obvykle nelze bez činnosti měniče snadno ověřit.
Měnič se jako většina vysoce kompaktních elektronických zařízení většinou neopravuje, ale mění se celý. Výměna FM představuje náklad okolo 15 až 30 tisíc Kč v případě nejběžnějších výkonů do velikosti stroje cca 17 kW.
Frekvenční měnič (FM) – smutný příklad z praxe
Krátce po uplynutí základní záruční doby došlo k chybám nadproudu na kompresoru, a to na TČ vzduch/voda s výkonem 17 kW. Při diagnostice bylo zjištěno, že FM je na první pohled evidentně spálený. Jeho jistá výměna představuje náklad cca 25 tisíc Kč. Souběžně byly proměřeny i elektrické odpory vinutí včetně izolačních odporů elektromotoru, který je součástí kompresoru. Výsledky měření signalizovaly, že motor je v pořádku. Tím bylo vyloučeno poškození měniče následkem závady na motoru. To však neznamená, že k poškození měniče nemohlo dojít kvůli mechanické závadě na kompresoru. Zrovna u této poruchy totiž výrobce ze statistiky ví, že spouštěčem chyby bývá spíš kompresor než samotný měnič. Proto technik zcela správně doporučil provést výměnu kompresoru současně s frekvenčním měničem, aby po instalaci nového měniče nedošlo k jeho zničení v následné i velmi krátké době kvůli vadnému kompresoru! To vše s vědomím, že náklady na opravu jsou samozřejmě vyšší, okolo 55 až 60 tisíc Kč a návratnost investice do TČ se tak výrazně prodlouží. Po návrhu výměny obou nejdražších dílů v TČ následovala velmi ostrá reakce zákazníka zahrnující i výhrůžku soudem, medializací atp., pokud výrobce nevezme opravu alespoň částečně „na sebe“, atd…. A řešení? Renomovaní výrobci už od dob ON/OFF kompresorů poskytují záruky na kompresor 10 let, někdy i více. Díky tomu, že cena FM je dnes podobná ceně kompresorů (někdy i vyšší), je na místě, aby se poskytovaná materiálová záruka vztahovala i na FM. Tím firmy zákazníkům garantují, že je v prvních 10 letech provozu nebude čekat finančně náročnější oprava. Pokud tuto garanci výrobce nabízí, mohou být jejich zákazníci v klidu.
Elektronické expanzní ventily (EEV)
Expanzní ventil reguluje průtok chladiva nastřikovaného do výparníku tak, aby bylo dosaženo co nejmenšího, ale bezpečného přehřátí par chladiva na výparníku pro co nejvyšší hodnotu COP. Je nutné si uvědomit, že uvedené kladné přehřátí par chladiva má za cíl zabránit vstupu kapalného chladiva do sání kompresoru. Zatímco páry chladiva lze stlačit, tak kapalné chladivo ne. Pokud se chladivo odpařuje až v kompresoru, vytváří v něm nežádoucí tlakové rázy, a to může i zničit kompresor.
Původně se používaly jednoduché, servisním technikem pevně nastavitelné termostatické ventily, kdy se přehřátí měnilo s teplotními/tlakovými poměru v okruhu chladiva. S rozvojem techniky a snahou dosažení vyšších hodnot COP se masivně rozšířily tzv. elektronické expanzní ventily, které umožňují přehřátí držet níž než termostatické. Na počátku byly obavy o spolehlivost EEV, ale ukázaly se jako zcela zbytečné, protože fungují skvěle.
Nevýhodou EEV je mírně složitější diagnostika. Problém s jejich činností může být způsoben čidly, regulační deskou, pohonem EEV či přímo vadným ventilem. U EEV je situace složitější než u funkčně jednoduššího termostatického expanzního ventilu, protože EEV často pracují s velmi malými přehřátími, a o to jsou nároky na jejich funkci mnohem větší. Termostatický expanzní ventil běžně drží mírně vyšší, ale bezpečné přehřátí jistě a bez problémů, ale je to spojeno s větší spotřebou kompresoru, a tedy za cenu nižšího topného faktoru.
Dobří výrobci mají řízení EEV již z výroby jednoznačně nastaveno a neumožňují další úpravu nastavení řízení v terénu právě z bezpečnostních důvodů, aby ochránili stroj. Protože tovární nastavení je dobrým výrobcem provedeno na základě tisíců hodin přísných testů za všech teplotních podmínek, pro které je TČ určeno. Dokonce ani u splitových jednotek, pokud jsou dodrženy délky a dimenze potrubí požadované výrobcem, není nutné do nastavení EEV v terénu jakkoliv zasahovat. Naopak u horších/menších výrobců je možno vidět, že sice umožňují nastavování řízení EEV v terénu, ale tím pouze otevírají možnost pro nějakou chybu.
Ačkoliv se výrobci snaží víceméně v principu o totéž – co nejvyšší COP, a tedy co nejnižší přehřátí, jsou mezi výrobci rozdíly v logice a rychlosti řízení EEV. Když si uvědomíme, že firmy/živnostníci dodávající/servisující TČ pracují se stroji od více dodavatelů a každý výrobce řídí EEV jinak, je umožnění měnit nastavení řízení EEV v terénu pro stroje dost nebezpečné. V praxi ani není časový prostor hrát si s těmito parametry, vzhledem k nákladům na činnost servisního technika, kterou musí zákazník zaplatit. Pro techniky je při případné poruše EEV nejlepší ventil vyměnit a aby se pak regulace stroje sama postarala o jeho „vycentrování“ a perfektní řízení.
Elektronické expanzní ventily (EEV) – příklady poruchy
Příklad zde uvedený se přihodil u frekvenčně řízeného tepelného čerpadla vzduch/voda (výrobce záměrně neuveden) s výkonem 12 kW při A-7/W35 °C. Byli jsme přizváni k diagnostice stroje cizího výrobce, protože majitel si stěžoval na jeho podezřelý provoz. Při analýze chyb bylo zjištěno, že na výtlaku kompresoru mají páry stlačeného chladiva příliš nízkou teplotu vzhledem ke kondenzační teplotě. Na vstupu do kompresoru se tak evidentně vyskytovalo i kapalné chladivo, přestože čidlo horkého plynu (par chladiva) i tlakové čidlo (pro určení kondenzační teploty) bylo v pořádku! Řídicí systém TČ však chybu nehlásil, nebyl pro identifikaci takové závady vybaven! Přehřátí par chladiva na výparníku však přitom bylo pouze 1,5 K, což u technika od výrobce zřejmě vyvolalo pocit, že do kompresoru nemůže jít žádné kapalné chladivo.
Obr. 3 Průběh teplot v okruhu chladiva, nízká teplota horkého plynu vs. kondenzační
Nutno říct, že příčinou problémů u tohoto stroje byla fixace otevření EEV na 80 % v regulaci TČ, kterou technik (?) zapomněl (!) vrátit zpět do automatického řízení regulace. Jak však mohlo do kompresoru jít kapalné chladivo, i když přehřátí na výparníku bylo kladné a naznačovalo „bezpečný“ opak? Odpovědi jsou níže:
- To, že podle čidel teploty na vstupu do kompresoru máme kladné, byť nízké přehřátí, například 0,5 K, ještě stoprocentně neznamená, že do kompresoru opravdu nevstupuje žádné kapalné chladivo!
- EEV někdy zajišťují, dle měření v praxi, tak nízká přehřátí, která nemusí být „pravdivá“ – například kvůli přesnosti údajů z čidel.
- Ve vztahu k řízení EEV je tedy nutné regulací TČ kromě přehřátí na výparníku hlídat, aby teplota horkého plynu (par chladiva) na výstupu z kompresoru byla minimálně 20 Kelvin nad kondenzační teplotou za daného tlaku (rozdíl závisí na výrobci) a podle toho případně doladit procento otevření EEV. Přivřením ventilu by se následně zvýšilo přehřátí na výparníku, i když se zdá, podle měřených teplot na sání kompresoru, že je v pořádku.
- Lze využít toho, že reálná komprese (stlačení par chladiva) není čistě izoentropický děj, takže rozdíl minimálně 20 K mezi horkými parami chladiva a jejich kondenzační teplotou musí být po krátké chvíli chodu kompresoru splněn za každých okolností.
- Právě pro takové hraniční případy zodpovědní výrobci kompresorů/TČ vkládají do sání kompresoru odlučovač kapalného chladiva pro zvýšení jeho bezpečnosti.
Závěr
Pokud má vysoce účinné TČ dobře a dlouho sloužit, tak nemůže být levné. I drahému a kvalitnímu stroji se však stále musí přizpůsobit jednak topný systém, tak i provoz a budoucí servisní prohlídky. Pokud se dodrží tato pravidla, tak může TČ zákazníkovi sloužit dlouhá léta bez větších problémů s využíváním všech jeho výhod. V rámci zkvalitňování služeb servisních prací je tedy potřeba předávat zkušenosti servisním technikům také ohledně diagnostiky okruhů chladiva, kterým léta není věnována dostatečná pozornost! Zanedbání se negativně projevuje při následných servisech. To, že je někdo „chlaďař“, že má požadovanou kvalifikaci pro zacházení s chladivy, ještě neznamená, že stroji rozumí tak, jak by při výkonu své funkce měl. V tomto směru bude nutná jistá osvěta. Chovejme se tedy k tepelným čerpadlům slušně jak při návrhu, montáži, tak i při následném servisu. Aby nám dlouho a dobře sloužila.
Even heat pumps with frequency-controlled compressors are not fault-tolerant. Examples are the destruction of the frequency converter, the suction of liquid refrigerant due to the faulty operation of the expansion valve, the ignorance of service technicians, etc. Mistakes that push the economic return of the Czech Republic into the distance can be avoided.