Erittäin hyvällä hyötysuhteella lämpöenergiaa tuottava tai poistava ilmalämpöpumppu yleistyy edelleen kaikkialla maailmassa. Toshiba on kehittänyt suunnittelijoiden avuksi pitkälle integroidun referenssimallin, jonka pohjalta on helppo rakentaa hyvin energiatehokas lämpöpumppu optimoiduin kustannuksin.

Korkea hyötykerroin eli COP (coefficient of performance) ja alhaiset hiilidioksidipäästöt tekevät ilmalämpöpumpusta paremman ratkaisun kuin perinteiset kaasu- ja öljykattiloihin perustuvat lämmitys- ja ilmastointijärjestelmät. Tämän teknologian entistä laajemman käyttöönoton edistämiseksi lämpöpumppuja valmistavien yritysten on kuitenkin optimoitava laitteiden rakenteessa käytettävät osat ja materiaalit kustannuskilpailukyvyn varmistamiseksi.

Tämän kehityksen tukemiseksi komponenttitoimittajien tarjoamat referenssisuunnitelmat voivat olla arvokas resurssi suorituskyvyn parantamiseksi, kehitystyön nopeuttamiseksi ja kustannusten alentamiseksi.

Lämpöpumppu toimii yksinkertaisella periaatteella: se vaihtaa lämpöä ympäristön kanssa vuorotellen puristamalla ja laajentamalla kylmäainekaasua. Tämä prosessi hyödyntää energiaa optimaalisesti – teoriassa se tuottaa yli 7 kW lämpöä vain yhden kilowatin sähköteholla. Vaikka tätä teoreettista COP-suhdetta (7:1) on käytännössä vaikea saavuttaa, lukemiin 2,5 – 5 yltävät järjestelmät ovat yleisiä. Nämä lukemat ovat kuitenkin huomattavasti parempia kuin perinteisillä lämmityskattiloilla, joiden COP-lukemat ovat tyypillisesti alle 1.

Ilmalämpöpumpun kriittisiä osia ovat moottorinohjaimet, jotka sijaitsevat sekä järjestelmän sisä- että ulkoyksikössä. Ulkoyksikkö sisältää kylmäainesäiliön sekä kompressorin, puhaltimen ja höyrystin/lauhdutinyksikön. Kooltaan pienempi sisäyksikkö sisältää moottorin (nestevirtausten ohjaamiseksi), toisen höyrystin/lauhdutinyksikön ja käyttöliittymäpaneelin.

Molemmat yksiköt käyttävät jäähdytystyyppistä prosessia lämmön siirtämiseksi sisä- ja ulkoilman välillä riippuen siitä, onko sisätilaa lämmitettävä vai jäähdytettävä.

Auttaakseen laitevalmistajia kehittämään tehokkaita lämpöpumppujärjestelmiä ja optimoimaan valmistuksessa käytettäviä materiaaleja Toshiba on kehittänyt suunnittelijoita varten RD219-referenssimallin, joka perustuu yhteen mikro-ohjaimeen (MCU) ja pienihäviöisiin tehokomponentteihin.

Tehonmuunnos on tämän referenssimallin keskeinen painopiste, koska lämpöpumput kuluttavat suuria määriä energiaa. Verkkovirran tehokas tasasuuntaus on välttämätöntä lämpöpumpun sähkönsyötölle, joten tehokertoimen korjaus PFC (power factor correction) on tärkeä vaatimus, koska se estää korkeita loistehotasoja saastuttamasta verkkojännitettä.

Tehokertoimen korjaus voidaan toteuttaa useilla eri tavoilla, mutta jatkuvan johtavuuden toimintatila CCM (continuous-conduction mode) tuottaa virralle kaikkein alhaisimman aaltoilun. Tämän lähestymistavan mahdollinen seuraus on kuitenkin käänteisen paluuvirran syntyminen. Se kulkee päällekkäisenä virtana induktanssin läpi siinä vaiheessa, kun kukin tehotransistori on pois päältä.

Lisäämällä kytkentään piikarbidipohjainen Schottky-diodi, esimerkiksi Toshiban valmistama tyyppi TRS24N65FB, voidaan vähentää häviöitä pienentämällä varastoitavan varauksen määrää. Hyötysuhdetta voidaan edelleen parantaa käyttämällä nopeana kytkimenä IGBT-transistoria, esimerkiksi tyyppiä GT30J65MRB.

Kompressorin moottori on kriittisin osa tehonmuunnoksen hyötysuhteen optimoinnin kannalta. Tämä johtuu siitä, että se kohtaa suurimmat vaihtelut käyttöoloissa jatkuvasti muuttuvien kaasupaineiden vuoksi. Ne taas vaikuttavat moottorin vääntömomenttivaatimuksiin. Siksi edistyksellinen kenttäorientoitunut FOC-ohjaus (field-oriented control) on parempi vaihtoehto kuin yksinkertaisemmat ohjausmenetelmät (kuten V/Hz) hyötysuhteen parantamiseksi.

FOC-ohjaus toimii mallintamalla tarkasti moottorin sisällä olevaa magneettikenttää ennustaakseen moottorin tilan (mukaan lukien roottorin asennon) millä hetkellä tahansa. Kuormitus- ja nopeusolosuhteiden muuttuessa kunkin vaiheen virta- ja jännitesyöttöä säädetään sen varmistamiseksi, että moottori toimii aina optimaalisella hyötysuhteella.

FOC-ohjauksen toinen etu on, että se auttaa vähentämään harmonista säröä sähköjärjestelmässä, jolloin moottori tuottaa vähemmän lämpöä ja järjestelmän kokonaishyötysuhde paranee. FOC-algoritmi arvioi roottorin kulman käyttämällä yksinkertaisen shunttivastuksen tuottamaa virtapalautetta, joten lisäantureita ei tarvita.

FOC-ohjauksen matemaattinen malli vaatii monimutkaista prosessointia, joka ylittää perinteisten mikro-ohjainten resurssit niiden rajallisen käskykannan vuoksi. Suoran laskennan sijaan nämä mikro-ohjaimet käyttävät hakutaulukoita trigonometristen funktioiden ja kompleksisten kertolaskujen suorittamiseen. Vaihtoehtoinen lähestymistapa on käyttää FOC-laskelmien suorittamiseen useita mikro-ohjaimia, joskus yhdessä digitaalisen signaaliprosessorin (DSP) kanssa. 

Integroidumpi lähestymistapa on käyttää SoC-järjestelmäpiiriin perustuvaa yksikköä, joka voi myös hallita kaikkia lämpöpumpun tärkeimpiä toimintoja. Toshiban mikro-ohjain TMPM4KL, joka perustuu jopa 160 MHz nopeudella toimivaan RISC-pohjaiseen Arm Cortex M4 -suoritinytimeen, tarjoaa tällaisen ratkaisun. Siinä on mukana myös A-VE-yksikkö (Advanced Vector Engine), joka tarjoaa tarvittavat lisäkomennot ja piiritason tuen edistyneelle DSP-suorittimelle, jota tarvitaan FOC-laskelmien tekemiseen.

Kuva 1. A-VE-yksikkö (Advanced Vector Engine) sisältää piiritason tuen vektoriohjaukselle ja kiihdytykselle.

A-PMD-yksikkö puolestaan parantaa PWM-suorituskykyä integroidulla aaltogeneraattorilla ja synkronisella liipaisupiirillä. Se tuottaa tarkkoja PWM-signaaleja ja lisää mukaan kriittisiä kuolleen ajan jaksoja estääkseen läpilyönnit tehoasteissa. Lisäksi näiden toimintojen automaattinen ajoitus on mahdollista valvomalla shunttivirtaa.

RD219-referenssimalli sisältää mikro-ohjaimen TMPM4KL ja useita muita huolellisesti valittuja komponentteja. Esimerkiksi kompressoriyksikön 600 voltin DT-MOS-tyyppinen (Dynamic Threshold Voltage) TK20A60W5-MOSFET tarjoaa pienet kytkentähäviöt ja loiskapasitanssit nopeaa ja tehokasta kytkintoimintaa varten. Lisäksi moottorinohjauspiiri TPD4204F, joka integroi tasonsiirrosta vastaavan hilaohjaimen ja SJ-tyyppisen (superjunction) MOSFETin, yksinkertaistaa moottorin vaihekytkennän ohjausta.

Anturitonta moottorinohjainta TC78B011FTG voidaan puolestaan käyttää lisämoottorien ohjaamiseen. Kaikkia näitä komponentteja voidaan hallita mikro-ohjaimella TMPM4KL, joka kiihdyttimiensä ansiosta voi ohjata kahta moottoria FOC-ohjauksella, käsitellä PFC-korjauksia ja hallita lämpöpumpun moottorinohjainten solenoidiohjattuja venttiilejä.

Kuva 2. Ilmalämpöpumpun suunnittelun keskeiset komponentit.

Toshiban RD219-referenssimalli tarjoaa valmiin suunnitelman energiatehokkaiden lämpöpumppujen rakentamiseksi. Siinä hyödynnetään edistynyttä piipohjaista digitaaliohjausta sekä suorituskykyisiä tehokomponentteja, jotka perustuvat laajan kaistavälin tehokytkimiin ja piipohjaiseen puolijohdeteknologiaan.