Compressor control options for R290 HVAC systems

Abstract

ABSTRACT: The aim of this thesis is to find a suitable solution for the control of the compressors in residential air-to-water chillers and heat pumps that use R290 (propane) intended for residential usage. The study has an emphasis on mechanical and solid-state relays (SSR), comparing their safety, practicality and performance. The study explores other options such as inverters, pressurising the electrical cabinet, and the possibility of changing the location of the electrical cabinet. Propane (R290) has an exceptionally low Global Warming Potential (GWP), but it is classified as an A3 refrigerant, meaning that it is highly flammable. This in reality means that R290 requires special attention concerning ignition sources inside the unit. Mechanical relays, while inexpensive, have the danger of creating arcing and sparking, hence posing an ignition risk. Solid-state relays, on the other hand, are arc- and spark-free but create more heat while in operation, thus requiring more thermal management within the electrical cabinet. The test carried out during the thesis showed that SSRs create more heat than mechanical relays, but the heat can be managed with proper thermal management, ventilation, and with proper electrical cabinet design. Solid-state relays comply with the requirements of the EN-60335-2-40 standard automatically since they do not fall into the category of ignition source. However, the bigger direct cost of the SSRs and the cost of the thermal management of the SSRs must be considered in the design. The thesis concluded that there is no single best solution; each design alternative has trade-offs between cost, safety, and design complexity. Mechanical relays remain feasible if properly tested, while SSRs and inverters offer a safer and more modern solution at a higher cost. Ultimately the choice depends on the manufacturer’s priorities: whether to invest in the pricier and safer components that upfront comply with the standard or rely on more affordable and test-intensive components.

Tämän tutkielman tavoitteena on löytää sopiva ohjausratkaisu kompressoreille, jäähdytys-läm-mityskoneissa, joissa käytettävä kylmäaine on R290 (Propaani). Tutkimuksen painopisteenä ovat mekaaniset releet ja puolijohdereleet (SSR), erityisesti tarkasteltavat aspektit ovat liittyen niiden turvallisuuteen, käytännöllisyyteen ja suorituskykyyn. Lisäksi työssä tarkastellaan muita vaihto-ehtoja, kuten inverttereitä, sähkökeskuksen paineistamista sekä sen sijainnin muuttamisen mahdollisuutta. Propaanilla (R290) on erittäin alhainen ilmaston lämpenemispotentiaali (GWP), mutta se on luo-kiteltu A3-kylmäaineeksi, mikä tarkoittaa, että se on erittäin syttyvää. Käytännössä tämä A3-luokittelu tarkoittaa, että potentiaaliset syttymislähteet pitää ottaa tarkkaan huomioon, kun sähköpääkeskusta suunnittelee. Mekaaniset releet ovat edullisia, mutta voivat aiheuttaa ki-pinöintiä ja valokaarien muodostumista, mikä lisää syttymisriskiä. Puolijohdereleet sen sijaan eivät muodosta valokaaria tai kipinöintiä, mutta tuottavat enemmän lämpöä käytön aikana ja vaativat siksi huolellista lämmönhallintaa sähkökeskuksessa. Tämän tutkielman aikana suoritetut testit osoittivat, että puolijohdereleet tuottavat enemmän lämpöä kuin mekaaniset releet, mutta lämpöä voidaan hallita asianmukaisella lämmönhallin-nalla, ilmanvaihdolla ja hyvällä sähkökeskuksen suunnittelulla. Puolijohdereleet täyttävät EN-60335-2-40-standardin vaatimukset automaattisesti, sillä niitä ei luokitella syttymislähteiksi. Toi-saalta puolijohdereleiden korkeampi hankintahinta sekä lämmönhallinnan kustannukset on huomioitava suunnittelussa. Tutkielmassa päädyttiin siihen, ettei olemassa ole yhtä parasta ratkaisua; jokainen suunnittelu-vaihtoehto sisältää kompromisseja kustannusten, turvallisuuden ja suunnittelun monimutkai-suuden välillä. Mekaaniset releet ovat edelleen käyttökelpoisia, mikäli ne testataan asianmukai-sesti. Puolijohdereleet ja invertterit tarjoavat turvallisemman ja modernimman, mutta kalliim-man vaihtoehdon. Lopullinen valinta riippuu valmistajasta: investoidaanko kalliimpiin ja turval-lisempiin, standardin automaattisesti täyttäviin komponentteihin vai luotetaanko edullisempiin, mutta enemmän testausta vaativiin ratkaisuihin.