Automatyka/elektronika w systemach ogrzewania cz.8 - Jak działają pompy ciepła?

Jak działają pionowe wymienniki gruntowe?

Pionowe wymienniki gruntowe wykonane są w postaci odwiertów pionowych, w których umieszczono rury wypełnione niezamarzającym płynem, które odbierają ciepło z gruntu. Często wykonuje się kilka odwiertów, w których umieszcza się pętle wymiennika pracujące naprzemiennie w cyklach czasowych, co ułatwia regenerację dolnego źródła.

W związku ze zwiększającą się temperaturą gruntu wraz ze wzrostem głębokości, pompy takie są sprawniejsze od pomp z wymiennikiem poziomym. Wymiennik pionowy zajmuje również znacznie mniej miejsca niż poziomy, jest jednak droższy w wykonaniu (wiercenie). Wbrew pozorom prawidłowe wykonanie wymiennika gruntowego zarówno poziomego, jak i pionowego nie jest czynnością łatwą. Łatwo podczas jego wykonania popełnić szereg błędów, które powodują zmniejszanie z upływem czasu sprawności kosztownego wymiennika.

Najbardziej efektywnym dolnym źródłem są studnie głębinowe. Umożliwiają one osiągnięcie najniższych sumarycznych kosztów ogrzewania. Koszt wykonania jest jednak najwyższy ze wszystkich dolnych źródeł ciepła. Taka pompa ciepła jest zbudowana jak pompa gruntowa z płytowym wymiennikiem ciepła, a czynnikiem, od którego pobieramy ciepło, jest woda ze studni głębinowej, a nie ciepło z gruntowego wymiennika ciepła.

W przypadku stosowania źródeł o dobrej stabilności temperatury w ciągu dnia, a więc w przypadku pomp gruntowych oraz opartych na studniach, warto rozważyć możliwość grzania w drugiej taryfie, gdy prąd jest najtańszy. W przypadku pomp ciepła powietrznych nie uzyskuje się już tak wyraźnych korzyści ekonomicznych ze stosowania drugiej taryfy, jak w przypadku pomp gruntowych czy opartych na studniach głębinowych, co wynika ze spadku temperatury zewnętrznej w godzinach nocnych, gdy prąd jest najtańszy.

W celu zapewnienia możliwie jak najniższych kosztów ogrzewania i stabilnej temperatury w domu, często zamiast wyłączać pompę ciepła, stosuje się jedynie obniżenia temperatury zadanej, gdy prąd jest najdroższy lub zezwala się załączyć ją na ograniczony czas, nawet w okresie, gdy prąd jest droższy. Ciepło można gromadzić zarówno w buforach (rozwiązanie najlepsze), jak i w podłodze za pomocą ogrzewania podłogowego.

Wadą pomp ciepła, szczególnie powietrznych, jest spadek mocy generowanej wraz ze spadkiem temperatury dolnego źródła, a więc wtedy, kiedy najbardziej jej potrzebujemy. Powoduje to konieczność stosowania rezerwowego źródła ciepła, najczęściej w postaci grzałki przepływowej. Współczesne powietrzne pompy ciepła są w stanie wytwarzać do dwóch razy więcej energii, niż zużywają, nawet do temperatury zewnętrznej –20°C.

Producenci tak projektują swoje układy, by czas pracy grzałki ograniczyć do niezbędnego minimum. W przypadku pomp powietrznych bardzo dobrym rozwiązaniem jest również łączenie pompy ciepła np. z kotłem pelletowym jako źródłem szczytowym. Do temperatury minus kilku stopni pracuje wtedy pompa ciepła, a w niższych temperaturach kocioł pelletowy; rozwiązanie takie zapewnia bardzo niskie koszty ogrzewania.

Rys.8 Przykładowa instalacja hydrauliczna z pompą ciepła

Pompy ciepła - na czym polega przegrzanie czynnika?

W celu jak najefektywniejszej pracy pompy ciepła przegrzanie czynnika za parownikiem powinno być jak najmniejsze (przegrzanie czynnika mówi nam, o ile stopni temperatura par czynnika jest wyższa od jego temperatury wrzenia). Osiąga się to, stosując zawory rozprężne sterowane elektronicznie, najczęściej za pomocą silnika krokowego.

Źle ustawione przegrzanie czynnika może spowodować dostawanie się cieczy do sprężarki, pogorszenie jej smarowania, a w efekcie szybsze zużycie sprężarki (zbyt niskie przegrzanie) lub pogorszenie współczynnika COP (za wysokie przegrzanie). Zawory sterowane elektronicznie wypierają wcześniej stosowane zawory termostatyczne, na których uzyskiwało się wyższe przegrzanie czynnika. Wyliczenie temperatury wrzenia wymaga pomiaru zarówno ciśnienia, jak i temperatury czynnika przed sprężarką ze względu na silną zależność temperatury wrzenia czynnika od warunków pracy pompy ciepła.

Nieco większą sprawność mają pompy ciepła stosujące dodatkowy wymiennik ciepła oraz zawór rozprężny do chłodzenia czynnika przed parownikiem. Układy takich pomp ciepła wymagają jednak specjalnej sprężarki i stosuje się je głównie w przypadku pomp inwerterowych.

Przykładowa instalacja hydrauliczna z pompą ciepła pokazana jest na rysunku 8. Nowoczesne regulatory zapewniają nie tylko prawidłową obsługę układów pompy ciepła, ale i współpracującej z nią instalacji hydraulicznej – rysunek 9.

Rys.9 Nowoczesne regulatory zapewniają prawidłową obsługę układów pompy ciepła i współpracującej z nią instalacją hydrauliczną

Pompy inwerterowe i włącz/wyłącz - zasady działania

W przypadku stosowania pomp inwerterowych (sterowanych falownikiem lub inaczej inwerterem) mamy możliwość regulacji mocy cieplnej pompy ciepła. Regulacja mocy generowanej przez pompę ciepła odbywa się przez regulację prędkości obrotowej kompresora. W przypadkach sterowania kompresora typu włącz/ wyłącz kompresor pompy ciepła załączany jest, gdy występuje potrzeba grzania, a wyłączany, gdy nie ma potrzeby grzania.

Pompa inwerterowa może dłużej pracować w sposób ciągły, gdyż istnieje możliwość regulacji mocy generowanej w zależności od zapotrzebowania na ciepło/ chłód w budynku. Rozwiązanie takie jest również ekonomiczniejsze, przez większą część roku nie potrzebujemy pełnej mocy pompy ciepła. Zakres regulacji mocy pompy inwerterowej wynosi zwykle 3 do 1.

Zdaniem autora pompy inwerterowe zawsze warto jest stosować w sytuacji, gdy nie stosujemy bufora do gromadzenia wytworzonego przez pompę ciepła. Pompy inwerterowe są również nieco sprawniejsze niż pompy sterujące kompresorem w trybie włącz/wyłącz. Czasami stosuje się również tzw. tandemy – rozwiązanie „pośrednie” między pompą inwerterową a pompą sterującą kompresorem włącz/ wyłącz. W układzie tandemu stosuje się dwie sprężarki o różnej mocy. Gdy pracuje sprężarka o małej mocy, mamy pierwszy najniższy poziom mocy. Gdy pracuje sprężarka o dużej mocy, mamy drugi poziom mocy. Gdy obie sprężarki są załączone, pompa ciepła pracuje z pełną mocą.

Liczba cykli włączeń i wyłączeń sprężarki w dużym stopniu wpływa na jej trwałość. Stosowanie bufora ogranicza liczbę cykli załączeń kompresora, zarówno w przypadku sprężarek sterownych włącz/wyłącz, jak i inwerterowych. W buforze możemy magazynować zarówno ciepłą wodę, potrzebną do grzania budynku, jak i chłodzenia, tzw. wodę lodową (wodę o temperaturze od kilku do kilkunastu stopni Celsjusza).

W przypadku, gdy chcemy chłodzić i grzać jednocześnie, stosuje się rozwiązania z dwoma buforami; instalacje takie spotyka się głównie w dużych budynkach przemysłowych. Istnieją rozwiązania, w których ciepło, usuwane z pomieszczenia w trakcie lata, używane jest do podgrzania CWU, zatem chłodząc pomieszczenie uzyskujemy niejako za darmo ciepłą wodę użytkową. Rozwiązanie takie może być użyte w przypadku zastosowania chłodzenia aktywnego – z pracującą sprężarką.

Funkcję magazynu ciepła może pełnić nie tylko bufor, ale i ogrzewanie podłogowe, ze względu na swoją dużą pojemność cieplną. Wadą ogrzewania podłogowego jako akumulatora energii jest znacznie wolniejsze pochłanianie przez niego ciepła, co powoduje częstsze wyłączanie i załączanie sprężarki pompy ciepła. W przypadku braku bufora warto zakupić pompę sterowaną inwerterem. W przypadku stosowania pompy włącz/ wyłącz warto się upewnić, czy ma ona czujnik zaniku i asymetrii faz. Jego stosowanie zabezpiecza kompresor przed uszkodzeniem. Pompy inwerterowe zawsze mają czujnik zaniku i asymetrii faz.

Pompy ciepła - CWU

Cechą charakterystyczną pomp ciepła jest brak trybu bez priorytetu CWU, w którym ogrzewamy jednocześnie wodę i pomieszczenie. Pompa ciepła pracuje zawsze z priorytetem CWU. Wynika to z faktu, że ze wzrostem temperatury, wytwarzanej przez pompę ciepła, maleje jej sprawność. Grzanie CWU do wysokiej temperatury i jednoczesne ogrzewanie pomieszczenia powoduje, że pompa zużywa większą ilość prądu, niż gdybyśmy nagrzali zasobnik CWU, a później ogrzewali pomieszczenie.

Funkcja dezynfekcji zasobnika CWU realizowana jest za pomocą grzałki wbudowanej w zasobnik CWU lub przepływowej. Do przełączenia grzania używa się najczęściej zaworu trójdrogowego lub rzadziej układu z oddzielnymi pompami do CWU i grzania bufora / obiegów grzewczych.

Czym jest klimakonwektor?

Klimakonwektor jest urządzeniem nadmuchowym stosowanym wewnątrz budynków. Umożliwia on zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie pomieszczenia, w zależności od swojej konstrukcji. Składa się on z wymiennika o dużej powierzchni, przez który płynie ciepła lub zimna woda w zależności od wymagań. Ciepło lub chłód rozprowadzane jest za pomocą wentylatora wbudowanego w klimakonwektor. Wentylator sterowany jest w takich układach płynnie bądź skokowo – biegami.

Wadą klimakonwektorów jest dochodzący z nich lekki szum. Źródłem tego szumu nie jest jednak pracujący wentylator ale przepływ powietrza przez klimakonwektor. Znacznie mniejsze natężenie szumu można uzyskać stosując wentylatory z płynnie regulowaną wydajnością. Wentylatory takie mogą pracować ze znacznie mniejszym nadmuchem niż pierwszy bieg wentylatorów sterowanych skokowo, zadana temperatura w pomieszczeniu jest w tym wypadku osiągana wolniej, co jednak przy rozsądnym ustawieniu wartości histerez nie stwarza żadnego problemu.

W przypadku klimakonwektorów stosuje się często ruchomą kurtynę, dzięki której uzyskujemy bardziej równomierny rozkład temperatury w pomieszczeniu; wielu instalatorów nie lubi jej jednak, gdyż jest dodatkowym potencjalnie uszkadzającym się elementem. Para wodna podczas chłodzenia skrapla się na wymienniku klimakonwektora, skąd odprowadzana jest do instalacji ściekowej. Klimakonwektor wyposażony jest w sterownik, umożliwiający ustalenie indywidualnego programu temperatur dla pomieszczenia, w którym jest zainstalowany.

Mimo że klimakonwektor może grzać i chłodzić, często stosuje się klimakonwektory tylko do chłodzenia i mocuje się je nad framugą drzwi, co powoduje opadanie chłodnego powietrza z góry i zapewnia przyjemną ciepłą temperaturę podłogi. Ogrzewanie wykonuje się wtedy jako podłogowe, ewentualnie uzupełniając je grzejnikami niskotemperaturowymi. Ogrzewanie tak umieszczonym klimakonwektorem nie jest najlepszym rozwiązaniem, gdyż ciepłe powietrze unosi się do góry. Klimakonwektory mogą być również wykonane jako naścienne, montuje się je wtedy jak tradycyjne grzejniki.

Zdaniem autora nie zapewniają one jednak takiego komfortu jak klimakonwektor umieszczony nad framugą drzwi, połączony z ogrzewaniem podłogowym, uzupełniony ewentualnie grzejnikiem niskotemperaturowym tuż pod oknem. Klimakonwektory wymagają okresowego czyszczenia. Czyszczenie takie warto wykonać przed rozpoczęciem okresu grzewczego i przed uruchomieniem chłodzenia.

Czy chłodzenie podłogowe jest dobrym rozwiązaniem?

Czasami możemy spotkać instalacje z chłodzeniem podłogowym. Autor tego artykułu ma do takiego rozwiązania jednak stosunek sceptyczny i to z kilku powodów. Obniżona (podczas upałów) temperatura posadzki nie daje tak dużego komfortu użytkownikowi jak podłoga ciepła. W przypadku nagłego wzrostu wilgotności powietrza, np. przed burzą, skrapla się na niej para wodna, co powoduje powstawanie kałuż wody na podłodze.

Nie zabezpieczają przed tym zjawiskiem czujniki punktu rosy, co wynika z dużej bezwładności ogrzewania/chłodzenia podłogowego. Burza potrafi nadejść nagle, a temperatura posadzki rośnie/spada powoli. W pewnym stopniu zjawisko to można zredukować, stosując wodę chłodzącą o dość wysokiej temperaturze oraz systemy rekuperacji usuwające nadmiar wilgoci z powietrza.

Wielu producentów standardowo wyposaża pompy ciepła w moduły internetowe, gdyż pozwala im to zdalnie zdiagnozować problemy z pracą pompy ciepła oraz je usunąć bez potrzeby dojazdu do klienta. Ogranicza to potrzebę wyjazdów serwisowych i redukuje zarówno koszty ponoszone przez producenta, jak i użytkownika pompy ciepła. W praktyce okazuje się, że serwis jest w stanie 90 procent problemów rozwiązać zdalnie.

Dobrym pomysłem jest również połączenie paneli solarnych, wytwarzających energię elektryczną, z pompą ciepła. Energię elektryczną produkujemy latem za pomocą paneli, a nadwyżki wyprodukowanej energii możemy odebrać zimą z sieci energetycznej (jeśli mamy stosowną umowę z zakładem energetycznym). Instalację taką da się praktycznie tak zbilansować, że koszty ponoszone na rachunki elektryczne są na poziomie zbliżonym do zera.

Autor ma nadzieję, że zawarte w tym artykule informacje przybliżą Czytelnikom działanie pomp ciepła. W następnej części artykułu omówimy instalacje wytwarzające ciepłą wodę użytkową z użyciem paneli słonecznych. Autor dziękuje za uwagi Kolegom: Markowi Malesińskiemu, Patrykowi Marchalewiczowi, Łukaszowi Ostaszewskiemu i Sebastianowi Matejczukowi.