Pierwszemu uruchomieniu pompy ciepła trzeba poświęcić znacznie więcej czasu niż tradycyjnej instalacji z kotłem grzewczym. Zakres sprawdzenia jest bardzo szeroki i obejmuje nie tylko samo urządzenie, ale też dolne i górne źródła ciepła. Warto pamiętać, że 95% zgłaszanych błędów w funkcjonowaniu instalacji z pompą ciepła dotyczy właśnie dolnego i górnego źródła ciepła – jego zaplanowania i wykonania.

Podczas pierwszego uruchomienia poza samym urządzeniem sprawdza się dodatkowo dolne i górne źródło ciepła oraz testuje wszystkie realizowane funkcje, a więc ciepłą wodę użytkową, ogrzewanie zbiornika buforowego wody grzewczej lub obiegu bezpośredniego, funkcje chłodzenia itd. Trzeba dobrze znać algorytmy pracy regulatora i jego możliwości. Inaczej sterowana jest bowiem sprężarka typu on/off, a inaczej ta z inwerterem. Niekiedy inne czujniki załączają urządzenie, a inne z kolei będą powodować jego wyłączenie – znajomość tych zależności pozwoli na ustawienie urządzenia w taki sposób, aby pompa ciepła zawsze wyłączała się regulacyjnie, a nie z usterką.

Wymagania ogólne

Pomieszczenie, w którym znajduje się pompa ciepła, podobnie jak to jest w przypadku kotłów, wymaga zachowania minimalnej kubatury. Zastosowanie znajdują tutaj zapisy normy PN-EN 378, określające minimalną kubaturę zależnie od rodzaju wykorzystywanego czynnika chłodniczego oraz jego ilości w pompie ciepła. W celu oszacowania wymaganej kubatury pomieszczenia, należy podzielić ilość czynnika znajdującego się w układzie przez współczynnik określony w powyższej normie. Zgodnie z nią wartości współczynników dla najczęściej stosowanych czynników chłodniczych wynoszą odpowiednio:

• dla czynnika R410A, stosowanego w pompach ciepła powietrze-woda typu Split – 0,44;
• dla czynnika R407C, stosowanego wciąż w pompach ciepła typu powietrze-woda typu monoblok – 0,31;
• dla czynnika R134A, znajdującego zastosowanie w pompach ciepła do ciepłej wody użytkowej, a także w układach klimatyzacji samochodowej – 0,25.

Przykład:
Jeżeli pompa ciepła powietrze-woda typu Split Vitocal 200-S AWB-AC 201.C10 o mocy 9,5 kW dla A-7/W35, według PN-EN14511 zawiera 2,95 kg czynnika R410A, to wymagana kubatura pomieszczenia powinna wynosić: 2,95 kg/0,44 = 6,7 m³.

Dodatkowym wymogiem ogólnym dla pomieszczeń z pompą ciepła jest konieczność zastosowania wentylacji, nie ma jednak znaczenia jej rodzaj – czy jest to wentylacja naturalna, czy mechaniczna.

Część elektryczna

Pompy ciepła wymagają w większości osobnych zabezpieczeń nadprądowych dla regulatora, sprężarki oraz grzałki elektrycznej, jeśli są w nią wyposażone. O ile w przypadku regulatora i grzałki elektrycznej wystarczy zabezpieczenie typu B, o tyle silnik sprężarki powinien już być zabezpieczony typem C – zwłocznym. Wielkości zabezpieczeń odszukać należy w instrukcji serwisowej pompy ciepła.
Urządzenia typu solanka-woda mają z reguły sprężarkę 3-fazową, a więc dodatkowo konieczne jest zastosowanie kontrolera faz (o ile nie ma go w standardowym wyposażeniu). Kontroler faz zadba o poprawne zasilanie silnika sprężarki również w innych przypadkach niż tylko klasyczna zamiana kolejności.

Chociaż kontroler faz teoretycznie nie jest wymagany dla pomp ciepła z inwerterem, a więc np. pompy ciepła powietrze-woda typu Split, to większość producentów zaleca jego montaż, np. w celu sprawdzania tolerancji napięcia.

Kontrola dolnego źródła – pompa solanka-woda

Zadaniem dolnego źródła ciepła jest dostarczanie energii niskotemperaturowej do pompy ciepła dla podtrzymania jej pracy. Wymogiem podstawowym i niezmiennym jest tutaj bezwzględne zachowanie odpowiedniego przepływu czynnika niezamarzającego, krążącego między pompą ciepła a dolnym źródłem, oraz zakresu dopuszczalnej temperatury.

Wielkość dolnego źródła ciepła. Podczas pierwszego uruchomienia zazwyczaj nie ma możliwości oceny wielkości rzeczywistej dolnego źródła ciepła, ale wykonawca instalacji lub niekiedy nawet sam inwestor będą taką wiedzą dysponować. Pozwoli to na wstępne sprawdzenie, czy poruszamy się w sugerowanych granicach. Wytyczne projektowe PORT PC dotyczące dolnych źródeł ciepła zawierają wskaźniki przeliczeniowe, którymi należy się posługiwać podczas zgrubnego liczenia wielkości dolnego źródła ciepła:

• dla odwiertów pionowych przyjmuje się wartość mocy 40 W z każdego 1 mb odwiertu;
• dla kolektora poziomego przyjmuje się około 15 W z każdego 1 m².

Oznacza to roczną ilość energii odpowiednio 80 kWh z 1 mb odwiertu oraz 30 kWh z 1 m² kolektora poziomego. Nikt oczywiście nie wymaga, by podczas pierwszego uruchomienia dokładnie liczyć wielkość dolnego źródła, ale porównanie obliczeń na bazie wskaźników z rzeczywistością da informację, czy jest sens zabierać się za czynności uruchomieniowe.

Pojemność naczynia przeponowego. Kolejną sprawą jest ocena zastosowanego czynnika niezamarzającego, tj. przede wszystkim sprawdzenie temperatury jego krzepnięcia – zwykle jest to od -15°C do -19°C, oraz jego ciśnienia w obiegu dolnego źrodła. Przy okazji należy sprawdzić pojemność naczynia przeponowego i jego ciśnienie wstępne. Pojemność naczynia można zgrubnie oszacować wskaźnikiem 5% do 7% pojemności zładu lub według poniższego wzoru:

V_N = (V_Z + V_V) ∙ (p_e + 1)/(p_e – p_st)

gdzie:
V_N – pojemność znamionowa naczynia zbiorczego w [litrach];
V_A – całkowita pojemność instalacji dolnego źródła w [litrach];
V_Z – zwiększenie pojemności przy zmianie temperatury płynu = V_A ∙ β ∙ Δt;
β – współczynnik rozszerzenia, np. dla płynu Tyfocor na bazie glikolu etylenowego 30% = 0,0004;
Δt – różnica temperatury obiegu pierwotnego (od -5 do 20°C) = 25 K;
V_V – poduszka naczynia przeponowego, V_V = V_A ∙ 0,005, lecz nie mniej niż 3 litry;
p_e – dopuszczalne nadciśnienie końcowe w [bar] p_e = ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa przemnożone przez 0,9;
P_st – ciśnienie wstępne naczynia przeponowego – najczęściej od 1 do 1,5 bar.

Przykład:
Dla pojemności dolnego źródła 400 litrów i ciśnienia wstępnego naczynia przeponowego 1 bar pojemność naczynia przeponowego wyniesie:

(400 ∙ 0,0004 ∙ 25 + 400 ∙ 0,005) ∙ (2,7 + 1)/(2,7 – 1) = 15,23 litra.

Z typoszeregu należy zatem wybrać naczynieo pojemności 18 lub 25 litrów.

Zazwyczaj ciśnienie wstępne w naczyniu wynosi około 2,5 bar i wymaga obniżenia do 0,3-0,5 bar poniżej planowanego ciśnienia płynu niezamarzającego w instalacji. Pozostawienie zbyt wysokiego ciśnienia będzie prowadzić do zapowietrzania instalacji dolnego źródła i tym samym usterek w pracy pompy ciepła.

Ocena przepływu czynnika przez dolne źródło ciepła. W pierwszej kolejności przepływ czynnika należy sprawdzić na wyłączonej pompie ciepła, a więc np. poprzez załączenie pompy obiegowej dolnego źródła ciepła z poziomu testu przekaźników. Rury dolnego źródła – odwierty pionowe lub pętle poziome – powinny być zaopatrzone w rotametry pozwalające na ocenę rzeczywistego przepływu płynu. Suma odczytanych przepływów powinna być co najmniej równa wartości minimalnego przepływu określonego przez producenta pompy ciepła. Przepływ optymalny można określić następująco:
V_optymalny = moc chłodnicza pompy ciepła/iloczyn ciepła właściwego czynnika niezamarzającego i różnicy temperatury zasilanie-powrót dolnego źródła, przy czym:

• moc chłodnicza pompy ciepła wyznaczana jest zgodnie z punktem pracy B0/W35 (według EN14511);
• ciepło właściwe np. glikolu etylenowego o stężeniu 30% wynosi 0,0010527 kWh/(kg ∙ K);
• sugerowana różnica temperatury zasilanie-powrót dolnego źródła wynosi 3 K.

Przykład:
Dla pompy ciepła o mocy grzewczej 10,36 kW i mocy chłodniczej 8,43 kW (B0/W35, EN 14511) przepływ optymalny wyniesie:

V_optymalny = 8,43/(0,0010527 ∙ 3) = 2670 litrów/h.

Warto zwrócić uwagę, że w tym przypadku minimalny przepływ określony przez producenta wynosi zaledwie 1470 litrów/h.

Kolejną czynnością po stronie dolnego źródła ciepła będzie jego ocena podczas pracy sprężarki, ale to można wykonać jednocześnie ze sprawdzaniem górnego źródła ciepła.

Kontrola górnego źródła – pompa solanka-woda

Dystrybucja ciepła jest bardzo wrażliwym punktem instalacji z pompą ciepła i podatnym na błędy. Generalnie można wyróżnić trzy podstawowe odbiorniki ciepła z pompy ciepła:

• układ bezpośredni,
• bufor wody grzewczej,
•  zbiornik ciepłej wody użytkowej.

Każdy schemat realizowany przez pompę ciepła jest oparty tylko o te trzy elementy. Nawet rozbudowana instalacja z wieloma obiegami na zaworach mieszających w gruncie rzeczy oznacza dla pompy pracę na bufor wody grzewczej.

Układ bezpośredni. Jeżeli zastosowano układ bezpośredni, to zadaniem osoby uruchamiającej instalację jest ocena dwóch podstawowych parametrów: przepływu i pojemności. Przepływ minimalny, podobnie jak w dolnym źródle ciepła, określany jest przez producenta pompy ciepła i musi być bezwzględnie zachowany, a do tego powinien być stały. Oblicza się go niemal identycznie jak przepływ po stronie dolnego źródła ciepła, z tą różnicą, że:

• ciepło właściwe wody wynosi 0,0011638 kWh/(kg ∙ K);
• obliczeniowa różnica temperatury najczęściej wynosi 5-7 K.

Musi być zatem możliwość odczytania przepływu np. na rotametrach rozdzielacza ogrzewania podłogowego lub przepływ musi być potwierdzony obliczeniami przez projektanta systemu ogrzewania.
Instalacje grzejnikowe nie nadają się z reguły do układów bezpośrednich z uwagi na małą bezwładność, pojemność wodną i stosunkowo dużą obliczeniową różnicę temperatury (10 K). Stały przepływ oznaczałby także rezygnację z głowic termostatycznych. Korzystniejsze w układach bezpośrednich są systemy ogrzewania płaszczyznowego – lecz również bez regulacji przepływu, a więc np. bez siłowników na pętlach. Należy zatem zwrócić uwagę na ustawienie maksymalnej temperatury zasilania obiegu grzewczego, ewentualnie zastosować dodatkowe termostatyczne ograniczniki temperatury.

Minimalna pojemność instalacji określana jest jako 3 litry na każdy 1 kW mocy grzewczej pompy ciepła (wg normy EN14511). Należy jednak dążyć do tego, aby w układach bezpośrednich zład był około dziesięciokrotnie większy, ponieważ pozwoli to zapewnić optymalny czas pracy sprężarki.

Układy z buforem wody grzewczej. Są one najmniej kłopotliwe, ponieważ podczas pierwszego uruchomienia zajmujemy się uruchomieniem zaledwie części instalacji: od pompy ciepła do bufora.
Jedyny wymóg dla bufora to jego pojemność określona według wskaźnika 20-25 litrów na każdy 1 kW mocy grzewczej (zgodnie z EN14511). Warto również sprawdzić średnice rurociągów prowadzonych od pompy ciepła do bufora, czy gwarantują wymagany przepływ bez większych oporów (sugerowane opory przepływu < 100 Pa/m).
Jeżeli za buforem znajdują się obiegi o parametrach obliczeniowych zbliżonych do maksymalnych parametrów pompy ciepła (np. grzejniki na parametry 55/45), to należy także ocenić, czy pompa ciepła będzie w stanie zagrzać bufor do takiej wartości. Pewności nabierzemy tylko wtedy, gdy po załączeniu pompy ciepła różnica temperatury zasilanie-powrót (np. 5 K) będzie mniejsza niż obliczeniowa różnica temperatury obiegów grzewczych za buforem (np. 10 K).
Oczywiście powinno się również znać algorytmy pracy pompy ciepła na bufor, a więc który czujnik odpowiada za załączanie, a który za wyłączanie pompy ciepła. Pozwoli to na ocenę, czy urządzenie jest w stanie wyłączyć się regulacyjnie, a nie z usterką. Przykładowe algorytmy pracy pokazuje rys. 1.

1. Ogrzewanie bufora wody grzewczej – przykładowe algorytmy pracy pompy ciepła na bufor

Zbiornik ciepłej wody użytkowej. Podstawowym wymaganiem stawianym zbiornikom c.w.u. jest ich zdolność do odbierania ciepła zintegrowaną wężownicą. Zgodnie z wytycznymi producentów pomp ciepła, minimalna powierzchnia wymiany ciepła powinna wynosić 0,25 m2 na każdy 1 kW obliczeniowej mocy grzewczej pompy ciepła (punkty obliczeniowe zgodnie z normą EN14511).
Każdorazowo podczas pierwszego uruchomienia instalacji z pompą ciepła należy wykonać test ogrzewania i dogrzewania wody użytkowej. W pierwszej kolejności ocenia się, jaka jest maksymalna temperatura wody użytkowej możliwa do osiągnięcia. Ustawia się w tym celu wymaganą wartość ciepłej wody na wartość maksymalną (np. 60°C) i czeka aż pompa ciepła wyłączy się usterką od przegrzania. Notuje się temperaturę osiągniętą w zbiorniku ciepłej wody i ustawia ją jako wartość maksymalną wody użytkowej, dodatkowo obniżoną o 2 K. Następnie symuluje się rozbiór wody użytkowej aż do momentu załączenia pompy ciepła na dogrzew wody użytkowej, a następnie sprawdza, czy pompa ciepła osiąga ustawioną temperaturę ciepłej wody jednym cyklem pracy sprężarki.
Czas wymagany na ogrzanie wody użytkowej można wykorzystać do oceny pracy dolnego źrodła ciepła. Podczas pracy sprężarki obciążane jest dolne źrodło ciepła i tym samym obniżeniu ulega temperatura czynnika niezamarzającego. Dopuszczalny spadek temperatury wynosi 3 K/h, a optymalny do 2 K/h.

Przykład:
Temperatura zasilania z dolnego źródła ciepła wynosi 6°C. Przepływ gwarantuje różnicę temperatury zasilanie-powrót dolnego źrodła ciepła na poziomie 3 K. Po 2 godzinach pracy (maksymalny, optymalny czas pracy sprężarki) zasilanie z dolnego źródła ciepła wynosi już tylko 0°C, natomiast powrót do ziemi nawet -3°C.
Jeżeli mielibyśmy przepływ gwarantujący różnicę temperatury zasilanie-powrót dolnego źrodła ciepła 2 K, to po 2 godzinach pracy sprężarki zasilanie z ziemi byłoby na poziomie 2°C, a powrót do ziemi na poziomie 0°C. Zarówno rura PE, jak i ziemia w otoczeniu „nie dostają wówczas w kość” i nie są przemrażane.

Kontrola dolnego źródła – pompa powietrze-woda

Wydawać by się mogło, że w tym przypadku nic sprawdzać nie trzeba, a jednak to tylko pozory. Przede wszystkim należy bowiem ocenić, czy przy instalacji pompy ciepła są zachowane minimalne odstępy serwisowe, aby w przyszłości możliwe było wykonywanie prac serwisowych (rys. 2).

2. Przykładowe minimalne odstępy serwisowe według wytycznych projektowych dla pomp ciepła powietrze-woda

Z lokalizacją pompy związana jest także kwestia zapewnienia odpowiedniej strefy wyrzutu powietrza z pompy ciepła – w obszarze co najmniej 3 metrów powinna być przestrzeń wolna od komunikacji czy tarasów, aby nie dopuścić do tworzenia się lodu na tych powierzchniach.
Pompa ciepła obniża temperaturę powietrza nawet o 12 K, a więc w okresie występowania dodatniej temperatury powietrza może wyrzucać z siebie powietrze o temperaturze poniżej 0°C. Dotyczy to również ścian budynku, od których strona wyrzutowa pompy ciepła powinna być oddalona. aby nie doprowadzać do gromadzenia się na nich wilgoci i brudu.
Wymagania dotyczą także źródeł hałasu – należy sprawdzić, czy usytuowanie pompy ciepła zapewnia, że na granicy działki nie będzie większego hałasu niż 40 dB (A) (ograniczenie dotyczy godzin nocnych, a więc od 22:00 do 6:00).
Kolejna istotna sprawa to kondensat. Zarówno pompy ciepła typu split, jak i monoblok generują sporą ilość wody w procesie odmrażania parownika. Sprawdzić zatem należy sposób odprowadzenia kondensatu i drożność przewodów. Zbyt cienkie lub niezaizolowane rury odprowadzające albo np. niedrożny syfon mogą prowadzić do zalewania wnętrza pompy ciepła i zamarzania wody wewnątrz urządzenia.

Rzut oka na budynek

W trosce o zadowolenie klientów dobrze jest również z grubsza ocenić przygotowanie samego budynku do ogrzewania pompą ciepła. Nierzadko okazuje się, że brakuje izolacji termicznej budynku, nie tylko ścian, ale i poddasza. Są to potencjalne miejsca ucieczki sporej ilości ciepła, a to oznaczać może dla klientów znacznie większe niż zakładał koszty ogrzewania.

Zmiana temperatury dolnego źródła ciepła związana z pracą sprężarki pompy ciepła
Na rysunkach przedstawiona jest symulacja zmiany temperatury gruntu wokół sondy pionowej związana z nieprzerwaną pracą sprężarki pompy ciepła oraz temperatury zasilania i powrotu: a) odwiert bez obciążenia – sprężarka jest wyłączona; b, c, d, e) sprężarka zostaje włączona i pompa ciepła pozyskuje ciepło z ziemi; ziemia w okolicy sondy zaczyna się wychładzać; im dłużej pracuje pompa ciepła, tym dalej odsuwa się granica temperatury ziemi 10°C; f) sprężarka pracuje w sposób ciągły przez 2 godziny i po tym czasie powinna zostać wyłączona regulacyjnie (ogrzanie odbiornika ciepła); pozwoli to na regenerację ciepła ziemi; g, h, i) jeżeli sprężarka nie zostanie wyłączona, nastąpi dalszy spadek temperatury dolnego źródła; należy uważać na spadek temperatury sondy poniżej 0°C, ponieważ oznacza to ryzyko trwałego uszkodzenia sond; dodatkowo wilgoć w ziemi zamarza, zwiększając swoją objętość – po roztopieniu wokół sondy mogą powstać wolne przestrzenie wypełnione powietrzem (izolatorem); pompa ciepła wyłącza się, jeżeli temperatura solanki osiągnie wartość -4°C.

Autor: Dawid Pantera

Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki SGGiK – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do potencjalnych projektantów i wykonawców takich instalacji, a być może także docelowych użytkowników.
W ramach cyklu zaprezentowaliśmy już tematykę kolektorów słonecznych i małych instalacji fotowoltaicznych. Teraz, korzystając z wiedzy fachowców z Akademii Viessmann oraz PORT PC, kontynuujemy cykl o pompach ciepła.