Wybór systemu grzewczo-chłodniczego i wentylacyjnego (HVAC) do budynku powinien być poprzedzony kompleksową analizą i porównaniem pracy różnych systemów w skali całego roku, w różnych trybach. Kluczowa jest przy tym decyzja o wyborze czynnika, jakim ma być wypełniona instalacja.

Inwestycja zrealizowana w budynku ASHRAE w Atlancie (USA) w 2008 r., na którą się powołam, pozwoli przeanalizować plusy i minusy dwóch wspomnianych systemów grzewczo-chłodniczych, porównać ich koszty utrzymania i sprawność. Podczas tej inwestycji na jednej z kondygnacji budynku ASHRAE został wymieniony w całości system grzewczy i chłodniczy, co umożliwiło w kolejnych latach wykonanie dokładnego porównania:

• systemu wodnego na I piętrze (rewersyjna, gruntowa pompa ciepła);
• systemu VRV/VRF na parterze (czynnik chłodniczy, sprężarka inwerterowa, wentylatory EC etc.).

Oba systemy wykorzystywane są do ogrzewania i chłodzenia.

Dlaczego system VRF ma problemy zimą?

ASHRAE zapisywała dane pomiarowe przez kilka sezonów grzewczych i chłodniczych, a następnie zestawiła je. Nie wykonała jednak żadnej oceny danych. Producenci systemów wodnych i freonowych mieli do nich dostęp i sami mogli dokonać porównania.

Na podstawie danych pomiarowych stwierdzono, że instalacje VRF w trybie grzewczym w zimie zużywają trzy razy więcej energii niż pompa ciepła z gruntowym dolnym źródłem. W 2010 r. system VRF zużył 57% więcej energii niż system wodny, w 2011 r. o 84% więcej, a w 2012 r. o 61% więcej.

Dlaczego tak się dzieje? – Otóż, gdy w zimie temperatura na zewnątrz się obniża, spada moc grzewcza powietrznej pompy ciepła (nieważne, czy w systemie freonowym, czy wodnym). Aby to zrekompensować, zwiększa się znacznie prędkość obrotowa sprężarki: z obrotów nominalnych 50/60 Hz (100%) aż do 120 Hz (200%). Wówczas, oprócz tego, że rośnie opór tarcia wszystkich obracających się elementów, wzrasta też strumień masowy czynnika chłodniczego. Zwiększa to istotnie opory przepływu. W efekcie znacząco rośnie zużycie energii elektrycznej w stosunku do uzyskiwanego ciepła. Zwiększona moc grzewcza urządzeń pochodzi więc zasadniczo ze zwiększenia poboru mocy elektrycznej sprężarki.
Na rys. 1 i 2 przedstawiono porównanie zużycia energii elektrycznej w budynku ASHRAE na potrzeby ogrzewania i chłodzenia przez system z gruntową, rewersyjną pompą ciepła i system VRF. Porównanie dotyczy różnych źródeł energii: powietrza i wody. Jak widać, całkowite ogrzewanie budynku systemem VRF/VRV jest możliwe, ale nie jest ekonomiczne. Dodam, że instalacja VRF była najnowszej generacji (sprężarka inwerterowa, wentylatory EC etc.), podczas gdy gruntowa pompa ciepła raczej tradycyjna (np. sprężarka on/off ), ale mimo to, nawet w okresach chłodniczych (latem), gruntowa pompa ciepła pracowała z wyższą sprawnością. Atutem systemów wodnych jest także to, że można je uzupełniać innymi źródłami energii (ciepła i chłodu), np. powietrzną pompę ciepła – tradycyjnym kotłem gazowym, który przy większych spadkach temperatury na zewnątrz przejmuje funkcje grzewcze. Gwarantuje to maksymalną sprawność i ekonomikę systemu, co nie jest możliwe w systemach z bezpośrednim odparowaniem czynnika. Sprawność pompy ciepła powietrze-woda również maleje wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej, ale nie tak znacznie jak w systemach VRF/VRV.

1. Porównanie zużycia energii elektrycznej na potrzeby ogrzewania i chłodzenia w budynku ASHRAE przez system z gruntową, rewersyjną pompą ciepła i system VRF w latach 2010-2012 [1]	2. Porównanie zużycia energii elektrycznej na potrzeby ogrzewania i chłodzenia w budynku ASHRAE przez system z gruntową, rewersyjną pompą ciepła i system VRF w poszczególnych miesiącach 2012 r. [1]

Użytkowanie F-gazów – nowe wymogi i obowiązki

Wybierając system grzewczo-chłodzący warto pamiętać o jeszcze jednej sprawie. Od 1 stycznia 2015 r. dyrektywą unijną znacznie ograniczono stosowanie F-gazów, powszechnie używanych jako czynniki chłodnicze (np. w systemach VRF/VRV). Zastosowanie niektórych będzie zabronione, a koszt innych znacznie się zwiększy w wyniku „phase down” (limit dopuszczony do obrotu). Pojawił się też całkowity zakaz stosowania popularnego czynnika R22. Oznacza to, że w razie awarii urządzeń klimatyzacyjnych i ewentualnego wycieku czynnika chłodniczego, nie jest już możliwa szybka naprawa w dotychczasowy sposób, tj. z końcowym uzupełnieniem czynnika. Nowością w przepisach jest obowiązek spoczywający na użytkownikach (właścicielach, zarządcach) – przeprowadzania kontroli szczelności urządzeń chłodniczych i/lub klimatyzacji. Rozporządzenie określa zalecaną częstotliwość tych kontroli dla różnych czynników chłodniczych, która zależy od ekwiwalentnej pojemności CO₂, czyli pojemności czynnika chłodniczego w instalacji pomnożonej przez GWP czynnika chłodniczego (tab. 1). Okres przechowywania dokumentów po wspomnianych kontrolach wynosi co najmniej 5 lat.

Tabela 1. Częstotliwość kontroli szczelności instalacji z wybranymi czynnikami chłodniczymi

* Częstotliwość można o połowę zmniejszyć w przypadku zastosowania automatycznych systemów kontroli wycieków

Przewaga systemu wodnego nad freonowym

Poniżej przedstawiam pięć argumentów przemawiających za wyborem systemu wodnego w porównaniu do systemu freonowego.

• Niższe koszty inwestycyjne. Wodne systemy chłodnicze kiedyś były uznawane za droższe w montażu, ale wiele się zmieniło, łącznie z zastosowaniem pomp i wentylatorów z automatyczną regulacją. Dzisiejsze systemy rurowe są znacznie łatwiejsze, a więc i tańsze w montażu niż kiedyś, dzięki czemu koszty instalacyjne systemu wodnego i freonowego stały się porównywalne.
• Prostszy montaż i utrzymanie. Systemy VRV/VRF to dużo rur chłodniczych, duże zużycie oleju do smarowania sprężarki. Kontrola powracającego oleju jest warunkiem krytycznym i podczas instalacji bardzo ważne jest upewnienie się, że zabrudzenie nie dostało się do systemu i nie zniszczy sprężarki. Specjalne rozwiązania i technika w systemie VRF wiążą właściciela (zarządcę) budynku z producentem systemu do końca życia instalacji. W systemach wodnych nie ma takich zagrożeń – nie ma ani smaru, ani czynnika chłodniczego. Są one prostsze w montażu i utrzymaniu. Przewodów nie trzeba lutować lub spawać, więc hydraulik czy instalator bez problemu połączy elementy instalacji.
• Niższe koszty. Użytkownik może się spodziewać znacznie niższych kosztów eksploatacyjnych w przypadku systemów wodnych. System VRF to większa konsumpcja energii, szczególnie w zimie, a także ryzyko szybszego zużycia. W trybie grzewczym sprężarka obraca się tu znacznie szybciej, co obniża żywotność łożysk i całego kompresora.
• Większa sprawność energetyczna. Sprawność energetyczna podawana przez producentów systemów VRF jest trudna do weryfikacji, a bez aktualnych danych pomiarowych nie sposób ustalić prawdziwych wartości. Wyniki przeprowadzonego w budynku ASHRAE eksperymentalnego porównania dwóch systemów pokazują, że system VRF jest energetycznie znacznie mniej efektywny niż system wodny z pompą ciepła.
• Mniejsza ilość hermetycznie zamkniętego czynnika chłodniczego w systemach wodnych. To istotny atut ze względu na obecne ograniczenia i prognozy na przyszłość. Oczekuje się bowiem, że przez redukcję znajdującej się w obrocie dopuszczonej ilości czynnika chłodniczego nastąpi znaczny wzrost cen za jego kilogram, a przez zastosowanie „phase down” oraz wymienionych wyżej zakazów przyszłość będzie należeć do czynników chłodniczych o niskiej wartości GWP. Są to w szczególności naturalne czynniki chłodnicze, np. CO₂, propan itp. Niestety, czynniki te mają szereg niekorzystnych cech, np. bardzo wysokie ciśnienie (CO₂) lub palność (propan). Właściwości te wraz z oczekiwanym wzrostem cen za kilogram czynnika chłodniczego będą determinować nasilanie się trendu zmierzającego do stosowania mniejszych pojemności czynników chłodniczych. Przede wszystkim będzie to dotyczyć systemów, które przenoszą energię chłodniczą na nośniki takie jak woda (np. wytwornice wody lodowej). Instalacje z bardzo rozgałęzionym systemem przewodów rurowych, wypełniane w całości czynnikiem chłodniczym, staną się więc w przyszłości rozwiązaniem o stosunkowo niskim potencjale ekonomicznym.

Autor: Maciej Danielak