Dla każdego urządzenia grzewczego określa się specyficzne wymagania dotyczące warunków jego montażu oraz późniejszej eksploatacji, które będą charakterystyczne dla danego rodzaju urządzeń, ich typu w ramach danej grupy, a nawet konkretnego modelu. Tak jest również w przypadku pomp ciepła. W poniższym artykule przyjrzymy się, na co szczególnie należy zwrócić uwagę przy planowaniu robót, a później przy samym montażu najpopularniejszych pomp ciepła typu powietrze-woda.

Minimalny zład wody w instalacji
Konieczność zapewnienia minimalnego zładu wody w instalacji ma szczególne znaczenie przy pompach ciepła typu powietrze-woda, które raz na jakiś czas muszą odszronić parownik w jednostce zewnętrznej, innymi słowy – wykonać tak zwany defrost. Aby zrozumieć, dlaczego dochodzi do zaszronienia parownika podczas pracy urządzenia, konieczne jest przyjrzenie się podstawowym zasadom działania powietrznej pompy ciepła.

Specyfika pracy – zaszronienie parownika. Układ chłodniczy pompy ciepła wymienia ciepło po stronie dolnego źródła – między czynnikiem chłodniczym a powietrzem, a także po stronie górnego źródła ciepła – między czynnikiem chłodniczym a wodą grzewczą. Wymiana ciepła powietrze-czynnik niskowrzący zachodzi w wymienniku nazywanym parownikiem. W powietrznych pompach ciepła jest on wykonany w konstrukcji lamelowej, aby zintensyfikować odbiór ciepła z dolnego źródła (powietrza), charakteryzującego się małą gęstością. Powyższy proces prowadzi z jednej strony do odparowania czynnika chłodniczego, a z drugiej – do schłodzenia przepływającego przez parownik powietrza, co skutkuje zjawiskiem wykraplania się pary wodnej na zewnętrznej powierzchni wymiennika.

! O ile w dodatniej temperaturze zewnętrznej wykroplona woda swobodnie spłynie z parownika, to gdy temperatura otoczenia zbliża się do 0°C, woda będzie zamarzać, a wymiennik zacznie pokrywać się cienką warstwą szronu.

Zjawisko to występuje najczęściej w temperaturze bliskiej 0°C, kiedy w powietrzu jest najwięcej wilgoci. W skrajnie ujemnych temperaturach powietrze jest suche, więc na wymienniku nie będzie powstawała duża ilość szronu.

Defrost i ochrona przed nadmiernym wychłodzeniem. Roztopienie szronu, zanim zamieni się on w grubszą warstwę lodu, jest możliwe dzięki elementowi układu chłodniczego, jakim jest zawór czterodrogowy. Zawór ten pozwala na odwrócenie kierunku przepływu czynnika, dzięki czemu w trybie odszraniania gorące pary czynnika zamiast trafiać na skraplacz i przekazywać ciepło do instalacji grzewczej, oddają ciepło w parowniku, topiac powstały wcześniej szron.

Efektem ubocznym tej pracy jest wychładzanie instalacji grzewczej, z której ciepło jest pobierane do wykonania defrostu. Minimalny zład wody w instalacji jest zatem potrzebny, aby pompa ciepła mogła przeprowadzić całkowicie proces odszraniania i dodatkowo, żeby w tym samym czasie instalacja nie została wychłodzona zbyt mocno i użytkownicy nie odczuwali dyskomfortu termicznego. 

! Stąd, większość producentów pomp ciepła, zaleca zapewnienie minimalnej ilości wody w instalacji na poziomie 50-100 l – w zależności od mocy urządzenia.

Jak zapewnić odpowiednią pojemność wodną instalacji? Pojemność wodna może być zapewniona przez odpowiednio duży system grzewczy. Przykładowo, zakładając zgrubnie, że 1 l wody przypada na 1 m² instalacji podłogowej (rura PEX 16 mm ma pojemność około 0,1 l na 1 m.b.), w domu o powierzchni ogrzewanej powyżej 100 m² nie powinniśmy mieć problemu ze spełnieniem wymogów producenta. Jeśli zaś chodzi o tradycyjne grzejniki, to pojemność wodna będzie uzależniona od ich typu – rzadko stosowane obecnie grzejniki żeliwne mają największą pojemność, natomiast grzejniki stalowe czy aluminiowe charakteryzują się niewielką pojemnością.

W tym momencie warto jednak postawić pytanie, co w przypadku stosowania na pętlach instalacji podłogowej zaworów odcinających lub – gdy mamy tradycyjne grzejniki wiszące – głowic termostatycznych. Co z tego, że instalacja ma całkowicie 100 l, skoro po zadziałaniu siłowników lub przykręceniu głowic do dyspozycji zostanie połowa lub nawet mniejsza część jej pojemności?

Zastosowanie bufora grzewczego
Najlepszym rozwiązaniem problemu, o którym mowa wyżej, jest zastosowanie bufora wody grzewczej o odpowiedniej pojemności, przy czym trzeba również zwrócić uwagę na rodzaj zasobnika. Bufory grzewcze możemy bowiem podzielić na dwie grupy: bufory szeregowe oraz bufory równoległe.

Bufor szeregowy. Jest prostszym i mniej uniwersalnym rozwiązaniem niż bufor równoległy. Montuje się go na powrocie do urządzenia (pompy ciepła), przez co nie pełni on roli sprzęgła hydraulicznego, a jedynie zwiększa pojemność zładu instalacji. Na ogół takie bufory mają pojemność w okolicach 40 l i są rozwiązaniami kompaktowymi – stosowanymi tam, gdzie nie ma miejsca na większy bufor.
! Rozwiązanie to zapewnia zatem odpowiednią pojemność zładu w instalacji, jednak dalej nie rozwiązuje problemu, jeżeli przepływ przez instalację zostanie całkowicie odcięty lub mocno ograniczony.

Dodatkowo, taki bufor możemy zastosować jedynie w przypadku pracy całego systemu grzewczego na jednej pompie obiegowej – najczęściej zabudowanej w jednostce wewnętrznej pompy ciepła. W przypadku instalacji mieszanej, z oddzielną grupą pompową na grzejniki oraz oddzielną na instalację podłogową, konieczne jest hydrauliczne oddzielenie pompy wtórnej w jednostce od pomp obiegowych, czego bufor szeregowy nie zapewnia. W takim przypadku konieczne będzie zastosowanie bufora równoległego, czyli takiego, do którego podłączony zostaje zarówno powrót i zasilanie z jednostki wewnętrznej, jak i zasilanie oraz powrót z rozdzielaczy.

Bufory równoległe. Bufory tego typu charakteryzują się na ogół większą objętością niż bufory szeregowe – aby nie dochodziło do mieszania wody o różnej temperaturze, powinny mieć pojemność powyżej 100 l. Ponadto mają zamontowany wewnątrz czujnik temperatury, który przekazuje informację do urządzenia grzewczego. To istotny atut w porównaniu do bufora szeregowego, przy którym automatyka pompy ciepła „nie wie”, że taki bufor w ogóle został zastosowany. Dlatego bardzo często, w przypadku bardziej skomplikowanych i rozbudowanych instalacji, producenci wymagają stosowania właśnie bufora równoległego, aby dany system działał prawidłowo (np. w schematach z zewnętrzną wytwornicą ciepła w postaci kotła grzewczego).

Wielu instalatorów może kojarzyć bufor grzewczy z gruntowymi pompami ciepła, przy których zapewniał on dłuższy czas pracy po uruchomieniu się urządzenia. Brało się (i dalej bierze się) to z faktu, że pompy gruntowe są najczęściej pompami niemodulowanymi (pracują z jedną, stałą mocą) i aby chronić sprężarkę przed taktowaniem, konieczny jest odpowiednio duży odbiornik energii. W tych przypadkach najczęściej przyjmuje się przelicznik na poziomie 20 l pojemności bufora na 1 kW mocy pompy ciepła. W przypadku inwerterowych, powietrznych pomp ciepła większa pojemność również przełoży się na lepszą kulturę pracy oraz dłuższą żywotność urządzenia grzewczego.

! Bufor równoległy, w przeciwieństwie do bufora szeregowego, możemy stosować w każdej instalacji (jeżeli pozwala nam na to miejsce), ponieważ zawsze przyniesie to wymierne korzyści. Trzeba jednak pamiętać, że aby zapewnić przepływ za buforem, konieczne jest zamontowanie dodatkowej pompy obiegowej.

Minimalny przepływ w instalacji
Kolejnym wymaganiem ze strony producentów jest zapewnienie minimalnego przepływu po stronie wtórej. Ponownie jest to uzależnione od mocy urządzenia, więc każdorazowo konieczne jest sprawdzenie tej informacji w danych technicznych, jednak dla domowych pomp ciepła wartość przepływu może się wahać w okolicach 1000 l na godzinę. Odpowiedni przepływ jest potrzebny do przekazania ciepła skraplacza podczas procesu defrostu oraz do odbioru ciepła od czynnika w trybie grzania. Niespełnienie tego warunku będzie skutkowało:

• nieukończonym odszronieniem parownika,
• usterkowym wyłączaniem się pompy ciepła, jeżeli czujnik przepływu nie wykryje minimalnej wartości,
• problemami z wygrzaniem instalacji,
• zakłóceniem parametrów pracy systemu grzewczego.

Wartość przepływu: instalacja podłogowa a grzejnikowa. Podłogowa instalacja grzewcza jest projektowana na określoną, relatywnie małą różnicę temperatury między zasilaniem i powrotem, która wynosi na ogół około 7 K. W przypadku tradycyjnych grzejników delta temperatury między zasilaniem a powrotem jest wyższa, przeważnie w zakresie 10-15 K. Różnica ta ściśle wynika właśnie z przepływu, do czego można dojść za pomocą poniższego wzoru:

Przekształcając powyższy wzór, dochodzimy do zależności, z której wynika, że im system działa na mniejszej różnicy temperatury, tym większego przepływu potrzebuje, aby przekazać tą samą moc. W związku z czym instalacja podłogowa o ΔT dwukrotnie mniejszej niż analogiczna instalacja grzejnikowa będzie potrzebowała dwukrotnie większego przepływu.

Duży przepływ – zwiększona średnica rur. Zamontowany do pompy ciepła bufor grzewczy powinien pracować przy różnicy temperatury 5 K, co skutkuje koniecznością uzyskania dużych przepływów w instalacji. Zapewni je odpowiednio wydajna pompa obiegowa (najczęściej znajdująca się w wyposażeniu jednostki wewnętrznej pompy ciepła) oraz właściwa, zwiększona średnica rur. Tutaj również warto sprawdzić wymogi producenta, ponieważ niedostosowanie się do nich może prowadzić do nieprawidłowej pracy urządzenia oraz do utraty gwarancji.

Na ogół wymagana średnica wewnętrzna rur wynosi 28 mm lub 32 mm, przy czym, jeżeli wybierzemy rury miedziane lub stalowe, ich średnica nominalna wyniesie 35 mm lub 11⁄4”. W przypadku rur z tworzywa, musimy zwracać uwagę na podaną średnicę nominalną, która w odróżnieniu od rur metalowych jest średnicą zewnętrzną, od której musimy odjąć grubość ścianek. Dodatkowo musimy brać pod uwagę znaczne przewężenia występujące w kształtkach z tworzyw (kształtki PEX do rur 16 mm mogą mieć przekrój niecałe 9 mm).

Zawór nadmiarowo-upustowy. Dodatkowym elementem, zwykle stosowanym wspólnie z buforem szeregowym, jest zawór nadmiarowo-upustowy. Jego rolą jest zapewnienie przepływu w momencie, gdy na instalacji wystąpią zbyt duże opory (ze względu na odcięcie pętli ogrzewania podłogowego lub zamknięcie głowic termostatycznych na grzejnikach). W tym momencie pompa będzie pracowała „na krótko”, przetłaczając wodę grzewczą przez zawór by-pass oraz bufor szeregowy, dzięki czemu będzie możliwe odszronienie jednostki zewnętrznej.

Filtry w instalacji i jakość wody
Każde urządzenie grzewcze musi być zabezpieczone odpowiednimi filtrami, aby zanieczyszczenia w instalacji nie wpływały negatywnie na ich pracę. Najczęściej wymagany jest na powrocie filtr siatkowy, jednak producenci pomp ciepła coraz częściej wymagają zamontowania również filtra magnetycznego, który wychwyci dodatkowe zanieczyszczenia.

Instalacje modernizowane. Dodatkowe zastosowanie filtra magnetycznego jest szczególnie ważne przy instalacjach modernizowanych, w których wszelkiego rodzaju osad znajdujący się w grzejnikach zostaje poderwany po wymianie urządzenia grzewczego i ponownie trafia do obiegu razem z wodą. Oczywiście, każda instalacja modernizowana powinna zostać uprzednio dokładnie przepłukana, ale montaż filtra magnetycznego i tak jest konieczny – w celu wyłapania pozostałych zanieczyszczeń. Z tego powodu w początkowej fazie eksploatacji czyszczenie filtrów może być wymagane nawet co kilka tygodni.

! Dobrym wskaźnikiem zanieczyszczenia filtrów jest wartość przepływu pokazywana w regulatorach niektórych pomp ciepła. Jeżeli spadła ona w porównaniu do wartości przy pierwszym uruchomieniu, może to wskazywać na konieczność oczyszczenia filtra.

Zapobieganie korozji. Ze względu na występowanie w układzie z pompą ciepła wymiennika płytowego (skraplacza), często spotykamy się również z wymaganiem producentów odnośnie do twardości wody – twardość powinna być na poziomie kilkunastu albo nawet zaledwie kilku stopni w skali niemieckiej. Przekłada się to na konieczność stosowania stacji zmiękczającej lub specjalnego filtra montowanego na czas napełniania instalacji.

W razie pracy pompy ciepła z twardą wodą, kamień szybko odłoży się na najcieplejszych elementach systemu, czyli na skraplaczu oraz grzałce przepływowej (jeżeli urządzenie jest w nią wyposażone), skutecznie blokując przepływ i ograniczając wymianę ciepła. Uszkodzenia pojawiające się jako następstwo kamienia w instalacji, nie są uznawane gwarancyjnie, więc warto szczególnie zwrócić na to uwagę.

Aby nie dochodziło do korozji, zabronione jest również montowanie pomp ciepła w instalacjach otwartych. Wymiana kotła stałopalnego na pompę ciepła często wymaga zatem modernizacji całego systemu grzewczego.

BHP pompy ciepła w pigułce
Pompy ciepła, jak każde inne urządzenie grzewcze, wymagają zastosowania odpowiednich zaworów zabezpieczających oraz naczyń przeponowych, jednak szczególną uwagę trzeba zwrócić na przedstawione w artykule elementy, które zapewniają minimalny zład wody do odszronienia jednostki oraz minimalny przepływ.

Rozwiązaniem, które można by wykorzystywać za każdym razem, jeżeli u klienta jest wystarczająco dużo miejsca, jest zastosowanie bufora równoległego. Jeżeli natomiast mamy do czynienia z instalacją, w której pracuje tylko jedna pompa obiegowa, można zastosować kompaktowy bufor szeregowy wraz z zaworem nadmiarowo-upustowym.

Pamiętajmy również o średnicach rur przyłączeniowych – zbyt mały przekrój może skutkować brakiem minimalnego przepływu oraz ograniczeniem mocy pompy ciepła, natomiast prawidłowy ich dobór oraz regularne czyszczenie odpowiednich filtrów przełoży się na bezpieczniejszą eksploatację urządzenia.

Artykuł stanowi kontynuację cyklu „Warsztaty instalatora OZE”, w którym publikujemy artykuły na temat instalacji fotowoltaicznych i pomp ciepła. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy jego kolejne odcinki z praktycznymi wskazówkami dla projektantów i wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.