Ze względu na rosnące ceny gazu, węgla oraz pelletu, pompy ciepła stały się bardzo pożądanym i popularnym urządzeniem grzewczym do zastosowań domowych. Moce pojedynczych jednostek pomp ciepła typu powietrze-woda przekraczają 12 kW, przy temperaturze zewnętrznej na poziomie -7°C. Dzięki stosunkowo wysokim temperaturom zasilania oraz wbudowanym grzałkom przepływowym, takie urządzenia mogą bez problemu pokryć zapotrzebowanie na moc grzewczą domów jednorodzinnych, zarówno nowych, w tym tych o znacznej powierzchni, jak i starszych, które charakteryzują się gorszymi współczynnikami termoizolacyjności. Co jednak zrobić, gdy zapotrzebowanie na moc grzewczą obiektu lub zużycie w nim ciepłej wody znacznie przekraczają wartości charakterystyczne dla domu jednorodzinnego?

Istotne podwyżki cen gazu dotknęły w tym roku gospodarstwa domowe – rachunki za to medium, w zależności od taryf, wzrosły dla klientów indywidualnych nawet o około 50%. Podwyżki dla gospodarstw domowych są jednak znacznie niższe niż te, które objęły przedsiębiorców. Większość firm zmaga się nawet z kilkukrotnym wzrostem opłat za gaz i energię cieplną – w skrajnych przypadkach podwyżki sięgają 800%! Oznacza to drastyczny wzrost kosztów utrzymania biur, pensjonatów i innych obiektów firmowych, co wiele biznesów może doprowadzić wręcz na skraj bankructwa. Tym bardziej konieczne jest więc szybkie działanie, mające na celu ograniczyć wydatki związane z energią cieplną.

Tak jak w przypadku domów jednorodzinnych, tak i dla obiektów komercyjnych czy nawet przemysłowych warto rozważyć zastosowanie pompy ciepła. Ze względu na większe zapotrzebowanie na moc (oraz specyfikę użytkowania), obiekty te wymagają jednak innych rozwiązań technicznych z pompami ciepła niż domy jednorodzinne.

Instalacje kaskadowe
Wielu producentów pozwala na łączenie pomp ciepła w kaskady, czyli tworzenie układów kilku urządzeń grzewczych współpracujących ze sobą według nadrzędnego sterownika. W takim przypadku znacznie zwiększa się moc maksymalną systemu grzewczego, a ogranicza ją tylko maksymalna liczba urządzeń, które można ze sobą połączyć. Takie rozwiązanie ma również szereg innych zalet.

Znacznie większa modulacja mocy układu niż dla pojedynczych jednostek. W układach kaskadowych pomp ciepła nadrzędny sterownik może wymusić pracę tylko jednej z nich, gdy reszta urządzeń pozostanie wyłączona. Przełoży się to na stosunkowo niską moc minimalną układu, która w przypadku zastosowania inwerterowych pomp ciepła będzie jeszcze niższa (niższa niż przy wykorzystaniu pomp ciepła ze sprężarką typu on/off ). Dzięki temu system będzie miał dużą elastyczność pracy i dopasuje się nawet do niskiego zapotrzebowania na moc w okresach przejściowych.

Przykład:

Kaskada utworzona z powietrznych pomp ciepła Viessmann Vitocal 200-S D16 może się składać maksymalnie z pięciu urządzeń. Pojedyncza pompa ciepła ma moc 11,6 kW przy A-7/W35 (temp. zewnętrzna -7°C, temp. zasilania instalacji grzewczej 35°C). Kaskada pięciu pomp ciepła Vitocal 200-S D16 pracujących w takich warunkach temperaturowych będzie zatem osiągała moc maksymalną 58 kW. Przy temperaturze 7°C, gdy dalej konieczne jest dostarczanie energii termicznej do budynku, moc minimalna jednej pompy, a tym samym całej kaskady, wyniesie 6,4 kW.

Tak szeroka modulacja mocy (w zakresie od 6,4 kW do 58 kW) pozwoli na znaczne zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych, ponieważ pojedyncze pompy ciepła o mocach przekraczających 50 kW są najczęściej urządzeniami typu on/off, jednobądź dwustopniowymi. Oznacza to, że każde ich załączenie to praca na pełną moc bądź na jej połowę, a rozruch będzie skutkował dużym poborem energii.

Równoczesna realizacja różnych funkcji. Kolejną istotną zaletą rozwiązania kaskadowego jest możliwość równoczesnej realizacji dwóch zadań, na przykład:

• pracy części urządzeń na potrzeby centralnego ogrzewania i części – na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej albo
• pracy przez jedną pompę ciepła na potrzeby chłodzenia pomieszczeń, a przez drugą – na wygrzewanie zasobnika ciepłej wody.

Będzie to szczególnie przydatne w miejscach, gdzie równocześnie z dużym poborem wody użytkowej występują duże straty cieplne i praca urządzenia grzewczego tylko na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej spowoduje odczuwalny spadek temperatury w pomieszczeniach. Budynki o takich charakterystykach zapotrzebowania na ciepło to na przykład pensjonaty górskie, które przez umiejscowienie w zimnej strefie klimatycznej oraz dużą liczbę osób korzystających z wody użytkowej z pewnością zyskają na możliwości równoczesnego ogrzewania i podgrzewu c.w.u. Pensjonaty zajmowane przez turystów w sezonie letnim mogą natomiast korzystać z równoczesnego chłodzenia pomieszczeń oraz przygotowania c.w.u.

Jednak, aby mieć możliwość realizacji obu funkcji jednocześnie, nie można zapomnieć o odpowiednim montażu hydraulicznym urządzeń. Jednostka pracująca na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej powinna być zawsze zamontowana tak, aby powrót do niej był bliżej zasobnika ciepłej wody użytkowej, natomiast urządzenie pracujące na centralne ogrzewanie lub chłodzenie powinno mieć powrót bliżej zasobnika buforowego. Kolejnym elementem, o którym trzeba pamiętać, jest zawór przełączający na powrocie do urządzenia grzewczego, jeżeli jest ono wyposażone we wspólny powrót c.o. i c.w.u. Montaż takiego zaworu zapobiegnie mieszaniu się wody na powrocie z bufora i zasobnika ciepłej wody użytkowej, która w większości przypadków miałaby wyższą temperaturę, co powodowałoby wyłączanie pompy ciepła pracującej na ogrzewanie budynku.

Warto zauważyć, że w przypadku hoteli i pensjonatów moc grzewcza urządzeń najczęściej jest dobierana ze względu na wysokie zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową w okresie wakacyjnym, natomiast okres przejściowy oraz okres zimowy nie wymagają już tak dużej mocy, ponieważ zwykle budynek jest zamieszkiwany przez znacznie mniej osób, a czasem tylko przez dwójkę właścicieli. W takim przypadku, poza sezonem, może pracować tylko jedno urządzenie z kaskady składającej się z np. trzech pomp ciepła.

Urządzenia kaskadowe będą miały również zastosowanie w standardowych domach, w których inwestor planuje wybudować basen. Nowy budynek ze względu na wysoki standard energetyczny nie będzie potrzebował dużej mocy do ogrzewania i przez większość roku wystarczająca będzie jedna pompa ciepła, natomiast ze względu na basen będzie załączała się druga jednostka, aby utrzymać komfortową temperaturę w zbiorniku wodnym.

Niezawodność systemu. Do zalet rozwiązań kaskadowych trzeba również dodać niezawodność systemu. W przypadku instalacji składającej się z kilku urządzeń, awaria jednego nie spowoduje przerwy w dostawie ciepła, a jedynie zmniejszy maksymalną dostępną moc. W przypadku jednego urządzenia dużej mocy instalacja nie będzie tak dobrze zabezpieczona na wypadek usterek.

Zintegrowane, szczytowe elektryczne źródło ciepła. Kolejnym udogodnieniem związanym z układami kaskadowymi pomp ciepła jest zintegrowane, szczytowe elektryczne źródło ciepła, jeżeli zastosujemy pompy ciepła wyposażone w grzałki elektryczne. W przypadku wcześniej wspomnianych pomp ciepła Vitocal 200-S każde urządzenie ma wbudowaną trójstopniową grzałkę przepływową o maksymalnej mocy 9 kW, w związku z czym kaskada pięciu urządzeń, poza swoją mocą maksymalną wynikającą z pracy obiegu chłodniczego 58 kW, zapewnia dodatkowe 45 kW mocy z podgrzewaczy przepływowych.

Powietrzne pompy ciepła nie mogą być dobierane jako jedyne źródło ciepła dla obiektu, w związku z czym dodatkowa wytwornica ciepła jest szczególnie ważna. Ma ona za zadanie uruchomić się na wypadek spadku temperatury zewnętrznej poniżej zakresu pracy urządzenia. Dodatkowo, podstawą doboru powietrznej pompy ciepła jest założenie, że nie dobieramy urządzenia na pełne obciążenie, czyli zapotrzebowanie budynku przy temperaturze projektowej, która w naszym kraju wynosi od -16°C do -24°C w zależności od strefy klimatycznej. Urządzenia dobieramy na tak zwany punkt biwalentny, który powinien mieścić się w przedziale od -7°C do -12°C. Poniżej tej wartości powinno uruchomić się dodatkowe źródło ciepła, którym może być albo dodatkowy kocioł, albo właśnie zabudowana grzałka elektryczna. W przypadku zastosowania kaskady urządzeń wyposażonych w grzałki nie trzeba ani projektować, ani montować kolejnej wytwornicy ciepła.

Maksymalizacja współczynnika efektywności. W przypadku pomp ciepła renomowanych firm, z rozbudowaną automatyką, nad działaniem całego system czuwa algorytm, który maksymalizuje efektywność i ekonomikę pracy urządzeń. Najwyższy COP (współczynnik efektywności) dla pomp inwerterowych jest osiągany przy obciążeniu sprężarki w przedziale 40-60%. W związku z tym, przy kilku urządzeniach w kaskadzie, system nie będzie pozwalał na pracę jednej pompy ciepła przy obciążeniu 100% jej mocy maksymalnej, ponieważ to powoduje istotny spadek jej COP. W miarę możliwości system będzie więc uruchamiał kolejne jednostki, aby zbliżyć się do poziomu około 50% obciążenia. Spowoduje to maksymalizację współczynnika efektywności i zmniejszy roczne koszty eksploatacji instalacji grzewczej.

Dłuższa żywotność urządzeń. Kolejnym algorytmem przekładającym się w pozytywny sposób na pracę i żywotność urządzeń jest algorytm wyrównania pracy. Zasada jego działania opiera się na kontroli czasu pracy każdej ze sprężarek pomp ciepła i zmianie pompy ciepła, która uruchamia się jako pierwsza, jeżeli czas jej pracy odchyli się zbyt mocno od czasu pracy pozostałych. Przekłada się to na dłuższą żywotność całego systemu i zapobiega sytuacji, w której jedno urządzenie uruchamia się zawsze jako pierwsze i ma znacznie mocniej wyeksploatowaną sprężarkę niż reszta pomp ciepła w kaskadzie.

Instalacje z pompami ciepła dużej mocy
W obiektach, w których sumaryczna moc kaskady zbudowanej z kilku pomp ciepła do zastosowań domowych jest niewystarczająca, a dodatkowo na zasilaniu wymagany jest parametr będący poza zasięgiem wcześniej wspomnianych urządzeń, konieczne będzie wykorzystanie pompy ciepła dużej mocy. Moce takich pojedynczych jednostek dochodzą do kilkuset kilowatów, a kaskad z nich zbudowanych – nawet do kilku megawatów. Systemy z pompami ciepła dużej mocy znajdą zastosowanie w obiektach hotelowych, biurowych czy przemysłowych. Tak jak w przypadku zastosowań domowych, w ofercie urządzeń większej mocy mamy do wyboru pompy ciepła powietrzne i gruntowe.

! Ze względu na duże zapotrzebowanie na energię elektryczną, pompy ciepła będą świetnie korespondować z instalacją fotowoltaiczną, na co często decydują się inwestorzy. Duże tereny przy obiekcie bądź wolna powierzchnia na dachu fabryki idealnie nadadzą się pod panele fotowoltaiczne, które przynajmniej w części pokryją zapotrzebowanie na energię generowane przez pompy ciepła.

Powietrzne pompy ciepła. Przy wyborze powietrznych pomp ciepła dużej mocy koniecznie trzeba zwrócić uwagę na hałas, jaki będą generowały. Nowoczesne jednostki do zastosowań domowych charakteryzują się mocą akustyczną na poziomie 54-56 dB, natomiast moc akustyczna powietrznych pomp ciepła dużej mocy bardzo często przekracza 85 dB. Jest to spowodowane pracą wentylatorów, które przetłaczają bardzo dużą ilość powietrza w celu uzyskania odpowiednio wysokiej mocy jednostek. W związku z tym takie urządzenia są często montowane na dachach albo na zapleczach fabryk. Powszechnie stosowane są również ekrany wyciszające, które istotnie redukują ciśnienie akustyczne. Montaż jednostki zewnętrznej pompy ciepła dużej mocy pod oknami hotelowymi skutecznie zniechęciłby gości do ponownego przyjazdu.

Gruntowe pompy ciepła. Stosuje się je z dobrym skutkiem m.in. wykorzystując jako dolne źródło ciepło odzyskiwane z procesów technologicznych, np. z chłodzenia wtryskarek. Wysoki parametr w dolnym źródle przekłada się na bardzo wysokie wartości COP i pozwala na istotną redukcję kosztów związanych z podgrzewem ciepłej wody użytkowej, na którą w takich fabrykach jest bardzo duże zapotrzebowanie, np. ze względu na pracowników korzystających z natrysków.

Kolejnym zastosowaniem gruntowych pomp ciepła dużej mocy są budynki zabytkowe lub sakralne, gdy niedopuszczalne jest umieszczenie w pobliżu obiektu albo na dachu budynku powietrznych jednostek zaburzających architekturę. W takich przypadkach urządzenia będą zamontowane w pomieszczeniu technicznym, skąd nie będzie dochodził uporczywy hałas, a cała instalacja, wraz z odwiertami, będzie niewidoczna z zewnątrz.

Instalacje hybrydowe

Zarówno pompy ciepła do zastosowań domowych, kaskady tych urządzeń, jak i pompy ciepła o dużej mocy często montuje się razem z kotłowniami gazowymi, olejowymi lub na paliwa stałe. Może to wynikać z faktu, że w danym obiekcie jest już działająca kotłownia i nie jest zasadne jej rozmontowywanie. Jeżeli inwestor ma w budynku stosunkowo niedawno zakupiony kocioł, to może on służyć jako źródło szczytowe, a pompę ciepła można dobrać na trochę wyższy punkt biwalentny. Pozwoli to zmniejszyć koszty inwestycyjne oraz wykorzystywać kocioł, gdy efektywność powietrznej pompy ciepła będzie niska ze względu na spadek temperatury zewnętrznej.

Projektowanie systemu hybrydowego to powszechna praktyka również w przypadku, gdy występuje zapotrzebowanie na dużą moc grzewczą – dotyczy to szczególnie instalacji, w których przez cały rok potrzebna jest wysoka temperatura na zasilaniu, a jednym ze źródeł ciepła są powietrzne pompy ciepła. Powietrzne jednostki wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej tracą moc oraz zmniejsza się maksymalna temperatura czynnika grzewczego, jaką mogą wytworzyć. W takim przypadku pompę ciepła można dobrać tak, aby była w stanie odpowiednio wygrzać czynnik do wymaganej temperatury zewnętrznej około 0°C, co w Polsce pokryje i tak znaczną część sezonu grzewczego. Gdy temperatura na zewnątrz spadnie poniżej tej wartości, automatyka sterująca uruchomi kocioł, który pozwoli osiągnąć wymogi systemu grzewczego. Tak dobrane urządzenia znacząco zredukują koszty oraz zużycie paliwa dostarczanego do kotłowni.

W przypadku instalacji hybrydowych projektowanych od podstaw, możliwe jest uzyskanie doskonałych rezultatów: budynek, a nawet cały zespół budynków mogą się charakteryzować bardzo małą emisją lub być całkowicie bezemisyjne. Skojarzenie kilku źródeł do wytwarzania energii, zarówno grzewczej, jak i elektrycznej, oraz sterowanie nimi przez inteligentną automatykę pozwoli zapewnić zarówno niskie rachunki za ogrzewanie czy chłodzenie, jak i zminimalizować ślad węglowy. Taki system wychodziłby poza ramy instalacji generującej ciepło czy energię elektryczną – sterowałby również odbiorem energii i magazynował jej nadwyżki.

Jest to możliwe do wykonania poprzez skojarzone zastosowanie buforów ciepła oraz magazynów energii elektrycznej, która napędzałaby pompy ciepła. Do tej instalacji dodajmy również źródło „zielonej” energii elektrycznej w postaci farmy fotowoltaicznej ze świetnie współpracującą z nią turbiną wiatrową. Siłownia wiatrowa będzie produkowała energię w największym stopniu w okresie jesiennym oraz zimowym, kiedy instalacja fotowoltaiczna będzie generowała najmniejsze uzyski, co pozwoliłoby na stosowanie magazynów o mniejszej pojemności. Dostępna szybka komunikacja internetowa, inteligentne liczniki energii elektrycznej i cieplnej pozwoliłyby na efektywne zasilanie w ten sposób wielu budynków jednorodzinnych, a nawet całych osiedli mieszkaniowych. Niestety, obecnie, ze względu na słabo rozwiniętą sieć dystrybucyjną, ogólną niechęć do wykorzystywania przez dostawców energii inteligentnej aparatury pomiarowej oraz regulacje prawne, które niewystarczająco premiują nowoczesne, ekonomiczne i przede wszystkim ekologiczne rozwiązania OZE, na systemy tego typu w Polsce będziemy musieli jeszcze długo poczekać.

Coraz bardziej popularne i opłacalne...
Pompy ciepła od wielu lat zyskują na popularności, ale ostatnie podwyżki cen paliw oraz częste problemy z ich dostępnością jeszcze bardziej zwiększają na nie popyt. W obecnej sytuacji największymi beneficjentami modernizacji źródła ciepła przy wykorzystaniu pomp ciepła mogą okazać się przedsiębiorstwa, które nie są objęte ochroną przed wzrostem cen nośników energii lub rządowymi dofinansowaniami jak właściciele domów jednorodzinnych. Pompy ciepła pokryją zapotrzebowanie na energię cieplną (ale i chłód) od mniejszych pensjonatów – jako kaskady urządzeń niewielkiej mocy, po większe hotele – jako jednostki dużej mocy, aż po fabryki czy katedry – np. jako kaskady urządzeń przekraczające 1 MW mocy grzewczej. Ponadto, wszędzie tam, gdzie to możliwe, warto wyposażyć system w instalację fotowoltaiczną, co pozwoli na jeszcze większą redukcję kosztów, a tam, gdzie to konieczne, można zastosować dodatkowy kocioł jako źródło szczytowe.

Ze względu na rozwój technologii, dziś pompy ciepła można z powodzeniem stosować do większości systemów grzewczych i w ten sposób, przynajmniej częściowo, uniezależnić się od drastycznego wzrostu cen nośników energii i problemów z dostępnością paliw kopalnych.

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.