W poprzedniej części cyklu*, przedstawiłem najważniejsze kwestie z punktu widzenia ekonomiki pracy pompy ciepła w układach modernizowanych. Bezsprzecznie, opłacalność układu z pompą ciepła jest kluczowa dla takiej inwestycji i bez tego jej montaż w budynku mija się z celem. Nie możemy jednak zapomnieć o zapewnieniu odpowiednich warunków pracy pompy ciepła, aby ta mogła funkcjonować bezawaryjnie.

Zabezpieczenie pracy układu chłodniczego
Sercem pompy ciepła jest układ chłodniczy. To właśnie za jego pośrednictwem przekazywane jest ciepło z dolnego źródła ciepła do instalacji grzewczej. Ogrzanie wody w instalacji do temperatury kilkudziesięciu stopni, gdy bazuje się na dolnym źródle w postaci gruntu czy powietrza atmosferycznego, jest nie lada wyczynem. Nie wdając się w szczegóły procesów termodynamicznych zachodzących w układzie chłodniczym, aby zapewnić odpowiednie warunki pracy pompy ciepła współpracującej z instalacją w budynku, musimy przestrzegać kilku kluczowych zaleceń: 

• wartości temperatury dolnego i górnego źródła ciepła muszą mieścić się w zakresie koperty pracy sprężarki pompy ciepła; długotrwała praca z temperaturami znajdującymi się przy brzegu koperty pracy sprężarki jest niekorzystna dla urządzenia i skraca jego żywotność;
• musi być zagwarantowany odbiór ciepła z układu chłodniczego, konieczne jest więc zapewnienie odpowiedniego przepływu wody przez skraplacz; niezapewnienie odbioru ciepła będzie prowadziło do wejścia pompy ciepła w tryb awarii; pamiętajmy też, że przepływ wpływa na efektywność pracy pompy ciepła;
• sprężarka pompy ciepła powinna mieć zapewnione minimalne czasy pracy; zbyt krótkie czasy pracy wpływają na jej szybkie zużycie;
• w przypadku pomp ciepła typu powietrze-woda, trzeba zapewnić w systemie wymaganą ilość energii w celu przeprowadzenia procesu odszraniania parownika.

! Ważną kwestią jest tryb pracy sprężarki pompy ciepła – czy pracuje ona w trybie włącz/wyłącz, czy też jest sterowana przez inwerter i dzięki temu płynnie dostosowuje swoją aktualną moc do potrzeb. W pierwszym przypadku spełnienie powyższych wymagań jest trudniejsze, ponieważ pod uwagę musi być wzięta maksymalna moc grzewcza pompy ciepła. W odniesieniu do inwerterowych pomp ciepła należy zapewnić odpowiednie warunki pracy tylko dla mocy częściowej urządzenia.

Kolejnym istotnym aspektem, który determinuje rozwiązania podczas modernizacji źródła ciepła, jest specyfika istniejącej instalacji. Instalacje grzewcze w starszych budynkach zazwyczaj bazują na grzejnikach. Takie instalacje charakteryzują się małą pojemnością wodną oraz pracą na niskich przepływach, dlatego nie są w stanie zapewnić odpowiednich warunków pracy pompy ciepła. Jeśli nie przeprowadzi się gruntownej (i przemyślanej) modernizacji instalacji, konieczne będzie zastosowanie zbiornika buforowego.

Zbiornik buforowy a praca pompy ciepła
Właściwie dobrany zbiornik buforowy, przez zwiększenie pojemności wodnej instalacji, zapewnia odpowiednie czasy pracy sprężarki, optymalizuje zakres pracy sprężarki inwerterowej, a w przypadku powietrznych pomp ciepła – stanowi magazyn energii na proces odszraniania. Można więc powiedzieć, że stosowanie zbiornika buforowego wydłuża żywotność pompy ciepła.
Pozostałe następstwa stosowania zbiornika buforowego w instalacji wynikają z tego, w jaki sposób zbiornik ten zostanie podłączony. W praktyce stosuje się dwa sposoby podłączenia zbiornika buforowego: szeregowe (rys. 1a) oraz równoległe (rys. 1b).

Podłączenie szeregowe zbiornika buforowego. Może być wykorzystane przede wszystkim w instalacjach z bezpośrednim obiegiem grzewczym (rys. 1a), a głównym zadaniem zbiornika buforowego w takim podłączeniu jest zwiększenie zładu instalacji. Aby zapewnić odpowiedni przepływ dla pompy ciepła, konieczne jest stosowanie zaworu nadmiarowo-upustowego. W przypadku zamknięcia zaworów przy odbiornikach ciepła, na skutek wzrostu ciśnienia, zawór otworzy się, kierując część przepływu przez spinkę pomiędzy przewodem zasilającym i powrotnym. Należy podkreślić, że dokonanie właściwej nastawy zaworu jest tutaj kluczowe.
Dużą zaletą podłączenia szeregowego jest utrzymanie dokładnie tej samej temperatury zasilania obiegu grzewczego, z jaką pracuje pompa ciepła.

Podłączenie równoległe zbiornika buforowego. Z punktu widzenia pracy pompy ciepła, podłączenie równoległe (rys. 1b) jest najbezpieczniejszym rozwiązaniem. W tym przypadku zbiornik buforowy nie tylko zwiększa pojemność instalacji, ale też stanowi hydrauliczny rozdział pomiędzy instalacją grzewczą a źródłem ciepła. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie większej liczby obiegów grzewczych, ale jednocześnie nawet pojedynczy obieg grzewczy musi być wyposażony w pompę obiegową. Dużą korzyścią rozpatrywanego podłączenia jest niezaburzony dostęp pompy ciepła do przestrzeni zbiornika buforowego i pełna niezależność co do przepływów po stornie pierwotnej i wtórnej. Trzeba tutaj jednak wyraźnie zaznaczyć, że przepływ po stronie wtórnej nie powinien być większy niż po stronie pierwotnej. Będzie to prowadziło do obniżenia temperatury zasilania instalacji na skutek pobierania na zasilenie części wody z dolnej części zbiornika. Trzeba więc z rozsądkiem ustawiać zakres pracy pomp obiegowych. Więcej, nie zawsze znaczy lepiej.

Główną wadą podłączenia równoległego jest mieszanie się wody w zbiorniku. Dlatego temperatura wypływu na instalację jest niższa niż temperatura zasilania ze źródła ciepła. Powiązane jest to z efektem niepełnego uwarstwienia zbiornika. Intensywność zachodzenia tego zjawiska jest zależna od prędkości, z jaką woda wpływa do przestrzeni zbiornika – im wyższa jest prędkość, tym mieszanie jest bardziej intensywne. Aby zapewnić odpowiednie uwarstwienie zbiornika buforowego, a więc ograniczyć mieszanie, należy dobrać zbiornik z odpowiednią średnicą króćców przyłączeniowych. Prędkość przepływu na króćcach nie powinna być absolutnie wyższa niż 1,5 m/s, a zaleca się nieprzekraczanie prędkości wynoszącej 1 m/s.

Na rynku można spotkać zbiorniki buforowe, które przez odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne zmniejszają stratę temperatury – przez ograniczenie bądź nawet eliminowanie mieszania się stref zbiornika (rys. 2).

Można również spotkać rozwiązania ze zbiornikiem podłączonym szeregowo z pompą ciepła, natomiast cały ten układ jest podłączony równolegle z instalacją grzewczą – przez stosowanie dodatkowej separacji hydraulicznej, np. rozdzielacza bezciśnieniowego. Jest to układ eliminujący wady typowych podłączeń, jednak powinno się go stosować w przypadku dopuszczenia takiego rozwiązania przez producenta pompy ciepła.

Dobór zbiornika buforowego
Niezależnie od sposobu montażu, kluczowe jest dobranie pojemności zbiornika buforowego. Pierwszym punktem jest wyznaczenie ilości energii, którą zbiornik będzie musiał przejąć od pompy ciepła w określonym czasie. Do wyznaczenia ilości energii możemy posłużyć się następującym wzorem:

gdzie:
Q_min – minimalna ilość energii, która musi być odebrana przez zbiornik buforowy [kWh],
Q_PC – maksymalna moc, z jaką pompa ciepła może pracować [kW],
t – zalecany minimalny czas pracy pompy ciepła [min].

Następnie, przyjmując gęstość wody jako 1000 kg\m³, objętość możemy policzyć ze wzoru:

gdzie:
V_min – minimalna pojemność zbiornika buforowego [dm³],
c_p – ciepło właściwe wody, cp = 4,19 kJ/(kg · K),
ΔT – histereza załączenia pompy ciepła [K].

Interpretując powyższe równania, można wyciągnąć wniosek, że pojemność zbiornika zależy od wytycznych producenta sprężarki, ale też od algorytmu pracy pompy ciepła. Z tego względu najlepiej jest skontaktować się z producentem pompy ciepła, który z pewnością ma takie wytyczne przygotowane. Zazwyczaj są to wskaźniki zależne od mocy układu chłodniczego, zwykle 20 dm³/kW lub 10% obliczeniowego, godzinowego przepływu przez pompę ciepła. W przypadku pomp ze sprężarką inwerterową to producent określa minimalny zład wody do zapewniania odpowiednich warunków pracy.

Czy zbiornik buforowy może być za duży?
Z punktu widzenia pompy ciepła teoretycznie zbiornik nie może być za duży – długie czasy pracy nie są tu problemem, ponieważ po załadowaniu zbiornika będziemy mogli liczyć na długą przerwę w pracy pompy ciepła podczas rozładowywania zbiornika buforowego.

Problemy mogą się jednak pojawić podczas eksploatacji instalacji. Pompa ciepła na dogrzanie dużego zbiornika do temperatury roboczej potrzebuje dużo czasu. Bardzo prawdopodobne jest wystąpienie sytuacji, że na instalację nie wypłynie woda o temperaturze zadanej, ponieważ pompa ciepła nie zdąży jej dogrzać. Skutkować to będzie niedogrzaniem pomieszczeń, a pompa ciepła wyposażona w dodatkowe źródło ciepła zapewne wykorzysta je do szybszego osiągnięcia temperatury roboczej.

Z taką sytuacją można się spotkać w przypadku modernizacji instalacji z kotłem na paliwo stałe, kiedy mamy okazję wykorzystać istniejący zbiornik buforowy. Duża część zbiorników buforowych ma również króćce w środkowej części, które można wykorzystać do podłączenia pompy ciepła. W taki sposób zmniejszymy objętość zbiornika, na której pracuje pompa. Przy takim układzie należy uważać na osiąganie wysokich temperatur w zbiorniku buforowym, które są naturalne dla kotła na paliwo stałe. Kiedy na powrót pompy ciepła trafi temperatura niższa o mniej niż 5 K niż jej aktualna maksymalna temperatura pracy, układ chłodniczy nie będzie w stanie pracować.

Praca pompy ciepła na cele c.w.u – zasobnik ciepłej wody
W kontekście zabezpieczenia pracy układu chłodniczego w przypadku pracy pompy ciepła na cele przygotowania c.w.u., sytuacja wygląda podobnie jak przy pracy na cele c.o. Jeżeli c.w.u. ma być ogrzewana przez pompę ciepła, zasobnik ciepłej wody należy wymienić na taki, który jest dedykowany do pracy z pompami ciepła. Ze względu na stosunkowo niską temperaturę pracy pompy ciepła, wymienniki zabudowane w tradycyjnych zbiornikach nie są w stanie przekazać mocy grzewczej pompy ciepła, co prowadzi do wejścia pompy w tryb awaryjny ze względu na wzrost ciśnienia w układzie chłodniczym.

Moc wężownicy jest zmienna w zależności od parametrów temperaturowych wody zasilającej oraz wody w zbiorniku. Im wyższa jest różnica temperatury, tym większa jest moc wężownicy. Aby zapewnić optymalne warunki pracy:

• powierzchnia wymiany ciepła wężownicy emaliowanej powinna wynosić nie mniej niż 0,30 m²/kW;
• w przypadku wężownicy ze stali nierdzewnej może być przyjęty wskaźnik 0,20 m²/kW.

Powierzchnię wężownicy powinno się wyznaczać dla oczekiwanej mocy ładowania c.w.u, przy czym moc ta musi być wyższa od minimalnej mocy pompy ciepła (rozpatrując jej pracę na przestrzeni całego roku) – zwłaszcza przy jednostopniowych pompach powietrznych, których minimalna moc grzewcza latem jest wysoka, a wężownica musi zapewnić odbiór tej mocy. W celu zapewnienia odpowiedniego czasu pracy sprężarki, pojemność zasobnika nie powinna być mniejsza niż 15 dm³/kW.

Dostosowanie instalacji grzewczej
Przy modernizacji źródła ciepła nie można zapomnieć o jakości wody instalacyjnej oraz o doprowadzeniu samej instalacji do stanu akceptowalnego z punktu widzenia eksploatacji pompy ciepła. Jeżeli mamy do czynienia z instalacją 30-40-letnią, warto rozważyć jej wymianę. Nową instalację należy zoptymalizować pod kątem współpracy z pompą ciepła.

Jeżeli instalacja nie podlega modernizacji, należy ją dokładnie wypłukać, najlepiej przy użyciu środków chemicznych. Czasem po wypłukaniu osadów zalegających w instalacji występują w niej przecieki w miejscach częściowo skorodowanych – w przypadku instalacji w złym stanie trzeba rozważyć jej wymianę. Jeśli instalacja jest szczelna, po wypłukaniu należy napełnić ją wodą o jakości odpowiedniej dla wszystkich źródeł ciepła w układzie (wymagania co do jakości wody są podawane przed producentów w instrukcjach montażu urządzeń).

Należy dbać o czystość wody instalacyjnej również w czasie eksploatacji urządzenia. Dobrą praktyką jest montaż filtroodmulnika magnetycznego na powrocie z instalacji, a filtr siatkowy stanowi nieodzowne minimum. Warto również zamontować zawory spustowe na przyłączach pompy ciepła, które umożliwią czyszczenie wymiennika bez demontażu instalacji. W przypadku pomp powietrznych nie możemy zapomnieć o czyszczeniu parownika, przecież to właśnie za jego pośrednictwem pompa ciepła czerpie ciepło z otoczenia.

! Zabrudzenia skraplacza i parownika zmniejszają ich powierzchnię wymiany ciepła. To z kolei prowadzi do zaburzeń wymiany ciepła z układem chłodniczym, zmniejszając moc oraz sprawność pompy ciepła. Takie zaniedbania będą skutkowały niedogrzaniem pomieszczeń lub zwiększeniem udziału pracy dodatkowego źródła, a w końcu awaryjną pracą urządzenia.

Kolejną rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, są przepływy w instalacji. Pompa ciepła pracuje na różnicy temperatur znacznie mniejszej niż kotły. Zakładając, że schłodzenie jest czterokrotnie mniejsze, to przepływ przy tej samej mocy zadanej musi być czterokrotnie większy. Szczególną uwagę należy zwrócić na średnice rur i armatury stosowane w obiegu pierwotnym instalacji.

Ponadto, przy modernizacji instalacji otwartych konieczne jest zamknięcie układu. Rozwiązanie z pośrednim wymiennikiem płytowym nie jest zalecane. Każdy tego rodzaju element to wymuszenie wyższej temperatury pracy pompy ciepła, a więc też podniesienie kosztów eksploatacyjnych.

Ustalenie punktu biwalentnego przy różnych źródłach ciepła
W przypadku pozostawienia dotychczasowego źródła ciepła jako szczytowego oraz gdy jest to w pełni automatyczne źródło ciepła, np. kocioł gazowy, dobór mocy pompy ciepła powinien być przeprowadzony z uwzględnieniem kosztów eksploatacyjnych obu źródeł. Przy czym warto wybierać pompy ciepła mające funkcję porównującą koszty pracy dwóch źródeł ciepła w czasie rzeczywistym i uruchamiającej to źródło ciepła, które jest tańsze w danych warunkach temperaturowych.

Dla pompy ciepła jednosprężarkowej, pracującej trybie on/off, punkt biwalentny powinien być podyktowany relacją COP, ceną eksploatacji obecnego źródła ciepła oraz ceną energii elektrycznej. Nie ma potrzeby eksploatacji pompy ciepła, jeżeli dysponujemy tańszym źródłem energii. Z kolei dla pompy ciepła inwerterowej, ze względu na zmianę COP w zależności od obciążenia układu, dobór punktu biwalentnego powinien być przeprowadzony jakby źródłem szczytowym była energia elektryczna. W poprzednich dwóch artykułach naszego cyklu („PI” 3/2022 i 4-5/2022) opisywałem następstwa doboru zbyt małej mocy inwerterowej pompy ciepła.

Jeżeli w instalacji w budynku pozostaje drugie, nieautomatyczne źródło ciepła, pompę ciepła należy dobrać jakby była samodzielnym źródłem energii pracującym w trybie monoenegetycznym. Inwestor może bardzo szybko się przyzwyczaić do wygody korzystania z automatycznego źródła ciepła, a praca wykonywana dotychczas przy kotle na paliwo stałe może mu się wydać nieuzasadniona. Warto też zauważyć, że takie instalacje są trudne w realizacji pod względem technicznym ze względu na dużą różnicę zalecanych temperatur zasilania dla obu źródeł. W przypadku stosowania pomp ciepła typu powietrze-woda, moc grzałki elektrycznej powinna móc pokryć blisko 100% zapotrzebowania budynku. Przy wysokich parametrach pracy, np. 55/45°C i maksymalnej temperaturze pracy pompy ciepła wynoszącej 45°C, gdy na zewnątrz panuje temperatura -20°C, układ chłodniczy nie będzie w stanie włączyć się do pracy.

Ostatnie miesiące pokazały nam, jak bardzo mogą się zmienić ceny nośników energii w stosunkowo krótkim czasie. Patrząc w przyszłość, warto mieć alternatywę i dobrać pompę ciepła w taki sposób, aby mogła sprawdzić się również jako monoenergetyczne źródło ciepła dla budynku.

Podsumowanie
Niezależnie od tego, czy rozpatrujemy budynek modernizowany, czy całkowicie nowy, dobór pompy ciepła wymaga wnikliwej analizy na każdym etapie procesu inwestycyjnego. Właściwy dobór urządzenia wymaga zebrania podstawowych, ale jednak kluczowych informacji o budynku. Potem dane te trzeba w odpowiedni sposób zinterpretować i poprawnie dobrać urządzenie. Należy zaplanować instalację grzewczą, aby mogła dostarczyć odpowiednią ilość ciepła ze źródła ciepła, zwracając szczególną uwagę na zgodność układu hydraulicznego z wytycznymi producenta oraz na średnice armatury oraz rurarzu.

Następnie, na etapie instalowania urządzenia, jak też budowy instalacji, trzeba mieć na względzie zachowanie spójności z wcześniej przygotowaną dokumentacją. Podczas uruchomienia instalacji należy wprowadzić w życie wcześniejsze ustalenia co do parametrów i sposobu pracy układu. Nie można również zapomnieć o sumiennym serwisowaniu źródła ciepła i instalacji.

Błąd popełniony na którymkolwiek etapie, będzie wpływał na efekt końcowy. Nic nam nie da świetnie wykonana instalacja, skoro na etapie doboru urządzenia jego moc została zaniżona o 20%.

! Jeżeli oczekujemy niezawodnej i ekonomicznej pracy pompy ciepła przez lata, proces inwestycyjny musi być przeprowadzony z należytą starannością na każdym z etapów. Nie ma drogi na skróty.

Pierwsza część cyklu jest dostępna na stronie: https://www.polskiinstalator.com.pl