Kaskada pomp ciepła. W szeregu zbiórka…

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Pompa ciepła, która stosunkowo niedawno „wkroczyła” do naszego kraju, staje się coraz bardziej popularnym urządzeniem grzewczym wykorzystywanym do ogrzewania budynków i przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Wraz z rosnącą popularnością tych urządzeń stawia są przed nimi coraz większe wymagania. Dotyczy to ogrzewania dużych budynków, których nie jest w stanie (ze względów technicznych) ogrzać jedno, nawet największe, urządzenie tego typu. Rozwiązaniem dla takich potrzeb jest kaskada pomp ciepła.

Obecne kaskady osiągają moc ponad pół megawata i mogą ogrzewać budynki o powierzchni kilku tysięcy metrów kwadratowych. Budowa systemów grzewczych, opartych na kaskadach pomp ciepła, wymaga nowych rozwiązań projektowych, wykonawczych i eksploatacyjnych.

Największe pojedyncze pompy ciepła osiągają moc kilkudziesięciu kilowatów. Ograniczeniem budowy większych pomp jest tzw. efekt skali, który wraz ze wzrostem wielkości urządzenia piętrzy problemy projektowe, konstrukcyjne, a zwłaszcza technologiczne pomp.

Duży problem eksploatacyjny stwarza sama sprężarka, która pobiera około 1/4 energii elektrycznej w porównaniu do wydajności grzewczej pompy ciepła (przy współczynniku COP wynoszącym ok. 4). Pompa o mocy 80 kW pobiera w takim wypadku ok. 20 kW mocy elektrycznej. Częste uruchamianie urządzenia o takiej mocy, mimo stosowanych ograniczników prądu rozruchowego, może powodować niepożądane zakłócenia dla innych, np. elektronicznych, odbiorników prądu elektrycznego.

Duże pompy charakteryzują się też głośną pracą i pod tym względem powinny spełniać określone normatywne warunki. Tak więc wraz z wielkością pomp ciepła zwiększają się również problemy eksploatacyjne. Lepszym rozwiązaniem jest stosowanie kaskad zbudowanych z pomp o mniejszych mocach. Takie rozwiązania mają jeszcze wiele innych zalet.

Na polskim rynku jest kilka firm, które oferują pompy ciepła do pracy w kaskadach. Liczba pomp w kaskadzie uzależniona jest od możliwości zastosowanych urządzeń sterujących. Kaskady mogą być budowane z pomp tego samego typu, m.in.: solanka-woda, woda-woda i powietrze-woda. W takich rozwiązaniach kaskady pompa podłączona jest do jednego, odpowiednio dużego, dolnego źródła. Zasadą jest budowa kaskady z jednego typu pomp i tej samej mocy. W praktyce spotyka się jednak kaskady, w skład których wchodzą pompy różnych typów, które wykorzystują różne dolne źródła ciepła. Pompy do pracy w kaskadzie muszą być przystosowane pod względem możliwości ich wspólnego sterowania.

Znacznie bardziej złożonym zagadnieniem jest dobór dolnego źródła oraz rozwiązanie instalacji hydraulicznej górnego źródła, tj. instalacji centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Te zadania wykraczają poza standardowe zasady projektowania systemów grzewczych opartych na pompach ciepła. Nie ma jeszcze odpowiednio opracowanych i rozpowszechnionych przykładowych materiałów projektowych. Projektant takich instalacji jest skazany na własną inwencję i doświadczenie. Może też liczyć, często z pozytywnym skutkiem, na pomoc techniczną ze strony producenta lub dystrybutora pomp ciepła.

Źródła dla kaskady Podstawą działania kaskady pomp ciepła jest dolne źródło. Od niego wymaga się, by było odpowiednio wydajne i niezawodne w eksploatacji. Obowiązują tu standardowe zasady doboru dolnych źródeł, lecz ze względu na większe zapotrzebowanie ciepła często wykorzystuje się jednocześnie kilka różnych źródeł, np. grunt, wodę i powietrze, które są przyłączone indywidualnie do poszczególnych pomp w kaskadzie.

Najprostszym i bardzo skutecznym źródłem ciepła jest powietrze zewnętrzne lub tym bardziej wentylacyjne. Obecnie konstruowane pompy osiągają zadawalające sprawności energetyczne nawet przy powietrzu o temperaturze do -20oC. Ten typ dolnego źródła nie wymaga żadnych prac ziemnych. Jednak należy się liczyć z wyższymi kosztami zakupu tych pomp w porównaniu do pomp przeznaczonych do innych dolnych źródeł ciepła.

Pompy powietrze-woda występują na rynku w kilku wariantach: jako pompy jednoczęściowe wewnętrzne lub zewnętrzne lub jako pompy dwuczęściowe, które składają się z jednostki zewnętrznej (dolne źródło) i jednostki wewnętrznej (pompy ciepła). Pewnym ograniczeniem stosowania powietrznych pomp ciepła może być hałas, jaki jest wytwarzany przez wentylator w dolnym źródle zarówno pomp wewnętrznych, jak i zewnętrznych.

Sterowanie kaskadą Sterowanie kaskadą pomp odbywa się według ściśle określonych zasad. Pierwsza pompa ciepła w kaskadzie pracuje w trybie „master” jako nadrzędna i steruje pozostałymi pompami ustawionymi w tryb „slave” (podrzędne). Czujniki temperatury kontrolujące pracę systemu podłączone są do nadrzędnej pompy ciepła. Komunikacja pomiędzy wszystkimi urządzeniami w kaskadzie pomp odbywa się najczęściej poprzez magistralę cyfrową. Głównym elementem sterowania kaskadą pomp ciepła jest regulator. Od jego możliwości sterowania zależy liczba możliwych pomp ciepła w kaskadzie. Obecnie na rynku dostępne są regulatory dopasowane przez producentów do własnych pomp ciepła, które umożliwiają sterowanie kaskadą składającą się nawet z dziewięciu pomp.

W momencie uruchomienia się nadrzędnej pompy ciepła w jej układzie sterującym włącza się zegar, który odlicza czas do włączenia drugiej pompy ciepła, w przypadku gdy nie zostaną osiągnięte odpowiednie parametry grzewcze, np. kiedy w określonym czasie nie nastąpi przewidywany wzrost temperatury wody w buforze. Czas ten ma konkretną wartość i jest z góry ustawiony przez producenta pomp. Może on być korygowany przez obsługę serwisową. Na podobnej zasadzie odbywa się włączanie kolejnych pomp ciepła.

Na rysunku pokazano przykładowy, uproszczony schemat domowej instalacji hydraulicznej z kaskadą dwóch pomp ciepła. Pompy dostarczają ciepło do podłogowych obiegów grzewczych. W celu zabezpieczenia potrzebnej ilości ciepła i ciągłości jego dostaw do obiegów oraz zoptymalizowania pracy samych pomp ciepła instalację wyposażono w bufor wody grzewczej, który jednocześnie pełni rolę magazynu ciepła.

Układ kaskadowy pomp ciepła ma podobne zalety eksploatacyjne jak kaskada kotłów. Kaskada pomp tworzy wielostopniowe źródło ciepła i może być elastycznie wykorzystywana w zależności od potrzeb grzewczych. W przypadku awarii lub wyłączenia na określony czas, np. serwisowania, jednej z pomp, pozostałe mogą pracować. Takie rozwiązanie zapewnia ciągłość pracy systemu w czasie całego sezonu grzewczego.

dr inż. Jan Siedlaczek

Rys. Schemat instalacji hydraulicznej z kaskadą dwóch pomp ciepła.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij