Elementy układu hydraulicznego instalacji z pompą ciepła

Jest to drugi artykuł z serii o tematyce rozwiązań hydraulicznych pomp ciepła. W poprzednim artykule tej serii omawiane były elementy składowe układu dolnego źródła pompy ciepła typu solanka/woda.

Dla instalacji z pompą ciepła większość omawianych poprzednio elementów, jak również logika ich pracy i zasadność zastosowania, będą wspólne. Znacznie większa różnorodność rozwiązań hydraulicznych występuje w instalacji górnego źródła ciepła, czyli po stronie c.o. oraz c.w.u. Aby nie utonąć w omawianiu licznych rozwiązań, koncentrując się na ich zaletach czy też wadach, postaram się skoncentrować w tym artykule głównie na jednym, stosunkowo popularnym rozwiązaniu, a w kolejnych artykułach na jego bazie postaram się przybliżyć układy bardziej rozbudowane.

Jak już poprzednio wspominałem, system pompy ciepła składa się z trzech połączonych ze sobą elementów: pompy ciepła, dolnego źródła i górnego źródła. Na schemacie układ górnego źródła ciepła podłączony jest do pompy ciepła od lewej strony. Pokazane jest również elektryczne podłączenie wszystkich elementów wykonawczych (pompy, grzałka, sterownik pomieszczenia) oraz pomiarowych (czujniki) do automatyki pompy ciepła. Jest to ważne, aby zastosować układ sterowania, który będzie łączył sterowanie dolnym i górnym źródłem oraz pracą pompy ciepła. Pozwoli to na pełną optymalizację pracy całego systemu i wyeliminuje potencjalne konflikty w algorytmach pracy dodatkowych układów sterowania.

Schemat hydrauliczny pompy ciepła typu solanka/woda

Rys. 1. Schemat hydrauliczny pompy ciepła typu solanka/woda. Ogrzewanie oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

Podgrzewanie c.w.u.

W omawianym rozwiązaniu pompa ciepła zasila dwa odbiorniki ciepła. Są nimi ciepła woda użytkowa oraz pojedynczy układ grzewczy. Omówię pierwszy z nich, czyli podgrzewanie ciepłej wody użytkowej. Oba odbiorniki są podłączone do pompy ciepła w sposób równoległy. Takie rozwiązanie jest w większości przypadków najlepsze, gdyż pozwala odseparować odbiornik wysokotemperaturowy (c.w.u.) od odbiornika niskotemperaturowego (c.o.).

W budownictwie mieszkaniowym doświadczenie pokazuje, iż czas pracy pompy ciepła w trybie przygotowania ciepłej wody użytkowej oscyluje w granicach 10-20%, natomiast 80% czasu pracy wykorzystuje się do grzania obiektu. Dzięki takiemu rozwiązaniu, kiedy jest to konieczne, pompa ciepła przełącza się w bezwzględnym priorytecie w tryb przygotowania ciepłej wody użytkowej, w tym czasie pompy obiegowe układu centralnego ogrzewania nie pracują, a cała energia wytworzona przez pompę ciepła jest przekazywana do zasobnika c.w.u. (WWSP).

Dzięki priorytetowi c.w.u. koszty eksploatacji są możliwie najniższe z uwagi na fakt, iż wysoki parametr grzewczy jest wykorzystywany tylko przez możliwie najkrótszy czas pracy, a także gwarantuje w każdych warunkach wysoki komfort ciepłej wody użytkowej. Rozdział energii pomiędzy odbiornikami ciepła realizowany jest przez dwie niezależne pompy obiegowe, M16 (ogrzewanie) oraz M18 (ciepła woda użytkowa).

W układzie dwóch pomp obiegowych niezbędne jest zastosowanie zaworów zwrotnych (KR) – bez nich przy pracy jednego odbiornika następuje rozbiór energii z odbiornika niepracującego. Stosuje się również układy z wykorzystaniem jednej pompy ładującej i wspólnego zaworu trzydrogowego sterowanego siłownikiem. Jest to również poprawny układ, niemniej jednak w przypadku dwóch pomp obiegowych istnieje prosta możliwość regulacji hydraulicznej przepływu różnego przy pracy na c.o. i przepływu różnego przy pracy na c.w.u.

W związku z faktem, iż przy pracy na ciepłą wodę użytkową opory hydrauliczne układu oraz wymagany przepływ są znacząco wyższe, może się okazać, iż pompa obiegowa do ładowania zasobnika c.w.u. powinna mieć większą wydajność. Jeżeli chodzi o sam zasobnik c.w.u., to możemy spotkać się aktualnie z zasobnikami, gdzie wymiennikiem ciepła jest wężownica w zasobniku i jest to właściwie najbardziej popularne rozwiązanie, spotyka się również zasobniki dwupłaszczowe lub systemy z pośrednim wymiennikiem ciepła.

Każdorazowo ważne jest, aby oprócz odpowiedniej pojemności również powierzchnia wymiany zastosowanego wymiennika ciepła była właściwa. Jeżeli wymiennik jest niedowymiarowany, to temperatura ciepłej wody, którą uda nam się uzyskać w zasobniku, będzie zbyt niska. Każdorazowo można sprawdzić, czy proponowany przez nas zasobnik c.w.u. posiada wężownicę o odpowiednich wymiarach, chodzi głównie o powierzchnię wymiany ciepła mierzoną w m², wzór na oszacowanie wymaganej powierzchni wymiany przedstawia się następująco:

A = Q/(k * Δt) [m2],

gdzie:

A – powierzchnia wymiany ciepła wyrażona w m²

Q – moc grzewcza pompy ciepła wyrażona w kW

k – współczynnik przenikania ciepła wyrażony w kW/(m²*K)

dla stali emaliowanej = 0,4

dla stali nierdzewnej = 0,7

Δt – różnica temperatur pomiędzy temperaturą w wężownicy a temperaturą w zasobniku c.w.u. [K]

Dla przykładu przyjrzyjmy się pompie ciepła o mocy 11 kW. Niech temperatura zasilania pompy ciepła wynosi 60oC, a temperatury zasobnika 50oC:

Powierzchnia wymiany ciepła wyniesie więc:

A = 11/(0,4 * 10) = 2,75 m2

Widzimy więc, że standardowy zasobnik c.w.u., który w zupełności sprawdza się przy podłączeniu np. kotła stałopalnego, może nie nadawać się do zastosowania z pompą ciepła nawet o dużo mniejszej mocy grzewczej, właśnie z uwagi na zbyt niską powierzchnię wymiany ciepła. Dobrą praktyką jest stosowanie wężownic o powierzchni wymiany ciepła na poziomie 0,25-0,3 m² na 1 kW mocy grzewczej pompy ciepła.

Pamiętajmy, iż możliwa do osiągnięcia temperatura w zasobniku jest zależna od mocy grzewczej pompy ciepła oraz od jej temperatury zasilania. Moc grzewcza będzie zależeć od temperatury dolnego źródła ciepła, która zmienia się w zależności od pory roku i zimą naturalne jest, kiedy w dolnym źródle będzie około 0°C, natomiast przy kolektorze płaskim latem temperatury dochodzą do nawet do 20°C. Zależność tę obrazują wykresy przykładowego zasobnika c.w.u. stosowanego z pompami ciepła.

Charakterystyki pracy zasobnika c.w.u.

Wykres. Charakterystyki pracy zasobnika c.w.u. zoptymalizowanego do współpracy z pompą ciepła. Zależność możliwej do osiągnięcia temperatury w zasobniku (temp. kumulacyjnej) w stosunku do mocy grzewczej pompy ciepła oraz przepływu czynnika grzewczego. Dwie temperatury zasilania.

Nie za zimno, nie za ciepło…

Regulacja temperatury w zasobniku odbywa się poprzez czujnik temperatury (R3) podłączony do automatyki pompy ciepła. Nastawiona temperatura c.w.u. powinna być obarczona histerezą zadziałania np. 5 K. Dla przykładu nastawiona temperatura ciepłej wody wynosi 45°C, a histereza 5 K. W momencie spadku temperatury w zasobniku o 5 K pompa ciepła przełącza się w tryb podgrzania c.w.u. i pracuje w tym trybie aż do osiągnięcia temperatury 45°C w zasobniku.

Zasobnik jest również wyposażony w grzałkę elektryczną (E9), która może zostać wykorzystana do osiągania wyższych temperatur w zasobniku lub do przeprowadzania procesu termicznej dezynfekcji zasobnika.

Układ jest także wyposażony w pompę cyrkulacji c.w.u. (M24), która bezwzględnie powinna zostać wyposażona w układ sterowania czasowego lub według aktualnego zapotrzebowania, aby ograniczyć straty ciepła na przewodach dystrybucyjnych. Zbiornik, co nie jest pokazane na omawianym schemacie, powinien również posiadać ochronę antykorozyjną w postaci anody magnezowej lub tytanowej, sprawdzanej okresowo i dobranej do jakości wody użytkowej.

Przemysław Radzikiewicz

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