Pompa ciepła – podstawowe elementy układu hydraulicznego

Decydując się na przedstawienie Państwu serii artykułów omawiających zagadnienia układów hydraulicznych z wykorzystaniem pomp ciepła, przyświecała mi idea, aby rzeczowo i w możliwie szczegółowy sposób przybliżyć elementy popularnych rozwiązań i szczególnie zwrócić uwagę na same składowe, które dopiero razem tworzą jedną całość.

Często zdarza nam się próbować przedstawić jak najwięcej informacji w możliwie krótkim czasie, co w konsekwencji prowadzi do pominięcia wielu istotnych szczegółów decydujących właśnie o prawidłowym funkcjonowaniu całości danego rozwiązania. Dzięki serii mogę sobie pozwolić na rzeczowe, nieśpieszne omawianie kolejnych składowych całego systemu.

Mając już za sobą omówienie elementów dolnego źródła pompy ciepła oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, aktualnie w trzecim już artykule chciałbym się z Państwem podzielić omówieniem kwestii, która bardzo często podczas szkoleń i rozmów indywidualnych z branżystami budzi wiele emocji. Chodzi mianowicie o podłączenie, a może przede wszystkim wykorzystanie zasobnika buforowego centralnego ogrzewania. W tej sprawie chciałbym się konsekwentnie odwoływać do omawianego już od początku tej serii układu hydraulicznego przedstawionego na rysunku 1.

Schemat hydrauliczny pompy ciepła typu solanka/woda. Ogrzewania oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

Rys. 1. Schemat hydrauliczny pompy ciepła typu solanka/woda. Ogrzewania oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Zaawansowane podłączenie szeregowe zasobnika buforowego.

 

Czy jest to konieczne?

Na samym początku rozważania należałoby zadać pytanie, dlaczego, a może nawet – czy konieczne jest stosowanie zasobnika buforowego w połączeniu z pompą ciepła? Otóż odpowiedź na to pytanie nie jest jednoznaczna, a wynika to z faktu, iż rozwiązania hydrauliczne nie w każdym obiekcie są takie same. Oczywiście zasada działania pompy ciepła oraz jej wymaganie są niezmienne i tak naprawdę co do zasady nie zależą od mocy grzewczej urządzenia, producenta czy konkretnej instalacji, w której jest zastosowana.

Pompa ciepła posiada swoje wymagania niezależne od czynników zewnętrznych, które musimy spełnić, gdyż w przeciwnym wypadku takie rozwiązanie będzie nastręczać nam więcej problemów niż przynosić ewentualnych korzyści. Mimo że zbiornik c.o. nazywamy buforem, nie pełni on zawsze stricte roli bufora energii. Jego wymagana pojemność minimalna powinna zostać dobrana tak, aby w każdych warunkach hydraulicznych zapewnić minimalny czas pracy sprężarki.

W związku z tym pojemność ta jest ściśle uzależniona od mocy grzewczej urządzenia. Układ hydrauliczny oraz automatyka sterująca powinny być tak zaprojektowane, aby w jak najwyższym stopniu ograniczyć niepotrzebne załączenia się pompy, a z drugiej strony, kiedy dojdzie już do załączenia się sprężarki, jej czas pracy powinien wynosić co najmniej 6 minut. Aby zapewnić minimalny czas pracy sprężarki, możemy wykorzystać zasobnik buforowy dobrany na czas 6 minut pracy, co daje w konsekwencji pojemność 10% minimalnie wymaganego przepływu (6 min to 10% godziny).

I tak dla przykładu: dla pompy ciepła o mocy 10 kW wymagany minimalny przepływ powinien wynosić około 1000 l/h, z czego 10% to 100 l, czyli bufor powinien mieć minimalną pojemność 100 litrów. W układach pompa ciepła, gdzie zainstalowane są dwie lub więcej sprężarek, bufor powinien zostać dobrany do przepływu wymaganego do pracy urządzenia na jednej sprężarce, gdyż kolejne stopnie mocy powinny zostać załączane nie do wygrzewania samego bufora, ale w przypadku wystąpienia rzeczywistego zwiększenia zapotrzebowania na ciepło w budynku.

Tutaj minimalna pojemność bufora uzależniona będzie od algorytmu załączania kolejnych stopni mocy. W układach kaskad pomp ciepła zasobnik buforowy jest dobierany w stosunku do minimalnego przepływu największej z pomp ciepła w kaskadzie. Moglibyśmy zakwestionować, iż powyższe rozważania są prawdziwe przy zastosowaniu pomp ciepła typu monoblok, a co ze splitami, czyli urządzeniami powietrze/woda sterowanymi inwerterowo?

Z jednej strony można powiedzieć, że nie ma tutaj żadnej różnicy, gdyż w dalszym ciągu są to pompy ciepła, niemniej jednak posiadają one sterowanie wydajności sprężarki najczęściej w zakresie od 30 do 100%. Tak więc wymagany minimalny przepływ również będzie zależny od aktualnej mocy grzewczej urządzenia. Jest to oczywiście prawda, natomiast należy pamiętać, iż te powietrzne urządzenia wymagają odszraniania.

W trybie odszraniania urządzenie pracuje z pełną mocą, aby w jak najkrótszym czasie nastąpiło odszronienie parownika i pompa ciepła mogła przełączyć się w tryb grzewczy, i dostarczać energię do budynku. Aby zapewnić minimalnie wymagany przepływ w tej sytuacji, większość producentów w tego typu urządzeniach stosuje czujniki przepływu wody grzewczej ustalone na stałą wartość, co gwarantuje stały przepływ i możliwie krótki proces odszraniania. Z drugiej strony oprócz odpowiedniego przepływu musimy zapewnić wymaganą ilość energii do odszraniania, co w niektórych przypadkach wymusza zastosowanie bufora.

Większy zład

A co w sytuacjach, kiedy dysponujemy zładem czynnika grzewczego znacznie przewyższającym pojemność bufora? Czy w dalszym ciągu jest on konieczny? W takim przypadku należy sobie zadać proste pytanie, czy dana pojemność zładu w instalacji grzewczej będzie zawsze dostępna w każdych warunkach pracy urządzenia i w każdym czasie?

Jeżeli tak, i jego pojemność jest równa lub wyższa niż wymagane 10%, to wówczas dodatkowy zasobnik buforowy nie będzie konieczny. Natomiast w rzeczywistości takich rozwiązań można szukać ze świecą. W dobie rozbudowanej automatyki sterowania ogrzewaniem podłogowym, głowic termostatycznych stosowanych w grzejnikach, wielu obiegów grzewczych najczęściej nie mamy żadnej kontroli nad tym, czy w danym momencie wystarczająca ilość obiegów będzie dostępna dla pompy ciepła czy też nie. Tzw. otwarta pętla podłogówki w łazience czy stały przepływ przez grzejnik drabinkowy zdecydowanie nie wystarczą.

W aplikacjach dużych mocy w 100% stosowany jest bufor z uwagi na nieprzewidywalność pracy obiegów grzewczych, najczęściej w czasie tzw. okresów przejściowych, czyli wiosną i jesienią. Aby uniezależnić pompę ciepła od pracy obiegów grzewczych i ich sterowania, stosowanie bufora zawsze przynosi pożądane rezultaty.

Podłączenie PC

Kolejną ważną kwestią jest samo podłączenie w układzie pompy ciepła zbiornika buforowego. Są trzy popularne możliwości: równolegle, szeregowo na zasilaniu z pompy ciepła i szeregowo na powrocie do pompy ciepła. Bardzo często stosowane jest podłączenie równoległe, czyli zasobnik buforowy jest wykorzystywany jak typowe sprzęgło hydrauliczne. Rozwiązanie takie posiada swoje niewątpliwe zalety, jak prostota podłączenia pompy ciepła i rozdzielenie hydrauliczne pomiędzy obiegiem wytwórczym a odbiorczymi.

Szeregowe podłączenie bufora z zaworem typu by-pass.

Rys. 2. Szeregowe podłączenie bufora z zaworem typu by-pass.

Niewątpliwą wadą takiego układu jest konieczność zastosowania co najmniej dwóch pomp obiegowych (przed i za buforem), wybór miejsca pomiaru temperatury, załączanie pompy ciepła, a także – a może przede wszystkim – strata temperaturowa wynikająca ze zróżnicowania przepływów od strony pompy ciepła i obiegów grzewczych. W takim rozwiązaniu bardzo często pompa ciepła musi zagwarantować wyższą temperaturę zasilania do bufora, aby za buforem uzyskać wymaganą temperaturę na obiegach grzewczych.

Należy zawsze mieć w pamięci, iż wzrost temperatury zasilania o 1 K powoduje spadek sprawności układu pompy ciepła o około 2,5%. Nie mamy więc w takiej konfiguracji pewności, że czynnik grzewczy o danej temperaturze opuszczający pompę ciepła zostanie przekazany na obiegi grzewcze przy zachowaniu tej samej temperatury, co jest skutkiem podmieszania w buforze podłączonym równolegle.

Równoległe podłączenie zasobnika buforowego.

Podłączenie szeregowe ma tę przewagę, iż w prostych systemach z wykorzystaniem zaworu przelewowego (tzw. by passu) całą instalacje centralnego ogrzewania może obsłużyć tylko jedna pompa obiegowa. Rzeczą najważniejszą jest to, iż mamy 100% gwarancję, że jeżeli pompa ciepła na wyjściu podaje nam czynnik grzewczy o temperaturze np. 35°C, to po wygrzaniu zasobnika buforowego czynnik na zasilaniu obiegów grzewczych będzie posiadał również taką samą temperaturę. W połączeniach szeregowych nie występuje problem podmieszania i strat temperatury. Zakładając oczywiście odpowiednią izolację zbiornika.

Przykład

Na omawianym schemacie mamy do czynienia z zaawansowanym podłączeniem bufora szeregowo na zasilaniu z pompy ciepła. Cechą charakterystyczną tego rozwiązania jest zastosowanie dwóch zaworów zwrotnych jako swego rodzaju sprzęgła hydraulicznego. Jest to bardzo nowatorskie rozwiązanie proste w wykonaniu, a bardzo efektywne i bezawaryjne w eksploatacji. Oba zawory zwrotne są skierowane w przeciwnym kierunku, górny zawór jest odpowiedzialny za przepływ z lewej strony na prawą, zaś dolny z prawej strony na lewą.

Kluczowymi elementami tego rozwiązania są: czujnik temperatury powrotu z instalacji R2.1, według którego załączana jest sprężarka pompy ciepła, umieszczony w nieprzypadkowym miejscu pomiędzy dwoma zaworami zwrotnymi, a także dwie pompy obiegowe M16 i M13. M16 jest to pompa w pełni sterowana przez automatykę pompy ciepła i odpowiada ona za zagwarantowanie przepływu wymaganego przez pompę ciepła, pracuje jedynie wtedy, kiedy wystąpi konieczność załączenia sprężarki.

W momencie, kiedy temperatura powrotu spadnie poniżej nastawionej wartości, M16 załączana jest na czas płukania i sprawdzenia stanu naładowania bufora, przepływ przez pompę ciepła jest zagwarantowany przez górny zawór zwrotny. Jeżeli bufor jest wygrzany, pompa zostaje wyłączona; w przypadku wychłodzonego bufora następuje załączenie sprężarki i naładowanie bufora (tryb 1: ładowanie równoległe bufora). Pompa M13 jest to pompa, która może być w pełni sterowana przez automatykę zewnętrzną, np. BMS, i jest zaprojektowana do obsługi obiegów grzewczych.

W takim rozwiązaniu hydraulicznym obiegi grzewcze mogą być w pełni sterowane i, np. w okresach przejściowych, może dojść do ich całkowitego odcięcia przez automatykę zewnętrzną. Wówczas elektronicznie sterowana pompa M13 zostanie wyłączona. W momencie otwarcia obiegów grzewczych M13 w sposób automatyczny zwiększa swoją wydajność i z góry bufora energia zostaje przekazana na obiegi grzewcze, a powrót z obiegów grzewczych wraca do bufora przez czujnik R2.1 (monitorujący temperaturę powrotu) oraz dolny zawór zwrotny (tryb 2: rozładowanie równoległe bufora).

Kiedy bufor zostaje rozładowany, następuje załączenie pompy M16, a następnie sprężarki pompy ciepła, i grzanie w sposób szeregowy (tryb 3: grzanie obiegów grzewczych szeregowo). Takie rozwiązanie jest bardzo uniwersalne, można je stosować przy pompach ciepła typu powietrze/woda, solanka/woda różnych mocy i typów, a nawet w przypadku kaskad pomp ciepła. Również wykorzystywane jest w układach w pełni sterowalnych, jak i przy układach bez zewnętrznej automatyki sterującej. Dzięki takiemu rozwiązaniu w jednym układzie hydraulicznym wykorzystujemy wszystkie zalety systemu równoległego podłączenia bufora bez godzenia się na jego wady związane ze stratą temperaturową.

Przemysław Radzikiewicz

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