Dobór nowoczesnych instalacji grzewczych - Pompy ciepła

październik 2011

Żaden dział szeroko rozumianej branży materiałów budowlanych nie przeszedł w ciągu ostatnich kilkunastu - kilkudziesięciu lat równie dynamicznej metamorfozy jak wyroby i systemy tworzące grupę asortymentową instalacji grzewczych. Decydowały o tym wynalazki z różnych dziedzin chemii i materiałoznawstwa (głównie nowe tworzywa) oraz elektroniki i automatyki (m.in. systemy sterowania). Wielki wpływ na silną dynamikę tego działu wywarły realia surowcowe świata i rozbudzona świadomość ekologiczna.

Czym ogrzać dom i jak zrobić to w sposób najmniej bolesny dla domowego budżetu? Odpowiedź na takie pytanie muszą znać inwestorzy, dostawcy instalacji grzewczych i instalatorzy. Najbardziej pożądane stały się rozwiązania systemowe, które najlepiej pozwalają zaspokoić zapotrzebowanie na ciepło, zachowując standardy ekologiczne. Niezmierne ważne, wręcz niezbędne są bliskie i bezpośrednie relacje producentów nowoczesnych systemów i urządzeń z wykonawcami – instalatorami instalacji sanitarnych, przy udziale kupców. Godna pełnego poparcia moda na stosowanie także w Polsce ekologicznych źródeł ciepła związana jest ściśle z trendami panującymi w całej Europie oraz wsparciem funduszy unijnych, inwestujących w nieemisyjne, niskoemisyjne i odnawialne źródła energii.

Najczystsza forma produkcji ciepła w warunkach domowych wymaga zastosowania urządzenia zwanego potocznie pompą ciepła (w skrócie PC), która w połączeniu z ogrzewaniem podłogowym (płaszczyznowym) wykazuje najlepsze parametry działania oraz generuje najwięcej oszczędności w poborze prądu. Połączenie tych dwóch systemów zapewnia wysoki komfort użytkowania, niskie ceny wytworzenia ciepła w układzie centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej. Daje też gwarancję długoletniej eksploatacji ze względu na swój niskotemperaturowy charakter. Pompa ciepła jest urządzeniem dedykowanym głównie do ogrzewania podłogowego lub kombinowanego z tradycyjnym ogrzewaniem grzejnikowym, co należy uwzględnić już na etapie projektowania. Jeszcze kilka lat temu pompy ciepła były nowością na rynku. Jak to z każdą nowinką techniczną bywa, cena okazała się skuteczną barierą dla nabywcy. Z czasem rynek zaczął poszukiwać alternatywy dla paliw kopalnych i w końcu pompy ciepła wkroczyły także w Polsce do domowych kotłowni na dobre.

Zalety pomp ciepła są rozliczne, do najważniejszych z uwagi na ekologię należy ta, że takie urządzenia podczas swojej pracy nie emitują absolutnie żadnych zanieczyszczeń do atmosfery (tym samym nie potrzebują komina, co redukuje automatycznie koszty inwestycji). Chcąc uruchomić pompę ciepła korzystamy z prądu sieciowego (dzięki temu powstają wprawdzie zanieczyszczenia, ale tylko w miejscu jego produkcji).

Przy pompach ciepła spotykamy się z kilkoma zagadnieniami, które instalator musi wziąć pod uwagę pomagając klientowi w doborze takiego urządzenia. Decydująca jest wielkość, tzn. moc pompy ciepła. Dla jej wyliczenia niezbędna jest znajomość kubatury pomieszczeń, które musimy ogrzać oraz ilości osób, dla których będzie produkowana ciepła woda użytkowa. Dzisiaj ułatwia nam pracę wymagany prawem audyt energetyczny budynków, który jasno określa zapotrzebowanie na energię przez dany budynek oraz szereg programów komputerowych do doboru urządzeń.
Następny krok to wybór dolnego (odnawialnego) źródła zasilania: grunt, woda, powietrze. Miejsce pobierania energii odnawialnej nazywamy potocznie „dolnym źródłem”. Na rynku występuje kilka rodzajów możliwości dostarczania energii do urządzeń.

Źródła zasilania pomp ciepła

Przyporządkowując odpowiednie pompy ciepła i ich nazewnictwo mówimy, że:
- PC woda/woda to z jednej strony woda, jako dolne źródło i obieg grzewczy po stronie instalacji;
- PC powietrze/woda to z jednej strony powietrze atmosferyczne, jako dolne źródło i obieg grzewczy;
- PC solanka (lub glikol) /woda to z jednej strony glikol, jako dolne źródło i obieg grzewczy.

Efektywność pompy ciepła

Pompa ciepła dla swojego sprawnego działania potrzebuje dolnego źródła – czyli energii dostarczonej z wody, gleby lub powietrza, aby następnie zamienić tą energię na grzewczą, którą to dopiero rozprowadza się po pomieszczeniach za pomocą instalacji centralnego ogrzewania. Sprawność pompy obrazowo można przedstawić następująco: do wytworzenia 1 jednostki energii grzewczej potrzebujemy 1/4 jednostki energii elektrycznej i 3/4 jednostki darmowej energii z otoczenia. Można wyrazić to wskaźnikiem COP.

Pompa ciepła dla prawidłowej eksploatacji wymaga długich cyklów pracy. Agregat i sprężarka takiego urządzenia, podobnie jak domowa lodówka (zasada działania jest identyczna), pracuje bezawaryjnie, podczas gdy zapewnimy im długi czas pracy oraz w zależności od potrzeby taki sam lub dłuższy czas postoju. Urządzenia elektryczne zabudowane w PC pobierają najmniej energii elektrycznej, gdy pracują przy swojej mocy znamionowej. Moc rozruchowa jest dużo większa. PC wykonuje podobną pracę jak dowolny kocioł gazowy czy na paliwo stałe. Pomieszczenie kotłowni, a raczej pompowni, np. w domku jednorodzinnym nie musi być w żaden sposób specjalnie przystosowywane do ustawienia PC. Mowa tu chociażby o braku konieczności doprowadzania świeżego powietrza do pomieszczenia czy układu kominowego do odprowadzania spalin. Zasada działania PC sprowadza się do prostej maksymy: suma energii pobieranej przez pompę ciepła (np. z wody) musi być równa sumie energii przez nią oddawanej do instalacji.

Dobór PC

Czy wobec zapotrzebowania budynku mieszkalnego na energię 10 kW również pompa ciepła musi mieć moc 10 kW? Producenci coraz częściej na szkoleniach dla firm wykonawczych przekonują, że nie jest to do końca prawda. Moc pompy można dobrać na ok. 80%–90% zapotrzebowania. Co to oznacza? Jeżeli budynek wymaga, aby dostarczyć do niego 10 kW energii, pompę ciepła można dobrać o mocy 8 kW – 9 kW. Dlaczego? – ponieważ ekstremalne warunki, kiedy pompa będzie pracowała na 100% swojej mocy (dostarczanie ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania) to kilka lub kilkanaście dni w ciągu roku. Jeżeli za urządzenie trzeba zapłacić kilkadziesiąt tysięcy złotych to różnica kilku tysięcy złotych (przy urządzeniu nieco niższej mocy) będzie na tyle dużą korzyścią, by przez kilkanaście dni w ciągu roku załączała się w zbiorniku buforowym (dodatkowo, jako wspomaganie) grzałka elektryczna lub inne zewnętrzne urządzenie (np. kocioł elektryczny). Koszt zużytej energii elektrycznej, rozkładając go na 12 miesięcy, będzie stosunkowo niewielki do nakładu środków na urządzenie pokrywające zapotrzebowaniena energię cieplną budynku w całości.

Zasada działania PC

Czynnik np. w postaci glikolu odzyskuje energię z gruntu pomiędzy 7–12°C i transportuje ją do urządzenia oddając to ciepło na parownik. Parownik – konstrukcyjnie – jest wymiennikiem ciepła, gdzie po jednej stronie mamy glikol, po drugiej najczęściej freon (obecnie wykorzystywane freony nie są szkodliwe dla środowiska w przypadku rozszczelnienia układu). Czynnik chłodniczyw postaci wymienionego freonu posiada bardzo niską temperaturę wrzenia i pod wpływem temperatury nośnika ciepła (glikolu) wrze – odparowuje, a następnie sprężarka skrapla tę parę i podwyższa ciśnienie. Automatycznie podnosi się temperatura do wyznaczonego poziomu ogrzewania i powstaje strumień ciepła. Para przekazuje pozyskane ciepło do gorącej wody (poprzez wymiennik) i przechodzi w stan ciekły. Zawór dławiący obniża ciśnienie z powrotem do pierwotnego poziomu. Ciecz następnie się ochładza i cały cykl zaczyna się od początku.

Pompa ciepła z kolektorem pionowym

Zdjęcie przedstawia pompę ciepła (potocznie: „lodówkę”) bez obudowy.
Przykładowy schemat podłączenia urządzenia przedstawiony jest na rysunku na stronie poprzedniej i nie odbiega zasadniczo od podłączenia hydraulicznego do innego źródła ciepła niż PC (kocioł gazowy, olejowy czy na paliwo stałe).
Zbiornik c.w.u. (bufor) dobieramy pod kątem ilości osób użytkujących dom, a nie kierując się liczbą metrów kwadratowych powierzchni użytkowej budynku. Z reguły jest to 30 do 60 litrów na 1 domownika. Do pompy ciepła dowolnego typu powinno się dobierać zasobniki ciepłej wody użytkowej przewymiarowane w stosunku do zasobników współpracujących z klasycznymi kotłami. PC wymaga dla swojej zrównoważonej i oszczędnej pracy dużego zładu wody w instalacji. Ważna jest też odpowiednia (większa) długość i grubość zastosowanej w zasobniku wężownicy.

Kolektor pionowy

Najbardziej medialną, budzącą najwięcej emocji, a jednocześnie najbardziej wymagającą w doborze i wykonawstwie dolnego źródła jest pompa współpracująca z dolnym źródłem w postaci odwiertów – czyli kolektorów pionowych. Kolektory pionowe mają zastosowanie tam, gdzie dysponujemy niewielką powierzchnią działki, ale muszą na to także oczywiście pozwalać warunki geologiczne.
Z 1 mb. odwiertu możemy uzyskać maksymalnie do 80–100 W energii cieplnej, ale najczęściej w warunkach polskich jest to 40–45 W/mb.
Producenci urządzeń sugerują aby do wykonawstwa dolnego źródła angażować wyspecjalizowane w pracach wiertniczych firmy, wyposażone w odpowiednie urządzenia, posiadające wyspecjalizowaną kadrę z uprawnieniami do takich wierceń oraz z doświadczeniem w tym zakresie. Firmy takie udzielają gwarancji na prawidłowe wykonanie odwiertów oraz zachowanie wszystkich procedur administracyjnych związanych z ich wykonaniem. Obiegowa opinia jest taka, że do odwiertów do 30 m głębokości żadne pozwolenia nie są potrzebne*. Nie do końca tak jest, o czym mówią przepisy ustawy „Prawo geologiczne i górnicze” z 1994 r. z późniejszymi zmianami i rozporządzenia do tej ustawy.
Każdy odwiert pod pompę ciepła to prace geologiczne wymagające projektu, który może wykonać tylko geolog ze stosownymi uprawnieniami, określonymi w „rozporządzeniu w sprawie kategorii prac geologicznych, kwalifikacji do wykonywania, dozorowania i kierowania tymi pracami oraz sposobu postępowania w sprawach stwierdzania kwalifikacji” z 2006 r., a robi go zgodnie z kolejnym rozporządzeniem o dokumentacji geologicznej.
Z projektem wykonanym przez geologa zgłaszamy się do właściwego organu administracji państwowej, który ma 30 dni na podjęcie ewentualnej decyzji o sprzeciwie. Sprzeciw może być wniesiony w przypadku gdy odwierty mogą np. powodować zagrożenie dla środowiska (ujęcia wód podziemnych). Gdy urząd nie zgłosi sprzeciwu w ciągu 30 dni, to na 14 dni przed planowanymi wierceniami zgłaszamy zamiar ich przeprowadzenia. Wiercenia mogą być wykonywane tylko przez osoby z kwalifikacjami do kierowania robotami geologicznymi oraz muszą być dozorowane przez osoby z uprawnieniami kat. IV lub V – zgodnie z wymienionym wyżej rozporządzeniem. Ostatnim etapem po wykonaniu odwiertów jest zgłoszenie w ciągu 6 miesięcy powykonawczej dokumentacji geologicznej.

Głębokość odwiertu pod PC nie powinna z reguły przekraczać 100 m – ze względu na opory hydrauliczne. Dla uzyskania określonej mocy cieplnej możemy zamiast jednego odwiertu 100 m pod PC wykonać np. 2 odwierty po 50 m – wystarczy, że ich łączna głębokość sumuje się do 100 m. Do rozprowadzania glikolu powinno się używać rur polietylenowych (PE), których łączenie powinno się odbywać na zasadzie zgrzewania kształtką typu „U” na dole odwiertu.
Odległość pomiędzy odwiertami powinna być nie mniejsza niż 4–5 metrów. Nieprawidłowo dobrana długość pętli kolektora dolnego źródła może skutkować zbyt małą liczbą jednostek energii dostarczonej do PC, a w rezultacie niedogrzaniem budynku.

Kolektor poziomy

Kolektor poziomy stosujemy na działce, której wielkość oraz rodzaj gruntu gwarantują sprawne działanie całej instalacji. Jeżeli do ogrzania budynku wymagane jest uzyskanie 50 W/m², kolektor poziomy powinien zajmować powierzchnię do 5 razy większą niż powierzchnia budynku. Do rozłożenia kolektora poziomego używamy rur PE o średnicy 1”. Długość pojedynczej pętli nie powinna przekraczać 100–150 mb. Kolektor poziomy zakopuje się na głębokości 1 m do 1,5 m (30–40 cm poniżej granicy przemarzania gruntu). Odległość pomiędzy sąsiednimi pętlami powinna wynosić 1 m do 1,5 m. Nieprawidłowe ułożenie pętli kolektora skutkować będzie przemarznięciem gruntu, a w konsekwencji unieruchomieniem pompy ciepła. Złe ułożenie rur spowodować może również to, iż latem grunt nie zdąży się zregenerować (ogrzać) przed kolejnym sezonem grzewczym. W zależności od rodzaju gruntu (żwir, piasek, glina etc.) uzyskujemy od 10 do 40 W energii na 1 m² dla kolektora poziomegopłaskiego lub spiralnego.
Gruntowe wymienniki poziome nie podlegają z reguły obowiązkowi uzyskania zezwolenia, jednakże muszą być zgłoszone Urzędowi Gospodarki Wodnej. W strefach ochrony wody I do III gruntowe wymienniki poziome mogą zostać użyte tylko za zgodą Urzędu Gospodarki Wodnej.

O czym należy pamiętać i czego należy bezwzględnie unikać przy doborze i montażu PC:

Instalacja CO

- Przestrzegać schematów i wytycznych producenta. Generalnie sposoby podłączeń hydraulicznych i elektrycznych odpowiadają zawsze algorytmowi pracy urządzenia, oprogramowaniu sterowania, a także zastosowanemu sterownikowi. Producent wie najlepiej jakie możliwości pracy i sterowania wytworzone przez niego urządzenie posiada, warto więc stosować się do jego zaleceń i wytycznych aby uniknąć błędów w pracy pompy ciepła jak i całego systemu. Stosując się do wytycznych producenta mamy też pewność, że sprawność/wydajność układu będzie optymalna i zapewni niskie koszty eksploatacji użytkownikowi.
- Bezwzględnie zawsze zapewnić minimalny wymagany przepływ wody grzewczej przez skraplacz pompy ciepła. Niepoprawnie dobrana pompa obiegowa, zbyt małe przekroje rur, zapchane filtry lub ich brak, brak odpowietrznika lub zapowietrzony układ, niepoprawnie zbudowany układ hydrauliczny, brak przepływu przy zamknięciu się zaworów termostatycznych na grzejnikach lub głowic siłowników na podłogówce mogą skutkować awariami i zatrzymaniem pracy pompy ciepła, lub co najmniej zmniejszeniem wydajności całego systemu i zwiększeniem kosztów eksploatacji.
- Zastosowanie bufora, przy małym zładzie wody lub przy wystąpieniu stanu pracy układu, kiedy zawory termostatyczne grzejników lub głowice na podłogówce zostaną zamknięte. Pompa ciepła będzie często się włączała i wyłączała ze względu na niewielki zład wody. Zawsze należy instalować bufor w celu zabezpieczenia minimalnego czasu pracy sprężarki pompy ciepła.
- System ogrzewania z pompą ciepła powinien bezwzględnie zostać zaprojektowany na jak najniższą temperaturę zasilania, każde zwiększenie temperatury zasilania o 1°C zmniejsza sprawność działania systemu o około 2,5%.

C.W.U.

- Powierzchnia wymiany wężownicy zasobnika ciepłej wody użytkowej musi zostać bezwzględnie dobrana do maksymalnej mocy grzewczej pompy ciepła. Zbyt mała powierzchnia wymiany będzie skutkowała niedogrzewaniem wody.
- Pompa obiegowa musi zostać dobrana do mocy pompy ciepła, delty zasilania i powrotu – zbyt mała pompa obiegowa tokonsekwencje jak wyżej.

Dolne źródło

- Przy kolektorze płaskim – odcinki jednakowej długości, max 100 m dla rury 32 mm, jak nierówne odcinki to bezwzględnie należy zastosować rozdzielacz z rotametrami, żeby zbalansować przepływy.
- Jak równe odcinki to rozdzielacz w układzie Tichelmana.
- Pompa dolnego źródła – dobrana do kolektora, czyli na długość, ilość pętli, rury zbiorcze i opory na parowniku pompy ciepła, najprościej i najbezpieczniejzastosować się do wytycznych producenta.
- W dolnym źródle pompy ciepła typu solanka/ woda zawsze bezwzględnie stosujemy roztwór 25–30% (do –15oC) glikolu etylenowego lub propylenowego, nie stosujemyspirytusu technicznego.
- Filtr zanieczyszczeń – zawsze na powrocie z gruntu do pompy ciepła.
- Automatyczny odpowietrznik na powrocie do pompy ciepła.
- Przy sondach pionowych najlepiej zawsze wykonać projekt geologiczny.
- Sondy zawsze łączymy w studzience z rozdzielaczem lub rozdzielacz w budynku, zawsze rozdzielacz z rotametrami aby zbalansować przepływy, pompa dobrana indywidualnie.\
- Przy sondach zawsze warto rozpatrzyć zainstalowanie pasywnego chłodzenia.
- Niedomiarowane lub przewymiarowane źródło dolne będzie zakłócało prawidłową pracę urządzenia.
- Należy prawidłowo połączyć dolne źródło z PC i unikać wycieków glikolu, nieszczelności układu.

Pompa ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej

Urządzenie to przygotowuje wodę użytkową i stanowi tańszą alternatywę dla urządzeń przygotowujących również ciepło do centralnego ogrzewania. PC do c.w.u. to zbiornik 250-litrowy lub 300-litrowy, w zależności od producenta (popularny bojler),  którego górna część jest pompą ciepła,a dolnym źródłem powietrze.
Montaż tej PC jest prosty – podłączenie do instalacji ciepłej wody użytkowej jest identyczne jak w przypadku kotłów czy innych urządzeń grzewczych.
Pompa do c.w.u. jest również doskonałym substytutem urządzeń solarnych, czyli popularnych paneli słonecznych. Zarówno pompa jak i solary mają zadanie prawie identyczne, produkcja ciepłej wody użytkowej, ale pompa jest uniezależniona od warunków pogodowych, od pory dnia lub nocy, czy też od ustawienia południowej strony dachu względem słońca. Nie jest również w jej przypadku potrzebne dodatkowe podłączenie do urządzeń znajdujących się na dachu ani jego niszczenie podczas montażu stelażu. Do sprawnego działania pompy wystarczą: gniazdko doprowadzające energię elektryczną, pomieszczenie kotłowni lub inne pomieszczenie użytkowe w domu z możliwością doprowadzenia (chociażby przez zwykłą kratkę wentylacyjną) świeżego powietrza. Można również stawiać ją w pomieszczeniach nie posiadających żadnej wentylacji, ale wtedy konieczne będzie doprowadzenie rur (zwykłych pomarańczowych lub szarych PCV o średnicy 160 mm) do urządzenia. Zamiennie mogą być rury elastyczne SPIRO. Montażem tych rur mogą się zająć nawet osoby nie posiadające żadnego doświadczenia w wentylacji. Jest ono intuicyjne.

Wodróżnieniu od pompy grzewczej typu powietrze/ woda – PC do c.w.u. nie wymaga żadnego doboru pod kątem dolnego źródła, gdyż energii do ogrzewania dostarcza powietrze z zewnątrz budynku lub powietrze z zewnątrz w połączeniu z ciepłym powietrzem dostarczanym z pomieszczenia kotłowni. Urządzenie to może pracować od wczesnej wiosny do późnej jesieni, gdyż w okresie zimowym ciepłą wodę użytkową będzie nam zapewniał kocioł gazowy lub inny. Pompa do c.w.u. może służyć jako dodatkowy bufor. Posiada podwójną wężownicę oraz szereg przyłączy pozwalających wpiąć w nią kocioł czy chociażby kominek z płaszczem wodnym. Każda nadwyżka mocy z innych urządzeń grzewczych w instalacji może być skierowana jako dodatkowe ciepło do wężownicy znajdującej się w tej pompie. Na wyposażeniu znajduje się również grzałka elektryczna służąca tylko do okresowego przegrzewu wody, związanego z przepisami sanitarnymi dotyczącymi bakterii Legionella.
Sprawność PC do c.w.u. jest na tyle duża, iż parametr do jej określania, czyli wspomniany wcześniej COP, kształtuje się na poziomie co najmniej 3,5 – przy uwzględnieniu powietrza zasysanego również z kotłowni. Z uwagi na właściwości tego produktu powietrze możemy odbierać również z dowolnego innego pomieszczenia w budynku, czyniąc z niego doskonały osuszacz powietrza. Praca tego urządzenia powoduje dodatkową wymianę powietrza w budynku mieszkalnym na poziomie 600 m3/h.

Przykłady prowadzenia powietrza

Zmienne przełączanie. System kanałów rurowych z integrowanymi klapami typu Bypass umożliwia zmienne wykorzystywanie ciepła z powietrza zewnętrznego lub pokojowego do przygotowywania ciepłej wody (dolna granica użycia pompy ciepła: –5°C, w zależności od producenta).

Świeżość w piwnicy przy trybie obiegowym. Powietrze z pomieszczeń, np. ze spiżarni lub winiarni, zostaje odsysane przez kanał powietrzny, potem jest schładzane i osuszane, a następnie z powrotem wdmuchiwane. Odpowiednim miejscem lokalizacji jest przy tym warsztat, kotłownia lub pomieszczenie gospodarcze. W celu uniknięcia tworzenia się rosy należy dokonać szczelnej pod względem dyfuzji izolacji kanałów powietrznych w obszarach ciepła.
Po prostu sucho. Osuszone powietrze w pomieszczeniach gospodarczych przyczynia się do poprawy suszenia prania i zapobiega szkodom spowodowanym wilgocią.


Ciepło odpadowe jest ciepłem użytkowym. Seryjny wymiennik ciepła PC ciepłej wody użytkowej umożliwia dodatkowo bezpośrednie przyłączenie drugiego źródła ciepła, np. instalacji solarnej lub kotła.
Łączna długość przewodów doprowadzających i odprowadzających powietrze nie może przekraczać 10 mb. z uwagi na wydajność wentylatora.


Przy założeniu, że urządzenie ma produkowć ciepłą wodę użytkową o temperaturze np. 55°C – ilość wyprodukowanej dziennie wody będzie na poziomie wystarczającym aby zaspokoić potrzeby czteroosobowej rodziny. Jeżeli zaś zapotrzebowanie to chcielibyśmy zwiększyć dość znacząco wystarczy zamontować zawór mieszający tuż za urządzeniem, który będzie dawkował na instalację wodę o zadanej temperaturze, mieszając tą wyprodukowaną w urządzeniu z zimną dostarczoną z sieci miejskiej (lub innej). 


Jaki jest koszt użytkowania PC do c.w.u?
– Przy zamontowaniu osobnego licznika na prąd (patrz zdjęcie) rodzina 4-osobowa (2 + 2), gdy cena za 1 kWh = 50 gr, miesięcznie wyda na ten cel 28–34 zł brutto.

Następny
Dobór nowoczesnych instalacji grzewczych - Kolektory słoneczne

Dobór nowoczesnych instalacji grzewczych - Kolektory słoneczne