Dla prawidłowego i ekonomicznego działania systemu grzewczego opartego o pompę ciepła należy spełnić szereg wymagań technicznych wynikających z fizyki działania pompy ciepła oraz charakterystyki konstrukcyjnej jej komponentów. W tym celu stosowane są dodatkowe elementy hydrauliczne i elektryczne nazywane osprzętem pompy ciepła. W niniejszym artykule opisano rolę każdego z nich.
Rys. 1. Graficzne przedstawienie powietrznej pompy ciepła typu split Midea M-Thermal wraz z niezbędnym osprzętem
Zbiornik buforowy lub inaczej bufor
Pompa ciepła dla prawidłowego działania potrzebuje dużego przepływu oraz zładu wody. Odpowiednio duży przepływ wody wymagany jest z uwagi na intensywność wymiany ciepła, która zachodzi w procesie skraplania i parowania czynnika chłodniczego w pompie ciepła. Właściwy zład wody wymagany jest z uwagi na konieczność cyklicznego odtajania parownika, czyli lamelowego wymiennika ciepła w jednostce zewnętrznej oraz dla zapewnienia odpowiednio długich cykli pracy pompy ciepła w trybie grzania. Zbyt krótkie cykle pracy, czyli tzw. taktowanie, znacząco skracają żywotność pompy ciepła oraz obniżają jej sprawność działania.
Stosowane przez nas zbiorniki buforowe w większości instalacji to zbiorniki SVK o pojemności 100 l firmy Kospel z wbudowaną grzałką elektryczną o mocy 3 lub 6 kW. Ich konstrukcja zapewnia stabilne działanie pompy ciepła bez względu na rodzaj ogrzewania w domu. W instalacjach grzejnikowych dla pomp ciepła o nominalnej mocy grzewczej 12 kW i powyżej należy stosować bufory o pojemności 200 l. Wymagany przepływ wody przez pompę ciepła to, w zależności od jej nominalnej mocy grzewczej, od 20 do 50 l/min lub inaczej od 1,2 do 3,0 m3/h. Minimalny zład wody dla pompy ciepła to 50 l. Im większa moc pompy ciepła tym większy wymagany zład wody.
Wyjątkiem mogą być instalacje ogrzewania podłogowego, których zład jest większy niż minimalny wymagany dla danej pompy ciepła. Jeżeli w takiej instalacji nie ma automatycznego sterowania zamykaniem i otwieraniem poszczególnych pętli podłogówki można pominąć zastosowanie bufora. Wiąże się to jednak z koniecznością uwzględnienia również wymaganego przepływu na pompie ciepła biorąc pod uwagę opory przepływu na podłogówce oraz możliwości pompy obiegowej w jednostce wewnętrznej. W naszej praktyce dla tzw. świętego spokoju naszego i klienta stosujemy zbiornik buforowy i w takich instalacjach.
Rys. 2. Dla zapewnienia odpowiedniego przepływu i zładu wody oraz prawidłowego działania pompy ciepła wymagane jest stosowanie zbiorników buforowych.
Zasobnik ciepłej wody użytkowej – specjalne wykonanie dla pomp ciepła
Specyfika konstrukcji pompy ciepła sprawia, że jest ona w stanie jednocześnie podgrzewać wodę na cele centralnego ogrzewania lub ciepłej wody użytkowej. Nie ma możliwości podgrzewać wody w obu systemach na raz. Dodatkową cechą charakterystyczną działania pompy ciepła jest to, że jej efektywna praca realizowana jest gdy podgrzewa ona wodę od 3 do 7 °C – pilnuje tego jej wbudowana automatyka.
Oczywiście istnieją rozwiązania pozwalające na stosunkowo szybki wygrzew ciepłej wody użytkowej za pomocą wysterowania wbudowanej grzałki w pompie ciepła oraz grzałki samego zasobnika jednak są to wyjątkowe przypadki, np. gdy mamy większą liczbę gości, którzy w krótkim czasie wzięli po sobie prysznic. Z ekonomicznych względów zależy nam jednak na tym, aby pompa ciepła w trybie wspomagania grzałkami pracowała możliwie krótko.
Zatem pierwszym warunkiem doboru zasobnika do pompy ciepła jest jego odpowiednia objętość uwzględniając przy tym liczbę domowników. Kolejnym warunkiem jaki musi spełniać zasobnik ciepłej wody użytkowej w instalacji z pompą ciepła jest odpowiednio duża powierzchnia wymiennika spiralnego wewnątrz zasobnika. W naszych instalacjach stosujemy zasobniki Atlantic Mileo oraz Galmet Tower z wbudowaną grzałką elektryczną o mocy 3 kW.
Rys. 3. Zasobnik ciepłej wody użytkowej Atlantic Mileo
Wymagana powierzchnia wymiennika spiralnego (wężownicy) to 0,20 – 0,25 m2/kW nominalnej mocy grzewczej pompy ciepła. Uśrednione zużycie ciepłej wody na osobę to 60-90 l na dobę. Przykładowo dlatego dla 4 osobowej rodziny należałoby dobrać zasobnik o pojemności ok. 300 l.
Zawór trójdrogowy przełączający
Zawór trójdrogowy przełącza kierunek przepływu nagrzanej wody w pompie ciepła. Działając w trybie centralnego ogrzewania woda kierowana jest na zbiornik buforowy. Działając w trybie ciepłej wody użytkowej woda kierowana jest na wężownicę zasobnika. Stosowane przez nas zawory i siłowniki Honeywell zapewniają szybkie (czas otwarcia/zamknięcia to tylko 6 sekund) i niezawodne przełączanie między trybami pracy pompy ciepła.
Rys. 4. Zawór trójdrogowy przełączający między trybami pracy pompy ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania lub ciepłej wody użytkowej
Elektroniczna pompa obiegowa
Stosowanie pomp z elektroniczną regulacją obrotów to już standard w nowoczesnych systemach grzewczych. Pompy te automatycznie dostosowują swoją moc do rzeczywistego aktualnego zapotrzebowania na ciepło bez użycia dodatkowych elementów sterujących, przynosząc tym samym znaczne oszczędności energii.
Wyróżniamy instalacje ogrzewania grzejnikowe, podłogowe i mieszane. W zależności od występującej instalacji ogrzewania w danym domu należy dobrać odpowiednią charakterystykę pracy elektronicznej pompy obiegowej. W naszych instalacjach stosujemy wysokoefektywne elektroniczne pompy obiegowe Grundfos Alpha 1 L, które umożliwiają skuteczną regulację we wszystkich rodzajach instalacji ogrzewania, są niezwykle ciche i nie wymagają konserwacji.
Rys. 5. Elektroniczne pompy obiegowe to standard nowoczesnych układów grzewczych
Filtr magnetyczny – magnetyczny separator zanieczyszczeń
Konieczność stosowania filtrów magnetycznych w instalacjach z pompą ciepła wynika ze specyfiki konstrukcyjnej wbudowanych w nich pomp obiegowych. Pompy obiegowe w pompach ciepła to bezszczotkowe silniki z magnesami trwałymi, które odpowiednio niezabezpieczone, pochłaniają opiłki metali z instalacji wodnej. Może to doprowadzić w konsekwencji do uszkodzenia pompy obiegowej prowadząc tym samym do awarii systemu grzewczego.
W naszych instalacjach stosujemy magnetyczny separator zanieczyszczeń Afriso ADS 160 wyposażony w dwie wymienne siatki filtracyjne, o różnych rozmiarach oczek, i magnes neodymowy. Zawór spustowy ułatwia usuwanie zanieczyszczeń. Obrotowe przyłącze umożliwia montaż na przewodach pionowych i poziomych. Odpowietrznik ręczny pozwala odpowietrzyć separator po zakończeniu prac konserwacyjnych.
Rys. 6. Filtr magnetyczny zabezpiecza pompę ciepła przed drobinkami metalowych opiłków oraz pozostałymi zanieczyszczeniami – szczególnie istotne w instalacjach modernizowanych
Separator powietrza i zanieczyszczeń
To kolejny element nowoczesnych systemów grzewczych usprawniających ich pracę dzięki skutecznemu usuwaniu powietrza i zanieczyszczeń z instalacji wodnej. W odróżnieniu od zwykłych odpowietrzników separator powietrza umożliwia usuwanie powietrza rozpuszczonego w wodzie. Wyróżniającym się na rynku rozwiązaniem tego typu, stosowanym w naszych instalacjach, jest Flamcovent Clean Smart.
Rys. 7. Właściwe odpowietrzenie wodnych systemów ogrzewania przyczynia się do poprawy ich efektywności i powinno zostać wykonane w czasie uruchomienia pompy ciepła
Grupy bezpieczeństwa i naczynia przeponowe centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej
Z uwagi na to, że nowoczesne systemy grzewcze pracują w układach zamkniętych należy je odpowiednio zabezpieczyć przed wzrostem ciśnienia spowodowanym rozszerzalnością termiczną wody oraz sytuacjami awaryjnymi nagłego wzrostu ciśnienia. W tym celu stosuje się grupy bezpieczeństwa, których podstawowe elementy to naczynie przeponowe i zawór bezpieczeństwa.
Naczynie przeponowe kompensuje różnice ciśnień wywołanej rozszerzalnością termiczną wody, dzięki czemu możliwie jest utrzymanie stabilnego ciśnienia w instalacji pomimo występujących różnic temperatur w czasie jej eksploatacji. Zawór bezpieczeństwa otworzy się gdy ciśnienie w instalacji urośnie do niebezpiecznego poziomu. Dla centralnego ogrzewania jest to wartość 3 bar, a dla ciepłej wody użytkowej jest to 6 bar.
Rys. 8. Grupę bezpieczeństwa instalacji ciepłej wody użytkowej warto montować przepływowo dlatego różni się ona konstrukcyjnie od grupy bezpieczeństwa centralnego ogrzewania
Termostat pokojowy z programatorem tygodniowym
Termostat pokojowy warunkuje pracę pompy obiegowej centralnego ogrzewania. Wysyła do niej sygnał na pracę tylko wtedy, gdy temperatura w domu jest niższa od ustawionej na termostacie. Pompa ciepła utrzymuje temperaturę w zbiorniku buforowym według tzw. krzywej grzewczej (im niższa temperatura zewnętrzna tym wyższa temperatura w buforze), a pompa obiegowa „rozbiera” to ciepło z bufora na potrzeby centralnego ogrzewania.
Rozwiązanie to umożliwia, aby pompa ciepła produkowała tylko tyle ciepła ile faktycznie życzą sobie domownicy, przynosząc im znaczne oszczędności. Harmonogram tygodniowy pozwala przykładowo zredukować o kilka stopni nastawę temperatury w domu w nocy lub w godzinach, kiedy większość domowników jest w pracy czy w szkole. Stosowany przez nas termostat Skalar 2025 to nowoczesny regulator z wbudowanym mikroprocesorem pozwalającym na ustawienie czterech niezależnych temperatur: dziennej, nocnej, przeciwzamrożeniowej i urlopowej.
Rys. 9. Termostat pokojowy umożliwia dostosowanie pracy pompy ciepła do aktualnych potrzeb budynku oraz jego mieszkańców
Szafa zasilająco-sterownicza
Stosowanie dodatkowej szafy zasilająco-sterowniczej pozwala użytkownikowi na dodatkowe funkcjonalności układu grzewczego oraz zabezpiecza jego urządzenia przed sytuacjami awaryjnymi np. niską jakością zasilania domu z powodu problemów po stronie dostawcy energii.
Nasze szafy zasilająco-sterownicze charakteryzuje następująca funkcjonalność:
- Zabezpieczenie pompy ciepła przed zbyt niskim lub zbyt wysokim napięciem oraz częstymi przełączeniami napięcia zasilania;
- Zabezpieczenie użytkowników układu grzewczego przed porażeniem elektrycznym – stosowany wyłącznik różnicowo-prądowy na każdym obwodzie zasilania;
- Zabezpieczenie przeciwzwarciowe i przeciążeniowe dla każdego urządzenia elektrycznego układu grzewczego;
- Możliwe ręcznie sterowanie grzałkami w zbiorniku buforowym i zasobniku ciepłej wody użytkowej oraz pompą obiegową centralnego ogrzewania;
- Licznik energii pozwalający na kontrolowanie zużycia prądu przez pompę ciepła oraz wszystkie pozostałe urządzenia elektryczne układu grzewczego;
- Indywidualne sterowanie dla pompy obiegowej centralnego ogrzewania zapewniające dodatkowe oszczędności energii i komfort domowników.
Pozostała armatura i materiały instalacyjne
Do połączenia pompy ciepła i osprzętu w jeden system hydrauliczny wykorzystywane są, oprócz odpowiednio dobranych rur i kształtek, pozostałe mniejsze elementy hydrauliczne jak filtry siatkowe, odpowietrzniki, zawory zwrotne, zawory odcinające, zawory spustowe itp. W naszych instalacjach stosujemy armaturę renomowanych producentów takich jak Caleffi, Afriso i Altech. Na ile to możliwe budujemy każdą instalacje dbając o jak najmniejszą liczbę połączeń, stosując w tym celu m.in. łączone konstrukcje zaworu odcinającego z zaworem zwrotnym czy filtrem siatkowym. Do połączeń hydraulicznych stosujemy nowoczesne nici uszczelniające, które posiadają zalety obu poprzednich systemów teflonowego i konopi instalacyjnej.
Rys. 10. Pozostałe elementy hydrauliczne po stronie wodnej powietrznej pompy ciepła to m.in. filtry siatkowe, odpowietrzniki, zawory zwrotne, zawory odcinające, zawory spustowe
Konstrukcja wsporcza jednostki zewnętrznej
Jednostka zewnętrzna pompy ciepła wymaga montażu na podwyższeniu, aby zabezpieczyć ją przed ingerencją zwierząt, w czasie zimy również przed zasypaniem śniegiem oraz umożliwić swobodny odpływ kondensatu. Nie powinno montować się jednostek zewnętrznych na konsolach ściennych na elewacji z uwagi na wibracje przenoszone na konstrukcję budynku, co może być uciążliwe dla domowników w czasie wieloletniej eksploatacji.
Dodatkową rolą konstrukcji wsporczej jest wytłumienie drgań pracującej jednostki zewnętrznej. Stosowane w tym celu są specjalnie stopy bitumiczne oraz wibroizolatory. Dobrze jak konstrukcja ma możliwość regulacji, dzięki czemu instalator ma możliwość dostosowania do niewielkich nierówności utwardzonego podłoża. Takie cechy spełniają stosowane przez nas konstrukcje wsporcze Frame Foot Mini FF-755.
Rys. 11. Montaż konstrukcji wsporczej na utwardzonym podłożu zabezpiecza przed przenoszeniem drgań w czasie pracy pompy ciepła na konstrukcję budynku
Grzałka odpływu kondensatu z jednostki zewnętrznej
Podczas pracy pompy ciepła na wymienniku lamelowym jednostki zewnętrznej wykrapla się wilgoć z powietrza czyli tzw. kondensat lub inaczej skropliny. Ilość kondensatu jest na tyle duża, że należy przewidzieć dla niego bezpieczne ujście. Najlepszym rozwiązaniem tego zagadnienia jest wprowadzenie skroplin do środka budynku w izolowanej rurze wyposażonej w przewód grzewczy z termostatem. Jeżeli nie ma takiej możliwości należy przewidzieć alternatywnie np. podłączenie do rynny odpływowej lub podłoże, które skutecznie odprowadzi skropliny do gruntu (np. żwir).
W celu zabezpieczenia rury odpływowej kondensatu przed jego zamarznięciem stosujemy kabel grzejny FreezeTec 12/2 firmy Elektra o mocy 24 W z zintegrowanym termostatem załączającym element grzejny, gdy temperatura na zewnątrz spadnie poniżej 3 °C.
Rys. 12. Stosowanie przewodu grzewczego w odpływie skroplin z jednostki zewnętrznej zapewnia bezpieczny odpływ kondensatu nawet w czasie dużych mrozów
Podsumowanie
Pompa ciepła to serce nowoczesnego systemu grzewczego jednak dla jej prawidłowego i efektywnego funkcjonowania konieczne jest stosowanie osprzętu opisanego w tym opracowaniu. Osprzęt pompy ciepła stanowi dodatkowy koszt inwestycyjny jednak zapewnia jej użytkownikom wieloletnią, komfortową i niezawodną eksploatację.