Praca pompy ciepła zimą – na co zwrócić uwagę?

Pompa ciepła – jak działa

W kontekście pomp ciepła powietrze-woda należy wziąć pod uwagę charakterystykę tego rodzaju urządzenia grzewczego. Wydajność pompy ciepła jest ściśle powiązana z temperaturą otoczenia – pompa ciepła posiada w sobie czynnik chłodniczy (w przypadku pomp ciepła Haier jest to R32),
który krąży w układzie. Poprzez wykorzystanie właściwości jego stanu skupienia, układ generuje ciepło. W uproszczeniu każdy układ powietrznej pompy ciepła składa się z czterech najważniejszych elementów:

• parownik – to tutaj następuje zmiana skupienia czynnika chłodniczego ze stanu ciekłego w stan gazowy. Do zmiany dochodzi w wyniku ogrzania czynnika poprzez powietrze przepływające przez wymiennik w wyniku pracy wentylatora,
• sprężarka – czynnik chłodniczy w stanie gazowym trafia do sprężarki, która sprężając go podnosi jego ciśnienie i temperaturę (za co odpowiadają właściwości fizyczne gazów),
• skraplacz – tu sprężony czynnik chłodniczy poprzez wymiennik (płytowy lub rurowy) przekazuje ciepło do wody w układzie hydraulicznym. Oddając ciepło do wody obniża on swoją temperaturę i ciśnienie oraz zmienia stan skupienia w ciekły,
• zawór rozprężny – zadaniem zaworu rozprężnego jest całkowite obniżenie ciśnienia schłodzonego już czynnika oraz obniżenie jego temperatury, tak aby po ponownym trafieniu do parownika był w stanie odebrać jak najwięcej energii cieplnej z powietrza.

Fot. Obrazowy schemat działania pompy ciepła powietrze-woda:

Praca pompy ciepła zimą

Zimą w związku ze spadkiem temperatury otoczenia, obniża się wydajność samej pompy ciepła tzn. pompa ciepła będzie musiała wykorzystać więcej energii elektrycznej do wyprodukowania określonej ilości energii cieplnej np. przy temperaturze -7°C wykorzysta więcej energii, niż przy temperaturze +7°C. Wiedząc to, każdy doświadczony instalator dobiera pompę ciepła indywidualnie dla każdego budynku. Wiąże się to z koniecznością wykonania audytu OZC (obliczenie zysków ciepła), który pozwoli na określenie zapotrzebowania budynku dla projektowej temperatury zewnętrznej. Ta uzależniona jest od strefy klimatycznej, w jakiej montowane będzie urządzenie.

Następnie instalator określi punkt biwalentny – punk temperatury otoczenia, w którym pompa ciepła swoją wydajnością pokrywa zapotrzebowanie budynku, natomiast powyżej tej temperatury jej wydajność jest wyższa w stosunku do zapotrzebowania, a poniżej niższa. W zdecydowanej większości przypadków punkt taki obierany jest dla około -7°C. Tu często pojawia się pytanie – dlaczego nie przy projektowej temperaturze zewnętrznej czyli np. 20°C? Ponownie odnosimy się tu do charakterystyki powietrznych pomp ciepła – im temperatura otoczenia jest wyższa, tym wydajność pompy ciepła wzrasta, a to doprowadza do sytuacji gdzie urządzenie musi pracować krócej w celu wyprodukowania ilości energii cieplnej, która pokryje spadające zapotrzebowanie budynku. Zmniejszenie zapotrzebowania wpływa tu również na czas pracy urządzenia – im mniejsze zapotrzebowanie tym krótsza praca jednostki. W tym miejscu pojawia się przyczyna wykorzystania punktu biwaletnego. Ma to na celu uniknięcie taktowania pompy ciepła (taktowanie pompy ciepła jest to uruchamianie pompy na krótki okres czasu np. 15min w którym pompa uzupełni zapotrzebowanie budynku, a uruchomienie takie ma miejsce np. 3-krotnie w ciągu godziny), które w wyniku krótkich cykli pracy sprężarki będzie skracać jej żywotność!

Żywotność sprężarki jest przewidziana w godzinach lub w ilości cykli uruchomień. Dzięki wykorzystaniu sprężarek inwerterowych, które mogą modulować swoją prędkością i wydajnością do około 30% nominalnych wartości producenci pomp ciepła redukują ryzyko wystąpienia taktowania. Jednakże jeśli pompa zostanie przewymiarowana – tj. dobrana np. dla projektowej temperatury otoczenia, ta modulacja może okazać się niewystarczająca już przy około 0°C na zewnątrz. Punkt biwaletny w okolicach -7°C oznacza również, że poniżej tej temperatury pompa ciepła wymagała będzie wspomagania w postaci dodatkowego źródła ciepła (najczęściej w postaci grzałek elektrycznych), tak aby móc pokryć braki w wydajności urządzenia do projektowej temperatury otoczenia. Poniżej schemat obrazujący charakterystykę budynku i pompy ciepła w okresie grzewczym:

Powyższy opis obrazuje prawidłowy dobór urządzenia. Wybranie urządzenia o zbyt małej mocy skutkować będzie częstszym korzystaniem z pomocniczych źródeł ciepła, natomiast wybranie urządzenia o zbyt dużej mocy będzie skutkować taktowaniem, a zatem skróceniem żywotności urządzenia.
Równolegle z doborem pompy ciepła istotny jest prawidłowy montaż urządzenia. To on pozwoli na skuteczną pracę instalacji z pompą ciepłą. Poniżej kluczowe elementy pod kątem doboru urządzenia pozwalające na jego nominalną pracę:

Średnice rurociągów

Producenci projektując pompę ciepła wykorzystują odpowiedni względem wydajności układu chłodniczego skraplacz. Tym samym nakładają konkretne wymagania pod kątem średnic rurociągów, tak aby określoną ilość ciepła wyprodukowaną przez urządzenie móc skutecznie przekazać do budynku.

Zład wody

Kolejnym istotnym punktem, zwłaszcza w okresie zimowym, jest zapewnienie pompie ciepła odpowiedniej ilości wody, będącej jej nieograniczonym zładem wody. Może to być przykładowo bufor lub w konkretnych przypadkach instalacja ogrzewania podłogowego, które nie jest sterowane. Zład wody ma pozwolić na prawidłowe przekazanie wyprodukowanego ciepła do instalacji, jak również ma służyć jako swoisty „magazyn” tej energii cieplnej, który wykorzystany będzie do wykonania odszraniania. W wyniku niskiej temperatury parownika oraz wilgoci zgromadzonej w przepływającym przez niego powietrzu, na lamelach parownika pojawia się zaszronienie przechodzące w lód. Ten lód ogranicza przepływ powietrza przez wymiennik, a tym samym ogranicza jego wydajność. Automatyka pompy ciepła analizuje na bieżąco odczyty temperatur na parowniku i przy osiągnięciu wartości granicznych przeprowadza proces odszraniania. Proces ten polega na odwróceniu obiegu czynnika chłodniczego i zamiany pod kątem funkcji parownika i skraplacza. W tym momencie pompa ciepła pracuje tak jak w trybie chłodzenia – odbiera ciepło poprzez wymiennik czynnik chłodniczy/woda i czynnikiem chłodniczym przekazuje gorący gaz na wymiennik powietrze/czynnik chłodniczy, topiąc tym samym nagromadzony lód. Ilość energii cieplnej potrzebnej do wykonania tego procesu zależna jest od mocy urządzenia i gabarytów wymienników, stąd tak istotne jest, aby pompa ciepła miała magazyn tej energii w nieograniczonym zładzie wody. Brak odpowiedniego zładu skutkował będzie niepełnym trybem odszraniania, a za tym podniesienie częstotliwości tych procesów, a w przypadku niepełnego ich wykonywania kompletnym zamarznięciem wymiennika powietrze/czynnik chłodniczy.

Zabezpieczenie przed zamarzaniem

W przypadku pomp ciepła monoblok (gdzie zarówno parownik jak i skraplacz znajdują się w jednostce zewnętrznej) konieczne jest doprowadzenie instalacji wodnej do jednostki zewnętrznej. Ze względu na panujące warunki zewnętrzne, oraz przy ewentualnych brakach w dostawach prądu istnieje ryzyko, że woda znajdująca się na zewnątrz zamarznie. Stąd właśnie wymóg stosowania zabezpieczenia przed zamarzaniem gdzie dla pomp ciepła Haier gwarancyjnie dopuszczalne rodzaje zabezpieczenia to zastosowanie dwóch zaworów antyzamrożeniowych (ich otwarcie następuje przy spadku temperatury wody do ok 3°C, a następnie poprzez powolne upuszczanie wody niwelowane jest ryzyko jej zamarznięcia w układzie pompy ciepła i jej rurociągów) lub mieszaniny wody z glikolem (tu rozwiązaniem są właściwości glikolu, który przy odpowiednim stężeniu jest w stanie nie zamarznąć nawet przy -25°C). Ewentualne zamarznięcie wody w wymienniku będzie skutkować zwiększaniem jej objętości, a za tym uszkodzeniem samego wymiennika. W wyniku takiej sytuacji do układu chłodniczego dostaje się wilgoć, która jest zabójcza dla całego osprzętu, a przede wszystkim sprężarki. Pompy ciepła Haier monoblok posiadają dodatkowo funkcję antifreeze, zabezpieczającą przed zamarzaniem urządzenia poprzez wymuszenie pracy pompy obiegowej (zawsze gdy do urządzenia dostarczana jest energia elektryczna). Połączenie obu tych rozwiązań – zabezpieczenia przed zamarzaniem w przypadku braku dostaw energii, oraz funkcji antifreeze w okresie braku zapotrzebowania na pracę pompy ciepła pozwala nie martwić się użytkownikowi o ewentualne uszkodzenie pompy ciepła w wyniku jej zamarznięcia.

Odkamienianie instalacji

Odkamienianie czynność najistotniejsza w przypadku budynków modernizowanych, gdzie w układach znajduje się woda dopuszczana bezpośrednio z instalacji wodno-kanalizacyjnej, ze względu na związki mineralne zawarte w niej oraz jej twardość. Kluczowym problemem jest tutaj kamień – osadzą się on w instalacji, np. w grzejnikach czy rurociągach ogrzewania podłogowego i zaczyna funkcjonować niczym izolator ograniczając wydajność poszczególnych elementów i zmniejszając ich nominalną efektywność. W przypadku budynków istniejących procedura odkamieniania i płukania potrafiła przynieść korzyści w postaci obniżenia temperatury zasilania przy zachowaniu komfortu w budynku nawet o 10°C co znacząco wpływa na obniżenie kosztów ogrzewania,

Filtry w instalacji z pompą ciepła

Filtracja wody krążącej w układzie ma na celu ochronę osprzętu pompy ciepła przed zabrudzeniami mogącymi znajdować się w instalacji, stąd wymóg stosowania zarówno filtra siatkowego oraz magnetycznego, gdzie jeden będzie miał za zadanie wstępnie filtrować wodę pod kątem większych zabrudzeń, a kolejny wyłapie drobniejsze zabrudzenia oraz ewentualne opiłki metali,

Separator powietrza

Zadaniem separatora powietrza jest wyłapywanie pęcherzyków powietrza wytrącanych na etapie podgrzewania wody i usuwaniem ich z układu. Skutkuje to uniknięciem ryzyka zapowietrzenia instalacji, a co za tym idzie zachowania pełnej efektywności ogrzewania,

Zbiornik ciepłej wody użytkowej

Najważniejszym parametrem na jaki trzeba zwrócić uwagę przy wyborze zbiornika jest jego przeznaczenie. Wszystkie pompy ciepła Haier są pompami niskotemperaturowymi, tzn ich maksymalna temperatura wody jaką mogą wyprodukować to 55°C – taki parametr wymusza wybranie zbiornika dedykowanego do niskotemperaturowych źródeł ogrzewania, gdzie stosunek powierzchni wymiany i pojemności jest znacznie większy niż chociażby w przypadku zbiorników do źródeł wysokotemperaturowych, które są w stanie wygenerować temperaturę na poziomie nawet 80°C. Odpowiednio dobrany zbiornik pozwoli na efektywne i ekonomiczne podgrzanie wody użytkowej.

Spełnienie opisanych powyżej warunków, tzn. odpowiedni dobór i montaż wymaganych elementów zgodnie ze schematami zalecanymi przez producenta pomp ciepła Haier pozwala osiągać maksymalne parametry pracy pompy ciepła, a co za tym idzie wykorzystaniem urządzenia w pełnym zakresie przy niskim zużyciu energii elektrycznej. Niedopełnienie tych dwóch fundamentów dla pomp ciepła będzie niosło za sobą konsekwencje w postaci wysokich rachunków za ogrzewanie, brakiem możliwości osiągnięcia parametrów komfortowych dla użytkowników czy nawet uszkodzenia urządzenia. Dlatego tak istotne jest korzystanie z autoryzowanych i polecanych przez producentów instalatorów i serwisantów – posiadają oni odpowiednią wiedzę i doświadczenie, które pozwolić zainstalować urządzenie spełniające oczekiwania użytkownika przez długie lata i nawet najbardziej srogie zimy.

Ekspert Haier – Rafał Spaczyński, specjalista ds. produktu oraz szkoleniowiec.