W instalacji z pompą ciepła rolę magazynu energii może z powodzeniem pełnić ogrzewanie podłogowe wraz z warstwą wylewki. Cechuje się ono dużą pojemnością cieplną nawet przy niewielkim wzroście temperatury. Nie zawsze jednak istnieje możliwość zastosowania ogrzewania podłogowego. Przykładem mogą być budynki poddawane modernizacji, w których wiązałoby się to z szerokim zakresem prac oraz wysokim kosztem. W takiej sytuacji częściej stosowane są grzejniki niskotemperaturowe lub klimakonwektory, czyli odbiorniki o małej pojemności cieplnej. W związku z tym niezbędne jest uzupełnienie instalacji o magazyn energii w postaci zbiornika buforowego.
Zastosowanie zbiornika buforowego pozwala wydłużyć poszczególne cykle pracy pompy ciepła poprzez akumulację nadwyżki energii i sukcesywne przekazywanie jej do instalacji, proporcjonalnie do aktualnych potrzeb. Poza tym zbiornik buforowy pozwala połączyć kilka źródeł ciepła w jednym systemie, np. pompę ciepła z kolektorami słonecznymi, kominkiem z płaszczem wodnym czy kotłem szczytowym. Pierwszeństwo w przekazywaniu energii do zbiornika buforowego mają oczywiście te źródła, których koszt eksploatacji jest w danej chwili najniższy.
Rodzaje zbiorników buforowych
Proste zbiorniki buforowe (rys.1)
Zbliżone formą do sprzęgła hydraulicznego o dużej pojemności. Pozwalają na wydłużenie cykli pracy pompy ciepła. Część z nich zapewnia również możliwość integracji kilku źródeł ciepła dzięki zastosowaniu warstwowego układu króćców. Ich zaletą jest prosta konstrukcja i niska cena. Nie mają one jednak wbudowanych wymienników ciepła. Nie mogą również pełnić roli podgrzewaczy wody użytkowej.
Zbiorniki buforowe typu zbiornik w zbiorniku (rys.2)
Stanowią rozwinięcie konstrukcji prostego zbiornika buforowego poprzez integrację w górnej części pojemnościowego podgrzewacza wody. Mogą również mieć wbudowane wymienniki ciepła w postaci wężownic. Dzięki temu prócz pompy ciepła możemy zasilać zbiornik, np. za pomocą kolektorów słonecznych czy kominka z płaszczem wodnym.
Zaletą buforów typu zbiornik w zbiorniku jest prosta i kompaktowa budowa, która pozwala zaoszczędzić przestrzeń kotłowni. Umieszczony w górnej części bufora zasobnik ciepłej wody jest cyklicznie podgrzewany przez pompę ciepła za pośrednictwem wężownicy lub poprzez strumień czynnika grzewczego omywający płaszcz wewnętrznego zbiornika.
W przypadku wykorzystania wężownicy jej powierzchnia powinna być jak największa i wynosić co najmniej 0,2-0,25 m2/kW mocy pompy ciepła, by móc swobodnie przekazywać moc pompy ciepła mimo względnie niskiej temperatury czynnika. Jest to trudne do osiągnięcia w zbiorniku o pojemności rzędu 150-200 l, stąd w większości przypadków zasobnik jest ogrzewany poprzez płaszcz.
Jego powierzchnia jest większa od powierzchni wężownicy znajdującej się w podgrzewaczu, ale za to przekazywana moc porównywalna lub tylko minimalnie wyższa od mocy wężownicy. Wynika to z laminarnego przepływu wody wokół zasobnika i niewielkiej różnicy temperatury pomiędzy czynnikiem grzewczym, a wodą użytkową. W efekcie zdarza się, że woda wokół zasobnika c.w.u. zostaje w krótkim czasie podgrzana do wysokiej temperatury, a mimo to temperatura wody użytkowej w zasobniku jest nadal niska. Przykładowo w trakcie uruchomienia instalacji z pompą ciepła o mocy 10 kW zasilającej górną część zbiornika buforowego o pojemności 500 l z wbudowanym zasobnikiem ciepłej wody o pojemności 200 l, woda w płaszczu wokół zbiornika została podgrzana do 62°C, a temperatura wody wewnątrz zasobnika osiągnęła zaledwie 35°C. Sprężarka wyłączyła się automatycznie i dopiero, gdy minął czas blokady pracy sprężarki nastąpiło ponowne podgrzanie wody w płaszczu zbiornika, co finalnie pozwoliło osiągnąć około 52-53°C wewnątrz zasobnika ciepłej wody. Korzystniejszym rozwiązaniem byłoby jednak podgrzanie wody w trakcie pojedynczego cyklu pracy sprężarki. W związku z tym pompa ciepła powinna pracować ze zbiornikiem o sprawdzonej wydajności, dopasowanej do mocy pompy ciepła. W praktyce najkorzystniej jest stosować zbiorniki o pojemności co najmniej 500 l, w których pojemność płaszcza jest większa i pozwala na dłuższą pracę pompy ciepła.
Zbiorniki buforowe z wbudowaną wężownicą do przygotowania c.w.u. (rys. 5)
Jednym z rozwiązań, które pozwala wykluczyć ryzyko przerywanej pracy pompy ciepła w trybie ciepłej wody jest zastosowanie zbiornika buforowego z wbudowaną wężownicą, wykonaną z reguły ze stali nierdzewnej. Stanowi ona efektywny wymiennik ciepła, w którym w sposób przepływowy podgrzewana jest woda użytkowa. Początek wężownicy znajduje się w dolnej części bufora, z której zasilana jest instalacja ogrzewania domu. W tej strefie zimna woda trafiająca do wnętrza wężownicy ogrzewa się wstępnie od czynnika zasilającego instalację podłogową. Następnie woda użytkowa płynie wężownicą do górnej jej części znajdującej się w przestrzeni bufora, w której utrzymywana jest wysoka temperatura, np. 60-65°C. W tej strefie woda użytkowa osiąga wysoką temperaturę, opuszcza wężownicę i trafia do instalacji c.w.u. Do zalet zbiorników buforowych z wbudowaną wężownicą do przygotowania ciepłej wody należą: prosta budowa, brak ryzyka gromadzenia osadów oraz rozwoju bakterii termofilnych. Nie ma też ryzyka, że poszczególne cykle pracy pompy ciepła w trybie ciepłej wody będą krótkie ponieważ musi ona podnieść temperaturę przestrzeni o dużej pojemności często od 200 do nawet 1000 l. Do wad tego typu zbiornika należą trudności w dokładnej regulacji temperatury wody użytkowej oraz brak możliwości uzyskania bardzo wysokiego przepływu wody. Wynika to z ograniczonej mocy wężownicy, stąd zbiorniki tego typu znajdują swoje zastosowanie przede wszystkim w budownictwie jednorodzinnym.
Zbiorniki buforowe warstwowe z modułem/modułami świeżej wody (rys. 6)
Zestaw stanowi połączenie zbiornika buforowego o dużej liczbie króćców z przepływowym podgrzewaczem wody wyposażonym w płytowy wymiennik ciepła. Poprzez dobór podgrzewacza z wymiennikiem ciepła o odpowiednio dużej powierzchni lub zastosowanie kaskady podgrzewaczy można uzyskać przepływ wody użytkowej na poziomie nawet 150-200 l/min. Pozwala to wykorzystać tę technologię również w budynkach wielorodzinnych. Zaletą tego rozwiązania jest przede wszystkim połączenie dwóch skrajności czyli możliwości zmagazynowania dużej ilości energii jaką daje przestrzeń zbiornika buforowego z bezpieczeństwem przepływowego ogrzewania wody. Podobnie jak w buforze z wbudowaną wężownicą energia jest magazynowana w czynniku grzewczym w górnej części zbiornika, a nie w wodzie użytkowej, stąd ryzyko rozwoju bakterii termofilnych jest wielokrotnie niższe niż w przypadku typowych zasobników c.w.u. o dużej pojemności.
Podłączenie źródeł i odbiorników ciepła do zbiorników buforowych…
…zalecane
W przypadku wielofunkcyjnych zbiorników buforowych typu zbiornik w zbiorniku czy też z wbudowaną wężownicą do przygotowania c.w.u. lub stacją świeżej wody najważniejsza jest możliwość oddzielnej pracy pompy ciepła z wysoką temperaturą, w trakcie zasilania górnej warstwy zbiornika i z niższą temperaturą podczas magazynowania energii w dolnej bufora. W tym celu stosuje się z reguły jeden lub dwa zawory przełączające. Dzięki temu pompa ciepła pracuje z wysoką temperaturą tylko podczas magazynowania energii na potrzeby przygotowania ciepłej wody użytkowej. W pozostałym czasie pompa ciepła nie pracuje lub zasila dolną część bufora pracując z niską temperaturą, a przez to wysoką sprawnością.
…i niezalecane
Częstym błędem jest zasilanie zbiornika wyłącznie za pomocą górnego króćca zbiornika i zasilenie instalacji c.o. z króćca zabudowanego na zbliżonym poziomie (rys. 6). Pompa ciepła uruchamia się wówczas w celu podgrzania wody użytkowej. Musi więc zapewnić wysoką temperaturę w górnej części zbiornika. Niestety później chłodna woda wracająca z instalacji c.o. omywa zasobnik c.w.u., schładzając w nim zgromadzoną wodę. Już po kilkunastu minutach może się okazać, że mimo zmagazynowanego, dużego zapasu ciepłej wody wymaga ona ponownego podgrzania. W efekcie pompa ciepła ponownie uruchamia się i pracuje z wysoką temperaturą, a przez to i niską sprawnością. Takie rozwiązanie jest więc bardziej zalecane, np. dla współpracy z kotłem stałopalnym, który pracuje ze stałą, wysoką temperaturą zasilania, a nie dla pompy ciepła.
Dobór pojemności – ze względu na liczbę osób i moc pompy ciepła
Ważną kwestią jest określenie wymaganej pojemności zbiornika buforowego. Przy czym musimy tu mieć na uwadze zarówno zapewnienie komfortu ciepłej wody, jak i optymalizację długości cykli pracy pompy ciepła. Dla uzyskania odpowiedniego komfortu ciepłej wody wstępnie należy dobrać co najmniej 50 l pojemności górnej warstwy podgrzewacza na osobę. W celu zredukowania liczby cykli pracy sprężarki zaleca się natomiast, by pojemność dolnej warstwy zbiornika wynosiła co najmniej 10-20 l/kW mocy pompy ciepła. Niższa wartość dotyczy konfiguracji z ogrzewaniem podłogowym, a wyższa z grzejnikami. Podłączając do zbiornika buforowego dodatkowe źródła ciepła również należy uwzględnić wymagania danej technologii. Przykładowo dla kolektorów słonecznych powinno to być 80-100 l/m2 kolektora, a dla kominka z płaszczem wodnym 20-50 l/kW. Niższe wartości można stosować dla kominka czy kotła wyposażonego w możliwość automatycznej regulacji wydajności, szczególnie dla kotła z podajnikiem paliwa.
Zalecenia montażowe
Jak każdy magazyn energii zbiornik buforowy powinien być chroniony przed stratami. W związku z tym warto wybierać modele o jak najniższym strumieniu strat ciepła. Wartość ta jest na etykiecie energetycznej i karcie produktu.
Równie ważną, a może nawet ważniejszą kwestią jest staranna izolacja termiczna rur łączących zbiornik buforowy z instalacją oraz izolacja niewykorzystanych króćców. Przykładowo w jednej z instalacji mimo zastosowania zbiornika buforowego o pojemności 500 l wyposażonego w skuteczną izolację termiczną straty postojowe byłby bardzo wysokie i wynosiły około 10 kWh/dobę co odpowiada zużyciu co najmniej 1 m3 gazu ziemnego. Po zmodernizowaniu instalacji i zaizolowaniu rur wartość strat ciepła spadła do około 3 kWh i była tylko minimalnie wyższa od strat ciepła z dobrze izolowanego zbiornika buforowego. Dzięki modernizacji instalacji udało się zredukować zużycie gazu o około 0,7 m3/dobę, czyli nawet 255 m3/rok. Koszt izolacji termicznej i robocizny zwrócił się praktycznie w ciągu jednego roku. Świadczy to o tym, jak duże są możliwości poprawy skuteczności pracy wielu instalacji oraz o tym, jak duża odpowiedzialność spoczywa na wykonawcy instalacji.