Kaskady pomp ciepła, czyli praca w ciągle udoskonalanym zespole

Pompy ciepła są coraz popularniejszym rozwiązaniem systemu ogrzewania w budynkach, również w przypadku większych wymaganych mocy. Optymalnym rozwiązaniem dla instalacji większej mocy jest połączenie urządzeń w układy kaskadowe lub stosowanie wielostopniowych pomp ciepła.

Od prostych kaskad…

Kaskada z wykorzystaniem zewnętrznych sygnałów blokowania lub zapotrzebowania z zewnątrz była stosowana w pierwszych pompach ciepła. Początkowo nie było potrzeby stosowania skomplikowanych układów. Rozwiązanie opierało się na kilku pompach ciepła, przy czym każda z nich wyposażona była we własną automatykę. Projektując i budując układ, należało zdecydować, która z nich będzie pompą ciepła wiodącą, a która nadążną.

Pompa ciepła wiodąca realizowała wszystkie zadania i mogła w razie potrzeby skorzystać z dodatkowej mocy grzewczej nadążnych pomp ciepła. Zaletą takiego rozwiązania była prostota wykonania oraz najczęściej brak dodatkowych elementów wyposażenia. Więcej punktów można jednak wymienić po stronie wad. Urządzenie wiodące pracowało zawsze jako pierwsze, a więc pracowało najdłużej, z kolei ostatnie w kaskadzie, a więc ostatnie nadążne pracowało zwykle kilka godzin w ciągu roku. Urządzenie wiodące nie miało żadnych informacji o temperaturze w dolnych i górnych źródłach ciepła nadążnych pomp ciepła. Nie było możliwa praca równoległa pomp ciepła na różne odbiorniki ciepła.

…przez układy z wzajemną komunikacją regulatorów pomp ciepła…

Naturalną ewolucją była wzajemna komunikacja regulatorów pomp ciepła. Taka kaskada usunęła wszystkie niedogodności pierwszego rozwiązania. W dalszym ciągu należy wcześniej zdecydować, która z pomp ciepła jest urządzeniem wiodącym, a które pompy ciepła są nadążne, lecz służy to jedynie określeniu, na którym z regulatorów dokonujemy ustawień schematu hydraulicznego realizowanego przez instalację. Urządzenia „widzą się” wzajemnie, tak więc możliwe jest sterowanie załączaniem i wyłączaniem pomp ciepła z uwzględnieniem zarówno ich czasów pracy, jak też mocy grzewczej. Inny algorytm obowiązywać będzie, gdy do czynienia mamy z kaskadą pomp ciepła o tej samej mocy grzewczej, a inny, gdy kaskada składa się z pomp ciepła o różnej mocy grzewczej.

Kaskada pomp ciepła o tej samej mocy grzewczej

Dysponując pompami ciepła o tej samej mocy grzewczej, sensowna jest praca z wyrównaniem czasów pracy każdej z nich. W przypadku wystąpienia zapotrzebowania na ciepło, automatyka wiodącej pompy ciepła załącza w pierwsze kolejności tę z pomp ciepła, która pracowała do tej pompy najmniej. Brak pokrycia zapotrzebowania, czy inaczej mówiąc, brak zdolności pracującej pompy ciepła do pokrycia zapotrzebowania skutkuje dołączeniem kolejnej pompy ciepła z drugim najkrótszym czasem pracy i tak dalej. Stopniowe wygrzewanie instalacji spowoduje podnoszenie temperatury na powrocie do pracujących pomp ciepła i w konsekwencji wyłączanie ich w odwrotnej kolejności.

Kaskada pomp ciepła o różnej mocy grzewczej

Różne moce grzewcze pozwalają na urozmaicenie wzajemnej pracy pomp ciepła. Wystąpienie zapotrzebowania na ciepło spowoduje załączenie w pierwszej kolejności pompy ciepła o najmniejszej mocy grzewczej, a dopiero później urządzenia o większej mocy. Na uwagę zasługuje fakt, iż kaskada złożona z dwóch pomp ciepła o różnej mocy może pracować 3-stopniowo:

1. stopień – praca tylko pompy ciepła o mniejszej mocy grzewczej,
2. stopień – praca tylko pompy ciepła o większej mocy grzewcze,
3. stopień – praca obu pomp ciepła. W takim rozwiązaniu pomp ciepła o najmniejszej mocy ma zazwyczaj najdłuższe czasy pracy, ale nie są to duże różnice.

…po rozwiązania z wielostopniowymi pompami ciepła 

Celowo nie zostało tutaj użyte słowo kaskada, ponieważ w rzeczywistości mamy do czynienia z kilkoma pompami ciepła (najczęściej dwa urzadzenia), ale tylko jednym regulatorem, który zarządza pracą obu pomp ciepła.
Urządzenie składa się z pompy ciepła wiodącej „Master” oraz nadążnej „Slave”. Jedynie ta pierwsza ma regulator pozwalający na programowanie instalacji i załączanie i wyłączanie poszczególnych pomp ciepła. Nadążna pompa ciepła może pracować jedynie w instalacji z pompą „Master”, która steruje zapotrzebowaniem pracy. Obie pompy ciepła mają własny układ termodynamiczny oraz własne króćce dolnego i górnego źródła ciepła. Możemy zatem dość swobodnie budować instalację, przypisując zadania dla każdej z pomp. Zarówno pompa ciepła wiodąca, jak i nadążna może realizować ogrzewanie budynku, przygotowanie ciepłej wody użytkowej, chłodzenie pomieszczeń oraz ogrzewanie basenu, jednak co istotne oba stopnie mogą funkcjonować równolegle na różne odbiorniki ciepła w zależności od zapotrzebowania. Każda z pomp ciepła może zostać także zablokowana do wybranej funkcji.

Moc PC1≠PC2: jako pierwsza startuje pompa ciepła o mniejszej mocy grzewczej. Druga pompa ciepła załączana jest w przypadku gdy pierwsza pompa ciepła nie jest w stanie pokryć zapotrzebowania. Po załączeniu drugiej pompy ciepła, ta pierwsza jest wyłączana. Praca obu pomp ciepła równolegle na potrzeby c.o. ma miejsce, gdy okaże się, że moc drugiej pompy ciepła nie wystarcza.

Moc PC1=PC2: jako pierwsza startuje pompa ciepła o mniejszym, łącznym czasie pracy. Druga pompa ciepła dołączana jest w przypadku braku wystarczającej mocy pierwszej. Podczas każdego kolejnego zapotrzebowania na pracę regulator na nowo odpytuje pompy ciepła o ich łączne czasy pracy i znów jako pierwszą załącza tą z najkrótszym czasem.

Ważna hydraulika

Instalacje złożone z kilku pomp ciepła, czy to w układzie dwustopniowym, czy w kaskadzie mogą realizować równolegle różne funkcje, np. przygotowanie ciepłej wody użytkowej i centralne ogrzewanie budynku. Należy zwrócić szczególną uwagę na sposób połączenia urządzeń pod kątem hydraulicznym, tak aby nie dochodziło do mieszania się wody o różnej temperaturze na powrotach. Błędy tutaj popełnione mogą być przyczyną późniejszych usterek, takich jak wyłączanie pomp ciepła od wysokiego ciśnienia, niezamierzone wychładzanie się zbiornika ciepłej wody czy przegrzewanie bufora wody grzewczej. Prowadzi to także do zmniejszenia efektywności pracy instalacji oraz w konsekwencji do wzrostu kosztów eksploatacyjnych.
Podstawową sprawą jest zapewnienie rozdzielenia powrotów z różnych temperaturowo odbiorników ciepła, przede wszystkim obiegu ogrzewania wody użytkowej oraz obiegu zbiornika buforowego wody grzewczej. Należy pamiętać, że temperatura zasilania pompy ciepła jest zawsze zależna od temperatury powrotu i wynosi T_zasilania = T_powrotu + ∆T (∆T = 5 – 7 K)