Ogrzewanie podłogowe i pompa ciepła to oczywiste połączenie. Wiele osób uznaje wręcz, że to jedyne słuszne rozwiązanie w przypadku zastosowania pompy ciepła w domach jednorodzinnych. Mimo to nie zawsze wykorzystujemy możliwości, jakie oferuje system ogrzewania podłogowego. Chodzi tu przede wszystkim o akumulację ciepła i optymalizację pracy źródła, czyli pompy ciepła.
Układ ze zbiornikiem buforowym
Ogrzewanie podłogowe jest cenione przede wszystkim za możliwość ogrzania pomieszczeń przy względnie niskiej temperaturze wody (czynnika grzewczego), dziś coraz częściej w okolicy lub nawet poniżej 30°C. Dzięki temu różnica między temperaturą górnego i dolnego źródła jest niższa, a w efekcie sprawność pompy ciepła wyższa. Za to nie zawsze wykorzystujemy inną cechę instalacji podłogowej, jaką jest możliwość akumulacji znacznej ilości ciepła. Bardzo często niezależnie od tego czy pompa ciepła współpracuje z ogrzewaniem podłogowym, czy z grzejnikami lub klimakonwektorami i tak stosujemy zbiornik buforowy. Jego zadaniem jest akumulacja ciepła w trakcie poszczególnych cykli pracy pompy ciepła i zasilanie instalacji proporcjonalnie do jej aktualnych potrzeb. Oczywiście taki układ (rys. 1) pracuje poprawnie i zapewnia bezpieczną eksploatację pompy ciepła oraz względnie długie cykle pracy sprężarki.
Można bez…
W wielu przypadkach zastosowanie ogrzewania podłogowego pozwala zrezygnować ze zbiornika buforowego, a to oczywiście generuje spore oszczędności, ponieważ nie musimy kupować zbiornika, pompy obiegowej, a czasem i dodatkowego modułu sterującego. Odpowiednia grubość warstwy jastrychu w instalacji ogrzewania podłogowego może w pełni zastąpić zbiornik buforowy.
Przykład obliczeniowy.
Możemy to w prosty sposób przeanalizować na przykładzie domu o powierzchni 200 m2, w którym zastosowano ogrzewanie podłogowe i wylewkę o grubości 6,5 cm.
Obliczmy, jaką ilość energii możemy zakumulować w materiale wylewki, podnosząc jej temperaturę o zaledwie 1 K.
Przyjęto gęstość jastrychu 2000 kg/m3, a ciepło właściwe 1 kJ/kg × K. Objętość warstwy betonu to 200 × 0,065 = 13 m3. Ogrzanie takiej objętości betonu o 1 K oznacza potrzebę doprowadzenia energii w ilości: 13 × 2000 × 1 × 1 = 26 000 kJ, czyli około 7,22 kWh.
Jaką objętość wody potrzebowalibyśmy do zmagazynowania takiej samej ilości energii?
V = 26000/ (998 × 4,19 × 1) = 6,22 m3
Chcąc zakumulować podobną ilość energii, co w wy- lewce o objętości 13 m3 ogrzewając wodę o 1 K, musielibyśmy zastosować zbiornik buforowy o objętości nieco ponad 6 m3. Wynika z to faktu czterokrotnie większej pojemności cieplnej wody, ale równocześnie dwukrotnie niższej gęstości. Z oczywistych względów zbiorniki buforowe o tak dużej pojemności są niezwykle rzadko stosowane w budynkach jednorodzinnych. Z reguły stosuje się zbiorniki o znacznie mniejszej pojemności, rzędu 100-500 l, woda zaś podgrzewana o 5-7 K, co pozwala zakumulować większą ilość ciepła i zapewnić odpowiednio długi czas pracy sprężarki.
Mimo wszystko warto korzystać z dużej pojemności cieplnej instalacji podłogowej i w uzasadnionych przypadkach rezygnować z zastosowania zbiornika buforowego. Pozwala to zredukować koszty inwestycji z uwagi na brak konieczności zakupu zbiornika, pompy i ewentualnego modułu. Ułatwia to również montaż i redukuje przestrzeń zajmowaną przez urządzenia techniczne. Poza tym cykle pracy pompy ciepła mogą być również dłuższe. Analizując to na powyższym przykładzie, zakładając, że do ogrzewania domu o powierzchni 200 m2 zastosowano pompę ciepła o mocy 10 kW, pojemność cieplna instalacji podłogowej pozwala na ciągłą pracę sprężarki przez 7,22/10 = 0,72 h, czyli około 42 minut i to zakładając ogrzewanie wylewki betonowej jedynie o 1 K. Dla porównania, stosując zbiornik buforowy napełniony wodą, podgrzewaną o około 7 K, w zależności od pojemności zbiornika uzyskamy następujące czasy pracy pompy ciepła (tabela powyżej).
Oczywiście rzeczywisty czas pracy sprężarki będzie zależny od wielu czynników, w tym sposobu regulacji, rozmieszczenia czujników temperatury, itp. W każdym bądź razie widoczne na tym tle, znaczne możliwości akumulacji energii w wylewce betonowej warto jest wykorzystywać. Jest to szczególnie wygodne rozwiązanie w połączeniu z kompaktową pompą ciepła, z wbudowanym podgrzewaczem wody. Zastosowanie takiego rozwiązania (rys. 2) pozwala maksymalnie zredukować koszt inwestycji i zakres prac montażowych. Sprowadzają się one do posadowienia pompy ciepła i doprowadzenia rur instalacji dolnego źródła oraz wody zimnej i ciepła, a także podłączenia rury zasilającej i powrotnej ogrzewania podłogowego. System jest prostszy, tańszy i pozwala lepiej wykorzystać powierzchnię pomieszczenia technicznego.
Warunki konieczne do bezpośredniego podłączenia pompy ciepła do instalacji podłogowej
Po pierwsze, pompa ciepła powinna być wyposażona w sterownik z funkcją bilansu energii, który w sposób ciągły kontroluje ilość ciepła oddawaną przez instalację podłogową do pomieszczenia. Pomiar ten jest podstawą do zarządzania pracą pompy ciepła proporcjonalnie do aktualnych potrzeb. Efektem jest mniejsza liczba cykli pracy pompy ciepła (w porównaniu do układu z buforem), niższa temperatura zasilania i niższe straty ciepła z instalacji.
Po drugie opory przepływu w instalacji podłogowej powinny być na tyle niskie, by dostępne ciśnienie dyspozycyjne pompy obiegowej w pompie ciepła zapewniło osiągnięcie zalecanego przepływu. Z reguły instalację projektuje się z uwzględnieniem różnicy temperatury zasilania i powrotu na poziomie 5 K. Ważne, by średnice rur i długości pętli ogrzewania podłogowego były dostosowane do wymaganego przepływu. W przeciwnym razie niezbędne będzie zastosowanie zbiornika buforowego w roli sprzęgła hydraulicznego i montaż dodatkowej pompy obiegowej za zbiornikiem buforowym (rys. 1).
Po trzecie – niezależnie od warunków zewnętrznych i zadanej oraz zmierzonej temperatury w poszczególnych pomieszczeniach – nie może dochodzić do gwałtownego ograniczenia przepływu w instalacji. Nie możemy więc wyposażyć wszystkich pomieszczeń w dodatkowy układ miejscowej regulacji temperatury. W przeciwnym razie podczas pracy pompy ciepła mogłoby dojść do gwałtownego spadku przepływu i przyrostu temperatury zasilania oraz różnicy temperatury, co mogłoby skutkować awaryjnym wyłączeniem urządzenia. Myśląc o zastosowaniu dodatkowego systemu miejscowej regulacji temperatury, musimy, albo od razu zdecydować się na zastosowanie zbiornika buforowego, albo zredukować liczbę pętli z miejscową regulacją temperatury do maksymalnie 30-40% (dokładna wartość należy zawsze ustalić z producentem pompy ciepła). Podobnie, gdy chcemy podzielić instalację grzewczą na kilka obiegów, np. jeden obsługujący parter i drugi zasilający poddasze, stosując osobne grupy pompowe, wówczas niezbędne jest zastosowanie zbiornika buforowego (rys. 3). W przeciwnym razie mogłoby dość do sytuacji, w której jeden lub dwa zawory mieszające zamykałyby się gwałtownie, redukując przepływ przez pompę ciepła. Skutki byłyby analogiczne jak w przypadku nagłego zadziałania kilku termostatów pokojowych i zamknięcia przepływu wody przez poszczególne pętle ogrzewania podłogowego. Spowodowałoby to nagły przyrost temperatury zasilania i w przypadku zbyt krótkiego czasu pracy sprężarki mogłoby skutkować wyłączeniem awaryjnym urządzenia.
Projektując instalację grzewczą z pompą ciepła w budynku jednorodzinnym, z pewnością warto wykorzystać możliwości akumulacji ciepła, jakie oferuje nam instalacja podłogowa. W tym celu wystarczy zadbać o zapewnienie odpowiedniego przepływu czynnika i zastosować sterownik z funkcją bilansu energii. Na etapie wykonania instalacji ważne jest zachowanie zaleceń projektowych, a przede wszystkim zaprojektowanych średnic i długości rur.