Pomysł na efektywniejszą współpracę pompy ciepła i zasobnika warstwowego

Sposób podłączenia modułowej pompy ciepła do zasobnika wody i zarazem tryb pracy takiego podgrzewacza (warstwowy/standardowy) niewątpliwie odgrywa znaczący wpływ na efektywność energetyczną pracy pompy ciepła i koszty eksploatacyjne. Z marginesem bezpieczeństwa można przyjąć, że efektywność współpracy z warstwowym zbiornikiem wody użytkowej powinna się zwiększyć o około 15%, jeśli zostanie zastosowany specjalny króciec w jego włazie rewizyjnym. Jednocześnie wzrasta poziom komfortu korzystania z wody użytkowej. Takie rozwiązanie hydrauliczne jest tanie i łatwe w zastosowaniu, co zapewnia korzystny efekt ekonomiczny dla dodatkowej inwestycji.

Według danych z raportu IES [1] aż 70% domów jednorodzinnych, a więc około 3,8 mln obiektów, ogrzewanych jest kotłami na węgiel. W większości tych budynków kocioł stałopalny pracuje przez cały rok, podgrzewając poza sezonem grzewczym ciepłą wodę użytkową. W około 10% budynkach (około 550 tys. obiektów) wodę użytkową podgrzewa się elektrycznie np. za pomocą bojlera. Mamy tu do czynienia z niską efektywnością energetyczną, a także wysokimi kosztami (bojler) i emisjami zanieczyszczeń (kotły stałopalne).

Biorąc pod uwagę dane Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła PORT PC za lata 2010-2016 [2] liczbę pracujących w Polsce pomp ciepła wody użytkowej można szacować na 50-60 tys. Wykorzystanie potencjału poprawy efektywności energetycznej po stronie podgrzewania ciepłej wody użytkowej jest więc ciągle jeszcze znikome.

Możliwości rozwoju rynku pomp ciepła wody użytkowej pozostają wysokie, zarówno jako samodzielnych urządzeń z wbudowanym zbiornikiem, jak również w wersji modułowej do współpracy z istniejącym podgrzewaczem (rys.1). Rozwiązanie „modułowe” jest korzystne gdy istniejący podgrzewacz pojemnościowy wody użytkowej jest w dobrym stanie technicznym i pozwala na podłączenie do niego modułowej pompy ciepła. Jak się okazuje sposób podłączenia pompy ciepła tego rodzaju do podgrzewacza odgrywa znaczący wpływ na efektywność jej pracy, a tym samym koszty podgrzewania ciepłej wody użytkowej.

Podłączenie pompy ciepła do podgrzewacza…

…bezpośrednie
Modułowe pompy ciepła są podłączane bezpośrednio do płaszcza z wodą użytkową. Istniejący podgrzewacz wody ma zwykle zbyt małą wężownicę grzejną dla współpracy z pompą ciepła, a przy tym pozostaje ona najczęściej podłączona do kotła grzewczego. Często wykorzystany musi być króciec cyrkulacji wody użytkowej, przez który podgrzana woda użytkowa wpływa do podgrzewacza. Standardowy sposób podłączenia pompy ciepła do podgrzewacza powoduje intensywne mieszanie wody wewnątrz (rys.2). Zimna woda wodociągowa zasila pompę ciepła albo bezpośrednio, albo z dolnej strefy podgrzewacza (zależnie od chwilowego poboru wody). Na podstawie wykresów z odczytu temperatury w dolnej i górnej części podgrzewacza (3), można prześledzić przebieg procesu podgrzewania wody w takim schemacie pracy pompy ciepła. Temperatura górnej strefy obniża się stosunkowo głęboko i z opóźnieniem podnosi do wartości żądanej (rys.2).

…przez specjalny króciec
Spotykane są także alternatywne rozwiązania współpracy pompy ciepła z podgrzewaczem, jak np. z wykorzystaniem specjalnego króćca instalowanego w miejscu otworu rewizyjnego (rys.3). Pompa ciepła podłączona przy pomocy takiego króćca nie wymaga już wówczas użycia innych przyłączy podgrzewacza. Celem uzyskiwanym przy zastosowaniu takiego rozwiązania jest osiągnięcie warstwowości temperaturowej w podgrzewaczu poprzez eliminację silnego mieszania wody (rys.4). Zimna woda pobierana jest w całości z dolnej części podgrzewacza. Po podgrzaniu w pompie ciepła wypływa z niewielką prędkością przez perforowaną górną powierzchnię króćca. Mając wyższą temperaturę ,naturalnie przemieszcza się do górnej strefy podgrzewacza. Strefa ta pozostaje niewrażliwa na pracę pompy obiegowej pompy ciepła, zapewniając w szybkim czasie wysoką temperaturę wody na wyjściu podgrzewacza (rys.4).

Na szczegółowym wykresie (rys.5) widoczne są także wahania mierzonej w trakcie badań w laboratorium zakładowym, chwilowej wartości efektywności COP. W standardowym wariancie podłączenia widać wahania tej wartości – zawór rozprężny w obiegu chłodniczym pracuje w nieustabilizowanych warunkach. Średnia wartość efektywności COP wyniosła około 3,0.

W wariancie z dolnym podłączeniem pompy ciepła do podgrzewacza wody, widoczna jest znacznie bardziej stabilna praca, a średnia wartość COP wyniosła ok. 3,7 (rys. 6). Praca odbywa się przez dłuższy czas w niższej temperaturze wody. Równocześnie widać, że praca pompy ciepła staje się znacznie bardziej stabilna, gdyż temperatura zimnej wody jest ustabilizowana w czasie.

Literatura:

[1] „Efektywność energetyczna w Polsce. Przegląd 2015.” Instytut Ekonomii Środowiska, 2016

[2] Dane statystyczne dla rynku polskiego PORT PC, portpc.pl

[3] materiały firmowe, hewalex.pl