Chłodzenie budynków pompą ciepła

Ocieplenie klimatu i bardzo gorące okresy letnie sprawiają, że chłodzenie budynków zaczyna odgrywać ważną rolę dla zapewnienia komfortu użytkowników. I nie chodzi tylko o obiekty biurowe czy hotelowe, ale również w coraz większym stopniu budownictwo jednorodzinne i wielorodzinne. W zapewnieniu odpowiedniej temperatury w obiektach świetnie sprawdzają się pompy ciepła. Dlatego coraz częściej wykorzystywane są nie tylko do centralnego ogrzewania, podgrzewu c.w.u., ogrzewania basenów itp., ale także właśnie do chłodzenia pomieszczeń.

Transport ciepła

Aby zrozumieć, jak możemy realizować chłodzenie przy zastosowaniu pomp ciepła wróćmy do spojrzenia, czym tak naprawdę jest pompa ciepła? Na tak zadane pytanie często można usłyszeć odpowiedź, że jest to urządzenie grzewcze. Czy na pewno? Owszem może ona dostarczyć ciepło, ale sama w sobie go nie wytwarza. Pompa ciepła jest urządzeniem transportującym ciepło.
Dzięki wykorzystaniu właściwości termodynamicznych czynników chłodniczych, procesu odparowania w niskiej temperaturze, sprężania, a następnie skraplania w wysokiej temperaturze i na końcu rozprężania czynnika chłodniczego pompy ciepła mogą transportować (pompować) energię cieplną z ośrodka o niższej temperaturze (dolne źródło) do ośrodka o wyższej temperaturze (górne źródło) (rys. 1). Kluczową rolę stanowi właśnie transport ciepła. Odpowiednio nim zarządzając, możemy dostarczać ciepło do pomieszczeń w okresie grzewczym, a w okresach wysokiej temperatury zewnętrznej odbierać z tych pomieszczeń ciepło, czyli chłodzić je.
Aby usystematyzować zagadnienie chłodzenia pompami ciepła, możemy je podzielić ze względu na stan pracy sprężarki oraz ze względu na dystrybucję chłodu (rys. 2).

Pobierz  Rys. 3 Chłodzenie pasywne pompą ciepła (źródło: Stiebel Eltron)

Chłodzenie pasywne

Grunt oraz woda są doskonałymi naturalnymi magazynami chłodu. Najprostszym rodzajem chłodzenia ze względu na stan pracy sprężarki jest chłodzenie pasywne (rys. 3). W czasie tego trybu pracy sprężarka nie jest uruchamiana przez automatykę pompy ciepła. W chłodzeniu pasywnym system wykorzystuje naturalny chłód dolnego źródła „omijając” sprężarkę pompy ciepła. Za pośrednictwem pompy obiegowej dolnego źródła (np. odwiert) glikol o temperaturze od kilku do kilkunastu stopni trafia na wymiennik chłodu pasywnego. Tam odbiera ciepło od wody krążącej w układzie grzewczym/chłodzącym budynku. Ogrzany glikol trafia z powrotem do odwiertu, a schłodzona woda za pośrednictwem pompy obiegowej rozprowadzana jest po budynku. W praktyce jesteśmy w stanie uzyskać wodę o temperaturze kilkunastu stopni, dlatego tego typu rozwiązania najlepiej sprawdzają się z systemami powierzchniowymi (podłogowe, ścienne), gdzie duża powierzchnia i zład wody pozwalają na efektywne minimalizowanie zysków cieplnych obiektu. Producenci pomp grunt-woda oraz pomp woda-woda w urządzeniach dedykowanych do budownictwa jednorodzinnego często oferują urządzenia z wbudowanymi podzespołami do chłodzenia pasywnego. W pompach ciepła większej mocy rozbudowy układu o chłodzenie pasywne można dokonać poza obudową pompy ciepła. Chłodzenie pasywne jest najtańszym rodzajem chłodzenia, ponieważ w czasie jego działania pracują tylko pompy obiegowe, a sprężarka pozostaje wyłączona.

Chłodzenie aktywne

Chłodzenie aktywne to taki tryb, do realizacji którego sprężarka musi pracować. Zaczniemy od omówienia go na przykładzie pompy ciepła powietrze-woda. W trybie chłodzenia dochodzi do odwrócenia obiegu pracy pompy ciepła, mówimy wtedy o rewersyjnej pompie ciepła. Parownik staje się skraplaczem, a skraplacz parownikiem przy czym dzięki zastosowaniu specjalnego zaworu 4-drogowego przepływ czynnika chłodniczego przez sprężarkę następuje zawszę w tę samą stronę (rys. 4). W ten sposób odbierane jest ciepło od wody krążącej w budynku, schładzając ją wytwarzamy tak zwaną wodę lodową, która może osiągać nawet 7°C. Ciepło, odebrane od wody za pośrednictwem pompy ciepła, przekazywane jest do skraplacza i „oddawane” do powietrza zewnętrznego. Chłodzenie aktywne rewersyjnymi pompami grunt-woda czy też woda-woda przebiega analogicznie, tylko w tym przypadku ciepło odebrane od wody w górnym źródle zostaje za pośrednictwem pompy ciepła „oddane” do dolnego źródła, regenerując je.
W przeciwieństwie do pomp powietrze-woda, pompy ciepła grunt-woda czy też woda-woda wykorzystywane do chłodzenia aktywnego nie zawsze muszą być rewersyjne. Niektórzy producenci oferują urządzenia, w których chłodzenie aktywne może być realizowane poprzez wymianę ciepła pomiędzy górnym a dolnym źródłem dzięki sekwencji zewnętrznych zaworów i wymienników odpowiednio sterowanych automatyką pompy ciepła (rys. 5). W tym przypadku nie dochodzi do zamiany funkcji skraplacza i parownika. Układ może pracować pasywnie do pewnego momentu, a następnie przełączyć się na chłodzenie aktywne. Ogromną zaletą takich rozwiązań jest możliwość jednoczesnego grzania i chłodzenia budynku. Możemy transportować ciepło nie tylko z górnego do dolnego źródła, ale także z jednej części budynku do drugiej. Jest to coraz częściej wykorzystywane np. w biurowcach, gdzie duża powierzchnia przeszkleń powoduje, że nasłoneczniona część obiektu wymaga chłodzenia, podczas gdy pozostałą część nadal trzeba ogrzewać. Tego typu rozwiązania stosujemy również w obiektach hotelowych, gdzie np. latem w czasie chłodzenia pomieszczeń możemy za darmo podgrzewać ciepła wodę użytkową lub np. wodę w basenie.
Gdy wiemy już, w jaki sposób możemy przygotować chłód z użyciem pompy ciepła, zwróćmy uwagę, w jaki sposób możemy go dystrybuować po budynku.

Pobierz  Rys. 5 Chłodzenie pasywno-aktywne pompą ciepła (źródło: Stiebel Eltron)

Chłodzenie ciche

W chłodzeniu cichym wykorzystujemy systemy płaszczyznowe, czyli popularną podłogówkę lub np. ogrzewanie ścienne. W tego typu przypadkach nie możemy jednak wykorzystać maksymalnych możliwości pompy ciepła, czyli wody lodowej o temperaturze 7°C. Aby nie dopuścić do wykroplenia wilgoci system musi ściśle kontrolować temperaturę chłodnej wody. Stosuje się więc odpowiednie czujniki, które dbają, aby temperatura wody nie przekroczyła punktu rosy przy danej wilgotności powietrza. Oznacza to w praktyce że do układu nie trafi woda o temperaturze niższej niż ok. 16-17°C. Dlatego takie rozwiązania sprawdzają się np. w nowo budowanych domach, dobrze docieplonych (im lepiej docieplony, tym mniejsze zyski ciepła z zewnątrz), w których ogrzewanie/chłodzenie płaszczyznowe jest rozprowadzone na całej powierzchni budynku. W domach, w których podłogówka jest tylko w części pomieszczeń, tego typu chłodzenie może nie być efektywne ze względu na zbyt małą powierzchnię wymiany ciepła. W budynkach biurowych chłodzenie ciche często realizowane jest dzięki zastosowaniu specjalnych stropów chłodzących lub mat grzewczo-chłodzących.

Chłodzenie dynamiczne

W chłodzeniu dynamicznym wykorzystujemy maksymalne możliwości chłodnicze pompy ciepła. Do tego celu najczęściej stosuje się różnego rodzaju klimakonwektory. Są to odbiorniki chłodu/ciepła wyposażone dodatkowo w wentylator oraz odprowadzenie skroplin, dzięki czemu możemy do nich dostarczać wodę lodową o temperaturze nawet 7°C. Ponieważ w tym przypadku dochodzi do wykroplenia wilgoci z powietrza, przewody doprowadzające wodę do klimakonwektorów muszą być zaizolowane izolacją zimnochronną. To samo dotyczy zbiornika buforowego, jeśli instalacja jest w niego wyposażona. Zimą klimakonwektory mogą być wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń.
Do dystrybucji chłodu w budynku możemy również wykorzystać systemy wentylacji centralnej. W chłodzeniu aktywnym stosujemy specjalne wymienniki ciepła woda-powietrze dostarczające chłód do powietrza nawiewanego z centrali wentylacyjnej do pomieszczeń. Gdy chcemy wykorzystać naturalny chłód z gruntu, najczęściej stosuje się moduły wymiennikowe (glikol-powietrze) na powietrzu doprowadzanym do centrali wentylacyjnej (czerpnia).