Pompy ciepła powietrze/woda typu split i monoblok a czynniki chłodnicze

Wedle najnowszych analiz przygotowanych przez PORT PC (Polską Organizację Rozwoju Technologii Pomp Ciepła) rynek pomp ciepła zanotował niezwykle dynamiczny wzrost na poziomie 77% do roku poprzedniego. Główna w tym zasługa urządzeń wykorzystujących powietrze jako dolne źródła ciepła, których sprzedaż uległa zmianie aż o 108% w stosunku do 2020 roku. Wśród nich dominuje technologia split stanowiąca blisko 80% całej sprzedaży, a pozostała ilość to modele monoblok. Podobny układ sił miał miejsce w 2019 roku, a to oznacza, że technologia monoblok rozwija się równie dynamicznie. Jeszcze mniej więcej przed dekadą, po pojawieniu się na rynku splity wyraźnie zdominowały rynek, spychając do defensywy urządzenia monoblok starszej technologii. Czyżby sytuacja się miała się teraz odwrócić?

Split a monoblok – różnice w budowie i wynikające z tego konsekwencje

Układ chłodniczy każdej elektrycznej, sprężarkowej pompy ciepła składa się z podstawowych 4 elementów: dwóch wymienników ciepła (parownika i skraplacza), zaworu rozprężnego i oczywiście sprężarki, często określanej mianem serca układu.
Dotyczy to zarówno technologii split, jak i monoblok, urządzeń korzystających z ciepła ziemi, jak i ciepła powietrza, urządzeń do przygotowania ciepłej wody użytkowej i tych do centralnego ogrzewania.
O ile w przypadku modeli split jakaś forma jednostki wewnętrznej zawierającej skraplacz musi występować o tyle w przypadku modelu monoblok jest różnie. Niektóre pompy ciepła tego typu wyposażone są w jednostkę wewnętrzną zawierającą cały układ do dystrybucji ciepła z regulatorem, drugim źródłem ciepła, pompą obiegową i armaturą, a czasami to tylko po prostu moduł obsługowy pompy ciepła, oraz wykonany przez instalatora układ dystrybucji ciepła – pompy c.o., c.w.u., grzałka, armatura itd.
W przypadku pomp ciepła typu monoblok połączenie pomiędzy budynkiem a jednostką zewnętrzną stanowią rury z wodą – tą samą, która rozprowadza ciepło w budynku. Należy więc przewidzieć sposoby zabezpieczenia przed uszkodzeniem pompy ciepła w wyniku jej zamarznięcia. Dość często stosowanym i bezpiecznym sposobem jest zalanie całej instalacji gotowym czynnikiem niezamarzającym, dedykowanym do instalacji centralnego ogrzewania.

Różnica w budowie pompy ciepła powietrze/woda typu split i typu monoblok polega na umiejscowieniu jednego z wymienników ciepła – skraplacza, a więc tego na którym następuje przekazanie energii cieplnej do instalacji grzewczej. W pompach ciepła typu split skraplacz, umieszczony jest wewnątrz budynku w jednostce wewnętrznej, a połączenie pomiędzy nim a jednostką zewnętrzną stanowią rury miedziane, którymi podczas pracy krąży czynnik chłodniczy. W pompach ciepła typu monoblok cały układ chłodniczy ze skraplaczem włącznie, umieszczony jest w jednostce zewnętrznej, a połączenie z budynkiem stanowią rury instalacji grzewczej.

Należy przy tym pamiętać, że z uwagi na pracę z medium o innym współczynniku lepkości właściwej konieczne będzie zwiększenie przepływu i ponowne obliczenie oporów po stronie instalacji. Stosując gotową mieszankę na bazie glikolu etylenowego o stężeniu 35% (temperatura zamarzania -19°C), przepływ przez instalację grzewczą powinien zostać zwiększony o 10%, a opory instalacji do pokonania przez pompę obiegową wzrosną o 21%. Należy się także liczyć ze spadkiem efektywności całej instalacji o około 2%.

Przykład obliczeń układu z monoblokiem dla roztworu glikolu etylowego (patrz poniżej)
Obliczenia dla projektu Archipelag, Allison III G2 Energo Plus. Powierzchnia ogrzewana 152 m2. Moc obliczeniowa 6,505 kW. Centralne ogrzewanie stanowi w 100% ogrzewanie podłogowe, zasilane z dwóch rozdzielaczy: 9 i 8 pętli.

Innym często spotykanym sposobem zabezpieczenia jest zastosowanie zaworu opróżniającego (lub dwóch zaworów opróżniających). Jego działanie polega na wyrzuceniu wody z instalacji w przypadku, gdy temperatura wody wewnątrz zaworu spadnie poniżej określonego progu, zazwyczaj 3°C. Jest to dość skuteczna metoda, wymagająca jednak późniejszej interwencji fachowca, który ponownie napełni układ wodą i co najważniejsze właściwie odpowietrzy instalację. Uwzględniając prawdopodobieństwo wystąpienia dłuższej przerwy w dostawie energii elektrycznej, trwającej wiele godzin i jednocześnie silnego mrozu, można spać spokojnie. Oczywiście są stosowane też i inne sposoby jak systemy podtrzymujące zasilanie dla zapewnienia pracy pompy obiegowej, czy układy pośredni z wymiennikiem płytowym.

Czynniki chłodnicze

Dnia 16.09.1987 w Montrealu podpisano tzw. Protokół Montrealski – porozumienie dotyczące wycofania substancji zubożających warstwę ozonową (freonów). W efekcie porozumienia wraz z późniejszymi zmianami wycofane zostały czynniki chłodnicze z grupy CFC (chlorofluorowodory) o wysokim potencjałle niszczenia warstwy ozonowej (wysoka wartość wskaźnika ODP – Ozone Depletion Potential) oraz wprowadzono limity stosowania czynników o niższym wskaźniku ODP z grupy HCFC (wodorochlorofluorowęglowodory). Od 01.01.2010 czynniki z grupy CFC (np. R12) i HCFC (np. R22) są zabronione do stosowania w nowych urządzeniach, a od 01.01.2015 również do naprawy maszyn już pracujących.
Stosowane dzisiaj czynniki chłodnicze z grup HFC, HFO i HC charakteryzują się zerowym potencjałem niszczenia warstwy ozonowej (ODP = 0), ale jednocześnie negatywnym wpływem na efekt cieplarniany (GWP = Global Warming Potential > 0). Ponieważ ograniczenie wzrostu średniej globalnej temperatury i związanych z tym negatywnych zmiany klimatu jest jednym z podstawowych celów polityki Unii Europejskiej, to od 2015 roku w kolejnych 7 krokach aż do 2030 roku UE ustanowiła ograniczenia we wprowadzaniu na rynek substancji odpowiadających za efekt cieplarniany, w tym także czynników chłodniczych. Poszczególne wartości odniesienia wyrażone są w tonach ekwiwalentu CO2, co oznacza, że wraz z kolejnym etapem ogranicza się wprowadzenie do obrotu f-gazów o określonym wpływie na efekt cieplarniany. Mechanizm ten w naturalny sposób eliminuje z rynku czynniki o wysokim wskaźniku GWP, zmuszając producentów do poszukiwania alternatywnych czynników o mniejszym wpływie na środowisko.

Oba typy pomp ciepła powietrze/woda split i monoblok pracują z powszechnie znanymi czynnikami chłodniczymi takimi, jak R407C, R410A, R32, R290, R1234ze. Czynnik R410A z uwagi na wysokie GWP jest w naturalny sposób zastępowany przez inne czynniki, przy czym warto zaznaczyć, że nie ma żadnych zapisów zakazujących jego stosowania.
Czynniki chłodnicze poza zróżnicowaniem ze względu na wpływ na efekt cieplarniany, skategoryzowane są także ze względu na swoje właściwości toksyczne i palne. Zgodnie z ISO817 wprowadzono oznaczenia literowe i cyfrowe. Litera A lub B oznacza stopień toksyczności, natomiast liczba 1, 2 lub 3 oznacza właściwości palne czynnika. W klasie palności 2 wydzielono dodatkowo klasę 2L, do której zaliczają się czynniki o niskiej palności i szybkości rozprzestrzeniania się płomienia.
Czynnik R410A, ten o najwyższym GWP jest niepalny i wykazuje się niską toksycznością. Z kolei czynniki takie, jak R32 czy propan R290 obok niskiej toksyczności odznaczają się właściwościami palnymi. Zgodnie z normą bezpieczeństwa PN-EN 378, każde pomieszczenie, w którym zlokalizowane jest urządzenie napełnione czynnikiem chłodniczym należy przeliczyć pod kątem minimalnej kubatury i powierzchni w zależności od toksyczności i palności zastosowanego czynnika. Wymagania określone w normie mają na celu zachowanie bezpiecznego stężenie w przypadku wystąpienia nieszczelności i ewakuacji całej ilości czynnika z urządzenia do pomieszczenia.
Dla czynnika R410A należy jedynie określić minimalną kubaturę dla zadanego napełnienia czynnikiem urządzenia. Wymagania te są dobrze znane wykonawcom instalacji i opisane są w dokumentacji technicznej każdej pompy ciepła pracującej na tym czynniku. Ponieważ czynnik jest niepalny (grupa 1), nie ma potrzeby określania minimalnej powierzchni pomieszczenia. Czynniki z grupy umiarkowanie-łatwopalnych (grupa 2L), jak np. R32, poza wymaganiami dotyczącymi kubatury pomieszczenia, wymagają także przeliczenia powierzchni. Przy czym, zgodnie z zapisami we wspomnianej normie, obliczeń dokonuje się dopiero gdy napełnienie czynnikiem przekracza napełnienie graniczne wynoszące dla tego czynnika 1,842 kg. To właśnie z tego powodu urządzenia pracujące na czynniku R32 odznaczają się napełnieniem niższym od granicznego i to nawet w przypadku konieczności dopełnienia układu z uwagi na długie odcinki rur chłodniczych.

Większe moce urządzeń typu split dostępne na rynku pracują na czynniku R410A, natomiast te o mniejszej mocy coraz częściej pracują na R32.

W przypadku czynników z grupy wybuchowych, jakim jest propan R290, wartość graniczna napełnienia, powyżej której należy określić minimalną powierzchnię pomieszczenia wynosi 152 g.
Niewielkie napełnienie nie pozwala na osiąganie większych mocy grzewczych, tak więc urządzenia pracujące na R290 sprzedawane są jako monobloki do montażu poza budynkiem.

Kompetencje instalatorów, czyli kiedy potrzebne uprawnienia f-gazowe

Pompy ciepła typu split, zgodnie z Rozporządzeniem 517/2014, są urządzeniami niehermetycznie zamkniętymi, a ich instalowanie powinna wykonywać osoba z odpowiednimi kwalifikacjami legitymująca się uprawnieniami personalnymi f-gazowymi. Instalowanie w myśl tego samego rozporządzenia to wykonywanie połączenia rurami chłodniczymi jednostek zewnętrznej z wewnętrzną.
Urządzenia monoblok mają układ chłodniczy wykonany przez fabrykę, są więc w myśl rozporządzenia hermetycznie zamknięte i przy ich instalowaniu nie ma konieczności posiadania uprawnień f-gazowych. W przypadku urządzeń pracujących na czynniku R290 uprawnienia f-gazowe i tak nie obowiązują, ponieważ propan jest czynnikiem naturalnym i nie należy do grupy fluorowanych gazów cieplarnianych. Tutaj jednak obowiązują regulacje zapisane w normie EN13313, która jest obecnie uzupełniania o czynniki naturalne, palne.
Rynek szybko poradził sobie z ograniczeniami związanymi z uprawnieniami f-gazowymi i obecnie bardzo często te urządzenia montowane są przez osoby bez uprawnień f-gazowych, a samą procedurę instalowania i uruchomienia przeprowadza przedstawiciel producenta – najczęściej bezpłatnie.

Jak będą wyglądały najbliższe lata?

Nacisk związany z ograniczaniem emisji gazów cieplarnianych spowoduje, że na rynku coraz rzadziej będziemy spotykać maszyny napełnione czynnikiem R410A. Postęp technologiczny pozwoli uzyskać satysfakcjonujące moce grzewcze urządzeń pracujących na R32 dla napełnienia poniżej granicznego. Propan zacznie być coraz popularniejszy i powinien wkrótce dominować na rynku modernizacyjnym dzięki znacznie większemu polu pracy sprężarki. Coraz większą popularnością cieszą się kompaktowe jednostki wewnętrzne, oszczędzające kosztowne miejsce w budynku i taki też trend rysuje się na kolejne lata. Urządzenia będą w większości kompaktowe i uniwersalne, zawierające wszystkie komponenty potrzebne do bezpiecznej pracy. Pompy ciepła za niedługo będą tak popularne jak kotły i ich zastosowanie musi być uniwersalne – również od strony hydraulicznej.

Bezpłatna prenumerata