Pompa ciepła jako jedyne źródło grzewcze masowo wykorzystywane do ogrzewania budynków ma możliwość również ich chłodzenia w okresie letnim. W artykule przedstawię możliwe sposoby chłodzenia zarówno dla pomp ciepła wykorzystujących energię z gruntu, jak i coraz popularniejsze pompy ciepła typu powietrznego.
Chłodzenie coraz częściej staje się jednym ze standardów w nowoczesnym budownictwie. Zresztą przypomnijmy sobie sytuację sprzed kilkunastu lat – kupując samochód, każdy oczekiwał, żeby po prostu jeździł, teraz klimatyzacja stała się w samochodzie takim samym standardem, jak ogrzewanie go w zimie. Uważam, że jeśli większość z nas spędza w budynkach mieszkalnych większość wolnego czasu to widoczny już trend potrzeby zwiększenia komfortu użytkowania będzie tylko się powiększał.
Kiedy opłaca się chłodzić, czyli dostosowanie do wymagań mieszkańców
Przyjmijmy modelowy dom powierzchni ok. 170 m2 spełniający wymagania WT 2017, 40% okien od strony południowej. Lokalizacja: Kraków. Obliczenia wykonano programie CASANOVA.exe 3.3.08a.
Jeżeli dopuszczamy przegrzanie domu do 29°C, to praktycznie nie musimy w ogóle chłodzić zadanego budynku (fot.1). Na ogrzewanie budynek potrzebuje 75 kWh//rok. Pole czerwone w niższym wykresie oznacza konieczność ogrzewania budynku w godzinach miesięcznie, pole żółte oznacza, że budynek jest w zakładanych widełkach żądanej temperatury, pole niebieskie oznacza, że budynek musi być chłodzony.
Sytuacja zmienia się, jeśli zamiast dopuszczalnej maksymalnej temperatury 29°C, nastawimy 25°C (fot. 2) czy zupełnie komfortowe 22°C (fot.3).
Zobaczmy jak zmieni się sytuacja, kiedy budynek w tej samej lokalizacji zmienimy na wymagania (fot. 4, 5, 6) domu niskoenergetycznego/pasywnego z dobrą izolacją termiczną i wentylacją mechaniczną.
Wniosek? Nowoczesne domy najczęściej są dobrze docieplone, mają mniejszą akumulacyjność cieplną niż domy w starszej konstrukcji, zyski wewnętrzne budynku powodują jego przegrzanie oraz najczęściej mają więcej okien od południowej strony. W tym momencie, aby utrzymać komfort cieplny w budynku wymagany przez użytkowników koniecznością staje się zastosowanie, oprócz ogrzewania, również chłodzenia budynku.
Chłodzenia aktywne czy pasywne
Chłodzenie aktywne polega na odwróceniu obiegu pompy ciepła (fot.7). Wymiennik ciepła, który był skraplaczem w trybie ogrzewania, dla trybu chłodzenia zmienia się w parowacz, czyli miejsce gdzie ciepło jest odbierane, a parowacz staje się skraplaczem. Zawór 4-drogowy zmienia swoje położenie, zmieniając kierunek przepływu czynnika chłodniczego. Chłodzenie tego typu, o ile tylko jest przygotowana odpowiednio automatyka pompy ciepła, można zrealizować w każdej powietrznej pompie ciepła (zachodzi tu jedynie konieczność stosowania zaworu 4-drogowego ze względu na odszranianie parowacza w zimie). W pompach gruntowych zawór odwracający obieg najczęściej też jest już standardem, chociaż nie zawsze.
Drugim rodzajem jest chłodzenie pasywne. W tym przypadku tak naprawdę wykorzystujemy wyłącznie pompy obiegowe zawarte w pompie ciepła, bez wykorzystania samego układu chłodniczego – tak więc sama sprężarka nie pracuje. Ten układ chłodzenia może być wykorzystany wyłącznie w pompach ciepła z wymiennikiem gruntowym, ze względu zaś na specyfikę temperatury gruntu, raczej w wymiennikach typu pionowego. Chłodzenie pasywne jest dużo tańsze, ponieważ pracuje wyłączenie za pomocą pompy obiegowej. Sam układ wykorzystuje jedynie instalację dolnego źródła pompy ciepła, bez samej pompy ciepła. Jednak ma również minusy – możemy schładzać budynek wyłącznie dość niewielką mocą chłodniczą, która będzie odpowiednia do schłodzenia budynku w pewnym niewielkim stopniu, co jednak dla części inwestorów może być w zupełności wystarczające, zwłaszcza w przypadku domów z dobrze ocienionymi oknami.
Jak przekazywać „chłód” z pompy ciepła do pomieszczenia?
Chłodzenie płaszczyznowe
Przez użytkowników odczuwane jako najbardziej komfortowe, a zarazem ze względu na specyfikę (temperatura wody chłodzącej jest wyższa niż w innych systemach), obniża koszty przygotowania wody lodowej. Poprzez niższą temperaturę przegrody (np. ścian) uczucie komfortu jest zapewnione w najbardziej optymalny sposób. Najczęściej jako płaszczyznę do chłodzenia wykorzystuje się ściany lub sufity. Na poniższym wykresie Koninga (fot.8), pokazana jest zależność temperatury powietrza i otaczających płaszczyzn (podłóg, ścian) w odniesieniu do odczuwanego przez człowieka komfortu cieplnego.
Chłodzenie płaszczyznowe jest najbardziej ekonomiczne i przyjemne dla użytkownika. Wadą są wysokie koszty inwestycyjne.
Niestety najbardziej popularna instalacja płaszczyznowa, czyli podłogowa, do celów chłodniczych jest mało przydatna i jeśli zależy nam na komforcie (osiągnięciu odpowiedniej temperatury w pomieszczeniu), to instalacja ta powinna być wyprowadzona również na ściany lub sufit. Minusem tego rozwiązania jest konieczność przeprowadzania jej w czasie budowy domu, inaczej taki montaż będzie się wiązać z poważnym remontem.
Podczas eksploatacji należy zwrócić uwagę na tzw. punkt rosy. Jest to zależność wilgotności względnej powietrza oraz temperatury w jakiej zacznie wykraplać się para wodna z powietrza – zbytnie obniżenie temperatury wody zasilającej może spowodować efekt mokrych powierzchni. Oprócz dyskomfortu użytkowania może być to przyczyna powstawania grzybów, pleśni i degradacji konstrukcji budynku, stąd żeby układ pracował poprawnie, należy użytkować go z prawidłowo przygotowaną automatyką.
Chłodzenie z wykorzystaniem wentylacji mechanicznej
Jest to jedno z najczęściej wykorzystywanych rozwiązań, jeśli w budynku zastosowana została wentylacja mechaniczna. Koszty inwestycyjne w tym przypadku wzrastają nieznacznie, jedynie o chłodnicę wodną zamontowaną na wlocie powietrza do pomieszczeń. Minusem tego rozwiązania jest konieczność ustawienia wysokich przepływów powietrza, co dla niektórych osób może nie być do zaakceptowania. Temperatura wody w chłodnicy zwykle oscyluje w granicach 7-10°C, więc temperatura wody jest niższa niż w przypadku chłodzenia płaszczyznowego – podnosi to koszty uzyskania odpowiedniej ilości chłodu. Minusem jest również jednakowe schładzanie wszystkich pomieszczeń w domu z brakiem możliwości regulacji.
Chłodzenie z wykorzystaniem klimakonwektorów
W domach, w których projektowane są grzejniki do współpracy z pompą ciepła, bardziej rozbudowaną alternatywą są klimakonwektory. Mogą być one nośnikiem zarówno ciepła, jak i chłodu. Bardzo ułatwiają instalację – z jednej strony nie musimy myśleć o punkcie wykroplenia się pary wodnej z powietrza, ponieważ są wyposażone w odpływ kondensatu, z drugiej strony powierzchnia którą zajmują jest stosunkowo mała dzięki wymuszonemu przepływowi powietrza. Usadowienie osobno klimakonwektorów w poszczególnych pomieszczeniach daje możliwość również łatwego sterowania temperatura powietrza w każdym pomieszczeniem według własnych upodobań. Minusem pracy klimakonwektorów jest niższa temperatura wody lodowej (wyższe koszty przygotowania niż w chłodzeniu płaszczyznowym) oraz znaczny przepływ powietrza (podobnie jak w przypadku klimatyzatorów). Do prawidłowej pracy potrzebują również zasilania elektrycznego.
Chłodzenie pompą ciepła – podsumowanie i porównanie z klimatyzacją
Najtańsze w eksploatacji jest chłodzenie pasywne – koszt to zaledwie 30-40 zł miesięcznie. Umożliwia ono lekkie schłodzenie budynku, czyli o 1-2 K. Ciężko jednak jest uzyskać niższą temperaturę, jeśli dom nie ma osłon przeciwsłonecznych. Chłodzenie pasywne stosowane jest w pompach ciepła z wymiennikami gruntowymi pionowymi.
Chłodzenia aktywne to standard w przypadku powietrznych pomp ciepła i najczęściej także już gruntowych. Zapewnia koszty eksploatacji niższe niż przez zastosowanie klimatyzacji o ok. 50% w przypadku chłodzenia płaszczyznowego (np. poprzez ściany lub sufity). W przypadku klimakonwektorów lub chłodnic wentylacyjnych koszty chłodzenia są podobne lub minimalnie wyższe niż w przypadkach wykorzystania klimatyzatorów.
Wykorzystanie pomp ciepła do chłodzenia polepsza estetykę budynku w porównaniu do układu klimatyzatorów chłodzących osobno każde z pomieszczeń. Na zewnątrz montowana jest tylko jedna jednostka wykorzystywana zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia.
Trend chłodzenia w budownictwie jednorodzinnym wg. opinii ekspertów zajmujących się budownictwem będzie wzrastał, ponieważ potrzeba coraz większego komfortu użytkowania będzie dominującą kwestią.