Czy w instalacjach z pompami ciepła trzeba stosować bufory?

Pompa ciepła z uwagi na specyficzny reżim pracy wymaga od instalacji grzewczej zachowania minimalnego strumienia przepływu wody i zachowania odpowiedniej pojemności wodnej. Dodatkowo w pompach ciepła typu powietrze/woda istotne jest zapewnienie odpowiedniej ilości energii na potrzeby realizacji procesu odmrażania parownika. Wymogi te powodują, że instalacje z pompami ciepła to albo układy bezpośrednie z ogrzewaniem płaszczyznowym nieregulowanym, albo układy z buforem.

Układ bezpośredni (rys.1)

W przypadku nowych instalacji wyposażonych w pompę ciepła proponowanym rozwiązaniem jest układ bezpośredni z ogrzewaniem płaszczyznowym np. podłogowym. Przepływ wody grzewczej nie powinien być redukowany przez siłowniki rozdzielaczy, a więc zrezygnować należy ze sterowania temperaturą pomieszczeń i zastosować zawór typu by-pass. Dla zapewnienia minimalnych czasów pracy sprężarki oraz energii potrzebnej do realizacji funkcji odmrażania parownika, wymagana jest minimalna pojemność instalacji grzewczej. Dodatkowo, na końcu instalacji grzewczej powinno się zamontować zawór typu by-pass, a minimalna długość rur zasilania i powrotu powinna być przeliczona dla każdej pompy indywidualnie z zachowaniem minimalnej wymaganej pojemności wodnej. Obliczone długości rur są zazwyczaj bardzo długie i dlatego preferuje się pozostawienie kilku pętli ogrzewania podłogowego bez siłowników.

Instalacje z buforem wody grzewczej

W instalacjach grzewczych z zaworem mieszającym lub w systemach wyposażonych w głowice termostatyczne grzejnikowe, a także w instalacjach z siłownikami obwodów ogrzewania podłogowego konieczne jest stosowanie zbiornika buforowego. Jest on też proponowany w celu zwiększenia zładu wodnego instalacji grzewczej, co ma pozwolić na zachowania długich czasów pracy i niewielkiej liczby załączeń sprężarki.

Zbiornik buforowy wpięty najczęściej w sposób równoległy w instalację grzewczą pełni rolę zbiornika optymalizującego. Wytyczne projektowe większości firmy wymagają zachowania pojemności około 25 litrów na każdy kW mocy grzewczej w podanej w warunkach normatywnych dla pomp ciepła bez regulacji wydajności.

Układy grzewcze z buforem wpiętym równolegle mają szereg zalet, ale i niestety pewne słabe strony. Woda grzewcza na zasilaniu pompy ciepła podnoszona jest w stosunku do najwyższej krzywej grzewczej obsługiwanych obiegów grzewczych. Spowodowane jest to koniecznością zachowania odpowiedniej temperatury zasilania z uwzględnieniem strat ciepła. Ten niewielki wzrost temperatury zasilania przekłada się na spadek efektywności pompy ciepła nawet o około 5%. Z punktu widzenia zachowania maksymalnej efektywności pracy pompy ciepła korzystniejsze są zatem układy bezpośrednie. Nie jest to rzecz jasna, wniosek końcowy: po prostu bufor jest niekiedy elementem koniecznym.

Połączenie instalacji bezpośredniej i zbiornika buforowego (rys.2)

Niestety dość rzadko (a szkoda) stosuje się schematy łączące zalety układów bezpośredniego i buforowego. Rozwiązanie pozwala na realizację wielu obiegów grzewczych bez strat związanych z ładowaniem zbiornika buforowego, a obiegi grzewcze mogą być w pełni sterowane przepływem. Uwaga: istotne jest, aby rury dobiegowe do bufora oraz powrotne z bufora do pompy ciepła były o jedną dymensję większe niż obliczone rury rozładowujące bufor a zasilające obiegi grzewcze. Suma natężenia przepływu przez wszystkie pompy obiegów grzewczych nie mogą być większe niż natężenie przepływu realizowane przez pompę obiegową pompy ciepła.

Zbiornik buforowy pełni rolę magazynu nadmiaru energii, a także zbiornika energii na czas odmrażania parownika w przypadku stosowania pomp typu powietrze/woda. Możliwe jest także zrzucanie ciepła na bufor z innych, współpracujących źródeł ciepła.

Rozwiązanie z kominkami i kotłami na paliwo stałe wymagałoby jednak dodatkowo ochrony powrotu do pompy ciepła przylgowym termostatycznym ogranicznikiem temperatury maksymalnej.

Zbiornik buforowy wpięty szeregowo (rys.3)

Schemat ze zbiornikiem szeregowym stosuje się zazwyczaj w przypadku pomp ciepła typu powietrze/woda. Z uwagi na montaż na powrocie nie wymaga on opomiarowania dodatkowym czujnikiem temperatury, a więc pompa ciepła pracuje wg własnego czujnika temperatury na zasilaniu, a zbiornik pełni funkcję magazynu ciepła na czas odmrażania parownika oraz zapewnia zachowanie minimalnych czasy pracy sprężarki. Jeżeli inwestor życzy sobie sterowania pętlami grzewczymi to układ należy koniecznie wyposażyć w zawór typu by-pass. Powinien być on zainstalowany w pobliżu pompy ciepła, a wartość nastawy otwarcia zaworu powinna gwarantować zachowanie przepływu minimalnego wody grzewczej w czasie całkowitego zamknięcia się instalacji.

 Wymiarowanie

Na rynku dostępnych jest wiele modeli pomp ciepła. Podstawowymi kryteriami podziału jest z całą pewnością rodzaj dolnego źródła ciepła oraz sposób regulacji pracy sprężarki. Dostępne są pompy ciepła, których dolne źródło ciepła stanowi grunt, woda lub powietrze zewnętrzne. Z kolei sprężarka może być sterowana na zasadzie włącz/włącz (100% mocy/0% mocy) lub płynnie przez inwerter (moc regulowana jest najczęściej w zakresie 30%-100%).
Zarówno temperatura dolnego źródła, jak i sposób sterowania pracą sprężarki mają ogromny wpływ na moc grzewczą pompy ciepła. Ta z kolei, ma wpływ na obliczeniowy przepływ wody grzewczej i tym samym wymaganą średnicę rurociągów. Stosujemy oczywiście wartość mocy grzewczej zgodnie z obowiązującą normą PN-EN14511, a obliczeniowa różnica temperatury powinna wynosić 7K dla układów bezpośrednich i 5K dla układów z buforem. Pompy ciepła typu powietrze/woda z regulacją mocy (inwerter) obliczeniowy punkt pracy mają temperatury powietrza na wlocie -7°C. Moc grzewcza podana w punkcie a konkretnie w A-7/W35 odpowiada obciążeniu 100%.