Przygotowanie c.w.u. przez pompy ciepła – przegląd technologii

Projektując instalację przygotowania ciepłej wody użytkowej współpracującą z pompą ciepła, w pierwszej kolejności skupiamy się na zapewnieniu odpowiedniego komfortu użytkowania, stąd stosuje się podgrzewacze o większej pojemności. Należy jednak pamiętać również o innych wymaganiach, które mają wpływ na poprawną pracę systemu.

Najważniejsze wymagania, jakie powinien zapewnić układ przygotowania ciepłej wody

Optymalna praca sprężarki, długie cykle pracy
W trakcie pracy pompy ciepła podgrzewacz powinien przejmować na bieżąco taką ilość energii, jaką w danej chwili dostarcza pompa ciepła. W przeciwnym razie już po kilku minutach temperatura zasilania osiąga maksymalną wartość i sprężarka zostaje automatycznie wyłączona. Podgrzanie wody do zadanej temperatury wymaga wówczas co najmniej kilku cykli pracy sprężarki, co może wpływać negatywnie na żywotność urządzenia.

Projektując system dąży się do tego, by moc, jaką może odebrać podgrzewacz wody, była co najmniej równa mocy pompy ciepła. Przy czym należy w tym przypadku brać pod uwagę moc w najkorzystniejszych warunkach tak, by uniknąć automatycznego wyłączenia sprężarki również w upalny letni dzień, gdy temperatura dolnego źródła jest najwyższa.

Bezpieczeństwo eksploatacji
Dotyczy to przede wszystkim bezpieczeństwa użytkowników pod kątem zdrowotnym. Warto stosować rozwiązania, które zapewniają minimalizację ryzyka rozwoju bakterii termofilnych z rodziny Legionella i/lub możliwość dezynfekcji instalacji. W tym celu należy dążyć do redukcji lub eliminacji powstawania osadów na dnie zbiorników czy powstawania przestrzeni, w których woda przez długi czas nie zostaje wymieniona.

Koszty inwestycji
Oczywiście ważnym elementem procesu projektowania jest wybór takiego rozwiązania, które zapewni realizację wymagań technicznych przy możliwie najniższych kosztach inwestycji. Z pewnością nie można przy tym wybierać rozwiązań, które nie zapewnią odpowiedniego poziomu komfortu czy bezpieczeństwa.

Koszty eksploatacji
Stanowią obciążenie budżetu przez cały okres eksploatacji systemu, stąd powinny być jak najniższe. Redukcję możemy osiągnąć, np. poprzez zapewnienie najwyższej sprawności pompy ciepła, współpracę z dodatkowym źródłem energii, np. kolektorami słonecznymi, czy modułami fotowoltaicznymi, czy wykorzystanie dostępnej w określonych godzinach tańszej energii elektrycznej.

Wybór technologii przygotowania ciepłej wody

Do dyspozycji mamy co najmniej kilka sposobów przygotowania ciepłej wody użytkowej w instalacji z pompą ciepła. Każda z nich ma swoje zalety i ograniczenia. Znajomość tych cech ułatwia wybór najkorzystniejszego rozwiązania dla danej instalacji, przeznaczenia budynku oraz rodzaju i mocy pompy ciepła.

Pojemnościowy podgrzewacz wody z wymiennikiem ciepła w postaci wężownicy (rys. 1)
W przypadku pomp ciepła o mocy do 10-12 kW pojemnościowy podgrzewacz wody z wężownicą może być zintegrowany z obudową pompy ciepła.

To proste i popularne rozwiązanie. Z reguły zbiornik jest wykonany ze stali węglowej, pokrytej od wewnątrz ochronną warstwą emalii lub ze stali nierdzewnej. W dolnej części podgrzewacza znajduje się wymiennik ciepła w postaci wężownicy o większej powierzchni, niż w przypadku instalacji zasilanej przez kocioł. Zwiększenie powierzchni wymiany ciepła jest związane z tym, że temperatura pracy pompy ciepła jest znacznie niższa od temperatury pracy kotła gazowego. Z reguły jest to 55-65°C w porównaniu do 80°C dla kotła. Niższa różnica temperatury pomiędzy czynnikiem grzewczym a wodą w zasobniku wymusza zwiększenie powierzchni wężownicy. Minimalna powierzchnia wężownicy to 0,2-0,25 m2/kW mocy, z jaką pompa ciepła pracuje w trybie c.w.u.

Przykładowo dla pompy ciepła o mocy 10 kW zalecane jest zastosowanie wężownicy o powierzchni co najmniej 2-2,5 m2/kW. To nawet 2-3-krotnie więcej niż w przypadku podgrzewacza współpracującego z kotłem.

Zalety pojemnościowego podgrzewacza wody:

- niska cena;

- prosta konstrukcja;

- brak dodatkowego osprzętu;

- niska wrażliwość na zanieczyszczenia ograniczające intensywność wymiany ciepła przez wężownicę.

Wady/ograniczenia:

- ryzyko rozwoju bakterii (wyższe w przypadku podgrzewaczy wykonanych ze stali węglowej z uwagi na możliwość powstawania osadów na dnie zbiornika);

- ograniczona moc pompy ciepła, jaka może zasilać podgrzewacz wyposażony w wężownicę o danej powierzchni.

Podgrzewacze/zasobniki ciepłej wody zasilane poprzez zewnętrzny wymiennik ciepła (rys. 2)
W przypadku, gdy w instalacji występuje pompa ciepła o wyższej mocy trudno jest znaleźć na rynku podgrzewacz z wężownicą o wymaganej powierzchni. Dotyczy to w szczególności budynków o wysokim zapotrzebowaniu na ciepło, a jednocześnie niskim zużyciu ciepłej wody, np. budynków biurowych. Przykładowo dla pompy ciepła o mocy 50 kW wymagana powierzchnia wężownicy (co najmniej 10-12,5 m2) byłaby możliwa do osiągnięcia dopiero w przypadku połączenia dwóch podgrzewaczy o pojemności 500 l. Nie zawsze taka pojemność jest niezbędna w danym budynku. Korzystniejszym, w tej sytuacji rozwiązaniem, może być zastosowanie zasobnika c.w.u. o mniejszej pojemności i zasilenie go poprzez dodatkowy wymiennik ciepła oraz pompę ładującą.

Dzięki temu możemy zastosować odpowiedniej pojemności zasobnik, np. 300-500 l, a jednocześnie zapewnić możliwość swobodnej pracy pompy ciepła o wysokiej mocy. Inne zalety tego rozwiązania to możliwość równomiernego podgrzania wody w całej objętości podgrzewacza.

Wady/ograniczenia:

- ryzyko rozwoju bakterii (zależne również od rodzaju materiału, z jakiego wykonano zbiornik);

- podatność na zanieczyszczenie powierzchni wymiennika ciepła.

Podgrzewacze płaszczowe (rys. 3)
Jak sama nazwa wskazuje woda użytkowa znajdująca się z podgrzewaczu pojemnościowym wykonanym ze stali węglowej lub kwasoodpornej jest ogrzewana przez gorący czynnik dostarczany z pompy ciepła do „płaszcza”, czyli przestrzeni wokół podgrzewacza. Pojemność płaszcza może wynosić od kilkudziesięciu do nawet kilkuset litrów. We współpracy z pompą ciepła, czyli w trakcie zasilania wodą o temperaturze 55-65°C, rozwiązanie to cechuje się względnie niską mocą, jaka może być przekazywana przez ściankę zbiornika. Wynika to z niskiej różnicy temperatury, ale i ograniczonej powierzchni wymiany ciepła oraz często niskiej prędkości przepływu wody przez płaszcz wodny. W związku z tym należy zawsze przestrzegać wskazówek producenta na temat kompletacji danego modelu podgrzewacza z pompami ciepła o określonej mocy. Z reguły podgrzewacze płaszczowe o pojemności 300-500 l mogą być łączone z pompami ciepła o mocy nie wyższej niż 10-15 kW.

Zalety podgrzewaczy płaszczowych:

- prosta konstrukcja,

- niskie opory przepływu,

- z reguły niska cena,

- niska wrażliwość na odkładanie się zanieczyszczeń redukujących intensywność wymiany ciepła.

Wady/ograniczenia:

- ograniczona moc pompy ciepła, z jaką może współpracować zbiornik,

- ryzyko rozwoju bakterii.

Zbiorniki buforowe typu zbiornik w zbiorniku (rys. 4)
Chcąc podłączyć pompę ciepła o wyższej mocy do zbiornika o konstrukcji „płaszczowej”, można skorzystać ze zbiornika buforowego, którego „płaszcz” cechuje się znacznie większą pojemnością, np. 300-800 l. Moc, z jaką pompa ciepła podgrzewa wodę wokół podgrzewacza wody, jest znacznie wyższa od mocy przekazywanej dalej do wody użytkowej. Mimo to pompa ciepła pracuje stabilnie przez co najmniej kilkanaście, kilkadziesiąt minut. Po jakimś czasie od wyłączenia pompy ciepła temperatura wody użytkowej w wewnętrznym zbiorniku osiągnie wymaganą temperaturę dzięki dalszemu przekazywaniu ciepła z „płaszcza” do wnętrza zbiornika c.w.u.

Zbiornik tego typu może być również wyposażony w wężownice do współpracy z dodatkowymi źródłami ciepła.

Zalety buforów typu zbiornik w zbiorniku:

- możliwość współpracy również z pompą ciepła o wysokiej mocy,

- prosta konstrukcja,

- możliwość współpracy z dodatkowymi źródła ciepła,

- niska wrażliwość na zanieczyszczeni ograniczające intensywność wymiany ciepła,

- niskie opory przepływu.

Wady/ograniczenia:

- względnie niska moc przekazywana przez powierzchnię wewnętrznego zasobnika (systemu nie należy stosować w budynkach o wysokim ciągłym zapotrzebowaniu na c.w.u.,

- ryzyko rozwoju bakterii.

Zbiorniki buforowe z wężownicą do przepływowego przygotowania ciepłej wody (rys. 5)
W celu uzyskania możliwości magazynowania dużej ilości energii z jednoczesnym ograniczeniem ryzyka rozwoju bakterii można skorzystać ze zbiorników buforowych z wbudowaną wężownicą do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Odwrotnie niż w tradycyjnych podgrzewaczach, w tym przypadku czynnik grzewczy zajmuje większą objętość zbiornika, a woda użytkowa przepływa wyłącznie wewnątrz wężownicy stanowiącej wymiennik ciepła. Wężownica jest z reguły wykonana ze stali nierdzewnej i użebrowana dla zwiększenia powierzchni wymiany ciepła. Takie rozwiązanie pozwala na współpracę zbiornika również z pompą ciepła o wysokiej mocy i eliminuje ryzyko cyklicznego włączania i wyłączania sprężarki w trakcie podgrzewania wody. Nie ma również potrzeby stosowania emalii ochronnej wewnątrz zbiornika, czy anody magnezowej, czy tytanowej dla zabezpieczenia zbiornika przed korozją.

Wydaje się, że jedynym ograniczeniem tego rozwiązania jest moc, jaką może przekazywać wężownica, a to przekłada się na maksymalny przepływ ciepłej wody. Z reguły przepływ maksymalny nie przekracza 20-30 l/min. W związku z tym rozwiązanie to jest stosowane głównie w budynkach jednorodzinnych, ewentualnie mniejszych budynkach biurowych.

Zalety zbiorników buforowych z wbudowaną wężownicą:

- brak ryzyka rozwoju bakterii termofilnych,

- prosta konstrukcja,

- brak potrzeby stosowania emalii i anody ochronnej,

- możliwość współpracy z pompą ciepła o wyższej mocy,

- możliwość współpracy z kilkoma źródłami ciepła.

Ograniczenia/wady:

- maksymalny przepływ c.w.u. ograniczony mocą wężownicy, z reguły 20-30 l/min.

Zbiorniki buforowe współpracujące z przepływowym podgrzewaczem wody wyposażonym w płytowy wymiennik ciepła (rys. 6)
Podgrzewacze te są często określane mianem „modułów świeżej wody”, ponieważ w trakcie podgrzewania wody nie jest ona magazynowana, gromadzona w jakimkolwiek zbiorniku. Przepływa jedynie przez wymiennik ciepła, stąd ilość wody w systemie jest równa wyłącznie pojemności rur i wymiennika ciepła. Jednocześnie, w przeciwieństwie do rozwiązania z wężownicą do przygotowania c.w.u., nie występuje w tym przypadku ścisłe ograniczenie mocy, z jaką podgrzewamy wodę, a przez to i przepływu wody. Na rynku dostępne są moduły świeżej wody o przepływie od 20-30 l/min, aż po kilkaset litrów na minutę. Dodatkowo istnieje możliwość łączenia modułów w kaskady, czy też indywidualnego zaprojektowania tego typu systemu. Od strony eksploatacji pewną różnicą w stosunku do pozostałych rozwiązań jest to, że podgrzewanie wody zawsze wymaga zastosowania pompy wymuszającej przepływ pomiędzy zbiornikiem buforowym a wymiennikiem ciepła w module. Nie generuje to jednak znaczącego zużycia energii elektrycznej. Dodatkowy koszt z tym związany, w budynku jednorodzinnym, można szacować na poziomie 10-15 groszy/dobę.

Zalety zbiorników buforowych z przepływowym podgrzewaczem wody:

- brak ryzyka rozwoju bakterii termofilnych,

- brak potrzeby stosowania emalii i anody ochronnej,

- możliwość współpracy z pompą ciepła o wyższej mocy,

- możliwość współpracy z kilkoma źródłami ciepła.

Ograniczenia/wady:

- niewielki wzrost zużycia energii elektrycznej,

- wyższy koszt inwestycji.

Podsumowanie

W trakcie procesu projektowania instalacji współpracującej z pompą ciepła kluczowe jest posiadanie dokładnych informacji na temat rodzaju budynku i jego przeznaczenia, a z drugiej strony cech poszczególnych technologii przygotowania ciepłej wody. Dzięki temu możemy uniknąć zastosowania rozwiązania, które nie zapewni, np. wymaganego poziomu komfortu z uwagi na ograniczony przepływ ciepłej wody. Dokładne informacje pozwalają projektantowi czy wykonawcy znaleźć rozwiązanie, które zapewni spełnienie wymagań technicznych przy racjonalnym poziomie kosztów inwestycji i eksploatacji.

Fot. i rys. Vaillant

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 6/2018 1/2018 12/2017