Zbiornik buforowy stanowi ważny element wielu rodzajów instalacji z pompami ciepła. Rolą tego typu zbiornika jest z reguły magazynowanie ciepła, a w części instalacji również funkcja sprzęgła hydraulicznego, czyli zapewnienie bezkolizyjnej współpracy kilku pomp obiegowych.
Celem magazynowania ciepła, a więc sytuacją kiedy stosujemy zbiorniki buforowe w układach z pompą ciepła może być np.:
• wykorzystanie dostępnej okresowo tańszej energii elektrycznej, np. w taryfach G12, G12w czy G13;
• akumulacja ciepła wytworzonego przez pompę ciepła we współpracy z instalacją fotowoltaiczną;
• zapewnienie odpowiedniej ilości energii na potrzeby procesu odladzania parownika pompy ciepła powietrze-woda;
• wydłużenie czasu pracy sprężarki pompy ciepa, w szczególności we współpracy z odbiornikami o niskiej bezwładności.
Czy zawsze niezbędny jest zbiornik buforowy?
W prostych instalacjach, w których nie występuje podział systemu na kilka obiegów grzewczych, nie zawsze wymagane jest zastosowanie zbiornika buforowego. Możemy z niego zrezygnować we współpracy z instalacją podłogową o odpowiednich parametrach. Po pierwsze: opory hydrauliczne instalacji muszą być niższe od ciśnienia dyspozycyjnego modułu pompy ciepła. Po drugie: części pętli instalacji podłogowej nie można wyposażyć w elektrozawory do miejscowej regulacji temperatury, by zapewnić optymalną pracę sprężarki.
Uwagi: projektując instalację podłogową do współpracy z konkretnym modelem pompy ciepła, do obliczeń należy przyjąć przepływ, jaki będzie generowała pompa ciepła. Informację tę znajdziemy w dokumentacji urządzenia. Przepływ ten zależy od mocy urządzenia oraz przyjętej przez producenta różnicy między temperaturą zasilania i powrotu. Z reguły brana jest pod uwagę różnica temperatury rzędu 5 K, która zapewnia wysoką efektywność pompy ciepła.
Nie należy projektować instalacji z różnicą temperatury rzędu 10 K, np. dla parametrów 40/30oC, podczas gdy pompa ciepła będzie dążyła do utrzymania różnicy temperatury na poziomie 5 K, a więc dwukrotnie wyższego przepływu. Może się wówczas okazać, że opory hydrauliczne tak zaprojektowanej instalacji będą zbyt wysokie i nie będzie możliwości uzyskania wymaganego przepływu.
Do zalet układu z bezpośrednim zasilaniem instalacji podłogowej zaliczamy najniższy koszt inwestycji, ograniczenie liczby pomp obiegowych, estetyczny wygląd systemu i optymalne wykorzystanie przestrzeni pomieszczenia technicznego.
Ograniczenia systemu to przede wszystkim brak możliwości miejscowego sterowania temperatury w każdym z pomieszczeń. Stosuje się je zwykle w pomieszczeniach nasłonecznionych, w których okresowo mogłoby dochodzić do nadmiernego wzrostu temperatury. Udział pętli instalacji podłogowej wyposażonych w elektrozawory nie może z reguły przekraczać 50%. Zależy to od wymagań danego modelu pompy ciepła i parametrów instalacji.
Instalacja z odbiornikami o niskiej bezwładności w pełni wyposażona w miejscową regulację temperatury
W przypadku zasilania odbiorników o niskiej bezwładności, np. klimakonwektorów czy grzejników, ale też instalacji podłogowej, w której wszystkie pętle wyposażono w elektrozawory nadal możliwe jest zastosowanie prostego układu hydraulicznego bez dodatkowych pomp obiegowych. Instalację należy zaprojektować tak, by opory hydrauliczne były niższe od ciśnienia dyspozycyjnego dla przepływu podanego w dokumentacji urządzenia. Na powrocie z instalacji należy zastosować niewielkiej pojemności zbiornik buforowy, który zapewni wydłużenie czasu pracy sprężarki, a przede wszystkim zmagazynuje ilość energii niezbędną do okresowej pracy funkcji odladzania parownika pompy ciepła powietrze-woda. Wymaganą pojemność zbiornika podaje dokumentacja pompy ciepła. Często, szczególnie w przypadku pomp ciepła wyposażonych w sprężarkę o płynnej regulacji prędkości, wymagane pojemności zbiorników są niewielkie, rzędu 3-5 l/kW.
W takiej sytuacji kompaktowy zbiornik buforowy o pojemności rzędu 20 l jest montowany wewnątrz obudowy pompy ciepła o mocy, np. 3, 5 czy 7 kW (schemat 1). Zbiornik taki może być również montowany za lub obok pompy ciepła (schemat 2).
Ważnym elementem systemu jest też zawór nadmiarowo-upustowy, który zapewnia utrzymanie odpowiedniego przepływu również w słoneczne wiosenne dni, gdy termostaty pokojowe ograniczają przepływ przez znaczną liczbę pętli instalacji podłogowej.
Pobierz Schemat 1 System bez zbiornika buforowego
Pobierz Schemat 2 System z zbiornikiem buforowym na powrocie
Instalacja o podwyższonych oporach hydraulicznych lub z kilkoma odbiornikami/źródłami ciepła (schemat 3)
W przypadku instalacji o oporach hydraulicznych przekraczających ciśnienie dyspozycyjne pompy ciepła stosuje się zbiornik buforowy w roli sprzęgła hydraulicznego. Za zbiornikiem montujemy pompę obiegową o parametrach odpowiednich dla instalacji.
To samo rozwiązanie stosuje się w przypadku zasilania kilku obiegów grzewczych czy też połączenia kilku pomp ciepła w układzie kaskadowym. Niezbędne jest wówczas wyeliminowanie wzajemnego oddziaływania pomp obiegowych w celu zapewnienia stabilnego przepływu.
Zapewnia to właśnie zbiornik buforowy zabudowany w roli sprzęgła. Jego pojemność zaś pozwala na swobodną pracę pompy ciepła, nawet w przypadku nagłego wyłączenia poszczególnych pomp obiegowych czy też zmiany pozycji wkładu zaworu mieszającego.
Pobierz Schemat 3 System ze zbiornikiem buforowym w roli sprzęgła
Pytanie: czy można zastosować sprzęgło hydrauliczne zamiast zbiornika buforowego?
Tak, przy czym instalacja musi zapewnić możliwość swobodnej pracy sprężarki przez co najmniej kilka minut. W związku z tym rozwiązanie to jest stosowane tylko w przypadku zasilania instalacji o dużej pojemności (ogrzewanie podłogowe), w której nie ma ryzyka nagłego odłączenia części odbiorników, zatem nie występuje w niej znaczna liczba termostatów pokojowych.
Zbiornik buforowy o dużej pojemności, stosowany w celu zmagazynowania większej ilości energii (schemat 4)
Coraz częściej zbiorniki buforowe są wykorzystywane również w celu magazynowania ciepła z zamysłem wykorzystania go w ciągu kilku kolejnych godzin. Rozwiązanie to pozwala wykorzystać występujące w wybranych godzinach niższe ceny energii elektrycznej w taryfach G12, G12w czy G13. W przypadku zaś współpracy pompy ciepła z instalacją fotowoltaiczną zbiornik buforowy pozwala zwiększyć bieżącą konsumpcję generowanej energii elektrycznej.
Ilość ciepła, jaką możemy zakumulować w zbiorniku, zależy od jego pojemności oraz stopnia podwyższenia temperatury wody. Największe możliwości występują w przypadku zasilania instalacji podłogowej, niskotemperaturowej. Pozwala to na akumulację energii przy względnie niskiej temperaturze pracy pompy ciepła, np. na poziomie 40 czy 45°C. W przypadku współpracy z grzejnikami o wyższej temperaturze zasilania możliwości akumulacji nadwyżek energii w zbiorniku są ograniczone. Wiele modeli pomp ciepła nie ma możliwości pracy z wysoką temperaturą, a poza tym oznaczałoby to gwałtowny spadek współczynnika wydajności COP.
Pobierz Schemat 4 System ze zbiornikiem buforowym o dużej pojemności
Jaką ilość ciepła można zakumulować w zbiorniku?
Część inwestorów przypuszcza, iż zastosowanie zbiornika o pojemności rzędu 500-800 l pozwoli zakumulować dużą ilość ciepła. Liczą na to, iż pompa ciepła nie będzie musiała pracować w godzinach występowania wyższej ceny energii elektrycznej. W praktyce taka pojemność zbiornika buforowego nie pozwala zakumulować znacznej ilości ciepła. Podgrzanie zbiornika o pojemności 500 l o 10 K pozwala zakumulować niecałe 5,8 kWh, podgrzanie z kolei o 20 K oznacza akumulację około 11,6 kWh. W praktyce może to oznaczać możliwość ogrzania domu o powierzchni około 120 m2 przez zaledwie godzinę lub dwie (przy temperaturze zewnętrznej -20°C) ewentualnie 2 lub 4 godziny przy temperaturze zewnętrznej około 0°C.
Jaką ilość energii elektrycznej możemy wykorzystać do ładowania zbiornika buforowego o pojemności 500 l?
Podgrzanie zbiornika buforowego o pojemności 500 l o 10 do 30 K pozwala wykorzystać od 2 do 8-9 kWh energii elektrycznej. Zależy to oczywiście od możliwości danego modelu pompy ciepła, a przede wszystkim od aktualnej temperatury dolnego źródła.
Na co zwrócić uwagę w trakcie ładowania zbiornika z wykorzystaniem taryfy dwu- lub trzystrefowej?
Częstym błędem jest w tym przypadku ustawienie sterownika systemu tak, by zbiornik był ładowany do wysokiej temperatury przez cały okres występowania niższej ceny energii. W praktyce czas ładowania zbiornika z wyższą temperaturą powinien być dostosowany do pojemności zbiornika i dostępnej mocy pompy ciepła. W przypadku zbiorników o pojemności rzędu 500-800 l wystarczająca może być praca pompy ciepła z wyższą temperaturą przez zaledwie 2-3 godziny. W związku z tym, jeśli niższa cena energii występuje, np. w godzinach 22.00-6.00 wówczas, aż do godziny 3.00 lub 4.00 pompa ciepła może i powinna pracować z niską temperaturą i wysoką efektywnością. Dopiero na 2-3 godzin przed zakończeniem się okresu występowania niższej ceny energii urządzenie powinno pracować
z wyższą temperaturą, ładując zbiornik buforowy.
Podsumowując, zbiornik buforowy spełnia ważne funkcje w wielu instalacjach z pompami ciepła. Zawsze powinien być on dobrany z uwzględnieniem wymagań instalacji i pompy ciepła. W przypadku zaś wykorzystania zbiornika do magazynowania ciepła ważna jest optymalizacja pracy sprężarki, zwłaszcza unikanie wielogodzinnej pracy z wysoką temperaturą. We współpracy z instalacją fotowoltaiczną wskazanym rozwiązaniem jest zastosowanie dodatkowego układu sterującego, który mierzy aktualną moc instalacji oraz zużycie energii. Wymusi on pracę pompy ciepła w przypadku występowania odpowiedniej nadwyżki energii.