Gruntowa i powietrzna pompa ciepła: schemat działania, instalacja hydrauliczna, funkcje

Gruntowa i powietrzna pompa ciepła: schemat działania, instalacja hydrauliczna, funkcje

Pompy ciepła od lat wiodą prym na rynku instalacji grzewczych. Dzieje się tak nie tylko ze względu na ich innowacyjną technologię, bezawaryjność i intuicyjne działanie. W dobie zmian klimatycznych inwestorzy kładą nacisk także na aspekt ekologiczny. Nie bez znaczenia dla wyboru instalacji grzewczej są także korzyści finansowe. Rosnące ceny surowców, obawa o dostawy gazu i wypełnienie magazynów w sezonie zimowym powodują wzrost zainteresowania odnawialnymi źródłami energii. Przewagą naturalnych zasobów jest ich niewyczerpalność, brak negatywnego wpływu na środowisko i korzyści finansowe dla przyszłego prosumenta. Wybierając system grzewczy dla nowego, ale i remontowanego domu czy firmy warto postawić na instalację pompy ciepła. W poniższym artykule przedstawiamy typy pomp ciepła ze względu na rodzaj dolnego źródła ciepła oraz schemat instalacji hydraulicznej gruntowej i powietrznej pompy ciepła. Dowiesz się także:

• w jakim układzie może funkcjonować pompa ciepła
• co różni pompy SPLIT od pomp typu MONOBLOK
• jak wygląda podłączenie pompy ciepła powietrze woda, a jak montaż pompy ciepła czerpiącej energię z gruntu
• czy pompa ciepła lepiej funkcjonuje z ogrzewaniem podłogowym, czy rozprowadzając ciepło przy pomocy tradycyjnych grzejników
• czy musisz rezygnować z dotychczasowej metody ogrzewania domu

Pompa ciepła: schemat działania

Zacznijmy od zasady funkcjonowania pompy ciepła: zarówno urządzenia powietrze woda, powietrze powietrze, jak i gruntowe pompy ciepła nie wytwarzają energii cieplnej, ale są jej przekaźnikiem. Pompy ciepła dosłownie przepompowują energię cieplną z dolnego źródła ciepła do instalacji centralnego ogrzewania domu. Źródło, które dostarcza ciepło do instalacji, służy do odparowania czynnika chłodniczego w parowniku pompy ciepła. Następnie czynnik chłodniczy trafia do sprężarki pompy, która jak wskazuje jej nazwa spręża gaz. Czynnik chłodniczy w takiej postaci trafia do skraplacza, gdzie zmienia stan skupienia (z gazu na ciecz). Woda transportuje ciepło do zbiornika buforowego, który zasila instalację centralnego ogrzewania oraz do zbiornika ciepłej wody użytkowej. W konsekwencji czynnik ulega skropleniu i dalej przepływa przez zawór rozprężny. To z kolei powoduje spadek ciśnienia: temperatura czynnika zmniejsza się, który dzięki temu ponownie może powtórzyć cały obieg, termodynamiczny trafiając do parownika.

Rodzaje dolnego źródła ciepła

Dolne źródło ciepła pompy to środowisko naturalne, z którego urządzenie ma pobrać energię termiczną: grunt, wody gruntowe lub powietrze zewnętrzne. Cechy, które powinny wyróżniać dolne źródło ciepła dla pompy to przede wszystkim duża pojemność cieplna, stała temperatura (najlepiej wysoka, czym wyróżnia się grunt), łatwą dostępnością i brakiem zanieczyszczeń, które mogłyby spowodować uszkodzenie lub korozję instalacji.

Jaki rodzaj dolnego źródła ciepła jest najlepszy dla mojej inwestycji?

Kryterium wyboru pompy ciepła dla określonej inwestycji przede wszystkim jest powierzchnia terenu. I tak:

Pompa gruntowa z wymiennikiem poziomym:

• wymaga dużej powierzchni, najczęściej kilkuset metrów kwadratowych
• teren powinien być wolny od krzewów, drzew i innych nasadzeń
• konieczny będzie dodatkowy osprzęt w postaci pomp do przetłoczenia glikolu, czy sterowników
• działka musi być poddana niwelacji

Pompa gruntowa z wymiennikiem pionowym:

• dla posiadaczy wąskiej, niewielkiej lub nierównej działki
• konieczne są odwierty o głębokości około stu metrów
• zastosowanie kolektora pionowego jest mniej inwazyjne dla działki i umożliwiające jej zagospodarowanie drzewami i krzewami.

Schemat instalacji gruntowej pompy ciepła

Gruntowa pompa ciepła wykorzystuje ciepło zawarte w gruncie do ogrzewania budynku oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Prawidłową pracę pompy ciepła typu gruntowego zapewnia dobrze zaprojektowany wymiennik poziomy lub pionowy na działce. Za pomocą pompy obiegowej dolnego źródła przepływa roztwór solanki lub glikolu będący czynnikiem transportującym ciepło do wymiennika znajdującego się w pompie ciepła, w której dochodzi do realizacji procesu termodynamicznego i ogrzania wody górnego źródła ciepła. Za pomocą pompy obiegowej górnego źródła ciepła woda transportowana jest do instalacji centralnego ogrzewania oraz często wykorzystywanego do współpracy z nią bufora, a także do wymiennika ciepła w zbiorniku cwu.

Schemat instalacji powietrznej pompy ciepła

Alternatywą dla gruntowej pompy ciepła jest pompa ciepła powietrze. Jej działanie opiera się na pobieraniu ciepła z powietrza atmosferycznego, a zatem inwestor nie jest narażony na kosztowną budowę dolnego źródła ciepła. Nie ma także znaczenia metraż działki i jej ukształtowanie. Wpływ na stosunek energii zużytej do energii wytworzonej w powietrznych pompach ciepła, będzie jednak ulegał wahaniom ze względu na zmienne parametry temperatury zewnętrznej, która dynamicznie się zmienia w ciągu kilku dni.

Montaż powietrznej pompy ciepła typu split i monoblok.

Schemat podłączenia pompy ciepła typu powietrznego w zasadzie jest bardzo podobny do sschematu instalacji pompy ciepła.

gruntowej. W powietrznej pompie ciepła rolę dolnego źródła ciepła przejmuje otaczające ją powietrze i to jego ciepło jest wykorzystywane do ogrzania budynku i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Różnice w schemacie instalacji pompy ciepła typu monoblok i split są znaczące i wynikają z budowy tych dwóch rodzajów pomp.

• Pompa ciepła typu split: jest pompą ciepła, która składa się z jednostki zewnętrznej, wewnętrznej oraz instalacji freonowej i elektrycznej łączącej obie jednostki. Jednostka zewnętrzna współpracuje z jednostką wewnętrzną: pierwsza w trybie grzewczym pełni rolę parownika, czyli agregatu w którym dochodzi do odparowania czynnika chłodniczego i poboru energii cieplnej z dolnego źródła, znajduje się tam również sprężarka i zawór rozprężny. W tym przypadku jednostka wewnętrzna pełni funkcję skraplacza i właśnie w niej znajduje się wymiennik w którym ciepło pobrane z dolnego źródła oddawane jest do instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej.
• Pompa ciepła monoblok: cechuje się tym, że składa się tylko z jednostki zewnętrznej, w której znajduje się parownik, sprężarka, zawór rozprężny, skraplacz oraz cała instalacja freonowa. Jednostka monoblok wymaga jedynie doprowadzenia instalacji hydraulicznej co wiąże się z zastosowaniem zabezpieczeń chroniących ją przed zamrożeniem oraz izolacji instalacji hydraulicznej ewentualnie zastosowaniem dodatkowego wymiennika ciepła wewnątrz budynku i wykonaniem instalacji glikolowej pomiędzy nim a jednostką pompy ciepła zlokalizowanej na zewnątrz.

Automatyka w pompach ciepła

Odpowiednia automatyka współpracująca z pompami ciepła jest gwarantem poprawnego, efektywnego i niezawodnego działania połączeń hydraulicznych. Tylko poprawnie dobrana i zainstalowana automatyka zapewni inwestorowi wygodne i bezproblemowe działanie, realnie obniżając koszty użytkowania pompy ciepła. Co składa się na główne elementy automatyki współpracującej z pompą ciepła?

• czujniki temperatury wewnętrznej i zewnętrznej
• czujniki temperatury zasilania i powrotu wody w obiegu grzewczym
• sterowniki nadrzędne i sterowniki główne

Czujniki temperatury zewnętrznej i temperatury wewnętrznej

Współpraca tych dwóch rodzajów czujników jest kluczowa: dzięki niej możemy oszczędzać energię elektryczną. To właśnie od ich wskazań zależy temperatura zasilania instalacji grzewczej. Czujniki temperatury wewnętrznej zwane też czujnikami temperatury komfortu określają temperaturę gotowości pracy pompy ciepła, temperaturę startu pracy sprężarki oraz temperaturę komfortu po osiągnięciu której pompa może przestać pracować. Czujniki temperatury zewnętrznej zwane też czujnikami pogodowymi, określają temperaturę do jakiej pompa ciepłą musi dogrzać czynnik grzewczy w instalacji centralnego ogrzewania, aby sprostać aktualnemu zapotrzebowaniu budynku na ciepło według ustawionej krzywej grzewczej.

Czujniki temperatury zasilania i powrotu wody w obiegu grzewczym

Czujniki przeznaczone do monitorowania pracy układu hydraulicznego pompy ciepła oraz kontroli temperatury wody grzewczej umożliwiają odpowiednie sterowanie wydajnością grup pompowych instalacji. Pozwala to na odpowiednią regulację przepływu wody grzewczej i najwyższą efektywność energetyczną instalacji oraz uzyskanie zalecanej dla pomp różnicy temperatury między zasilaniem i powrotem wynoszącą 5 stopni Celsjusza.

Sterowniki nadrzędne i główne

Odpowiednie i dobre sterowniki główne pozwalają na zastosowanie najbardziej wydajnych algorytmów pracy urządzenia. Umożliwiają użytkownikowi stały podgląd parametrów pracy pompy ciepła, parametrów w jakich pracuje czynnik chłodniczy, grzewczy oraz jaka jest jego temperatura. Sterowniki z najwyższej półki pozwalają również na zdalne sterowanie całym systemem grzewczym oraz wykorzystanie dodatkowych peryferyjnych nawet bezprzewodowych czujników temperatury, pozwalających na strefowe sterowanie temperaturą niezależnie w kilku pomieszczeniach. Pozwalają także na programowanie tygodniowe parametrów pracy pompy ciepła.

Instalacja pompy ciepła a inne urządzenia grzewcze

Nie musisz rezygnować z alternatywnego źródła ciepła i istniejącej instalacji, nawet jeśli zdecydujesz się na pompę ciepła. Taka sytuacja ma miejsce zwłaszcza zmodernizowanych domach, ale działanie istniejącej instalacji ( np. kotła gazowego) z pompą jest możliwe. Współpraca pompy ciepła z równolegle podłączonymi systemami grzewczymi lub brak takiej współpracy nazywa się odpowiednio pracą biwalentną lub monowalentną.

Tryb monowalentny

Monowalentny lub inaczej monoenergetyczny tryb pracy pompy ciepła oznacza, że pompa bez względu na temperaturę powietrza zewnętrznego jest w stanie pokryć 100% zapotrzebowania budynku na energię cieplną oraz jest w stanie przygotować ciepłą wodę użytkową do zadanej temperatury. Tryb monoenergetyczny zazwyczaj odnosi się do pracy gruntowych pomp ciepła ponieważ temperatura gruntu jest stabilna nawet w okresach bardzo niskich temperatur.

Tryb biwalentny

Trybem biwalentnym nazywamy program pracy pomp ciepła, w którym przy bardzo niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego i przy braku zapewnienia przez pompę odpowiedniej mocy grzewczej, alternatywne źródło ciepła przejmuje lub uzupełnia pracę pompy ciepła do podgrzewania cwu oraz instalacji ogrzewania budynku. Tryb biwalentny ma na celu zoptymalizowanie zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła oraz zapewnienie zadanych parametrów pracy jakie ma do spełnienia cały układ hydrauliczny. Rozróżnić można tryb biwalentny równoległy, w którym dodatkowe źródło ciepło wspomaga pracę pompy, lub tryb alternatywny, w którym pompa ciepła wyłącza się a alternatywne źródło ciepłą przejmuje całkowicie funkcję

Tradycyjne grzejniki czy ogrzewanie podłogowe? Na jaki system instalacji warto postawić?

Schemat podłączenia pompy ciepła jest także istotny z punktu widzenia systemu górnego źródła ciepła, czyli instalacji rozprowadzającej energię termiczną w budynku. Warto pamiętać, że pompa ciepła jest urządzeniem niskotemperaturowym, a zatem najlepszą efektywność osiągnie, kiedy górnym źródłem będzie dla niej ogrzewanie podłogowe. Zwykłe grzejniki potrzebują wyższej temperatury zasilania, jeżeli zatem inwestor nie chce zmieniać dotychczasowego sposobu instalacji grzewczej, grzejniki będą musiały współpracować z wysokotemperaturową pompą ciepła: ich zasada działania różni się tylko większym zapotrzebowaniem energii elektrycznej w przeciwieństwie do pomp ciepła, które mogą współpracować z ogrzewaniem podłogowym.

Schemat podłączenia pompy ciepła: czy instalacja może zostać przeprowadzona samodzielnie?

Schemat instalacji pompy ciepła ze względu na mnogość połączeń hydraulicznych, zaawansowaną automatykę pomp ciepła (zarówno wtedy, kiedy decydujemy się na gruntową pompę, jak i powietrzną pompę ciepła) oraz skomplikowany schemat podłączenia pompy ciepła bazującej na wodzie gruntowej lub energii gruntu, musi zostać odpowiednio zaprojektowany, a sam montaż pompy ciepła przeprowadzony przez doświadczonego instalatora-hydraulika. Samodzielna instalacja może wbrew pozorom zawyżyć koszty inwestycji poprzez błędy spowodowane naszą niewiedzą, a niewłaściwie dobrane urządzenie o zbyt niskich parametrach nie pokryje zapotrzebowania domu na cwu i ciepło. Pamiętajmy, że rynek oferuje wielofunkcyjne pompy ciepła: część modeli służyć może także do chłodzenia budynku: wybór należy zatem pozostawić wykwalifikowanym projektantom instalacji pompy ciepła.