Pompa ciepła — błędy projektowe, montażowe i eksploatacyjne

Pompy ciepła są nowoczesnymi, w pełni zautomatyzowanymi, urządzeniami grzewczymi, mogącymi przyczynić się do ograniczenia zużycia paliw konwencjonalnych, a także do ograniczenia kosztów ogrzewania budynku.

Ich stosowanie nie musi więc być podyktowane jedynie trendami mody, ale także dbałością o środowisko naturalne i względami finansowymi. Należy jednak być świadomym tego, że wspomniane korzyści mogą przynieść jedynie urządzenia i systemy właściwie zaprojektowane, dobrane, wykonane i eksploatowane, a więc pracujące bez zakłóceń. Błędy spotykane na wszystkich etapach cyklu życia systemu mogą powodować jego niewłaściwą pracę, a nawet być powodem uszkodzeń jego elementów.

Wobec tego projekt i wykonawstwo systemu pompy ciepła powinno się zlecać profesjonalnym firmom, specjalizującym się w realizacji tego typu inwestycji. Najlepiej byłoby gdyby firma realizująca inwestycję posiadała autoryzację producenta pompy ciepła, co jest dodatkowym gwarantem jej profesjonalizmu. Albowiem zaprojektowanie i wykonawstwo systemu pompy ciepła musi być wykonane zgodnie z zachowaniem wszelkich koniecznych przepisów i norm. Jest to bowiem podstawowy warunek bezpieczeństwa użytkowania i właściwego działania systemu. Niestosowanie się do niego może być przyczyną wielu błędów do których należą m.in.:

Błędy na etapie projektowania systemu (doboru urządzeń)

• Błędne określenie Ogólnego Zapotrzebowania na Ciepło (OZC)

Podstawą doboru wszystkich urządzeń i systemów grzewczych jest określenie zapotrzebowania na ciepło wytwarzane i dostarczane do budynku przez system. Jego błędna wartość powoduje zły dobór elementów systemu, które mogą być przewymiarowane lub niedowymiarowane, a więc jest przyczyną błędów w dalszych etapach projektu. W przypadku popełnienia błędu na tym etapie nawet właściwe wykonanie systemu nie gwarantuje jego poprawnego i efektywnego działania.

• Niedowymiarowane mocy pompy ciepła

Niedowymiarowana pompa ciepła nie jest w stanie przekazać do budynku wystarczającej ilości ciepła, przez co, szczególnie w okresach gdy temperatura zewnętrzna osiąga bardzo niskie wartości, występuje problem niedogrzania pomieszczeń. Użytkownik pompy ciepła o zbyt małej mocy jest zmuszony do korzystania z innego źródła ciepła w celu dogrzania pomieszczeń. Zakup pompy ciepła o małej mocy może wydać się kuszący z finansowego punktu widzenia, ponieważ można dzięki temu ograniczyć koszty inwestycji, przez co niekiedy użytkownicy rozmyślnie decydują się na takie rozwiązanie. Należy jednak zdać sobie sprawę z tego, że w okresach chłodniejszych konieczne będzie działanie dodatkowego źródła ciepła, które może być mniej efektywne od pompy ciepła (tym bardziej, że COP pompy ciepła jest wysokie), co wpłynie na generowanie dodatkowych kosztów eksploatacyjnych, przewyższających koszty generowane przez pompę wyższej mocy, które mogą spowodować zwiększenie okresu zwrotu inwestycji w system grzewczy w porównaniu do sytuacji gdy zainstaluje się pompę ciepła o mocy właściwie dopasowanej do zapotrzebowania energetycznego obiektu.

• Przewymiarowanie mocy pompy ciepła

Podstawowym problemem płynącym z przewymiarowania pompy ciepła jest to, że pompa o mocy większej niż potrzeba jest urządzeniem droższym, a więc następuje nieuzasadnione zawyżenie kosztów systemu, przez co wydłuża się okres zwrotu nakładów. Prawdopodobne jest, że przy niskiej temperaturze zewnętrznej, przewymiarowana pompa ciepła będzie pracowała właściwie, tak jak pompa o mocy dobranej prawidłowo. Różnica polegała będzie na tym, że przewymiarowana pompa ciepła będzie wykorzystywała mniejszy procent swojej mocy. W momencie jednak, gdy temperatura zewnętrzna podniesie się do określonego poziomu, może zostać przekroczony zakres regulacji mocy sprężarki, co może spowodować problemy w jej pracy.

• Źle dobrany wymiennik gruntowy (dolne źródło ciepła)

Dolne źródło ciepła jest bardzo ważnym elementem systemu grzewczego z pompą ciepła, ponieważ to właśnie z niego pobierane jest ciepło służące do ogrzewania budynku. W przypadku pomp ciepła solanka/woda dolnym źródłem ciepła jest grunt. Ciepło z gruntu pobiera się za pomocą pionowych lub poziomych sond (wymienników) gruntowych wypełnionych wodnym roztworem glikolu (tzw. solanką). Zbyt duży wymiennik gruntowy nie stanowi dużego problemu eksploatacyjnego. Głównym problemem w tym przypadku jest zawyżenie kosztów inwestycji, a więc zwiększenie czasu jej zwrotu. Poważny problem pojawia się w przypadku doboru zbyt małego wymiennika gruntowego. Zbyt mały wymiennik gruntowy nie jest bowiem w stanie odebrać od gruntu wystarczającej do ogrzania pomieszczeń ilości ciepła, przez co system z pompą ciepła jest nie wystarczający do zapewnienia właściwej temperatury w ogrzewanym budynku.

Zły dobór wymiennika gruntowego niesie za sobą niebezpieczeństwo zbyt dużego wychłodzenia gruntu (dolnego źródła) skutkującego utrudnieniem jego regeneracji. Utrudniona regeneracja dolnego źródła powoduje z kolei spadek temperatury wejściowej pompy ciepła, a co za tym idzie, spadek jej mocy nominalnej. Pompa o obniżonej mocy nominalnej, w celu wytworzenia zadanej ilości energii musi wydłużyć swój czas pracy, przez co sprężarka przez dłuższy czas pobiera elektryczność, a więc koszty jej eksploatacji rosną. Jest to bardzo niepożądane zjawisko lecz o wiele gorsze wydają się być następstwa tego stanu dla gruntu, ponieważ dłużej pracująca pompa ciepła bardziej obciąża dolne źródło, które jeszcze szybciej traci temperaturę. Tym sposobem następują kolejne spadki temperatury i mocy, co w ostateczności może doprowadzić nawet do zamrożenia dolnego źródła i przerwy w pracy pompy ciepła.

Zły dobór wymiennika gruntowego przeważnie spowodowany jest przyjęciem złych współczynników pozyskiwania ciepła z gruntu (współczynników mocy cieplnej gruntu) wyrażonych w W/m, przeważnie za wysokich, co skutkuje niedowymiarowaniem wymiennika gruntowego. Jest to efekt niedostatecznej znajomości geologii gruntu (brak rozpoznania geolologicznego) i jego właściwości cieplnych. Należy bowiem pamiętać, że zazwyczaj kolektory pionowe przechodzą przez kilka odmiennych pod względem geologicznym warstw gruntu, dlatego najlepiej jest stosować doświadczalne metody oszacowania możliwości cieplnych odwiertów, wykorzystując informacje z pierwszych odwiertów, które mogą służyć jako kontrolne. Dla systemów o dużej mocy grzewczej opłacalne może okazać się nawet wykonanie pomiaru przewodności cieplnej gruntu w celu precyzyjnego określenia potrzebnej długości kolektora gruntowego wykonane przez profesjonalną firmę.

Błędy w doborze górnego źródła ciepła

• Źle dobrany zasobnik c.w.u.

Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym pracującym na niskich parametrach, co oznacza, że jest ona przystosowana do wytwarzania niższych temperatur niż kocioł grzewczy. Wobec tego zasobnik wodny powinien posiadać wężownicę o większej powierzchni wymiany ciepła niż zasobnik dobierany dla kotła grzewczego lub być wyposażony w zewnętrzny wymiennik płytowy. Zły dobór zasobnika c.w.u., polegający przeważnie na zastosowaniu zasobnika o zbyt małej powierzchni odbioru ciepła, będzie skutkował zbyt niską temperaturą c.w.u..

• Nieprawidłowe zwymiarowanie instalacji c.o.

Tak jak zauważono wcześniej, pompa ciepła pracuje na niskich parametrach, niższych od kotłów grzewczych, a więc temperatura wody w instalacji grzewczej powinna być jak najniższa. Jest to bardzo ważne, ponieważ przy niższych parametrach pompa ciepła pracuje z wyższą sprawnością (wyższym COP) niż przy temperaturach wyższych, co jest spowodowane małą różnicą temperatur w przypadku systemu o niskich parametrach, a więc jej działanie jest efektywniejsze. W systemach pomp ciepła zaleca się więc stosowanie ogrzewania płaszczyznowego (podłogowego, sufitowego, ściennego) i rezygnację z tradycyjnych grzejników, przystosowanych do zasilania kotłowego, czyli wysokotemperaturowego. W przypadku systemu z pompą ciepła grzejniki byłyby zasilane niższą temperaturą, a więc ich powierzchnia grzewcza musiałaby być znacznie większa niż przy zasilaniu kotłowym. Podłączanie pompy ciepła do instalacji grzewczej pracującej na wysokich parametrach jest więc błędem, powodującym spadek COP przekładający się na wzrost kosztów eksploatacyjnych systemu, a więc zwiększenie czasu zwrotu urządzeń lub też niedogrzanie pomieszczeń spowodowane zbyt małą powierzchnią wymiany ciepła grzejników.

• Niewłaściwie dobrane elementy instalacji wewnętrznej zasilania/powrotu systemu rozprowadzenia ciepła

Poważnym błędem mogą też być nieprawidłowe średnice rur zasilania i powrotu we wszystkich odcinkach instalacji rozprowadzania ciepła, co może być przyczyną m.in. spadku nominalnego przepływu po stronie skraplacza, co spowoduje niedogrzanie budynku, albowiem instalacja nie będzie w stanie przenieść zbyt małym przepływem odpowiednich ilości energii lub też wzrostu prądu pracy, a więc obciążenia elektrycznego, co spowoduje zwiększenie zużycia sprężarki, a więc wyższy pobór elektryczności, czyli zwiększenie kosztów eksploatacji urządzenia. Dobrze jest pamiętać o tym, że przy wymianie kotła na pompę ciepła czasem wymagane jest zwiększenie przepustowości (średnicy) rur, a więc należy liczyć się z koniecznością ich wymiany.

Błędy na etapie montażu

• Złe wykonanie kolektora gruntowego

Wymiary kolektora gruntowego zależą przede wszystkim od rodzaju gruntu w którym ma być on instalowany. Z danej powierzchni gruntu konkretnego rodzaju można uzyskać ściśle określoną ilość energii, wobec czego pionowe sondy jak również poziomy kolektor gruntowy muszą być ułożone z zachowaniem odpowiednich odległości. Błędem jest zbyt gęste ułożenie kolektora poziomego lub/i usytuowanie go zbyt blisko powierzchni, a także zbyt gęste rozmieszczenie odwiertów pod sondy pionowe lub/i niewłaściwe określenie ich głębokości, ponieważ może to prowadzić do zbytniego wychłodzenia gruntu, a więc nieprawidłowego funkcjonowania pompy ciepła włączenie z zaprzestaniem jej pracy. Błędem jest również niedokładne wypełnienie odwiertów sond pionowych, ponieważ puste przestrzenie utrudniają przekazywanie ciepła z gruntu do kolektora.

Dużym błędem jest również umieszczania kolektora w gruncie słabym lub antropogenicznym, np. skarpie nasypu, która może się osunąć, w efekcie odkrywając kolektor. Kolektor należy umieszczać zawsze w macierzystym gruncie nośnym, co zapewnia jego wieloletnią stabilną pracę.

Zaleca się umieszczanie kolektora gruntowego możliwie najbliżej pompy ciepła, czyli obiektu. Umieszczenie kolektora w znacznej odległości o obiektu wymaga bowiem stosowania pompy obiegowej obiegu solanki o większej mocy, co przekłada się na wzrost zużycia elektryczności potrzebnej do jej działania, a więc generowania dodatkowych kosztów eksploatacyjnych systemu.

Bardzo ważne jest również dokładne zaizolowanie wejścia dolnego źródła do pompy ciepła, aby nie dopuścić do wykraplania, a nawet obladzania rur.

• Zapowietrzenie instalacji

Zapowietrzenie instalacji spowoduje jej nieprawidłowe działanie, dlatego należy tego unikać zarówno na etapie wykonywania, jak i uruchamiania instalacji. W przypadku wystąpienia należy instalację odpowietrzyć.

• Nieprawidłowo wykonana instalacja grzewcza

Błędy obecne w instalacji grzewczej budynku mogą również zakłócić prawidłowe funkcjonowanie systemu pompy ciepła. Należą do nich m.in. niewłaściwy rozstaw rur w przypadku ogrzewania płaszczyznowego, czy też stosowanie rozdzielacza bez rotametru, czyli pozbawienie instalacji możliwości właściwej regulacji przepływu, a więc możliwości jej prawidłowego zrównoważenia hydraulicznego.

• Nieszczelna instalacja

Nieszczelności w instalacji mogą doprowadzić m.in. do wykraplania i obladzania rur oraz konieczności częstego uzupełniania glikolu. Szczególnie niebezpieczne są nieszczelności kolektora gruntowego, ponieważ są bardzo trudne, a właściwie prawie niemożliwe do zlokalizowania i wyeliminowania.

• Ciecz robocza o nieodpowiednich właściwościach

W pompie ciepła solanka/woda cieczą roboczą jest wodny roztwór glikolu, tzw. solanka. Glikole dystrybuowane są w postaci koncentratów i roztworów. W celu bezpośredniego wykorzystania ich w pompach ciepła należy więc samodzielnie przygotować roztwór. Każde stężenie roztworu odpowiada innej, ściśle określonej temperaturze krzepnięcia. Nieodpowiednie proporcje koncentratu glikolowego i wody mogą więc spowodować przygotowanie roztworu o niewłaściwej temperaturze krzepnięcia, co może spowodować niewłaściwe działanie systemu.

Należy również pamiętać o tym, że woda używana do rozcieńczania koncentratu glikolowego musi być odpowiedniej jakości, przede wszystkim o ograniczonej zawartości chlorków i o odpowiedniej twardości. Często stosowana jest woda zdemineralizowana. Woda o nieodpowiedniej jakości może przedłożyć się na problemy eksploatacyjne, takie jak: pienienie, korozja, obecność nadmiernej ilości tlenu w instalacji itd.

• Wykorzystanie nadmiernie zanieczyszczonej wody.

W pompach woda/woda jako dolne źródło ciepła wykorzystuje się wody gruntowe. Ważne jest aby przed wykonaniem instalacji sprawdzić jakość tych wód, albowiem ich nadmierne zanieczyszczenie, m.in. nadmierna ilość żelaza, manganu i innych zanieczyszczeń może być powodem zapychania filtrów, a nawet wymiennika ciepła.

• Złe usytuowanie zewnętrzne powietrznej pompy ciepła

Usytuowanie, pracującej na zewnątrz, powietrznej pompy ciepła króćcem „wydmuchowym” w bliskiej odległości od ściany może być przyczyną jej zawilgocenia.

• Niedostateczne odprowadzanie skroplin powietrznej pompy ciepła

Skropliny powinny być bezwzględnie odprowadzane, najlepiej do kanalizacji deszczowej lub zwykłej. Brak dostatecznego odprowadzenia skroplin może bowiem spowodować zawilgocenie fundamentów i ścian budynku oraz doprowadzić do zakłóceń pracy pompy ciepła, a wręcz do jej „zamrożenia”.

• Hałasująca pompa ciepła

Pracująca pompa ciepła generuje hałas oraz drgania. Zwykle nie są to zakłócenia o dużej wartości i nie stwarzają niedogodności eksploatacyjnych, jednak, w przypadku zastosowania sztywnych przyłączy (rur) drgania mogą być przenoszone na instalację grzewczą, co stwarzać problemy. Wobec tego przyłącza powinny być wykonane z elementów elastycznych, a umiejscowienie pompy ciepła powinno być wcześniej przemyślane, aby nie przeszkadzać mieszkańcom budynku.

• Błędy wykonawcze (fuszerka)

Bardzo często nieprawidłowości w działaniu systemu z pompą ciepła spowodowane są błędami wykonawczymi spowodowanymi niedbałością, czyli popularnie zwana „fuszerka”. Niedbałe wykonanie instalacji może polegać przede wszystkim na podziurawieniu rur lub innych zniszczeniach mechanicznych elementów systemu.

Błędy na etapie eksploatacji

• Niewłaściwa eksploatacja terenu ponad wymiennikiem gruntowym

Teren ponad wymiennikiem gruntowym nie powinien być pokryty utwardzoną nawierzchnią, zalesiony lub przeznaczony pod uprawy. Powinien być on wystawiony na swobodne oddziaływanie promieniowani słonecznych, co sprzyja jego regeneracji. Poważnym błędem jest przykrywanie takiego gruntu kostką brukową, płytami chodnikowymi, betonem, asfaltem lub inną powierzchnią blokującą wnikanie promieni słonecznych, ponieważ może to utrudnić regenerację gruntu, czyli spowodować jego zbytnie wychłodzenie.

• Brak okresowych kontroli cieczy roboczych

Ciecze robocze (m.in. wodne roztwory glikolu) należy poddawać okresowej kontroli, podczas której sprawdza się m.in. stężenie jonów wodorowych (pH), rezerwę alkaliczną oraz gęstość roztworu. Jest to konieczne, ponieważ podczas eksploatacji ciecze robocze mogą ulegać destrukcji będącej efektem różnorakich przemian chemicznych.

• Brak lub złe uzupełnianie ubytków cieczy roboczych

W przypadku wystąpienia ubytków cieczy roboczej należy je uzupełnić, aby zapewnić prawidłowość działania instalacji. Uzupełnienie takie musi być jednak wykonane prawidłowo. Jeżeli ciecz roboczą stanowi wodny roztwór glikolu nie wolno jej niedoboru uzupełniać wodą, ponieważ spowoduje to zmniejszenie stężenia glikolu w roztworze, co zaskutkuje obniżeniem temperatury krzepnięcia cieczy roboczej i zwiększy prawdopodobieństwo jej zamarznięcia.

Zawyżone rachunki w pierwszym okresie używania systemu

Często w nowobudowanych obiektach odczuwalne są wyjątkowo wysokie koszty eksploatacji pompy ciepła w pierwszym sezonie lub pierwszych dwóch sezonach użytkowania. Często traktowane jest to przez inwestorów jako błąd , chociaż nim nie jest. Należy bowiem pamiętać o tym, że nowy budynek zawiera wiele tzw. wilgoci technicznej- wody będącej składnikiem betonu, zapraw, tynków, itp., przez co ogrzewanie w pierwszym sezonie grzewczym ma za zadanie również usunięcie tej wilgoci. Powoduje to wzrost zapotrzebowania budynku na ciepło dostarczane przez system pompy ciepła, przez co rachunki za elektryczność są w tym okresie wyższe niż w okresach późniejszych. Należy jednak pamiętać, że problem ten dotyczy wszystkich systemów grzewczych, nie tylko pompy ciepła, a więc błędem jest traktowanie tego jako nieprawidłowość.

Najlepsze produkty w swoich kategoriach, wybrane na podstawie opinii ekspertów oraz ilości sprzedanych sztuk

Literatura:

[1] http://ekobudowanie.pl/pompy-ciepla/1640-eksploatacja-i-konserwacja-systemu-z-pompa-ciepla [data dostępu: 07.01.2013r.]

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie: mgr inż. Joanna Kopica, mgr inż. Radosław Turski.

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji.