Grzanie i chłodzenie z technologią pomp ciepła typu powietrze-woda

Dlaczego chłodzenie staje się coraz bardzie ważne dla mieszkańców?

Mówimy coraz częściej o schładzaniu latem pomieszczeń ponieważ w polskich realiach traktujemy to już nie jako luksus, ale standard. Dodatkowo nasze domy się zmieniają. Obecnie nowoczesne domy o coraz wyższych wskaźnikach energooszczędności najczęściej są dobrze docieplone, mają mniejszą akumulacyjność cieplną niż domy w starszej konstrukcji, zyski wewnętrzne budynku powodują jego przegrzanie. Dodatkowo coraz częściej mają więcej okien od południowej strony. W takiej sytuacji, aby utrzymać komfort cieplny chłodu latem w budynku tego typu, koniecznością staje się zastosowanie (oprócz ogrzewania) również chłodzenia budynku. Warto tutaj zaznaczyć, że w zależności od technologii wydatki na chłodzenie domu mogą być wyższe niż na jego ogrzewanie, ze względu na wyższe koszty produkcji chłodu niż ciepła. Potrzeby chłodu dla energooszczędnego domu jednorodzinnego są często bliskie potrzebom cieplnym [1][2][5][6][12].

Rys. 1. Zapotrzebowanie na ciepło i chłód w budownictwie

Jak działa powietrzna pompa ciepła w trybie chłodzenia?

W przypadku pompy ciepła typu powietrze-woda, która została wykorzystana do wytwarzania chłodu mamy do czynienia z tzw. chłodzeniem aktywnym. Praca w takim trybie polega na odwróceniu obiegu pompy ciepła. Wymiennik ciepła, który był skraplaczem w trybie ogrzewania, dla trybu chłodzenia zmienia się w parownik, czyli miejsce gdzie ciepło jest odbierane, a parownik staje się skraplaczem. Zawór 4-drogowy zmienia swoje położenie, zmieniając kierunek przepływu czynnika chłodniczego. Chłodzenie tego typu, o ile tylko jest przygotowana odpowiednio automatyka pompy ciepła, można zrealizować w każdej powietrznej pompie ciepła (zachodzi tu jedynie konieczność stosowania zaworu 4-drogowego ze względu na odszranianie parownika w zimie). Zagadnienie porównania trybów racy w sezonie letnim oraz zimowym dla pompy ciepła przedstawiono na rysunku nr 2 [1][2][7].

1. Tryb grzewczy pompy ciepła

2. Tryb chłodzenia pompy ciepła

Rys. 2. Tryby pracy pompy ciepła typu powietrze-woda w układzie grzania (a) i chłodzenia (b) [12]

Oczywiście instalator powinien sprawdzić przed montażem możliwości techniczne montowanej pompy ciepała pod względem zastosowania jej do chłodzenia pomieszczeń. Szereg producentów rewersyjność traktuje jako standard w niektórych przypadkach do pompy trzeba dołożyć dodatkowy moduł. Pompa ciepła do pracy w układzie chłodzenia musi być np. wyposażona w odpowiedni układ sterujący uwzględniający inną temperaturę parownika i skraplacza oraz w zawór rozprężny przystosowany do działania w systemie rewersyjnym [12].

Rys. 3. Koperty pracy powietrznych pomp ciepła firmy Panasonic w trybie grzania i chłodzenia

Warto też sprawdzić w charakterystyce urządzenia jaka pompa ciepła posiada kopertę pracy w układzie grzania oraz właśnie chłodzenia. To istotne kwestia z racji tego czy uda się nam uzyskać oczekiwany komfort chodu w pomieszczeniach. Zagadnienie to dla przykładowej pompy przedstawiono na rysunku nr 3.

Technologie chłodzenia pomieszczeń z wykorzystaniem pompy ciepła jako źródła chłodu

Wiemy już jak działa pompa ciepła. Jej dobór i wybór optymalnej jednostki dla doświadczonego projektanta nie jest problemem. Dla schładzania pomieszczeń latem mamy dwie opcje: albo niezależne klimatyzatory split albo wybór właśnie pompy ciepła z możliwością chłodzenia w lecie. Zaletą pompy ciepła typu powietrze-woda poza tanim i ekonomicznym dla użytkownika ogrzewaniem (o którym już pisaliśmy wielokrotnie) jest właśnie jeszcze możliwość chłodzenia w okresie lata. Czasami zapominamy o tej funkcjonalności. To co po wyborze pompy ciepła trzeba rozstrzygnąć to wybór technologii przekazywania wytworzonego chłodu do pomieszczeń. Mamy tutaj kilka opcji w zależności od ceny, etapu realizacji (nowy budynek, modernizowany budynek) oraz efektywności działania.

1. Wykorzystania istniejącej instalacji ogrzewania płaszczyznowego

Pierwsza metoda wydaje się bardzo atrakcyjna. Ogrzewamy przecież pomieszczenia systemem wymiennika umieszczonego w podłodze. Dlaczego go nie wykorzystać w drugą stronę tak jak pompę ciepła? Chcąc chłodzić pomieszczenia przez istniejącą podłogową instalację grzewczą musimy jednak sobie zdawać sprawę, że są ograniczenia zakresie stosowanych temperatur zasilania. Temperatura medium z pompy ciepła powinna być na poziomie około 18°C. Efekt chłodzenia oczywiście będzie, ale może nie tak bardzo odczuwalny. Instalacja podłogowa do celów chłodniczych jest najczęściej niewystarczająca i jeśli zależy nam na komforcie (osiągnięciu odpowiedniej temperatury w pomieszczeniu), to instalacja ta powinna być wyprowadzona również na ściany lub sufit (ostatecznie podłoga i tak jest najbardziej efektywna, ale mimo to wymaga uzupełnienia o dodatkowe powierzchnie – rys. 4). Ograniczenie temperaturowe wynika z wykraplania się wilgoci w określonych temperaturach. W lecie mamy w powietrzu dużo wilgoci i w trakcie schładzania powietrza przy chłodzonej powierzchni wykrapla się ona z powietrza [7][8][9][10][12].

Chłodzenie podłogowe Chłodzenie ścienne Chłodzenie sufitowe

Rys. 4. Porównanie efektywności schładzania technologią płaszczyznową dal różnych jego wariantów [12]

Wykorzystanie więc ogrzewania podłogowego do chłodzenia jest możliwe i zapewnia rozsądne chłodzenie. Pamiętać jedynie należy o nieprzekraczaniu temperatury tzw. punktu rosy. Najczęściej wymagany jest w tym zakresie dodatkowy układ pomiarowy w pomieszczeniach, aby korygować temperaturę medium dostarczanego z pompy ciepła na chłodzenie.

Co z klasycznymi grzejnikami? Tutaj można odpowiedzieć krótko: Grzejniki klasyczne, ścienne nie nadają się do chłodzenia w ogóle [9][10][11][12].

2. Wykorzystanie klimakonwektorów

Ciekawą alternatywą dla chłodzenia podłogowego są klimakonwektory. Klimakonwektory to urządzenia przeznaczone zarówno do chłodzenia, jak i ogrzewania niskotemperaturowego. Wbudowany w nich wentylator wymusza przepływ powietrza, co przyspiesza ogrzanie bądź schłodzenie pomieszczenia. Efektywność chłodzenia jest większa, ponieważ temperatura wody zasilającej klimakonwektora wynosi około 8°C. Taca kondensatu odprowadza wykroploną wodę (kondensat) do instalacji kanalizacyjnej. Należy zwrócić jednak uwagę, że w urządzeniu pracuje wentylator, który jest źródłem szumu. Należy wybierać urządzenia, które pracują jak najciszej, aby komfort w pomieszczeniach był jak najwyższy. Drugim ważnym elementem przy stosowaniu klimakonwektorów jest izolacja przewodów zasilających urządzenie w zimną/ciepłą wodę. Muszą one być w izolacji zimnochronnej o zamkniętej strukturze komórkowej i trzeba pamiętać też o wykonaniu instalacji odprowadzania kondensatu.

W zależności od sposobu, w jaki mają być zamontowane, występują w kilku odmianach [10][12][13]:

- Klimakonwektor uniwersalny. Klimakonwektory uniwersalne najczęściej stosowane są w budynkach mieszkalnych, sprzedawane z dodatkową estetyczną obudową. Mogą być zawieszone pionowo na ścianie w miejscu tradycyjnych grzejników – wyglądem przypominają wtedy elektryczne grzejniki konwektorowe. Można je też zawieszać poziomo pod sufitem. Możliwa jest też ich zabudowa – wtedy nie trzeba kupować do nich obudowy fabrycznej.

Rys. 5. Przykładowy klimakonwektorów: a) kasetonowy, b) kanałowy, c) uniwersalny, d) podłogowy, e)przypodłogowy [10][12][13]

Klimakonwektor ścienny. Klimakonwektory ścienne przypominają jednostki wewnętrzne najpopularniejszych klimatyzatorów typu split. Montuje się je na ścianie pod sufitem. Nadają się do zastosowania w każdym pomieszczeniu, w którym mamy do zagospodarowania kawałek wolnej przestrzeni na ścianie.

Klimakonwektor podłogowy. Klimakonwektory podłogowe w specjalnej obudowie przeznaczonej do zagłębienia w podłodze, które osłania kratka nawiewna (z drewna, aluminium lub stali nierdzewnej) zlicowana z podłogą. Stosuje się je w pomieszczeniach, w których ważne jest zachowanie konkretnych wymagań akustycznych: salach widowiskowych, aulach, ale też sypialniach.

Klimakonwektor kasetonowy. Klimakonwektory kasetonowe stosowane najczęściej w budynkach biurowych i użyteczności publicznej, bo tam zwykle są sufity podwieszane, nad którymi się je montuje.

Klimakonwektor kanałowy. Klimakonwektory kanałowe montowane w sieci kanałów wentylacji mechanicznej, są stosowane przede wszystkim w pokojach hotelowych.

3. Wentylacja z odzyskiem ciepła

O takim zagadnieniu już mówiliśmy na naszym blogu. Do chłodzenia realizowanego przez pompę ciepła można wykorzystać również instalację wentylacji mechanicznej, także z odzyskiem ciepła. Jednocześnie energia odzyskana z usuwanego powietrza będzie wspierać pracę systemu grzewczego – ciepłe powietrze przepływa przez wymiennik, w którym krąży czynnik dystrybuujący energię. Dzięki temu temperatura czynnika dolnego źródła wzrasta na wejściu do pompy, co powoduje zwiększenie wydajności pompy ciepła. Takie rozwiązanie jest wskazane w przypadku powietrznych pomp do c.w.u. Urządzenie wymusza przepływ powietrza w budynku, a energią odzyskaną ze strumienia zużytego powietrza przekazuje do zbiornika, w którym produkowana jest ciepła woda użytkowa. W innych systemach ciepło powietrza usuwanego wykorzystywane jest jednocześnie do przygotowania c.w.u., podgrzania wody w grzejnikach, jak i podniesienia temperatury świeżego powietrza nawiewanego do pomieszczeń [7][8][9][10].

4. Gruntowy Wymiennik Ciepła (GWC)

To coraz częściej stosowane w polskich domach rozwiązanie. Prosta budowa pozwala wykonać GWC samodzielnie przy niewielkich kosztach materiałów (około kilka tysięcy złotych). Powietrze zaciągane z otoczenia, przepływając przez złoże żwirowe, wymienia ciepło ze złożem, którego temperatura niezależnie od pory roku jest stała na poziomie +10°C (± 2°C). Zatem w lecie gorące powietrze się ochładza (np. z +30°C do +20°C), a w zimie mroźne powietrze się nagrzewa (np. z -20°C do 0°C). Warto dodać, że powietrze jest nie tylko chłodzone (w lecie) lub nagrzewane (w zimie), ale również nawilżane lub osuszane, a także filtrowane, gdy zastosuje się odpowiednie urządzenia [14][15].

Gruntowy wymiennik ciepła może więc spełniać różne funkcje: Funkcja klimatyzacji w lecie, tj. schłodzone, uzdatnione powietrze może być wprost wdmuchiwane do pomieszczeń. Funkcja klimatyzacji w zimie, przy czym powietrze wstępnie podgrzane w GWC przepływa przez rekuperator, gdzie ogrzewa się dodatkowo ciepłem pobieranym z powietrza usuwanego z pomieszczeń na zewnątrz. W zimie następuje wspomaganie pracy pompy ciepła powietrze/woda. Poprzez odgałęzienie do pompy ciepła powietrze wstępnie ogrzane w GWC spełnia rolę dolnego źródła dla pompy ciepła. Podwyższenie temperatury powietrza (dolnego źródła) o 10-20°C pozwala zwiększyć sprawność pompy ciepła nawet o 50%. W ten sposób GWC ma istotny udział w zasilaniu energią cieplną systemu c.o. i c.w.u. [14][15].

Rys. 6. Idea działania Gruntowego Wymiennika Ciepła (GWC) na rzecz chłodzenia pomieszczeń [8]

Wytyczne w zakresie doboru pompy ciepła typu powietrze-woda do chłodzenia

Warto tutaj zwrócić uwagę na następujące kwestie [11][8][12][13][15]:

• Tak jak w przypadku układu grzewczego pompy ciepła konieczne jest wykonanie możliwie jak najdokładniejszego obliczenia w zakresie projektowego obciążenia chłodzenia budynku.

• Przedstawiony powyżej przegląd systemów odbioru chłodu z pompy ciepła typu powietrze-woda wykazał nam, że mamy w tym zakresie bardzo szeroki wybór. Od doświadczenia i wiedzy projektanta zależy prawidłowe dostosowanie układu odbiorników grzani/chłodu do funkcji chłodzenia.

• Jeśli wykorzystuje się system odbiorczy zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia, to trzeba pamiętać o tym, że w warunkach chłodzenia strumienie objętości przepływu czynniki powinny być większe. Powinny być do tego przystosowane.

• W przypadku stosowania klimakonwektorów konieczne jest zapobieganie powstawaniu kondensatu. Trzeba zaplanować w jaki sposób będziemy go usuwać.

• W większości przypadków przy stosowaniu chłodzenia płaszczyznowego należy kontrolować temperaturę punktu rosy powietrza.

Tabela 1. Porównanie dwóch najważniejszych technologii odbioru chłodu z pompy ciepła przez wybrane technologie

Podsumowanie

• Chłodzenia aktywne to powoli standard w przypadku powietrznych pomp ciepła. Zapewnia koszty eksploatacji niższe niż przez zastosowanie oddzielnej klimatyzacji o ok. 50% w przypadku chłodzenia płaszczyznowego (np. poprzez podłogi, ściany lub sufity). Jednak taki wariant jest mało efektywny i narażony na punkt rosy.

• W przypadku klimakonwektorów lub chłodnic wentylacyjnych koszty chłodzenia są podobne lub minimalnie wyższe niż w przypadkach wykorzystania klimatyzatorów. Wykorzystanie pomp ciepła do chłodzenia polepsza jednak estetykę budynku w porównaniu do układu klimatyzatorów chłodzących osobno każde z pomieszczeń. Na zewnątrz montowana jest tylko jedna jednostka wykorzystywana zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia.

• Najczęściej montowanymi pompami ciepła w Polsce do ogrzewania domów są urządzenia o wydajnościach od 6 do 12 kW. Urządzenie o takiej wydajności powinno w zupełności wystarczyć do ochłodzenia kilku pomieszczeń, które mogą tego wymagać. Druga opcją jest montaż niezależnych klimatyzatorów split do każdego z pomieszczeń, które chcemy schłodzić latem. Najmniejsze urządzenia tego typu mają 2,5 kW wydajności chłodniczej. Dla 4 pomieszczeń to już jest 10 kW mocy chłodniczej zainstalowanej. Jest to dodatkowy koszt inwestycyjny oraz zużycie energii elektrycznej latem. Wymaga też serwisowania. Ekonomia tutaj wskazuje jednoznacznie optymalne rozwiązanie.

• Planując pompę ciepła do ogrzewania/chłodzenia domu, warto rozważyć już na etapie projektowania lub budowy możliwość chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim przez to samo urządzenie. Technologicznie urządzenia tego typu są już bardzo zaawansowane technologicznie.

• Trend chłodzenia w budownictwie jednorodzinnym wg. opinii ekspertów zajmujących się budownictwem będzie wzrastał, ponieważ potrzeba coraz większego komfortu użytkowania będzie dominującą kwestią.

Źródła

1. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016

2. Mirowski A.: Podręcznik dobrych praktyk w zakresie doboru i wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz likwidacji niskiej emisji. Wydawnictwo ARL MIROWSKI. Kraków 2015

3. https://instalreporter.pl/ogolna/jak-chlodzic-powietrzna-pompa-ciepla-kilka-praktycznych-uwag/ (dostęp czerwiec 2022r.)

4. https://remont.biz.pl/pompa-ciepla/chlodzenie-pompa-ciepla-powietrze-woda/ (dostęp czerwiec 2022r.)

5. https://www.fachowyinstalator.pl/jak-wykorzystac-pompe-ciepla-do-chlodzenia/ (dostęp czerwiec 2022r.)

6. https://hvacpr.pl/okiem-praktyka/czy-pompa-ciepla-moze-skutecznie-schlodzic-pomieszczenie (dostęp czerwiec 2022r.)

7. https://budownictwob2b.pl/instalacje/baza-wiedzy/urzadzenia-i-akcesoria-grzewcze/8402-powietrzna-pompa-ciepla-grzeje-i-chlodzi (dostęp czerwiec 2022r.)

8. https://budujemydom.pl/instalacje/pompy-ciepla/a/1360-pompa-ciepla-w-klimatyzacji-zima-grzeje-latem-chlodzi (dostęp czerwiec 2022r.)

9. https://budujemydom.pl/instalacje/ogrzewanie-podlogowe-i-grzejniki/a/19338-chlodzenie-za-pomoca-podlogowki (dostęp czerwiec 2022r.)

10. https://vaillant-partner.pl/abc-energii-odnawialnej/chlodzenie-pasywne-domu-pompa-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)

11. https://dombezrachunkow.com/pompa-ciepla/chlodzenie-za-pomoca-pompy-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)

12. https://instalreporter.pl/ogolna/chlodzimy-pompa-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)

13. https://muratordom.pl/instalacje/pompy-ciepla/klimakonwektor-do-pompy-ciepla-ogrzewanie-i-chlodzenie-aa-AnmJ-prp9-5fim.html (dostęp czerwiec 2022r.)

14. https://okieminzyniera.pl/gruntowy-wymiennik-ciepla-czy-warto/

15. https://budujemydom.pl/instalacje/wentylacja-i-klimatyzacja/a/23568-czy-warto-zdecydowac-sie-na-gwc