Jak działa pompa ciepła niskotemperaturowa zimą i przy dużych mrozach?

Czego dowiesz się z tego artykułu?

• Jak pompa ciepła niskotemperaturowa działa zimą i przy mrozach.
• Czym jest dolne źródło ciepła i jak wpływa na pracę pompy.
• Jakie są etapy cyklu pracy pompy ciepła.
• Jak dobór urządzenia wpływa na efektywność grzewczą budynku.
• Kiedy pompa ciepła jest odpowiednia dla domów jednorodzinnych.
• Jakie ograniczenia mogą wystąpić przy dużych mrozach.

DEFINICJA

Pompa ciepła niskotemperaturowa to pompa ciepła zaprojektowana do współpracy z instalacją grzewczą o relatywnie niskiej temperaturze zasilania. Jej zadaniem jest dostarczenie ciepła do ogrzewania pomieszczeń oraz (w zależności od konfiguracji) przygotowania ciepłej wody użytkowej, wykorzystując energię pobieraną z dolnego źródła.

W praktyce „niskotemperaturowość” dotyczy przede wszystkim temperatury zasilania instalacji po stronie budynku, a nie tego, czy urządzenie może pracować zimą. Zimą ograniczeniem jest przede wszystkim spadek temperatury i dostępnej energii w dolnym źródle (dla pomp powietrznych: w powietrzu zewnętrznym).

ZASADA DZIAŁANIA

Poniżej opisujemy działanie (w ujęciu podstawowym), szczególnie istotne dla zrozumienia pracy pompy ciepła przy dużych mrozach

1. Pobór energii z dolnego źródła pompy ciepła

• Dla pompy powietrze–woda dolnym źródłem jest powietrze zewnętrzne. Wraz ze spadkiem temperatury powietrza spada ilość energii możliwej do pobrania w jednostce czasu.
• Dla pompy gruntowej dolnym źródłem jest grunt (np. przez kolektor poziomy lub sondy). W takim układzie temperatura dolnego źródła jest zwykle stabilniejsza w sezonie grzewczym niż temperatura powietrza.

2. Parowanie czynnika roboczego (odbiór ciepła)

W parowniku czynnik roboczy odbiera ciepło z dolnego źródła i odparowuje. Na tym etapie po stronie czynnika występują niskie temperatury, a w praktyce także niskie ciśnienie po stronie ssawnej sprężarki (to naturalna cecha obiegu — ciśnienie po stronie parowania jest niższe niż po stronie skraplania).

3. Sprężanie (podniesienie temperatury i ciśnienia)

Sprężarka zwiększa ciśnienie i temperaturę czynnika roboczego. Przy dużych mrozach sprężarka musi wykonać większą pracę, bo różnica między temperaturą dolnego źródła a wymaganą temperaturą zasilania instalacji jest większa.

4. Skraplanie i przekazanie ciepła do instalacji

W skraplaczu czynnik oddaje ciepło do wody grzewczej (instalacji centralnego ogrzewania), po czym się skrapla. Dla układów niskotemperaturowych istotne jest utrzymanie możliwie niskiej temperatury zasilania, bo to poprawia warunki pracy sprężarki.

5. Rozprężanie i powrót do parownika

Po przejściu przez element rozprężny czynnik obniża ciśnienie i temperaturę, wracając do warunków parowania.

6. Zakres pracy w niskich temperaturach dolnego źródła (dla pomp powietrznych)

W naszej ofercie posiadamy pompy ciepła powietrze–woda, dla których granice temperatury dolnego źródła obejmują pracę od -20°C (dolna granica) do +40°C. Oznacza to, że urządzenie może pracować również w warunkach mrozu — w ramach określonego zakresu.

ZASTOSOWANIE

W domu jednorodzinnym pompa ciepła niskotemperaturowa ma sens, gdy:

• budynek ma instalację o niskiej temperaturze zasilania lub jest tak zaprojektowany/wyregulowany, by osiągać wymaganą moc grzewczą przy niższych parametrach wody grzewczej,
• dobór urządzenia i instalacji uwzględnia warunki zimowe i wymagania mocy cieplnej budynku.

Jeżeli rozważamy pompę ciepła do domku letniskowego, to z technicznego punktu widzenia kluczowe jest zdefiniowanie trybu użytkowania (ciągłe ogrzewanie zimą vs. okazjonalne dogrzewanie) oraz dopasowanie źródła ciepła i instalacji do wymaganego sposobu eksploatacji. Bez tych danych nie da się rzetelnie przesądzić, czy układ niskotemperaturowy będzie właściwy.

OGRANICZENIA

Pompa ciepła niskotemperaturowa przy dużych mrozach może napotkać ograniczenia wynikające z fizyki źródła i instalacji:

• Spadek dostępnej mocy i zmiana warunków pracy przy niskiej temperaturze powietrza (dotyczy pomp powietrze–woda): im niższa temperatura dolnego źródła, tym trudniejsze warunki poboru energii i tym większe obciążenie układu sprężarkowego.
• Konieczność dotrzymania parametrów instalacji: jeśli instalacja wymaga wysokiej temperatury zasilania, a projekt zakłada „niskotemperaturowość”, to w mrozie rośnie różnica temperatur do pokonania przez sprężarkę, co jest niekorzystne dla warunków pracy.
• Granice temperatur dolnego źródła: dla pomp powietrznych istotne jest, aby spodziewane warunki klimatyczne mieściły się w zakresie pracy urządzenia (w naszej ofercie występują rozwiązania z dolną granicą dolnego źródła na poziomie -20°C).

Słownik pojęć

COP (Coefficient of Performance)

Współczynnik efektywności pompy ciepła w konkretnym punkcie pracy, definiowany jako stosunek mocy (lub energii) cieplnej oddanej do instalacji do poboru energii elektrycznej przez urządzenie. Wartość COP zawsze dotyczy określonych warunków, np. A7/W35 (powietrze 7°C, woda 35°C).

Czynnik roboczy (czynnik chłodniczy)

Medium krążące w obiegu sprężarkowym pompy ciepła, które przenosi energię cieplną dzięki przemianom fazowym i zmianom ciśnienia. W parowniku odbiera ciepło z dolnego źródła i odparowuje, a w skraplaczu oddaje ciepło do instalacji grzewczej i skrapla się.

Cykl chłodniczy (obieg sprężarkowy)

Zamknięty proces termodynamiczny realizowany przez pompę ciepła, obejmujący parowanie, sprężanie, skraplanie i rozprężanie czynnika roboczego. Umożliwia on transport ciepła z obszaru o niższej temperaturze (dolne źródło) do obszaru o wyższej temperaturze (instalacja grzewcza).

Dolne źródło pompy ciepła

Środowisko lub układ, z którego pompa ciepła pobiera energię cieplną (np. powietrze zewnętrzne, grunt lub wody gruntowe). Parametry dolnego źródła, zwłaszcza temperatura, wpływają na możliwą moc grzewczą i warunki pracy sprężarki, szczególnie w okresie mrozów.

Monoblok

Konstrukcja pompy ciepła powietrze–woda, w której cały układ chłodniczy znajduje się w jednej, fabrycznie szczelnej jednostce (zwykle zewnętrznej). Połączenie z budynkiem realizuje się przewodami wodnymi, co upraszcza montaż i ogranicza konieczność ingerencji w obieg chłodniczy na miejscu instalacji.

Parownik

Wymiennik ciepła, w którym czynnik roboczy odbiera energię z dolnego źródła i odparowuje. Pracuje po stronie niskiego ciśnienia obiegu, a jego warunki pracy (temperatura i przepływ źródła) mają istotny wpływ na zdolność urządzenia do pozyskiwania ciepła przy niskich temperaturach zewnętrznych.

Pompa ciepła gruntowa (solanka–woda)

Pompa ciepła wykorzystująca energię geotermalną z gruntu, odbieraną najczęściej przez kolektor poziomy lub sondy pionowe z czynnikiem pośrednim (solanką). W sezonie grzewczym zwykle charakteryzuje się bardziej stabilnymi warunkami dolnego źródła niż układy powietrzne.

Pompa ciepła niskotemperaturowa

Pompa ciepła przeznaczona do współpracy z instalacją grzewczą o relatywnie niskiej temperaturze zasilania (np. ogrzewaniem płaszczyznowym lub niskotemperaturowymi grzejnikami). Określenie dotyczy przede wszystkim parametrów po stronie instalacji budynku, a nie „zdolności pracy zimą”.

Pompa ciepła powietrze–woda

Pompa ciepła, w której dolnym źródłem jest powietrze zewnętrzne, a ciepło przekazywane jest do wodnej instalacji centralnego ogrzewania i/lub przygotowania ciepłej wody użytkowej. Wraz ze spadkiem temperatury powietrza zmieniają się warunki pozysku energii oraz osiągalna moc i efektywność.

SCOP (Seasonal Coefficient of Performance)

Sezonowy współczynnik efektywności pompy ciepła, będący uśrednieniem pracy urządzenia w całym sezonie grzewczym. Uwzględnia zmienność warunków pogodowych oraz pracę w różnych punktach obciążenia, dlatego jest bardziej reprezentatywny dla typowej pracy rocznej niż COP z pojedynczego punktu.

Skraplacz

Wymiennik ciepła, w którym czynnik roboczy oddaje ciepło do instalacji grzewczej (najczęściej do wody grzewczej) i skrapla się. Pracuje po stronie wyższego ciśnienia obiegu, a wymagane parametry po stronie instalacji, w tym temperatura zasilania, wpływają na warunki skraplania.

Sprężarka

Element obiegu sprężarkowego, który podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika roboczego, umożliwiając oddanie ciepła do instalacji na wyższym poziomie temperaturowym. Przy dużych mrozach sprężarka zwykle pracuje w trudniejszych warunkach, bo rośnie różnica temperatur między dolnym źródłem a instalacją.

Technologia inwerterowa

Sposób regulacji pracy pompy ciepła polegający na płynnej zmianie prędkości sprężarki (i zwykle wentylatora/pomp obiegowych) w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ciepło. Ogranicza częste cykle włącz/wyłącz i ułatwia dopasowanie mocy do obciążenia budynku.

Temperatura zasilania instalacji

Temperatura czynnika grzewczego (najczęściej wody) dostarczanego z źródła ciepła do odbiorników w budynku (np. podłogówki lub grzejników). Jest jednym z kluczowych parametrów projektowych; im wyższa wymagana temperatura zasilania, tym większe „podnoszenie temperatury” musi zapewnić pompa ciepła.