Błędy montażowe w instalacjach z pompami ciepła

Doświadczenia autorów dotyczące montażu pomp ciepła sięgają roku 2003, gdy technologia ta była jeszcze mało znana. W całym 2006 roku zamontowano w Polsce nie więcej niż 1000 pomp ciepła. Instalatorów tych urządzeń było niewielu, a stosunkowo nieduża liczba instalacji umożliwiała producentom kontrolę i nadzór nad jakością wykonywanych prac. Renomowanych producentów pomp ciepła można było policzyć na palcach jednej ręki, a szkolenia autoryzacyjne były rzetelne na tyle, na ile pozwalała na to ówczesna wiedza techniczna. Od poprawnie przeprowadzonego montażu zależała opinia o nowej technologii, jednak mały potencjał rynkowy sprawiał, że pomp ciepła nie było jeszcze w ofertach hurtowni, a instalowali je głównie pasjonaci, potrzebne umiejętności zdobywający zwykle dzięki własnej inicjatywie.

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na pompy ciepła na rynek zaczęli wkraczać ich nowi producenci, znani dotychczas głównie z produkcji kotłów gazowych. Kupowali oni najczęściej technologię od innych firm i dostosowywali do swojej identyfikacji wizualnej bądź gotowe produkty poddawali procesowi rebrandingu. W latach 2012–2016 brak wiedzy na temat specyfiki technologii pomp ciepła był istotnym problemem. Sytuacja stopniowo się poprawiała, aż do roku 2019, gdy popyt na pompy ciepła znacznie wzrósł, natomiast spadało zainteresowanie kotłami gazowymi. Skłaniało to coraz większą liczbę instalatorów do przebranżowienia. Ci, którzy pozostawali w obrębie tej samej renomowanej marki, byli w o tyle dobrej sytuacji, że producenci dbali o wysoki poziom szkoleń autoryzacyjnych. Na rynku zaczęły się jednak pojawiać także firmy, które, szczególnie w przypadku pomp powietrznych, nie posiadały jeszcze odpowiednich kadr i nie przywiązywały wagi do wysokiej jakości szkoleń bądź w ogóle ich nie prowadziły.

Lata 2021–2022 to dla rynku pomp ciepła wręcz szalony okres. Skokowy wzrost popytu spowodował, że nowi instalatorzy tych urządzeń wyrastali jak „grzyby po deszczu”, jakość instalacji uległa jednak w tym czasie wyraźnemu pogorszeniu. Opisane poniżej błędy autorzy zaobserwowali w ciągu ostatnich 3 lat podczas przeprowadzania pierwszych uruchomień bądź serwisów gwarancyjnych i pogwarancyjnych na terenie województwa mazowieckiego.

Podkreślenia wymaga, że zdecydowana większość tych błędów dotyczy pomp ciepła typu powietrze/woda. Niektóre wynikają również z niepoprawnego użytkowania urządzeń przez klientów, na co instalatorzy nie zawsze mają wpływ. To z kolei pokazuje, że nie tylko instalatorzy potrzebują wiedzy, ale i klienci końcowi.

Mechanika płynów a ograniczanie kosztów, czyli taniej nie znaczy lepiej

Najczęściej spotykanym błędem instalacyjnym jest zbyt mała średnica rur. Instalatorzy przyzwyczajeni do hydrauliki instalacji z kotłami często zapominają bądź nawet nie wiedzą o tym, że w instalacjach z pompami ciepła mamy do czynienia ze znacznie większymi przepływami. Kotły gazowe umożliwiały wygenerowanie przyrostu temperatury (względnie spadku temperatury na odbiornikach ciepła) na poziomie 20°C i więcej, co oznacza, że różnica pomiędzy temperaturą wody wpływającej i wypływającej z kotła wynosiła często ponad 20°C. W przypadku pomp ciepła przyrost temperatury nie powinien przekraczać 8°C, a optymalną wartością jest 5°C. Niższy przyrost temperatury oznacza, że dla tej samej mocy należy zapewnić znacząco większy przepływ. Wzór na wymagany przepływ wyprowadza się ze wzoru na moc i ma on postać:

gdzie:

V – wymagany przepływ wody, m3/h;

Q – moc źródła ciepła, kW;

ρ – gęstość wody, kg/m³;

C_w – ciepło właściwe wody, kJ/kgK;

Δt – przyrost temperatury w źródle ciepła, K.

Parametry gęstości oraz ciepła właściwego wody podaje się inżyniersko dla określonej temperatury wody i na potrzeby pomocniczych obliczeń instalacyjnych można je przyjąć jako stałe wartości, odpowiednio 1000 kg/m³ oraz 4,2 kJ/kgK. Przyrosty temperatury podaje się w kelwinach, przy czym w przypadku przyrostów temperatury wartość liczbowa jest taka sama zarówno w stopniach Celsjusza, jak i w skali Kelwina.

Dla kotła gazowego o mocy 20 kW i przyroście temperatury 20°C wymagany przepływ wynosi:

Natomiast dla pompy ciepła o takiej samej mocy i poprawnej różnicy temperatury:

Zatem w przypadku pompy ciepła wymagany przepływ wzrasta aż czterokrotnie, co oznacza, że absolutnie nie można dobrać dla niej takich samych średnic rur jak dla kotła gazowego.

Straty ciśnienia na obiegu hydraulicznym wynikają ze strat miejscowych (kolanka, trójniki, redukcje itp.) oraz liniowych, czyli na długości rury. Ręczne obliczanie strat ciśnienia jest żmudne i trudne – wykonuje się je dla dużych instalacji. Ważne jest jednak zapamiętanie tylko jednego członu wzoru, takiego samego w przypadku strat liniowych i miejscowych:

gdzie:

ΔP_M – miejscowe straty ciśnienia, Pa;

ς  – współczynnik oporów miejscowych, -;

ρ – gęstość wody, kg/m³;

w – prędkość przepływu wody, m/s.

Zobacz także: Gdzie kupić pompę ciepła i urządzenia do jej instalacji? Nowy e-sklep dla instalatorów

Prędkość przepływu wody zależy od natężenia przepływu oraz średnicy rury. Zakładając, że przy użyciu takiej samej rury chcemy zasilić instalację przyłączoną do pompy ciepła oraz do kotła, możemy obliczyć, ile razy wzrosną straty ciśnienia. Po uproszczeniu wzorów dla takich samych średnic widzimy, że zależność pomiędzy stosunkiem strat ciśnienia w instalacji wodnej zależy od kwadratu stosunku przepływów.

Oznacza to, że gdy przepływ wzrasta czterokrotnie, straty ciśnienia zwiększają się aż 16-krotnie dla tej samej średnicy rury. Uwzględniając opadającą charakterystykę pomp wirowych, akustykę instalacji oraz zużycie energii przez pompę obiegową, można śmiało stwierdzić, że stosowanie w przypadku pomp ciepła tak małych średnic rur jak dla kotła gazowego jest absolutnie niedopuszczalne.

Na fot. 1 przedstawiono instalację dwóch obiegów grzewczych powietrznej pompy ciepła wykonaną w technologii PEX DN 25. Serwis gwarancyjny został wezwany z powodu braku ogrzewania. Na miejscu okazało się, że budynek ma powierzchnię 160 m² i wyposażony jest w instalację ogrzewania podłogowego oraz instalację ogrzewania grzejnikowego – obie zasilane są z bufora c.o. Temperatura zmierzona na zasilaniu wyniosła 55°C, a na rurociągu powrotnym 30°C. Góra grzejników była ciepła, a dół zimny, co oznacza, że przepływ w instalacji był znacznie za mały. Bufor nagrzewał się do wysokiej temperatury, a jednocześnie zbyt mały przepływ uniemożliwiał odebranie ciepła przez jego odbiorniki.

Technologia montażu, czyli szybko, dobrze i estetycznie albo tanio, szybko i bez przepływu

Wybór technologii wykonania instalacji c.o. należy najczęściej do instalatorów. Stosują oni zazwyczaj dwa główne kryteria wyboru – koszt zakupu materiałów oraz koszt pracy (czas montażu). Zdaniem autorów przy wyborze technologii montażu warto uwzględnić jeszcze następujące parametry:

1. straty ciśnienia dla danej technologii,

2. trwałość instalacji,

3. estetykę techniki montażowej.

Do najczęściej stosowanych obecnie technologii instalacyjnych należą:

• technologia zaciskana PEX (PEX-AL-PEX),
• technologia zgrzewania PP,
• technologia stali bądź miedzi zaciskanej,
• technologia tulei nasuwanych (PE-Xc).

Technologia PEX jest bardzo popularna ze względu na szybkość montażu i relatywnie niską cenę. W porównaniu do systemu zgrzewanego PP jest też odporna na brak doświadczenia instalatora. W przypadku stosowania rur zaciskanych PEX należy zwrócić uwagę na rozmiar kształtek. Na fot. 2 przedstawiono kolanko zaciskane na rurze DN 25 – jego średnica jest znacznie mniejsza od średnicy samej rury. Dla średnicy nominalnej 25 w technologii PEX-AL-PEX średnica wewnętrzna rury wynosi tylko 20 mm. Średnica złączki w systemie zaciskanym jest jeszcze mniejsza i wynosi niewiele ponad 15 mm. Zatem w takim wypadku należy z wysoką starannością dobierać średnice rur, uwzględniając grubość ścianek oraz straty w przekroju na łączeniach rur.

Z kolei technologia zgrzewania rur polipropylenowych jest bardzo popularna ze względu na najniższy koszt zakupu materiałów. Z doświadczenia autorów wynika, że jej stosowanie w domach jednorodzinnych wpływa na czas montażu, jest też ona bardzo wrażliwa na błędy instalatora. Poprawne zgrzewanie kształtek PP wymaga doboru odpowiednej temperatury oraz czasu zgrzewania dla różnych średnic rur. Zbyt krótki czas zgrzewania i/lub zbyt niska temperatura spowodują nieszczelność instalacji, widoczną od razu bądź po relatywnie niedługim czasie. Aby uniknąć tej sytuacji, instalatorzy preferują zbyt wysoką temperaturę i/lub zbyt długi czas zgrzewania. Wykonany w ten sposób montaż daje im poczucie bezpieczeństwa w kontaktach z klientami przy odbiorze instalacji („nie cieknie”). Niestety w takiej sytuacji pomimo braku wycieków mogą się pojawić inne problemy niewidoczne gołym okiem. Instalacje uruchamiane są najczęściej przed lub na samym początku sezonu grzewczego, dlatego o problemach z nimi inwestor dowiaduje się najczęściej już po opłaceniu rachunku za wykonanie instalacji. W przypadku przegrzania połączeń w kształtkach następuje znaczące zwężenie przekroju, a w sytuacjach ekstremalnych jego całkowite zablokowanie, co jest z dwojga złego lepsze dla klienta ze względu na łatwiejszą diagnostykę. Innym ważnym aspektem jest kwestia montażu natynkowego w maszynowni. Rury polipropylenowe są przeznaczone do montażu podtynkowego w miejscach, gdzie nie występuje ryzyko uszkodzenia mechanicznego oraz nie docierają promienie słoneczne powodujące utratę właściwości mechanicznych materiału. Wykonywanie instalacji w maszynowni w tej technologii jest w opinii autorów bardzo trudne i często nieestetyczne (w niektórych przypadkach rażąco). Wiele zależy od doświadczenia instalatora, jego poczucia estetyki oraz umiejętności planowania układania rur w maszynowni. Technologia zgrzewanego PP jest odpowiednia do instalacji dolnego źródła ciepła w pompach gruntowych ze względu na duże, trudne do przegrzania średnice oraz dobrą izolacyjność cieplną i niskie straty ciśnienia (w przypadku prawidłowego montażu).

Technologia stali i miedzi zaciskanej jest bardzo przyjazna w montażu dzięki możliwości ułożenia całej instalacji „na sucho” i wykonania zacisków w końcowej fazie. Wysoka sztywność i odporność mechaniczna oraz zachowanie pełnego przekroju po zaciśnięciu kształtek to jej najważniejsze zalety. Wadą jest potencjalna korozyjność w przypadku stali bądź utlenianie w przypadku miedzi, a także wysoka przewodność cieplna niepożądana przy chłodzeniu oraz wysoka cena.

Suszenie budynku przy wykorzystaniu pompy ciepła

Zgodnie z obowiązującymi w Europie standardami budowlanymi suszenie budynku należy do zakresu odpowiedzialności firmy budowlanej wznoszącej obiekt. Powinno to być realizowane za pomocą osuszaczy powietrza przed rozpoczęciem użytkowania budynku. Budynek niepoddawany procesom suszenia można uznać za względnie suchy po upływie roku od zakończenia budowy.

W praktyce w Polsce znaczna część obiektów budowlanych wznoszona jest etapami przez samych inwestorów. W ramach standardów deweloperskich stosunkowo rzadko praktykuje się suszenie budynków, więc w miażdżącej większości przypadków koszt tej usługi zostanie pokryty przez mieszkańców. Pierwszy sezon grzewczy należy zatem traktować jako potencjalnie najbardziej obciążający budżet.

Większość budynków, z którymi przyszło się autorom mierzyć w procesie projektowania pomp ciepła, wznoszonych i zamieszkiwanych jest w ciągu jednego roku – pomiędzy zimą a późną jesienią. Bardzo rzadko spotykane są budynki sezonowe lub osuszone, więc suszenie odbywa się za pomocą powietrznych lub gruntowych pomp ciepła. Zapotrzebowanie na energię w porównaniu do „typowego” sezonu grzewczego waha się o od 40 do nawet kilkuset procent w razie zastosowania pustaków keramzytowych lub ceramicznych w jednowarstwowych ścianach zewnętrznych. W przypadku ścian wielowarstwowych wykonanych z innych materiałów, których izolacyjność cieplna nie zależy aż tak bardzo od wilgotności przegrody, można oczekiwać podwojonego zapotrzebowania na ciepło w procesie suszenia.

Dużym problemem w przypadku łączenia procesów zamieszkiwania i suszenia budynku jest komfort termiczny w budynkach wilgotnych. Obniżona izolacyjność cieplna wilgotnych przegród budowlanych prowadzi do bardzo chłodnych ścian wewnątrz budynku (możliwe nawet przemarzanie), osiągnięcie akceptowalnej temperatury odczuwalnej wymaga wówczas znaczącego podwyższenia temperatury powietrza wewnętrznego. Oznacza to, że oprócz wzrostu zapotrzebowania na ciepło z powodu suszenia pojawia się dodatkowe zapotrzebowanie wynikające z konieczności podwyższenia temperatury wewnętrznej, co daje kilkukrotny wzrost obciążenia cieplnego budynku. W praktyce budynek o nominalnym obciążeniu cieplnym 10 kW ma okresowe obciążenie cieplne na poziomie 30, a nawet 50 kW. W takich przypadkach zimą jego użytkownicy będą odczuwać chłód, a ich rachunki wzrosną.

Przy stosowaniu powietrznych pomp ciepła w niewysuszonych budynkach następuje bardzo szybkie włączenie grzałek elektrycznych, co prowadzi zazwyczaj do wzrostu rachunku za prąd – są to wartości nawet kilkukrotnie przekraczające normalne zużycie. Większość pomp ciepła renomowanych producentów posiada zintegrowane grzałki elektryczne o mocy co najmniej dorównującej nominalnej mocy grzewczej samej pompy. Jeśli grzałki się nie uruchomią lub wydajność układu razem z grzałkami wciąż będzie zbyt mała, może wystąpić ponadnormatywne oblodzenie, a nawet uszkodzenie pompy.

Najlepszym rozwiązaniem jest zatem wykorzystanie osuszaczy powietrza lub sezonowanie budynku. Jeżeli do suszenia ma zostać użyta gruntowa pompa ciepła, musi ona chronić dolne źródło przed zamarzaniem. W takiej sytuacji uruchomią się grzałki elektryczne, a moc sprężarki spadnie, gdy wystąpi ryzyko zamarznięcia dolnego źródła. W przypadku powietrznych pomp ciepła może się okazać, że wstępne nagrzanie budynku do określonej temperatury (ok. 18°C) będzie wymagało pracy samych grzałek elektrycznych bez udziału sprężarki ze względu na kopertę pracy urządzenia. W odniesieniu do większości powietrznych pomp ciepła temperatura powrotu nie powinna być niższa niż 18–20°C. Do momentu jej osiągnięcia urządzenia pracują wraz z grzałkami lub na samych grzałkach.

Przy poprawnie wykonanych gruntowych pompach ciepła możliwe jest wysuszenie budynku bez użycia grzałek elektrycznych – jeśli temperatura zewnętrzna jest względnie wysoka (mamy do czynienia z ciepłą zimą).

W przypadku stosowania gruntowych pomp ciepła zachodzi ryzyko zamrożenia gruntowego wymiennika ciepła, co często prowadzi do jego uszkodzenia. Jeżeli uszkodzenie nie wystąpi, „jedynym” problemem właściciela instalacji będzie odmrożenie wymiennika gruntowego przed kolejnym sezonem grzewczym. Takie ryzyko występuje szczególnie w przypadku instalacji bardzo tanich, w których zastosowano absolutnie minimalną głębokość kolektorów pionowych, a same pompy ciepła nie mają zabezpieczeń dolnego źródła przed zamarzaniem oraz grzałek. Odmrożenie gruntowego wymiennika pionowego jest dużym wyzwaniem w razie braku chłodzenia budynku. Zamrożony wymiennik może ulec uszkodzeniu poprzez zmiażdżenie pod naciskiem powstającego lodu. Efektem może być nie tylko trwałe uszkodzenie jednego lub kilku odwiertów, ale również wydostanie się do środowiska szkodliwego glikolu i skażenie wód gruntowych.

Oszukiwanie instalatora, czyli klient strzela sobie w kolano

Stosunkowo częstym problemem są również nierzetelne informacje od klientów bądź niewywiązywanie się przez nich z wcześniejszych obietnic i ustaleń z instalatorami. Przedstawiona na fot. 8 pompa ciepła uległa zamrożeniu w październiku przy temperaturze zewnętrznej 10°C. Instalacja wykonywana była w maju tego samego roku i została uruchomiona pomimo braku izolacji na budynku. W trakcie uruchomienia klient został poinstruowany o konieczności wykonania izolacji termicznej i zapewnił, że zostanie to zrealizowane przed sezonem zimowym. Serwis gwarancyjny wezwano w październiku, gdyż pompa była całkowicie oblodzona, a w budynku było zimno. Okazało się, że izolacja budynku nigdy nie została wykonana, czyli pompa ciepła ogrzewała nieocieplony budynek. Temperatura wewnętrzna wynosiła w nim kilkanaście stopni, a temperatura powrotu nie przekraczała 20°C. Zbyt niska temperatura powrotu uniemożliwiła realizację procesu odszraniania przy wykorzystaniu technologii odwracalnego obiegu chłodniczego, co doprowadziło do całkowitego oblodzenia jednostki zewnętrznej i zaprzestania realizacji funkcji ogrzewania budynku przez urządzenie.

Podsumowanie

Montaż pomp ciepła to dla instalatora specjalizującego się dotychczas w montażu kotłów kusząca alternatywa, należy jednak pamiętać, że konieczna jest w tym wypadku zdecydowanie szersza wiedza techniczna. Gruntowych pomp ciepła instaluje się dużo mniej niż jednostek typu powietrze/woda, dlatego również liczba wykrywanych błędów montażowych jest w tym wypadku niższa. Wykonując instalację pompy ciepła, należy zwrócić szczególną uwagę na przepływy oraz projektowane temperatury zasilania i powrotu, a także na stosowaną technologię wykonania maszynowni (kotłowni). Warto także skorzystać z dostępnego oprogramowania w celu przynajmniej szacunkowego obliczenia strat ciśnienia w instalacji przy zakładanej średnicy rur.