Pompa ciepła z kominkiem i klimatyzacją

W 2001 r. jeden z inwestorów postanowił zastosować w domu jednorodzinnym nietypowe rozwiązania. Łączna powierzchnia użytkowa tego budynku, zlokalizowanego pod Wrocławiem, wynosi 300 m², z czego 45 m² zajmuje garaż z ogrzewaniem podłogowym. Powierzchnia parteru to 120 m² – na tej kondygnacji znajduje się salon, kuchnia ze spiżarnią, łazienka i gabinet.

Na piętrze ulokowano dużą sypialnię wraz z garderobą przejściową i łazienką oraz odrębną strefę z trzema pokojami i łazienką. Inwestor szukał wykonawcy instalacji łączącej pompę ciepła, kominek z płaszczem wodnym oraz klimatyzację opartą na centralnym systemie wentylacji mechanicznej wraz z rekuperacją.

Nawet dziś, pomimo upływu lat i coraz większego doświadczenia projektantów i wykonawców, połączenie tych elementów w jeden integralny system jest zadaniem skomplikowanym, wymagającym dużego nakładu pracy i znajomości techniki grzewczej.

Z uwagi na ówczesny brak doświadczeń w budowie takich rozwiązań w Polsce ustalono, że w budynku znajdą się najpierw poszczególne elementy systemu, a dopiero w późniejszym etapie powstanie odpowiednie oprogramowanie i zdefiniowane zostaną zależności między urządzeniami.

Wykonania instalacji podjął się jeden z polskich producentów pomp ciepła, m.in. dlatego, że realizacja ta pozwalała mu przetestować możliwości sterowania bardzo rozbudowanym, a co najważniejsze działającym systemem grzewczym.

Wykonania instalacji podjął się jeden z polskich producentów pomp ciepła, m.in. dlatego, że realizacja ta pozwalała mu przetestować możliwości sterowania bardzo rozbudowanym, a co najważniejsze działającym systemem grzewczym.

Opis instalacji

Instalację wyposażono w pompę ciepła o mocy 14 kW, dla której dolnym źródłem ciepła jest kolektor poziomy glikolowy o wymiarach 4×100 mb., umieszczony na głębokości 1,5 m. Pompa ciepła jako źródło podstawowe systemu centralnego ogrzewania zasila bufor o pojemności 400 l wyposażony w wężownicę, do której podłączono kominek z płaszczem wodnym.

Takie rozwiązanie umożliwiło odseparowanie układu zamkniętego c.o. od układu otwartego kominka z otwartym naczyniem wyrównawczym na poddaszu – tak jak tego wymagały wówczas przepisy.

Instalacja centralnego ogrzewania została wykonana dla 75% zapotrzebowania (tj. 10,5 kW) jako ogrzewanie powietrzne z nagrzewnicami nadmuchowymi zasilanymi wodą o parametrach 45/35°C przy obliczeniowej temperaturze zewnętrznej –20°C. Pozostałe 3,5 kW to ogrzewanie podłogowe zainstalowane w łazienkach oraz w miejscach, w których podłoga została wyłożona terakotą – w przedsionku domu, przedpokoju, kuchni i w garażu.

Obwody te pracują na tych samych parametrach zasilania. Przy założeniu, że górne źródło ma temperaturę 35–40°C dla DT 10°C, w instalacji konieczne było zastosowanie kilku nietypowych rozwiązań. Jednym z nich było powiększenie średnic kanałów wentylacyjnych – do rozmiarów kilkukrotnie większych niż w typowej instalacji wentylacji mechanicznej.

Realizację systemu podzielono na dwa etapy: pierwszym było wykonanie układu wentylacyjno-grzewczego, a drugim – instalacji z kominkiem i ogrzewaniem podłogowym, wentylacji i klimatyzacji spiżarni oraz systemu zrzutu ciepła odpadowego do dolnego źródła w trybie pracy „klimatyzacja”.

Dodatkowym utrudnieniem dla wykonawcy instalacji był fakt, że inwestorowi zależało na możliwości jednoczesnego klimatyzowania pomieszczeń latem i palenia w kominku z płaszczem wodnym. 

Rozwiązanie takie jest technicznie możliwe, gdyż proces ogrzewania odbywa się w układzie zasilania zbiornika buforowego c.o. poprzez pompę ciepła i kominek, natomiast wytwarzanie wody chłodniczej realizowane jest przez zasilanie bufora wody chłodzącej pompą ciepła z jednoczesnym trybem grzania c.w.u. ciepłem (energią odpadową) pochodzącym z klimatyzacji. 

W razie braku konieczności podgrzewania c.w.u. nadmiar ciepła zrzucany jest ze zbiornika buforowego c.o. do kolektora dolnego źródła ciepła, co przyspiesza i usprawnia jego regenerację po sezonie grzewczym. 

W instalacji wykorzystano fakt, że proces przygotowywania wody chłodniczej wiąże się z powstawaniem zbędnego ciepła. W większości budowanych układów klimatyzacyjnych ciepło to wyrzucane jest do powietrza, poza obiekt, przez co energia jest bezpowrotnie marnowana. W opisywanym przypadku możliwe było efektywne wykorzystanie pompy ciepła zarówno do celów grzewczych, jak i klimatyzacji, natomiast kominek, zainstalowany na wyraźne życzenie inwestora, sprowadzony został do roli estetycznego dodatku, nie dostarczając energii do ogrzewania. 

W realizacjach tego typu należy bardzo starannie przeanalizować pracę całej instalacji, tak aby uwzględniając wymagania klienta, zapewniała ona komfort cieplny w pomieszczeniach, a nie generowała zbędnych kosztów. 

Blisko rok trwało opracowywanie i korygowanie systemu sterowania poszczególnymi elementami systemu – dziś wydaje się to bardzo długim okresem, ale dopiero w ostatnich 10 latach zaszły w tej dziedzinie istotne zmiany. Bardzo ważna była w tej kwestii pomoc inwestora – był on entuzjastycznie nastawiony do pomp ciepła, dzięki czemu dostarczał wykonawcy cenne wskazówki dotyczące pracy systemu i proponował zmiany pozwalające osiągnąć jak największe korzyści energetyczne z zastosowania tego rozwiązania.

Eksploatacja i modernizacja

Przez 5 lat system działał bez zarzutu, jednak w okolicy powstało kilkadziesiąt nowych domów, a linia energetyczna i transformator były stare, co skutkowało czasowymi wyłączeniami energii elektrycznej. Utrudniało to pracę kominka z płaszczem wodnym – czasami dochodziło do zagotowania wody w części instalacji zbudowanej w układzie otwartym. 

Konieczne było uzupełnianie wody w instalacji odbierającej ciepło z kominka (układy automatyczne nie były jeszcze wtedy popularne), a częste uzupełnienia wodą z instalacji wodociągowej groziły szybką korozją wymiennika w kominku oraz instalacji c.o. Optymalnym w tamtym okresie rozwiązaniem był montaż układu zasilania rezerwowego dodatkowej pompy obiegowej z akumulatorów żelowych. Po wprowadzeniu tych zmian system działał poprawnie przez kolejne 5 lat.

W okresie, gdy powstawała opisywana instalacja, producenci pomp ciepła stosowali sprężarki przeznaczone do systemów klimatyzacji, gdyż wówczas nie konstruowano ich specjalnie dla pomp ciepła.

Po 10 latach pracy pompy ciepła inwestor i wykonawca instalacji postanowili zainstalować urządzenie o większej efektywności, wyposażone w sprężarkę nowej generacji. Nowa pompa zajęła mniej miejsca, ciszej pracuje i, co szczególnie ważne, ma nowocześniejszy panel sterowania z ekranem dotykowym. 

Dokonano też zmian w samej instalacji. Przerobiono system dystrybucji ciepła wytwarzanego przez kominek z płaszczem wodnym, tak aby urządzenie to oddawało ciepło przez wymiennik płytowy (separacja układu otwartego i zamkniętego). Podgrzewanie c.w.u. zostało przyłączone do bezpośredniego układu zasilania wężownicy zasobnika (w starym rozwiązaniu zasobnik c.w.u. podgrzewany był przez bufor c.o.), co pozwoliło na przyspieszenie tego procesu.

Kominek po rozpaleniu działa w drugim priorytecie c.w.u., niezależnie od pompy ciepła, i może podgrzać wodę do temperatury wyższej, niż robi to pompa. Przy częstym korzystaniu z kominka zastosowanie takiego rozwiązania pozwala zrezygnować z okresowego przegrzewania zasobnika c.w.u. w celu likwidacji bakterii Legionella. 

Kolejną zmianą była przebudowa zasilania nagrzewnic układu grzewczo-wentylacyjnego, tak aby można było skrócić czas osiągania zadanej temperatury przez nagrzewnice dzięki ciepłu uzyskiwanemu z kominka. Poprzedni układ był zbyt statyczny – zastosowanie 400-litrowego zbiornika buforowego było oczywiście dobrym rozwiązaniem, jednak gdy pompa ciepła podgrzewała bufor i dochodziła do tego praca kominka, okres, w którym temperatura w buforze osiągała zadaną wartość, zależał od ilości drewna dołożonego do kominka i był to proces, który trudno było kontrolować.

Nowe rozwiązanie podłączenia daje jeszcze jedną korzyść – możliwość odseparowania układów o różnych temperaturach, aby nagrzewnice mogły pracować na wyższych parametrach, gdy pompa ciepła zasila układy niskotemperaturowe, bez konieczności podnoszenia temperatury krzywej grzewczej dla układu c.o. Jest to rozwiązanie bardziej efektywne i tym samym tańsze w eksploatacji, zwłaszcza gdy inwestor pali w kominku nie dla oszczędności, a jedynie przyjemności. 

Należy jednak podkreślić, że ogrzewanie za pomocą kominka nie jest korzystniejsze niż pompą ciepła, gdyż wymaga czasu i dużego nakładu pracy na przygotowanie drewna – jego składowanie, suszenie, noszenie, spalanie i sprzątanie.

Wprowadzone modyfikacje hydrauliczne wymagały przebudowania automatyki i oprogramowania całego systemu. Rozbudowano je o nowe możliwości, np. indywidualne sterowanie zaworami trójdrogowymi nagrzewnic układu wentylacyjno-grzewczego z jednoczesnym podglądem parametrów ich pracy w panelu sterującym pompy ciepła. 

Kolejnym udogodnieniem było umożliwienie klientowi obserwacji pracy pompy ciepła i całego systemu poprzez zastosowanie wizualizacji czytelnych dla smartfonów i tabletów z systemem Android. 

Podsumowanie

Zastosowanie pompy ciepła nie zawsze wiąże się z budową prostego systemu c.o. i c.w.u. Opisana realizacja dowodzi, że można z sukcesem wdrażać niestandardowe rozwiązania, nawet jeśli początkowo ich wykorzystanie wydaje się nierealne. Każda pompa ciepła będzie w takiej sytuacji działać poprawnie, jeśli prawidłowo zaprojektowane zostaną instalacje układów c.o., c.w.u., basenu, kominka, kolektorów słonecznych czy klimatyzacji pasywno-aktywnej. 

Literatura

1.      Materiały firmy ViVitherm.