Wstęp
Sprężarkowe pompy ciepła, poza ogólną zasadą działania, wykorzystującą energię dolnego źródła ciepła do odparowania czynnika roboczego, posiadają szereg funkcjonalnych rozwiązań w zależności od rodzaju dolnego i górnego źródła ciepła. Mówimy więc o pompach typu:
- powietrze/powietrze
- powietrze/woda
- grunt/woda
- woda/woda
Każde z ww. rozwiązań ma odmienne schematy instalacji i zasady projektowania. O projektowaniu pomp ciepła i ich dolnych źródeł pisałem już wielokrotnie na stronie. Poniżej chciałbym przybliżyć schematy instalacji, pokazując ich charakterystyczne elementy, oraz ogólne wady i zalety. Wszystkie rysunki w tekście pochodzą z katalogu firmy Caleffi.
Klasyfikacja pomp ciepła według źródła ciepła
Dolnym źródłem ciepła w pompach ciepła może być powietrze zewnętrzne, ciepło gruntu, lub ciepło wody gruntowej. Z doświadczeń i rozwiązań rynkowych do źródeł dolnych możemy też zaliczyć ścieki komunalne, wody pochłodnicze, itp. Górnym źródłem dla pompy ciepła może być powietrze w budynku, gdy pompa ciepła ogrzewa je zimą lub chłodzi latem, lub woda, gdy pompa ogrzewa wodę na potrzeby ciepłej wody użytkowej czy centralnego ogrzewania.
Pompa ciepła powietrze-powietrze
To nic innego jak klimatyzator zapewniający (w zależności od potrzeb) chłodzenie latem lub ogrzewanie zimą powietrza nawiewanego do całego budynku, lub tylko wybranego pomieszczenia. Pompy tego typu posiadają jednostkę zewnętrzną i wewnętrzną w postaci nawiewnika, pomiędzy którymi krąży w przewodach czynnik chłodniczy.
Jednostka zewnętrza mocowana jest zwykle na ścianie zewnętrznej budynku i zawiera: sprężarkę, wymiennik ciepła dolnego źródła z wentylatorem oraz zawór rozprężny. Jednostka wewnętrzna mocowana na ścianie pomieszczenia lub na suficie, zawiera drugi wymiennik ciepła, filtr powietrza oraz wentylator nawiewny. Oba wymienniki ciepła jednostek wewnętrznych i zewnętrznych, w zależności od schematu pracy (grzanie/chłodzenie) mogą pełnić na przemian funkcję parownika lub skraplacza. Pompa tego typu nadaję się tylko do zmiany parametrów powietrza wewnętrznego i nie może być wykorzystywana do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Pompy ciepła powietrze/powietrze w najtańszych rozwiązaniach posiadają tylko jedną jednostkę wewnętrzną. W rozbudowanych kilka jednostek i noszą wtedy nazwę pomp ciepła typu multisplit.
Pompa ciepła powietrze-woda
To najpopularniejsze w kraju rozwiązanie, czerpiące energię z powietrza i oddającą ją do wody instalacyjnej, przy czym górnym źródłem ciepła w takiej instalacji może być:
- ciepła woda użytkowa
- centralne ogrzewanie płaszczyznowe
- centralne ogrzewanie grzejnikowe
- klimakonwektor
Pompy ciepła powietrze/woda posiadają różną budowę jednostki zewnętrznej i wewnętrznej, i są z tego względu dalej dzielone na pompy ciepła typu:
- monoblok
- split
- hydro-split
Pompy ciepła powietrze/woda typu Monoblok
Posiadają w jednostce zewnętrznej wszystkie najważniejsze komponenty, jak: sprężarkę, wentylator, wymiennik ciepła dolnego i górnego źródła, zawór rozprężny, naczynie przeponowe dla instalacji górnego źródła, zawór bezpieczeństwa. Cała wymiana ciepła pomiędzy dolnym i górnym źródłem ciepła odbywa się więc na zewnątrz budynku. Wewnątrz budynku znajduje się tylko odbiornik ciepła w postaci zasobnika ciepła, pełniącego rolę zbiornika ciepłej wody użytkowej lub bufora dla instalacji grzewczej. W praktyce możliwe są jeszcze modyfikacje takich rozwiązań. Zaletą systemu monoblok jest wyniesienie czynnika chłodniczego poza budynek, co ma kolosalne znaczenie w przypadku czynników o wysokiej palności i wybuchowości (np propan R290). Wadą, konieczność stosowania dodatkowych zabezpieczeń na przewodach między pompą ciepła a budynkiem (płynie w nich woda), chroniących przez zamarzaniem (tzw. zaworów antyzamrożeniowych).
Pompa ciepła powietrze/woda typu Split
W odróżnieniu do ww. rozwiązania w jednostce zewnętrznej pompy ciepła jest tylko wymiennik ciepła dolnego źródła, sprężarka, wentylator i zawór rozprężny. Wymiennik górnego źródła, wraz z zaworem bezpieczeństwa i naczyniem przeponowym, znajduje się wewnątrz budynku w osobnym module. Pomiędzy obiema jednostkami (zewnętrzną i wewnętrzną), krąży w przewodach czynnik chłodniczy, wymieniając ciepło.
Zaletą rozwiązania jest ochrona przewodów instalacyjnych przed zamarzaniem czynnika (nie ma potrzeby stosowania zaworów antyzamrożeniowych), jak też większa niezależność pracy pompy obiegowej górnego źródła. Wadą – ograniczenia dla czynników chłodniczych ( nie wolno w tym rozwiązaniu stosować czynników wybuchowych i palnych). System split w praktyce wyklucza możliwość stosowania propanu, co w odniesieniu do przepisów o f-gazach będzie miało niedługo kolosalne znaczenie.
Pompa ciepła powietrze/woda typu HydroSplit
To najnowszy wariant pomp ciepła powietrze-woda, będący odpowiedzią rynku na zmiany konstrukcyjne i wymianę czynników chłodniczych R32 na R290. W pompie ciepła HydroSplit cały czynnik chłodniczy jest na zewnątrz budynku, wraz ze sprężarką i wymiennikami ciepła dolnego i górnego źródła. Wewnątrz budynku znajduje się jednostka wewnętrzna, w której jest pełna automatyka, z pompą obiegową, grzałką, filtrem, naczyniem przeponowym i zaworem bezpieczeństwa. Podobnie jak w monobloku pomiędzy jednostkami płynie woda, występuje więc niebezpieczeństwo zamarznięcia przewodów i na ich zewnętrznej części wymagane są zawory antyzamrożeniowe. Jednak duża część komponentów jest wewnątrz budynku, dlatego ta wersja pompy ciepła jest mniej narażona na negatywne skutki niskich temperatur.
Pompa ciepła typu grunt/woda
To rzadko stosowane w naszym kraju rozwiązanie, a szkoda, bo ma zdecydowanie wyższy sezonowy współczynnik sprawności SPF. Konstrukcja takiej pompy ciepła składa się z jednostki montowanej zawsze wewnątrz budynku, w której są wszystkie komponenty, czyli: sprężarka, zawór rozprężny i wymienniki ciepła dolnego, oraz górnego źródła ciepła. Różnice konstrukcyjne mogą tutaj dotyczyć zasobnika ciepłej wody użytkowej, który może być zintegrowany z jednostką lub mocowany jako osobny element instalacji. Koszt całej instalacji zależy natomiast od wyboru dolnego źródła, a mogą nim być:
- wymienniki gruntowe pionowe
- wymienniki koszowe
- wymienniki poziome meandryczne, spiralne, etc.
- kolumny geotermalne
- wymienniki gruntowe ukośne
Bogactwo rozwiązań jest tutaj imponujące i zależy jedynie od możliwości działki i zasobności portfela.
Pompa ciepła typu woda-woda
Z punktu widzenia sprawności sezonowej to najlepsze rozwiązanie dla pompy ciepła, niestety obarczone szeregiem ograniczeń. Podstawowym jest oczywiście dostęp na działce do studni z wodą na stosunkowo małej głębokości, a przypadku pomp większej mocy – uzyskanie dodatkowo pozwolenia wodno-prawnego. Pompa tego typu konstrukcyjnie jest identyczna do ww. pompy grunt-woda. Różnica jest w dolnym źródle i krążącym czynniku. W gruntowej pompie ciepła krąży roztwór glikolu, popularnie zwany solanką. W pompie woda-woda, pomiędzy studnią a wymiennikiem ciepła krąży zwykła woda. Jej pojemność cieplna jest większa od glikolu, stąd nawet przy identycznej temperaturze obu źródeł wyższą sprawność uzyskuje system dwóch studni.