Wstęp
Pompy ciepła są urządzeniami wymagającymi minimalnego przepływu w wymienniku ciepła, dla zapewnienia ich prawidłowego działania (o tym za chwilę). Jeśli instalacja do której podpięta jest pompa ciepła posiada sprzęgło hydrauliczne, cały system jest podzielony i przy zamkniętych zaworach na instalacji minimalny przepływ w jednostce zewnętrznej zapewnia samo sprzęgło. Przy jego braku zamknięcie przepływu lub jego zdławienie przez część zaworów w instalacji uniemożliwia lub co najmniej znacznie ogranicza krążenia w wymienniku ciepła parownika. Może to prowadzić do wyłączenia pompy lub jej przejścia w stan awaryjny. Rozwiązaniem problemu jest umiejętnie zamontowany i wyregulowany zawór upustowo-różnicowy (zob. rys)
Dlaczego przepływ minimalny jest taki ważny?
Pompy ciepła w odróżnieniu do kotłów na biomasę lub kotłów gazowych pracują na stosunkowo małej różnicy temperatur ΔT. W typowej instalacji różnica temperatur pomiędzy zasilaniem i powrotem na skraplaczu wynosi 3-5K i jest stała w czasie pracy. Tak niska różnica zapewnia jednocześnie wysoki współczynnik sprawności COP i gwarantuje stabilną, niezakłóconą pracę. Wartość przepływu minimalnego zależy od mocy pompy ciepła i przyjętej różnicy temperatur ΔT. W praktyce można ją wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
- Q – moc pompy ciepła w watach
- cw – ciepło właściwe wody 4189 J/kgK
Odpowiednio duży przepływ wody instalacyjnej przez skraplacz pompy ciepła pozwala na odbiór ciepła ze skraplacza i wymagane termodynamicznym schematem pracy obniżenie temperatury czynnika krążącego w układzie pompy ciepła. Co się stanie, jeśli ten przepływ drastycznie spadnie? Czynnik roboczy po opuszczeniu skraplacza będzie posiadał zbyt wysoką temperaturę (w technice mówimy, że będzie niedochłodzony). Może powstać wtedy zjawisko odparowania (wrzenia) części czynnika jeszcze przed parownikiem. Obniża to jego sprawność, tym samym współczynnik COP całego układu. Często staje się też przyczyną zwiększonego hałasu.
Problem minimalnego przepływu w instalacjach grzewczych występuje zawsze tam, gdzie armatura regulacyjna pracuje w systemie zamknij/otwórz. Wystąpienie wymaganej temperatury w pomieszczeniu może np. skutkować zamknięciem przepływu przez zawór termostatyczny w wężownicy ogrzewania podłogowego, czy w wybranych grzejnikach. Odcięcie przepływu zmniejsza drastycznie wymianę ciepła w skraplaczu. Jeśli ten ostatni jest dodatkowo na zewnątrz budynku (np. pompy ciepła monoblokowe), istnieje niebezpieczeństwo zbytniego wychłodzenia skraplacza, aż do jego zamrożenia włącznie. Ratunkiem w takim wypadku pozostaną zawory antyzamrożeniowe i spust wody z instalacji.
W przypadku pomp ciepła powietrze-woda, w procesie oszraniania parownika ciepło potrzebne do odszraniania pobierane jest z instalacji grzewczej. Przy zbyt małym przepływie odszranianie bardzo się wydłuży, w konsekwencji pompa ciepła wykryje to jako błąd pracy i ulegnie awaryjnemu wyłączeniu.
Wszystkim tym negatywnym zjawiskom można zapobiec stojąc sprzęgło hydrauliczne lub armaturę upustowo-różnicową. Poniżej omówię to drugie rozwiązania wykorzystując materiały informacyjne firmy Caleffi.
Fot. zawory upustowo-różnicowe o figurze prostej i kątowej ( źr. Caleffi)
Jak działa zawór upustowo-różnicowy?
Zasada działania ww. zaworu przypomina działanie zaworu bezpieczeństwa z tą różnicą, że po otwarciu przepływu woda nie jest usuwana do kanalizacji, a kierowana do obejścia. Zawory upustowo-różnicowe posiadają wewnątrz korpusu grzybek dociskany do gniazda sprężyną z możliwością ręcznej regulacji siły docisku. W zależności od wielkości nastawy, po przekroczeniu ciśnienia otwarcia, zawór przepuszcza ściśle określoną ilość cieczy w instalacji.
Rys. Przekrój przez zawory upustowo-różnicowe. 1- sprężyna robocza, 2- pokrętło ręcznej regulacji, 3- grzybek zaworu, 4- wylot zaworu.
Zawory upustowo-różnicowe powinny być instalowane bezpośrednio przed zaworami odcinającymi instalację, ale za buforem ciepła, aby w momencie zadziałania zawór mógł wykorzystać zgromadzoną w nim energię (rys. poniżej)
Dobór i zasady regulacji
Zawory upustowo-różnicowe dobiera sie na minimalny wymagany przepływ w pompie ciepła podawany przez producenta w jej karcie katalogowej. Przepływ decyduje o wielkości zaworu, a ściślej średnicy przyłącza. Nastawa określana jest z kolei na podstawie ciśnienia pracy instalacji, przy czym ciśnienie różnicowe zaworu powinno być nieco wyższa od tego ciśnienia.
Przykład. Dobrać zawór i nastawę dla pompy ciepła o mocy 8 kW i ciśnieniu pracy instalacji 45 kPa.
Ze wzoru powyżej możemy wyznaczyć minimalny przepływ dla ww. pompy ciepła. Wyniesie on około 0,38 kg/s, czyli 1368 l/h. Przyjmujemy, że zawór będzie się otwierał przy wzroście ciśnienia >45 kPa. Z nomogramu dla zaworu (tutaj o figurze prostej) odczytamy nastawę równą 3. (rys. poniżej)
Jak w praktyce wyregulować zawór?
Nastawa wstępna zaworu odbywa się zwykle w następujący sposób.
- Przy wyłączonej pompie ciepła zamykamy wszystkie obwody wtórne (rys1)
- Ustawiamy pokrętło zaworu na minimalną wartość nastawy różnicy ciśnień. W praktyce wymaga to odkręcenia zaworu w kierunku przeciwnym do wskazówek zegara w skrajne położenie (rys.2)
- Uruchamiamy pompę ciepła i w menu sterownika odczytujemy wartość natężenia przepływu. Zawory obwodów powinny nadal pozostać zamknięte. (rys.3)
- Za pomocą pokrętła zwiększamy ciśnienie różnicowe na zaworze do momentu, aż uzyskamy wartość minimalnego przepływu wymaganego przez producenta pompy ciepła.
- Otwieramy zawory na obejściach.
Zawory upustowo-różnicowe można instalować w każdej pozycji. Należy jedynie przestrzegać kierunku przepływu oznaczonego strzałką na korpusie. Przykładowe miejsce montażu w instalacji z pompą ciepła i systemem rozdzielaczowym pokazuje poniższy rysunek.
