Pompy ciepła – efektywność i inteligentne sterowanie

Od czasu kiedy pompy ciepła zdobyły popularność w domach jednorodzinnych, pojawiło się również zainteresowanie ze strony inwestorów komercyjnych, w tym hotelowych. Zainteresowanie tym bardziej naturalne, iż w przypadku dużych obiektów hotelowych, a więc o dużym zapotrzebowaniu na ciepło, oszczędności z zastosowania odnawialnych źródeł mogą być również większe.



Ponadto obiekty o dużej powierzchni, takie jak hotele czy centra konferencyjne, często zlokalizowane są na granicy terenów zurbanizowanych i nie zawsze z dostępem do pełnej infrastruktury miejskiej. W przypadku kiedy inwestor ma ograniczony wybór: gaz LPG czy olej opałowy, czyli paliwa najdroższe, należy zastanowić się nad energią z otoczenia obiektu pobieraną za pomocą pompy ciepła. Szczególnie że urządzenie to poza dostawą ciepła może również chłodzić, a inwestor część inwestycji może sfinansować z funduszy unijnych. Wielu inwestorów na etapie projektu rozważa zastosowanie pomp ciepła. I bardzo często inwestor zadaje sobie pytanie, jaką pompę kupić. Którego producenta? Jak porównać oferty i na co zwrócić uwagę? Pompa ciepła jest urządzeniem skomplikowanym i działa na podobnej zasadzie jak inne urządzenia chłodnicze, lecz efektem jej pracy może być zarówno ciepło, jak i chłód. Zatem warto na tym etapie się zatrzymać, aby określić kryteria oceny i porównań. Zanim to zrobimy, zastanówmy sie przez chwilę nad współczesnymi wymaganiami, jakie stawiają inwestorzy instytucjonalni i architekci przed pompami ciepła średniej i dużej mocy.

Wymagania rynku

W budynkach komercyjnych regularnie pojawiają się pomieszczenia z dużymi przeszkleniami (bardzo modne ostatnio w projektach hotelowych) czy pomieszczenia takie jak sale konferencyjne, gdzie poza ogrzewaniem istotne jest również usunięcie nadwyżki ciepła w okresie letnim. A więc nie tylko ogrzewanie i ciepła woda, lecz również krótkotrwałe chłodzenie wymagane są w przypadku współczesnych budynków komercyjnych. Ponadto w obiektach o dużej powierzchni i o zróżnicowanej infrastrukturze, czyli dokładnie tak jak jest to w przypadku hoteli, zachodzi potrzeba podłączenia źródła ciepła do centralnego systemu sterowania, tzw. building management system (BMS).

Kolejnym wymaganiem jest możliwość zestopniowania mocy. Zestopniowanie mocy wymaga użycia kilku pomp ciepła i połączenia ich w kaskadę ze źródłem szczytowym, co podnosi sprawność całego układu i zwiększa bezpieczeństwo. Trzy podstawowe cele, które powinna spełniać nowoczesna instalacja z gruntową pompa ciepła, to:

1. Wysoka roczna efektywność (SPF – seasonal performance factor) podczas całorocznej eksploatacji dla grzania, ciepłej wody użytkowej i chłodzenia. Podstawową częścią instalacji jest pompa ciepła, którą można określić jako „motor”, lecz efektywnie działającą instalację charakteryzują trzy cechy: - odpowiedni projekt (założenia techniczno-projektowe), - prawidłowo dobrane komponenty (w tym również pompa ciepła), - właściwe ustawienia pompy ciepła maksymalizujące jej efektywność.
2. Inteligentne sterowanie – możliwość podłączenia pompy do centralnego systemu sterowania infrastrukturą budynku tzw. BMS i/lub podłączenie pompy do internetu w celu zdalnej kontroli.
3. Minimalne wymagania przestrzeni montażowej.
4. Niski poziom emisji dźwięku.

Współczynnik efektywności pompy

Na efektywność pompy ciepła ma wpływ oczywiście jej konstrukcja. W wydajnym układzie chłodniczym pomp ciepła stosuje się obecnie najnowsze sprężarki spiralne. Podwyższenie sprawności wymienników ciepła uzyskiwane jest poprzez specjalną budowę asymetryczną. Oznacza to dziesięciokrotne zwiększenie ilości czynnika dolnego źródła lub wody do czynnika chłodniczego w wymienniku. Kolejną innowacją w najnowszej generacji pomp, pozwalająca zwiększyć ich efektywność, jest stosowanie pomp obiegowych z bezstopniową regulacją wydajności w zależności od rodzaju pracy. Rozwiązanie takie umożliwia dokładne dostosowanie pracy pompy obiegowej do parametrów pracy instalacji. Obie pompy obiegowe są w klasie efektywności energetycznej A. W tym miejscu należy dodać, iż zgodnie z rozporządzeniem NR 641/2009 Komisji Europejskiej w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE z początkiem 2015 roku wszystkie nowe pompy ciepła będą musiały być wyposażone w pompy obiegowe o współczynniku efektywności EEI (energy efficiency index) nie większym niż 0,23.

Szybkość podgrzewania wody

W ostatnich 10-20 latach zmienił się sposób korzystania i wymagań związanych z szybkością przygotowania i ilością ciepłej wody użytkowej. Jest to szczególnie widoczne w takich obiektach jak hotele, które coraz częściej posiadają basen. W typowym układzie chłodniczym pompy ciepła jest parownik, sprężarka, skraplacz i zawór rozprężny. W skraplaczu następuje odzyskanie ciepła na potrzeby ogrzewania. W najnowszych pompach między sprężarką a skraplaczem jest dodatkowy wymiennik, przez który z jednej strony przechodzi gaz do skraplacza, a z drugiej jest woda grzewcza. Temperatura gazu w dodatkowym wymienniku za sprężarką wynosi ponad 100 st. C i umożliwia wyjątkowo efektywne podgrzewanie wody grzewczej, a następnie ciepłej wody użytkowej. Za każdym razem kiedy pompa pracuje na potrzeby ogrzewania, a w okresie letnim na potrzeby chłodzenia, może zostać podgrzana ciepła woda użytkowa, a więc obie funkcje mogą być realizowane jednocześnie. Ponadto ciepła woda jest podgrzewana przy najniższym możliwym koszcie, niejako przy okazji ogrzewania.

Za zużycie energii odpowiada sterownik

Podstawowym elementem odpowiedzialnym za poziom zużycia energii i pracę pompy jest sterownik, przeznaczony do pracy w aplikacji, jaką jest pompa ciepła. Do najważniejszych zalet mających bezpośredni wpływ na poziom zużycia energii należy algorytm z funkcją z wyliczaną „wartością integral”, określajacy zapotrzebowanie na ciepło na podstawie zsumowanych odchyłek temperatury. Zastosowanie algorytmu powoduje kontrolowane opóźnienie i włączenie sprężarki przy niedopuszczeniu do spadku odczucia komfortu ze strony użytkownika. Jest to rozwiązanie zmniejszające zużycie energii oraz ilość włączeń i wyłączeń sprężarki, co ma bezpośredni wpływ na jej żywotność. Takie rozwiązanie jest ok. 15-20 proc. bardziej efektywne niż sterowaniem pompą na zasadzie pomiaru tylko temperatury zewnętrznej, wewnętrznej oraz temperatury powrotu zasilania c.o.

Zaawansowany sterownik umożliwia realizowanie takich funkcji jak:
• połączenie pomp ciepła w kaskadzie do ośmiu jednostek na zasadzie master/slave, gdzie czas pracy poszczególnych pomp jest tak kontrolowany, aby wszystkie pracowały równomiernie,
• kalendarz, czyli możliwość planowania pracy pomp w czasie,
• sterowanie dziewięcioma obiegami grzewczymi,
• sterowanie zewnętrznym źródłem szczytowym, takim jak kocioł olejowy lub gazowy czy podgrzewacz elektryczny przy jednoczesnej możliwości ich modulacji,
• chłodzenie pasywne, które polega na usuwaniu zysków ciepła do dolnego źródła bez uruchamiania sprężarki, wykorzystując tylko pompy obiegowe obiegu dolnego źródła; chłodzenie pasywne może być realizowane jednocześnie podczas grzania,
• chłodzenie aktywne, polegające na usuwaniu zysków ciepła do dolnego źródła i do ciepłej wody użytkowej z wykorzystaniem sprężarki; chłodzenie aktywne może być realizowane jednocześnie podczas grzania,
• Water charging system (WCS), czyli ładowanie zasobników ciepłej wody użytkowej poprzez wymiennik ciepła z regulowaną jej temperaturą za wymiennikiem,
• Tap water control (TWC), czyli funkcja, która zapewnia wymaganą temperaturę ciepłej wody użytkowej cyrkulującej w instalacji. Daje to wysoki poziom komfortu i zapobiega rozwojowi bakterii legionella.
• Top-up, automatyczne wydłużenie pracy sprężarki po trybie c.o. i podgrzanie c.w.u. – umożliwia to utrzymanie temperatury c.w.u. na wymaganym poziomie przy jednoczesnym zmniejszeniu, włączeń i wyłączeń sprężarki,
• wbudowany serwer z adresem IP umożliwia podłączenie pompy do internetu i zdalne monitorowanie większości funkcji,
• połączenie z innymi systemami sterowania infrastrukturą budynków (tzw. buliding management system) za pomocą protokołu komunikacyjnego Modbus,
• rozbudowana diagnostyka sygnalizująca jeszcze nie krytyczne, ale już niekorzystne warunki pracy zdefiniowane przez instalatora.

Przestrzeń montażowa Współczesne pompy ciepła są urządzeniami w pełni regulowalnymi. Ich sterowniki rozpoznają zapotrzebowanie budynku na ciepło kontrolujące pracę sprężarek. Użytkownik nie jest zmuszany do gromadzenia zapasu ciepła w zajmujących dodatkowe miejsce buforach.

Cśśś... – niski poziom dźwięku

Pompa ciepła pracuje kilka do kilkunastu godzin na dobę i ważne jest, aby pracowała w sposób cichy. W obiektach o dużej powierzchni zawsze musi być odpowiednie miejsce, gdzie ulokowane będą pompy ciepła, aby dźwięk wydobywający się z nich nie przeszkadzał użytkownikom obiektu. W obiektach średniej wielkości i mniejszych o ograniczonej powierzchni pomieszczeń technicznych czy specyficznej lokalizacji, takich jak hotel w lesie (niskie tło akustyczne), poziom dźwięku może być istotnym kryterium. Dlatego należy zwrócić uwagę na pompy ciepła wyposażone w sprężarki, konstrukcję nośną, tzw. ramę i obudowę, które mają zminimalizować:

• poziom drgań pochodzący ze sprężarki,
• poziom natężenia dźwięku emitowanego przez układ chłodniczy. Sprężarki powinny być tak zaprojektowane, by natężenie emitowanego dźwięku było niskie, zaś jego wysokość przesunięta w kierunku wyższych częstotliwości. Dźwięk taki jest łatwiejszy do wytłumienia, wyeliminowany zostaje również przenikliwy dźwięk o niskiej częstotliwości. Na znaczne zmniejszenie natężenia emitowanego dźwięku pozwala wyłożenie obudowy sprężarki od wewnątrz materiałem dźwiękochłonnym. Podstawowym środkiem zapobiegającym przenoszeniu się drgań na konstrukcje wsporczą są tłumiki wibracji. Użycie gumowych tłumików pod podstawą sprężarki bardzo skutecznie ogranicza przenoszenie drgań na podłoże. Poziom natężenia dźwięku w pompie DHP-R Eco 22kW wynosi 55 dB(A)2 w a pompie o mocy 42 kW 56 dB(A)2 .

Wartość dla inwestora

Jak wspomniano na początku, wielu inwestorów na etapie projektu rozważa zastosowanie pomp ciepła, szczególnie jeżeli inwestycja jest zlokalizowana poza dostępem do ciepła miejskiego czy gazu ziemnego. Tymczasem pompy ciepła mają więcej funkcji, są bardziej skomplikowane i przeciętnemu inwestorowi trudno jest dokonać obiektywnego porównania. Zatem podsumowując w kilku zdaniach, czym powinny się charakteryzować dobre pompy ciepła?










Autor: Sponsorem raportu Pompy Ciepła jest Danfoss, autor: Piotr Lech

Komentarze

  • Spółka Polskie Wydawnictwa Specjalistyczne ProMedia Sp. z o.o., nie ponosi odpowiedzialności za treść opinii zamieszczanych przez użytkowników portalu.
  • Spółka zastrzega sobie prawo do usuwania komentarzy naruszających prawo.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *