Bufor w instalacji pompy ciepła. Do czego jest on potrzebny?

Co takiego bufor?

Bufor to zbiornik, w którym magazynowana jest woda zasilająca centralne ogrzewanie w formie grzejników czy ogrzewania podłogowego. Gromadzi on w sobie energię cieplną, która może zostać przetransportowana do instalacji centralnego ogrzewania. Buforem może być zbiornik pusty w środku podgrzewany warstwowo, rzadziej zbiornik wyposażony w wężownicę lub też sama instalacja centralnego ogrzewania – instalacja podłogowa. Bufory mogą być stosowane w różnych instalacjach grzewczych. My skupiamy się dziś jednak tylko na tych buforach w instalacji grzewczych, które posiadają pompę ciepła. W przypadku klasycznych systemów grzewczych uzasadnienie stosowania bufora jest trochę inne [1][2].

Rys. 1. Oferta buforów dla systemów pomp ciepłą jest bardzo szeroka [10][11]

W układzie pompy ciepła bufor rozdziela hydraulicznie i czasowo pompę ciepła od jej odbiorników. To znaczy, że pompa ciepła może pracować w określonym czasie ze swoją nominalną mocą niezależnie od zapotrzebowania na nią w naszym domu. Wytworzone ciepło nie trafia bowiem bezpośrednio do grzejników, czy ogrzewania podłogowego, tylko do zaizolowanego cieplnie zasobnika, który magazynuje ciepło. Pompa ciepła dostarcza je do momentu, aż temperatura wody w buforze osiągnie ustaloną wartość. Ponowne uruchomienie pompy ciepła następuje dopiero wtedy, gdy temp. wody w buforze obniży się do określonej temperatury [1][2][4][6][7].

Rodzaje korzyści z zastosowania bufora w instalacji grzewczej z pompą ciepła

Zasadniczo w instalacji pompy ciepła mogą pojawić się dwa zbiorniki z wodą. Pierwszy to zbiornik c.w.u. z wężownicą. Drugi to właśnie zbiornik buforowy, który pozwala na stabilną pracę pompy ciepła i ogranicza częstotliwość załączania się naszego urządzenia. To znacznie wydłuża żywotność pompy. Wybrane aspekty zastosowania bufora przedstawiono poniżej w podpunktach.

1. Bufor jako magazyn energii

   Jak już wspomnieliśmy jeżeli w danym momencie ciepło nie jest potrzebne w naszym budynku, to pompa ciepła tylko „ładuje” bufor. Kiedy woda w buforze zostanie już nagrzana, pompa ciepła przestanie pracować, zatrzyma się i będzie czekała na następny sygnał ze sterownika, że woda w buforze i w całej instalacji grzewczej jest za zimna i trzeba ją ogrzać [5][6][7].

   Rys. 2. W przypadku chęci posiadania bufora pełniącego rolę magazynu ciepła należy się liczyć, że jego instalacja wymaga też dodatkowej powierzchni w pomieszczeniu gospodarczym [2][6]

   Zbiornik buforowy staje się obecnie niezbędny w systemach inteligentnego zarządzania siecią Smart Grid. Inteligentne sieci elektryczne staną się wkrótce codziennością. To kwestia spełnienia wymogów unijnych i oszczędności. Stąd coraz więcej urządzeń zasilanych energią elektryczną jest „Smart Grid Ready” – gotowe na sieć inteligentną. Pompa ciepła z etykietą SG Ready wyposażona jest w odpowiedni regulator, który umożliwia jej integrację z inteligentną siecią energetyczną (Smart Grid – SG). Możliwe jest regulowane przez operatora zdalne przechodzenie między czterema stanami roboczymi pompy ciepła w naszym domu [1][12]:

   • Tryb blokady – zdalne „twarde” zablokowanie pracy pompy ciepła, np. w określonych porach dniach (tak, by nie pobierała drogiego prądu, albo przy jego deficycie na rynku).

   • Tryb normalny – pompa ciepła pracuje zgodnie z zadanym programem roboczym, zależnie od potrzeb. Może służyć zarówno do ogrzewania, jak i przygotowywać c.w.u.

   • Tryb podwyższony – pompa ciepła magazynuje nadwyżki energii bądź maksymalnie wykorzystuje tanią taryfę elektryczną. Na przykład pompa ciepła może wykorzystać nadwyżki prądu z instalacji PV (w domu) lub z sieci energetycznych (nadwyżka produkcji z farm PV i farm wiatrowych), żeby ogrzać wodę w zbiorniku c.w.u. lub zbiorniku buforowym traktowanym jako zasobnik ciepła. Według podobnej zasady może pracować w systemie dwutaryfowym, kiedy obowiązuje tańsza taryfa.

   • Tryb wymuszonego włączenia – zdalne „twarde” załączenie pompy ciepła. Tryb ten służy na przykład do odebrania nadwyżki energii elektrycznej z sieci.

   Oczywiście niektórzy mogą zastanawiać się, czy bufor można przewymiarować w sposób znaczący zakładając, że zmagazynujemy ciepło na długi okres czasu, np. na całą noc. Tutaj warto obalić jeden z mitów: Ilość energii, jaką można zmagazynować w buforze nawet o pojemności 1tys. litrów, jest za mała, żeby zapewnić stałe ogrzewanie przez kilkanaście godzin. Zakup i wygospodarowanie wymaganego miejsca trudno będzie ekonomicznie uzasadnić. Oczywiście mówimy tutaj o instalacjach dla domów jednorodzinnych w przypadku wysokotemperaturowych instalacjach przemysłowych odejście może być zupełnie inne [2][13][14].

2. Bufor zapewni wymagany zład wody

   Pompy ciepłą są specyficznymi instalacjami, które zachowują się nico inaczej niż klasyczne systemy grzewcze. Jednym z czynników umożliwiających prawidłową pracę pompy ciepła jest zapewnienie odpowiedniego zładu wody w instalacji centralnego ogrzewania. Inaczej mówiąc, ważnym jest aby w instalacji c.o. znajdowała się odpowiednia ilość wody, która pozwoli uniknąć tzw. taktowania pompy ciepła. Taktowanie to po prostu częste załączanie pompy ciepła, które ma miejsce, gdy w instalacji jest zbyt mała ilość wody, a pompa ciepła gwałtownie podnosi jej temperaturę do określonego poziomu i wyłącza się. Jednakże po szybkim nagrzaniu, woda równie szybko oddaje swoje ciepło, co prowadzi do ponownego załączenia urządzenia w krótkim odstępie czasu. Duża ilość załączeń pompy ciepła przekłada się na zmniejszenie żywotności urządzenia, szczególnie sprężarki [1][2][14].

   Zład wody może być oczywiście zgromadzony w grzejnikach i instalacji podłogowej, ale jeżeli jest niewystarczający, to rolą instalatora jest takie skonfigurowanie instalacji, żeby go zapewnić. W takim wypadku często idealnym rozwiązaniem będzie właśnie bufor, który zwiększy ilość wody w instalacji i tym samym zapewni wymagany zład wody.

3. Bufor wydłuży żywotność sprężarki jeśli przewymiarujemy pompę ciepła

   Podobnie jak powyżej zastosowanie bufora pozwala skompensować naddatek mocy grzewczej pompy ciepła, jeśli została ona przewymiarowana w stosunku do zapotrzebowania na moc w budynku i tym samym uchronić urządzenie przed taktowaniem w okresach przejściowych. Oczywiście zakładamy, że pompa ciepła zawsze jest dobierana prawidłowo, ale bywają różne sytuacje i posiadanie bufora nas w takim układzie zabezpiecza przez negatywnym wpływem przewymiarowania.

4. Bufor zapewni odpowiedni przepływ wody grzewczej w instalacji

   Żeby pompa ciepła mogła pracować poprawnie, musi mieć zapewniony minimalny przepływ, czyli odpowiednią ilość wody, która przepłynie przez instalację w danym czasie. Bez bufora pompa nie jest w stanie zareagować na zmieniające się obciążenie instalacji grzewczej, zmienne temperatury pomieszczeń, co skutkuje taktowaniem, przegrzewaniem i wahaniem temperatury. Jedynym rozwiązaniem wtedy jest bufor pełniący rolę sprzęgła jak w innych analizowanych w tym artykule przypadkach. Pompa ciepła z pompą obiegową o za małej mocy, albo bez odpowiedniego układu sterującego tłoczy wodę tylko do bufora. Za buforem jest już odpowiednio dobrana pompa obiegowa, która radzi sobie z oporami instalacji grzewczej. Nie ma zagrożeń, na które wskazaliśmy.

5. Bufor pozwoli na podłączenie kilku źródeł ciepła i źródeł odbioru ciepła

   Mieszane systemy grzewcze w których występuje kilka obiegów grzewczych: grzejniki ścienne, ogrzewanie podłogowe, ogrzewanie sufitowe itp. to kolejna sytuacja w której warto zastosować zbiornik buforowy. Bufor w systemach mieszanych stosuje się w układzie równoległym po to, aby rozsprzęglić przepływy, które będą inne w układzie grzejnikowym, inne w ogrzewaniu podłogowym, a jeszcze inne w samej pompie ciepła.

   Bufor przydatny jest również w układach hybrydowych (kilak źródeł ciepłą) w których pompa ciepła jest wspierana pracą innego źródła ciepła ( kocioł gazowy, na węgiel lub kominek oraz kolektory solarne. W takim wypadku Źródło szczytowe – w postaci np. kotła – będzie miało bardzo dużą moc grzewczą przez co w stosunkowo krótkim czasie będzie w stanie dostarczyć energię cieplną. Z tego względu należy sprzęgnąć ze sobą oba układy.

   Bufor stosuje się zatem nie tylko jako system, które oddziela obieg instalacji od źródła ciepła, ale również jako możliwość połączenia kilku źródeł zasilania i odbioru. Warto wiedzieć, że bufor może pełnić funkcję sprzęgła hydraulicznego, ale samo sprzęgło hydrauliczne nie może pełnić funkcji bufora.

6. Bufor pomoże w odszranianiu parownika powietrznej pompy ciepła

   Przy temperaturach bliskich 00C, kiedy wilgotność powietrza jest wysoka, zimne powietrze zaczyna oszraniać parownik. W wyniku tego procesu spada efektywność wymiany ciepła ponieważ powietrze nie może swobodnie oddawać ciepła do parownika. Parownik trzeba odszronić. Aby to zrobić w najczęściej stosowanej metodzie pompa ciepła musi odwrócić swój cykl pracy i dostarczyć gorący czynnik na parownik.

   Rys. 3. Jednostka zewnętrzna z zaszronionym parownikiem [14][15]

   
   

   W tym celu w układzie musi być zgromadzona odpowiednia ilość energii cieplnej. Tę energię pozwala zapewnić właśnie bufor ciepła. Oczywiście są układy z odpowiednim zładem wody (bez bufora) i systemami sterowania pompy ciepła, które mogą wykluczyć akurat w tym układzie zastosowanie bufora. Jednak jeśli posiadamy ubogą w zakresie wyposażenia pompę ciepła wskazujemy to jednak jako wariant [2][7][12][13].

To kiedy potrzebny jest bufor w instalacji pompy ciepła?

Cóż… jak mówią specjaliści to zależy 😊 Bufor jak wykazaliśmy może pomóc, ale przecież zajmuje dodatkowe miejsce i stanowi dodatkowy koszt inwestycyjny. Są sytuacje, w których jest wymagany i koniecznie potrzebny, ale nie da się jednoznacznie powiedzieć, że bufor potrzebny jest w instalacji zawsze! W każdej sytuacji decyzja o zastosowaniu bufora powinna zostać podjęta indywidualnie przez projektanta, który w racjonalny (merytoryczny) i ekonomicznie uzasadniony sposób powinien do tego przekonać inwestora. Warto również dodać, że w razie potrzeby bufor można zawsze domontować do instalacji, o ile jest na to miejsce. Bufor po prostu bardzo często gwarantuje spokój i pewne bezpieczeństwo unikania konsekwencji ewentualnego błędu przy dobieranych pompach ciepła z niższej półki cenowej (mała możliwość regulacji, słabsze parametry pomp obiegowych itp.). Reasumując należy zdawać sobie sprawę, że zamiast kilku urządzeń w kotłowni można mieć jedną pompę ciepła ze zintegrowanym zasobnikiem c.w.u. oraz z szeroką modulacją mocy i zmiennym przepływem dzięki posiadanej pompie obiegowej oraz zaawansowanemu sterowaniu. Ale za coś takiego trzeba zapłacić więcej. Można dobrać tańsze rozwiązanie, ale trzeba wtedy mieć wiedzę jak to zrobić. Wybór należy do inwestora [7][12][13][14][15].

Rodzaje zbiorników buforowych

Zasadniczo wyróżniamy trzy główne typy buforów [2][4][6][7][12][13][14]:

- Zbiornik buforowy bez wymiennika. To zbiornik o prostej konstrukcji i niskiej cenie. Ze względu na to, że nie posiada wymienników ciepła, nie będzie wykorzystywany do ogrzewania c.w.u. W przypadku ogrzewania kilkoma układami np. ogrzewanie podłogowe i grzejniki ścienne należy zastosować zbiornik z kilkoma króćcami przyłączeniowymi tak, aby móc odpowiednio podłączyć układy do zbiornika.

- Zbiornik buforowy z wymiennikiem grzewczym. Ten rodzaj buforu do pompy ciepła jest wyposażony w jeden lub więcej wymienników (wężownice grzewcze, do których podłącza się dodatkowe źródła ciepła, takie jak kocioł gazowy, kolektory słoneczne, itp.

- Zbiorniki buforowe typu zbiornik w zbiorniku (bufor kombinowany). Stanowią rozwinięcie konstrukcji prostego zbiornika buforowego poprzez integrację w górnej części pojemnościowego podgrzewacza wody. Mogą również mieć wbudowane wymienniki ciepła w postaci wężownic. Dzięki temu oprócz pompy ciepła możemy zasilać zbiornik, np. za pomocą kolektorów słonecznych czy kominka z płaszczem wodnym. Zaletą buforów typu zbiornik w zbiorniku jest prosta i kompaktowa budowa, która pozwala zaoszczędzić przestrzeń kotłowni. Umieszczony w górnej części bufora zasobnik ciepłej wody jest cyklicznie podgrzewany przez pompę ciepła za pośrednictwem wężownicy lub poprzez strumień czynnika grzewczego omywający płaszcz wewnętrznego zbiornika.

- Zbiorniki buforowe z wbudowaną wężownicą do przygotowania c.w.u. Bardziej zaawansowanym rozwiązaniem jest tzw. higieniczny podgrzewacz wody. Od wcześniejszych konstrukcji bufora kombinowanego różni się tym, że zamiast zbiornika c.w.u. posiada wbudowaną wężownicę ze stali nierdzewnej karbowanej, w której podgrzewana jest woda użytkowa. W dolnej części zbiornika znajduje się początek wężownicy, do której prowadzona jest zimna woda użytkowa. Gdy zostanie tam dostarczona, płynie wężownicą do górnej części. Ciecz ze zbiornika buforowego poprzez ścianki wężownicy oddaje ciepło do wody użytkowej, ogrzewając ją, a następnie ciepła woda odprowadzana jest do instalacji c.w.u.

Rys. 4. Różne rodzaje zbiorników buforowych: a) zbiornik buforowy bez wymiennika, b) zbiornik buforowy kombinowany, c) zbiornik buforowy z wbudowaną wężownicą [4]

Jak dobierać bufor?

Zakłada się, że pojemność zbiornika powinna wynosić co najmniej 10 l/kW mocy pompy ciepła, jeśli w budynku zastosowane jest ogrzewanie podłogowe i co najmniej 20 l/kW mocy pompy dla grzejników. Od tych wyliczeń należy odjąć ilość wody z układu pompy ciepła. W przypadku, gdy do zbiornika za pomocą wymiennika będzie podłączone dodatkowe urządzenie grzewcze, np. kocioł gazowy, pojemność bufora należy dobrać dla źródła o większym zapotrzebowaniu na pojemność zbiornika [2][3][4][5].

Na co zwracać jeszcze uwagę? Jeśli mówimy o buforze który ma pełnić rolę magazynu energii musimy zwrócić uwagę na to był chroniony przed stratami. W związku z tym warto wybierać modele o jak najniższym potencjalnym strumieniu strat ciepła. Zbiornik taki powinien być dobrze izolowany. Wartość ta jest na etykiecie energetycznej i karcie produktu [12][13][14].

Źródła

1. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016

2. Mirowski A.: Podręcznik dobrych praktyk w zakresie doboru i wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz likwidacji niskiej emisji. Wydawnictwo ARL MIROWSKI. Kraków 2015

3. https://globenergia.pl/po-co-stosuje-sie-bufor-w-instalacji-z-pompa-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)

4. https://instalreporter.pl/ogolna/jaki-zbiornik-buforowy-do-instalacji-z-pompa-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)

5. https://globenergia.pl/co-zamiast-bufora-zamienniki-zbiornika-buforowego-w-instalacji-z-pompa-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)

6. https://www.muratorplus.pl/technika/ogrzewanie/bufor-do-pompy-ciepla-czy-stosowac-aa-BG1Z-GMfL-FiLw.html (dostęp czerwiec 2022r.)

7. https://czysteogrzewanie.pl/jak-to-sie-robi/bufor-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)

8. https://www.hpacmag.com/features/benefits-and-pointers-on-buffer-tanks/ (dostęp czerwiec 2022r.)

9. https://www.arcticheatpumps.com/buffer-tank-for-heat-pumps.html (dostęp czerwiec 2022r.)

10. https://burnit.bg/en/project/buffers-for-heat-pump-systems-psm/ (dostęp czerwiec 2022r.)

11. https://tesy.com/products/combined-and-indirectly-heated-water-tanks/ihwts-for-heat-pump-systems/floor-standing-storage-tanks-with-high-output-heat-exchanger (dostęp czerwiec 2022r.)

12. http://strefainstalatora.pl/technika/pompy-ciepla-i-pv/pompa-ciepla-sg-ready-gotowa-na-siec-inteligentna/ (dostęp czerwiec 2022r.)

13. https://budujemydom.pl/instalacje/pompy-ciepla/porady/30733-kiedy-stosowac-zbiornik-buforowy-razem-z-pompa-ciepla-nibe (dostęp czerwiec 2022r.)

14. https://globenergia.pl/instalowac-czy-nie-instalowac-kontrowersyjny-bufor-ciepla-w-instalacji-grzewczej-z-pompa-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)

15. https://blog.karbon.com.pl/pc-powietrzna/nieszczesny-bufor-do-pompy-ciepla/ (dostęp czerwiec 2022r.)