Rozwój technologii powietrznych pomp ciepła – co brać pod uwagę przy ich wyborze?

Innowacje technologii pomp ciepła

Powietrzne pompy ciepła zdobywają rynek – słusznie, bo są coraz tańsze i zaawansowane technologicznie. To o czym warto zdawać sobie technologia pomp ciepła rozwinęła się w ostatnich latach bardzo szybko, co zaowocowało możliwością konkurencji np. z systemami gazowymi. Na rynku mamy już kilkudziesięciu producentów, którzy oferują rozwiązania gruntowych i pomp ciepła typu powietrzne woda pracujących w układzie niskotemperaturowym oraz wysokotemperaturowym. Coraz powszechniej można również spotkać rozwiązania tzw. hybrydowych pomp ciepła oraz rozwiązania tylko do podgrzewania c.w.u [1][2][3][9][10].

Rys. Uniwersalność zastosowań powietrznych pomp ciepła prezentowana przez firmę Haier [5]

Powietrzna pompa ciepła jest uniwersalnym systemem grzewczym - może współpracować z wieloma rodzajami odbiorników ciepła:

• klimakonwektory - są często wykorzystywane, pozwalają na wybór różnych typów urządzeń (m.in. ścienne, konsole, kanałowe, kasetonowe).

• ogrzewanie podłogowe - czyli instalacja płaszczyznowa jest w przypadku pomp ciepła najbardziej wskazana ze względu na niską temp zasilania.

• klasyczne grzejniki ścienne: pompy ciepła mogą być zintegrowane z klasycznymi grzejnikami wysokotemperaturowymi w istniejących instalacjach oraz ze zbiornikami ciepłej wody użytkowej. Na rynku mamy coraz więcej rozwiązań tzw. wysokotemperaturowych pomp ciepła.

Producenci pomp ciepła cały czas pracują nad wprowadzaniem coraz efektywniejszych i bardziej innowacyjnych rozwiązań do swojej oferty. Na rynku szczególnie są zauważalne coraz efektywniejsze pompy ciepła dedykowane dla domów jednorodzinnych z klasycznym ogrzewaniem opartym o grzejniki naścienne. Nie jest wymagane dla takich pomp tzw. ogrzewanie podłogowe. W przypadku termodernizacji budynku wystarczy zamiast klasycznego ogrzewania opartego o kocioł grzewczy po prostu podłączyć pompę ciepła.

Przykładem może być wysokotemperaturowa pompa ciepła powietrze-woda Daikin Altherma 3 H HT. Jest to urządzenie wyposażone w najnowsze technologie, na czynnik chłodniczy R32, z możliwością przygotowania wody grzewczej o temperaturze do 70°C. System poradzi sobie w najzimniejszym klimacie bez problemu działając nawet do temp. zewnętrznej –28°C. Dzięki cechom takim jak: zastosowanie jednego wentylatora (dla wielkości 14-16-18kW) o nowej konstrukcji łopatek oraz wygłuszającej 3-warstwowej obudowie sprężarki i podkładkach antywibracyjnych, ciśnienie akustyczne urządzenia zewnętrznego wynosi zaledwie 38dB(A) w trybie normalnym, i 35dB(A) w trybie cichym w odległości 3m od urządzenia - dlatego nie będzie uciążliwe dla inwestora, ani dla sąsiadów. Zastosowana sprężarka z podwójnym wtryskiem czynnika pozwala na uzyskanie temp. wody grzewczej do 70°C bez użycia grzałki. Oczywiście Daikin Altherma 3 H HT ma możliwość oprócz przygotowania wody grzewczej, także przygotować c.w.u. oraz chłodzić. Standardem stają się również rozbudowane systemy gwarancyjne i serwisowe. Standardem są 5-letnie gwarancje (z możliwości jej przedłużenia do lat 10 oraz opieka serwisowa z czasem reakcji serwisowej w ciągu 24h [3][4].

Pompy ciepłą możliwe do integracji z każdą technologią

Pompy ciepał stały się ostatnio bardzo uniwersalnymi urządzeniami. Pompa ciepła daje obecnie możliwość integracji z innymi źródłami ciepła, takimi jak szczytowa grzałka elektryczna, kocioł gazowy (praca w układzie hybrydowym), czy instalacja solarna. Mogą one być wykorzystywane alternatywnie przy skrajnych temperaturach zewnętrznych oraz zapewniają niezawodność ogrzewania budynku. Możliwe jest również połączenie pompy ciepła z instalacją PV. Pozwala to w tani i ekologiczny sposób uzyskać energię elektryczną [2][8].

Układy hybrydowe pomp ciepła co to takiego?

Układ hybrydowy pomp ciepła łączy technologię pomp ciepła powietrze-woda, wykorzystującą energię odnawialną, z gazowym kotłem kondensacyjnym, aby zapewnić najwyższą efektywność. Jej inteligentne oprogramowanie pomaga oszczędzać aż do 35% więcej energii w porównaniu z gazowym kotłem kondensacyjnym poprzez automatyczne wyznaczanie kombinacji najbardziej ekonomicznej i efektywnej energetycznie w oparciu o ceny energii, temperatury zewnętrzne oraz wydajność cieplną jednostki wewnętrznej [1][4].

Rys. Jednostka zewnętrzna pompy ciepła firmy Daikin oraz jednostka wewnętrzna wraz z kotłem gzowym kondensacyjnym [4]

Układ typu Split oraz Monoblok co to takiego?

Urządzenie typu Split składa się z dwóch jednostek, wewnętrznej i zewnętrznej, połączonych ze sobą instalacją, w której krąży czynnik chłodniczy. W jednostce zewnętrznej pobierane jest ciepło z otoczenia, następnie czynnik chłodniczy transportuje je do jednostki wewnętrznej, gdzie jest ono przekazywane do instalacji ogrzewania budynku. Do montażu urządzenia Split niezbędne jest posiadanie uprawnień, między innymi tzw. F-gaz.

Urządzenie typu Monoblok cechuje się zwartą konstrukcją jednostki zewnętrznej, w której znajdują się wszystkie komponenty. W takiej instalacji należy mieć na uwadze, że instalacja ogrzewania znajduje się również poza budynkiem i łączy instalacje wewnętrzną z pompą ciepła. Takie rozwiązanie może doprowadzić, w sytuacji silnych mrozów i dłuższego zaniku prądu, do zamarznięcia wody w zewnętrznej części instalacji. W takim wypadku można zastosować roztwór glikolu, którego niska temperatura krzepnięcia nie dopuści do uszkodzeń układu wodnego [1][2][3][9].

Co nowego się stało w technologii pomp ciepła?

W grupie najbardziej efektywnych pomp ciepła standardem jest stosowanie zaawansowanych technologii. Powietrzne pompy ciepła bardzo się różnią od rozwiązań stosowanych 5-8 lat temu. W dniu dzisiejszym powszechne są np. rozwiązania oparte o nowe konstrukcje wentylatorów z silnikami prądu stałego w parownikach o zwiększonej powierzchni wymiany ciepła, nowe rodzaje czynników termodynamicznych (poziom ekologii – tzw. naturalne czynniki robocze), nowe konstrukcje wydajnych pomp obiegowych, nowe konstrukcje sprężarek, nowe rozwiązania zaworów rozprężnych i przede wszystkim zaawansowane systemy sterowania całością układu termodynamicznego! [1][2][9]

Większość współczesnych pomp ciepła o najwyższej efektywności ma już sprężarkę inwerterową rotacyjną lub typu Scroll także o regulowanej wydajności. Największy potencjał dla poprawy efektywności pomp ciepła tkwi, jak się wydaje obecnie w konstrukcji parownika, skraplacza i np. samego funkcjonowania procesu odmrażania parownika powietrznej pompy ciepła. Najbardziej efektywne pompy ciepła mają rozwinięte powierzchnie wymiany ciepła w wymiennikach o specjalnie projektowanej geometrii lamel [2][3][9].

Rys. Nowe technologie konstrukcji skraplaczy w podgrzewaczach ciepłej wody użytkowej (klasyczne rurki miedziane kontra płaskie mikrowymienniki oparte o układy mikrokanałowe)pozwalają zwiększyć wskaźnik efektywności COP [12]

Pompy ciepła coraz częściej wskazywane jako systemy uczestniczące w bilansowaniu energii. Możliwości współpracy z inteligentnymi sieciami elektroenergetycznymi (Smart Grid) nie są jeszcze w Polsce wykorzystywane, ale coraz częściej to zagadnienie pojawia się jako niezbędny kierunek rozwoju. Wpływanie na pracę pomp ciepła może pozwolić operatorom sieci dostosowywać włączanie i wyłączanie urządzeń zależnie od obciążenia sieci, a użytkownikom korzystać z niższych opłat za zakup energii lub dodatkowych bonusów ze strony operatora.

Rys. Nowe rozwiązania mikrowymienników do pompo ciepła firmy Daikin gwarantują większą efektywność wymiany ciepła przy mniejszej ilości czynnika roboczego[13]

Rys. Nowe rozwiązania łopat wentylatora (technologia V-cut firmy Daikin) dzięki podglądaniu natury gwarantuje większą efektywność działania [14]

Wszystkie te wybrane cechy powodują, że perspektywy stosowania pomp ciepła na świecie są bardzo ambitne. Według raportu badawczego Global Market Insights, Inc., globalny rynek pomp ciepła ma przekroczyć 16 milionów jednostek do 2026 roku [11].

Co wybrać?

Racjonalnie rzecz biorąc wcale nie cena, design, czy marka (tutaj naprawdę mamy na rynku prawdziwe bogactwo dobrej klasy ofert i będzie w tym zakresie tylko lepiej), lecz właściwy dobór mocy pompy ciepła jest kluczowy dla zadowolenia klienta podczas jej eksploatacji. Powtarzam to wielokrotnie swoim studentom na zajęciach i zasada ta nie zmieniła się mimo, że rynek pomp ciepła jest już bardzo dojrzały w Polsce. Można więc zainwestować w powietrzną pompę ciepła z najwyższej półki, ale jeśli popełnimy błędy na etapie projektu, wykonawstwa, eksploatacji (parametry przepływy pomp obiegowych), ale przede wszystkim np. jej moc nominalna będzie zbyt duża w stosunku do potrzeb budynku to po pierwszym okresie grzewczym i otrzymaniu rachunku za prąd na pewno przybędzie o jeszcze jednego żarliwego krytyka OZE, który przez następne lata będzie powtarzał, że dał się oszukać przez OZE 😊.

Pierwszym działaniem na rzecz optymalnego doboru powietrznej pompy ciepła jest dokładne oszacowanie zapotrzebowania budynku na moc grzewczą. Rozsądna opcja to zlecenie profesjonalnego audytu budynku. Jeśli Twój budynek po audycie potrzebuje 9kW mocy grzewczej to wybierasz pompę ciepła o mocy nominalnej max. 9kW. Jeśli wybierzemy pompę ciepła nieco mniejszej mocy wcześniej to nie jest to błąd! Będzie po prostu potrzebowała wspomagania dodatkowym źródłem ciepła – najczęściej grzałką elektryczną. W zimie niewiele jest dni, które tego będą wymagać. Za to taka pompa ciepła dobrze sobie poradzi w dni cieplejsze, które w sezonie grzewczym przeważają. Natomiast pompa o zbyt dużej mocy będzie miała gorszą sprawność w dni cieplejsze [8][9][10].

Rys. Skutki przewymiarowania powietrznej pompy ciepła z poprawnie dobraną mocą (krótki okres taktowania oraz wyższa efektywność) i pompą przewymiarowaną (niższa efektywność długi okres taktowania pompy ciepła) [8]

Powietrzna pompa ciepła z natury potrzebuje pomocniczego źródła ciepła na najniższe temp. Spadek mocy i sprawności takich pomp ciepła wraz ze spadkiem temperatury powietrza wynika z praw fizyki i nigdy nie zostanie całkowicie wyeliminowany bez skutków ubocznych. Domorosłym sprzedawcom pomp ciepła wydaje się, że jeśli klient zaakceptuje wyższą cenę pompy ciepła o dużej mocy to postępuje z zasadą „dla dobra tego klienta”. Wskazując nawet na ekologiczne podstawy takiego działania (Przecież nie zużywamy mniej prądu!). To technicznie możliwe (wspominaliśmy przecież o pompach ciepła, które pracują przy minus 28 stopniach Celsjusza!), ale będą przez to konsekwencje przewymiarowania, które wpłyną na sprawność pompy ciepła w cieplejsze dni sezonu grzewczego (które stanowią 2/3 tego okresu) [8][9][10].

Przewymiarowanie pompy ciepła w celu "ucieczki przed grzałkami" powoduje, że pompa ciepła większej mocy przez większość sezonu grzewczego będzie musiała taktować (pracować w układzie włącz-wyłącz). Potrzeby budynku będą bowiem zbyt małe, aby mogła pracować ciągle choćby na minimum mocy. W ciągłą pracę wejdzie dopiero przy niskich temp. W takiej pompie ciepła mamy jak widać na wykresie powyżej mniejszą sprawność. Dodatkowo odbija się to na żywotności urządzenia, gdyż rozruch bez efektywnego smarowania (praca załącz – wyłącz) jest momentem największego zużycia sprężarki.

Oczywiście można z tego wybrnąć montując dodatkowy bufor cieplny, który zapobiegnie taktowaniu, ale to dodatkowy wydatek. Czynimy tak gdy jest to niezbędne np. w przypadku magazynowania energii ciepła.

Źródła

1. Kruszelnicka W., Cierlicki T., Madej O., Mroziński A.: Badanie parametrów pracy laboratoryjnej instalacji pompy ciepła powietrze-woda typu monoblok. Przegląd Mechaniczny zeszyt nr 1/2017, rok wyd. LXXVI, DOI 10.15199/148.2017.1.8, str. 38-42

2. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. ISBN: 978-83-64423-38-3. Wydawnictwo Grafpol Agnieszka Blicharz-Krupińska. Bydgoszcz 2016

3. https://www.polskiinstalator.com.pl/artykuly/instalacje-oze/2760-rozw%C3%B3j-niskoemisyjnych-technologii-grzewczych-pompy-ciep%C5%82a

4. https://www.daikin.pl/pl_pl/area-of-expertise/pompy-ciepla-Daikin-Altherma.html

5. https://haier-ac.pl/rozwiazania-dla-domu/#pompy-ciepla

6. https://rotenso.com/pl/kategoria-produktu/pompy-ciepla/

7. https://gree.pl/produkty/pompy-ciepla/

8. https://czysteogrzewanie.pl/jak-to-sie-robi/dobor-mocy-pompy-ciepla-do-ogrzewania/

9. https://instalreporter.pl/ogolna/raport-rynek-pomp-ciepla-powietrzewoda/

10. https://budujemydom.pl/instalacje/pompy-ciepla/rankingi/23864-pompy-ciepla-ranking-rozpoznawalnosci-firm-i-produktow

11. https://www.globaltrademag.com/3-major-trends-characterizing-global-heat-pump-market-outlook-between-2020-2026/

12. https://www.aosbath.com/new-coils-boost-heat-pump-efficiency/

13. https://www.daikin.com/products/ac/lineup/skyair/modals/technology/03_dc_fan_motor/index.html

14. https://www.daikin.com/products/ac/lineup/skyair/index.html