Zabezpieczenia antyzamrożeniowe w pompach ciepła – Czy są konieczne i jak działają?

Wprowadzenie

Powietrzna pompa ciepła typu monoblok tworzy jeden układ, który w całości znajduje się na zewnątrz budynku. Urządzenie doprowadza ciepło do domu za pomocą wody grzewczej. Taki system wymaga odpowiedniego zabezpieczenia, w innym przypadku w czasie mrozów może dojść do zamarznięcia przewodów, a ryzyko jest tym większe, jeśli nastąpi przerwa w dostawie energii elektrycznej. W systemie tego typu pompy ciepła, podczas zaniku cyrkulacji (np. na skutek awarii zasilania), może dojść do zamrożenia medium w instalacji przy ujemnych temperaturach otoczenia. Powstały lód może doprowadzić do uszkodzenia wymiennika w pompie ciepła oraz innych wrażliwych elementów instalacji [1][2][3].

Techniczne metody zabezpieczenia pompy ciepłą monoblok przez zamarzaniem

Pompę ciepła monoblokową można zabezpieczyć przed zamarznięciem na wypadek przerwy w pracy stosując różne środki techniczne. Chodzi zarówno o sytuacje kontrolowane (przerwa w pracy podczas nieobecności domowników), jak i awarie czy dłuższe przerwy w zasilaniu. Jeśli przerwa w pracy nastąpi podczas mrozu, woda, która zamarznie w wymienniku pompy ciepła, może spowodować jego pęknięcie. Poniżej przegląd metod technicznych.

1. A może wystarczy tylko dobra izolacja?

Wg większości producentów pomp ciepła zwiększenie grubości izolacji nie pozwala na 100% pewność bezpieczeństwa układu wodnego przed mrozem. Jednak dobre zaizolowanie przewodów pompy ciepła monoblok na pewno ograniczy straty. Warto pamiętać aby ochrona izolacyjna rur była odporna na UV. Są też tacy (raczej marki premium), którzy twierdzą, że w Europie (założenie braku występowania dużych mrozów oraz długotrwałych włączeń prądu) przy zastosowaniu dobrej jakości materiałów izolacyjnych w monoblokowej pompie ciepła problem zamarzania ich nie dotyczy [1][2][3].

Rys. 1. Izolacja przewodów zawsze się przyda, ale nie gwarantuje 100% pewności [2][8]

Izolator może tylko kondensować ciepło, a nie je wytwarzać. Zastosowanie otuliny na przewodach zewnętrznych pompy ciepła jest pomocne, ponieważ izoluje od mroźnego otoczenia – ale nie zawsze wystarcza w przypadku dużych mrozów.

Pompa ciepła ma również zabezpieczenia w zakresie swojej automatyki. Jeśli temp, na zewnątrz jest niska a obiekt nie wymaga ogrzewania (brak mieszkańców ustawienie minimalnej temp.) pompa wymusza pracę pompy obiegowej. Dodatkowo renowowani producenci dbają bezpieczeństwo swoich urządzeń. Pompy ciepła bardzo często posiadają maty ocieplające, pełniące również dodatkowo funkcje wyciszania pracy urządzenia (pisaliśmy już na tym blogu o aspekcie hałasu klimatyzatorów oraz pomp ciepła) [1][2][3].

Rys. 2. Przykład izolacji elementów pompy ciepła [1][2]

2. Stosowanie zaworów spustowych antyzamrożeniowych

W zakresie zabezpieczeń antyzamrożeniowych pomp ciepła typu monoblok podstawą jest ochrona instalacji wodnej (odcinka biegnącego od pompy ciepła do instalacji w budynku). Zwykle odcinek ten wykonuje się z rur preizolowanych. Zapewnia to prawidłową pracę pompy ciepła nawet w niskiej temperaturze. Natomiast w przypadku awarii to zabezpieczenie jest niewystarczające. Na obu przewodach (zarówno zasilającym, jak i powrotnym) można zamontować awaryjne zawory spustowe. Jeśli temperatura czynnika w pompie ciepła spadnie poniżej bezpiecznej granicy, zawory otwierają się i wymiennik pompy oraz rury są opróżniane z wody. Ważny jest pionowy montaż zaworu oraz odpowiedni odstęp od podłoża – tak, aby powstający lód nie zablokował działania zaworu.

a) b) c)

Rys. 3. Prawidłowy montaż awaryjnych zaworów spustowych zależnie od położenia wymiennika w monoblokowej pompie ciepła – a), b) oraz montaż nieprawidłowy - c) [5]

Rys. 4. Prawidłowy montaż kompletnej instalacji z układem przeciwzamrożeniowym oraz filtrami i zaworem różnicowo-upustowym [6][7]

Zawór antyzamrożeniowy powinien być montowany na przewodzie powrotnym i zasilającym w pozycji pionowej, w najzimniejszej części instalacji (pomiędzy ścianą budynku a jednostką zewnętrzną pompy ciepła typu monoblok). W celu prawidłowej pracy, zawór nie powinien być zaizolowany termicznie oraz znajdować się w pobliżu źródeł ciepła, które mogłyby negatywnie wpływać na jego pracę. Dodatkowo, zawory nie powinny być montowane jeden nad drugim. Pomiędzy zaworami powinno być min. 10 cm odstępu w poziomie. Wypływające medium z górnego zaworu, które trafi na zawór znajdujący się niżej może zamarznąć i uniemożliwić prawidłowe opróżnianie instalacji z medium przez zawór dolny. Nie montować zaworu bezpośrednio przy podłożu. Należy zachować min. 20 cm odstępu, aby powstający lód nie blokował w żaden sposób odpływu wody z zaworu. Warto również pamiętać aby zabezpieczyć taki układ przed zanieczyszczeniami (filtry) [3][4][5][6].

Zawór antyzamrożeniowy wyposażony jest w specjalnie skalibrowany wkład termostatyczny, który otwiera upust wody kiedy temperatura czynnika w zaworze spadnie poniżej 3 °C. Woda wykapuje w dolnej części, co wymusza jej ruch w zewnętrznym odcinku instalacji. Wkładka termostatyczna zamyka upust przy temperaturze 4 °C. Ilość wody, która wypływa z instalacji, jest uzależniona od wielu zmiennych takich jak: temperatura zewnętrzna, długość odcinków zewnętrznych, jakość izolacji oraz temperatura wody w instalacji [6].

Rys. 5. Wytyczne prawidłowego montażu awaryjnych zaworów spustowych [6]

Rys. 6. Zasada działania zaworu zabezpieczającego przed zamarzaniem [5][6]

W przypadku braku prądu w układzie zawór naprzemiennie otwiera i zamyka upust w zależności od temperatury wody. Ubytek czynnika w instalacji jest stosunkowo niewielki, zalecamy jednak montaż w układzie automatycznej grupy napełniającej (automatyczny zawór napełniający układ), która w przypadku załączenia zasilania uzupełni czynnik w układzie do zadanego ciśnienia. Korzyści wynikające z zastosowania zaworów przeciwzamrożeniowych [3][5][6][7]:

• Koszt: Koszt pary zaworów przeciwzamrożeniowych jest porównywalny z kosztem systemu glikolowego.

• Konserwacja: Zawory są produktem typu „zamontuj i zapomnij”, nie wymagają konserwacji i powinny nadal działać przez 7-8 lat.

• Wydajność: Zawory zapobiegające zamarzaniu stanowią alternatywę dla glikolu, co oznacza, że ​​system pompy ciepła będzie działał wydajniej ze względu na mniejszą lepkość wody w relacji do glikolu oraz mniejszą stratę w przypadku zastosowania wymiennika pośredniego.

1. Zastosowanie zasilania awaryjnego UPS

Problem z zamarzaniem wymiennika zwykle wiąże się z dłuższymi przerwami w zasilaniu. Rozwiązaniem może być zatem montaż akumulatora typu UPS. Dzięki temu pompa obiegowa będzie pracowała i zapewniała obieg wody mimo braku zasilania. Niektórzy producenci pomp ciepła oferują rozwiązanie tego rodzaju, przeznaczone specjalnie do monoblokowych pomp ciepła. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie agregatu prądotwórczego albo magazynu energii z system PV, ale to już bardzo drogie i rozbudowane układy.

2. Metoda chemiczna - Zastosowanie układu glikolowego z wymiennikiem pośrednim

Pompę ciepła typu monoblok przed zamarzaniem chroni także zastosowanie w instalacji płynu niskozamarzającego (glikolu). Zwykle nie praktykuje się wypełnienia nim całej instalacji, na przykład ze względu na koszty, albo fakt, że dotychczas zastosowane grzejniki nie są do tego przystosowane. Można natomiast zainstalować dodatkowy wymiennik woda/glikol, dzięki któremu glikol będzie znajdował się tylko w instalacji po stronie pompy ciepła. Ważne jest, by był to bezpieczny glikol polipropylenowy, w stężeniu zgodnym z zaleceniem producenta. Istnieje kilka wad korzystania z glikolu:

• Koszt: glikol jest drogi i generalnie do prawidłowego napełnienia systemu pompy ciepła potrzeba dodatkowego zbiornika.

• Konserwacja: Glikol wymaga regularnego testowania i wymiany, aby upewnić się, że działa prawidłowo. Jeśli musisz opróżnić system, glikol będzie musiał zostać wymieniony, co ostatecznie zwiększy koszty.

• Wydajność: Glikol jest gęstą, lepką cieczą, która nawet po zmieszaniu z wodą może obniżyć wydajność pompy ciepła. Dodanie glikolu do systemu oznacza, że ​​pompa ciepła musi pracować ciężej, aby przemieścić płyn przez system.

• Toksyczność: Glikol jest toksyczny dla uszczelek oraz nieprzystosowanych do niego grzejników

3. Zastosowanie specjalnego sterownika z akumulatorem

Producenci monobloków integrują już do swoich pomp ciepła dedykowane rozwiązania przeciwzamrozeniowe w postaci specjalnych sterowników. Algorytm takiego sterownika gwarantuje, że pompa nie zamarznie nawet przy braku zasilania w energię elektryczną niezależnie od temperatury na zewnątrz. System zapewnia bezpieczeństwo przez 48h. Codziennie przeprowadzany jest test poprawnego działania modułu, przetwornicy oraz akumulatora. Dodatkowo raz w miesiącu przeprowadzany jest kontrolowany test rozładowania akumulatora. Funkcjonalność sprawia, że system zapewnia bezpieczeństwo kilkudziesięciokrotnie dłużej niż standardowy UPS. Wynika to z tego że W standardowych układach UPS w razie braku zasilania z sieci elektroenergetycznej przetwornica samoczynnie rozładuje akumulator w kilka godzin. Moduł Zabezpieczający PZ HX wykorzystuje dodatkową płytę sterującą, przekazując napięcie na przetwornicę wyłącznie przy konieczności wymuszenia przepływu wody grzewczej. Tyle z informacji od producenta :-) [4].

Rys. 7. Moduł zabezpieczający PZ HX firmy Hewalex, który realizuje funkcję AntiFreeze [4]

Dodatkowo bardzo często systemy tego typu realizują zaawansowane programy testowe (codzienny/miesięczny). Sprawdzają, czy akumulator ma odpowiednią pojemność, czy układ elektryczny jest poprawnie podłączony i czy jest zapewniony przepływ wody grzewczej (zanieczyszczone filtry, zamknięte zawory, uszkodzona pompa obiegowa). Użytkownik otrzymuje powiadomienia w sytuacji zagrożenia (SMS/email) [4][5].

Podsumowanie

Reasumując. W artykule pokazaliśmy, że „nie taki diabeł straszny”. Jak widać problem zamarzania pomp ciepła typu monoblok nie musi się wcale pojawić, o ile zawczasu zadbamy o odpowiednie zabezpieczenie urządzenia przed działaniem niskich temperatur. Sposobów nie brakuje. Są producenci którzy wskazuję że problem zagrożeń zamarzania monobloków ich nie dotyczy bo stosują bardzo zawansowane materiały izolacyjne i na terenie Europu problem dla nich nie istnieje. Najczęściej stosowane są metody przeciwzamrozeniowe dla pomp ciepłą typu monoblok oparte o zabezpieczenie elektryczne lub chemiczne. Są one najskuteczniejsze i najbezpieczniejsze. Istotne jest, aby zawsze skonsultować się z doświadczonym instalatorem przed wdrożeniem jakichkolwiek dodatkowych środków.

Źródła:

1. Rubik M.: Chłodnictwo i pompy ciepła. Wydanie III, Grupa MEDIUM, Warszawa 2023

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

3. https://strefainstalatora.pl/dobre-praktyki-instalatora/monoblokowa-pompa-ciepla-ochrona-przed-zamarzaniem/ (dostęp 06.2023r.)

4. https://www.hewalex.pl/wiedza/porady/pokaz-wszystkie/jak-zabezpieczyc-pompe-ciepla-monoblok-przed-zamarzaniem/ (dostęp 06.2023r.)

5. https://ecieplo.pl/abc-pomp-ciepla/zabezpieczenie-powietrznych-pomp-ciepla-typu-monoblok/ (dostęp 06.2023r.)

6. https://www.caleffi.com/poland/pl/blog/zabezpieczenie-powietrznych-pomp-ciepla (dostęp 06.2023r.)

7. https://www.caleffi.com/poland/pl/news/jak-ochronic-pompy-ciepla-przed-zamarzaniem (dostęp 06.2023r.)

8. https://forum.ovoenergy.com/my-smart-home-138/heat-pump-pipe-insulation-energy-efficiency-starts-with-the-pipes-9477 (dostęp 06.2023r.)