Co to jest pętla wodna z pompą ciepła (WLHP)

WHLP to skrót od Water Loop Heat Pump – czyli system grzania i chłodzenia dla budynków w oparciu o małe pompy ciepła. Ten system jest już znany na świecie od ponad 50 lat.

Układ WLHP (rys 1) składa się przede wszystkim ze źródła ciepła (np. kocioł gazowy), źródła „chłodu” (np. wieża chłodnicza) oraz małych pomp ciepła. Wszystkie te urządzenia znajdują się na jednej pętli – są wpięte w jeden układ. Pompy ciepła typu powietrze/woda transportują ciepło, lub chłód wygenerowane w pomieszczeniach do wody płynącej w pętli. W zależności od tego, czy pompa ma za zadanie obniżyć, czy podwyższyć temperaturę w pomieszczeniu, to odpowiednio dostarcza energii cieplnej do pętli, lub „chłodzi” tą wodę.

Układ ten jest zdecentralizowany – produkcja energii dla pomieszczenia znajduje się na miejscu i jest to przeciwieństwo systemów, gdzie ciepło/chłód jest wytwarzany centralnie, a rozprowadzany np. przez klimakonwektory. Jakie zadanie ma pętla wodna w tym systemie? Woda w pętli jest akumulatorem energii cieplno-chłodniczej. Jest źródłem dolnym, lub górnym dla pomp ciepła w zależności od ich trybu pracy. Podstawą jest, by temperatura czynnika była w tzw. kopercie pracy dla takiego układu.

Jak widzimy na rysunku 2 żeby układ działał stabilnie i właściwie temperatura musi być w odpowiednim zakresie (wykres dostarczany przez producentów pomp VRF). Najbardziej optymalne są temperatury od 18^oC do 32^oC. Żeby zachować temperatury zapewniające komfort pracy pomp cieplnych do układu pętli są instalowane np. kotły grzewcze, które dostarczają ciepło) oraz wieże chłodnicze (lub np. chillery) , które ochładzają czynnik w pętli. Temperatury w zakresie od 18^oC do 32^oC zapewnia stabilną pracę pomp ciepła w każdych warunkach.

Dystrybucja wody w systemie WLHP może opierać się na dwóch rodzajach. W pierwszym przypadku mamy układ dwururowy (rys 1a) – 2 rury (z zasilaniem i powrotem) oraz system jednorurowy (rys 1b) – jedna rura jest zasilaniem i powrotem dla całego układu. Zaletą systemu dwururowego jest to, że wszystkie pompy ciepła są zasilane wodą o tej samej temperaturze, natomiast w układzie jednorurowym woda zmienia temperaturę w zależności od pracy pomp w poszczególnych miejscach, co może doprowadzić do problemu w którym ostatni odbiornik może uzyskać temperaturę czynnika nie odpowiednią do pracy pompy ciepła (spoza „koperty pracy”). Wadą systemu dwururowego jest wymuszona praca pomp obiegowych – musi ona funkcjonować zawsze, niezależnie od tego ile pomp ciepła pracuje.

Jakie są zalety systemu WLHP i gdzie możemy szukać oszczędności w takich systemach?
Jak już wspomniano wyżej – energia do pomieszczeń jest generowana miejscowo w pompie ciepła, a nie centralnie. Dostarczamy odpowiednią ilość energii punktowo. Dodatkowo, jeżeli w budynku znajduje się wiele pomieszczeń o różnym przeznaczeniu, gdzie np. przez cały rok musimy utrzymywać niską temperaturę (np. serwerownie) lub wysoką temperaturę (np. łazienki) , to taki układ może pracować prawie bez dostarczania energii ze źródeł (kotłów czy wież chłodniczych). Taki układ jest idealny – ale wiadomo, że w praktyce mało realny. Dlatego zawsze przed realizacją takiego rozwiązania należy zrobić dokładny i szczegółowy bilans energetyczny budynku, by znać zapotrzebowanie na energię chłodniczą oraz cieplną. Najbardziej optymalny bilans to taki, w którym zapotrzebowanie na ciepło i chłód jest praktycznie takie same, dzięki czemu będziemy rzadko używali podstawowych źródeł. Należy się również zastanowić nad sensem izolacji systemu rurowego pętli – gdyż staramy się by energia pozostawała w budynku. Musimy też zapewnić odpowiednią pracę pomp ciepła, by ograniczyć czas pracy sprężarek, które również zużywają sporą ilość energii. Podstawą oszczędności jest odpowiednie równoważenie pracy instalacji – w tym również równoważenie oparte na utrzymywaniu stałej temperatury pomiędzy zasilaniem i powrotem do pompy ciepła (o tym dalej). Energia wygenerowana w jednym miejscu budynku może zostać dostarczona do innych pomieszczeń, które tej energii potrzebują.

Pompy ciepła. Jakie?
Podstawową do pracy w takim układzie powinny być pompy ciepła VRF. Na rynku znajduje się ich bardzo dużo. Poniżej pokazano przykład takich pomp od firmy LG (rys. 3) i Daikin (rys. 4).Praktycznie każdy większy producent pomp ciepła posiada w swoim katalogu pompy ciepła VRF. Ważne jest również to, by same pompy posiadały sprężarki inwerterowe o płynnie stopniowanej mocy oraz posiadały sygnał analogowy do płynnego sterowania zaworu regulacyjnego. Oczywiście nie ma potrzeby, by na każdy wymiennik zastosować jedną pompę – może być to układ zintegrowany, jak widzimy na rysunkach 3 i 4. Jedna pompa może obsłużyć kilka nawiewników – ważne, by w tych strefach zapotrzebowanie na energię było takie same.

Jak zwiększyć sprawność instalacji WLHP?
Dobrym pomysłem jest zastosowanie zaworu regulacyjnego dwudrogowego (rys. 5) lub trójdrogowego (rys. 6) z możliwością regulacji różnicą temperatury – takim jak np. zawór EnergyValve firmy Belimo. Czym charakteryzuje się taki zawór? Jest to zawór wyposażony w miernik przepływu oraz czujniki temperatury (do przewodu zasilającego i powrotnego). Zawór ma zintegrowany Webserwer (do łatwej komunikacji ze sterownikiem zaworu przy użyciu przeglądarki internetowej), możliwość sterowania przy użycia BMS lub sygnału analogowego. EnergValve, dzięki miernikowi przepływu oraz czujnikom temperatury, może funkcjonować jako licznik chłodu lub ciepła. W zależności od temperatur na instalacji zawór sam może wykryć czy ma funkcjonować jako zawór regulujący instalację cieplną, czy chłodniczą.

Dla układu jednorurowego najlepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie zaworu trójdrogowego, jak pokazano rys. 7. W tym układzie zawór EnergyValve jest montowany w obiegu mieszającym i jest sterowany z pompy ciepła zgodnie z charakterystyką liniową, niezależnie od ciśnienia i temperatury. Pompa obiegowa musi zapewnić minimalne ciśnienie do pracy układu. Zawór EnergyValve należy ustawić na maksymalną moc chłodzenia pompy ciepła, przepływy max i min ustawić zgodnie z kopertą pracy pompy, a regulator różnicy temperatur tak, aby uniknąć nadprzepływu, niezależnie od charakterystyki wymiennika woda/freon.

Dla układu dwururowego najlepiej zastosować zawór dwudrogowy EnergyValve, jak pokazano rys. 8. W tym układzie zawór EnergyValve pracuje w układzie dławiącym. Główna pompa obiegowa zasila wszystkie odbiorniki i jest kontrolowana ciśnieniem względem najdalszego odbiornika i zapewnia na nim minimalne ciśnienie efektywne. Sam zawór należy ustawić na sterowanie mocą i jego maksimum należy ustawić na maksymalną moc chłodzenia pompy. Przepływy należy (tak jak w przypadku instalacji jednorurowej) ustawić zgodnie z „kopertą pracy” pompy ciepła, a regulator różnicy temperatur tak, aby uniknąć nadprzepływu, niezależnie od charakterystyki wymiennika woda/freon.

Co daje nam użycie zaworu regulacyjnego z możliwością kontroli różnicy temperatur? Za pomocą licznika energii zaworu EnergyValve możemy łatwo analizować ilość energii przepływającej przez pętlę wodną (pobieraną i oddawaną) i porównywać ją z energią pobieraną z dodatkowych źródeł (kocioł i wieża chłodnicza). Różnica na korzyść energii wymienianej pomiędzy pętlą wodną a pompami ciepła wykaże, jak efektywny jest system sterowania mocą pomp ciepła oraz przewagę WLHP w spełnianiu potrzeb energetycznych pomieszczeń. Kontrola różnic temperatur na wejściach i wyjściach do pomp ciepła pozwoli nam zapewnić odpowiednią temperaturę dla pracy tych pomp (praca w „kopercie temperatur”). Natomiast dzięki regulacji mocą nie będziemy do którejś z pomp przesyłali zbyt dużej ilości czynnika, co mogłoby prowadzić do rozregulowania pracy układu i niepotrzebnej dodatkowej pracy źródła ciepła lub chłodu, generowałaby dodatkowe (i niepotrzebne) zużycie energii. Wszystko to składa się na jeszcze bardziej efektywną pracę układu WLHP, która w powiązaniu z panelami fotowoltaicznymi może spowodować, że taki budynek będzie pracował praktycznie w systemie zero emisyjnym. WLHP może być odpowiedzią dla coraz bardziej rygorystycznych norm emisyjnych wprowadzanych przez Unię Europejską. Dzięki WLHP budynek może praktycznie samemu zapewniać sobie energię potrzebną do utrzymywania komfortu cieplnego.