Polski Instalator - Termostaty w instalacji z pompą ciepła. Czy warto je stosować i w jakiej konfiguracji? Analiza pracy pompy ciepła w instalacji wyposażonej w termostaty

Działanie termostatu
Termostat jest elementem automatyki w instalacji grzewczej, który odpowiada za kontrolę temperatury w pomieszczeniach. Ustawiana jest na nim temperatura zadana – na przykład 22^o C oraz histereza jego ponownego zadziałania – przykładowo 0,5^oC. Działanie takiego termostatu będzie polegało na zezwoleniu na podawanie ciepła ze źródła ciepła tak długo, aż zostanie osiągnięta zadana temperatura pomieszczenia.

Następnie dostarczanie ciepła zostaje odcięte (przez zamknięcie zaworu/wyłączenie pompy obiegowej obiegu/wyłączenie całego źródła ciepła) lub, ewentualnie, dostarczanie ciepła zostaje ograniczone (jeżeli mamy na przykład obieg z zaworem mieszającym i możemy obniżyć temperaturę zadaną na zaworze), czyli nadal dostarczać ciepło, ale w mniejszej ilości. Ponowna aktywacja sygnału termostatu (ponowna potrzeba grzania), nastąpi wtedy gdy temperatura w pomieszczeniu obniży się według przykładu o 0,5o C, zatem wyniesie 21,5^o C.

Termostaty mogą występować w wersji przewodowej i bezprzewodowej. Wersja przewodowa wymaga doprowadzenia przewodu od miejsca montażu termostatu do urządzenia grzewczego, natomiast wersja bezprzewodowa, jak pokazano przykładowo na Rysunku 1, składa się z nadajnika i odbiornika. Informacja w takim przypadku przesyłana jest bezprzewodowo. Element mierzący temperaturę (zasilany bateryjnie) umieszcza się w pomieszczeniu, natomiast odbiornik podłącza się przewodem do urządzenia grzewczego w maszynowni.

Spotyka się też pojęcia jak NO (z angielskiego „normally open” – normalnie otwarty), NC (z angielskiego „normally colsed” – normalnie zamknięty), albo NO/NC. Jeżeli termostat oznaczony jest jako NO, to znaczy że w normalnej pozycji jest on otwarty, a po załączeniu sygnału do grzania zamyka obwód. NC na odwrót, normalnie jest w pozycji zamkniętej i otwiera obwód w momencie potrzeby grzania. NO/NC to wersje, w których w zależności od podłączenia uzyskamy wersję NO lub NC. To, jaką wersję będziemy potrzebować, należy zweryfikować w dokumentacji urządzenia do którego chcemy się podłączyć. Zależy to już od tego, jak skonstruowana jest elektronika i algorytm danego urządzenia.

Na rynku dostępne są termostaty proste, które mają możliwość ustawienia tylko jednej temperatury zadanej, ale są też wersje z bardziej zaawansowanymi możliwościami, na przykład ustawialnym harmonogramem temperatury zadanej, albo opcją innej zadanej temperatury w dzień i innej w nocy.

Przykłady użycia termostatu w instalacji grzewczej
Na Rysunku 2 pokazano przykładowy, poglądowy schemat instalacji grzewczej z pompą ciepła powietrze-woda. Termostat, w zależności od możliwości urządzenia grzewczego i zastosowanych rozwiązań, może w różny sposób współpracować z instalacją grzewczą, dostępne opcje i możliwości zawsze trzeba skonsultować z instalatorem, który dokładnie zna budowę instalacji grzewczej i automatykę źródła ciepła. Nieumiejętne zastosowanie termostatów może być przyczyną problemów z pracą urządzenia grzewczego, czy też wpływać negatywnie na jego żywotność, nie warto zatem bez pełnej analizy instalacji z instalatorem działać na własną rękę. Przykładowe możliwości współpracy termostatu z pompą ciepła to (odpowiadające numery umieszczono na Rysunku 2):

Termostat wyłącza całe urządzenie grzewcze po osiągnięciu temperatury zadanej;
Termostat wyłącza pompę obiegową obiegu po osiągnięciu temperatury zadanej w pomieszczeniu. W przypadku instalacji z Rysunku 2 mogłyby być przykładowo zastosowane dwa termostaty wyłączające pompę obiegu, dla każdej pompy obiegowej oddzielny termostat;
Termostat zamyka lub tylko częściowo przymyka zawór mieszający obiegu po osiągnięciu temperatury zadanej, natomiast pompa obiegu nadal pracuje;
Termostat powiązany jest z daną pętlą ogrzewania podłogowego i po osiągnięciu zadanej temperatury pomieszczenia zamyka pętlę przy użyciu siłownika (Rysunek 3). Dla pełnej kontroli wszystkich pętli ogrzewania podłogowego mogą być zastosowane siłowniki na każdej pętli w rozdzielaczu (Rysunek 4);
Termostat powiązany z danym grzejnikiem, który po osiągnięciu temperatury zadanej zamyka głowicę na danym grzejniku (Rysunek 5). Są też dostępne wersje głowic grzejnikowych, gdzie pomiar temperatury pomieszczenia jest realizowany przez czujnik w głowicy (Rysunek 6), są to tańsze rozwiązania, jednak mają większy błąd pomiaru.

Podsumowując, mamy wiele możliwości udoskonalania naszej instalacji grzewczej, wszystko zależy od naszych potrzeb, czy chcemy wyregulować temperaturę tylko w jednym pomieszczeniu, czy dla całego piętra, czy dla każdego obiegu oddzielnie, czy może budynku jako całości. Przy umiejscowieniu termostatu w pomieszczeniu należy zwrócić uwagę na ekspozycję na słońce, by pomiary nie były przekłamane; do montażu termostatu trzeba wybrać miejsce reprezentatywne temperaturowo. Każde z rozwiązań z użyciem termostatów ma swoją specyfikę, dlatego też należy je przeanalizować z instalatorem, uwzględniając budowę instalacji grzewczej.

Instalacja grzewcza bez termostatów
Większość instalacji grzewczych, zwłaszcza w starszych budynkach, nie jest wyposażona w rozbudowaną automatykę z termostatami, a jednak zapewniony jest w nich również komfort użytkowników na akceptowalnym poziomie (choć na pewno nie na takim jak w budynku z zaawansowaną automatyką). Użytkownicy prostych instalacji grzewczych mogą poprawiać komfort w pomieszczeniach jedynie przez ręczne przykręcanie głowic grzejnikowych, czy też ręczną regulację przepływów w danej pętli ogrzewania. Przykładowo dla łazienki ustawia się większy przepływ, a dla sypialni mniejszy, żeby tam dostarczane było mniej ciepła. W przypadku kotłów stałopalnych, w związku z małymi możliwościami sterowania w starszych domach, często pomieszczenia mieszkalne są przegrzewane. Przy bardziej nowoczesnych urządzeniach grzewczych, takich jak kotły gazowe i pompy ciepła, ratunkiem dla instalacji bez termostatów jest również umiejętne ustawienie krzywej grzewczej. Krzywa grzewcza to nic innego jak charakterystyka zależności temperatury wyjściowej medium grzewczego ze źródła ciepła w zależności od temperatury zewnętrznej (Rysunek 7) – im niższa temperatura zewnętrza, tym wyższa temperatura medium grzewczego podawana jest na odbiorniki ciepła. Przy korzystaniu w krzywej grzewczej ryzyko przegrzewania pomieszczeń jest mniejsze, jednak jej dopasowanie do budynku wymaga pracy instalatora/użytkownika i jest czasochłonne. Pierwsza krzywa grzewcza ustawiona jest przez instalatora niejako na wyczucie według jego doświadczenia, a później często trzeba ją skorygować w czasie pierwszego sezonu grzewczego. Ważne, by instalator poinstruował użytkownika jak dokonywać korekt krzywej. Najczęściej w budynkach bez termostatów stosuje się połączenie ręcznej regulacji przepływów wraz z zastosowaniem właśnie krzywej grzewczej.

Praca pompy ciepła bez termostatów
Przy ogrzewaniu pompą ciepła nie jest konieczne korzystanie z termostatów, czasem nawet jest ono odradzane przez instalatorów, zwłaszcza dla inwerterowych pomp ciepła z modulowaną mocą grzewczą, czyli urządzeń, które mogą dopasowywać moc grzewczą do zapotrzebowania budynku na ciepło. Jednak nie można uznać, że przy urządzeniach grzewczych z modulacją mocy grzewczej termostatów nie można stosować – można, jak najbardziej, tylko umiejętnie, tak by nie miały one negatywnego wpływu na urządzenie grzewcze. Na Wykresie 1 przedstawiono pracę pompy ciepła powietrze-woda pracującej na cele tylko centralnego ogrzewania. Dane pochodzą z końca listopada, czyli okresu zimowego, gdy pompa ciepła przez całą dobę może równomiernie pracować bez wyłączeń, bo pozwala na to modulacja mocy. Taką właśnie sytuację można zaobserwować na Wykresie 1. Początkowo, po załączeniu, pompa ciepła pobiera większe ilości energii, bo jest daleko od zadanej temperatury wody w obiegu. Po upływie pewnego czasu poziom pobieranej energii elektrycznej obniża się i pompa ciepła pracuje równomiernie.

Pompa ciepła w tym przykładzie generuje dokładnie tyle mocy grzewczej ile budynek potrzebuje na pokrycie strat ciepła – pracuje wg zadanej temperatury wody w obiegu. Zadana ta może być temperaturą ustawioną stałą, na przykład 30, albo temperaturą wynikającą z krzywej grzewczej.

Kolejny wykres – Wykres 2 – przedstawia pracę pompy ciepła, również bez użycia termostatów, ale już przy realizacji ogrzewania budynku i wody użytkowej. Tutaj widać na wykresie, że na cele centralnego ogrzewania pompa ciepła pracuje równomiernie, a wzrosty poborów energii wynikają z cykli dogrzewania zbiornika ciepłej wody użytkowej (dwa w ciągu doby). Po realizacji ogrzewania wody użytkowej widoczna jest też przerwa w pracy urządzenia.

Wykres 3 przedstawia zmiany temperatur w pomieszczeniu podczas pracy pompy ciepła przedstawionej na Wykresie 2. Termostat w tym przypadku nie jest stosowany, nie ogranicza grzania, a temperatura w pomieszczeniu waha się w okolicy oczekiwanych komfortowych temperatur, jednak nie jest utrzymywana na jakimś stałym ustalonym poziomie, waha się w okolicach 22,5. Jeżeli domownicy skarżyliby się na przegrzewanie, bądź niedogrzewanie pomieszczeń, to jedynym sposobem jest dokonanie zmian w ustawionej zadanej temperaturze dla pompy ciepła (stałej albo według krzywej), lub zmiany w przepływach medium grzewczego dla poszczególnych pomieszczeń.

Podsumowując rozwiązanie bez stosowania termostatów, charakteryzuje się ono następującymi cechami:

Brak dokładnej kontroli nad temperaturą w pomieszczeniach;
Konieczność jak najbardziej idealnego dopasowania krzywej grzewczej i przepływów na odbiornikach/pętlach ogrzewania podłogowego dla uzyskania komfortu użytkowników. Zadanie może wymagać uwagi i czasu od użytkownika i instalatora;
Rozwiązanie nie wymaga poniesienia dodatkowych kosztów;
Nie ma przerw w ogrzewaniu, co dobrze odbierają domownicy;
Uzyskuje się swobodną pracę urządzenia grzewczego o modulowanej mocy grzewczej, w pełni wykorzystuje się możliwości modulacyjne. Ma to pozytywny wpływ na żywotność urządzenia;
Przy braku termostatu urządzenie grzewcze pracuje na możliwie najniższych temperaturach zasilania, które pozwolą na uzyskanie odpowiedniej temperatury w budynku, tak, by pomieszczeń nie przegrzewać. W ten sposób uzyskujemy możliwie najwyższe COP (efektywność) pracy pompy ciepła.

Praca pompy ciepła z termostatem ogólnym dla całego domu
Przy wyborze jednego termostatu regulującego dla całego budynku, w zależności od możliwości automatyki i instalacji, może on wpływać na pracę urządzenia grzewczego – czyli je wyłączać, lub mieć wpływ tylko na pompę obiegową obiegu grzewczego. W drugim rozwiązaniu pompa ciepła ma za zadanie utrzymywać zadaną temperaturę w buforze, a rozbiór tegiepła z bufora będzie następował lub nie, w zależności od sygnału z termostatu. Możliwość korzystania z danego rozwiązania zależy od funkcjonalności zastosowanej automatyki. W przypadku, gdy termostat wyłącza grzanie (urządzenia bądź całego systemu grzewczego) tak naprawdę nie korzystamy w pełni z możliwości modulacyjnych urządzenia grzewczego. Praca inwerterowej pompy ciepła wtedy wygląda następująco: grzeje, próbuje modulować, aż termostat wyłączy grzanie na jakiś czas po którym znowu urządzenie grzewcze musi wystartować z większą mocą by nadrobić straty, które powstały podczas przerwy w ogrzewaniu. O ile te przerwy są dość długie (Wykres 4), to nie ma to niekorzystnego wpływu na żywotność urządzenia, ale jeżeli pomiędzy przerwą a ponownym startem czas się skraca (Wykres 5), to wprowadza tzęste załączenia pompy ciepła, niekorzystne dla jej żywotności eksploatacyjnej. Dłuższe przerwy pracy będą występowały w okresie przejściowym, gdy straty w budynku nie są duże (Wykres 4), a krótkie przerwy i częste załączenia będą występowały w okresie niższych temperatury, gdy straty z budynku są większe (Wykres 5). Praca pompy ciepła z ogólnym jednym termostatem przy niskich temperaturach zewnętrznych staje się bardziej chaotyczna (Wykres 5), w porównaniu do pracy bez termostatu (Wykres 1).

Analizując temperaturę powietrza w pomieszczeniu przy pracy z termostatem na Wykresie 6 widać, że idealnie termostat wypełnia swoją rolę – utrzymuje temperaturę w pomieszczeniach zgodnie z wartością zadaną, uwzględniając histerezę. Małe odchyłki wskazań poza histerezę wynikają z bezwładności systemu ogrzewania, to znaczy: gdy przestaniemy grzać, temperatura w pomieszczeniu może jeszcze nieznacznie wzrosnąć, podobnie, gdy zajdzie ponowna potrzeba grzania i urządzenie grzewcze rozpocznie proces ogrzewania, to jeszcze nieznacznie temperatura w pomieszczeniu może spaść. Jednak widać wyraźnie na Wykresie 6, że utrzymywana jest ona na zadanym poziomie, zdecydowanie bardziej, niż to było w przypadku wskazań z Wykresu 3 – pracy bez termostatu.

Stosowanie ogólnego termostatu dla całego budynku nie będzie skutkowało idealną temperaturą w każdym pomieszczeniu. Wtedy cały system grzewczy działa według wskazań jednego termostatu, mierzącego temperaturę tylko w jedynym pomieszczeniu – to niejako wada takiego rozwiązania, dlatego miejsce pomiaru musi być jak najbardziej reprezentatywne temperaturowo dla całego budynku. By ograniczać ilość włączeń urządzenia grzewczego przy zastosowaniu termostatu instalator również powinien odpowiednio dobrać ustawienia krzywej grzewczej i przepływy dla danych odbiorników ciepła/pętli ogrzewania podłogowego, nie może też stosować zbyt małej histerezy zadziałania termostatu.

Podsumowując, rozwiązanie z jednym termostatem dla całego budynku charakteryzuje się następującymi cechami:

Pracą systemu według temperatury mierzonej na jednym czujniku temperatury, brak kontroli nad temperaturą w pozostałych pomieszczeniach;
Konieczność umieszczenia termostatu w miejscu, jak najbardziej reprezentatywnym temperaturowo dla całego budynku;
Przerwy w ogrzewaniu mogą być odczuwalne dla domowników;
Termostat może wpływać negatywnie na pracę pompy ciepła i jej żywotność, zwłaszcza przy niskich temperaturach zewnętrznych i zastosowaniu małej histerezy;
Przy ogrzewaniu z termostatem zazwyczaj konieczne jest ustawienie nieco wyższej krzywej grzewczej, niż przy pracy bez termostatu, by szybciej odczuwać ciepło w pomieszczeniach po załączeniu urządzenia – tracimy w ten sposób na COP (efektywności) pracy pompy ciepła.

Praca pompy ciepła z termostatami dla każdego pomieszczenia w budynku
Praca pompy ciepła z termostatami dla każdego pomieszczenia w budynku pozwala na najbardziej precyzyjną regulację temperatury w pomieszczeniach, jednak należy zwrócić uwagę na kilka aspektów. Stosując termostaty dla każdego pomieszczenia można to wykonać na dwa sposoby:

Termostaty połączone z automatyką pompy ciepła – wtedy, gdy którykolwiek termostat zgłosi potrzebę grzania, to załączy się urządzenie grzewcze i zacznie być dogrzewane wybrane pomieszczenie. Rozwiązanie nie jest polecane dla pompy ciepła, może skutkować bardzo niekorzystną pracą urządzenia, zatem nie jest stosowane.
Termostaty połączone tylko z zaworami grzejnikowymi i siłownikami dla pętli ogrzewania podłogowego, czyli nie mają wpływu bezpośrednio na urządzenie grzewcze. W tym drugim przypadku pompa ciepła utrzymuje zadaną temperaturę w obiegu pompy ciepła/ buforze, a odbiór ciepła jest regulowany już przy odbiornikach ciepła.

Drugie rozwiązanie może być stosowane w instalacji z pompą ciepła, ale też niesie ze sobą pewne zagrożenia, zależy to od budowy instalacji. W przypadku tego rozwiązania, w zależności od rodzaju instalacji, powinna ona być wyposażona w większy zbiornik buforowy, czasem w zawór upustowo-różnicowy, wszystko po to, by uniknąć problemów eksploatacyjnych pomp ciepła: problemów z przepływem, zbyt małym zładem wody w układzie, problemów z wystarczającą ilością ciepła potrzebnego do przeprowadzenia odszraniania pompy ciepła powietrze-woda, zbyt częstymi załączeniami pompy ciepła, nierównomierną jej pracą. Aby przybliżyć problem opiszę przykładową sytuację. W budynku, gdzie zastosowano pełną automatykę z termostatami mamy sytuację, że wszystkie odbiorniki ciepła są zamknięte i zaszła potrzeba odszraniania pompy ciepła – wtedy może być problem z jego realizacją. Pompa ciepła może mieć również problemy z osiągnięciem przepływu – termostaty mogą nawet zupełnie zablokować przepływ medium grzewczego, stąd potrzeba stosowania w niektórych instalacjach zaworów upustowo- -różnicowych. Stosowanie bufora podłączonego równolegle również ochroni przed problemem z przepływem, ale czy ochroni pod kątem odszraniania, to już zależy od jego pojemności. Dlatego ważne by na własną rękę nie stosować pewnych rozwiązań, ale robić to zawsze po konsultacji z instalatorem znającym specyfikę i możliwości danej instalacji.

Podsumowując, stosowanie termostatów dla każdego pomieszczenia charakteryzuje się następującymi cechami:

Precyzyjna kontrola temperatury w każdym pomieszczeniu;
Wysokie koszty zakupu pełnej automatyki sterującej;
Termostaty mogą wpływać negatywnie na pracę pompy ciepła, nawet uniemożliwić jej pracę, należy je rozważnie stosować po konsultacji z instalatorem.

Praca pompy ciepła z termostatami dla wybranych pomieszczeń w budynku
Użycie termostatów dla wybranych pomieszczeń jest tak zwanym złotym środkiem, gdyż mamy zapewnioną precyzyjną kontrolę nad niektórymi pomieszczeniami, a pozostałe pomieszczenia pracują bez termostatów, co zapewnia uniknięcie problemów z działaniem pompy ciepła. W tym przypadku termostaty nie są łączone bezpośrednio z urządzeniem grzewczym, a tylko z poszczególnymi odbiornikami ciepła/pętlami ogrzewania. Przykładowym rozwiązaniem może być zastosowanie termostatów tylko dla pomieszczeń typu: sypialnie, garderoba, salon, kuchnia, a pozostawienie bez termostatów pomieszczeń typu: łazienki, korytarze, pralnia. W ten sposób pomieszczenia, w których chcemy bardziej precyzyjnie regulować temperaturę, będą ją miały utrzymaną, natomiast pozostałe pomieszczenia mają dostarczone ciepło stale i zapewniają optymalną, swobodną pracę pompy ciepła. Oczywiście żeby pomieszczenia bez termostatów nie były przegrzewane, to również należy zadbać o odpowiednie ustawienia krzywej grzewczej i przepływów na odbiornikach ciepła. Najczęściej instalatorzy sugerują właśnie to rozwiązanie, które nie będzie miało negatywnego wpływu na urządzenie grzewcze, a jednocześnie zapewni odpowiedni komfort w budynku.

Rozwiązania z autoadaptacją
Dobrą praktyką jest również stosowanie rozwiązań z autoadaptacją polegających nie na odcięciu ciepła po osiągnięciu temperatury zadanej w pomieszczeniu, a jedynie ograniczaniu dostarczania ciepła. Możliwe jest to właśnie przez zmianę wartości zadanej na zaworze mieszającym (Rysunek 2 pkt 3) czyli przymknięcie zaworu, albo stosowanie zaworów grzejnikowych/siłowników ogrzewania podłogowego pozwalających na pozostawienie pewnego minimalnego przepływu medium grzewczego. Wtedy, po uzyskaniu sygnału z termostatu o dogrzaniu pomieszczenia, nie zachodzi odłączenie ogrzewania tego pomieszczenia, a jedynie ograniczenie dostarczanegiepła, na przykład przymknięcie zaworu grzejnikowego. Rozwiązanie to godzi potrzeby pompy ciepła jako urządzenia i użytkowników, choć już nie jest to tak precyzyjna regulacja, jak przy standardowym termostacie (Wykres 6).