Polski Instalator - Przygotowanie do montażu pompy ciepła powietrznej i gruntowej

Rodzaje stosowanych czynników chłodniczych w pompach ciepła
Przygotowując się do montażu pompy ciepła – zarówno powietrznej, jak i gruntowej – warto zwrócić uwagę na zastosowany w nich czynnik chłodniczy i napełnienie układu chłodniczego. Należy wiedzieć, że pewne urządzenia chłodnicze w zależności od rodzaju czynnika chłodniczego, napełnienia i hermetyczności układu kwalifikują się do rejestracji w CRO (Centralnym Rejestrze Operatorów), a z tego wynikają pewne obowiązki, jak na przykład specjalne okresowe przeglądy. Warto śledzić aktualne wytyczne dla użytkowników urządzeń chłodniczych, bo takim właśnie urządzeniem jest pompa ciepła. Jako czynniki robocze w pompach ciepła używane są na przykład R32, R410A, R290 (propan).

Wybierając przykładowo jednostkę napełnioną propanem, warto wiedzieć, że będzie konieczne zastosowanie się do wymogów strefy ochronnej zapewniającej bezpieczeństwo korzystania z urządzenia. Każdy z czynników chłodniczych ma inne wartości współczynników GWP (wpływ na globalne ocieplenie) i ODP (wpływ na zubożenie warstwy ozonowej), warto zorientować się w prawodawstwie, czy nie są planowane do wdrożenia jakieś ograniczenia względem stosowania danego czynnika. Z pewnością instalator, czy producent urządzenia będzie pomocny w zakresie udzielenia informacji w tym zakresie, ale warto wiedzieć, że należy to zweryfikować.

Rodzaje pomp ciepła typu powietrze-woda i miejsce montażu jednostki zewnętrznej
Przygotowując się do montażu pompy ciepła typu powietrze-woda inwestor musi zdecydować, czy decyduje się na montaż pompy ciepła w wersji split, czy monoblok (Rysunek 1). Wersja split to pompa ciepła składająca się z jednostki zewnętrznej i wewnętrznej, a pomiędzy jednostkami krąży czynnik chłodniczy. W przypadku takich jednostek trzeba dokonać położenia ścieżki chłodniczej, dokładnie tak, jak w przypadku klimatyzatorów. Ścieżka chłodnicza to rura miedziana izolowana dedykowana do takich rozwiązań. W związku z tym, że podczas jej montażu instalator musi ingerować w układ czynnika chłodniczego (urządzenie jest niehermetyczne) to musi on posiadać odpowiednie uprawnienia do zakupu i montażu tego typu pompy ciepła: uprawnienia f-gazowe. W pompach ciepła typu split w jednostce zewnętrznej znajduje się parownik i sprężarka, natomiast w wewnętrznej skraplacz pompy ciepła.

W przypadku pomp ciepła typu monoblok całość układu chłodniczego znajduje się na zewnątrz. Jest to urządzenie hermetyczne, podczas jego montażu instalator nie ingeruje w układ chłodniczy, nie musi on posiadać dodatkowych uprawnień f-gazowych. Pod tym kątem montaż wersji monoblok jest mniej skomplikowany. W przypadku monoblokowej pompy ciepła pomiędzy jednostką zewnętrzną pompy ciepła, a resztą instalacji znajdującą się wewnątrz budynku, krąży woda lub glikol. Tutaj poruszamy ważną kwestię w przypadku wersji monoblokowej – problem z zamarznięciem wody w przypadku braku dostaw prądu lub awarii jednostki. Jeżeli inwestor zdecyduje się na zastosowanie glikolu (płynu niezamarzającego) o odpowiednim stężeniu, to zabezpieczy się przed tymi sytuacjami, jednak stosowanie glikolu ma też negatywny wpływ na efektywność pracy urządzenia. Stosując wodę jako medium grzewcze nie stracimy na efektywności, ale konieczne jest zastosowanie zabezpieczenia antyzamrożeniowego. Tutaj instalator zarekomenduje jakieś rozwiązanie w zależności od tego co sugerowane jest przez producenta (należy tu zweryfikować wymagania pod kątem gwarancyjnym). Rodzaje zabezpieczeń przeciwzamrożeniowych stosowanych na rynku przez instalatorów to zawory antyzamarzaniowe upuszczające wodę, dodatkowe pompy obiegowe by-pass w zestawie przeciwzamrożeniowym, awaryjne UPS – podtrzymujące pracę pompy obiegowej w pompie ciepła w razie awarii zasilania. Każde z rozwiązań ma swoją specyfikę i należy je dobrać odpowiednio z instalatorem zgodnie z wytycznymi producenta pompy ciepła.

Warto zauważyć, że nie wszyscy producenci posiadają jednostki w wersji split i monoblok, niektórzy oferują tylko wersję monoblok, czasem może to być warunkowane zastosowanym czynnikiem chłodniczym. Przykładowo pompy ciepła napełnione propanem występują obecnie na rynku tylko w wersji z monoblok, wynika to z obostrzeń prawnych związanych z tym czynnikiem chłodniczym.

Przy montażu pompy ciepła powietrze-woda należy uwzględnić również:

Wymagania dla fundamentu czy wsporników montażowych, rozstaw śrub montażowych przed przygotowaniem fundamentu,
Narażenie jednostki zewnętrznej na słońce, które może zaburzać odczyty temperatury zewnętrznej pompy ciepła pracującej według krzywej grzewczej,
Wymogi odległości jednostki zewnętrznej od ściany, czy od boków i przodu urządzenia, minimalną wymaganą odległość od gruntu,
Aspekty akustyczne,
Lokalizację pozostałych elementów maszynowni w budynku, czyli zbiornika ciepłej wody użytkowej czy buforowego (producenci pomp ciepła w dokumentacji określają maksymalne odległości pomiędzy jednostką zewnętrzną, a maszynownią, czy też minimalną/maksymalną długość ścieżki gazowej w przypadku wersji split),
Sposób odprowadzenia skroplin – czy przewidujemy odprowadzenie skroplin do podłoża żwirowego, czy do rury odpływowej, należy zawsze weryfikować wytyczne producenta wybranej pompy ciepła.

Często inwestorzy rozważają możliwość chłodzenia pompą ciepła. Zatem pompy ciepła powietrzne, jeżeli posiadają taką możliwość, to jest to chłodzenie aktywne, czyli z koniecznością pracy kompresora. Zazwyczaj funkcja chłodzenia aktywnego nie zwiększa kosztów inwestycyjnych przy zakupie powietrznej pompy ciepła, jednakże instalacja w budynku musi zostać przystosowana do realizacji chłodzenia.

Rodzaje pomp ciepła typu ziemia-woda
Pompy ciepła gruntowe występują głównie z pośrednim wymiennikiem glikolowym (Rysunek 4). W większości instalacji spotyka się formę wymiennika pionowego – odwiertów o głębokości ok. 80–100 m, lub wymiennika poziomego w postaci meandrycznej lub spiralnej. Wymiennik poziomy układa się poniżej strefy przemarzania gruntu, zazwyczaj około 1,2–1,5 m pod powierzchnią ziemi. Odwierty są inwestycyjnie nieco droższym rozwiązaniem, ale umożliwiającym chłodzenie pasywne, charakteryzującym się nieco wyższą wydajnością i wymagającym mniejszej powierzchni terenu do ich wykonania. Wymiennik poziomy wymaga dostępności sporego areału gruntu, który potem musi być pokryty trawą lub roślinami o płytkim systemie korzeniowym, zatem decydując się na to rozwiązanie musimy liczyć się z pewnymi ograniczeniami korzystania z naszej działki. Przy wyborze wymiennika pionowego konieczne jest dopełnienie większej ilości formalności, sporządzenie projektu geologicznego i dokumentacji powykonawczej geologicznej. Główna przeszkoda w wyborze gruntowej pompy ciepła to brak wystarczającego miejsca na wykonanie wymiennika gruntowego. Nie na każdym terenie jest też możliwe wykonanie odwiertów, bądź wymiennika poziomego, zatem gruntowa pompa ciepła ma pewne ograniczenia co do stosowania ze względu na potrzebę wykorzystania terenu wokół budynku.

Przykładowy wymiennik poziomy dla pompy ciepła o mocy grzewczej 10kW będzie musiał mieć powierzchnię ok. 380m², przy założeniu odbioru ciepła z gruntu 20W/m² – to jakie będą możliwości cieplne gruntu zależy od jego rodzaju i wilgotności i ocenia to instalator. W przypadku odwiertów dla pompy ciepła o mocy grzewczej 10kW potrzebne będą dwa odwierty po ok. 96 m–100 m, przy założeniu wydajności cieplnej wymiennika pionowego 40W/m – zdolności cieplne dla wymiennika pionowego określa geolog w projekcie geologicznym uwzględniając profil gruntu na danym terenie.

Zaletami gruntowej pompy ciepła jest wyższe SCOP (sezonowa efektywność pracy), brak hałasu wentylatora, brak narażenia na warunki zewnętrzne. Wartości SCOP dla pompy ciepła powietrznej wynoszą zazwyczaj: ok. 3–4,5. Natomiast wartości SCOP dla gruntowej pompy ciepła wynoszą: ok. 3,5–5. Wybór gruntowej pompy ciepła będzie się zatem wiązał dla inwestora z wyższymi kosztami inwestycji, ale mniejszymi eksploatacyjnymi. Wyższe SCOP pracy dla pompy gruntowej wynika z wyższej średniej temperatury glikolu w stosunku do temperatury powietrza zewnętrznego, które jest dolnym źródłem powietrznych pomp ciepła.

Przy montażu gruntowej pompy ciepła należy uwzględnić, że znajduje się ona wewnątrz budynku i w związku z pracą kompresora będzie generować w budynku pewien hałas. Nie zaleca się montażu na przykład tuż za ścianą sypialni, należy tak wybrać miejsce montażu, by unikać efektów akustycznych niekomfortowych dla użytkowników. W zależności od zastosowanego czynnika chłodniczego mogą być też narzucone pewne minimalne kubatury dla pomieszczenia kotłowni.

Dla pompy ciepła gruntowej ważnym aspektem jest możliwość chłodzenia latem. Spotyka się dwa rodzaje chłodzenia w pompach gruntowych: pasywne i aktywne. Chłodzenie aktywne w pompach ciepła typu ziemia-woda nie jest powszechnie proponowane przez producentów, ale już pasywne jak najbardziej. Pasywne chłodzenie polega na oddawaniu ciepła tylko przy użyciu wymiennika płytowego, gdzie woda z systemu grzewczego oddaje ciepło do glikolu, a dalej glikol do gruntu – ten rodzaj chłodzenia ma ograniczoną wydajność, ale do jego realizacji potrzebny jest tylko prąd do zasilenia pomp obiegowych. Chłodzenie aktywne polega na wykorzystaniu układu chłodniczego, który musi być w takim przypadku obiegiem odwracalnym. Chłodzenie aktywne ma większą wydajność chłodniczą, ale pobierana jest wtedy większa ilość energii potrzebna również do napędu kompresora. Funkcja chłodzenia w gruntowej pompie ciepła jest jednak opcjonalna, zazwyczaj wiąże się z poniesieniem dodatkowych kosztów inwestycyjnych, w praktyce większość instalacji działa tylko na potrzeby ogrzewania.

Chłodzenie pompą ciepła
Często inwestorzy interesują się zagadnieniem chłodzenia pompą ciepła, jednak w praktyce, gdy poznają wszystkie problemy i utrudnienia z tym związane, wybierają zazwyczaj oddzielny system klimatyzacji. Chłodzenie pompą ciepła to zawsze chłodzenie pośrednie, gdyż najpierw chłodzimy wodę, która dopiero później odbierze ciepło z powietrza w pomieszczeniu. Chłodzenie typowym klimatyzatorem ma większą wydajność, bo jest chłodzeniem bezpośrednim, czyli bezpośrednio odbierane jest ciepło z powietrza w pomieszczeniu. Stąd klimatyzator będzie bardziej oszczędny w realizacji funkcji chłodzenia i szybciej uzyskamy efekty chłodu miejscowo w danym pomieszczeniu.

Dużym utrudnieniem przy chłodzeniu jest to, że odbiorniki ciepła muszą być przystosowane też do chłodzenia. Do celów chłodzenia używa się klimakonwektorów, chłodzenie grzejnikami nie jest możliwie, a chłodzenie systemem podłogowym ma pewne wady: bardzo ograniczoną wydajność, dużą bezwładność i niesie za sobą zagrożenie wykroplenia się wody na podłodze, a przez to i uszkodzenia pokrycia podłogowego.

Pompa ciepła inwerterowa czy on-off?
Przygotowując się do zakupu pompy ciepła napotkamy na pojęcia inwerterowej pompy ciepła i on/off, czy też włącz/wyłącz. Większość powietrznych pomp ciepła to obecnie na rynku już pompy ciepła inwerterowe, które mają możliwość modulacji mocy grzewczej, czyli dopasowania się do potrzeb budynku. Gruntowe pompy ciepła to obecnie na rynku w większości urządzenia on/off, czyli jednostki, które nie mają możliwości modulacji mocy grzewczej. Stosowanie pompy ciepła on/off wymusza zazwyczaj stosowanie też większych zbiorników buforowych, czy większego zbiornika na ciepłą wodę użytkową. Pompa ciepła inwerterowa będzie pracować nam około 4000 godzin na rok, ze względu na pracę na tych pośrednich mocach grzewczych. W okresie zimowym może pracować dłuższe okresy czasu bez przerwy. Pompa ciepła on/off pracuje rocznie około 2000 godzin, bo jej specyfika pracy jest inna, dogrzewa medium grzewcze do zadanej wartości i wyłącza się, bo nie jest w stanie zmodulować mocy grzewczej na niższy poziom.

Aspekty hydrauliczne i czystość instalacji
W przypadku pomp ciepła konieczne jest zapewnienie odpowiedniego przepływu medium grzewczego przez skraplacz pompy ciepła. Dlatego ważne są odpowiednie średnice rur transportujących medium grzewcze, które są określane przez producentów urządzenia, w przypadku pomp ciepła split również odpowiednie średnice rur miedzianych chłodniczych. Konieczne jest także odpowiednie zaizolowanie rurociągów, aby zabezpieczyć się przed wykropleniem wody na ich powierzchni w przypadku rurociągów transportujących np. glikol, ale również by unikać wszelkich strat ciepła wygenerowanego przez pompę ciepła. W przypadku pomp ciepła powietrznych, które montowane są na zewnątrz, ważne jest również zabezpieczenie izolacji przed promieniowaniem słonecznym UV.

Pompy ciepła są urządzeniami, które pracują w układzie zamkniętym. Zazwyczaj starsze instalacje, które dotychczas pracowały z kotłem stałopalnym, są układami otwartymi z naczyniem przelewowym otwartym, umieszczonym w najwyższym punkcie instalacji. W przypadku tego typu instalacji są dostępne dwa rozwiązania: zmiana na układ zamknięty lub zastosowanie na przykład wymiennika pośredniego – wtedy pompa ciepła pracuje w układzie zamkniętym, a po drugiej stronie wymiennika pozostaje układ otwarty. Rozwiązania z wymiennikiem zawsze mają nieco gorszą efektywność przez pośrednie oddawanie ciepła.

Jednym z elementów pompy ciepła jest skraplacz, który jest wymiennikiem płytowym (Rysunek 5). Płyty wymiennika znajdują się w małych odstępach od siebie, zatem ważna jest dbałość o czystość przepływającego medium grzewczego, tak, by nie doszło do jego zabrudzenia. Zwłaszcza problem czystości instalacji trzeba wziąć pod uwagę w przypadku instalacji modernizowanych, pracujących wcześniej z kotłem stałopalnym.

Przed montażem pompy ciepła konieczne jest zatem odpowiednie wyczyszczenie instalacji grzewczej. W instalacjach z pompą ciepła wymaga się, jako minimum, stosowanie filtrów chroniących skraplacz przed zanieczyszczeniami, ale często polecane jest również zamontowanie separatora, czyli elementu instalacji wyłapującego zanieczyszczenia (Rysunek 6). Przewagą separatora jest to, że z postępującą ilością wyłapanych zanieczyszczeń praktycznie nie rosną opory przepływu, które są przez niego generowane, zupełnie inaczej niż w filtrach, które wyłapując zabrudzenia mogą generować taki opór przepływu, który unieruchomi pompę ciepła. Czyszczenie separatora jest szybsze dla instalatora. Często stosowane jest połączenie filtra i separatora w instalacji z pompą ciepła, zawsze warto zastosować je w kolejności najpierw separator, a później filtr, by to separator wyłapywał większość zanieczyszczeń, a filtr był tylko elementem dodatkowym.

Oprócz zapewnienia czystości instalacji ważne jest również stosowanie odpowiednich płynów jako medium grzewcze krążące w układzie grzewczym pompy ciepła. Powinna być to specjalna przygotowana do instalacji woda kotłowa z dodatkami inhibitorów, które zabezpieczą układ przed korozją.

Czasem polecane jest też dla instalacji niskotemperaturowych stosowanie dodatków biobójczych, aby zapobiegać rozwojowi bakterii i grzybów w instalacji. W niektórych przypadkach stosowane są również glikolowe mieszanki niezamarzające. W tym przypadku poleca się stosowanie glikolu propylenowego. Ważne, żeby instalacja była napełniona odpowiednim płynem, tak, by w kolejnych latach eksploatacji użytkownik mógł cieszyć się bezawaryjną i bezobsługową instalacją.

Wymagane miejsce na maszynownię
Przy instalacjach z pompami ciepła stosuje się układy: bez bufora, z buforem podłączonym szeregowo, czy też buforem podłączonym równolegle. To, jakie rozwiązanie będzie można zastosować w danym budynku określi instalator, ważne by użytkownik miał świadomość potrzebnego miejsca na ewentualny zbiornik buforowy. W przypadku modernizowanych instalacji zazwyczaj zbiornik buforowy będzie niezbędny. Podobnie będzie też potrzebne miejsce na zbiornik ciepłej wody użytkowej o większej pojemności. Pompy ciepła w domach jednorodzinnych zazwyczaj współpracują ze zbiornikami 200–300 l, zatem jeżeli ktoś zmienia przykładowo źródło ciepła z kotła gazowego dwufunkcyjnego, który przygotowywał wodę przepływowo (bez zbiornika), na pompę ciepła, musi mieć świadomość wymaganego miejsca w maszynowni.

Odbiorniki ciepła i standard izolacji budynku
Przygotowując się do montażu pompy ciepła należy przyjrzeć się odbiornikom ciepła i izolacji budynku. Poprawa standardu izolacji wpłynie na mniejsze zapotrzebowanie na ciepło budynku, a tym samym na mniejsze zużycie prądu przez pompę ciepła. Warto w pierwszym kroku izolować budynek, a w drugim dokonywać wymiany źródła ciepła na pompę ciepła.

Odbiorniki ciepła w instalacji muszą być przystosowane do pracy z urządzeniem typu pompa ciepła, którego temperatury zasilania systemu grzewczego wynoszą zazwyczaj maksymalnie 50–60^oC. Najwyższą efektywność, przy tym też najniższe koszty eksploatacji, uzyskać można przy współpracy z odbiornikami niskotemperaturowymi. Zatem, jeżeli to możliwe, warto zastosować ogrzewanie podłogowe, ewentualnie wymienić grzejniki na takie o większej powierzchni wymiany ciepła.

Aspekty eklektyczne
Pompa ciepła to urządzenie zasilane prądem elektrycznym. W zależności od modelu, w przypadku standardowych domów jednorodzinnych może pobierać około 2–4 kW na zasilenie układu sprężarki i dodatkowo 3–9 kW na zasilanie grzałki wspomagającej. Zatem jak widać moce te nie są 14 małe, stąd też ważne jest uwzględnienie odpowiednich warunków przyłącza elektrycznego do budynku przy planowaniu montażu pompy ciepła. Przykładowo, jeżeli mamy w budynku instalację jednofazową o małej mocy przyłączeniowej to z pewnością będzie konieczna zmiana warunków przyłącza – zwiększenie dostępnej mocy i zabezpieczenia głównego. Większość urządzeń na rynku do zasilenia wymaga przyłącza trójfazowego. Główny bezpiecznik elektryczny budynku również musi być dobrany do potrzeb zabezpieczenia nadprądowego pompy ciepła, czy też innych urządzeń elektrycznych w budynku. Producenci pomp ciepła określają też minimalne przekroje przewodów elektrycznych do zasilenia jednostki, warto na etapie przygotowania do montażu zweryfikować te kwestie. Pompy ciepła oprócz zabezpieczenia nadprądowego wymagają często też zabezpieczenia różnicowo-prądowego według wytycznych producenta pompy ciepła. Ma to na celu zapewnienie bezpieczeństwa użytkownikom.

Automatyka i sterowanie
Rozważając montaż pompy ciepła konieczne jest na wczesnym etapie przedsięwzięcia odpowiednie zaplanowanie kwestii automatyki i sterowania instalacją. Pewne rozwiązania z dziedziny automatyki wymuszają pewne rozwiązania, które trzeba zastosować po stronie hydraulicznej, zatem ważne, by rozważyć, czy chcemy na przykład korzystać z termostatów kontrolujących temperaturę w budynku. Można też zdecydować, czy cały system grzewczy ma być oparty na jednej pompie obiegowej, czy rozdzielamy przykładowo parter i piętro na oddzielne obiegi grzewcze – tutaj znowu pewne rozwiązania wybrane w tej materii wpłyną na możliwości sterowania tą instalacją.