Chłodzenie pompą ciepła

W upalne dni doceniamy klimatyzację, w biurach i sklepach jest już niemal standardem. Również w domach jedno i wielorodzinnych coraz częściej stosowane jest chłodzenie pomieszczeń.

Pompa ciepła Vitocal 200-GPompa ciepła Vitocal 200-G

Chłodzić budynek można na wiele sposobów. Tradycyjne klimatyzatory skutecznie chłodzą jedno lub kilka pomieszczeń, zapewniając w nich przyjemnie chłodny klimat. Ale, inwestorzy którzy zdecydowali się na pompę ciepła, oprócz taniego ogrzewania domu, w lecie mogą również wykorzystać pompę do chłodzenia budynku. Oczywiście, każde rozwiązanie wymaga mniejszych lub większych nakładów na inwestycję, różna będzie też skuteczność chłodzenia. Jednak, właściwie zaprojektowana instalacja ogrzewania i chłodzenia domu zgodnie z oczekiwaniami inwestora, sprawi, że z pewnością będzie z niej zadowolony.

Pompa ciepła do ogrzewania i chłodzenia

Coraz częściej producenci pomp ciepła oprócz ogrzewania oferują również chłodzenie pomieszczeń – wszystko w jednym urządzeniu. Chłodzenie realizowane jest najczęściej przy wykorzystaniu niskiej temperatury dolnego źródła ciepła: gruntu, wody gruntowej (chłodzenie naturalne), lub przez odwróconą pracę pompy ciepła, która działa wówczas jak chłodziarka (chłodzenie aktywne).

Chłodzenie aktywne

Może być realizowane przy pompach ciepła pobierających ciepło z gruntu, wody gruntowej i powietrza atmosferycznego. Przy aktywnym chłodzeniu pomieszczeń (active cooling), pompa ciepła działa w odwrócony sposób – parownik pełni wówczas funkcję skraplacza, a skraplacz parownika. Czyli, obieg czynnika chłodniczego w pompie ciepła zostaje odwrócony, tym samym zmienia się kierunek przepływu ciepła.

Najprostszym sposobem realizacji odwróconej pracy pompy ciepła jest zastosowanie zaworu czterodrożnego i dodatkowego zaworu rozprężnego w obiegu czynnika chłodniczego pompy ciepła. Sprężarka pracuje z tym samym kierunkiem przepływu czynnika, niezależnie od realizacji przez urządzenie funkcji ogrzewania czy chłodzenia. Natomiast, zmiana kierunku przepływu czynnika chłodniczego w układzie pompy ciepła realizowana jest przez przełączanie zaworu czterodrożnego.

Rys. 1. Uproszczony schemat działania odwracalnej pompy ciepła w funkcji grzaniaRys. 1. Uproszczony schemat działania odwracalnej pompy ciepła w funkcji grzania

Tryb ogrzewania – sprężarka tłoczy pary czynnika chłodniczego do wymiennika ciepła systemu grzewczego (skraplacza). Czynnik skrapla się w nim oddając ciepło zasilające instalację ogrzewania budynku (rys. 1).

Tryb chłodzenia – przy pomocy zaworu czterodrożnego kierunek przypływu czynnika w obiegu zostaje odwrócony. Skraplacz pełni teraz funkcję parownika, gdzie ciepło z pomieszczeń przekazywane jest do czynnika chłodniczego. Pary czynnika chłodniczego zasysane są przez sprężarkę przez zawór czterodrożny, a następnie w skraplaczu oddają ciepło do otoczenia (rys. 2).

Rys. 2. Uproszczony schemat działania odwracalnej pompy ciepła w funkcji chłodzeniaRys. 2. Uproszczony schemat działania odwracalnej pompy ciepła w funkcji chłodzenia

Moc grzewcza sprężarkowych pomp ciepła jest trochę większa od mocy chłodniczej przy ich odwróconej pracy. Wynika to z tego, że w trybie ogrzewania energia pobierana do napędu sprężarki jest w niej zamieniana w ciepło i wykorzystywana do ogrzewania. Również w trybie chłodzenia, podczas pracy sprężarki, ciepło to jest również wytwarzane i pogarsza moc chłodniczą. Ciepło pracy sprężarki w odwracalnych pompach ciepła pogarsza również ich wskaźnik efektywności COP, który jest niższy dla pracy w trybie chłodzenia niż przy ogrzewaniu.

Naturalne chłodzenie.

Chłodzenie naturalne (natural cooling), realizowane jest przez pompy ciepła pobierające ciepło z gruntu lub wody gruntowej. Wystarczy zastosować kilka dodatkowych elementów w instalacji, np. wymiennik płytowy, pompa, zawór trójdrożny, aby wykorzystać niską temperaturę gruntu lub wody gruntowej do chłodzenia pomieszczeń w gorące dni.

Wydajność chłodzenia naturalnego (moc chłodnicza), zależy w dużej mierze od wielkości dolnego źródła ciepła, jego temperatury i czasu wykorzystywania. Pod koniec lata, kiedy grunt zgromadził już dużo ciepła jego moc chłodnicza może się obniżyć. Pod tym względem, lepszy efekt można uzyskać wykorzystując wodę gruntową, której temperatura nie zmienia się znacznie w całym okresie eksploatacji. Dodatkową zaletą naturalnego chłodzenia jest szybka regeneracja dolnego źródła ciepła i akumulacja dodatkowego ciepła w gruncie, które zostanie później wykorzystane do ogrzewania budynku w sezonie grzewczym.

Rys. 3. Uproszczony schemat instalacji do chłodzenia przez ogrzewanie podłogowe.Rys. 3. Uproszczony schemat instalacji do chłodzenia przez ogrzewanie podłogowe.

Podczas pracy chłodzenia naturalnego sprężarka pompy ciepła pozostaje wyłączona. Energię elektryczną pobierają jedynie pompy obiegowe i pozostałe urządzenia zasilane energią elektryczną. Regulator pompy ciepła steruje pracą całej instalacji: pompami, zaworami przełączającymi i mieszającymi, kontroluje temperatury w charakterystycznych punktach instalacji oraz kontroluje temperaturę punktu rosy.

Skuteczności chłodzenia naturalnego nie można porównywać z tradycyjną klimatyzacją, jednak jest to szczególnie tani w eksploatacji sposób chłodzenia pomieszczeń. Współczynnik efektywności COP jest 3 do 4 razy większy niż przy tradycyjnej klimatyzacji i przy chłodzeniu naturalnym wynosi ok. 15 do 20.

Przykładowy schemat instalacji pokazany jest na rys. 3, gdzie pomieszczenia są chłodzone naturalnie poprzez instalację ogrzewania podłogowego budynku. Z wymiennika gruntowego solanka o temperaturze ok. 5 do 12°C transportowana jest do wymiennika ciepła. Z drugiej strony, uruchomiona zostaje pompa obiegu chłodzenia ogrzewania podłogowego. Woda z instalacji przepływając przez wymiennik ciepła zostaje ochłodzona. Następnie, przez instalację ogrzewania podłogowego odbiera ciepło z chłodzonych pomieszczeń. Ogrzana solanka przepływając przez wymiennik gruntowy oddaje mu ciepło.

Chłodzenie pomieszczeń

Wykorzystanie instalacji ogrzewania podłogowego jest najprostszym sposobem chłodzenia pomieszczeń w budynku jednorodzinnym – w zimne dni ogrzewa dom i chłodzi w upalne. Chłodzić pomieszczenia można również przez, np: instalację wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, nagrzewnice lub konwektory wentylatorowe, stropy chłodzące.

Natomiast, nie nadają się do chłodzenia tradycyjne grzejniki. Ze względu na małą różnice temperatur między wodą chłodzącą a powietrzem w pomieszczeniu występuje jedynie znikoma wymiana ciepła w grzejniku. Dodatkowo, tradycyjne grzejniki są wrażliwe na kondensat.

Przy chłodzeniu naturalnym jak i aktywnym, zawsze konieczne jest kontrolowanie punktu rosy, realizowane przez regulator pompy ciepła. Na przykład, temperatura powierzchni ogrzewania podłogowego w trybie chłodzenia nie może spaść poniżej 20°C. Układ kontroli punktu rosy utrzymuje temperaturę zasilania na takim poziomie, aby nie następowało wykroplenie wilgoci z powietrza na powierzchni podłogi.

W instalacji chłodzenia naturalnego zalecane jest zastosowanie wymiennika ciepła dla chłodzenia i zaworu mieszającego. Jeśli instalacja ogrzewania budynku, np. ogrzewanie podłogowe, ma również chłodzić pomieszczenia, wymiennik oddziela instalację solanki od wodnego ogrzewania podłogowego. Napełniając instalację podłogówki płynem niezamarzającym spowodowało by zmniejszenie wydajności pompy ciepła w trybie ogrzewania – obniży się jej współczynnik efektywności COP. Zawór mieszający w instalacji gwarantuje utrzymanie określonej charakterystyki roboczej. Zapobiega pracy przerywanej instalacji chłodzenia spowodowanej kontrolą punktu rosy. Wzrasta też moc chłodnicza całego systemu, gdyż pracuje on w sposób ciągły.

Wymiennik ciepła, rurociągi i armatura muszą zostać zaizolowane paroszczelną izolacją cieplną.

Gruntowa pompa ciepła NIBE F 1245Gruntowa pompa ciepła NIBE F 1245

Wymiennik ciepła i mieszacz nie są konieczne, jeśli instalacja chłodzenia stanowi oddzielny obieg, pracujący niezależnie od instalacji ogrzewania budynku, np. chłodzenie nagrzewnicami wentylatorowymi. Nagrzewnice odporne na płyn niezamarzający mogą zostać przyłączone bezpośrednio do obiegu solanki bez konieczności stosowania mieszacza.

Ogrzewanie podłogowe efektywnie współpracuje z pompą ciepła już przy niskich temperaturach wody grzewczej. Duża powierzchnia grzejnika podłogowego może również chłodzić powietrze w budynku.

Chłodne powietrze zbiera się w okolicy podłogi i nie wznosi się wyżej. Jednak, duża powierzchnia chłodząca podłogówki pozwala skutecznie wpływać na temperaturę w pomieszczeniu.

Ogrzewanie podłogowe pracujące w trybie chłodzenia naturalnego przyłącza się do obiegu solanki poprzez wymiennik ciepła, a regulację wydajności chłodzenia w zależności od temperatur zewnętrznych realizuje zawór mieszający, którego pracą steruje regulator pompy ciepła.

Czujnik wilgotności zapobiega powstawaniu kondensatu na powierzchni podłogi, której temperatura nie może być niższa niż 20°C. Określa punkt rosy i zapobiega kondensacji nawet przy krótkotrwałych wahaniach pogody, np. w czasie burzy.

Moc chłodnicza ogrzewania podłogowego zależy od jego powierzchni, rodzaju wykładziny podłogowej i rozstawu rur – może obniżyć temperaturę w pomieszczeniu o 2 do 4 K. [Tabela 1]

Tabela 1. Szacunkowa wydajność chłodnicza instalacji ogrzewania podłogowego w zależności od rodzaju wykończenia podłogi i odstępu układania rur (dla temperatury zasilania/powrotu: 14/18ºC, temperatura pomieszczenia 25ºC, względna wilgotność powietrza 60%).
Rodzaj podłogi Płytki podłogowe Wykładzina dywanowa
Rozstaw ułożenia rur [mm] 75 150 300 75 150 300
Moc chłodnicza przy średnicy rur            
10 mm W/m² 45 35 23 31 26 19
17 mm W/m² 46 37 25 32 27 20
25 mm W/m² 48 40 28 33 29 22

Wykorzystując do chłodzenia instalację wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła uzyskuje się lepszą cyrkulację powietrza. Chłodne powietrze z nawiewników umieszczonych pod stropem opada ku podłodze wymuszając samoczynnie cyrkulację powietrza w chłodzonym pomieszczeniu.

Stropy chłodzące zapewniają jeszcze lepsze odprowadzenie ciepła z pomieszczenia. Stanowią zazwyczaj dodatkową instalację, obok np. ogrzewania podłogowego. Ciepłe powietrze w pomieszczeniu zbiera się pod stropem i schładza na jego powierzchni. Wynikiem tego, chłodne powietrze opada ku podłodze a nagrzane wznosi się w górę. Cyrkulacja powietrza w pomieszczeniu sprawia, że większa masa powietrza ma kontakt z powierzchnią chłodzącą, niż w porównaniu z chłodzeniem podłogowym. Strop chłodzący połączony jest hydraulicznie z obiegiem solanki poprzez wymiennik ciepła chłodzenia. Dokładne dopasowanie do zapotrzebowania chłodu zapewnia zawór mieszający sterowany przez regulator pompy ciepła.

Temperatura powierzchni stropu chłodzącego nie może spaść poniżej 17ºC.

Stropy chłodzące pracują efektywnie i bezszmerowo, ale wymagają dodatkowych nakładów na inwestycję. Skutecznie chłodzą pomieszczenie odbierając ciepło z powietrza tam, gdzie się ono gromadzi w wyniku naturalnej konwekcji.

Konwektory wentylatorowe zapewniają szczególnie efektywne chłodzenie pomieszczeń. Tutaj wentylator wymusza przepływ powietrza przez wymiennik w konwektorze. Dodatkowo, umożliwia regulację natężenia przepływu powietrza. Dzięki temu, przez powierzchnię wymiennika można przepuścić dużą ilość powietrza, tym samym szybko i efektywnie schłodzić pomieszczenia. Czujnik temperatury w pomieszczeniu i regulacja wydajności wentylatora pozwalają na bardzo precyzyjne chłodzenie pomieszczeń. Wadą tego rozwiązania są szumy wentylatorów co należy uwzględnić w stosunku do wymagań inwestora.

Konwektory wentylatorowe są szczególnie ciekawą alternatywa dla inwestorów, którzy obawiają się ogrzewania podłogowego w całym domu. Konwektory mogą ogrzewać pomieszczenia oraz chłodzić je. A, sam „grzejnik” ma stosunkowo małe wymiary.

Chłodzenie pompami ciepła jest godną uwagi alternatywą dla tradycyjnych układów klimatyzacji. Podobnie jak przy ogrzewaniu budynku, może zapewnić tanie i skuteczne chłodzenie pomieszczeń w lecie. W zależności od wymagań inwestora i oczekiwanej skuteczności chłodzenia można wybrać odpowiednią pompę ciepła i rodzaj instalacji chłodzącej. Jednak, tylko właściwie zaprojektowana instalacja dostosowana ściśle do potrzeb spełni wszystkie oczekiwania inwestora.

Krzysztof Gnyra

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here