Jeden system, jedno urządzenie a trzy funkcje: c.o., c.w.u. i chłodzenie pasywne

W artykule przedstawiono korzyści związane z wykorzystaniem systemu z pompą ciepła, a mianowicie – chłodzenie pasywne.

Podejmując decyzję o budowie domu
i jednocześnie mając na uwadze zasoby
finansowe, staramy się zbudować obiekt
zapewniający możliwie największy komfort
użytkowo–mieszkalny, nie zapominając oczywiście o walorach architektonicznych.
Pomimo tego, iż Polska nie należy do
krajów bardzo gorących, od wielu lat widać
wzrost sprzedaży systemów klimatyzacyjnych,
które poprawiają komfort
powietrza w pomieszczeniu. Z reguły jesteśmy
w stanie ukryć system klimatyzacyjny
w budynku biurowym i nie przeszkadzają nam zamontowane na jego
elewacji jednostki zewnętrzne splitów,
ale na nowo wykonanej elewacji lub dachu
własnego domu, nie chcielibyśmy
widzieć jednostek systemów klimatyzacyjnych.
Również biorąc pod uwagę bilans ekonomiczny,
zastosowanie klimatyzatorów typu
Split (nawet tych sprowadzanych
z „bardzo daleka”) nie jest rozwiązaniem
tanim. Ponadto urządzenia te charakteryzuj
ą wysokie koszty eksploatacyjne
(m.in. koszt energii elektrycznej potrzebnej
do napędu sprężarki) ze względu
na stosunkowo niski współczynnik
chłodzenia.
Chłodzenie aktywne a pasywne
Aktywne. Upowszechniając ideę pomp
ciepła, przypomina się o możliwości
skonstruowania i zastosowania układu rewersyjnego
i przeznaczenia urządzenia
do chłodzenia aktywnego systemu
„grzewczego” (z użyciem kompresora).
Konstrukcje takie pojawiły się już kilka
lat temu, koszt jednak jednostki pracującej w układzie grzanie/chłodzenie aktywne
był wyższy nawet o 30%. Wysokie były
też koszty eksploatacyjne ze względu na
pracę agregatu sprężarkowego.

Fot. 1 Pompa ciepła typu WPC…Cool
Pasywne. Od dłuższego już czasu wraz
z osobami zajmującymi się zawodowo
i naukowo systemami pomp ciepła propagujemy
system pasywnego chłodzenia,
który wykorzystuje chłód gruntu lub wody,
czyli jedynie układ WQA – dolnego źródła
pompy ciepła. Projektując taki układ musimy
zastosować kilka elementów, takich
jak: dodatkowy wymiennik płytowy, automatyka
różnicowa z pomiarem wilgotności,
kilka zaworów przełączających itp.
Można również wykorzystać urządzenia,
które wyposażone są w dodatkowy wymiennik
płytowy, automatykę przystosowaną do pracy w trybie c.o., c.w.u. i chłodzenia.
System chodzenia pasywnego omówiony
zostanie na przykładzie jednostki typu
WPC…Cool (fot. 1), która może pracować
w trzech wspomnianych trybach.


Rys. 1 Pompa ciepła typu WPC…Cool
– grzanie c.o, c.w.u., chłodzenia pasywne
Istota działania chłodzenia pasywnego
Chłodzenie tego typu bazuje na wykorzystaniu chłodu środowiska (gruntu, bądź
wody) o niższej temperaturze niż medium w instalacji wewnątrz budynku. Transport
chłodu realizowany jest przez układ pomp obiegowych, zaworów przełączających, wymiennika solanka/woda lub woda/woda i odpowiedniej automatyki.
Posiadając system pompy ciepła, gdzie WQA jako dolne źródło, stanowi układ
gruntowy solanka/woda, możemy jako instalację chłodu wykorzystać system
kolektorów poziomych lub sond pionowych. W okresie największego zapotrzebowania
na chłód – miesiące letnie: maj, czerwiec, lipiec, sierpień, temperatura
gruntu będzie niska. Najniższa występuje na początku sezonu letniego
(największe potrzeby chłodnicze), wtedy gdy pompa ciepła przestanie pracować
dla potrzeb systemu grzewczego. Dodatkowo transportując ciepło z budynku do
gruntu regenerujemy dolne źródło, zaś w sytuacji przełączenia pompy ciepła
w funkcję c.w.u. urządzenie wykorzystuje wyższą temperaturę źródła. Jednocześnie
praca na cele c.w.u. powoduje schładzanie WQA, czyli obniżanie temperatury
gruntu i tym samym poprawienie efektu chłodzenia.
Przykładowy przebieg zmian temperatury w gruncie przedstawia wykres 1.


Wykres 1. Roczny przebieg temperatury powietrza zewnętrznego,
temperatury
na powierzchni gruntu oraz w różnych jego głębokościach.
Rodzaj
gruntu: suchy żwir, miejscowość: Graz

Porównanie chłodzenia pasywnego
z typowym klimatyzatorem
Dużą zaletą omawianego sposobu chłodzenia
są niskie koszty eksploatacyjne.
Kompresor agregatu o mocy chłodniczej
rzędu 3,5 kW wyposażony jest w silnik
elektryczny o obciążeniu około 1,26 kW,
a agregatu o mocy chłodniczej około 5,3 kW
w silnik o obciążeniu 2 kW, podczas gdy
pompa obiegowa WQA – to około 0,20 kW
i pompa obiegowa systemu chłodzenia
około 0,09 kW. W sumie obciążenie układu
wynosi więc około 0,29 kW, czyli ponad
czterokrotnie mniej niż kompresor
klimatyzatora o mocy chłodniczej 3,5 kW
i blisko siedmiokrotnie mniej niż kompresor
klimatyzatora o mocy chłodniczej
5,3 kW. Oczywiście klimatyzator prowadzi
proces chłodzenia bardzo dynamicznie
i pracuje krócej niż system chłodzenia
pasywnego. Jednak nie zawsze duży strumień
bardzo chłodnego powietrza nawiewanego
do pomieszczenia zapewnia komfort.
Często w pobliżu klimatyzatora
powietrze jest zbyt zimne i w związku
z tym redukujemy przepływ powietrza do
minimum, by proces chłodzenia przebiega
ł jak najłagodniej dla osób przebywających w pomieszczeniu (czyli wydłużamy
czas pracy kompresora o mocy np. 2 kW).

Rys. 2 Chłodzenie z wykorzystaniem
a) klimakonwektorów, b) instalacji płaszczyznowej

Instalacja grzewcza,
która latem chłodzi
Bardzo ważną zaletą tego typu rozwiązań
jest to, że posiadając jedną instalację systemu
grzewczego możemy ją wykorzystać
zarówno w celach grzewczych, jak
i chłodniczych. Nie musimy inwestować
dodatkowo w kolejne urządzenia i instalację.
Spotykane systemy ogrzewania:
powierzchniowego (podłogowe, sufitowe,
ścienne) i nadmuchowego (klimakonwektory,
podwieszane kasetony sufitowe)
mogą być stosowane w systemach
chłodzenia pasywnego po zachowaniu
pewnych zaleceń i wymogów.
Instalacje nadmuchowe (klimakonwektory
i kasetony sufitowe) – wymagają jedynie
zastosowania czujnika (np. FE7)
temperatury powietrza wewnątrz pomieszczenia,
który wyłączy system chłodzenia
pasywnego, jeśli temperatura ta
spadnie poniżej zadanej. Instalacje powierzchniowe
– podłogowe, sufitowe
i ścienne – wymagają zastosowania nie
tylko automatyki dokonującej pomiaru
temperatury, ale również wilgotności
(np. FEK), aby z odpowiednim wyprzedzeniem
wyłączyć system chłodzenia.
Najczęściej jest to 2 do 3 K przed pojawieniem
się punktu rosy.
Łączenie instalacji o rożnych zadaniach
W naszych warunkach klimatycznych (ze
zmienną wilgotnością w porach letnich)
zaleca się zastosowanie systemu chłodzenia
wykorzystującego klimakonwektory lub kasetony sufitowe. Rozwiązanie takie
chroni przed pojawieniem się na powierzchniach
chłodzonych wilgoci i rosy
(kondensat odprowadzany jest do specjalnej
rynny klimakonwektora). Taki
system nie koliduje z zastosowaniem
układu ogrzewania podłogowego, gdyż
automatyka, jak np.: WPMII, WPMi,
serii CD, obecnie produkowanych pomp
ciepła umożliwia sterowanie dwoma
obiegami grzewczymi – grzejnikowym
i podłogowym. Klimakonwektory możemy
zamontować w pomieszczeniach, które
zamierzamy chłodzić latem, a ogrzewanie
podłogowe tam, gdzie nie planowane
jest obniżanie temperatury powietrza.
Można również tak zaprojektować instalację,
aby w okresie zimowym w pomieszczeniu
pracowało ogrzewanie podłogowe
i klimakonwektorowe, a latem realizowane
było chłodzenie tylko z nadmuchem
z klimakonektorów. Wybór rozwiązania
zależy od inwestora i projektanta proponującego nowoczesne i funkcjonalne połączenie trzech systemów w jednym
układzie (c.o., c.w.u. i chłodzenie pasywne).
Przykład takiego systemu przedstawiony
jest na rys. 3.


Rys. 3 Przykład instalacji pompy ciepła typu WPC...Cool,
przystosowanej do potrzeb: c.o. (dwa
obiegi grzewcze),
c.w.u. oraz systemu chłodzenia (jeden lub dwa obiegi)

Wykorzystanie mocy źródła dolnego
Podczas projektowania i doboru mocy
chłodniczej należy pamiętać o tym, iż
moc WQA – instalacji dolnego źródła ze
względów temperaturowych nie zawsze
będzie wykorzystana w 100%. Możemy
przyjąć, że podczas chłodzenia pasywnego
z zastosowaniem systemów gruntowych
solanka/woda wykorzystamy około
70% mocy systemu pompy ciepła. Dla
rozwiązań z pompą ciepła, gdzie dolnym
źródłem będzie woda o średniej temperaturze
10°C stopień eksploatacji WQA
do chłodzenia pasywnego (w sprzyjających warunkach) będzie większy – nawet
do 90%.
Podsumowując wstępne informacje dotyczące chłodzenia pasywnego, dochodzimy
do wniosku, iż warto trochę dłużej zastanowić
się nad rozwiązaniem systemu
grzewczego z pompą ciepła, który projektujemy.
Po przeprowadzeniu niewielkich
zmian standardowego projektu instalacji
grzewczej, możemy uzyskać dodatkowy
efekt chłodniczy. Ponadto nakłady inwestycyjne
takiego rozwiązania będą mniejsze
niż w sytuacji zastosowania dwóch
osobnych systemów: grzewczego z pompą
ciepła i kilku klimatyzatorów typu Split.

Literatura:
1. Materiały techniczne: STIEBEL ELTRON POLSKA – 2005.
2. Materiały techniczne: STIEBEL ELTRON NIEMCY – 2005.
3. Artykuły i opracowanie techniczne autora.

Autor: Artur Karczmarczyk
Źródło: