Chiller z funkcją pompy ciepła: Przegląd

Pompa ciepła w systemach ogrzewania i chłodzenia: zasady działania i doboru

Pompy ciepła (HP) i rewersyjne agregaty wody lodowej są obecnie ważną częścią systemów kontroli klimatu, zapewniając zarówno ogrzewanie, jak i chłodzenie budynków o wysokiej efektywności energetycznej. Urządzenia te wykorzystują odnawialne źródła energii – powietrze, wodę lub grunt – do przenoszenia ciepła, co zmniejsza koszty operacyjne i ślad węglowy.

Wybór odpowiedniego typu pompy ciepła i schematu okablowania ma bezpośredni wpływ na wydajność systemu, żywotność sprzętu i komfort w pomieszczeniach. W niniejszym artykule omówiono główne źródła i pochłaniacze ciepła, klasyfikację systemów z pompą ciepła, zasady ich działania, zalety i ograniczenia. Uzyskane informacje pomogą dokonać świadomego wyboru podczas projektowania lub modernizacji systemów inżynierii budynków.

Rys. 1. – Pompa ciepła z naszego katalogu: Civet WSAN-YMi 71 (wydajność chłodnicza 12,9 kW; wydajność grzewcza 14,1 kW)

Sprawdź nasz katalog agregatów wody lodowej i pomp ciepła –tylko sprawdzone modele od niezawodnych producentów, z pełną specyfikacją techniczną i dostosowaniem do Twoich warunków.

1. Źródła ciepła i radiatory

Wykorzystanie pomp ciepła do ogrzewania i/lub chłodzenia budynku wymaga zastosowania źródeł ciepła i radiatorów. Źródło ciepła to medium, z którego ciepło jest pobierane przez parownik pompy ciepła. Radiator to medium, do którego ciepło jest usuwane przez skraplacz pompy ciepła.

Wybór źródła ciepła i radiatora zależy od dostępności źródeł, warunków klimatycznych, kosztów i sposobu dystrybucji ciepła/chłodu.

Klasyfikacja popularnych źródeł ciepła i radiatorów została zaproponowana przez ASHRAE. Klasyfikacja ta została przedstawiona poniżej.

Powietrze jako źródło/pochłaniacz ciepła

Obecnie rozważane są dwie opcje wykorzystania powietrza jako źródła lub pochłaniacza ciepła:

• powietrze zewnętrzne;
• wywiewane powietrze wentylacyjne.

Woda jako źródło/pochłaniacz ciepła

Woda wykorzystywana jako źródło lub pochłaniacz ciepła może pochodzić z różnych źródeł:

• wody gruntowe;
• jeziora, rzeki lub oceany;
• zamknięte pętle wodne;
• ścieki;
• woda kondensacyjna.

Ziemia jako źródło/pochłaniacz ciepła

Ziemia może być wykorzystywana jako źródło lub pochłaniacz ciepła przy użyciu trzech podstawowych typów gruntowych wymienników ciepła:

• Pionowe gruntowe wymienniki ciepła
  • bardzo stabilna temperatura źródła/pochłaniacza ciepła ( )
  • wymagana niewielka powierzchnia gruntu ( )
  • wysoki koszt i możliwe trudności z wierceniem (-)
• Poziome gruntowe wymienniki ciepła
  • niższy koszt ( )
  • znaczący wpływ temperatury zewnętrznej na małej głębokości (-)
  • wymagana większa powierzchnia gruntu (-)
• Zakopane wymienniki ciepła z bezpośrednim rozprężaniem (DX)

• Pionowe gruntowe wymienniki ciepła – składają się z rur w kształcie litery U zainstalowanych w pionowych odwiertach o głębokości do 100-120 metrów.
• Poziome gruntowe wymienniki ciepła – składające się z długich, pojedynczych lub wielokrotnych rur w kształcie wężownicy, zakopanych na głębokości 1-2 metrów.

2. Klasyfikacja systemów

Klasyfikacja systemów jest podzielona na 2 grupy, pierwsza – gdzie chiller jest zamknięty w objętości zagregowanej pompy ciepła (CHP) / agregatu chłodniczego, druga – chiller jest wykorzystywany w wymianie ciepła ze źródłem ciepła i/lub absorberem

System zagregowany:

• TH powietrze-woda (agregat wody lodowej chłodzony powietrzem)
• TH woda-woda (agregat wody lodowej chłodzony wodą)
• TH woda/powietrze/woda (z podwójnym skraplaczem)
• TH woda-powietrze
• TH powietrze-powietrze
• Solanka-woda TH
• TH „solanka-powietrze”
• Jednostka dachowa (jednostka dachowa)

System otwarty z bezpośrednim rozprężaniem (DX):

• Systemy dzielone
• Systemy VRF
• Pompa ciepła DX sprzężona z gruntem (pompa ciepła DX sprzężona z gruntem)

Jednostka jest nazywana odwracalną, jeśli jest wyposażona w urządzenie przełączające chiller, które może odwrócić kierunek cyklu (patrz przykład na rys. 2).

Rys. 2 – Zawór czterodrogowy odpowiedzialny za zmianę kierunku przepływu chillera.

Termin „agregat wody lodowej” może być używany zamiast odpowiadającego mu terminu „pompa ciepła”, aby podkreślić, że głównym celem urządzenia jest chłodzenie, np. gdy jest ono obliczane na podstawie maksymalnego obciążenia chłodniczego.

Przegląd systemów pomp ciepła

Systemy składają się z jednej lub więcej jednostek (bloków) i innych komponentów. Można je podzielić na trzy główne kategorie:

• Systemy odwracalne bez odzysku ciepła: naprzemienne wytwarzanie ciepła i chłodu;
• Systemy nieodwracalne z odzyskiem ciepła: przeznaczone głównie do chłodzenia, ale mogą pobierać ciepło po stronie skraplacza, jednocześnie wytwarzając chłód po stronie parownika;
• Odwracalne systemy z odzyskiem ciepła: naprzemienne lub jednoczesne wytwarzanie ciepła i chłodu.

Zastanawiasz się, który system pompy ciepła jest odpowiedni dla Twojej nieruchomości? Skontaktuj się z inżynierami EVROPROM – znajdziemy optymalne rozwiązanie, biorąc pod uwagę warunki klimatyczne, dostępne źródła ciepła i specyfikę działania.

2.1 Systemy odwracalne bez odzysku ciepła

Odwracalna pompa ciepła powietrze-woda

Agregaty wody lodowej chłodzone powietrzem są najbardziej rozpowszechnioną technologią na europejskim rynku klimatyzacji, stanowiąc 85% sprzedaży chillerów w sektorze komercyjnym [EECCAC, 2003].

System można odwrócić za pomocą przełącznika czynnika chłodniczego (patrz rysunek 3), który odwraca kierunek przepływu przez dwa wymienniki ciepła:

• Wtrybie chł odzenia powietrzny wymiennik ciepła działa jak skraplacz, usuwając ciepło do powietrza zewnętrznego, a wodny wymiennik ciepła działa jak parownik, przenosząc zimno do systemu dystrybucji.
• Wtrybie ogrzewania powietrzny wymiennik ciepła działa jako parownik, pobierając ciepło z powietrza zewnętrznego, a wodny wymiennik ciepła działa jako skraplacz, przenosząc ciepło do systemu dystrybucji.

Rys. 3 – Chłodzenie powietrzem z przełącznikiem chillera

Jednostki odwracalne można podłączyć do:

• Dwururowego systemu dystrybucji wody, równolegle z kotłem rezerwowym, jeśli nie przewiduje się jednoczesnego występowania obciążeń ogrzewania i chłodzenia (patrz rys. 4a);

Rysunek 4a: Rewersyjna pompa ciepła powietrze-woda podłączona do dwururowego systemu dystrybucji wody szeregowo z bojlerem

Ilustracja 4b: Odwracalna pompa ciepła powietrze-woda podłączona do czterorurowego systemu dystrybucji poprzez dystrybucję gorącej wody

• Czterorurowy system dystrybucji wody dla budynków z jednoczesnym ogrzewaniem i chłodzeniem. Agregat jest podłączony zarówno do rur wody zimnej, jak i ciepłej (patrz rys. 4b). W tym przypadku końcowe urządzenia dostarczające ciepło muszą być kompatybilne z niskimi temperaturami wody charakterystycznymi dla jednostki rewersyjnej pracującej w trybie ogrzewania bez interwencji kotła.

Odwracalna geotermalna (woda gruntowa, woda gruntowa) / hydrotermalna (woda powierzchniowa) pompa ciepła (bez odzysku ciepła)

Odwracalna geotermalna pompa ciepła (GHP) składa się z odwracalnej jednostki woda-woda, która jest podłączona z jednej strony do systemu dystrybucji w budynku, a z drugiej strony do obiegu solanki lub wody podłączonego do geotermalnego źródła ciepła/pochłaniacza.

System jest odwracalny za pomocą przełącznika czynnika chłodniczego w jednostce pompy ciepła, który odwraca kierunek przepływu przez dwa wymienniki ciepła (patrz rys. 5):

• W trybie chł odzenia, wymiennik ciepła po stronie geotermalnej działa jako skraplacz, usuwając nadmiar ciepła do gruntu lub wód powierzchniowych poprzez pętlę wodną (lub glikol-woda), podczas gdy wymiennik ciepła po stronie wodnej działa jako parownik, przenosząc zimno do systemu dystrybucji.
• W trybie ogrzewania wymiennik ciepła po stronie geotermalnej działa jako parownik, pochłaniając ciepło ze źródła geotermalnego poprzez obieg wodny, podczas gdy wymiennik ciepła po stronie wodnej działa jako skraplacz, przenosząc ciepło do systemu dystrybucji.

Ponadto, jeśli temperatura źródła geotermalnego mieści się w zakresie temperatur systemu dystrybucji budynku, system można zaprojektować tak, aby działał w trybie swobodnego chłodzenia (czasami nazywanym również chłodzeniem swobodnym): obieg wody omija jednostkę pompy ciepła i jest podłączony do systemu dystrybucji budynku za pośrednictwem dodatkowego wymiennika ciepła. Rozmiar wymiennika ciepła i strategia sterowania przejściem z chłodzenia do free-chillingu i z powrotem muszą być starannie zaprojektowane w zależności od temperatury źródła geotermalnego i profilu obciążenia chłodniczego budynku.

Zamknięta pętla geotermalna działa jako sezonowy system magazynowania ciepła:

• Latem pompa ciepła pracuje w trybie chłodzenia i odprowadza ciepło do gruntu lub wód gruntowych poprzez pętlę;
• Zimą ciepło to jest pobierane z gruntu lub wód gruntowych za pośrednictwem pętli.

Aby ocenić potencjał ciepła geotermalnego, sugerujemy spojrzenie na wykres temperatury gleby na rys. 6

Rys. 5 – Odwracalna geotermalna pompa ciepła bez i z trybem chłodzenia swobodnego

Rys. 6 Średnia temperatura gruntu w poszczególnych miesiącach na różnych głębokościach (dane dla Irlandii 2006-2015)

2.2 Systemy nieodwracalne z odzyskiem ciepła

Agregat wody lodowej z odzyskiem ciepła

Pompy ciepła woda-woda są zwykle używane do chłodzenia; są one podłączone do wież chłodniczych lub suchych chłodnic w celu usunięcia ciepła. Ponieważ jednostki te nie są zwykle zaprojektowane do wykorzystania jako źródło ciepła, pompy ciepła woda-woda nie są zwykle używane w trybie ogrzewania i są najczęściej określane jako agregaty wody lodowej.

Odzysk ciepła jest atrakcyjną opcją. Ciepło może być odzyskiwane za pomocą wymiennika ciepła zainstalowanego w obiegu ciepłej wody lub bezpośrednio w obiegu czynnika chłodniczego. W ten sposób ten rodzaj systemu może jednocześnie wytwarzać ogrzewanie i chłodzenie (patrz rysunek 7).

Rysunek 7 – Agregat wody lodowej z dodatkowym wymiennikiem ciepła do odzysku ciepła w obiegu wodnym

Ponieważ pompa ciepła może wytwarzać tylko ciepłą wodę, jeśli wymagane jest chłodzenie, wymagany jest również bojler:

• pokrycia zapotrzebowania na ogrzewanie, gdy nie ma obciążenia chłodniczego;
• pokrycia szczytowego zapotrzebowania na ciepło;
• podniesienia temperatury ciepłej wody, jeśli końcowe urządzenia zasilające wymagają temperatury wyższej niż ta, którą może zapewnić wymiennik odzysku ciepła (zwykle 35-40 °C).

Agregat chłodniczy jest sterowany zgodnie z zapotrzebowaniem na chłodzenie budynku. Część mocy cieplnej skraplacza jest przekazywana do wymiennika odzysku ciepła zgodnie z zapotrzebowaniem na ogrzewanie, a pozostała część jest rozpraszana przez wieżę chłodniczą.

Agregaty wody lodowej wykazują wyższą sprawność w porównaniu do agregatów powietrznych. Średnie wartości EER w warunkach znamionowych dla agregatów wody lodowej z certyfikatem EUROVENT (z wyłączeniem CHF) wynoszą od 3,6 do 4,6 w zależności od zakresu wydajności chłodniczej.

EUROVENT oferuje również sezonowy współczynnik efektywności energetycznej chłodzenia – ESEER (European Seasonal Energy Efficiency Ratio). Metoda obliczeniowa jest taka sama jak w przypadku agregatów powietrznych, z wyjątkiem definicji temperatur testowych.

Jeśli nie masz pewności, który typ chilleru lub pompy ciepła najlepiej odpowiada Twoim wymaganiom, nasi eksperci pomogą Ci dokonać wyboru!

Wnioski

Na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań.

Systemy geotermalne wydają się być najbardziej wydajne, ale nie mogą być stosowane wszędzie. Ponadto ich koszty inwestycyjne są wysokie.

Wybór końcowych urządzeń zasilających jest ważny. Stosowanie niskich temperatur dystrybucji do chłodzenia i wysokich temperatur do ogrzewania znacznie zmniejsza wydajność pompy ciepła.

Ogrzewanie promiennikowe jest dobrym rozwiązaniem, ale jego wydajność jest ograniczona.

Należy wziąć pod uwagę wydajność urządzeń pomocniczych (wentylatorów i pomp); ich całkowite zużycie może być nawet wyższe niż samej pompy ciepła.

Rysunek 8 przedstawia jednostkowy koszt inwestycji w funkcji średniej różnicy temperatur. Dla technologii dostawców, którzy wskazali koszt, jednostkowy koszt inwestycji (z wyłączeniem instalacji i integracji) wynosi od 200 €/kW do 1200 €/kW, a średnia różnica temperatur dla różnych technologii wynosi od 20 °C do 190 °C.

Rysunek pokazuje ogólną tendencję: wyższe różnice temperatur odpowiadają wyższym kosztom. W tych zakresach kosztów jednostkowych, zaznaczonych czarnymi pionowymi liniami na rysunku, koszt jest w dużym stopniu zależny od wielkości i obszaru zastosowania pompy ciepła dla danej technologii.

Rysunek 8 – Jednostkowy koszt inwestycji jako funkcja średniej różnicy temperatur [Duński Instytut Technologiczny, sierpień 2023 r. Raport nr HPT-AN58-2]

Jeśli nadal masz pytania dotyczące doboru sprzętu, skontaktuj się ze specjalistami Europrom. Pomożemy wybrać odpowiednie rozwiązanie i zaoferujemy niezawodne agregaty chłodnicze prezentowane w naszym katalogu.

Co otrzymujesz wraz z EVROPROM

Optymalny dobór systemu pompy ciepła – bierzemy pod uwagę dostępne źródła ciepła i radiatory, warunki klimatyczne, profil obciążenia oraz wymagania dotyczące ogrzewania i chłodzenia.

Ekspertyzę techniczną i doradztwo – wyjaśniamy zalety i ograniczenia różnych schematów połączeń, pomagamy wybrać między systemami odwracalnymi i nieodwracalnymi, z odzyskiem ciepła lub bez.

Szeroka gama sprawdzonego sprzętu – szeroki wybór agregatów wody lodowej i pomp ciepła zaufanych światowych marek, dostosowanych do obiektów przemysłowych, handlowych i administracyjnych.

Obniżone koszty operacyjne – dzięki odpowiedniemu projektowi i doborowi urządzeń poprawiamy efektywność energetyczną i minimalizujemy koszty ogrzewania i chłodzenia.

Wsparcie techniczne na wszystkich etapach – od projektu i dostawy po uruchomienie i dalszą konserwację.

Autor artykułu:
Andrey Kohan, inżynier urządzeń chłodniczych

30.08.2025