Jaki są metody montażu systemu ogrzewania domu energooszczędnego opartego na pompie ciepła dla domów parterowych i piętrowych?
Istnieją cztery podstawowe metody montażu systemu grzewczego po podłączeniu do źródła ciepła. Są to system jednorurkowy, dwururkowy, pętla Tichelmana i rozprowadzenie promieniowe. Każdy z nich ma swoje zalety i wady. Jeśli używany jest system grzewczy o wysokiej temperaturze, oparty na kotle, który jest również stosowany w elektrociepłowniach, to zastosowanie jednorurkowego systemu grzewczego jest w pełni uzasadnione. W tym systemie temperatura wzdłuż rurki od urządzenia grzewczego do urządzenia grzewczego stopniowo maleje, przy czym przepływ nośnika ciepła przez wszystkie urządzenia jest taki sam. Zrozumienie tego pozwala dostosować rozmiar urządzenia grzewczego. Doskonalenie systemu jednorurkowego doprowadziło do pojawienia się bypassów, zaworów regulacyjnych i zaworów termostatycznych. Zawory regulacyjne Ogi pozwalają regulować przepływ przez urządzenie grzewcze, zmieniając jego wydajność w celu osiągnięcia żądanej temperatury w pomieszczeniu podczas bilansowania systemu. Bilansowanie jest przeprowadzane w celu uzyskania żądanych temperatur we wszystkich pomieszczeniach w budynku.
Drugim regulacyjnym urządzeniem jest zawór termostatyczny. Za jego pomocą można automatycznie utrzymywać zadaną temperaturę w danym pomieszczeniu. Jednak stosowanie jednorurkowego systemu, nawet dla jednopiętrowego domu, ma swoje cechy. Ważne jest, jakie będzie rozgałęzienie podłączenia urządzeń grzewczych. Istnieje rozgałęzienie górne i dolne – nośnik ciepła jest dostarczany do urządzeń grzewczych z dołu lub z góry. W przypadku dostarczania nośnika ciepła od dołu, odpowietrzanie urządzenia grzewczego jest ułatwione. Jednak ochładzający się nośnik ciepła w każdym kolejnym urządzeniu powoduje odwrotny ciąg z powodu większej gęstości ochłodzonej wody, ponieważ ciepłej wodzie w każdym urządzeniu trzeba podnieść się do góry, a zstępująca woda jest zimniejsza i bardziej gęsta. Zwiększa to opór dla krążenia nośnika ciepła i wymaga pomp o większym ciśnieniu. Ponadto to obniżenie ciśnienia zmniejsza przepływ nośnika ciepła, co prowadzi do wzrostu spadku temperatury w każdym urządzeniu grzewczym, co może prowadzić do niezadowalającej temperatury w ostatnich grzejnikach i odpowiednio w ostatnich pomieszczeniach.
Przy górnym rozgałęzieniu powietrze z systemu usuwa się w górnym punkcie rurki doprowadzającej, ale także z każdego urządzenia grzewczego trzeba usuwać powietrze, wyposażając każde urządzenie grzewcze w odpowietrznik. Jednak przy górnej podawce ochładzanie się nośnika ciepła – składowa grawitacyjna, przeciwnie, zmniejsza opór, tworząc ruch grawitacyjny nośnika ciepła. Zwiększa to przepływ w systemie, co obniża spadek temperatury na każdym urządzeniu, poprawiając ich wydajność cieplną. Takie systemy są dobre dla dużych różnic temperatur między temperaturą dostawy a temperaturą powrotu. Duża różnica temperatur pozwala na zmniejszenie średnicy rur przewożących nośnik ciepła, ponieważ ta sama masa wody oddając ciepło na dużej różnicy temperatur przekazuje więcej ciepła do ogrzewanych pomieszczeń.
Ważnym elementem eksploatacji systemów grzewczych jednorurkowych jest umiejscowienie zbiornika wyrównawczego. Obecnie często zamiast tradycyjnego zbiornika wyrównawczego stosuje się ekspansomat.
W czym zasadnicza różnica między zbiornikiem wyrównawczym a ekspansomatem? Teraz zrozumiecie to. Miejsce instalacji zbiornika wyrównawczego jest zazwyczaj połączone z atmosferą. Co to oznacza w zamkniętym systemie, w którym krąży nośnik ciepła? Prowadzi to do tego, że po pompie, przed zbiornikiem wyrównawczym, powstaje strefa z ciśnieniem większym niż atmosferyczne, a po zbiorniku niższym niż atmosferyczne. Jeśli zbiornik wyrównawczy jest zainstalowany nad kotłem na najwyższym punkcie systemu, aby ułatwić odpowietrzanie systemu, to jeśli od zbiornika do najdalszego urządzenia grzewczego prowadzi długi odcinek rur, to na najwyższym piętrze wysokiego budynku istnieje możliwość wrzenia nośnika ciepła z powodu pojawienia się w nim ujemnego ciśnienia. Dlatego zbiorniki wyrównawcze zastąpiono ekspansomatami. W ekspansomacie system jest również praktycznie połączony z atmosferą, a miejsce jego podłączenia dzieli system na obszar podwyższonego i obniżonego ciśnienia. Jednak ciśnienie w ekspansomacie jest wyższe niż atmosferyczne – jakby nie był na poziomie morza, a na głębokości. Temperatura wrzenia wody na głębokości – przy większym ciśnieniu – jest wyższa niż sto stopni. Tak przy ciśnieniu w systemie 2 kg/cm2 temperatura wrzenia wody wynosi 120°C. Oznacza to, że jeśli woda w kotle ma nawet 100°C, to na górnym piętrze przy ciśnieniu na parterze 2 kg/cm2, to na drugim piętrze ciśnienie wynosi 1,7 kg/cm2 i woda przy takim ciśnieniu wrze dopiero przy 119°C. Oznacza to, że woda o temperaturze 100°C i podłączona na parterze po pompie obiegowej do ekspansomatu, w którym ciśnienie powietrza wynosi 2 kg/cm2, nie będzie mogła wrzeć w dalekim grzejniku na drugim piętrze, jeśli średnica rur jest odpowiednio dobrana, a odległość do grzejnika nie przekracza stu metrów i nie ma zwężenia rury ani zaworu blokującego. Dlatego ekspansomaty znacząco poprawiły systemy ogrzewania o wysokiej temperaturze. Oprócz eliminacji możliwości wrzenia nośnika ciepła w urządzeniach grzewczych, ekspansomaty przewyższają zbiorniki wyrównawcze również dlatego, że w systemach z ekspansomatami nie zachodzi bezpośredni kontakt nośnika ciepła z powietrzem, co zmniejsza możliwość utleniania elementów metalowych systemu grzewczego. Kolejną zaletą ekspansomatu jest to, że w przypadku nadmiernego ciśnienia – ciśnienia wyższego niż atmosferyczne, nawet jeśli jest podłączony w najbardziej niekorzystnym miejscu, ciśnienie na wejściu do pompy obiegowej również jest wyższe niż atmosferyczne, co zwiększa przepływ w systemie i tym samym poprawia pracę systemu ogrzewania.
W celu poprawy działania systemu jednorurkowego wprowadzono wiele zmian. Oprócz opisanych wcześniej zalet i wad systemu jednorurkowego, warto dodać, że w tym systemie przeciwtok grawitacyjny praktycznie nigdy nie powoduje odwrócenia cyrkulacji nośnika ciepła, co nie ma miejsca w systemach dwururkowych i pętli Tichelmana. Jeśli chodzi o układ rozdzielczy, to jest to kolektor, który zapewnia jednakową temperaturę podawania nośnika ciepła do wszystkich urządzeń grzewczych. Po kolektorze praktycznie działa system jednorurkowy z jednym urządzeniem grzewczym. Wadą takiego systemu jest konieczność znacznego dławienia przepływu dla urządzeń blisko kolektora. Jeszcze trudniejsze jest dostarczenie ogrzewania w wielopiętrowym budynku, gdzie trzeba połączyć go z dwururkowym. To znacznie komplikuje bilansowanie systemu, aby równomiernie ogrzewać każde piętro, wymagając instalacji przed każdym kolektorem na piętrze zaworu regulacyjnego, a do regulacji potrzebny jest doświadczony specjalista lub znacznie skomplikowana automatyzacja systemu. Nawet gorsze jest to w przypadku czysto dwururkowego systemu. Tutaj nie ma wspólnego kolektora jak w systemie promieniowym, a należy dławienie dostarczenia do wszystkich urządzeń w rurze zasilającej, co ogranicza liczbę urządzeń w gałęziach. Ponadto istnieje możliwość górnej i dolnej dystrybucji nośnika ciepła, a w przypadku dolnej podaży możliwe jest powstanie przeciwtoku grawitacyjnego w poszczególnych urządzeniach, co prowadzi do niemożności pracy urządzenia grzewczego. Pętla Tichelmana również nie jest pozbawiona wad. Nawet dla jednopiętrowego domu konieczne jest dławienie dostarczenia do pierwszych i ostatnich urządzeń grzewczych, aby te środkowe zaczęły działać normalnie. Ponadto w pętli Tichelmana największe ryzyko wystąpienia przeciwtoku grawitacyjnego spowodowanego przepływem nośnika ciepła przy dolnym podłączeniu. Jednak stopień wymaganego dławienia w pętli Tichelmana jest znacznie niższy niż w przypadku systemu jednorurkowego, promieniowego, a tym bardziej dwururkowego, co zwiększa niezawodność systemu. W systemach promieniowych, dwururkowych i pętli Tichelmana nośnik ciepła jest podawany do wszystkich urządzeń grzewczych z jednakową temperaturą, co ułatwia dobór rozmiarów urządzeń grzewczych w porównaniu do systemu jednorurkowego, ale wymaga stosowania rur o większym przekroju niż w systemie jednorurkowym i wymaga dłuższych rur. Na przykład, dla pracy systemu jednorurkowego z grzejnikami w pionie lub zasilaniem na górę, można dostarczyć nośnik ciepła o temperaturze 90°C do stalowej rury, a minimalna temperatura powrotu z grzejników wynosi 60°C. Oznacza to, że możliwy spadek temperatury wynosi 30°C. Przy użyciu plastikowych rur maksymalna temperatura dostawcza wynosi 80°C, co skutkuje znacznym skróceniem czasu życia rur w porównaniu z maksymalnym dostarczaniem 70°C. Oznacza to praktycznie, że koszt rur do dostarczania nośnika ciepła do energooszczędnego domu do urządzeń grzewczych, tj. podłóg grzewczych, jest co najmniej 3,2 razy wyższy niż w przypadku systemów z kotłami i grzejnikami. Jeśli kotłować grzejniki za pomocą pompy ciepła przy temperaturze dostawy 45°C, to korzystanie z nich nie jest efektywne. Nawiasem mówiąc, przy różnicy temperatury między dostawą a powrotem wynoszącej 10°C ich moc w stosunku do mocy paszportowej spada do zaledwie 19%, co oznacza, że zamiast jednego należy wziąć 5 urządzeń o mocy paszportowej.
Dlatego grzejniki z pompą ciepła są nieefektywne, nadają się tylko ogrzewanie podłogowe i inne urządzenia promieniowe oraz niskotemperaturowe. Jeśli podawać grzejniki pompą ciepła z temperaturą dostawy 60°C, to tracimy korzyści z zastosowania pompy ciepła. Nawiasem mówiąc, nawet jeśli na zewnątrz jest minus 5°C, rzeczywista sprawność ogrzewania nośnika ciepła do 60°C nie przekracza 1,5, co czyni jego stosowanie nieskutecznym.
Wszystko to dotyczyło systemów ogrzewania o wysokiej temperaturze stosowanych w budynkach z przeszłości, w których panowały inne style budownictwa. Obecnie rozwija się budownictwo energooszczędnych domów. Jednakże tylko niskotemperaturowy system ogrzewania oparty na pompie ciepła nadaje się do efektywnego domu energooszczędnego. Oznacza to, że dobrze sprawdzony w użytkowaniu jednorurkowy system ogrzewania, który tworzył duży spadek temperatury nośnika ciepła, nie jest odpowiedni dla ogrzewania energooszczędnych domów, ponieważ pompa ciepła nie generuje dużego spadku temperatury nośnika ciepła.
To jedno z istotnych problemów budownictwa domów energooszczędnych, zwłaszcza tych wielopiętrowych, gdzie możliwe są zastosowania systemu dwururkowego, układu promieniowego i pętli Tichelmana, ale wszystkie one mają wiele wad. Dlatego ostateczny wybór schematu zależy od konkretnego zadania.
Do opisanych głównych metod instalacji systemu ogrzewania należy dodać sposoby podłączania systemu ogrzewania do źródła ciepła – pompy cieplnej, a także do kolektora słonecznego – próżniowego lub płaskiego, a także do awaryjnego źródła ciepła. Takie podłączenia mogą być sekwencyjne, równoległe z kolektorami, z podziałem strzałki hydraulicznej, mogą być stosowane pierścień pierwotny-wtórny. Mogą być również stosowane kombinacje różnych metod. Dla każdej metody podłączenia istnieją zalety i wady, a wybór metody podłączenia zależy od konkretnych wymagań i zadań systemu.
Nowoczesne technologie oprócz opisanych problemów i możliwości oferują wiele nowoczesnych materiałów, urządzeń i narzędzi do realizacji projektu, a także stale pojawiają się nowe technologie i rozwiązania.
Opisane problemy i trudności, zrozumienie ich przez inwestorów, a także wyższe koszty materiałów i droższe urządzenia w porównaniu z instalacją systemów z kotłami, powinny pomóc w planowaniu i wyborze wykonawców do realizacji budowy energooszczędnego domu.
