Pompa ciepła z kolektorami słonecznymi

Możliwości współpracy kolektorów słonecznych z pompą ciepła

Współpraca z obiegiem pierwotnym i wtórnym pompy ciepła

Korzyści ze wspomagania pracy pompy ciepła

Wydanie 1/2014

29.08.2014

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

2

Możliwości wykorzystania energii słonecznej

Kolektory słoneczne mogą zapewniać pokrycie

do 60% rocznych potrzeb ciepła dla podgrzewu

ciepłej wody użytkowej lub do 30% rocznych

potrzeb ciepła potrzebnego łącznie dla

podgrzewania wody użytkowej i wspomagania

ogrzewania domu.

Kolektory słoneczne stanowią uzupełnienie

systemów grzewczych, zarówno tradycyjnych

(z kotłem grzewczym), jak i wykorzystujących

energię odnawialną (z pompą ciepła).

Współpraca z pompą ciepła może być

realizowana w wielu wariantach – zarówno

po stronie obiegu pierwotnego, jak i wtórnego

pompy ciepła.

3

Obieg pierwotny i obieg wtórny pompy ciepła

Dolne źródło ciepła

OBIEG PIERWOTNY

Odbiór ciepła

OBIEG WTÓRNY

Kolektory słoneczne mogą wspomagać pracę pompy ciepła zarówno po stronie

pierwotnej (dolne źródło ciepła), jak i po stronie wtórnej (odbiór ciepła)

4

WARIANT 1: kolektory słoneczne

w obiegu wtórnym pompy ciepła

PRZYKŁADOWE SCHEMATY:

Kolektory słoneczne

w obiegu wtórnym pompy ciepła

Najczęstszym zastosowaniem kolektorów słonecznych we współpracy

z pompą ciepła, jest wspomaganie jej pracy po stronie wtórnej. W ten sposób

wspomagane jest bezpośrednio podgrzewanie ciepłej wody użytkowej, a także

wody grzewczej w systemie ogrzewania budynku. Instalacja solarna wprost

zmniejsza czas pracy pompy ciepła, obniżając zużycie energii elektrycznej.

5

1a) Kolektory słoneczne dla podgrzewania

c.w.u. – z podgrzewaczem biwalentnym

W przypadku pomp ciepła solanka/woda, instalacja solarna odciąża ją od pracy

szczególnie poza sezonem grzewczym, zapewniając korzystne warunki dla

regeneracji termicznej dolnego źródła ciepła (np. sond gruntowych).

Należy zapewnić odpowiednią wielkość wężownicy do której podłączona

jest pompa ciepła (min. 0,25 m2 na 1 kW mocy grzewczej) lub w razie potrzeby

zastosować zewnętrzny wymiennik ciepła ( schemat 1b).

1

2 3

4

1- kolektory słoneczne

2- podgrzewacz biwalentny c.w.u.

3- pompa ciepła

4- system grzewczy

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

wtórnego pompy ciepła

6

1b) Kolektory słoneczne dla podgrzewania

c.w.u. – zewnętrzny wymiennik ciepła

Jeżeli moc grzewcza pompy ciepła jest zbyt wysoka w stosunku do powierzchni

wężownicy w podgrzewaczu pojemnościowym (dla uzyskania podwyższonego

komfortu ciepłej wody użytkowej), to przekazywanie ciepła z pompy ciepła do

wody użytkowej, powinno odbywać się w zewnętrznym płytowym wymienniku

ciepła. Wówczas konstrukcja podgrzewacza musi zapewniać jednak niezbyt dużą

prędkość napływu podgrzanej wody użytkowej, aby nie dopuszczać do wysokiej

różnicy temperatury wody w parowniku pompy ciepła (obniżenie efektywności).

1

2 3

4

1- kolektory słoneczne

2- podgrzewacz biwalentny c.w.u.

3- pompa ciepła

4- wymiennik ciepła

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

wtórnego pompy ciepła

7

1c) Kolektory słoneczne dla podgrzewania

c.w.u. – pompa ciepła wody użytkowej

Coraz popularniejsze staje się stosowanie pomp ciepła typu powietrze/woda

przeznaczonych do podgrzewania wody użytkowej. Stanowią one samodzielne

urządzenie, które może współpracować z kolektorami słonecznymi podłączonymi

do oddzielnej wężownicy grzewczej. Współpraca z kolektorami słonecznymi

zmniejsza zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła, co przekłada się także

na podwyższenie klasy efektywności energetycznej rozwiązania.

1

2

1- kolektory słoneczne

2- pompa ciepła c.w.u.

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

wtórnego pompy ciepła

8

1d) Kolektory słoneczne dla podgrzewania

c.w.u. i wspomagania ogrzewania c.o.

Dzięki zastosowaniu podgrzewacza uniwersalnego (nazywanego także

multiwalentnym lub „kombi”) kolektory słoneczne mogą wspomagać pracę pompy

ciepła na łączne potrzeby ciepłej wody użytkowej oraz ogrzewania domu.

W podgrzewaczu typu „tank in tank” (zbiornik w zbiorniku), woda użytkowa

podgrzewana jest w wewnętrznym zbiorniku odbierając ciepło od wody grzewczej

podgrzewanej przez pompę ciepła, kolektory słoneczne i inne źródła ciepła.

1

2

1- kolektory słoneczne

2- podgrzewacz uniwersalny „tank in tank”

3- pompa ciepła

4- system grzewczy

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

wtórnego pompy ciepła

3

4

9

1e) Kolektory słoneczne dla podgrzewania

c.w.u. i wspomagania ogrzewania c.o.

Pompa ciepła i kolektory słoneczne mogą również podgrzewać wodę grzewczą

w podgrzewaczu uniwersalnym wyposażonym w wężownicę wody użytkowej.

W wężownicy podgrzewana jest od wody grzewczej przepływająca w trakcie

poboru ciepła woda użytkowa. Tego typu podgrzewacze przeznaczone są dla

standardowych potrzeb c.w.u. w domach 1-rodzinnych, tzn. bez nagłych wysokich

poborów wody (np. w przypadku korzystania jednocześnie z dwóch łazienek).

1

2

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

wtórnego pompy ciepła

3

4

1- kolektory słoneczne

2- podgrzewacz uniwersalny z wężownicą

dla podgrzewania wody użytkowej

3- pompa ciepła

4- system grzewczy

10

1f) Kolektory słoneczne dla podgrzewania

c.w.u. i wspomagania ogrzewania c.o.

Podgrzewacze uniwersalne z przepływowym podgrzewaniem ciepłej wody

użytkowej są w niektórych typach wyposażane w dodatkowy wymiennik ciepła

oraz pompę wody grzewczej. W trakcie poboru wody użytkowej tak zwana funkcja

„booster” zwiększa moc grzewczą podgrzewu c.w.u.. W ten sposób zapewnia

się podwyższony komfort wody użytkowej dla zwiększonego zapotrzebowania.

1

2

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

wtórnego pompy ciepła

3

4

1- kolektory słoneczne

2- podgrzewacz uniwersalny

z funkcją „booster”

3- pompa ciepła

4- system grzewczy

11

1g) Kolektory słoneczne dla podgrzewania

c.w.u. i wspomagania ogrzewania c.o.

Wspomaganie ogrzewania i podgrzewanie ciepłej wody użytkowej przez

kolektory słoneczne współpracujące z pompą ciepła, może być realizowane

również przy użyciu standardowego podgrzewana biwalentnego c.w.u. i zbiornika

buforowego centralnego ogrzewania (c.o.). Instalacja solarna podgrzewa wodę

użytkową, a w drugiej kolejności wodę grzewczą w zbiorniku buforowym.

Rozwiązanie zapewnia wysoki komfort wody użytkowej, ale wymaga więcej

miejsca zabudowy i wiąże się z wyższymi kosztami inwestycji.

1

2

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie

obiegu wtórnego pompy ciepła

4

3

1- kolektory słoneczne

2- podgrzewacz biwalentny c.w.u.

3- zbiornik buforowy c.o.

4- pompa ciepła

5- system grzewczy

5

12

PRZYKŁAD: pompa ciepła we współpracy

z kotłem węglowym i kolektorami słonecznymi

Pompa ciepła Vaillant geoTHERM (1) we współpracy z kotłem na paliwo stałe

(3) oraz kolektorami słonecznymi (2). Woda użytkowa (5) oraz grzewcza (6) są

podgrzewane w podgrzewaczu uniwersalnym (3).

2

1

3

4

6

5

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie

obiegu wtórnego pompy ciepła

13

Współpraca kolektorów słonecznych z pompą

ciepła – układ automatycznej regulacji

Ważną rolę w układach połączonych pompy ciepła z kolektorami słonecznymi,

odgrywa układ regulacji, który powinien przede wszystkim zapewniać wyłączanie

lub ograniczanie pompy ciepła, w trakcie pracy instalacji solarnej.

Priorytet pracy powinien należeć do instalacji solarnej, która zapewnia najniższe

koszty wytworzenia ciepła (zł/kWh). Podczas pracy instalacji solarnej pobór mocy

elektrycznej wynosi przeciętnie 30÷50 W, podczas gdy dla pompy ciepła zależnie

od jej mocy grzewczej około 2÷3 kW (np. pobór mocy elektrycznej sprężarki 2 kW

dla pompy ciepła o mocy grzewczej 8 kW przy współczynniku COP = 4,0).

14

WARIANT 2: kolektory słoneczne

w obiegu pierwotnym pompy ciepła

PRZYKŁADOWE SCHEMATY:

Kolektory słoneczne

w obiegu pierwotnym pompy ciepła

Rzadsze zastosowanie kolektorów słonecznych dotyczy wspomagania pracy

pompy ciepła po stronie jej obiegu pierwotnego. Wymaga większych powierzchni

kolektorów, ale równocześnie dopuszcza możliwość stosowania tańszych

urządzeń, także absorberów (bez szyby) pracujących poza sezonem grzewczym,

gdzie ciepło jest magazynowane lub przyspiesza regenerację termiczną dolnego

źródła ciepła (np. kolektora gruntowego lub sond gruntowych).

Dzięki niskim temperaturom roboczym w obiegu pierwotnym pompy ciepła,

instalacja solarna uzyskuje wysokie sprawności pracy.

15

2a) Kolektory słoneczne dla wspomagania

pracy dolnego źródła ciepła (sondy pionowe)

Jako kolektory słoneczne można stosować absorbery bez przykrycia, które

podejmują pracę w porze ciepłej wspomagając dolne źródło ciepła (np. sondy

gruntowe). Współpraca z podgrzewaczem biwalentnym pozwala także na

bezpośrednie podgrzewanie wody użytkowej przez instalację solarną.

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

pierwotnego pompy ciepła

1- kolektory słoneczne

2- zbiornik solanki

3- pompa ciepła

4- podgrzewacz biwalentny c.w.u.

5- zbiornik buforowy c.o.

6- sondy gruntowe

1

2

4 3 5

6

16

2b) Kolektory słoneczne dla wspomagania

dolnego źródła ciepła (kolektor gruntowy)

Kolektory słoneczne mogą dostarczać ciepło do dolnego źródła ciepła, np. do

kolektora gruntowego, co przyspiesza jego regenerację termiczną i w zależności

od warunków geologicznych pozwala magazynować ciepło. Efektywność pracy

pompy ciepła będzie mogła być podwyższona (o kilka % w skali roku).

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

pierwotnego pompy ciepła

1- kolektory słoneczne

2- pompa ciepła

3- podgrzewacz uniwersalny

4- kolektor gruntowy poziomy

1

2

4

3

17

2c) Kolektory słoneczne dla współpracy

z sezonowym zasobnikiem ciepła

Kolektory słoneczne są spotykane we współpracy pomp ciepła solanka/woda

z tzw. sezonowymi zasobnikami ciepła. Rolą kolektorów jest dostarczanie ciepła

magazynowego na okres sezonu grzewczego w zasobniku zawierającym wodę

lub substancje chemiczne o niższej temperaturze krzepnięcia (np. octan sodu).

Tego typu rozwiązania są stosowane częściej w obszarach, gdzie nie

zezwala się na wykonanie odwiertów dla sond pionowych,

a powierzchnia działki nie pozwala wykonać

poziomego kolektora gruntowego.

Wariant współpracy kolektorów

słonecznych po stronie obiegu

pierwotnego pompy ciepła

1- kolektory słoneczne

2- pompa ciepła

3- sezonowy zasobnik ciepła

1

2

3

18

Podsumowanie

Zastosowanie kolektorów słonecznych do współpracy z pompą ciepła może być

realizowane na wiele sposobów. Wybór rozwiązania zależy zarówno od warunków

technicznych (budynek, powierzchnia działki), jak i ekonomicznych.

Układy pomp ciepła z kolektorami

słonecznymi cechują się najwyższymi

klasami efektywności energetycznej i ich

znaczenie w przyszłości będzie stale rosło

Odciążenie pompy ciepła od pracy obniża

koszty eksploatacyjne, pozwala także na

etapie doboru zmniejszyć rozmiar dolnego

źródła ciepła i poprawić warunki jego

termicznej regeneracji (w przypadku gruntu

jako dolnego źródła ciepła).

Chłodzenie

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji