Pompa ciepła - błędy projektowe, montażowe
i eksploatacyjne
Pompy ciepła są nowoczesnymi, w pełni zautomatyzowanymi, urządzeniami grzewczymi, mogącymi
przyczynić się do ograniczenia zużycia paliw konwencjonalnych, a także do ograniczenia kosztów
ogrzewania budynku. Ich stosowanie nie musi więc być podyktowane jedynie trendami mody, ale
także dbałością o środowisko naturalne i względami finansowymi. Należy jednak być świadomym
tego, że wspomniane korzyści mogą przynieść jedynie urządzenia i systemy właściwie
zaprojektowane, dobrane, wykonane i eksploatowane, a więc pracujące bez zakłóceń. Błędy
spotykane na wszystkich etapach cyklu życia systemu mogą powodować jego niewłaściwą pracę, a
nawet być powodem uszkodzeń jego elementów.
Wobec tego projekt i wykonawstwo systemu pompy ciepła powinno się zlecać profesjonalnym firmom,
specjalizującym się w realizacji tego typu inwestycji. Najlepiej byłoby gdyby firma realizująca
inwestycję posiadała autoryzację producenta pompy ciepła, co jest dodatkowym gwarantem jej
profesjonalizmu. Albowiem zaprojektowanie i wykonawstwo systemu pompy ciepła musi być
wykonane zgodnie z zachowaniem wszelkich koniecznych przepisów i norm. Jest to bowiem
podstawowy warunek bezpieczeństwa użytkowania i właściwego działania systemu. Niestosowanie
się do niego może być przyczyną wielu błędów do których należą m.in.:
Błędy na etapie projektowania systemu (doboru urządzeń)
Błędne określenie Ogólnego Zapotrzebowania na Ciepło (OZC)
Podstawą doboru wszystkich urządzeń i systemów grzewczych jest określenie zapotrzebowania na
ciepło wytwarzane i dostarczane do budynku przez system. Jego błędna wartość powoduje zły dobór
elementów systemu, które mogą być przewymiarowane lub niedowymiarowane, a więc jest
przyczyną błędów w dalszych etapach projektu. W przypadku popełnienia błędu na tym etapie nawet
właściwe wykonanie systemu nie gwarantuje jego poprawnego i efektywnego działania.
Niedowymiarowane mocy pompy ciepła
Niedowymiarowana pompa ciepła nie jest w stanie przekazać do budynku wystarczającej ilości ciepła,
przez co, szczególnie w okresach gdy temperatura zewnętrzna osiąga bardzo niskie wartości,
występuje problem niedogrzania pomieszczeń. Użytkownik pompy ciepła o zbyt małej mocy jest
zmuszony do korzystania z innego z
ródła ciepła w celu dogrzania pomieszczeń. Zakup pompy ciepła
o małej mocy może wydać się kuszący z finansowego punktu widzenia, ponieważ można dzięki temu
ograniczyć koszty inwestycji, przez co niekiedy użytkownicy rozmyślnie decydują się na takie
rozwiązanie. Należy jednak zdać sobie sprawę z tego, że w okresach chłodniejszych konieczne będzie
działanie dodatkowego z
ródła ciepła, które może być mniej efektywne od pompy ciepła (tym bardziej,
że COP pompy ciepła jest wysokie), co wpłynie na generowanie dodatkowych kosztów
eksploatacyjnych, przewyższających koszty generowane przez pompę wyższej mocy, które mogą
spowodować zwiększenie okresu zwrotu inwestycji w system grzewczy w porównaniu do sytuacji gdy
zainstaluje się pompę ciepła o mocy właściwie dopasowanej do zapotrzebowania energetycznego
obiektu.
Przewymiarowanie mocy pompy ciepła
Podstawowym problemem płynącym z przewymiarowania pompy ciepła jest to, że pompa o mocy
większej niż potrzeba jest urządzeniem droższym, a więc następuje nieuzasadnione zawyżenie
kosztów systemu, przez co wydłuża się okres zwrotu nakładów. Prawdopodobne jest, że przy niskiej
temperaturze zewnętrznej, przewymiarowana pompa ciepła będzie pracowała właściwie, tak jak
pompa o mocy dobranej prawidłowo. Różnica polegała będzie na tym, że przewymiarowana pompa
ciepła będzie wykorzystywała mniejszy procent swojej mocy. W momencie jednak, gdy temperatura
zewnętrzna podniesie się do określonego poziomu, może zostać przekroczony zakres regulacji mocy
sprężarki, co może spowodować problemy w jej pracy.
y
le dobrany wymiennik gruntowy (dolne z
ródło ciepła)
Dolne z
ródło ciepła jest bardzo ważnym elementem systemu grzewczego z pompą ciepła, ponieważ
to właśnie z niego pobierane jest ciepło służące do ogrzewania budynku. W przypadku pomp ciepła
solanka/woda dolnym z
ródłem ciepła jest grunt. Ciepło z gruntu pobiera się za pomocą pionowych
lub poziomych sond (wymienników) gruntowych wypełnionych wodnym roztworem glikolu (tzw.
solanką). Zbyt duży wymiennik gruntowy nie stanowi dużego problemu eksploatacyjnego. Głównym
problemem w tym przypadku jest zawyżenie kosztów inwestycji, a więc zwiększenie czasu jej zwrotu.
Poważny problem pojawia się w przypadku doboru zbyt małego wymiennika gruntowego. Zbyt mały
wymiennik gruntowy nie jest bowiem w stanie odebrać od gruntu wystarczającej do ogrzania
pomieszczeń ilości ciepła, przez co system z pompą ciepła jest nie wystarczający do zapewnienia
właściwej temperatury w ogrzewanym budynku. Efekty złego doboru wymiennika gruntowego, a
także jego związku z niewłaściwie dobraną mocą pompy ciepła przedstawione zostały w tabeli [1].
Tabela. Związek doboru wymiennika gruntowego z doborem mocy pompy ciepła [1]
Moc dolnego z
ródła
Moc pompy
ciepła
niedostateczna odpowiednia zbyt duża
niedogrzanie
niedogrzanie niedogrzanie
niedostateczna budynku, zawyżone
budynku budynku
koszty inwestycji
niedogrzanie
budynku, pompa prawidłowy stan
prawidłowy
odpowiednia wyłącza się pracy, zawyżone
stan pracy
sygnalizując zbyt koszty inwestycji
niskie ciśnienie
Z powyższej tabeli widać, że równie ważny jest dobór mocy pompy ciepła, jak również mocy jej
dolnego z
ródła, ponieważ złe dobory każdego z tych elementów skutkują niewłaściwą pracą systemu
lub/i niepotrzebnym zawyżeniem kosztów inwestycji.
Oprócz problemów przedstawionych w Tabeli 1, zły dobór wymiennika gruntowego niesie za sobą
niebezpieczeństwo zbyt dużego wychłodzenia gruntu (dolnego z
ródła) skutkującego utrudnieniem
jego regeneracji. Utrudniona regeneracja dolnego z
ródła powoduje z kolei spadek temperatury
wejściowej pompy ciepła, a co za tym idzie, spadek jej mocy nominalnej. Pompa o obniżonej mocy
nominalnej, w celu wytworzenia zadanej ilości energii musi wydłużyć swój czas pracy, przez co
sprężarka przez dłuższy czas pobiera elektryczność, a więc koszty jej eksploatacji rosną. Jest to
bardzo niepożądane zjawisko lecz o wiele gorsze wydają się być następstwa tego stanu dla gruntu,
ponieważ dłużej pracująca pompa ciepła bardziej obciąża dolne z
ródło, które jeszcze szybciej traci
temperaturę. Tym sposobem następują kolejne spadki temperatury i mocy, co w ostateczności może
doprowadzić nawet do zamrożenia dolnego z
ródła i przerwy w pracy pompy ciepła.
Zły dobór wymiennika gruntowego przeważnie spowodowany jest przyjęciem złych współczynników
pozyskiwania ciepła z gruntu (współczynników mocy cieplnej gruntu) wyrażonych w W/m,
przeważnie za wysokich, co skutkuje niedowymiarowaniem wymiennika gruntowego. Jest to efekt
niedostatecznej znajomości geologii gruntu (brak rozpoznania geolologicznego) i jego właściwości
cieplnych. Należy bowiem pamiętać, że zazwyczaj kolektory pionowe przechodzą przez kilka
odmiennych pod względem geologicznym warstw gruntu, dlatego najlepiej jest stosować
doświadczalne metody oszacowania możliwości cieplnych odwiertów, wykorzystując informacje z
pierwszych odwiertów, które mogą służyć jako kontrolne. Dla systemów o dużej mocy grzewczej
opłacalne może okazać się nawet wykonanie pomiaru przewodności cieplnej gruntu w celu
precyzyjnego określenia potrzebnej długości kolektora gruntowego wykonane przez profesjonalną
firmę.
Błędy w doborze górnego z
ródła ciepła
y
le dobrany zasobnik c.w.u.
Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym pracującym na niskich parametrach, co
oznacza, że jest ona przystosowana do wytwarzania niższych temperatur niż kocioł
grzewczy. Wobec tego zasobnik wodny powinien posiadać wężownicę o większej
powierzchni wymiany ciepła niż zasobnik dobierany dla kotła grzewczego lub być
wyposażony w zewnętrzny wymiennik płytowy. Zły dobór zasobnika c.w.u., polegający
przeważnie na zastosowaniu zasobnika o zbyt małej powierzchni odbioru ciepła, będzie
skutkował zbyt niską temperaturą c.w.u..
Nieprawidłowe zwymiarowanie instalacji c.o.
Tak jak zauważono wcześniej, pompa ciepła pracuje na niskich parametrach, niższych od
kotłów grzewczych, a więc temperatura wody w instalacji grzewczej powinna być jak
najniższa. Jest to bardzo ważne, ponieważ przy niższych parametrach pompa ciepła
pracuje z wyższą sprawnością (wyższym COP) niż przy temperaturach wyższych, co jest
spowodowane małą różnicą temperatur w przypadku systemu o niskich parametrach, a
więc jej działanie jest efektywniejsze. W systemach pomp ciepła zaleca się więc
stosowanie ogrzewania płaszczyznowego (podłogowego, sufitowego, ściennego) i
rezygnację z tradycyjnych grzejników, przystosowanych do zasilania kotłowego, czyli
wysokotemperaturowego. W przypadku systemu z pompą ciepła grzejniki byłyby zasilane
niższą temperaturą, a więc ich powierzchnia grzewcza musiałaby być znacznie większa
niż przy zasilaniu kotłowym. Podłączanie pompy ciepła do instalacji grzewczej pracującej
na wysokich parametrach jest więc błędem, powodującym spadek COP przekładający się
na wzrost kosztów eksploatacyjnych systemu, a więc zwiększenie czasu zwrotu urządzeń
lub też niedogrzanie pomieszczeń spowodowane zbyt małą powierzchnią wymiany ciepła
grzejników.
Niewłaściwie dobrane elementy instalacji wewnętrznej zasilania/powrotu systemu
rozprowadzenia ciepła
Poważnym błędem mogą też być nieprawidłowe średnice rur zasilania i powrotu we
wszystkich odcinkach instalacji rozprowadzania ciepła, co może być przyczyną m.in.
spadku nominalnego przepływu po stronie skraplacza, co spowoduje niedogrzanie
budynku, albowiem instalacja nie będzie w stanie przenieść zbyt małym przepływem
odpowiednich ilości energii lub też wzrostu prądu pracy, a więc obciążenia
elektrycznego, co spowoduje zwiększenie zużycia sprężarki, a więc wyższy pobór
elektryczności, czyli zwiększenie kosztów eksploatacji urządzenia. Dobrze jest pamiętać
o tym, że przy wymianie kotła na pompę ciepła czasem wymagane jest zwiększenie
przepustowości (średnicy) rur, a więc należy liczyć się z koniecznością ich wymiany.
Błędy na etapie montażu
Złe wykonanie kolektora gruntowego
Wymiary kolektora gruntowego zależą przede wszystkim od rodzaju gruntu w którym ma być on
instalowany. Z danej powierzchni gruntu konkretnego rodzaju można uzyskać ściśle określoną ilość
energii, wobec czego pionowe sondy jak również poziomy kolektor gruntowy muszą być ułożone z
zachowaniem odpowiednich odległości. Błędem jest zbyt gęste ułożenie kolektora poziomego lub/i
usytuowanie go zbyt blisko powierzchni, a także zbyt gęste rozmieszczenie odwiertów pod sondy
pionowe lub/i niewłaściwe określenie ich głębokości, ponieważ może to prowadzić do zbytniego
wychłodzenia gruntu, a więc nieprawidłowego funkcjonowania pompy ciepła włączenie z
zaprzestaniem jej pracy. Błędem jest również niedokładne wypełnienie odwiertów sond pionowych,
ponieważ puste przestrzenie utrudniają przekazywanie ciepła z gruntu do kolektora.
Dużym błędem jest również umieszczania kolektora w gruncie słabym lub antropogenicznym, np.
skarpie nasypu, która może się osunąć, w efekcie odkrywając kolektor. Kolektor należy umieszczać
zawsze w macierzystym gruncie nośnym, co zapewnia jego wieloletnią stabilną pracę.
Zaleca się umieszczanie kolektora gruntowego możliwie najbliżej pompy ciepła, czyli obiektu.
Umieszczenie kolektora w znacznej odległości o obiektu wymaga bowiem stosowania pompy
obiegowej obiegu solanki o większej mocy, co przekłada się na wzrost zużycia elektryczności
potrzebnej do jej działania, a więc generowania dodatkowych kosztów eksploatacyjnych systemu.
Bardzo ważne jest również dokładne zaizolowanie wejścia dolnego z
ródła do pompy ciepła, aby nie
dopuścić do wykraplania, a nawet obladzania rur.
Zapowietrzenie instalacji
Zapowietrzenie instalacji spowoduje jej nieprawidłowe działanie, dlatego należy tego unikać zarówno
na etapie wykonywania, jak i uruchamiania instalacji. W przypadku wystąpienia należy instalację
odpowietrzyć.
Nieprawidłowo wykonana instalacja grzewcza
Błędy obecne w instalacji grzewczej budynku mogą również zakłócić prawidłowe funkcjonowanie
systemu pompy ciepła. Należą do nich m.in. niewłaściwy rozstaw rur w przypadku ogrzewania
płaszczyznowego, czy też stosowanie rozdzielacza bez rotametru, czyli pozbawienie instalacji
możliwości właściwej regulacji przepływu, a więc możliwości jej prawidłowego zrównoważenia
hydraulicznego.
Nieszczelna instalacja
Nieszczelności w instalacji mogą doprowadzić m.in. do wykraplania i obladzania rur oraz
konieczności częstego uzupełniania glikolu. Szczególnie niebezpieczne są nieszczelności kolektora
gruntowego, ponieważ są bardzo trudne, a właściwie prawie niemożliwe do zlokalizowania i
wyeliminowania.
Ciecz robocza o nieodpowiednich właściwościach
W pompie ciepła solanka/woda cieczą roboczą jest wodny roztwór glikolu, tzw. solanka. Glikole
dystrybuowane są w postaci koncentratów i roztworów. W celu bezpośredniego wykorzystania ich w
pompach ciepła należy więc samodzielnie przygotować roztwór. Każde stężenie roztworu odpowiada
innej, ściśle określonej temperaturze krzepnięcia. Nieodpowiednie proporcje koncentratu
glikolowego i wody mogą więc spowodować przygotowanie roztworu o niewłaściwej temperaturze
krzepnięcia, co może spowodować niewłaściwe działanie systemu.
Należy również pamiętać o tym, że woda używana do rozcieńczania koncentratu glikolowego musi
być odpowiedniej jakości, przede wszystkim o ograniczonej zawartości chlorków i o odpowiedniej
twardości. Często stosowana jest woda zdemineralizowana. Woda o nieodpowiedniej jakości może
przedłożyć się na problemy eksploatacyjne, takie jak: pienienie, korozja, obecność nadmiernej ilości
tlenu w instalacji itd.
Wykorzystanie nadmiernie zanieczyszczone j wody.
W pompach woda/woda jako dolne z
ródło ciepła wykorzystuje się wody gruntowe. Ważne jest aby
przed wykonaniem instalacji sprawdzić jakość tych wód, albowiem ich nadmierne zanieczyszczenie,
m.in. nadmierna ilość żelaza, manganu i innych zanieczyszczeń może być powodem zapychania
filtrów, a nawet wymiennika ciepła.
Złe usytuowanie zewnętrzne powietrznej pompy ciepła
Usytuowanie, pracującej na zewnątrz, powietrznej pompy ciepła króćcem  wydmuchowym w
bliskiej odległości od ściany może być przyczyną jej zawilgocenia.
Niedostateczne odprowadzanie skroplin powietrznej pompy ciepła
Skropliny powinny być bezwzględnie odprowadzane, najlepiej do kanalizacji deszczowej lub zwykłej.
Brak dostatecznego odprowadzenia skroplin może bowiem spowodować zawilgocenie fundamentów i
ścian budynku oraz doprowadzić do zakłóceń pracy pompy ciepła, a wręcz do jej  zamrożenia .
Hałasująca pompa ciepła
Pracująca pompa ciepła generuje hałas oraz drgania. Zwykle nie są to zakłócenia o dużej wartości i
nie stwarzają niedogodności eksploatacyjnych, jednak, w przypadku zastosowania sztywnych
przyłączy (rur) drgania mogą być przenoszone na instalację grzewczą, co stwarzać problemy. Wobec
tego przyłącza powinny być wykonane z elementów elastycznych, a umiejscowienie pompy ciepła
powinno być wcześniej przemyślane, aby nie przeszkadzać mieszkańcom budynku.
Błędy wykonawcze (fuszerka)
Bardzo często nieprawidłowości w działaniu systemu z pompą ciepła spowodowane są błędami
wykonawczymi spowodowanymi niedbałością, czyli popularnie zwana  fuszerka . Niedbałe
wykonanie instalacji może polegać przede wszystkim na podziurawieniu rur lub innych zniszczeniach
mechanicznych elementów systemu.
Błędy na etapie eksploatacji
Niewłaściwa eksploatacja terenu ponad wymiennikiem gruntowym
Teren ponad wymiennikiem gruntowym nie powinien być pokryty utwardzoną nawierzchnią,
zalesiony lub przeznaczony pod uprawy. Powinien być on wystawiony na swobodne oddziaływanie
promieniowani słonecznych, co sprzyja jego regeneracji. Poważnym błędem jest przykrywanie
takiego gruntu kostką brukową, płytami chodnikowymi, betonem, asfaltem lub inną powierzchnią
blokującą wnikanie promieni słonecznych, ponieważ może to utrudnić regenerację gruntu, czyli
spowodować jego zbytnie wychłodzenie.
Brak okresowych kontroli cieczy roboczych
Ciecze robocze (m.in. wodne roztwory glikolu) należy poddawać okresowej kontroli, podczas której
sprawdza się m.in. stężenie jonów wodorowych (pH), rezerwę alkaliczną oraz gęstość roztworu. Jest
to konieczne, ponieważ podczas eksploatacji ciecze robocze mogą ulegać destrukcji będącej efektem
różnorakich przemian chemicznych.
Brak lub złe uzupełnianie ubytków cieczy roboczych
W przypadku wystąpienia ubytków cieczy roboczej należy je uzupełnić, aby zapewnić prawidłowość
działania instalacji. Uzupełnienie takie musi być jednak wykonane prawidłowo. Jeżeli ciecz roboczą
stanowi wodny roztwór glikolu nie wolno jej niedoboru uzupełniać wodą, ponieważ spowoduje to
zmniejszenie stężenia glikolu w roztworze, co zaskutkuje obniżeniem temperatury krzepnięcia cieczy
roboczej i zwiększy prawdopodobieństwo jej zamarznięcia.
Zawyżone rachunki w pierwszym okresie używania systemu
Często w nowobudowanych obiektach odczuwalne są wyjątkowo wysokie koszty eksploatacji pompy
ciepła w pierwszym sezonie lub pierwszych dwóch sezonach użytkowania. Często traktowane jest to
przez inwestorów jako błąd , chociaż nim nie jest. Należy bowiem pamiętać o tym, że nowy budynek
zawiera wiele tzw. wilgoci technicznej- wody będącej składnikiem betonu, zapraw, tynków, itp.,
przez co ogrzewanie w pierwszym sezonie grzewczym ma za zadanie również usunięcie tej wilgoci.
Powoduje to wzrost zapotrzebowania budynku na ciepło dostarczane przez system pompy ciepła,
przez co rachunki za elektryczność są w tym okresie wyższe niż w okresach póz
niejszych. Należy
jednak pamiętać, że problem ten dotyczy wszystkich systemów grzewczych, nie tylko pompy ciepła, a
więc błędem jest traktowanie tego jako nieprawidłowość.
Literatura:
[1] http://ekobudowanie.pl/pompy-ciepla/1640-eksploatacja-i-konserwacja-systemu-z-pompa-ciepla [data dostępu: 07.01.2013r.]
Opracowanie: mgr inż. Joanna Kopica, mgr inż. Radosław Turski.
Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji.
Foto: Dimplex