Jak dobrać pojemność bufora do pompy ciepła. Wzór, przykład i trzy typowe błędy

Pytanie o pojemność bufora wraca przy prawie każdej instalacji z pompą ciepła. Odpowiedź „dwadzieścia litrów na kilowat" krąży po forach od lat i w połowie przypadków prowadzi do zbiornika o złej wielkości. Nie dlatego, że reguła jest zmyślona, tylko dlatego, że milczy o trzech rzeczach: ile czasu ma pracować sprężarka, jaką histerezę ma sterownik i czy pompa jest inwerterowa, czy on/off.

Poniżej wzór, z którego ta reguła wynika, obliczenie w obu wariantach i trzy błędy, które najczęściej widać na gotowych instalacjach.

Po co w ogóle bufor przy pompie ciepła

Bufor pełni w takiej instalacji trzy różne zadania i warto je rozdzielić, bo każde inaczej wpływa na dobór pojemności:

1. Wydłużenie cyklu pracy. Pompa ciepła o mocy dopasowanej do budynku przez większość sezonu pracuje na częściowym obciążeniu. Jeśli instalacja ma za mało wody, sprężarka osiąga zadaną temperaturę po dwóch minutach, wyłącza się, po chwili startuje ponownie i tak w kółko. To jest taktowanie. Skraca żywotność sprężarki i podnosi zużycie prądu, bo każdy rozruch kosztuje. W branży przyjmuje się, że zdrowa instalacja ma mniej więcej jeden start na godzinę pracy, a trzy starty na godzinę to już sygnał do interwencji.

2. Zapewnienie energii na odszranianie. Pompa powietrzna pracuje w trybie odszraniania dokładnie tak jak przy chłodzeniu: odwraca obieg i pobiera ciepło z instalacji, najczęściej właśnie z bufora, żeby stopić szron na parowniku zewnętrznym. Cykl trwa kilka minut i w sezonie potrafi powtarzać się co pół godziny do dwóch godzin, zależnie nie tylko od temperatury, ale i od wilgotności. Przy +2 stopniach i dużej wilgotności odszranianie bywa częstsze niż przy -15 i suchym powietrzu. Jeśli w obiegu nie ma zapasu ciepłej wody, pompa wychładza budynek albo musi załączyć grzałkę.

3. Rozdzielenie hydrauliczne. Bufor pozwala pompie pracować swoim przepływem, a instalacji swoim. Ma to znaczenie zwłaszcza tam, gdzie część obiegów zamyka się termostatami i przepływ przez pompę potrafi spaść poniżej minimum wymaganego przez producenta.

Pierwsze zadanie jest najczęściej decydujące przy doborze pojemności i to od niego zaczynamy liczenie.

Wzór na pojemność zładu wodnego

Ilość wody potrzebna, żeby sprężarka pracowała bez przerwy przez założony czas, wynika wprost z pojemności cieplnej wody:

gdzie:

• V – objętość wody w całej instalacji w litrach
• P – nadmiar mocy, którego budynek w danej chwili nie odbiera, w kilowatach (kW)
• t – zakładany minimalny czas pracy sprężarki w sekundach (s)
• ΔT – dopuszczalny przyrost temperatury w obiegu w kelwinach (K), czyli różnica między temperaturą wyłączenia a załączenia (histereza)
• 4,19 – ciepło właściwe wody w kJ/(kg·K)

Wzór odpowiada na pytanie: ile litrów wody trzeba podgrzać o ΔT stopni, żeby pochłonąć energię, której budynek nie zużyje przez czas t.

Ważna uwaga: Najczęstszy błąd rachunkowy polega na podstawieniu za P mocy nominalnej z karty katalogowej. To jest poprawne tylko dla pompy on/off, która albo pracuje pełną mocą, albo stoi.

Przykład 1: Pompa on/off 10 kW

Przyjmijmy minimalny czas pracy sprężarki 10 minut (600 s) i histerezę sterownika 5 K:

• P = 10 kW
• t = 600 sekund
• ΔT = 5 K

To jest 28,6 litra na kilowat i dokładnie dlatego dla pomp on/off w branży mówi się o ponad 20 litrach na kilowat. Reguła nie jest zmyślona, jest skrótem z tego rachunku.

Przykład 2: Pompa inwerterowa 10 kW

Inwerter nie wyłącza się, kiedy budynek potrzebuje mniej – zmniejsza obroty sprężarki. Taktowanie zaczyna się dopiero wtedy, gdy zapotrzebowanie budynku spada poniżej minimalnej mocy, do której pompa potrafi zejść. I to ta moc, a nie moc nominalna, wchodzi do wzoru.

Załóżmy, że nasza pompa 10 kW moduluje w dół do 3 kW:

• P = 3 kW
• t = 600 sekund
• ΔT = 5 K

Różnica jest ponad trzykrotna i wynika z jednej liczby w karcie katalogowej. Dla pomp inwerterowych podawane w branży orientacyjne 10 do 15 litrów na kilowat mocy nominalnej mieści się mniej więcej w tym rzędzie.

Uwaga praktyczna: Przy inwerterze wynik z tego wzoru bywa mniejszy niż minimalny zład, którego producent pompy wymaga w DTR (u większości producentów mieści się w przedziale 50 do 100 litrów). Wtedy to wymóg z DTR jest wiążący, nie nasz rachunek. Kolejność jest więc taka: sprawdź minimalny zład w DTR, policz wzorem, weź większą z dwóch liczb.

Błąd pierwszy: pominięcie wody, która już jest w instalacji

Wyliczona objętość dotyczy całego obiegu, nie samego zbiornika. Jeśli budynek ma ogrzewanie podłogowe, w rurach i w rozdzielaczach znajduje się już spora ilość wody i tę ilość da się policzyć, zamiast zgadywać.

Rura 16 × 2 mm ma średnicę wewnętrzną 12 mm, czyli mieści około 0,11 litra na metr bieżący. Długość rury wynika z rozstawu. Z samej geometrii przy rozstawie 20 cm wychodzi 5 metrów na metr kwadratowy, przy 15 cm około 6,7 metra, przy 10 cm około 10 metrów. W praktyce projektowej przyjmuje się nieco mniej, bo część powierzchni zajmują strefy brzegowe i przejścia. Realnie liczy się około 5,8 metra przy rozstawie 15 cm i około 8,8 metra przy 10 cm.

Dla stu metrów kwadratowych podłogówki daje to od około 50 do 110 litrów wody, plus kilka litrów w rozdzielaczu i pionach. Przy typowym rozstawie 15 cm wychodzi około 70 litrów.

Przy pompie inwerterowej z przykładu drugiego oznacza to, że sama podłogówka może pokryć cały wymagany zład i bufor jest potrzebny do czegoś innego, na przykład do rozdzielenia hydraulicznego, a nie do wydłużenia cyklu.

Instalacja grzejnikowa zachowuje się inaczej i tu też warto policzyć, a nie zgadywać. Pojemność wodną podaje karta katalogowa grzejnika: dla popularnego grzejnika płytowego o wysokości 600 mm jest to:

• około 3,2 litra na metr długości w typie 11,
• około 6,6 litra w typie 22,
• około 9,8 litra w typie 33.

Dom z dziesięcioma metrami bieżącymi grzejników typu 22 ma więc w samych grzejnikach około 66 litrów, czyli wcale nie tak mało.

Problem przy grzejnikach jest inny niż sama objętość: grzejniki są zamykane głowicami termostatycznymi. Zład, który policzyliśmy, w trakcie pracy potrafi skurczyć się do ułamka, bo połowa grzejników jest w danej chwili odcięta. Dlatego przy grzejnikach bufor albo sprzęgło jest praktycznie obowiązkowe, nawet jeśli arytmetyka wygląda przyzwoicie.

Wniosek praktyczny: Objętość instalacji trzeba policzyć, zanim dobierze się zbiornik. To jest pięć minut pracy, a decyduje o różnicy między buforem 200 a 500 litrów.

Błąd drugi: dobieranie pojemności „na zapas"

Przewymiarowany bufor wygląda na bezpieczny wybór i w większości przypadków nim nie jest. Warto jednak wiedzieć, który z argumentów przeciwko przewymiarowaniu jest mocny, a który słaby.

Argument słabszy, niż się powszechnie twierdzi: straty postojowe.
Każdy zbiornik ma podaną w dokumentacji stratę postojową w watach, mierzoną wobec otoczenia chłodniejszego o 45 K. W danych producentów buforów wygląda to mniej więcej tak: około 93 W przy 300 litrach, około 98 W przy 500, około 125 W przy 750 i około 140 W przy 1000. Trzykrotnie większy zbiornik traci więc około połowy więcej, a nie trzy razy więcej, bo strata rośnie z powierzchnią, nie z pojemnością. Różnica jest realna, ale to kilkadziesiąt watów, a nie katastrofa. W rzeczywistej kotłowni, gdzie różnica temperatur jest mniejsza niż testowe 45 K, będzie jeszcze mniejsza.

Argument mocny: czas dojścia do temperatury.
Zbiornik trzeba najpierw nagrzać. Duży bufor wydłuża reakcję instalacji po każdym obniżeniu nocnym i przy sterowaniu pogodowym potrafi zniweczyć oszczędność, dla której to obniżenie wprowadzono.

Argument najmocniejszy: rozwarstwienie.
Im większy i szerszy zbiornik, tym trudniej utrzymać w nim warstwy o różnej temperaturze. Badania zbiorników warstwowych pokazują, że korzystny jest stosunek wysokości do średnicy w okolicach 2,5 do 3,5, bo taki kształt ogranicza mieszanie i utrzymuje ostrą granicę między warstwami. Zbiornik niski i szeroki miesza się chętniej. A mieszanie podnosi temperaturę w dolnej części zbiornika, czyli dokładnie tam, skąd pompa ciepła pobiera wodę do ogrzania, i obniża jej współczynnik efektywności (COP).

Duży bufor ma sens tam, gdzie ma konkretne zadanie: współpraca z kotłem na paliwo stałe, magazynowanie energii z fotowoltaiki w taryfie, zasilanie kilku obiegów o różnych temperaturach. Przy samej pompie ciepła w domu jednorodzinnym pojemności powyżej 500 litrów wymagają solidnego uzasadnienia.

Błąd trzeci: podłączenie, które niszczy rozwarstwienie

Zbiornik dobrany prawidłowo może pracować źle, jeśli króćce są użyte niezgodnie z przeznaczeniem. Ciepła woda jest lżejsza i zbiera się u góry, zimna opada. Ta warstwowość jest tym, co pozwala pobierać z góry wodę o pełnej temperaturze, podczas gdy dół zbiornika jest jeszcze chłodny i pompa może tam oddawać ciepło z wysokim współczynnikiem efektywności.

Dwie rzeczy tę warstwowość rozbijają:

• Zasilanie z pompy wprowadzone zbyt wysoko i powrót z instalacji wprowadzony w środek. Woda o temperaturze pośredniej, wpuszczona na niewłaściwej wysokości, psuje uwarstwienie w obu kierunkach. Producenci buforów opisują króćce jednoznacznie: osobno zasilanie i powrót ze źródła ciepła, osobno zasilanie i powrót układu grzewczego, i warto się tego opisu trzymać zamiast improwizować.
• Zbyt duży pęd strumienia na wlocie. O tym, czy wpływająca woda wmiesza się w zbiornik, czy ułoży się warstwą, decyduje stosunek siły wyporu do bezwładności strumienia. Im większa prędkość wlotu, tym silniejsze mieszanie. Dlatego w zbiornikach warstwowych stosuje się rozpraszacze, płyty perforowane i rozdzielacze tkaninowe, a przy doborze średnicy króćca nie warto oszczędzać. Konkretnej granicznej prędkości nie da się podać jedną liczbą dla wszystkich zbiorników, bo zależy ona także od geometrii i różnicy temperatur. Jeśli producent podaje zalecenie, jest ono ważniejsze niż reguła z forum.

Przy buforze bez wężownic, pracującym w układzie z czterema króćcami, kolejność jest prosta: zasilanie z pompy w górnej części strefy dolnej, powrót do pompy na samym dole, zasilanie instalacji z samej góry, powrót z instalacji w strefie środkowej lub dolnej, zależnie od różnicy temperatur.

Szybka weryfikacja doboru

Po obliczeniu warto sprawdzić wynik czterema pytaniami:

1. Czy podstawiłem właściwą moc? Dla pompy on/off moc nominalną, dla inwertera minimalną moc modulacji. To jest najczęstsze źródło zbiornika trzy razy za dużego.
2. Czy policzyłem wodę w instalacji, czy tylko w zbiorniku? Podłogówka potrafi zastąpić cały bufor.
3. Czy sprawdziłem minimalny zład wymagany w DTR pompy? Jeśli jest większy niż wynik wzoru, obowiązuje on.
4. Czy pojemność z nazwy to pojemność rzeczywista? W tej branży nazwa serii jest zaokrąglona w górę u wszystkich producentów. Zbiornik „500 l" mieści zwykle około 480 litrów, „1000 l" bywa poniżej 970. Do wzoru wchodzi objętość rzeczywista i dlatego w naszych kartach obie wartości stoją obok siebie.

I pytanie piąte, przyziemne: czy mam gdzie to postawić? Wymiary różnią się mocno w obrębie tej samej pojemności. Nasz AccuTherm 500 l w wykonaniu okrągłym ma 1945 mm wysokości i 760 mm średnicy z izolacją, przy stosunku wysokości do średnicy płaszcza około 3,2, czyli w zakresie korzystnym dla rozwarstwienia. Ten sam litraż w wykonaniu AccuTherm Slim to 1925 mm wysokości przy 980 mm szerokości i tylko 555 mm głębokości, więc wchodzi tam, gdzie zbiornik okrągły nie ma szans.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)