Kaskadowy układ pomp ciepła – kiedy i gdzie warto zastosować?

Dobór pompy ciepła powinien być uwarunkowany zapotrzebowaniem energetycznym budynku. O ile w przypadku domów jednorodzinnych kwestia ta nie przysparza raczej problemów, to istnieją typy obiektów, do których dopasowanie pompy ciepła nie jest już takie łatwe. Mowa tu przede wszystkim o budynkach o większej kubaturze, których zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania pomieszczeń lub na ciepłą wodę użytkową może ulegać zmianie. Do takich obiektów możemy zaliczyć domy wielorodzinne, hotele oraz obiekty przemysłowe i użytkowe. Takie obiekty wymagają urządzeń o znacznie większej mocy grzewczej niż w przypadku budownictwa mieszkalnego jednorodzinnego. Trzeba jednak mieć na uwadze, że to zapotrzebowanie na energię grzewczą może ulegać dynamicznym zmianom. Czy istnieje pompa ciepła, która sprosta tym wymaganiom? Rozwiązaniem jest nie jedno urządzenie a kilka pomp ciepła w układzie kaskadowym. W tym artykule omówimy:

• na czym polega kaskadowy układ pomp ciepła,

• dlaczego warto stosować kaskadowe pompy ciepła,

• jakie są rodzaje układów kaskadowych,

• jak sterować kaskadą pomp ciepła.

Czym charakteryzuje się kaskadowy układ pomp ciepła?

Pompa ciepła powinna być dopasowana do specyfiki budynku i zapotrzebowania na ciepło. Wybór zbyt słabego urządzenia uniemożliwi uzyskanie komfortu termicznego w budynku. Pompa o zbyt dużej mocy również nie jest dobry wyborem, ponieważ może dochodzić do taktowania, czyli częstego wyłączania się pompy (w momentach, gdy zapotrzebowanie na energię grzewczą będzie mniejsze), co jest jedną z przyczyn szybszego zużywania się elementów pompy ciepła – w szczególności sprężarki.

W układzie kaskadowym połączone są ze sobą co najmniej dwie pompy ciepła, a ich praca regulowana jest za pomocą specjalnego sterownika, a także systemu czujników. Charakterystyczną cechą układu kaskadowego pomp ciepła jest elastyczność działania systemu. W zależności od bieżącego zapotrzebowania energetycznego danego budynku uruchamiana jest odpowiednia liczba pomp ciepła. Jeżeli zapotrzebowanie na energię będzie wzrastać, uruchamiane będą kolejne jednostki pomp ciepła w układzie. W momencie, gdy zapotrzebowanie spadnie, działać będzie dokładnie tyle urządzeń, ile jest konieczne do zapewnienia prawidłowego działania systemu grzewczego.

Za pomocą układu kaskadowego pomp ciepła zasilać można zarówno ogrzewanie obiektów, jak i podgrzewać ciepłą wodę użytkową. Ten nowoczesny system grzewczy pozwala elastycznie dopasować moc do aktualnych potrzeb, jednocześnie zapewniając bezpieczeństwo energetyczne i obniżając koszty eksploatacyjne. Rozwiązanie to warto stosować we wszystkich obiektach, w których zapotrzebowanie energetyczne może zmieniać się w sezonowo (obiekty hotelowe), a także podczas codziennego stosowania (budynki wielorodzinne, obiekty użytkowe, obiekty przemysłowe i magazynowe).

Rodzaje układów kaskadowych pomp ciepła i różnice między nimi

Istnieje kilka rodzajów układów kaskadowych pomp ciepła, które różnią się między sobą pod względem systemu zależności między urządzeniami, sposobem pracy pomp w układzie, a także doborem typów pomp ciepła.

Początkowo, w przypadku starszych typach pomp ciepła tworzono układy kaskadowe wykorzystujące zewnętrzne sygnały blokowania. Był to dość prosty system składający się z kilku pomp ciepła. W ramach tego układu wyznaczało się pompę wiodącą i pompy nadążne – jednak każde urządzenie posiadało automatykę. Zaletą tego rozwiązania była prostota instalacji układu. Wadą takiego rodzaju kaskady pompy ciepła był tryb pracy urządzeń. Jako pierwsza włączana była zawsze nadrzędna pompa ciepła, która pracowała największą liczbę godzin i ulegała największej eksploatacji. Komunikacja między regulatorami nie istniała, zatem brakowało wymiany informacji na temat funkcjonowania urządzeń. Minusem był też brak możliwości równoległej pracy dla różnych źródeł ciepła jednocześnie.

Problemy te zostały rozwiązane w nowoczesnych układach kaskadowych pomp ciepła. Przede wszystkim, w nowej generacji systemów istnieje komunikacja regulatorów pomp ciepła. Dzięki temu możliwe jest sterowanie pompami ciepła, które bierze pod uwagę czas pracy poszczególnych pomp, a także parametry urządzeń. Ma to szczególne znaczenie, ponieważ w inny sposób będą pracować pompy ciepła o tej samej mocy grzewczej i kaskada składająca się z pomp o różnych mocach.

Jeżeli układ kaskadowy pomp ciepła składa się z urządzeń o takiej samej mocy grzewczej, wówczas stawia się nacisk na wyrównanie czasu pracy każdej z pomp. Dzięki temu pompy ciepła eksploatowane są w równym stopniu, przez co żadna z nich nie jest bardziej narażona na awarie. W momencie włączania systemu jako pierwsza włączana będzie pompa ciepła, która w poprzednich cyklach działała najkrócej.

W układach kaskadowych stosuje się także pompy ciepła o różnych mocach. Umożliwia to trójstopniową pracę systemu grzewczego. Zastosowanie pomp ciepła o zróżnicowanych mocach umożliwia uzyskanie jeszcze elastyczniejszej pracy instalacji, dopasowanej do bieżących potrzeb. Jako pierwsza pracę rozpoczyna pompa ciepła o najmniejszej mocy. Jeżeli istnieje zapotrzebowanie, to kolejno włączane są pompy o większej mocy, aż do uzyskania pożądanej mocy grzewczej systemu. Tego rodzaju układ kaskadowy może pracować w następujących wariantach:

• 1 stopień – pracuje tylko pompa ciepła o mniejszej mocy grzewczej

• 2 stopień – pracuje tylko pompa ciepła o większej mocy grzewczej

• 3 stopień – pracują obie pompy ciepła, pompa ciepła o niższej mocy ma nieco dłuższy czas pracy

W takiej konfiguracji można wybrać, aby pracowała pompa ciepła o takiej mocy grzewczej, jaka jest potrzebna w danym momencie.

Sterowanie kaskadowymi pompami ciepła

Pracą pomp ciepła można zarządzać w bardzo wygodny sposób za pomocą specjalnego regulatora kaskadowego (w przypadku pomp ciepła Panasonic Aquarea jest to model PAW-A2W-CMH-2). Regulatory wyposażone są w intuicyjny interfejs, ułatwiający obsługę. Za pomocą dedykowanego sterownika można nie tylko zarządzać układem kaskadowym złożonym z kilku pomp ciepła, ale także instalacją fotowoltaiczną zasilającą pompy ciepła.