Współczesne domy coraz bardziej uwzględniają zapotrzebowanie na chłód jako istotny element całorocznego bilansu energetycznego. Pomimo, że podniesienie izolacyjności przegród znacznie zredukowało zapotrzebowanie na energię cieplną w nowoczesnych, energooszczędnych budynkach, to jednak estetyczne i funkcjonalne oczekiwania mieszkańców skłaniają do stosowania znacznych przeszkleń. Ten trend prowadzi do zwiększenia zysków cieplnych od nasłonecznienia, szczególnie latem.
Jednakże, pomimo korzyści estetycznych, koszty związane z chłodzeniem domu przy wykorzystaniu klimatyzacji mogą być istotnie wyższe niż koszty związane z jego ogrzewaniem. Wynika to z faktu, że koszty generowania 1 kWh chłodu są znacznie wyższe w porównaniu do kosztów produkcji 1 kWh ciepła. W efekcie, pomimo postępów w dziedzinie efektywności energetycznej, kontrolowane zarządzanie potrzebami chłodzenia staje się niezbędne dla utrzymania optymalnego i ekonomicznego funkcjonowania nowoczesnych budynków.
Rysunek 1. Wydatki na chłodzenie domu mogą być wyższe niż na jego ogrzewanie, ze względu na wyższe koszty produkcji chłodu niż ciepła. Potrzeby chłodu energooszczędnego domu jednorodzinnego są często bliskie potrzebom cieplnym.
Chłodzenie pasywne pompą ciepła
Naturalnym „rezerwuarem” chłodu jest gleba lub woda, ziemne struktury stanowiąc najbardziej obfite źródło tej energii. Szczególnie obszerny dostęp do chłodzenia oferuje grunt, który na głębokości około 15 metrów utrzymuje stałą temperaturę na poziomie 10÷12°C, niezależnie od pory roku. Jest to niezwykle korzystne środowisko, stanowiące doskonałą bazę dla efektywnej pracy pompy ciepła w celu ogrzewania domu. Ponadto, stanowi solidną podstawę do wykorzystania tej temperatury dla celów chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim.
Rysunek 2. Temperatura gruntu na głębokości niższej od około 15 metrów zachowuje stałą wartość (zmienia się jedynie pod wpływem pracy sond pionowych), co stanowi podstawę dla pracy pompy ciepła zarówno w trybie ogrzewania, jak i chłodzenia.
Chłodzenie pasywne, znane również jako chłodzenie naturalne lub free-cooling, stanowi dostępne rozwiązanie, które może być efektywnie wdrożone za pomocą pomp ciepła, zwłaszcza tych o typie solanka-woda lub woda-woda. Przykładem nowoczesnej technologii jest kompaktowa pompa ciepła Vaillant geoTHERM exclusiv VWS, wyposażona w zintegrowany zasobnik ciepłej wody użytkowej oraz funkcję chłodzenia pasywnego. W ramach tego trybu, pompa ciepła efektywnie wykorzystuje wbudowany wymiennik ciepła oraz zawory 3-drogowe, kierując precyzyjnie przepływ solanki i wody grzewczej/chłodzącej. Dzięki temu osiąga się optymalną regulację procesu chłodzenia, zwiększając efektywność oraz dostosowując system do różnych warunków klimatycznych.
Rysunek 3. W trybie grzania, ciepło z solanki (dolne źródło ciepła, sondy pionowe) jest oddawane w parowniku (P) do obiegu chłodniczego pompy ciepła i po podwyższeniu parametrów przekazywane w skraplaczu (S) do instalacji grzewczej budynku.
Obieg chłodniczy w pełni operacyjny, przy użyciu pompy o mocy nominalnej 7,8 kW, generuje zużycie energii elektrycznej przekraczające 1,7 kW (obejmujące pracę sprężarki i dwóch pomp obiegowych o maksymalnej mocy 70 W każda). W trybie chłodzenia, działają jedynie pompy obiegowe, gdy sprężarka oraz cały obieg chłodniczy są wyłączone. Moc chłodnicza dla tej samej pompy może sięgnąć 5 kW (22/18°C) przy jednoczesnym zużyciu energii elektrycznej rzędu 140 W. Instalacja grzewcza budynku pełni funkcję chłodzenia, a woda jest schładzana przez solankę w dodatkowym wymienniku ciepła (W).
Koszty związane z naturalnym chłodzeniem pomieszczeń, w porównaniu do konwencjonalnych układów klimatyzacyjnych, prezentują się kilkakrotnie korzystniej. W przypadku klimatyzacji multisplit do chłodzenia pięciu pomieszczeń w domu, szacowane koszty eksploatacyjne mogą wynieść około 1500 zł rocznie. Natomiast dla chłodzenia naturalnego oscylują one w granicach 50-100 zł rocznie. Ważnym aspektem jest również efektywność chłodnicza obu systemów. Chociaż układy klimatyzacyjne mogą zapewnić niższe temperatury wewnątrz budynku, wiąże się to z podwyższonymi kosztami eksploatacyjnymi. Chłodzenie pasywne natomiast dostarcza „naturalne” odczucia, unikając skrajnie niskich temperatur nawiewanego powietrza. Jego efektywność może obniżyć temperaturę wewnętrzną o kilka stopni, zwłaszcza gdy ograniczone są zyski ciepła od nasłonecznienia, co zaleca stosowanie zewnętrznych rolet lub żaluzji.
Rysunek 4. Porównanie temperatury powietrza w pomieszczeniu bez chłodzenia oraz z chłodzeniem naturalnym samodzielnie lub z dodatkowym zacienianiem i wentylacją (nocne chłodzenie – bypass w centrali wentylacyjnej).
Chłodzenie pasywne niesie za sobą dodatkowe korzyści, w szczególności poprzez skrócenie czasu pracy dolnego źródła ciepła, w porównaniu do chłodzenia aktywnego, opartego na obiegu chłodniczym kierowanym przez pompę ciepła. Taka praktyka stwarza bardziej korzystne warunki dla procesu regeneracji cieplnej dolnego źródła po sezonie grzewczym. Warto zaznaczyć, że dolne źródło ciepła dodatkowo ulega podgrzewaniu przez solankę, która aktywnie absorbuje ciepło z wnętrza budynku. W praktyce zaobserwowano podwyższenie współczynnika efektywności pompy ciepła (COP) o około 2÷3%, co przekłada się na znaczące obniżenie kosztów eksploatacji urządzenia w sezonie grzewczym. Ta innowacyjna metoda wpływa korzystnie na efektywność systemu, przyczyniając się do zminimalizowania zużycia energii.