Dobór pompy ciepła (1). Wydajność nominalna

zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

W naszym kraju ciągle najczęściej wybieranymi grzewczymi pompami ciepła są urządzenia typu grunt/woda czy inaczej zwane solanka/woda. Procentowy udział tego typu pomp ciepła jest obecnie szacowany na poziomie 68% wszystkich grzewczych pomp ciepła sprzedanych w Polsce w roku 2012. Uważam więc, iż warto się pochylić nad tematem z pozoru bardzo dobrze znanym i popularnym w naszych realiach, by zasygnalizować elementy, które mają podstawowy wpływ na poprawne i ekonomiczne funkcjonowanie pomp ciepła, a w szczególności jej dobór.

Pięć stref
W naszym kraju rozróżniamy pięć stref temperaturowych, w których temperatury normatywne kształtują się od -16°C (np. Szczecin) do -24°C (np. Suwałki). Dobór mocy źródła ciepła powinien zostać tak dobrany, aby w 100% pokryć zapotrzebowanie na ciepło właśnie przy tej temperaturze obliczeniowej. Z tego wynika, iż teoretycznie przy identycznej konstrukcji budynku dom w Suwałkach będzie potrzebował pompy ciepła o 18% większej mocy grzewczej niż taki sam dom wybudowany w Szczecinie dla temperatury wewnętrznej w budynku +20°C.
Jeżeli użytkownik preferuje wyższe temperatury wewnętrzne, to wymagana moc grzewcza musi być większa. Ważne jest, aby każdorazowo obliczyć rzeczywiste zapotrzebowanie na ciepło, aby w sposób możliwie precyzyjny dobrać pompę ciepła do zapotrzebowania. Przy doborze pompy ciepła nie mamy bowiem do czynienia tylko z doborem samego urządzenia, ale w naszym przypadku do zapotrzebowania na ciepło, profilu ogrzewania, a także do czasu pracy pompy ciepła jest również dobierane dolne źródło, którego koszt, w porównaniu z kosztem samej pompy ciepła, może wynieść około 70% dla kolektora pionowego. Nieprecyzyjne oszacowanie wymaganej mocy grzewczej może poskutkować niedogrzaniem budynku oraz licznymi problemami w eksploatacji systemu.

Dobór p.c.

Szacowanie mocy
Jak więc oszacować moc pompy ciepła? Moc grzewcza pompy ciepła powinna być sumą zapotrzebowania na ciepło wszystkich odbiorników ciepła w budynku, czyli musimy znać zapotrzebowanie na ciepło przez system centralnego ogrzewania, przygotowanie wody użytkowej, ciepło technologiczne, ogrzewanie basenu oraz cokolwiek jeszcze wymagającego ogrzewania. W budownictwie jednorodzinnym zazwyczaj sugerujemy się projektem, technologią wykonania, lokalizacją  przy obliczaniu wymaganej mocy c.o., ilością osób przy zapotrzebowaniu na c.w.u. W standardowym domu jednorodzinnym możemy przyjąć 200 W mocy grzewczej pompy ciepła do przygotowania c.w.u. na osobę. Dobór p.c.
Daje nam to pojemność 100 l o temperaturze 45°C w zasobniku. Pamiętajmy więc o fakcie, iż sytuacja wygląda zupełnie inaczej niż w przypadku kotłów grzewczych, gdzie najczęściej dysponujemy znacznym zapasem mocy w związku z koniecznością szybkiego przygotowania wody użytkowej. Przy pompie ciepła nie posiadamy tego komfortu. Należy więc przewidzieć podgrzewacz c.w.u. o odpowiedniej pojemności, który będzie jednocześnie pracował jako bufor c.w.u. Przykładowe pojemności podgrzewaczy dla domów jednorodzinnych to np. 200-400 l. W przypadku wyższego zużycia należy do tematu podejść indywidualnie i przeliczyć zapotrzebowanie według wymagań użytkownika oraz odpowiednio dobrać podgrzewacze c.w.u. W instalacji, gdy ogrzewany basen jest basenem całorocznym, do maksymalnego obciążenia c.o. oraz c.w.u. należy dodać wymaganą moc grzewczą basenu. Jeżeli jednak basen jest wykorzystywany poza sezonem grzewczym (w okresie letnim, np. basen zewnętrzny odkryty), a moc wymagana do jego ogrzewania nie jest większa niż moc pompy ciepła do centralnego ogrzewania, to nie ma konieczności zwiększania mocy grzewczej pompy ciepła.

W nowym budownictwie…
W nowym budownictwie, jeżeli istnieje możliwość, zawsze powinniśmy starać się dobrać pompę ciepła do pokrycia zapotrzebowania na ciepło w 100% (tzw. układ monowalentny), czyli przy wystąpieniu normatywnej temperatury obliczeniowej pompa ciepła będzie pracować 24 godziny na dobę i w zupełności pokryje całkowite zapotrzebowanie na ogrzewanie oraz np. c.w.u. w danym budynku. W takim przypadku można przyjąć, iż czas pracy pompy ciepła w standardowych warunkach domu jednorodzinnego (c.o. + c.w.u.) powinien oscylować w granicach 1700–2000 h na rok.  Nie jest zasadny dobór pompy ciepła na częściowe zapotrzebowanie.
Dobór pompy ciepła na 100% zapotrzebowania zapewnia nam „optymalnie minimalny” czas pracy sprężarki pompy ciepła w skali roku, co jednocześnie pozwala na wieloletnie użytkowanie pompy ciepła. W nowym budownictwie w większości przypadków niemal bezzasadne jest dobieranie solankowej pompy ciepła tylko na część zapotrzebowania, np. 60-80% (jako źródło mocy szczytowej trzeba zastosować wtedy grzałki elektryczne). Wiąże się to z faktem, iż w naszych realiach cena energii elektrycznej jest stosunkowo wysoka. O ile pompa ciepła do swojej pracy potrzebuje jej stosunkowo niewiele, np. 20-25%, o tyle zastosowana grzałka elektryczna zużyje jej już 100%. Poza tym dodatkowym elementem, który jest niezmiernie czuły w tego rodzaju instalacjach, jest dolne źródło pompy ciepła. W przypadku niedowymiarowania dolnego źródła w stosunku do zapotrzebowania na ciepło w budynku występuje np. problem nadmiernego jego chłodzenia, a w konsekwencji niższe, średnioroczne temperatury pracy i spadek średniorocznej sprawności układu, a także problemy z regeneracją gruntu. Pojawia się więc pytanie, czy w układach solankowych pomp ciepła w nowym budownictwie mieszkaniowym nie stosować grzałek elektrycznych? Odpowiedź paradoksalnie brzmi: stosować! Dlaczego?

Prosta odpowiedź
Odpowiedź jest prosta, ale nie jest związana z wymiarowaniem pompy ciepła:

* w przypadku pierwszego wygrzewania budynku dysponujemy dodatkowym źródłem ciepła, dzięki któremu proces osuszania jest krótszy i nie obciąża w nadmierny sposób dolnego źródła,

* kiedy temperatura zewnętrzna spadnie poniżej temperatury normatywnej, dysponujemy zapasem mocy,

* w przypadku awarii pompy ciepła dysponujemy alternatywnym źródłem ciepła.

Sprawa ma się nieco inaczej w przypadku termomodernizacji lub w nowych instalacjach, gdzie z różnych względów (brak miejsca, finanse) jedynym możliwym sposobem integracji pompy ciepła jest układ biwalentny, czyli pompa ciepła + kocioł grzewczy. W tym przypadku należy określić sposób i cel współpracy pompy lub pomp ciepła oraz kotłów grzewczych.Dobór p.c.

Dwie konfiguracje
W grę najczęściej wchodzą dwa rozwiązania w różnej konfiguracji:

* Kocioł jest wykorzystywany jako źródło szczytowe do uzupełnienia mocy grzewczej przy niskich temperaturach zewnętrznych, np. poniżej -10oC tzw. temperatury biwalentnej. W takim przypadku zarówno PC, jak i kocioł, np. kondensacyjny, pracują na podobnym poziomie temperatury. Do  temperatury biwalentnej pracuje tylko pompa ciepła, a poniżej jest załączany kocioł grzewczy, który pracuje razem z pompą ciepła.

* Kocioł jest wykorzystywany jako alternatywne źródło ciepła ze względu na wymaganą wysoką temperaturę zasilania, np. przy termomodernizacji instalowana jest niskotemperaturowa pompa ciepła w instalacji, gdzie dotychczas wykorzystywany był kocioł olejowy na parametrach 80/60. Część grzejników została wymieniona na niskoparametrowe, jednak część została zachowana i ciągle wymaga wysokiego parametru. Wówczas pompa ciepła pracuje do określonej temperatury biwalentnej, a poniżej zostaje wyłączona. Całość ogrzewania przejmuje kocioł grzewczy, który jednocześnie podaje wysoki parametr zasilania.

* Układ mieszany, czyli w sytuacji, kiedy do pierwszej temperatury biwalentnej Tb1 pracuje pompa ciepła, poniżej pracuje razem z kotłem grzewczym do drugiej temperatury biwalentnej TB2, poniżej której pracuje już tylko kocioł grzewczy z wysokim parametrem zasilania.

Biwalentny równoległy
Należy zwrócić szczególną uwagę na układ biwalentny równoległy. W tych instalacjach pompa ciepła najczęściej jest dobierana na około 60-80% zapotrzebowania. Przy takiej konfiguracji jej roczny czas pracy jest znacznie dłuższy niż w układach monowalentnych i wynosi najczęściej około 2400-3500 h rocznie. Takie zwiększenie czasu pracy należy koniecznie uwzględnić przy wymiarowaniu dolnego źródła, powinno ono zostać zwiększone w stosunku do warunków standardowych, często niemal dwukrotnie. W instalacjach, gdzie pompa ciepła ogrzewa baseny, sytuacja jest podobna. Zarówno przy basenie całorocznym, jak i okresowo wykorzystywanym dolne źródło musi być większe niż w warunkach standardowych. Basen całoroczny będzie ogrzewany przez 365 dni w roku, a basen zewnętrzny, ogrzewany sezonowo, spowoduje także brak możliwości pełnej regeneracji dolnego źródła, a przez to spadek sprawności średniorocznej, w przypadku gdy nie został uwzględniony w doborze kolektora gruntowego. Poza dolnym źródłem należy pamiętać, iż każda sprężarka w pompie ciepła ma określony czas pracy, producenci podają orientacyjne wartości na poziomie 40 000 godzin pracy. W takim przypadku, gdy pompa ciepła pracuje w układzie monowalentnym 1800 h rocznie, jej szacowana żywotność wyniesie 22 lata, zaś przy układzie biwalentnym i rocznej pracy 3500 h żywotność zmaleje do 11 lat.

Przemysław Radzikiewicz

Rysunek 1. Schemat układu hydraulicznego, połączenie pompy ciepła z kotłem grzewczym poprzez zawór mieszający.
Rysunek 2. Przykład termomodernizacji – wymiana kotła gazowego oraz instalacja pompy ciepła typu solanka woda wraz z odwiertami.
Fot. Kompaktowa pompa ciepła typu solanka/woda z kolektorem poziomym do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej (fot. z arch. Glen Dimplex Polska).

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij