Systemy pracy pomp ciepła. Powietrze i woda

zobacz artykuł w wersji pdf pdf  pdf pdf

Minimalna, katalogowa temperatura powietrza zewnętrznego, przy której pompa ciepła powietrze-woda może pracować, wynosi dla większości produktów -20ºC. W krótkich okresach pracy może być eksploatowana nawet do -24ºC. Są to jednak bardzo rzadkie przypadki. Przy tych temperaturach współczynnik COP  jest bardzo niski i wynosi od 1,5 do 2,0. Jednak temperatury zewnętrzne poniżej -20ºC nie są w zimie zbyt częste. Statystyczne średnie temperatury zewnętrzne sezonu grzewczego w latach 1991-2000 pokazano w tabeli. O opłacalności zastosowania pompy ciepła decyduje współczynnik efektywności COP. Jest to stosunek uzyskanej mocy grzewczej do doprowadzonej do napędu sprężarki mocy elektrycznej. Dla pompy ciepła powietrze-woda waha się on bardzo w zależności od temperatury zewnętrznej oraz temperatury zasilania (wykres 1).

Optymalny dobór
Z bilansu energii cieplnej wynika, że największe jej roczne zapotrzebowanie, a więc koszty ogrzewania, przypadają dla temperatur zewnętrznych od +3ºC do +5ºC, co stanowi ok. 80-90% całorocznego zapotrzebowania ciepła. W tym zakresie nawet przy założeniu ogrzewania 55/45ºC współczynnik efektywności pompy ciepła powietrze/woda wynosi ok. 2,5 dla ogrzewania grzejnikowego i 3,7 dla ogrzewania podłogowego o temperaturze zasilania 35ºC.

Najczęściej stosowanym, optymalnym pod względem kosztów inwestycyjnych i kosztów ogrzewania, systemem pracy pompy ciepła powietrze/woda jest system biwalentny ze wspomaganiem grzałką elektryczną (monoenergetyczny) lub z kotłem (biwalentny) przy założeniu punktu biwalentnego wspomagania od -5 do -8ºC.

Ilość dni w roku poniżej tych temperatur wynosi ok. 30. Pod względem kosztów ogrzewania wspomaganie grzałką elektryczną jest obecnie porównywalne z kotłem olejowym czy kotłem na gaz płynny. W systemie pracy monoenergetycznej i biwalentnej udział pokrycia rocznego zapotrzebowania ciepła przez grzałkę elektryczną lub kocioł nie przekroczy 3%. Tak wygląda sytuacja w budynkach nowych, gdzie instalacja wewnętrzna przystosowana jest do parametrów grzewczych osiągalnych przez pompę ciepła.

Bardzo częstym błędem w ocenie pomp ciepła jest przyjmowanie współczynnika COP z danych katalogowych. Jest to współczynnik mocy dla określonych parametrów „dolnego źródła” i „górnego źródła.” Są to określenia przyjęte dla odzysku ciepła z odnawialnych źródeł energii, w naszym przypadku powietrza i odbiornika ciepła wytwarzanego przez pompę ciepła.

Jednak najistotniejszym dla kosztów ogrzewania jest współczynnik energetyczny COPen, będący stosunkiem rocznego wytworzenia energii cieplnej w kWh do rocznej ilości energii elektrycznej w kWh potrzebnej do napędu sprężarki pompy ciepła, napędu wentylatora i pompy obiegowej ładowania bufora wody grzewczej. Dla zobrazowania można powiedzieć, że energia w kWh to koszt ogrzewania, a moc grzewcza centrali podawana w kW to koszt inwestycyjny. Czynnikiem pogarszającym nieco współczynnik efektywności powietrznej pompy ciepła jest konieczność odszraniania lameli parownika przy niższych temperaturach zewnętrznych. Potrzebna jest do tego energia cieplna. Energia ta pobierana jest z zasobnika wody grzewczej i obniża tym samym jej temperaturę. Fakt ten jest często przemilczany przez dystrybutorów pomp ciepła. Szczególnie często zachodzi konieczność odszraniania przy temperaturach ok. 0ºC, przy których powietrze zawiera więcej wilgoci niż przy niższej temperaturze.

Dla budynków mieszkalnych z dobrą izolacją cieplną, o zapotrzebowaniu mocy grzewczej ok. 15 kW, zaleca się zainstalowanie pompy cieplnej o mocy grzewczej ok. 10 kW przy temperaturze zewnętrznej -6ºC. Najczęściej w danych technicznych powietrznych pomp ciepła podawane są moce grzewcze przy temperaturze zewnętrznej -7ºC i temperaturze wody grzewczej 35ºC. Jeśli nazwiemy to nominalną mocą grzewczą, to optymalna moc grzewcza pompy dla takiego budynku powinna wynosić 12,0 kW. Zapotrzebowanie przy tej temperaturze wynosi ok. 9,5 kW. Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej dysponujemy nadwyżką mocy grzewczej, którą możemy wykorzystać do podgrzewania ciepłej wody bez konieczności wyłączania ogrzewania, jak to ma zwykle miejsce w regulacji małych kotłowni. Przy bardzo niskich temperaturach zachodzi konieczność dogrzewania. Statystycznie 10 dni w roku zajdzie konieczność włączenia ogrzewania dodatkowego, np. grzałek elektrycznych w zasobniku wody grzewczej, grzejników elektrycznych, nagrzewnic powietrza czy też ogrzewania kominkowego. Zastosowanie rodzaju dogrzewania zależy od wymagań

użytkownika odnośnie komfortu cieplnego lub komfortu obsługi systemu ogrzewania.

Podwyższanie współczynnika
Istnieje szereg ekologicznych możliwości podwyższenia współczynnika efektywności pracy pompy ciepła poprzez podwyższenie temperatury powietrza wlotowego w okresie niskich temperatur zewnętrznych. A oto niektóre z nich:

* doprowadzenie powietrza do parownika pompy poprzez gruntowy, żwirowy wymiennik ciepła,
* mieszanie powietrza wlotowego do pompy z powietrzem usuwanym z wentylacji mechanicznej,
* podgrzewanie powietrza ciepłem uzyskanym z kolektora słonecznego,
* podgrzewanie powietrza ciepłem uzyskanym z odpływu wody z umywalek, wanien i pryszniców,
* podgrzewanie powietrza ciepłem odzyskanym z okapów kuchennych.

Pozwala to na eksploatację pompy ciepła przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych ze względu na uzyskanie wyższej  temperatury powietrza wlotowego do parownika pompy. Rozwiązania te nie są rozwiązaniami tanimi i ich efekt ekonomiczny jest niewielki. Szczególne problemy występują przy prawidłowym ustawieniu automatycznej regulacji. Dlatego są rzadko oferowane przez firmy instalacyjne. Mogą być one zastosowane jako udoskonalenia własne użytkownika przy doradztwie technicznym kompetentnego fachowca.

Usytuowanie
Pompę ciepła można zainstalować na zewnątrz lub wewnątrz budynku. Oba usytuowania mają swoje zalety i wady.

* Usytuowanie na zewnątrz

Usytuowanie to jest popularniejszym rozwiązaniem ze względu na usytuowanie poza budynkiem, a więc mniejsze jest zapotrzebowanie powierzchni dla centrali grzewczej w budynku. Zalecane jest w budynkach o rzadkiej zabudowie osiedla ze względu na poziom hałasu pompy. Jest on wprawdzie niewielki, lecz może w nocy osiągnąć poziom, który stanie się powodem konfliktów z „wrażliwymi“ sąsiadami. Należy zwrócić uwagę na usytuowanie wywiewu poza chodnikami i schodami ze względu na możliwość ich oblodzenia. Istotnym warunkiem jest możliwość swobodnego odpływu kondensatu z odszraniania lameli parownika.

Istnieje również możliwość usytuowania na dachu, lecz wymaga to sprawdzenia wytrzymałości jego konstrukcji. W budynkach istniejących jest bardzo rzadkim rozwiązaniem.

* Usytuowanie wewnątrz

Usytuowanie to jest rozwiązaniem nieco droższym inwestycyjnie ze względu na konieczność montażu kanałów wlotowych i wylotowych powietrza o średnicy nie mniejszej niż 30 cm oraz kratek nawiewnych i wywiewnych, pompy ciepła, bufora oraz zasobnika ciepłej wody. Dostępne są też kompletne centrale grzewcze z wbudowanym buforem i zasobnikiem ciepłej wody.

* System automatycznej regulacji

System automatycznej regulacji pracy pompy cieplnej jest systemem analogicznym do systemu regulacji kotłowni olejowej lub gazowej, przy czym w pompach ciepła w ustawieniu wewnętrznym regulator wbudowany jest w obudowę pompy ciepła. Przy ustawieniu zewnętrznym regulator jest oddzielnym elementem usytuowanym w centrali wewnątrz budynku i wymaga zewnętrznego połączenia z pompą ciepła kablem siłowym i sterującym.

Pompa a kotłownia
Poniżej przedstawię zalety zastosowania powietrznej pompy ciepła w porównaniu do kotłowni:

* niższe koszty wytwarzania energii cieplnej – ponad 50%,
* brak emisji szkodliwych dla środowiska produktów spalania w otoczeniu budynku,
* brak konieczności uzgodnień ze służbami ochrony środowiska,
* brak konieczności budowy komina,
* brak konieczności wentylacji pomieszczenia centrali cieplnej,
* brak konieczności montażu instalacji olejowej i zbiornika olejowego,
* zmniejszone niebezpieczeństwo zagrożenia pożarowego.

Wadą zastosowania optymalnie dobranej powietrznej pompy ciepła w porównaniu do kotłowni jest konieczność dogrzewania przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych. Zastosowanie powietrznej pompy ciepła jest możliwe w istniejących kotłowniach w przypadku zadowalającej pracy kotłowni i jej dobrego stanu technicznego. Pompa ciepła może współpracować z istniejącym kotłem w systemie biwalentnym, biwalentno-alternatywnym lub alternatywnym. Przyjęcie systemu oraz ustalenie punktu pracy biwalentnej lub alternatywnej zależy od wymaganej temperatury zasilania instalacji grzewczej.

W systemie alternatywnym dla parametrów instalacji, np. 80/60ºC, pompa cieplna pracuje np. do 0ºC, a przy niższych temperaturach pracuje kocioł. System ten pozwala na zastosowanie mniejszej i tańszej pompy ciepła o mocy nominalnej ok. 10 kW, która pokrywa ok. 60% rocznego zapotrzebowania ciepła. Układ automatycznej regulacji współpracy z kotłem jest bardzo prosty, gdyż zmiana pracy wymaga jedynie regulacji w zależności od temperatury zewnętrznej.

W systemie alternatywno-równoległym pompa ciepła pracuje np. do +2ºC samodzielnie, a w zakresie temperatur zewnętrznych, najczęściej od +2ºC do -8ºC, pompa współpracuje z kotłem. Pozwala to na zainstalowanie mniejszej i tańszej pompy ciepła o mocy nominalnej ok. 9 kW, a pokrywającej ok. 80% rocznego zapotrzebowania energii cieplnej. Pozostałe 20% pokryje kocioł. Układ automatycznej regulacji współpracy pompy ciepła z kotłem jest jednak układem bardziej skomplikowanym, podwyższającym koszty inwestycji.

System biwalentno-alternatywny pracy kotła z pompą ciepła pozwala też na współpracę z instalacją grzewczą o parametrach wody 90/70ºC, przy czym im niższe parametry wody grzewczej, tym większy udział pracy pompy ciepła, a więc większe oszczędności w kosztach ogrzewania.

W istniejących budynkach jest to szczególnie ważne, gdyż zastosowanie pompy nie wymaga dostosowania instalacji do niższych parametrów czynnika grzewczego. Po przełamaniu bariery nieufności do powietrznych pomp ciepła spodziewam się dużego zainteresowania takim rozwiązaniem.

Mirosław Kozłow

Wykres 1. O opłacalności zastosowania pompy ciepła decyduje współczynnik efektywności COP.
Wykres 2. Przykładowa krzywa grzewcza dla budynku o zapotrzebowaniu ciepła 15 kW i pracy biwalentnej z drugim źródłem ciepła.

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