Pompy ciepła – współpraca z instalacją grzewczą. Ciepło w obiegu

zobacz artykuł w formie pdf PDF PDF PDF

1 kWh energii cieplnej z pompy ciepła kosztuje od 12 do 18 groszy, co stanowi od 55 do 25% kosztów uzyskania 1 kWh energii cieplnej z kotła gazowego lub olejowego, również w wydaniu kondensacyjnym. Najpopularniejsze obecnie pompy ciepła są urządzeniami zasilanymi energią elektryczną. Pompa ciepła jest urządzeniem, które transportuje ciepło pobrane z tzw. dolnego źródła do tzw. górnego źródła, którym jest instalacja grzewcza budynku lub ciepła woda użytkowa.

Najpopularniejszym dolnym źródłem pompy ciepła jest ciepło z gruntu, kolejne pod względem popularności jest powietrze, a na ostatnim miejscu wykorzystujemy wodę podziemną lub powierzchniową. Zachodzące w pompie ciepła procesy chłodnicze (parowania, sprężania, skraplania i rozprężania czynnika chłodniczego znajdującego się wewnątrz pompy ciepła, w obiegu chłodniczym) powodują, że stosunkowo niska temperatura dolnego źródła (w przypadku powietrza nawet -20ºC) w zupełności wystarcza do ogrzania wody grzewczej do temperatur gwarantujących utrzymywanie w pomieszczeniach komfortu cieplnego.

Wspomniany czynnik chłodniczy to substancja robocza, która uczestniczy w procesach wymiany ciepła, pobiera je podczas procesu odparowania w niskiej temperaturze (temperatury poniżej 0ºC) i przy niskim ciśnieniu, a następnie oddaje ciepło przy skraplaniu następującym w wyższej temperaturze (temperatury pozwalające ogrzać wodę grzewczą nawet do ok. 70ºC) i wyższym ciśnieniu. Główne elementy składowe pompy ciepła to dwa wymienniki ciepła, sprężarka (napęd układu) i zawór rozprężny.

Oczywiście wewnątrz znajdują się także inne elementy niezbędne do pracy urządzenia, stanowiące uzupełnienie układu (np. czujniki temperatury, czujniki ciśnienia, zawory sterujące, elektroniczny regulator). Miarą sprawności pompy ciepła jest tzw. współczynnik COP. Jest to skrót od angielskich słów Coefficient of Performance, czyli współczynnik efektywności. Wartość współczynnika COP to stosunek oddanej do obiegu grzewczego energii cieplnej do zużytej energii elektrycznej.

Producenci obecnie oferowanych na rynku pomp ciepła powinni w katalogach podawać wartość COP wg normy EN14511 definiującej parametry pracy pompy ciepła, dla których mierzymy wartość COP. Przykładowo wartość COP = 4,9 oznacza, że w danych warunkach roboczych, zużywając 1 kWh energii elektrycznej, pompa ciepła doprowadza do obiegu grzewczego 4,9 kWh energii cieplnej.

Wartość współczynnika COP określa chwilową efektywność urządzenia w konkretnych warunkach roboczych. Porównywanie kilku urządzeń ze sobą na podstawie wartości COP ma sens, jedynie jeśli wartość COP jest podana dla tych samych warunków pracy: temperatury dolnego źródła, temperatury górnego źródła na zasileniu obiegu grzewczego i spadku tej temperatury na powrocie z obiegu grzewczego.

Najwyższe wartości współczynnika COP, a tym samym najbardziej ekonomiczną pracę, uzyskamy, jeśli różnica temperatur pomiędzy dolnym a górnym źródłem będzie jak najmniejsza. Z tego powodu najlepszym wyborem systemu grzewczego współpracującego z pompą ciepła jest niskoparametrowe ogrzewanie płaszczyznowe (popularna podłogówka lub mniej rozpowszechnione ogrzewanie ścienne). Pompa ciepła może pracować np. z COP = 5,4 jeśli będzie czerpać energię cieplną z gruntu o temperaturze 6ºC i oddawać ciepło do instalacji ogrzewania podłogowego wymagającego temperatury 30-35ºC na zasileniu.

Jeśli dolne źródło będzie miało temperaturę ok. 0ºC, to przy tej samej temperaturze wody grzewczej COP wyniesie ok. 4,9, natomiast przy temperaturze zasilania obiegu grzewczego wynoszącej 55ºC i temperaturze dolnego źródła 0ºC ta sama pompa ciepła będzie pracowała z COP = 2,9.
Przykładowy wykres zależności COP pompy ciepła od temperatury solanki i wymaganej temperatury na zasileniu instalacji grzewczej pokazano na rys 1. W zależności od temperatury dolnego źródła zmienia się także moc grzewcza urządzenia. Im wyższa temperatura dolnego źródła, tym większa moc grzewcza będzie dostępna i odwrotnie. Bardzo istotne jest więc prawidłowe wybranie rodzaju dolnego źródła ciepła i jego poprawne wykonanie, a także sposób ogrzewania domu.

Podsumowując, pompa ciepła najbardziej ekonomicznie ogrzewa pomieszczenia poprzez instalacje grzewcze niskotemperaturowe, czyli podłogówkę lub ogrzewanie płaszczyznowe. Mniejszą efektywność uzyskamy, ogrzewając pomieszczenia poprzez grzejniki, ale takie połączenie nie jest wykluczone. Oczywiście nie ma sensu podłączać pompy ciepła do starej instalacji z grzejnikami żeliwnymi przystosowanymi do pracy na wysokiej temperaturze zasilenia. Instalacja grzejnikowa dobrana do współpracy z pompami ciepła powinna być przystosowana na niskie parametry robocze, np. zasilenie do 55ºC i powrót ok. 45ºC.

Takie parametry powinna też spełniać instalacja grzejnikowa współpracująca z kotłem kondensacyjnym, więc jeśli modernizacja będzie polegała na zastąpieniu lub uzupełnieniu kotła kondensacyjnego pompą ciepła, nie będzie trzeba ingerować w instalację grzewczą. Wystarczy jedynie podłączyć pompę ciepła i skonfigurować system, tak aby pompa ciepła stała się głównym źródłem ciepła dla budynku, a dotychczasowy kocioł będzie źródłem szczytowym. Taka modernizacja będzie najtańsza, jeśli zdecydujemy się wybrać pompę ciepła typu powietrze-woda.

Współpraca ze starą… instalacją

Co zrobić, jeśli obecnie mamy do dyspozycji starą instalację opartą o grzejniki żeliwne? Niestety trudno jest jednoznacznie stwierdzić, co należałoby wymienić, aby dostosować instalację do współpracy z pompą ciepła. Jeśli instalacja jest w dobrym stanie technicznym, nie wykluczone że wystarczy tylko dobrze ją przepłukać, usunąć szlam zalegający w grzejnikach i po dołożeniu w kotłowni zbiornika buforowego można ogrzewać się pompą ciepła. Pamiętajmy jednak, że grzejniki żeliwne zostały najprawdopodobniej dobrane na zbyt wysoki (jak na pompę ciepła) parametr grzewczy – prawdopodobnie 90/70.

Tak wysokich temperatur pompa ciepła nie uzyskuje, toteż budynek będzie niedogrzany. Ale jeśli w międzyczasie budynek został ocieplony (powinien być to pierwszy etap modernizacji systemu grzewczego budynku), to należałoby przeliczyć, o ile spadło zapotrzebowanie budynku na energię cieplną i jak mocno są przewymiarowane grzejniki. Nie wykluczone, że stare grzejniki po ociepleniu budynku będą dostarczać wymaganej energii cieplnej, pracując na zasileniu o temperaturze ok. 50-55oC, a więc takiej, którą wytwarza pompa ciepła.

Innym wariantem modernizacji może być wymiana istniejących grzejników żeliwnych na większej mocy grzejniki płytowe, oczywiście dobrane wielkościowo do pracy z temperaturą zasilania max. 55oC. Odpowiednie tabele katalogowe i przeliczeniowe mocy grzejnika zależnie od temperatury zasilania powinny być dostępne u producenta lub sprzedawcy grzejników. Mnogość konstrukcji dostępnych na rynku pozwala znaleźć grzejniki płytowe, które bez problemu podłączymy do istniejących wyprowadzeń instalacji grzewczej (w miejsce grzejnika żeliwnego).

Najmniej optymistycznym wariantem będzie, niestety, konieczność poprowadzenia całej instalacji rozprowadzania ciepła na nowo. Będzie to wariant najbardziej kosztowny, ale pozwalający idealnie przygotować system grzewczy do współpracy z pompą ciepła.
Producenci, którzy oferują kotły grzewcze, a także pompy ciepła, wyposażają swoje urządzenia w regulatory sterujące, które mogą się ze sobą komunikować. Dzięki temu połączenie ze sobą nowo budowanego systemu urządzeń lub dołożenie kolejnego urządzenia (np. pompy ciepła) do istniejącego systemu grzewczego nie powinno być skomplikowane, jeśli wszystkie urządzenia będą od jednego producenta.

Stała moc

Instalacja grzewcza współpracująca z pompą ciepła niewiele różni się od tej współpracującej z kotłem. Najistotniejszą różnicą w sposobie pracy między pompą ciepła a kotłem jest to, że większość pomp ciepła występujących na rynku generuje stałą moc zależną jedynie od parametrów dolnego i górnego źródła (wyjaśnione wcześniej), co oznacza, że w konkretnej instalacji grzewczej dostępna moc pompy ciepła jest raczej stała lub w przypadku pomp ciepła typu powietrze-woda – zależna od temperatury powietrza.

Specyfika pracy pompy ciepła wymaga, aby cała uzyskiwana w pompie ciepła moc grzewcza była odbierana przez „odbiornik ciepła”. Instalacja grzewcza musi więc przejąć całą oddawaną przez pompę ciepła energię grzewczą. Aby to umożliwić, stosuje się dodatkowe zbiorniki buforowe gwarantujące właśnie ten wymagany, stały odbiór ciepła. Ze względu na zwiększenie żywotności sprężarek w pompach ciepła cykle pracy sprężarki powinny być jak najdłuższe.

Pompa ciepła nie powinna uruchamiać się tak często, jak robi to kocioł (tzw. taktować). Zbiornik buforowy może zmagazynować ciepło, wydłużając tym samym czas pracy pompy ciepła i czas przerwy. Jeśli będziemy chcieli zasilać pompę ciepła energią elektryczną wg planu dwutaryfowego, bufor będzie magazynował ciepło oddawane przez pompę ciepła pracującą na taryfie nocnej, a w ciągu dnia odda energię cieplną do instalacji.

Wielkości zbiorników buforowych są dobierane na podstawie mocy grzewczej pompy ciepła i zaleca się, aby przyjmować min. 20-25 litrów objętości bufora na 1 kW mocy grzewczej pompy ciepła, a jeśli chcemy magazynować ciepło, bufor powinien mieć ok. 50-60 litrów na 1 kW mocy grzewczej. Ze zbiornika buforowego można zrezygnować, jeśli budynek w całości ogrzewany jest poprzez bezpośrednią instalację płaszczyznową (podłogówka lub ogrzewanie ścienne), montuje się wtedy tylko specjalny zawór bypassowy, który umożliwia przepływ wody grzewczej przez wymiennik pompy ciepła mimo przymkniętych zaworów regulacyjnych ogrzewania.

Uruchamiając taką instalację, należy tak wyregulować przepływ na zaworze bypassowym, aby uzyskać minimalny zalecany spadek temperatury między zasilaniem instalacji a powrotem do pompy ciepła – różnica temperatur powinna być podana w instrukcji uruchomieniowej pompy ciepła. Jeśli system grzewczy zostaje zbudowany bez zbiornika buforowego, nie ma możliwości optymalizowania pracy pompy ciepła do zasilania energią elektryczną dwutaryfową – pompa ciepła pracuje, kiedy jest zapotrzebowanie na ogrzewanie.

Mimo to układy bez bufora, jeśli są prawidłowo dobrane, oferują najbardziej ekonomiczną pracę pompy ciepła, gdyż niwelujemy straty ciepła powstałe na magazynowaniu energii cieplnej w zbiornikach buforowych.  Warto jednak jeszcze raz podkreślić, że instalacje grzejnikowe lub mieszane nie nadają się do zasilania pompą ciepła bez zbiornika buforowego. Nie możemy też stosować w układach „bez bufora” obiegów mieszaczowych.

Do zbiornika buforowego możemy również „zrzucać” ciepło, np. z kotła na paliwa stałe albo z kominka z płaszczem wodnym, bufor stanowi wtedy magazyn ciepła dostarczonego ze wszystkich urządzeń grzewczych w budynku. Pompa ciepła wyposażona w czujnik temperatury wody w buforze będzie włączać się tylko wtedy, gdy temperatura wody w buforze spadnie poniżej wymaganej.

Zasilenie instalacji grzewczej za zbiornikiem buforowym zwykle jest uzupełnione o tzw. mieszacz, czyli specjalny zawór sterowany z regulatora pompy ciepła, który mieszając wodę powrotną z tą zasilającą instalację, ustala optymalną temperaturę na zasilaniu obiegu grzewczego. Maksymalną ilość obiegów grzewczych, jakie możemy podłączyć wynika z możliwości automatyki pompy ciepła.

Mogą to być np. 3 obiegi grzewcze, z czego dwa będą za układem mieszaczowym, i jeden obieg bezpośredni, do tego oczywiście ogrzewanie ciepłej wody użytkowej. Regulator pompy ciepła może także sterować podgrzewem wody basenowej i współpracować z instalacją solarną.

Ciekawą funkcją nowoczesnych pomp ciepła jest opcja chłodzenia. Funkcja naturalnego chłodzenia (natural cooling), w przeciwieństwie do tzw. aktywnego chłodzenia (active cooling), nie wykorzystuje do chłodzenia sprężarki, a jedynie różnicę temperatur między dolnym źródłem ciepła a schładzanym pomieszczeniem. Dla użytkownika oznacza to przede wszystkim oszczędności w opłatach za energię elektryczną. Podczas naturalnego chłodzenia nie pracuje sprężarka, a więc nie zużywa prądu elektrycznego.

Energia elektryczna wykorzystywana jest tylko do pracy pomp obiegowych i elektroniki sterującej pracą pompy ciepła. Jeśli potrzeba więcej chłodu, warto rozbudować pompę ciepła o układ aktywnego chłodzenia, czyli chłodzenia za pośrednictwem sprężarki. W pompach ciepła typu powietrze-woda możliwe jest tylko zastosowanie chłodzenia z wykorzystaniem sprężarki, funkcję chłodzenia nazywa się w takich pompach także określeniem „pracy rewersyjnej”. Pomieszczenia możemy chłodzić poprzez instalację grzewczą lub instalację dedykowaną tylko do chłodzenia, a także poprzez klimakonwektory.

Na zakończenie dodajmy, że ogrzewanie pompami ciepła jest jednym z najtańszych sposobów zapewnienia komfortu cieplnego w domu. 1 kWh energii cieplnej z pompy ciepła kosztuje od 12 do 18 groszy, co stanowi od 55 do 25% kosztów uzyskania 1 kWh energii cieplnej z kotła gazowego lub olejowego, również w wydaniu kondensacyjnym.

Porównując do energii elektrycznej, będzie to około 5 razy taniej. Ponadto pomieszczenie przeznaczone na montaż pompy ciepła nie musi spełniać wymogów stawianych pomieszczeniom kotłowni i przede wszystkim pompa ciepła nie potrzebuje komina, możemy więc tak ją zamontować, że osoba postronna nie będzie wiedzieć, czy i w jaki sposób ogrzewamy nasz dom.

dr inż. Paweł Kowalski
Literatura: dokumentacje techniczne firmy Viessmann.

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