Optymalny dobór pompy ciepła. Wahania COP

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa   zobacz pdfa  zobacz pdfa    

I tak np. współczynnik 4 oznacza, że uzyskana moc grzewcza jest czterokrotnie wyższa od mocy elektrycznej. I tu zaczynają się reklamowe niedomówienia.

Niemal we wszystkich katalogach i ofertach pomp ciepła podawany jest współczynnik efektywności samej pompy ciepła w warunkach laboratoryjnych i tak też obliczane są oszczędności kosztów ogrzewania. Nieporozumienia zaczynają się dopiero wtedy, kiedy użytkownik centrali grzewczej z pompą ciepła zainstaluje licznik energii elektrycznej przed tablicą rozdzielczą centrali i stwierdzi większe zużycie prądu, niż zakładano przy zainstalowaniu pompy ciepła.
Prawdziwy bilans energii źródła ciepła powinien uwzględniać wszystkie niezbędne elementy centrali grzewczej zasilane energią elektryczną. Większość systemów pozyskania ciepła ze środowiska wymaga zastosowania urządzeń zużywających energię elektryczną, a energochłonność poszczególnych systemów jest znacznie zróżnicowana.

COP systemu z PC
Centrala cieplna pobiera prąd nie tylko do napędu sprężarki pompy ciepła, lecz też do urządzeń pomocniczych niezbędnych do jej funkcjonowania. Drastycznym tego przykładem jest pompa ciepła woda-woda, przy którym współczynnik efektywności najczęściej przekracza 4. I to jest prawdziwe, jeśli przyjmiemy tylko współczynnik dla samej pompy ciepła. Jednak dla pracy centrali, np. ze studniami wody powierzchniowej, potrzebny jest też prąd do napędu pompy głębinowej, który najczęściej dla małych pomp ciepła wynosi około 15% mocy potrzebnej do napędu sprężarki.
Występuje też zużycie prądu do napędu pomp obiegowych centrali i instalacji grzewczej. Faktyczny współczynnik efektywności całego systemu grzewczego jest niższy niż podawany w katalogach.
Następnym ważnym czynnikiem wpływającym na faktyczny współczynnik centrali grzewczej woda-woda jest jakość wody czerpanej ze studni. W przypadku jakości wody powodującej zagrożenie korozji parownika lub jego zanieczyszczenia istnieje konieczność rozdzielenia obiegu wody ze studni od obiegu wody przez parownik wymiennikiem płytowym. Powoduje to obniżenie temperatury wody w obiegu parownika i w konsekwencji konieczność zastosowania w nim mieszaniny wody z glikolem, powodującej dalsze obniżenie współczynnika efektywności pompy ciepła i całego systemu grzewczego.
Zastanawiający jest fakt podawania współczynnika efektywności pompy ciepła woda-woda dla temperatury dolnego źródła ciepła +10oC. Prawdopodobnie dane te są wzięte z zachodnich warunków klimatycznych. W praktyce nie spotkałem na Wybrzeżu wody gruntowej o temperaturze wyższej niż 8,5oC. Obniżenie temperatury dolnego źródła ciepła o 1oC powoduje obniżenie mocy grzewczej pompy ciepła o ok. 3%, a więc dalszy spadek współczynnika efektywności systemu grzewczego.

Ciepła woda użytkowa
Dalszym powodem nieporozumień jest współczynnik efektywności dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Przy obecnych standardach budowlanych w budownictwie mieszkaniowym, zużycie energii cieplnej na podgrzewanie ciepłej wody użytkowej wynosi ok. 15% całkowitego zapotrzebowania energii cieplnej budynku. A więc współczynnik COP w porównaniu do podawanego w katalogach dla parametrów 10/35 spada tylko z tego powodu o 15%. Dla podgrzania ciepłej wody do temperatury 45oC, nawet przy zastosowaniu podgrzewacza z podwójną wężownicą, wymagana temperatura wody grzewczej przy standardowych czasach podgrzewania ciepłej wody przy zastosowaniu jej cyrkulacji wynosi minimum 60oC. W standardowych pompach ciepła jest to trudne do osiągnięcia. Konieczność uzyskania tak wysokiej temperatury powoduje zmniejszenie współczynnika efektywności pompy o ok. 5% w stosunku do temperatury 55oC.
Najmniej nieporozumień występuje przy zastosowaniu systemu grzewczego z pompą ciepła powietrze-woda, gdzie współczynnik efektywności podawany jest łącznie z mocą elektryczną do napędu wentylatora parownika, a temperatura wody zasilającej 60oC jest bezproblemowo osiągalna.

Rzeczywisty COP
Dla zobrazowania faktycznych współczynników central grzewczych z pompami ciepła przedstawiam tabelę opartą na obliczeniach rocznego zapotrzebowania energii grzewczej dla ogrzewania podłogowego dla budynku o ok. 250 m2 powierzchni ogrzewalnej.

Założenia:
* maksymalna moc grzewcza dla ogrzewania budynku przy temperaturze zewnętrznej tz – 16oC – 12,5 kW,
* temperatura wody w instalacji grzewczej przy tz – 16oC – zasilanie 35oC, powrót 25oC,
* średnioroczna temperatura zewnętrzna sezonu grzewczego +2oC,
* temperatura wody ze studni 8,5oC,
* temperatura wody z kolektora poziomego 0oC,
* temperatura wody z sond ziemnych +1oC,
* temperatura instalacji grzewczej do podgrz. c.w.u. – zasilanie 60oC, powrót 55oC,
* temperatura ciepłej wody użytkowej 45oC.

Z tabeli wynika, że podawane w katalogach współczynniki COP dla pomp ciepła odbiegają od rzeczywistych współczynników całego systemu grzewczego z pompą ciepła. Obliczenia te powinny zaprzeczyć opinii, że najefektywniejszym systemem jest system woda-woda ze studniami wody powierzchniowej. Powyższa analiza dotyczy energetycznych właściwości pomp ciepła.
Innym zagadnieniem są efekty ekonomiczne zastosowania pompy ciepła. Należy tu uwzględnić koszty inwestycyjne, koszty energii elektrycznej, koszty serwisowania oraz współczynnik niezawodności związany z kosztami obsługi. Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że koszty serwisu i niezawodność związana z kosztami obsługi są najniższe przy zastosowaniu pompy ciepła powietrze-woda.

Systemy gruntowe
W systemach gruntowych współczynnik COP jest zależny od łącznej długości rur kolektorów poziomych czy pionowych. Długość ta z kolei zależy od jakości gruntu, w szczególności od jego wilgotności. Długości te mogą być bardzo zróżnicowane. Wydajność cieplna gruntu dla kolektorów gruntowych, waha się od 10 W/m2 dla gruntu suchego i piaszczystego do 40 W/m2 dla podmokłych gruntów gliniastych. Dla kolektorów pionowych (sond ziemnych) wydajność sondy waha się od 30 do 60 W/mb. Długość rur kolektorów poziomych czy pionowych ma duży wpływ na pobór mocy pomp obiegowych solanki, a więc na COP całego systemu grzewczego z pompą ciepła solanka-woda.
Przed zaoferowaniem lub zaprojektowaniem zaleca się zasięgnięcie opinii geologa lub w przypadku sond – wykonanie specjalistycznego projektu geologicznego.

Studnie
Jeszcze większy wpływ na ten współczynnik ma głębokość studni w systemach woda-woda. Charakterystyka wydajności pompy głębinowej jest bardzo płaska. Oznacza to, że każdy dodatkowy metr w wysokości podnoszenia powoduje znaczny spadek przepływu wody przez parownik. W przypadku konieczności wiercenia głębszych studni zachodzi więc konieczność zastosowania pompy głębinowej o większym poborze mocy elektrycznej, co odbija się bardzo niekorzystnie na COP całego systemu grzewczego z pompą ciepła.
Pobór energii elektrycznej może się zwiększać w przypadku złej jakości wody, szczególnie z dużą zawartością żelaza. Osadzanie się zanieczyszczeń na ściankach rur łączących studnię z pompą ciepła powoduje zwiększone opory przepływu, a więc większy pobór prądu przez pompę głębinową.

Za duża pompa ciepła
Dalszym, bardzo częstym przypadkiem wpływającym na obniżenie współczynnika COP systemu grzewczego z pompą ciepła jest zainstalowanie przewymiarowanej pompy ciepła, a więc pompy ciepła większej mocy grzewczej niż zapotrzebowanie budynku na cele grzewcze. Dodawanie mocy grzewczej na potrzeby podgrzewania ciepłej wody użytkowej jest tutaj najczęstszym błędem. Dla normalnych budynków mieszkalnych jest to zbędne, gdyż programując priorytet grzania ciepłej wody (przy krótkim okresie jej podgrzewania) wyłączenie ogrzewania budynku nie powoduje jego zauważalnego wyziębienia. Zapotrzebowanie ciepła na przygotowanie ciepłej wody należy jednak uwzględnić w doborze wymiennika gruntowego. Przewymiarowana pompa ciepła powoduje częstsze włączanie i wyłączanie sprężarki, większy więc pobór energii elektrycznej na rozruch, a więc i większy ogólny pobór energii elektrycznej, nie mówiąc o jej szybszym zużyciu. Dlatego wręcz niezbędne jest zastosowanie zbiornika buforowego wody grzewczej powodującego wydłużenie cyklu pracy sprężarki.
Korzystniejsze jest też zastosowanie systemu biwalentnego z grzałką elektryczną w buforze, wspomagającą pompę ciepła przy najniższych temperaturach zewnętrznych. Są to bardzo krótkie okresy w sezonie grzewczym i zwiększone zużycie prądu o zasilanie grzałki będzie mniejsze niż zwiększone zużycie prądu przy zainstalowaniu przewymiarowanej pompy ciepła.
Duży wpływ na optymalny dobór pompy ciepła ma realne obliczenie zapotrzebowania budynku na ciepło, kiedy koszty ogrzewania nie są wysokie i do zapotrzebowania ciepła dodaje się wszelkiego rodzaju współczynniki bezpieczeństwa, zakładając, że użytkownik nie składa reklamacji w przypadku przegrzanych pomieszczeń. Przy obecnych cenach energii wydaje się słuszniejsze zaakceptować niewielkie niedogrzanie w okresie najniższych temperatur zewnętrznych, mając w zamian ok. 20% zmniejszenie rocznych kosztów ogrzewania i zmniejszenie kosztów inwestycji.

Dobór pompy ciepła
Pompa ciepła w systemach grzewczych nie może być porównywana do kotła grzewczego, gdyż jej zasada działania polega na zgraniu trzech obiegów; obiegu dolnego źródła ciepła, obiegu pośredniego czynnika roboczego zwanego freonem i obiegu czynnika grzewczego (górnego źródła ciepła). Wszystkie te obiegi są ze sobą ściśle powiązane systemem automatycznej regulacji i zakłócenia w którymkolwiek z nich powodują zakłócenia pracy całego systemu. W konwencjonalnym kotle grzewczym mamy do czynienia jedynie z bezpośrednią wymianą ciepła, w której spaliny ogrzewają wodę grzewczą.
Mniej odpowiedzialnym dystrybutorom i instalatorom pomp ciepła zależy na sprzedaży większej pompy ciepła, gdyż jest ona droższa, a więc jej sprzedaż przynosi większy zysk. Odpowiedzialnym zależy na tym, aby użytkownik otrzymał optymalne rozwiązanie pod względem kosztów ogrzewania, kosztów inwestycji i komfortu cieplnego. Świadomi użytkownicy, a z takimi mamy najczęściej do czynienia wśród potencjalnych użytkowników pomp ciepła, kontrolują koszty ogrzewania i pracy pompy ciepła. Montują niezbędne liczniki energii elektrycznej i energii cieplnej. Prowadzą nawet komputerowy rejestr większości parametrów wpływających na pracę systemu. Przy efektach niezgodnych z oferowanymi przy dostawie systemu grzewczego dochodzą do wniosku, że podjęli błędną decyzję o zastosowaniu systemu grzewczego z pompą ciepła. Takie wadliwe realizacje central grzewczych przyczyniają się do rozpowszechniania niesłusznych, negatywnych opinii o systemach grzewczych z pompami ciepła. O jednej wadliwie pracującej pompie ciepła mówi się więcej niż o wielu pracujących prawidłowo.

Koszty
Systemy grzewcze z pompami ciepła należą bezspornie do systemów o najniższych kosztach ogrzewania. Projekt i montaż centrali grzewczej z pompą ciepła powinien być powierzony specjalistycznej firmie o dużej wiedzy teoretycznej i praktycznej w zakresie ciepłownictwa i chłodnictwa, której nie posiadają niektóre firmy instalacyjne czy dystrybutorzy pomp ciepła. Nie można zainstalować optymalnie działającej centrali z pompą ciepła, nie posiadając wiedzy o komforcie cieplnym, wiedzy budowlanej i podstawowych informacji o prawidłowym działaniu instalacji grzewczej i wentylacji.
Dużym błędem ze strony potencjalnych inwestorów jest też branie pod uwagę kosztów inwestycji jako jedynego kryterium realizacji. Najtańsze inwestycje okazują się w praktyce najdroższymi, gdyż jakość tanich urządzeń powoduje konieczność dodatkowego inwestowania w bliskiej przyszłości, a niska jakość wykonawstwa powoduje konieczność licznych poprawek i uzupełnień. Zapewnienia i gwarancje jakościowe mają tu niewielkie znaczenie ze względu na wiele luk prawnych w tym zakresie i niestabilność firm instalacyjnych.
Mirosław Kozłow

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