Jak optymalnie wykorzystać pompę ciepła w systemie ogrzewania?

W przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł ciepła typu kocioł – pompy ciepła do wytwarzania ciepła nie „konsumują energii pierwotnej” w postaci paliwa, tylko transferują energię z dolnego do górnego źródła ciepła dzięki napędowi, najczęściej elektrycznemu. Ma to jednak swoje konsekwencje w praktyce. Na przykład im wyższą temperaturę wody grzewczej chcemy uzyskać, tym większy nakład energii elektrycznej musimy ponieść. W przypadku tradycyjnych kotłów nie ma to większego znaczenia. Wyjątek stanowią tu, choć z zupełnie innych powodów, kotły kondensacyjne. Jakie zatem czynniki mają wpływ na efektywność pompy ciepła w systemie grzewczym?

Rozpiętość

Pierwszym czynnikiem, zapewne najistotniejszym, jest temperaturowa rozpiętość źródeł ciepła górnego, w którym oddajemy ciepło do instalacji, i dolnego, z którego to ciepło pobieramy. Im mniejsza różnica temperatur tych źródeł, tym większa efektywność pompy ciepła. O ile na temperaturę dolnego źródła większego wpływu nie mamy (poza wyborem typu), to z górnym źródłem sytuacja ma się wręcz odwrotnie. Wymiarując system grzewczy na niższe temperatury pracy, na pewno jednorazowo podnosimy jego koszt, ale zyskujemy tańszą, bo efektywniejszą pracę pompy ciepła w całym okresie eksploatacji. W tym zakresie ogranicza nas nieco temperatura (a właściwie ciśnienie) skraplania czynnika na poziomie około 20oC, gdyż w niższych temperaturach może być zaburzona stabilność pracy lub konieczne wspomaganie (rys. 1).

Ale z drugiej strony 20oC to jest temperatura, do której ogrzewamy pomieszczenia (często nawet wyżej), zatem małe szanse, że wystąpi zapotrzebowanie na osiąganie niższych temperatur. Nie ma też obawy, że niższą temperaturą zasilania nie zagrzejemy pomieszczeń, choć intuicja podpowiada, że grzejnik, który nie parzy, nie grzeje. Strumień ciepła oddawanego na pokrycie strat przez przegrody rośnie zarówno z różnicą temperatur, jak i z powierzchnią wymiany ciepła, co pozwala nawet przy niskich temperaturach zasilania dostosować ogrzewanie do potrzeb budynku. Zresztą straty cieplne z uwagi na zmieniające się normy i standardy budowlane z roku na rok stopniowo maleją. Zatem ogrzewania płaszczyznowe, np. podłogowe, które charakteryzują się stosunkowo małą różnicą temperatur, ale dużą powierzchnią wymiany ciepła, dają pod tym względem najlepsze rezultaty (fot).

Chłodzenie czy grzanie?

Pompa ciepła to jednak również chłodzenie latem mające znaczenie w coraz lepiej zaizolowanych budynkach. Czy lepiej skorzystać z pętli podłogowych do chłodzenia, licząc się ze słabym odczuwalnym efektem? Czy zastosować klimakonwektory, tracąc na efektywności w trybie ogrzewania? Optymalnie jest skorzystać z obydwu tych opcji jednocześnie, zachowując przystosowanie tych rozwiązań do funkcji, które mają spełniać. Zatem do istniejącego systemu ogrzewania podłogowego najlepiej jest dołożyć kilka klimakonwektorów, ale tylko w pomieszczeniach, które zamierzamy chłodzić (jest ich zazwyczaj znacznie mniej niż ogrzewanych) zgodnie ze schematem (rys. 2).

Dzięki takiemu połączeniu ogrzewamy niskim parametrem zasilania, wykorzystując cały system, a chłodzimy efektywnie poprzez klimakonwektory, odcinając jednym zaworem pętle podłogowe latem.

Obciążenie

Drugim aspektem efektywności pracy pompy ciepła w systemie grzewczym jest stopień obciążenia urządzenia grzewczego względem zapotrzebowania budynku. Kiedyś punktem odniesienia było obliczeniowe zapotrzebowanie ciepła (OZC), którego pokrycie przez pracujące ze stałą wydajnością urządzenie (np. pompę ciepła ze sprężarką on/off) było wystarczającym kryterium doboru. Dziś zmieniające się zapotrzebowanie budynku w sezonie i jednocześnie zmienna efektywność pompy ciepła (szczególnie typu powietrze-woda) przy zastosowaniu sprężarek inwerterowych rzucają zupełnie inne światło na to zagadnienie. Sprężarki z regulowaną wydajnością – zwane inwerter – najwyższe efektywności osiągają nie przy pełnym obciążeniu, ale przy takim wynoszącym około 75% pełnego. Chwilową wydajność determinuje jednak zapotrzebowanie budynku, nie optymalna efektywność, gdyż pokrycie zapotrzebowania jest warunkiem komfortu, niezależnie czy mniej, czy bardziej efektywnie się to odbywa. Natomiast spadająca wraz z temperaturą zewnętrzną wydajność urządzenia powoduje, że obciążenie 75% (lub efektywnościowo najwyższe w pompach ciepła zachowujących stałą wydajność) będzie występowało przy różnych wydajnościach grzewczych w różnych temperaturach zewnętrznych. Jak zatem optymalnie – z uwagi na te kryteria – dobrać pompę ciepła? Punkt pracy o najwyższej sprawności musi wystąpić przy takiej temperaturze, przy jakiej pompa ciepła „najbardziej pracuje”, czyli dostarcza najwięcej energii do budynku. Zazwyczaj są to temperatury w okolicach zera stopni, choć zapotrzebowanie budynku w tej temperaturze jest o około połowę mniejsze od obliczeniowego. Jednak częstotliwość występowania w sezonie powoduje, że udział efektywności w tych właśnie temperaturach ma największy wpływ na efektywność średnioroczną, zwaną sezonowym COP. Właśnie sezonowe COP najlepiej oddaje zarówno prawidłowość doboru, jak i efektywność pracy urządzenia w rozpatrywanych warunkach. Oczywiście w związku z powyższym optymalnie dobrana pompa ciepła do budynku w najniższych temperaturach w sezonie nie będzie w stanie pokryć zapotrzebowania bez wspomagania dodatkowym źródłem ciepła, najczęściej grzałką elektryczną, ale z uwagi na to, że jest to wspomaganie, stanowi ono bardzo niewielki udział w skali całego sezonu grzewczego i jest jak najbardziej uzasadnione ekonomicznie. Jednocześnie przewymiarowanie przynosi niewiele lepsze efekty, a wiąże się ze znacznymi nakładami na inwestycję (wykres).

Stabilność i ciągłość

Trzecim czynnikiem mającym wpływ na efektywność pracy urządzenia grzewczego, takiego jak pompa ciepła, jest stabilność i ciągłość pracy czyli ograniczanie do minimum skoków nastaw temperatury, znacznych obniżeń temperatury czy możliwe wyeliminowanie przerw w pracy. W stanie stabilnej pracy dostarczana do budynku energia pokrywa dokładnie straty ciepła, utrzymując temperaturę pomieszczenia i wszystkich znajdujących się tam przedmiotów na stałym poziomie. Jeśli jednak poprzez obniżenie nastawy zmniejszymy ilość doprowadzanego ciepła, to w dłuższym czasie spowoduje to obniżenie temperatury zarówno pomieszczenia, jak i wszystkich przedmiotów akumulujących ciepło i powrót do poziomu sprzed obniżenia wymagał będzie znacznie większych nakładów energetycznych, bo oprócz pokrycia strat przez przegrody, również na podgrzanie przedmiotów akumulujących ciepło, czyli wszystkich znajdujących się w pomieszczeniu. Oczywiście niedostarczona energia w czasie, kiedy spadała temperatura, stanowi pewną oszczędność i dopóki przekracza dodatkowe nakłady na powrót do temperatury standardowej, jest uzasadniona.

OZE i ogrzewanie

W najbliższej przyszłości czeka nas wejście w coraz powszechniejsze wykorzystanie energii odnawialnych również do ogrzewania pomieszczeń. Ich wykorzystanie, poza walorami ekologicznymi (jak ograniczenie emisji CO2 i zmniejszone zużycie energii), będzie niosło za sobą również konieczność zmiany pewnych wykształconych przez lata czy nawet pokolenia przyzwyczajeń. Na przykład ogrzewanie – z uwagi na wykorzystanie odnawialnych źródeł energii – przechodzi na niższy poziom temperaturowy, ale jednocześnie charakteryzuje się większą precyzją regulacji i stabilnością pracy. Na rynek wchodzą urządzenia coraz bardziej zaawansowane technologicznie, o coraz niższych, ale wystarczających w nowych standardach mocach grzewczych. Wszystko to wskazuje na nadchodzącą zmianę standardów w technice grzewczej i szeroko pojętym ogrzewaniu. Natomiast technologią, która jak na razie najlepiej odpowiada na rysujący się kierunek zmian, jest technologia pomp ciepła.

Erwin Szczurek

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