Obecnie bardzo dużą popularność zdobywają pompy ciepła typu powietrze-woda (nazywane potocznie pompami powietrznymi). Niewątpliwą zaletą urządzeń jest łatwość montażu, dużo prostsza niż dotychczas dominujących na rynku pomp ciepła typu solanka-woda.

Źródłem ciepła dla pompy powietrznej jest otaczające nas powietrze – jeśli wybierzemy model do montażu na zewnątrz, nie potrzebuje ona żadnej instalacji tzw. dolnego źródła. Oczywiście modele przeznaczone do montażu wewnątrz pomieszczeń będą potrzebować przewodów doprowadzających powietrze oraz odprowadzających to powietrze z powrotem na zewnątrz.

Sprawność i COP

Przypomnijmy, że pompy ciepła są urządzeniami, które nie wytwarzają energii cieplnej, tylko transportują tę energię z jednego miejsca w drugie. Źródłem ciepła dla pompy ciepła najczęściej może być grunt, powietrze lub woda – jest to tzw. dolne źródło. Ciepło to jest transportowane do tzw. górnego źródła, czyli instalacji grzewczej lub wody użytkowej. Od temperatury dolnego źródła i wymaganej/ustawionej temperatury na wyjściu, czyli w górnym źródle, zależy osiągana sprawność układu.

Im wyższa temperatura dolnego źródła oraz im niższa temperatura górnego źródła, tym sprawność pompy ciepła jest wyższa. Fachowo sprawność pomp ciepła określa się jako współczynnik efektywności, w skrócie COP. Producenci powinni podawać wartość COP oraz moc pompy ciepła wg obowiązującej normy, dla ustalonych parametrów pracy urządzenia. Dla pomp solanka-woda jest to temperatura dolnego źródła 0ºC, temperatura górnego źródła 35ºC podgrzanego z 30ºC (czyli schłodzenie górnego źródła 5 K).

Natomiast dla pomp powietrze-woda podaje się COP i moc wg parametrów odpowiednio +2ºC dolne źródło, oraz 35ºC górne źródło przy schłodzeniu 5 K. Katalogowa wartość współczynnika COP jest więc podawana dla konkretnych warunków pracy. O ile w przypadku pomp solanka-woda warunki pracy dolnego źródła są w ciągu roku stosunkowo stabilne (jeśli oczywiście dolne źródło jest prawidłowo wykonane), to temperatura powietrza zewnętrznego, jak wszyscy wiemy, ulega dość mocnym wahaniom nawet w cyklu dobowym, tym bardziej w ciągu sezonu grzewczego.

Jak to działa, kiedy jest zimno?

Pompa ciepła typu powietrze-woda jako źródło ciepła wykorzystuje powietrze zewnętrzne, jak więc może ogrzać dom w zimie, kiedy temperatura powietrza spada do ujemnych temperatur? Stosowane w pompach ciepła czynniki chłodnicze są zdolne pracować również przy niskich temperaturach. Wystarczy zajrzeć do bardziej szczegółowej dokumentacji technicznej, aby sprawdzić, że nowoczesne powietrzne pompy ciepła pracują na powietrzu o temperaturze np. do -25ºC. Tylko czy praca powietrznej pompy ciepła przy temperaturze powietrza, a więc dolnego źródła, wynoszącej -25ºC jest ekonomiczna? Taką informację znajduje się znacznie trudniej albo wcale…

Okazuje się, że w skrajnych warunkach COP pompy powietrznej spadnie do wartości 2,0 przy temperaturze wody grzewczej 35ºC lub jeszcze niżej, do ok. 1,5 przy temperaturze wody grzewczej 45ºC. Dla powietrza o temperaturze w pobliżu 0ºC wartości COP oscylują w granicach 3,5-3,9. Przykładowy wykres przebiegu COP dla jednej z pomp powietrznych jest na rysunku 1.

COP z udziałem pomp wg EN-14511

Rys. 1. COP z udziałem pomp wg EN-14511.

 

Im chłodniejsze powietrze, tym ekonomia pracy pompy powietrznej jest gorsza. Przypomnijmy, że przy COP równym 2,0 pompa ciepła do oddania mocy grzewczej 2 kW potrzebuje 1 kW energii elektrycznej, a dla COP równego 4,0 energia elektryczna o mocy 1 kW wystarczy do uzyskania 4 kW energii elektrycznej – czyli o połowę taniej niż przy COP = 2,0.

Na kolejnym rysunku pokazano zmianę dostępnej mocy grzewczej tej samej pompy powietrznej w zależności od temperatury powietrza. Wraz ze spadkiem temperatury powietrza, spada moc pompy ciepła.

Moc grzewcza pompy ciepła.

Rys. 2. Moc grzewcza pompy ciepła.

 

Natomiast zapotrzebowanie budynku na ciepło rośnie wraz ze spadkiem temperatury powietrza, czyli odwrotnie niż moc pompy ciepła. Oznacza to, że przy pewnej temperaturze powietrza pompa ciepła nie będzie w stanie ogrzać budynku. Pokazano to na rysunku nr 3.

Zmiana mocy grzewczej pompy ciepła - punkt biwalencyjny

Rys. 3. Zmiana mocy grzewczej pompy ciepła – punkt biwalencyjny.

Punkt przecięcia się linii mocy pompy ciepła z linią zapotrzebowania budynku nazywa się tzw. punktem biwalentnym (biwalencyjnym). Przykładowy budynek z wg rys. 3 ma zapotrzebowanie na energię grzewczą w ilości 8 kW w temperaturze obliczeniowej -20ºC. Jeśli byłby ogrzewany za pomocą ogrzewania niskoparametrowego (35/30ºC), np. ogrzewanie podłogowe, to przykładowa pompa ciepła (linia niebieska) mogłaby skutecznie ogrzewać budynek do temperatury zewnętrznej -9ºC. Jeśli jednak budynek byłby ogrzewany za pośrednictwem systemu pracującego na parametrach 55/50ºC (lina brązowa), to ta sama pompa ciepła „da radę” ogrzewać budynek tylko do temperatury zewnętrznej -2ºC. Co zrobić poniżej jednej z tych dwóch temperatur (zależy jaki jest sposób ogrzewania)?

Zwolennicy pomp powietrznych, szczególnie jeśli rozważamy sytuację z temperaturą biwalentną rzędu ok -7÷-9ºC, powiedzą, że w Polsce takie temperatury są rzadko i krótko. W niektórych regionach Polski tak jest, ale czy mimo to ktoś chciałby spędzić jeden czy kilka dni w niedogrzanym pokoju w zimie? Pewnie nikt… Pompa ciepła typu powietrze-woda, jeśli ma być jedynym źródłem ciepła w domu, powinna być wyposażona w grzałkę elektryczną, której moc wystarczy na pokrycie obliczeniowego zapotrzebowania budynku.

W przykładzie z rys. 3 byłaby to grzałka elektryczna o mocy min. 8 kW. Wielu producentów oferuje oczywiście modele powietrznych pomp ciepła z wbudowaną grzałką elektryczną lub modele pomp ciepła, do których jest możliwość dołożenia i wysterowania grzałki elektrycznej. Analizę ekonomiczną takiej konfiguracji trudno jednoznacznie przeprowadzić, ponieważ nie jesteśmy w stanie przewidzieć dokładnie, jakie będą temperatury w trakcie sezonu grzewczego i przez jaki czas potrzebne będzie dogrzewanie się grzałką elektryczną. Jedyne wiarygodne dane to dane archiwalne, na podstawie których można prognozować, szacować, jak długo wymagana byłaby praca grzałki. Na podstawie tych danych część producentów przygotowuje potencjalnym klientom symulacje ekonomiczne proponowanej inwestycji.

Za każdym razem przed podjęciem decyzji o zakupie powietrznej pompy ciepła warto poprosić o taką symulację. Powinniśmy mieć na niej jasno określony punkt biwalentny dla rozważanego modelu pompy ciepła oraz rachunek ekonomiczny. Prawidłowo dobrana powietrzna pompa ciepła powinna pracować samodzielnie do temperatury około -7÷-9ºC, co gwarantuje sprawne ogrzewanie pompą ciepła przez sporą część sezonu grzewczego. Urządzenie może oczywiście pracować na niższych temperaturach powietrza, można więc próbować dobrać model, który pokryje zapotrzebowanie budynku, przykładowo do -15ºC. Nie ma to jednak ekonomicznego uzasadnienia, gdyż model taki będzie miał zbyt dużą moc w okresach cieplejszych i będzie za drogi.

Spójrzmy na przykładową pompę ciepła, której charakterystykę mocy pokazano na rys. 1. Przy temperaturze powietrza -10ºC dostarcza ona ok. 5 kW energii cieplnej, natomiast przy +5ºC jest to ok. 7,5 kW, a przy +10ºC – ok. 9 kW.

W monobloku lub splicie

Uzupełniając informacje o powietrznych pompach ciepła, trzeba dodać, że na rynku oferowane są pompy monoblokowe oraz dwumodułowe, czyli tzw. splity. Pompa monoblokowa jest pojedynczym, kompletnym urządzeniem, które może być w wersji do montażu wewnątrz pomieszczenia lub na zewnątrz. Ta druga opcja jest wygodniejsza, jeśli mamy odpowiednie do montażu miejsce na naszej działce.

Całe urządzenie będzie bowiem na zewnątrz, czyli nie zajmie miejsca w budynku, natomiast w pomieszczeniu zamontowany będzie regulator pompy ciepła. Pewnym utrudnieniem jest konieczność zabezpieczenia obiegu grzewczego przed zamarzaniem poza budynkiem. Do monoblokowej pompy ciepła ustawionej na zewnątrz dochodzi bowiem woda grzewcza z budynku. Przewody łączące powinny być więc zakopane odpowiednio głęboko, czyli poniżej strefy przemarzania gruntu, w izolacji termicznej lub obieg powinien być wypełniony czynnikiem niezamarzającym (roztwór glikolu).

Ryzyka zamarzania wody grzewczej nie ma, jeśli zdecydujemy się na urządzenie wewnętrzne, ale w tym wypadku konieczne jest doprowadzenie kanałami powietrza do i z pompy ciepła. Wymiar tych kanałów może mieć, zależnie od mocy pompy ciepła, około 80-100 cm średnicy lub długości boku kanału o przekroju kwadratu. Alternatywą są pompy typu split, które składają się z dwóch modułów: montowanego na zewnątrz oraz wewnętrznego.

Połączenie między modułami jest za pośrednictwem przewodów miedzianych wypełnionych czynnikiem chłodniczym, a więc substancją niezamarzającą. Pompy typu split są zwykle tańsze od monoblokowych, ale mogą mieć niższe COP niż monobloki.

Gdy za gorąco…

Na zakończenie warto zwrócić uwagę na maksymalną temperaturę powietrza, przy której może pracować pompa ciepła typu powietrze-woda. Może to być np. +35ºC. Jakie znaczenie ma ta temperatura, przecież w lecie nie potrzeba ogrzewać pomieszczeń? Jeśli temperatura powietrza przekroczy + 35ºC, pompa ciepła nie będzie mogła podgrzać np. ciepłej wody użytkowej. W polskich warunkach klimatycznych takie temperatury, jeśli już wystąpią, to chwilowo i przez krótki czas.

Paweł Kowalski

Literatura:

Rysunki zaczerpnięto z dokumentacji lub stron internetowych firm Dimplex i Hewalex.

Fot. Junkers.

Jedna myśl na temat “COP powietrznych pomp ciepła

  • 4 sierpnia 2018 o 11:05
    Permalink

    Przy określaniu COP dotyczy to wyłącznie sprężarki. Pomija sie zapotrzebowanie energii np. wodnych w obiegu ssania i zatlaczania wody i w obiegu co. W takim przypadku mamy teoretyczne tylko sprężarki COP 6.5 ale przy uwzględnieniu mocy j.w. system co w obiegu ma calkowity poniżej COP3.
    Zgadzamy sie?

    Odpowiedz

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