Powietrzne pompy ciepła – prawidłowy dobór
W ostatnich latach zaobserwowaliśmy ogromny wzrost popularności pomp ciepła, czyli urządzeń charakteryzujących się nie tylko najbardziej ekologicznym ale również względnie oszczędnym źródłem ogrzewania. Jeszcze 8-10 lat temu, większość rozmów na ten temat z potencjalnymi klientami opierała się głównie o zasadę działania, czyli co to jest, jak to działa i czy na pewno działa… Dziś ze względu na dużą popularność, temat takich dyskusji, przeszedł głównie na zużycie prądu, wybór konkretnego producenta, typu i wydajności pompy ciepła. Natomiast, co trzeba zaznaczyć coraz częściej poruszane są również kwestie, zdecydowanie bardziej techniczne jak np. dobór wydajności względem taktowania sprężarki, czyli częstotliwość załączeń urządzenia w danym okresie, czy elementów instalacji takich jak zasobnik buforowy, itp. Dzieje się tak ze względu na to, że taka instalacja nie jest tania, i żeby uniknąć potencjalnych problemów, zależy nam na pozyskaniu jak największej ilości informacji. Największy tylko problem w tym, że czasami mamy wrażenie, im więcej się dowiadujemy z internetu czy od fachowców, tym mniej wiemy… Niestety technologia pomp ciepła, łączy za sobą wiele zagadnień technicznych, jak termodynamika układu freonowego, we współpracy z instalacją hydrauliczną, związana z tym automatyka, stąd czasami ten poziom wiedzy jest nie wystarczający, co wiąże się różnymi opiniami, teoriami, wprowadzając potencjalnego klienta w spore zakłopotanie. Celem niniejszego artykułu jest, omówienie jednego z najistotniejszych zagadnień, które wydaje mi się, warto poznać przed zakupem pompy ciepła, jakim jest jej prawidłowy dobór. Temat możemy podzielić na 3 kroki :
1 KROK – Określenie zapotrzebowania na moc grzewczą, i maksymalną temp. zasilania.
2 KROK – Dobór odpowiedniej pompy ciepła.
3 KROK – Dobór elementów instalacji.
KROK 1 – Określenie zapotrzebowania na moc grzewczą, i maksymalną temp. zasilania
Pierwszym krokiem będzie oszacowanie zapotrzebowania na moc grzewczą naszego budynku. Ale jeszcze zanim do tego przejdziemy kluczową kwestią umożliwiającą montaż pompy ciepła jest maksymalna graniczna temperatura zasilania wody grzewczej, wymagana do utrzymania temperatury komfortu w budynku. Często jest to dość trudne do zweryfikowania, szczególnie kiedy nie mamy termometru na wyjściu, i stary typ kotła spalinowego. Natomiast jest to ważne szczególnie w budynkach słabo lub wcale nieocieplonych oraz przy starych, mało wydajnych grzejnikach, dlaczego ? Ponieważ jeśli do osiągnięcia temperatury komfortu, nasze grzejniki potrzebują temp. wyższej niż 55°C, to oczywiście znajdziemy wiele urządzeń na rynku pracujących do temp. nawet 70°C, ale będzie się to i tak wiązało z bardzo słabymi wskaźnikami efektywności energetycznej COP, czyli krótko mówiąc wysokimi rachunkami za prąd. Do osiągnięcia wyższej temperatury wody grzewczej, sprężarka w pompie ciepła spręża gaz, zwiększając jego ciśnienie do odpowiedniej temperatury skraplania, wykonując tym samym większą prace co za tym idzie zużywając więcej energii (każdy 1°C w górę, to od 1,5% do czasem nawet 3% większy pobór prądu), dlatego tak w przypadku kiedy istnieje ryzyko, że nasze wymienniki centralnego ogrzewania będą wymagały tak wysokich temperatur, należy się poważnie zastanowić nad podjęciem kroków w kierunku termomodernizacji, jeszcze przed lub w trakcie wymiany istniejącego źródła na pompę ciepła. Obniżenie wymaganej temperatury wody grzewczej na potrzeby C.O., to dwa rozwiązania :
- Wymiana grzejników na nowe, bardziej efektywne i o większej powierzchni wymiany ciepła.
- Termomodernizacja budynku czyli montaż ocieplenia, wymiana okien itp., co wpływa już nie tylko na obniżenie temp. zasilania, ale co najważniejsze obniżenie całkowitych strat ciepła budynku.
Mając na uwadze kwestię maksymalnej granicznej temperatury zasilania, od której zależy czy nasz budynek będzie się nadawał pod pompę ciepła, przechodzimy to najważniejszej rzeczy, koniecznej dla poprawnego doboru pompy ciepła, czyli zapotrzebowanie na moc grzewczą. Straty ciepła generalnie zależą głównie od parametrów technicznych budynku, takich jak konstrukcja wraz z ewentualną izolacją (ścian, stropu, podłogi), powierzchnia ogrzewana, stan techniczny okien itp. Maksymalne zapotrzebowanie na moc grzewczą, w zależności od wymienionych parametrów, może się mieścić w zakresie od 35W/m2 dla nowych budynków niskoenergetycznych, do nawet 100-120W/m2, dla obiektów starych i nieocieplonych. Stąd do poprawnego oszacowania takich wartości, służą odpowiednie programy do bilansu OZC, czyli obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło, w określonych skrajnych warunkach temperatury zewnętrznej. Są wersje w dużym stopniu uproszczone, darmowe online, lub profesjonalne ale płatne i znacznie bardziej złożone w obsłudze, dlatego zawsze możemy się udać do firmy lub biura projektowego i zamówić taki bilans. Uzyskując określoną wielkość strat ciepła w warunkach skrajnych (wg. normy to temp. -20°C), musimy pamiętać, że nie jest to dla nas jeszcze wyznacznik do doboru pompy ciepła, ponieważ kluczowy jest wynik dla ustalonej temperatury zewnętrznej w punkcie biwalentnym. Co to jest punkt biwalentny ? to nic innego jak zakładana temperatura zewnętrzna, poniżej której nasza pompa ciepła zechce się wspomóc dodatkowym źródłem ciepła jakim najczęściej jest grzałka elektryczna. Jak widać na wykresie rys.1, zakładając minimalną obliczeniową temperaturę zewnętrzną -20°C, i temperaturę pomieszczenia 20°C, przykładowym zapotrzebowania z bilansu OZC 12kW, straty ciepła będą mniej więcej proporcjonalnie spadać względem wzrostu temperatury zewnętrznej. Oczywiście w rzeczywistości nie jest to równa linia prosta, ale dla oszacowania wartości, możemy przyjąć takie założenie.
Rys.1 Zapotrzebowanie na moc grzewczą Q[W], względem temperatury zewnętrznej Tzewn. [°C]
100% zapotrzebowania przy temperaturze zewn. -20°C, czyli 12kW, i 0% (0kW) przy temperaturze zewnętrznej równej zakładanej temp. pokojowej 20°C. Jak zatem w najprostszy sposób wyznaczyć wybrany punkt biwalentny ? Po prostu ze zwykłej proporcji, jak widać na wykresie połączone przerywaną linią poszczególne wartości temperatur zewn. z odpowiadającym im wielkością zapotrzebowania na moc grzewczą. Dlaczego tak istotne jest określenie start ciepła dla wybranego punktu biwalentnego a nie np. dla warunków skrajnych -20°C ? Zakładając, statystycznie ilości dni w ciągu zimy poniżej temperatury -10°C czy nawet -7°C, jest na tyle mało, że nawet jeśli nasza pompa wspomoże się grzałką, to w skali całego sezonu nie będzie to odczuwalnie wpływało na nasze rachunki. Trzeba również pamiętać, że wspomaganie jak sama nazwa wskazuje to tylko dodatkowe wsparcie, nie wykluczające dalszej pracy samej pompy ciepła. Pompa się nie zatrzyma, a jedynie wspomoże dodatkową grzałką elektryczną, uzupełniając brakujące zapotrzebowanie na moc grzewczą. Dlaczego, zaś nie powinniśmy przewymiarować wydajności pompy ciepła, co mogłoby rozwiązać cały problem ? ponieważ nie patrząc już na samą różnicę w kosztach, będzie to wpływało na większą liczbę załączeń sprężarki w pompie, co za tym idzie krótszą jej żywotność. Jeśli chodzi o samą temperaturę punktu biwalentnego, to jak wcześniej zostało wyjaśnione, -7°C patrząc na ostatnie kilka lat będzie jak najbardziej wystarczająca, natomiast ze względu na tolerancję błędu obliczeń bilansu energetycznego, warto wziąć pod uwagę pewien zapas bezpieczeństwa, przykładowo obniżając taką wartość do -10°C czy nawet -12°C. Mając już określone zapotrzebowanie na moc grzewczą w punkcie biwalentnym, przechodzimy do następnego kroku jakim jest dobór pompy ciepła.
KROK 2 – Dobór odpowiedniej pompy ciepła
Ilość producentów, modeli na rynku jest tak duża, że każdy kto planuje taki zakup, a nie ma jakiejś minimalnej wiedzy w tym temacie, może być wprowadzony w spore zakłopotanie. Ile firm sprzedających, tyle opinii na temat swoich produktów, do tego dokładamy fora internetowe i robi się już kompletne zamieszanie. W niniejszym artykule, nie przedstawimy informacji co do jakości urządzeń poszczególnych producentów, ich pochodzenia, stosowanych komponentów, czy awaryjności, ale wyjaśnimy najistotniejsze kwestię dotyczące prawidłowego doboru.
Generalnie powietrzne pompy ciepła, (klasyczne pompy typu powietrze/woda), dzielą się na dwa zasadnicze typu :
- Monoblok
- Split
Pompy typu monoblok charakteryzują się przede wszystkim tym, że wymiennik freon/woda znajduje się w jednostce zewnętrznej, i jest to najbardziej popularne rozwiązanie, ze względu na łatwość montażu, nie wymaga od wykonawcy posiadania odpowiednich uprawnień oraz kompetencji związanych z instalacjami freonowymi. Monobloki w zależności od producenta, mogą się różnić od siebie ilością komponentów hydraulicznych zlokalizowanych w jednostce zewnętrznej, tzn. w przypadku kiedy oprócz wymiennika, jest również pompka obiegowa obiegowa oraz pozostałe elementu hydrauliki, często taka wersja pompy ciepła nie posiada nawet jednostki wewnętrznej. Sporym minusem tego rozwiązania jest, konieczność wyprowadzenia wody grzewczej na zewnątrz. W przypadku awaryjnej sytuacji i braku zadziałania dodatkowych zabezpieczeń, przy ujemnej temperaturze istnieje ryzyko zamarznięcia i rozszczelnienia wymiennika, co za tym idzie zalania wodą układu freonowego czyli poważnym uszkodzenie naszego urządzenia.
Pompy ciepła typu split, zawsze składają się z dwóch jednostek zewnętrzna + wewnętrzna, połączonych ze sobą linią freonową, czyli wymiennik freon/woda, znajduje się w jednostce wewnętrznej. Wadą tego rozwiązania jest, to że firma montażowa musi posiadać odpowiednie uprawnienia, oraz przede wszystkim kompetencje do prawidłowego wykonania oraz uruchomienia takiej instalacji. Natomiast niekwestionowaną zaleta tego typu pom ciepła to brak jakiegokolwiek ryzyka zamarznięcia ze względu na to, że obieg wody grzewczej nie wykracza poza ogrzewany obiekt.
Wybór rodzaju powietrznej pompy ciepła, to już indywidualna decyzja użytkownika, dlatego w tym kroku, skupimy się głównie na odpowiednim jej doborem pod kątem dopasowania jej wydajności.
Podstawowym i często popełnianym błędem jest dobór powietrznej pompy ciepła względem jej wydajności nominalnej, co to znaczy ? Jeśli nasze zapotrzebowanie w punkcie biwalentnym, to przykładowo 12kW, wybieramy pompę ciepła 12kW, jak 8kW to pompa 8kW.. Dlaczego to błąd ? Ponieważ w zależności od producenta i modelu, pompy o tej samej wydajności nominalnej, czyli przy temp. zewn. +7°C i temperaturze zasilania grzejników 35°C, dla każdej z nich może być inna wydajność w niskich temperaturach zewnętrznych. U jednego producenta w danym jego modelu 12kW to będzie tylko 8kW przy temperaturze -10°C, u drugiego 10kW, a trzeciego niezmiennie 12kW. Czyli wtedy kiedy nasz budynek potrzebuje najwięcej ciepła, różne pompy o tej samej wydajności nominalnej mogą mieć różne wydajności w cięższych warunkach zimowych. Na wykresie rys.2 przedstawiony został przykład, zależności mocy grzewczej trzech różnych pomp ciepła (A, B, C), względem temp. zewnętrznej oraz założonych strat ciepła budynku. Przyjęte założenia to :
- wynik OZC obiektu to 12kW przy temp. zewn. -20°C,
- wszystkie 3 pompy ciepła o tej samej wydajności nominalnej 10kW (warunki +7/35°C),
- wydajność urządzeń dla temperatury zewnętrznej -15stC (warunki -15/35°C) A=5,5kW, B=7,3kW, C=10kW.
Jak widać na wykresie, pomimo tej samej wydajności nominalnej, pompy znacząco różnią się już w temperaturach niższych od +7°C, ponadto im niższa temp. tym większe różnica. Dla zapotrzebowania ciepła 12kW przy -20°C, dobierając punkt biwalentny -10°C, to przy takiej temperaturze zewnętrznej potrzebowalibyśmy pompy ciepła o wydajności minimum 9kW. Jak można zauważyć, z trzech zaprezentowanych urządzeń tylko pompa C będzie spełniała takie wymagania. Punkt biwalentny, temperatura poniżej, której pompa będzie się wspomagała grzałką elektryczną, w przypadku jednostki B to około -7°C, natomiast jednostki A to zaledwie około -5°C.
Rys.2 Zależność mocy grzewczej trzech przykładowych pomp ciepła (A, B, C), względem temperatury zewnętrznej Tzewn. [°C] oraz założonych strat ciepła budynku Q[W].
Stąd aby prawidłowo dobrać pompę ciepła, trzeba zawsze weryfikować jej wydajność w temperaturze zewnętrznej do której nasze urządzenie poradzi sobie bez żadnego wspomagania. Ponadto trzeba jeszcze pamiętać, że oprócz zakładanej temperatury zewnętrznej, warto jeszcze zwrócić uwagę, przy jakiej temperaturze zasilania weryfikujemy wydajność pompy ciepła. Nie ma tutaj aż tak wielkiej różnicy, ale przy parametrach grzejnikowych tzn. 45°C czy 50°C, wydajność pompy będzie nieco niższa niż w warunkach niskotemperaturowych (np. ogrzewania podłogowe) tj. 35°C. Czyli kiedy mamy instalację grzejnikową, i zakładany punkt biwalentny -10°C, to będziemy musieli w danych technicznych naszej pompy wyszukać deklarowaną jej wydajność w punkcie -10/45°C czy przykładowo -10/50°C.
3 KROK Dobór elementów instalacji.
Oprócz prawidłowego doboru samej pompy ciepła, pozostaje jeszcze ostatni krok jakim jest dobór pozostałych elementów instalacji wraz ze schematem ich podłączenia. Przykładem może być dylemat co do zastosowania zasobnika buforowego. Co prawda wiele opinii panuje na ten temat, i o tym jaką on dokładnie pełni funkcję poświęcimy osobny artykuł, gdzie wyjaśnimy szczegółowo jej techniczne aspekty, natomiast teraz możemy przyjąć, że praktycznie w każdym jednym przypadku warto jest bufor stosować, zabezpiecza nam odpowiedni przepływ oraz ilość wody dla pompy, chociażby na potrzeby procesu jej odmrażania. Wyjątek mogą stanowić tylko przypadki w których, mamy wystarczająco pod charakterystykę przepływową pompy, zaprojektowane ogrzewanie podłogowe, bez możliwości indywidualnego sterowania zamykaniem pętli.
Jedną z najważniejszych rzeczy dla zachowania poprawnej pracy pompy ciepła, jest odpowiedni przepływ wody grzewczej. Możemy go zapewnić dobierając odpowiednie średnice rur oraz elementów armatury hydraulicznej, w stosunku do ich długości/ilości. Po stronie obiegu wtórnego, czyli między zasobnikiem buforowym, a instalacją centralnego ogrzewania, oprócz średnic instalacji, kluczowy jest też dobór odpowiedniej pompy lub pomp obiegowych, w zależności od ilości obiegów, ponieważ od nich zależy uzyskanie wymaganego przepływu na poszczególnych wymiennikach, czy to będą klasyczne grzejniki czy pętle ogrzewania podłogowego. Kolejną bardzo ważną kwestią, jest zabezpieczenie wymiennika pompy ciepła przez zanieczyszczeniami z instalacji. Tutaj istotne jest zastosowanie na wlocie do jednostki urządzenia, filtra magnetycznego z sitkiem w celu separacji zanieczyszczeń pochodzących z instalacji. Stąd jest to również element wymagający systematycznej konserwacji w standardowych czynnościach przeglądów serwisowych.
Jeśli chodzi o wymagania dotyczące instalacji, to poza krótko omówionymi kwestiami doboru jej elementów, są jeszcze inne warunki jak stabilne zasilanie elektryczne, prawidłowe usytuowanie jednostki zewn. itp., ale to już jest temat na osobny artykuł. Takie wymagania szczegółowo opisywane są w każdej dokumentacji techniczno-rozruchowej danej pompy ciepła.
Podsumowanie
Reasumując, prawidłowy dobór pompy ciepła wraz z instalacją, warunkuje dłuższą żywotność oraz poprawność pracy urządzenia. Możemy spotkać dziś, coraz więcej negatywnych opinii czy artykułów na temat pomp ciepła, powodowanych często właśnie błędnym doborem urządzeń lub ich montażem w miejscach gdzie w ogóle tak nie powinny się znaleźć przed kompleksową termomodernizacją. Dlatego warto poznać pewne podstawy, aby można było się cieszyć nową inwestycją, niosącą za sobą korzyści w postaci czystego, bezobsługowego i względnie ekonomicznego sytemu ogrzewania.
dr inż. Damian Pędziwiatr
