Jak dobrać pompę ciepła?

Właściwy dobór pompy ciepła jest etapem złożonym i od niego zależy przyszłe poprawne i ekonomiczne eksploatowanie tego rodzaju źródła ciepła.

Wiele firm podchodzi do tego zagadnienia „po macoszemu” . W konsekwencji inwestorzy zgłaszają problemy z niedogrzanymi lub przegrzanymi pomieszczeniami i zbyt wysokimi rachunkami za energie elektryczną oraz zbyt dużą ilość cykli włącz/wyłącz, co ma przełożenie na przedwczesne zużycie sprężarki. W artykule zostanie poruszony proces doborowy krok po kroku.

Aby wytłumaczyć problematykę błędnego doboru, trzeba cofnąć się do niedalekiej przeszłości, gdzie wiodącym nośnikiem energii był węgiel oraz gaz ziemny, a także źródła ciepła które wykorzystywały te paliwa. Popularne wówczas „kopciuchy” posiadały zazwyczaj moc cieplną z zakresu 20-30 kW. Czy był to dom o powierzchni 100m² czy 300 m², takie kotły były instalowane. Wiązało się to z tym, że standard termoizolacyjności był o wiele niższy niż dzisiaj. Przeciętny dom o powierzchni 150m² potrzebował ponad dwa razy większej mocy źródła ciepła do ogrzania niż współczesny dom o wysokiej termoizolacyjności. Oczywiście już wtedy były one często za duże w stosunku do zapotrzebowania na ciepło. Ceny opału były relatywnie niskie, więc niespecjalnie ktoś zwracał na to uwagę, że jego źródło ciepła działa nieefektywnie. Problem pojawił się, gdy dom został docieplony i wymieniono dziurawą, przestarzałą stolarkę okienną. Źródeł ciepła nie wymieniano i po modernizacji stopień przewymiarowania mocy kotła wzrósł bardzo drastycznie. Objawiało się to nieefektywnym spalaniem paliwa i w konsekwencji wzrostem kosztów. Inwestorzy ratowali się np. poprzez zainstalowanie dużego bufora, który pełnił rolę magazynu ciepła w instalacji i stabilizował proces spalania w kotle.

Dopiero pojawienie się mechanizmu dawkowania paliwa oraz dmuchaw podającą określoną ilość powietrza do spalania pozwoliło modulować moc kotła na paliwo stałe i optymalizować zużycie paliwa.

W przypadku kotłów gazowych sytuacja była trochę lepsza, zwłaszcza gdy na rynek weszły kotły o modulowanej mocy palnika. Początkowo modulacja była uboga bo raptem kilkustopniowa aby dziś dojść do modulacji 1:10. Oznacza to, że przeciętny kocioł o mocy 15-20 kW może pracować z mocą minimalną rzędu kilku kW. Pomimo tego, dalej moc nominalna takiego urządzenia jest sporo większa niż wymaga tego budynek.

Wielu instalatorów pamięta zatem te czasy, gdzie nagminnie źródło ciepła miało moc znacznie większą niż wymagał tego budynek w rzeczywistości. Modulacja mocy w dzisiejszych źródłach ciepła, czy to gazowych czy na paliwo stałych niweluję problem przewymiarowania mocy kotłów. Tak jest również w przypadku pomp ciepła, ale niestety jest tu o wiele mniejsza tolerancja na przewymiarowanie mocy.

Zatem dlaczego w pompach ciepła jest z tym inaczej?

Sercem każdej pompy jest sprężarka. Jest ona ściśle zaprojektowana na określoną liczbę cykli włącz/wyłącz. Producenci zazwyczaj podają cykl życia przeciętnej sprężarki na około 15 lat. Jest to również najdroższy komponent w pompie ciepła. Konsekwencje przewymiarowania mocy pompy ciepła będą najbardziej dotkliwe w temperaturach dodatnich, gdzie zazwyczaj potrzeba dostarczyć do budynku jedynie 20-30% mocy obliczeniowej. Często jest to wartość mocy poniżej minimalnej z jaką może działać pompa ciepła, pomimo posiadania przez pompę inwertera. Objawia się to krótkimi cyklami pracy. W takim przypadku pompa ma zbyt wysoką moc względem potrzeb cieplnych budynku i układ ogrzewania jest wygrzewany w krótkim czasie. To powoduje, że pompa ciepła wyłącza się po osiągnięciu zadanych temperatur. Po spadku temperatury załącza się ponownie, szybko wygrzewa budynek i po raz kolejny się wyłącza. Taka praca jest zabójcza dla sprężarki. Przy takim trybie może się okazać, że jej projektowana żywotność będzie krótsza o połowę. Również przy tak krótkich cyklach pracy, zostaje zaburzony obieg oleju w układzie chłodniczym, który zapobiega zatarciu części ruchomych w kompresorze. Taki sposób pracy powoduję też zwiększony pobór energii, co również nie jest ekonomiczne.

Również pod kątem inwestycyjnym, inwestor jest narażony na niepotrzebne dodatkowe koszty. W przypadku cen zakupowych pomp ciepła istnieje prosta zależność : im większa moc cieplna pompy, tym więcej ona kosztuję. Przeważnie różnice cenowe pomiędzy pompami z jednego typoszeregu mocy nie są drastyczne (np. 5,7,9 kW). Duży przeskok jest przykładowo między mocą 9-10 kW a 12 kW. Wiążę się to z tym, że agregaty do 10 kW w przeważającej części przypadków są jednowentylatorowe, z mniejszym układem chłodniczym (mniejsza powierzchnia parownika, mniejsza sprężarka itp.). Jednostki od 12 kW często są już dwuwentylatorowe, z większą sprężarką, parownikiem i całym układem chłodniczym. Tutaj przeskok cenowy jest znacznie większy niż pomiędzy jednostkami jednowentylatorowymi z tego samego typoszeregu mocy.

Po przeciwnej stronie bieguna mamy sytuację, gdy instalator dobierze za małą moc pompy ciepła. W konsekwencji pompa za wcześnie uruchamia grzałki elektryczne. Wtedy sprawność pompy drastycznie spada, rosną rachunki za prąd a i często pomimo tego domy nie są dogrzewane. Jedynym marnym pocieszeniem na taki stan rzeczy jest to, że pompa cały czas pracuję z pełną modulacją mocy, więc ilość cykli włącz/wyłącz jest wtedy bardzo mało.

Poniżej przedstawiamy krok po kroku prawidłowe podejście doboru mocy pompy ciepła, zgodne z wytycznymi organizacji PORT PC.

1. Określenie Obliczeniowego Zapotrzebowania na Ciepło (OZC) budynku.

Jest to punkt wyjściowy, bez którego prawidłowy dobór będzie niemożliwy. OZC to dokument opisujący budynek pod kątem energetycznym na podstawie wykonanych obliczeń komputerowych przez specjalistę. Obliczenia oparte są na normie PN-EN 12831. Sama norma 12831 to zbiór wzorów i metodyki wyliczenia strat ciepła budynku poprzez przenikanie ciepła przez przegrody (elewacja, dach, podłoga na gruncie), oraz poprzez wentylacje (infiltrujące zimne powietrze do wnętrza pomieszczeń trzeba ogrzać i jest to traktowane jako strata ciepła w przypadku wentylacji grawitacyjnej, w przypadku wentylacji z odzyskiem ciepła strata ta jest bardzo mocno zredukowana).

Obliczenia te są odniesione do dwóch temperatur, wewnętrznych oraz zewnętrznych.

W przypadku obliczeniowych temperatur zewnętrznych, Polska podzielona jest na 5 stref klimatycznych.

Oznacza to, że ten sam dom będzie miał inne zapotrzebowanie na ciepło, gdy jego lokalizacja będzie we Wrocławiu i inne, gdy w Suwałkach.

Sumując poszczególne składowe strat ciepła opisanych w normie 12831, uzyskujemy wynik w Watach, np. 8200W. Oznacza to, że dla rozpatrywanego budynku położonego w Warszawie , jego zapotrzebowanie całkowite na ciepło przy minus 20 stopniach na zewnątrz będzie wynosić 8200W. Dostarczenie energii z taką mocą spowoduję, że utrzymamy projektową wewnętrzną temperaturę w pomieszczeniach. Aby ułatwić dalsze zrozumienie tematyki doboru, zapamiętajmy tę wartość – 8200 Wat

2. Określenie punktu biwalentnego w zależności od strefy klimatycznej.

Kolejny krok również jest bardzo ważny. W przypadku doboru np. kotła gazowego bez żadnej szkody można zaproponować kocioł o mocy 14 kW. Jego moc musi być równa lub większa niż wartość 8200 Wat. Z prostej przyczyny – wszelkie kotły są źródłami ciepła monowalentnymi. W 100% muszą same zapewnić odpowiednią moc cieplną dla budynku. Pompy ciepła są źródłami ciepła biwalentnymi. Na swoim pokładzie mają zainstalowane grzałki elektryczne, które są wykorzystywane do wspomagania pompy w duże mrozy a także do defrostów (pompy powietrzne). Moc cieplna dostarczona za pomocą pracy układu chłodniczego, sprężarki i grzałki elektrycznej ma pokryć zapotrzebowanie przy obliczeniowej temperaturze zewnętrznej. Jeżeli pominiemy w doborze moc grzałki i dobierzemy pompę, która uzyska wymaganą moc tylko z układu chłodniczego, będzie się to wiązało z przewymiarowaniem pompy, które opisane jest na początku artykułu.

Z pomocą przychodzi wyznaczenie punktu biwalentnego w zależności od lokalizacji. Całe szczęście nie musimy odkrywać koła na nowo – dla każdej strefy klimatycznej w Polsce już to wyznaczono. Wartości podano w tabeli poniżej.

Dla naszego domu zlokalizowanego w strefie III, wynosi on od -6 do -9. Do obliczeń przyjmiemy sobie wartość -8. Oznacza to, że przy minus 8 na zewnątrz, pompa powinna załączyć grzałki wspomagające. W tym punkcie, czytelnik zapewne przestraszy się tej wartości, gdyż przy tej temperaturze do temperatury obliczeniowej minus 20 trochę brakuję. Również sama fraza „grzałka elektryczna” wywołuję skojarzenie z wysokimi rachunkami. Jakby nie patrzeć, grzanie prądem do tanich nie należy. Natomiast chciałbym rozwiać rodzące się wątpliwości i aby lepiej to zobrazować, przedstawię poniżej rozkład temperatur zewnętrznych w funkcji ilości godzin w sezonie grzewczym.

Są to wieloroczne, uśrednione wartości. Każdy rok jest inny, jeden cieplejszy, kolejny zimniejszy natomiast nas interesują wartości średnie.

Temperatury -8 (punkt biwalentny) i niższe występują statystycznie przez mniej niż 100 godzin podczas sezonu grzewczego. Przeciętna moc grzałek w pompie wynosi 3 kW lub 6 kW. Przeważnie podczas wspomagania pracy, pompa wykorzystuję tylko jeden stopień mocy grzałek, czyli 3 kW. Zakładając w uproszczeniu, że w punkcie biwalentnym i niżej potrzebujemy od razu 3 kW dodatkowej mocy, można policzyć zużycie prądu przez grzałkę.

3kW x 100h = 300 kWh. Zakładając obecne ceny prądu, koszt zużycia prądu przez grzałki wyniesie około 300 zł na rok. Kwota nie zwala z nóg.

Powyższy podpunkt tego artykułu wyjaśnia co to jest punkt biwalentny oraz czemu jest tak ważny w procesie doboru.

Znając wartość OZC (w naszym przypadku 8200 W), nanosimy krzywą strat ciepła budynku w funkcji temperatury zewnętrznej i przechodzimy do kolejnego punktu doboru.

3. Krzywa strat ciepła w budynku

Jest to funkcja liniowa w zależności strat ciepła budynku od temperatury zewnętrznej. Swój początek (patrząc od prawej strony) ma w punkcie 12 lub 15 stopni Celsjusza. 12 stopni przyjmuję się dla nowych dobrze ocieplonych budynków, 15 stopni dla modernizowanych z gorszą izolacyjnością. Koniec krzywej jest w punkcie obliczeniowej dla danej strefy klimatycznej (Warszawa, III strefa, -20 stopni).

Odczytujemy straty ciepła dla temperatury minus 8. Wynoszą one 5200W. (WYKRES 2)

Taką moc, powinna mieć dobierana pompa ciepła przy temperaturze zewnętrznej minus 8 i temperaturze zasilania 35 stopni. Jest to jeszcze niekompletny zestaw danych.

4. Krzywa mocy pompy ciepła.

Aby lepiej zobrazować o co chodzi w zagadnieniu krzywej mocy pompy ciepła, skupimy się na pompach powietrznych. Czemu powietrznych? Ponieważ temperatura dolnego źródła tego typu pomp (powietrze) zmienia się bardzo dynamicznie w ciągu roku, co wpływa na jej moc i wydajność. Przy gruntowych pompach ciepła, dolne źródło (grunt) ma co do zasady stałą temperaturę podczas roku (wahania wynoszą średnio 5 stopni w zależności od fazy sezonu grzewczego), więc tutaj to zagadnienie jest praktycznie pomijalne.

Tak jak zostało to zobrazowano wyżej, wraz z obniżeniem temperatury zewnętrznej, rosną straty ciepła przez budynek.

Krzywa mocy większości pomp ciepła powietrznych wygląda odwrotnie niż krzywa strat budynku. Ze spadkiem temperatury zewnętrznej, spada moc pompy ciepła (mniej lub bardziej, ale spada). Jest niewiele pomp ciepła na rynku, które potrafią utrzymać 100% swojej mocy nawet przy minus 20 stopniach. Wiąże się to z zastosowaniem technologii wtrysku par oraz znacznym przewymiarowaniem układu chłodniczego pompy ciepła i „skręcenia softowo” mocy sprężarki. W osobnym artykule omówię zagadnienie utrzymania mocy cieplnej pompy ciepła bardziej dokładniej.

Na poniższym wykresie przedstawiono krzywe mocy pomp ciepła znanego producenta dla temperatury zasilania 35 stopni. Jest to jeden model w 3 wariantach mocy.

Przebieg krzywych przedstawiony jest dla wydajności maksymalnej pracy inwertera sprężarki, czyli 100% wydajności grzewczej.

Warto w tym miejscu poruszyć zagadnienie jakim jest podawanie mocy cieplnej w zależności od wartości temperatury dolnego i górnego źródła. Niestety nie ma pewnej spójności w nazewnictwie mocowej pomp ciepła wśród producentów. Czasem dochodzi do takich absurdów, że nie markowa pompa ciepła wątpliwego pochodzenia ma w nazwie frazę, która sugeruję, że jej moc to 14 kW, a ma gorszy przebieg mocy niż markowa pompa o mocy np. 7 kW. Potencjalni nowi użytkownicy zasypywani są w ofertach różnymi modelami, których moce cieplne różnią się od siebie. Instalatorzy nie tłumaczą zagadnień co to jest „krzywa grzewcza” czy „krzywa mocy pompy ciepła”. Inwestor zaczyna mieć mętlik w głowie.

Oznaczenia jakie można spotkać przy podawaniu mocy cieplnej pomp:

• A – Air (powietrze), jako dolne źródło powietrznych pomp ciepła
• B – Brine (solanka), jako dolne źródło gruntowych pomp ciepła
• W – Water (woda), jako górne źródło, czyli instalacja odbiorcza w naszym budynku.

Przy powietrznych pompach ciepła najczęściej spotykanym oznaczeniem będzie np. A7/W35, A-7/W35, A2/W45 itp. Przy gruntowych będzie to np: B0/W35, B0/55.

Liczba przy oznaczeniu A lub B odnosi się do temperatury dolnego źródła a W do temperatury instalacji grzewczej. Zestawiając dopiero te 2 parametry ze sobą można porównywać ze sobą moce 2 różnych pomp ciepła w danym punkcie jej pracy. Nadmienię tylko, że producenci którzy nie mają się czego wstydzić w kwestii osiągów swoich pomp ciepła, zazwyczaj podają pełne charakterystyki do -20 stopni. Standardem powinno być podanie do punktu biwalentnego, czyli w zależności od strefy do około -7….-12.

Krzywe mocy są podane dla temperatur zasilania systemu grzewczego 35, 45 i 55 stopni. Tak jak można łatwo zauważyć, dla temperatury 35 stopni moc maksymalna pompy ciepła jest większa niż dla 55 stopni. Również współczynnik COP zależy od temperatury zasilania systemu – im temperatura niższa tym COP wyższy. Przy doborze ważne jest zatem, aby uwzględnić instalację odbiorczą budynku. Temperaturę zasilania 35 stopni spotykamy przeważnie w instalacjach płaszczyznowych, czyli niskotemperaturowych. Temperatury 45 i 55 wymagane są w przypadku instalacji grzejnikowych oraz mieszanych gdzie w jednym budynku są grzejniki i podłogówka. W słabo ocieplonych budynkach, z grzejnikami o małych powierzchniach wymiany ciepła potrzebne są często wyższe temperatury zasilania rzędu 60-70 stopni. Tutaj powinno stosować się już pompy wysokotemperaturowe, przeważnie na czynniku R290, czyli propan. W osobnym artykule opiszemy, czemu nie jesteśmy zwolennikami pomp wysokotemperaturowych. Uważamy, że nie jest to remedium na każdy przypadek.

5. Finalny dobór mocy pompy ciepła

Wracając do naszego przypadku doborowego – nasz budynek przy temperaturze punktu biwalentnego -8 stopni Celsjusza potrzebuję 5200W mocy cieplnej aby utrzymać komfort cieplny. W budynku mamy 100% ogrzewania podłogowego, więc patrzymy na przebieg mocy cieplnej dla temperatury 35 stopni. Gdyby był to budynek modernizowany, to wtedy odczytujemy przebieg mocy dla temp. 45 lub 55 stopni. Ile dokładnie? To wynika z wywiadu przeprowadzonego z klientem.

Sprawdzamy, która z tych 3 krzywych mocy pomp ciepła przecina krzywą grzewczą w punkcie biwalentnym (lub w jego bardzo bliskim otoczeniu).

Praktycznie idealnie pasuję krzywa mocy pompy PC1. Wybieramy zatem pompę ciepła o krzywej mocy numer 1.

Dobór pompy zaprezentowany przez nas jest poprawną praktyką i gwarantuję końcowe zadowolenie użytkownika. Po przeczytaniu artykułu, potencjalny inwestor powinien znać metodologię doboru pomp ciepła a także zwracać uwagę na propozycję złego doboru pomp ciepła „na oko” lub do propozycję doboru na podstawie samego metrażu budynku. Metraż budynku jest tylko pewnym drogowskazem, natomiast ślepe kierowanie się tylko tym parametrem zwiastuję duże kłopoty. Jako przykład podam jedną z naszych realizacji : do nowego bardzo dobrze zaizolowanego domu o powierzchni 150m² zainstalowaliśmy pompę 5 kW. Dobór był podyktowany analizą OZC oraz wywiadu z klientem, chociażby zostało omówione wykorzystanie ciepłej wody użytkowej, które w niektórych wariantach doboru trzeba mocno uwzględnić. Pompa działa już długi czas i inwestor jest zadowolony w kwestii rachunków i sposobu pracy pompy ciepła. Patrząc ślepo na metraż i stare szkoły doboru mocy, zaproponowalibyśmy pompę 12 kW. Nie dość, że narazilibyśmy inwestora na zbyteczne i niepotrzebne koszty inwestycyjne i potem eksploatacyjne, to oprócz tego za długo by ta pompa nie pożyła….