Wielkość dolnego źródła ciepła dla pompy ciepła typu solanka-woda to wypadkowa wielu czynników, które powinny być uwzględnione przy projektowaniu. Dlatego też tak ważne jest, by po doborze wielkości dolnego źródła, nie manipulować już parametrami instalacji, np. instalując inny model pompy ciepła czy inny rodzaj odbiorników.

 Typy instalacji z pompą ciepła

Instalacje z pompami ciepła mogą pracować w trzech trybach: monowaletnym, monoenergetycznym i biwaletnym, przy czym ten ostatni można dodatkowo podzielić na równoległy, alternatywny i mieszany.

Monowalentny tryb pracy
Zakłada, że pompa ciepła dobrana jest do pokrycia 100% zapotrzebowania energii, a jej moc jest co najmniej równa mocy obliczeniowej ogrzewanego budynku. Ten tryb pracy nie nadaje się dla pomp ciepła typu powietrze-woda, których moc grzewcza spada wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej.

Monoenergetyczny tryb pracy
W tym przypadku przyjmuje się, że dobrano pompę ciepła o mniejszej mocy niż moc obliczeniowa ogrzewanego budynku (maksymalnie do 10%), a zapotrzebowanie energii, którego nie jest w stanie samodzielnie pokryć pompa ciepła, pokrywa współpracująca z nią grzałka elektryczna. Układy monoenergetyczne rzadko stosuje się z pompami ciepła typu solanka-woda z uwagi na konieczność zaprojektowania niemal takiej samej wielkości dolnego źródła jak w przypadku układu monowalentnego.

Biwalentny tryb pracy
W takim układzie przewiduje się współpracę pompy ciepła z innym źródłem ciepła, przy czym moc pompy ciepła powinna wynosić minimum 50% mocy obliczeniowej ogrzewanego budynku. Drugie źródło ciepła powinno być sterowane automatycznie i może być przez pompę ciepła blokowane lub zwalniane do pracy. Dodatkowo, pompa ciepła może pracować równolegle z drugim źródłem ciepła lub w czasie pracy drugiego źródła ciepła pozostawać wyłączona. Opisane tryby nazywane są odpowiednio: równoległym i alternatywnym. Układy takie często proponowane są do modernizacji istniejących instalacji grzewczych, a także do nowych budynków o znacznej mocy obliczeniowej – w celu obniżenia kosztów inwestycyjnych.

Dobór wielkości dolnego źródła

Dolne źródło do pompy ciepła typu solanka-woda, zgodnie z wytycznymi projektowymi większości producentów, dobiera się do tzw. mocy chłodniczej poprawnie dobranej pompy ciepła pracującej w układzie monowalentnym. Taki sposób doboru zakłada, że pompa ciepła będzie eksploatowała dolne źródło średnio przez 2000 godzin w ciągu roku. Dolne źródło dla pompy ciepła powinno być zatem traktowane mniej jako źródło mocy, a bardziej jako źródło energii. Ilość energii odprowadzona z dolnego źródła po zsumowaniu z energią pobraną przez sprężarkę daje nam ilość energii dostarczanej do budynku. Ta z kolei zależy od obliczeniowego obciążenia cieplnego budynku oraz od zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową.

 Kwestia zapotrzebowania na ciepłą wody użytkową jest często bagatelizowana, a tymczasem odgrywa ona ogromną rolę przy prawidłowym doborze wielkości dolnego źródła ciepła dla pompy typu solanka-woda. 

Zapotrzebowanie na energię a zużycie c.w.u.
Projektując nowe budynki, dąży się do obniżenia ich zapotrzebowania energetycznego przez zastosowanie lepszej izolacji termicznej czy montaż wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła. Wszystko to jednak nie ma wpływu na zapotrzebowanie w zakresie energii służącej do przygotowania ciepłej wody użytkowej – niezależnie od rodzaju budynku na zużycie wody i tym samym zapotrzebowanie na energię do jej podgrzewu wpływają przede wszystkim przyzwyczajenia mieszkańców. Obliczeniowe obciążenie cieplne budynku nie zmieni się bowiem wraz ze zmianą liczby mieszkańców, zmieni się natomiast zapotrzebowanie tego budynku na energię. Zmiana w tym zakresie spowoduje z kolei zmianę czasu pracy pompy ciepła i tym samym zmianę czasu obciążenia dolnego źródła. Jedna osoba w domu oznacza roczne zapotrzebowanie na energię w celu przygotowania c.w.u. na poziomie 900 kWh, łatwo więc policzyć, że cztery osoby wymagają ilości energii równej energii rocznej na cele grzewcze dla domu niskoenergetycznego o powierzchni 100 m².

COP pompy i wielkość dolnego źródła
Na rynku dostępne są pompy ciepła o rożnych współczynnikach efektywności COP. Oczywiście, im wyższa jest wartość COP, tym wyższej efektywności całorocznej można się spodziewać po danym urządzeniu, czyli mniejszego zapotrzebowania na energię pobieraną z sieci elektroenergetycznej przy doprowadzeniu określonej ilości energii cieplnej. Jeżeli pójdziemy dalej tym tropem, to okaże się, że pompa ciepła o wyższym współczynniku efektywności COP będzie wymagała większego dolnego źródła ciepła, ponieważ w bilansie energii zwiększa się udział tej zielonej. Nie można zatem dowolnie manewrować przy doborze pompy ciepła, jeśli mamy już zaprojektowane dolne źródło ciepła.

Parametry temperaturowe i wielkość dolnego źródła
Ogromne znaczenie dla efektywnej pracy pompy ciepła ma także strona wtórna pompy ciepła. Instalacja oparta o ogrzewanie płaszczyznowe – z uwagi na niższą temperaturę zasilania (np. 35/28°C) – oferuje wyższą efektywność całoroczną pompy ciepła niż ogrzewanie grzejnikowe niskotemperaturowe (np. 55/45°C). W związku z tym instalacje z pompą ciepła współpracujące z instalacją ogrzewania podłogowego (ściennego) wymagają większego dolnego źródła ciepła niż ta sama instalacja dostarczająca ciepła do grzejników. Wniosek jest identyczny jak w poprzednim akapicie: nie wolno dowolnie manewrować parametrami instalacji po zaprojektowaniu wielkości dolnego źródła.

Przykładowe zależności
Aby pokazać zależność między wielkością dolnego źródła a „klasą” pompy ciepła oraz parametrami temperaturowymi instalacji grzewczej, weźmy jako przykład budynek o następującej charakterystyce:

• powierzchnia ogrzewana – 160 m²,
• moc obliczeniowa (III strefa, Kraków) – 8 kW,
• liczba mieszkańców – 4 osoby,
• dzienne zużycie wody ciepłej – 240 l,
• wymagana temperatura pomieszczeń – 21°C.

Załóżmy, że na potrzeby tego budynku będzie pracować w układzie monowalentnym pompa ciepła typu solanka-woda o mocy 10 KW. Zależnie od wartości COP tej pompy, rodzaju odbiorników ciepła (ogrzewanie płaszczyznowe lub grzejnikowe) oraz sposobu wykonania dolnego źródła ciepła (odwierty pionowe lub kolektor gruntowy) rożna będzie zalecana wielkość dolnego źródła ciepła oraz wyniki pracy pompy ciepła, co przedstawia tabela 1.

 Tabela 1. Porównanie wielkości dolnego źródła oraz wyników pracy pompy ciepła w układzie monowalentnym w zależności od wartości współczynnika COP, rodzaju odbiorników oraz sposobu wykonania dolnego źródła

Analiza pracy istniejącej instalacji

Dzięki uprzejmości jednego z użytkowników instalacji z pompą ciepła, mogę przedstawić szczegółową analizę układu opartego o pompę ciepła typu solanka-woda z dolnym źródłem w postaci odwiertów pionowych oraz bezpośrednim układem dystrybucji ciepła (ogrzewanie podłogowe). Poniżej charakterystyka instalacji i budynku:

• pompa ciepła Vitocal 300-G BWC typu solanka-woda z 2008 r. o mocy grzewczej (zgodnie z danymi technicznymi) – 10,2 kW oraz współczynnikiem COP 4,6 dla punktu pracy B0/W35 (wg normy EN 14511);
• pompa ciepła dobrana do pracy w trybie monowalentnym; zintegrowana grzałka służy jedynie jako źródło awaryjne lub na potrzeby ewentualnego wygrzewania antybakteryjnego zbiornika c.w.u., np. po powrocie mieszkańców z dłuższego urlopu;
• powierzchnia użytkowa budynku to 300 m2; jest on zaliczany do nowego budownictwa – zapotrzebowanie energii końcowej (wg świadectwa charakterystyki cieplnej) Ek = 40 kWh/m² ・ rok;
• w całym budynku wykonane jest ogrzewanie podłogowe, a wewnątrz utrzymywana jest temperatura powietrza 22°C, bez względu na porę dnia;
• w budynku jest system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła;
• do wspomagania ogrzewania wody użytkowej dodatkowo zainstalowano dwa kolektory płaskie o łącznej powierzchni czynnej 4,6m²;
• przygotowanie wody użytkowej odbywa się przede wszystkim przez pompę ciepła, ale w okresie pracy instalacji solarnej dogrzew z pompy ciepła jest ograniczany do tzw. Minimalnej wartości komfortowej. Ideą takiego rozwiązania jest chęć zapewnienia komfortu korzystania z ciepłej wody bez względu na warunki pogodowe i jednocześnie zapewnienie „miejsca” dla darmowej energii słonecznej. Zbiornik c.w.u. o pojemności 390 l bez problemu pokrywa zapotrzebowanie 4-osobowej rodziny.

Niekiedy argumentem przemawiającym za zastosowaniem pompy ciepła jest także możliwość wykorzystania jej do chłodzenia budynku dzięki tzw. funkcji naturalnego chłodzenia. Jednak w tej instalacji funkcja ta nie jest realizowana, ponieważ według inwestora temperatura wewnątrz budynku w okresie letnim nie jest nieznośnie wysoka.

Zapotrzebowanie według skrupulatnych odczytów
Inwestor skrupulatnie dokonuje odczytów liczników energii elektrycznej zasilającej instalację z pompą ciepła, a także notuje liczbę uruchomień sprężarki i czasy jej pracy. W zestawieniu zbiorczym odszukać można także wartości temperaturowe dolnego i górnego źródła ciepła. Wszystkie te dane zebrane razem pozwoliły na opracowanie wykresu zapotrzebowania energii na cele grzewcze oraz przygotowania wody użytkowej, a także na oszacowanie rzeczywistego współczynnika efektywności pracy układu na potrzeby c.o. Analizowany okres obejmuje cały rok 2013, a – jak pamiętamy – zima nie odpuszczała wówczas do maja.
Na wykresie przedstawiającym zmianę zapotrzebowania energii na cele c.o. i c.w.u. (rys. 2) wyraźnie kształtują się punkty zakończenia i rozpoczęcia sezonu grzewczego, a także okres, kiedy instalacja solarna niemal całkowicie pokrywała zapotrzebowanie na energię na przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

2. Wykres zmian zapotrzebowania na energię na potrzeby c.o. i c.w.u.

Na podstawie całkowitego czasu pracy pompy ciepła oraz liczby jej uruchomień można obliczyć średni czas pracy sprężarki, który wynosi około 33 minut. Temperatura medium niezamarzającego z dolnego źródła ciepła oscylowała w ciągu całego roku między 3 a 8°C, co pozwoliło na osiągnięcie bardzo wysokich współczynników efektywności pracy całej instalacji. Do energii zużytej przez instalację należało zaliczyć tę, którą pobierała sprężarka, regulator, pompy obiegowe dolnego i górnego źródła ciepła, pompa ładowania ciepłej wody użytkowej, pompa cyrkulacyjna wody użytkowej, pompa obiegu solarnego oraz stacja uzdatniania wody.

3. Wartości sezonowego współczynnika efektywności (SCOP) pompy ciepła pracującej w

Realne koszty ogrzewania i c.w.u.
Obliczona efektywność instalacji, którą przedstawiłem, w okresie grzewczym w roku 2013 wyniosła 4,19, a rzeczywiste, całoroczne koszty centralnego ogrzewania oraz przygotowania wody użytkowej wyniosły zaledwie 2345 zł. Warto zaznaczyć, że pomimo układu bezpośredniego, a więc bez zbiornika buforowego wody grzewczej, użytkownik korzysta z licznika 2-taryfowego.
Zapotrzebowanie budynku na energię na potrzeby c.o. i c.w.u. na poziomie 20 000 kWh/rok oznacza, że przy zastosowaniu licznika 1-taryfowego, koszty ogrzewania byłyby wyższe o około 600 zł.
Ogrzewanie kondensacyjnym kotłem gazowym oznaczałoby dla użytkownika nawet dwukrotnie wyższe koszty niż pompą ciepła. Porównanie kosztów ogrzewania opisanego budynku dla rożnych wariantów przedstawia wykres na rys. 4.

4. Porównanie kosztów ogrzewania domu inwestora w rożnych wariantach

Warto także wskazać dodatkowe różnice między pompą ciepła a tradycyjnym źródłem ogrzewania. Pomieszczenie z pompą ciepła powinno spełniać jedynie warunek minimalnej kubatury zgodnie z normą PN-EN 378. Kotłownie tradycyjne, poza warunkiem minimalnej kubatury, muszą też mieć minimalną wysokość, powinny być także wentylowane naturalnie lub mechanicznie pod rygorem zastosowania wentylacji zrównoważonej.

Autor: Dawid Pantera

W następnym artykule z cyklu o pompach ciepła typu powietrze-woda w nowych i modernizowanych układach. Już jutro.

Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki SGGiK – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do potencjalnych projektantów i wykonawców takich instalacji, a być może także docelowych użytkowników.
W ramach cyklu zaprezentowaliśmy już tematykę kolektorów słonecznych i małych instalacji fotowoltaicznych. Teraz, korzystając z wiedzy fachowców z Akademii Viessmann oraz PORT PC, kontynuujemy cykl o pompach ciepła.