Technologii pomp ciepła nie trzeba już nikomu przedstawiać. W ostatnich latach systemy grzewcze bazujące na tych urządzeniach powszednieją, a inwestorzy coraz bardziej świadomie zaczynają sięgać po takie rozwiązania. Najbardziej dynamicznie rozwija się sprzedaż pomp ciepła typu powietrze-woda służących do ogrzewania budynku (i jednocześnie przygotowania c.w.u.), dlatego w artykule opiszę najważniejsze aspekty zawiązane z doborem tych właśnie urządzeń.

Dobór pompy ciepła przeprowadza się w oparciu o zapotrzebowanie budynku na moc cieplną oraz na podstawie wymaganych parametrów temperaturowych systemu, które – co ważne – powinniśmy w odpowiedni sposób zinterpretować. W tym miejscu należy bowiem porzucić doświadczenia wyniesione z doboru kotłów gazowych, gdzie w większości w nazwie urządzenia określona jest ich moc nominalna. W przypadku kotłów ta moc nie zmienia się istotnie w zależności od parametrów pracy kotła. Natomiast w przypadku pomp ciepła – dla których producenci oczywiście również określają moc nominalną odpowiednio do typu urządzenia – wystarczy, że instalacja pracuje z inną temperaturą zasilania niż ta przyjęta do ustalenia mocy nominalnej, a już występuje zupełnie inny punkt odniesienia. Dobór pompy ciepła musimy zatem poddać głębszej analizie.

W literaturze wielokrotnie zostały opisane tryby pracy pomp ciepła, takie jak monowalentny, monoenergetyczy czy biwalentny, z tego względu nie będę ponownie przytaczał tej wiedzy, jednak będę używał tych określeń.

Specyfika dolnego źródła
Analizując dobór pompy ciepła powietrze-woda, warto zwrócić uwagę na typ dolnego źródła ciepła dla tych urządzeń (naszego źródła energii). Powietrze atmosferyczne nie wydaje się być oczywistym magazynem energii. Takie czynniki jak duże wahania wartości temperatury powietrza zewnętrznego czy jego wysoka wilgotność na przełamaniu temperatur dodatnich i ujemnych powodują, że moc grzewcza pompy ciepła powietrze-woda oraz maksymalna temperatura zasilania są zmienne na przestrzeni roku.

Wraz ze wzrostem temperatury zasilania instalacji zwiększa się różnica temperatury pomiędzy górnym a dolnym źródłem, co przekłada się na spadek mocy i wydajności pompy ciepła. Dzięki odpowiednim konstrukcjom układu chłodniczego, niektóre z niedogodności mogą być ograniczane, jednak trzeba brać pod uwagę, że zazwyczaj skutkuje to stratą na innym parametrze pracy. Mimo że konstruktorzy układów chłodniczych, które stanowią główny element pompy ciepła, dążą do zachowania jak najlepszych parametrów pracy urządzeń, właściwości fizyczne powietrza w sezonie grzewczym oraz przemiany termodynamiczne czynnika chłodniczego determinują pracę urządzeń i są trudną barierą do pokonania.
Stajemy więc przed wyzwaniem doboru urządzenia grzewczego, którego wydajność spada wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej, a inaczej mówiąc – wraz ze wzrastającym zapotrzebowaniem grzewczym budynku. Spróbujmy zatem zdefiniować, co w tych warunkach oznacza poprawny dobór pompy ciepła.

! Oczywiste jest, że dobrze dobrane urządzenie musi zapewniać odpowiednie parametry jako źródło ciepła. Jednak nie można zapominać o innym ważnym aspekcie, jakim jest ekonomika pracy. Dopiero przy spełnieniu tych dwóch wymogów możemy spodziewać się pełnej satysfakcji użytkownika czy inwestora i możemy mówić o poprawnym doborze źródła ciepła bazującego na pompie ciepła.

Zapotrzebowanie budynku na ciepło
Proces doboru pompy ciepła musimy oczywiście rozpocząć od zebrania niezbędnych informacji na temat budynku, w którym urządzenie będzie działać, oraz instalacji grzewczej.
Podstawową informacją jest tutaj zapotrzebowanie budynku na moc cieplną. Wiele doborów opiera się na współczynnikach jednostkowych zapotrzebowania. Ta metoda jest tym bardziej precyzyjna, im nowszy i bardziej „standardowy” jest budynek. Jeżeli zatem rozpatruje się budynki nowo budowane, to może ona prowadzić do zadawalających rezultatów, ale trzeba mieć na uwadze, że w dalszym ciągu jest to tylko tzw. szacunkowe zapotrzebowanie. Wspomniana metoda powinna być więc wykorzystywana do wstępnych wyliczeń, natomiast finalny dobór powinniśmy oprzeć na wartościach bardziej precyzyjnych. Najlepiej bazować na obliczeniach zapotrzebowania na ciepło wykonanych przez projektanta instalacji sanitarnych – warto tu mieć na uwadze, że takie obliczenia stanowią dane wyjściowe do sporządzenia charakterystyki energetycznej budynku, która często jest wykonywana.

Zawsze istnieje też możliwość zlecenia wykonania tego typu obliczeń. Stanowi to dodatkowe obciążenie finansowe, ale przy zakupie pompy ciepła są to relatywnie niewielkie koszty (w porównaniu do wartości inwestycji), a wysiłek ten z pewnością jest opłacalny, bo może nas ustrzec przed błędami doborowymi. Alternatywnie można skorzystać z kalkulatorów obliczeniowych dostępnych w internecie – zawsze będzie to dużo lepszą metodą niż obliczenia na podstawie wskaźników.

Oznaczenie projektowej temperatury zasilania
Kolejną ważną rzeczą jest oznaczenie projektowej temperatury zasilania instalacji grzewczej. W tym miejscu znowu muszę odwołać się do projektu instalacji grzewczej. Projektant, dobierając rozstaw przewodów w ogrzewaniu płaszczyznowym czy wielkość grzejników, przyjmuje odpowiednie parametry pracy instalacji grzewczej. Pompy ciepła mają różną konstrukcję i różne algorytmy pracy, co wpływa na decyzje projektanta w tej kwestii. Orientacyjnie można przyjąć, że wzrost temperatury zasilania instalacji o 5 K będzie powodował wzrost zużycia energii elektrycznej o 5-10% w skali roku. Z tego powodu powinno się dążyć do jak najniższych parametrów pracy instalacji – to one przekładają się w bezpośredni sposób na koszty eksploatacyjne instalacji z pompą ciepła.

! Każda instalacja grzewcza przeznaczona do ogrzewania budynku przy wykorzystaniu pompy ciepła powinna być regulowana jakościowo, według temperatury zewnętrznej. Pozwala to na pracę instalacji z niższą temperaturą zasilania, dopasowywaną do aktualnego obciążenia budynku wynikającego z temperatury powietrza zewnętrznego.

Na życzenie inwestora: dodatkowe grzejniki
W nowym budownictwie coraz częściej wykorzystywane jest ogrzewanie płaszczyznowe, którego praca na niskich parametrach, ze względów użytkowych (zdrowotnych i komfortu cieplnego), jest wręcz zalecana, a przy tym idealna w układach z pompą ciepła. Jednak niekiedy inwestorzy nalegają na dodatkowe zainstalowanie kilku „zwykłych” grzejników, zazwyczaj łazienkowych, które często pełnią rolę suszarek. Trzeba wówczas mieć na uwadze, że taka instalacja będzie pracowała z najwyższą temperaturą wynikającą z zapotrzebowania – czyli na obieg grzejnikowy. W efekcie do obiegu instalacji podłogowej będzie dostarczany czynnik o wyższej temperaturze niż jest to wymagane, co spowoduje przymknięcie zaworu mieszającego i zmniejszenie przepływu na odcinku przed zaworem mieszającym. Pompa ciepła będzie pracowała na wyższym parametrze niż wynikałoby to z temperatury zasilania ogrzewania płaszczyznowego. Przepływy wraz z temperaturami pracy takiej instalacji przedstawiono na rys. 2.

Częstym argumentem, jaki pada za tym, aby grzejniki włączyć do układu jest fakt, że większość instalacji odbiorczej będzie stanowić niskotemperaturowa instalacja podłogowa, a temperatura zasilania grzejników będzie regulowana według krzywej grzewczej. Dlatego na rys. 2 przedstawiono parametry pracy takiej instalacji przy 50% obciążeniu budynku, czyli przy obciążeniu, jakie występuje przez większość sezonu grzewczego (rys. 4). W tym przypadku instalacja pracuje z temperaturą wyższą o 10 K niż wymagałaby tego sama instalacja ogrzewania podłogowego. Dodatkowo, ze względu na spadek mocy pompy ciepła przy wyższych parametrach pracy, może się okazać, że uwzględniając grzejniki, konieczne będzie zastosowanie pompy ciepła o większej mocy, co oczywiście jest powiązane z wyższymi kosztami inwestycyjnymi.

Wyłączenie grzejników z instalacji przedstawionej na rys. 2 spowodowałoby obniżenie kosztów eksploatacyjnych nawet o 20% w skali roku. Dlatego ważne jest, aby do takich układów podchodzić z dystansem, ale też każdy przypadek rozpatrywać indywidualnie.

! Jeżeli inwestor myśli o dodatkowych grzejnikach, to warto rozważyć zastosowanie grzejników z miejscowymi grzałkami elektrycznymi. W ten sposób można zapobiec niepotrzebnemu podnoszeniu temperatury zasilania, a więc też zmniejszeniu efektywności energetycznej systemu. Oczywiście, mam na myśli tylko te przypadki, w których grzejniki mają naprawdę niewielki udział w ogrzewaniu, a nie takie, gdzie instalacja grzejnikowa planowana jest np. dla całego poddasza.

Dobór mocy pompy ciepła
Do doboru pompy ciepła dobrze jest wykorzystać wykres mocy urządzenia w zależności od temperatury zewnętrznej i temperatury zasilania. Taki wykres został przedstawiony na rys. 4. Obrazuje on moc maksymalną (wg PN-EN 14511) trzech urządzeń z typoszeregu przykładowej pompy ciepła, wyposażonej w sprężarkę inwerterową. Nie wszyscy producenci udostępniają takie wykresy, ale bez większego trudu można je przygotować samodzielnie – na podstawie typowych punktów charakterystycznych podanych w formie tabelarycznej.

Zasadniczo przy dobrze mocy pompy ciepła typu powietrze-woda trzeba mieć na uwadze pięć głównych wymogów:

• pokrycie zapotrzebowania mocy grzewczej przez samą pompę ciepła – nie mniejsze niż 60% przy maksymalnym obciążeniu;
• pompa ciepła wraz ze szczytowym źródłem ciepła powinna zapewniać pełne pokrycie mocy grzewczej; w przypadku stref klimatycznych z temperaturą zewnętrzną wykluczającą pracę pompy ciepła, szczytowe źródło ciepła powinno zapewniać blisko 100% zapotrzebowania na moc;
• stopień pokrycia energetycznego przez pompę ciepła – w zależności od typu szczytowego źródła ciepła; dla energii elektrycznej pokrycie to powinno znajdować się w przedziale 98-99%;
• odpowiednio dobrany punkt biwalentny (tabela 1);
• dopasowanie temperatur pracy urządzenia oraz systemu grzewczego.

Przykład obliczeniowy
Dla lepszego zobrazowania praktyki projektowej posłużę się przykładem. Mamy oto budynek, którego zapotrzebowanie grzewcze wynosi 9 kW. Budynek ten jest zlokalizowany w Lublinie (III strefa klimatyczna). Pierwszym krokiem jest zatem naniesienie zapotrzebowania grzewczego budynku na wykresie mocy pompy ciepła (w naszym przykładzie bierzemy pod uwagę trzy pompy ciepła: PC-1, PC-2 i PC-3) – gdzie przy -20°C zapotrzebowanie wynosi 9 kW i liniowo zmniejsza się do 0 kW przy 20°C (rys. 3, czerwona linia). Zaznaczę, że istnieje praktyka, zgodnie z którą dolicza się dodatkowe 0,2 kW na osobę na poczet przerw w ogrzewaniu wynikających z czasu ładowania ciepłej wody użytkowej, jednak ich nie uwzględniam, dopóki dodatek nie stanowi 20% całkowitego zapotrzebowania budynku. Widoczne na rys. 3 miejsca przecięcia charakterystyki zapotrzebowania grzewczego budynku z krzywymi opisującymi moc grzewczą rozpatrywanych pomp ciepła określają punkty biwalentne – czyli poniżej określonych temperatur zewnętrznych załączy się dodatkowe źródło ciepła, aby wspomóc pompę ciepła. Orientacyjne punkty biwalentne zostały zestawione w tabeli 1. Punkty te wyznaczono w taki sposób, aby udział energetyczny pompy ciepła stanowił 98-99% zapotrzebowania grzewczego w trybie biwalentnym równoległym – trzeba natomiast pamiętać, aby parametry temperaturowe instalacji leżały w kopercie pracy sprężarki.

W rozpatrywanym przez nas przykładzie widać, że pompa ciepła oznaczona jako PC-2 spełnia wszystkie zdefiniowane warunki i jest tu właściwym doborem. Jednak, dlaczego dobór mniejszej lub większej pompy ciepła jest w tym przypadku nieuzasadniony, a nawet błędny?

Pompa ciepła o mniejszej mocy
Na rys. 4 przedstawiono krzywe mocy grzewczej pompy ciepła PC-1 (o mniejszej mocy niż pompa ciepła PC-2), prostą obrazującą zapotrzebowanie budynku na ciepło oraz statystyczny rozkład temperatur w sezonie grzewczym (na podstawie danych statystycznych 1971-2000, źródło danych: www.gov.pl). Na wykresie rozkładu temperatur zauważalny jest stosunkowo długi okres występowania temperatury, której wartość zawiera się w przedziale od -4°C do +2°C. Punkt biwalentny każdej z trzech wyżej wymienionych pomp ciepła znajduje się poza tym zakresem, wiemy zatem, że każda z nich pokryje to zapotrzebowanie bez dodatkowego źródła ciepła. Dlaczego więc nie moglibyśmy wybrać pompy ciepła PC-1 z punktem biwalentnym w temperaturze -6°C?

Otóż, trzeba tutaj zaznaczyć, że pompa ciepła ze sprężarką inwerterową zazwyczaj osiąga optymalne współczynniki COP w przedziale 50-70% mocy maksymalnej. Z tego względu na rys. 4 została naniesiona charakterystyka mocy pompy ciepła w tym przedziale. Powinno nam zależeć na tym, aby pompa ciepła pracowała w tym zakresie mocy przez największą część sezonu grzewczego, oczywiście przy spełnieniu pozostałych wymagań.

Jak można zauważyć, pompa ciepła PC-1 pracuje we wspomnianym wyżej zakresie mocy tylko przy temperaturach zewnętrznych w przedziale od +1°C do +4°C, a przez większość obciążenia wynikającego z okresu najczęściej występujących temperatur, pompa pracuje z mocą 70-90%. Pompa ciepła PC-1 dostarczy zatem odpowiednią ilość energii do systemu grzewczego budynku, ale nie zrobi tego w optymalny sposób pod względem ekonomicznym. Dodatkowo punkt biwalentny powinien być niżej, a więc pompa ciepła pokryje mniej niż 98% zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania, bo w większym stopniu będzie musiała się wspierać dodatkowym źródłem ciepła. Można więc uznać, że w przypadku wyboru pompy ciepła PC-1 nie spełnimy wymogu efektywnej pracy urządzenia. W celu porównania, na rys. 5 przedstawiono analogiczny wykres dla pompy ciepła PC-2. Tutaj widzimy, że zapotrzebowanie budynku przy temperaturach zewnętrznych występujących najczęściej pokrywa się z mocą pompy ciepła, kiedy jej praca jest optymalna pod względem COP. Z tego względu pompa ciepła PC-2 jest najbardziej optymalnym rozwiązaniem dla rozpatrywanego przez nas budynku.

Pompa ciepła o większej mocy
Pozostała jeszcze pompa ciepła z oznaczeniem PC-3 (o większej mocy niż pompa ciepła PC-2). Z pewnością to źródło ciepła byłoby za duże do tej instalacji. Zakładając, że minimalna moc urządzenia to 30%, punkt biwalentny dla mocy minimalnej pompy ciepła PC-3 będzie się znajdował w temperaturze zewnętrznej +3°C. Czyli dopiero przy obciążeniu cieplnym budynku dla temperatury zewnętrznej o wartości +3°C pompa ciepła PC-3 będzie mogła pracować dość płynnie. Powyżej rozpatrywanej temperatury będzie ona pracowała cyklami, co odbije się na kosztach eksploatacyjnych urządzenia, jak też na jego żywotności. W tym przypadku należałoby zatem zrekompensować ten sposób pracy przez wyposażenie instalacji w zbiornik buforowy, o którego wadach i zaletach będę pisał w przyszłości. Warto również zwrócić uwagę, że optymalny zakres pracy (przy obciążeniu 50-70%) będzie się zawierał w przedziale temperatur zewnętrznych od -4°C do -10°C.

Reasumując – przy wyborze pompy ciepła oznaczonej jako PC-3 zyskalibyśmy przesunięcie punktu biwalentnego z wartości temperatury zewnętrznej -11°C na -16°C (porównując do pompy ciepła PC-2), czyli zapewnilibyśmy samodzielną pracę pompy ciepła na potrzeby grzewcze przez dodatkowe 60 godzin, licząc statystycznie. Wybór większej jednostki pompy ciepła pociągnie jednak za sobą również konieczność poniesienia przez inwestora wyższych kosztów inwestycyjnych. Dlatego, jak można zauważyć, większe urządzenie niekoniecznie jest dobrym wyborem. Dodam, że z powyższych względów nie zaleca się również eksploatacji pompy ciepła w trybie monowalentnym.

! Na koniec trzeba wyraźnie zaznaczyć – przy poprawnym dobrze pompy ciepła powietrze-woda grzałka elektryczna jest naszym sprzymierzeńcem. Nie ma powodu do obaw o spełnienie potrzeb grzewczych i efektywność, jeżeli cały układ został poprawnie dobrany.

Dobór przez algorytm – przyda się weryfikacja

Jak widać, przeprowadzenie doboru pompy ciepła wymaga szczegółowej analizy różnych aspektów – w oparciu o dane dotyczące mocy urządzenia, temperatury zasilania instalacji oraz rozkładu temperatur zewnętrznych w danej lokalizacji. Czy jednak każdorazowo powinniśmy poddawać tak głębokiej interpretacji każdy z doborów? – Myślę, że biorąc pod uwagę realia zawodowe, jest to trudne do osiągnięcia. Najprostszym sposobem jest posłużenie się oprogramowaniem doborowym oferowanym przez producentów pomp ciepła, w którym zawarte są dane techniczne urządzeń oraz dane klimatyczne głównych miast. I z tego rozwiązania zwykle się korzysta. Tym niemniej uważam, że warto mieć świadomość, jakich wyników powinniśmy się spodziewać w konkretnym przypadku, aby możliwe było zweryfikowanie doboru wykonanego przez algorytm, na którym bazuje program.

POMPY CIEPŁA POWIETRZE-WODA – PRZEGLĄD