Popularność pomp ciepła jest coraz bardziej zauważalna nie tylko w odniesieniu do nowo projektowanych instalacji, ale też tych, które mają być poddane modernizacji. Zazwyczaj powodem zainteresowania inwestorów tymi urządzeniami jest chęć obniżenia kosztów ogrzewania budynku czy też wymiana dotychczasowego źródła ciepła na takie, które pracuje automatyczne.

Często wymiana starego kotła na pompę ciepła dotyczy budynków z lat 70-tych czy 80-tych, które kwalifikują się już do gruntownych remontów. Liczne programy wsparcia wymiany ogrzewania na ekologiczne zachęcają bowiem do zapoznania się z możliwościami pomp ciepła, przynosząc szereg pozytywnych skutków, ale – jak to zazwyczaj bywa – „diabeł tkwi w szczegółach”. Dlatego w artykule skupię się na technicznych i praktycznych aspektach doboru pompy ciepła do modernizowanej instalacji.*

Dobór czy ocena możliwości zamontowania pompy ciepła w istniejącym budynku różni się od doboru takiego urządzenia do nowo projektowanego domu, który w pewnym stopniu dostosowuje się do tego, aby zapewnić optymalną pracę pompy ciepła. W przypadku modernizacji źródła ciepła musimy się natomiast dostosować do warunków istniejących. Powinniśmy starać się dobrać odpowiednie rozwiązanie, które zapewni oczekiwany komfort cieplny w ekonomiczny sposób, jednocześnie starając się ograniczyć nakłady na modernizację budynku czy instalacji. Każdy wydatek na modernizację powinien być rozpatrywany jako inwestycja w tańsze, a zarazem bardziej ekologiczne źródło ciepła.

Czy to odpowiednie rozwiązanie dla każdego budynku?
Nasze rozważania zaczniemy od odpowiedzi na zasadnicze pytanie: czy montaż pompy ciepła będzie odpowiednim rozwiązaniem dla każdego budynku? Oczywiście, że nie. Ogrzewanie przeważającej części budynków istniejących opiera się na grzejnikach, rzadziej są to układy mieszane grzejników i ogrzewania podłogowego. Instalacja pracuje zazwyczaj z wysoką temperaturą zasilania oraz z dużym schłodzeniem czynnika w odbiorniku – czyli zgodnie z wymaganiami poprzedniego źródła ciepła. Takie warunki pracy nie zapewnią ekonomicznej pracy pompy ciepła, o ile w ogóle będzie ona mogła w takiej instalacji pracować bezawaryjnie. Tylko w szczególnych przypadkach możemy zamontować pompę ciepła w miejsce istniejącego źródła ciepła bez dodatkowych działań modernizacyjnych. Trzeba jednak pamiętać, że praktycznie każdy budynek może być doprowadzony do stanu, w którym montaż pompy ciepła będzie uzasadniony, a pompa ciepła będzie sobie świetnie radzić w instalacji.
Aby wstępnie oszacować zakres niezbędnej modernizacji budynku i instalacji grzewczej, potrzebujemy następujących danych:

• zapotrzebowania budynku na moc grzewczą wraz z informacją o jakości ocieplenia,
• parametrów pracy istniejącej instalacji grzewczej,
• informacji o dotychczasowym źródle ciepła – jego typie oraz mocy,
• ewentualnie informacji o dostępności terenu w celu wykonania dolnego źródła ciepła dla gruntowej pompy ciepła.

W większości przypadków trudno jest uzyskać od inwestora wiarygodne dane. Oczywiście, punktem wyjściowym może być archiwalny projekt instalacji grzewczej, jednak widniejące tam dane mogą być obarczone błędem z powodu możliwych zmian na etapie wykonywania budynku czy samej instalacji oraz wcześniejszych, jak też przyszłych modyfikacji.

Wyznaczenie zapotrzebowania na moc w istniejącym budynku
Teoretycznie można założyć, że istniejące źródło ciepła zostało dobrane poprawnie, czyli zapotrzebowanie budynku na moc grzewczą jest bliskie mocy nominalnej istniejącego źródła ciepła. Jeżeli komfort cieplny był utrzymywany na zadowalającym poziomie, to wiemy, że źródło ciepła o takiej mocy nie będzie za małe. Jednak ze względu na tendencję do przewymiarowywania kotłów, taka metoda może prowadzić do przewymiarowania także pompy ciepła, co niesie ze sobą podwyższone koszty inwestycyjne, które można spożytkować w inny sposób, chociażby na poprawę izolacji budynku.

Przygotujmy symulację. Orientacyjne zapotrzebowanie na moc można wyznaczyć na podstawie dostępnych danych, specyficznych dla rozpatrywanego budynku:

• ilości zużywanego rocznie paliwa i jego jednostkowej kaloryczności,
• lokalizacji budynku,
• sprawności dotychczasowego źródła ciepła.

Dane przyjmowane do symulacji powinny być średnią z 10 lat pracy instalacji, a za minimum przyjmuje się okres pięciu lat. Po zebraniu tych informacji można skorzystać ze wzoru:

gdzie:
Q – zapotrzebowanie na moc budynku [kW]
B_a – roczne zużycie paliwa [kWh]
η – sprawność źródła ciepła [-]
t – czas pracy źródła ciepła w skali roku w przeliczeniu na moc maksymalną [h].
Roczne zużycie paliwa wyrażone w [kWh] należy obliczyć na podstawie jego kaloryczności na jednostkę miary oraz średniej rocznej ilości zużywanego paliwa. Od otrzymanej wartości należy odliczyć energię przeznaczoną na podgrzew ciepłej wody użytkowej – szacunkową ilość tej energii można przyjąć w oparciu o tabelę 1.
Sprawność urządzenia grzewczego można z kolei odczytać z dokumentacji lub z tabliczki znamionowej. Trochę trudniej wygląda sprawa w przypadku starych kotłów na paliwo stałe, które w zależności od warunków pracy oraz typu mogą pracować ze sprawnością w zakresie 50-85%.
Kluczowymi danymi do obliczeń są godziny pracy urządzenia grzewczego, które zazwyczaj mieszczą się w przedziale 1900-2100 godzin rocznie w zależności od strefy klimatycznej czy bezwładności cieplnej budynku. VDI 2067 specyfikuje czas pracy urządzenia dla pełnego użytkowania na poziomie 2100 godzin rocznie w przypadku budynków jednorodzinnych oraz 2000 godzin w przypadku budynków wielorodzinnych.
Warto zauważyć, że wyniki otrzymane z obliczeń są bardziej precyzyjne, kiedy bazowym źródłem ciepła jest kocioł gazowy czy olejowy, gdzie kaloryczność paliwa i sprawność urządzeń jest ściśle określona. W przypadku kotłów na paliwo stałe te wartości są zmienne, co prowadzi do zmniejszenia dokładności obliczeń.

! Tego typu symulacje można też przeprowadzać korzystając z programów do doboru pomp ciepła, które często mają moduł do obliczania zapotrzebowania budynku na moc wstecznie, bazując na stopniogodzinach. Wynik uzyskany tą metodą będzie tym dokładniejszy, im precyzyjniej będą określone dane doborowe.

Metoda wskaźnikowa. Drugą metodą, jaka może być wykorzystana do określenia przybliżonego zapotrzebowania na moc grzewczą istniejącego budynku, jest metoda wskaźnikowa. Niestety, metoda ta jest tym bardziej dokładna, im nowszy i bardziej standardowy jest budynek. Przy modernizacjach potrzeba bogatego doświadczenia, aby być w stanie określić współczynnik, który jest zależny od tak wielu czynników.

Najpewniej ze specjalistą. Najbardziej precyzyjnym sposobem wyznaczenia zapotrzebowania na moc grzewczą istniejącego budynku jest wykonanie odpowiednich obliczeń przez specjalistę (audytora, projektanta). Doświadczony projektant będzie też w stanie zaproponować rozwiązania, które pozwolą zoptymalizować instalację grzewczą, aby ta pozwalała na ekonomiczną pracę pompy ciepła. Błędne wyznaczenie zapotrzebowania na moc budynku, będzie się wiązało z błędnym doborem źródła ciepła. Na temat konsekwencji doboru nieodpowiedniej mocy pompy ciepła pisałem w poprzednim artykule („PI” 3/2022).

Wyznaczenie parametru pracy instalacji
Pierwszym krokiem w tym kierunku jest ustalenie, z jaką temperaturą pracowała istniejąca instalacja grzewcza. W przypadku źródeł ciepła sterowanych według temperatury powietrza zewnętrznego możemy zacząć od sprawdzenia ustawień krzywej grzewczej w automatyce kotła. Jeżeli dotychczas komfort cieplny był zapewniony, to wiemy, że odczytane parametry będą wystarczające. Jednak istnieje ryzyko, że temperatura została ustawiona na wyższą niż wynika to z potrzeb. Przy instalacji z pompą ciepła nie ma natomiast miejsca na niepotrzebne przewymiarowanie, czy to mocy grzewczej, czy temperatury zasilania.
Na rys. 1 przedstawiona została maksymalna temperatura pracy przykładowej pompy ciepła typu powietrze- -woda w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, na tle dwóch krzywych temperatury zasilania instalacji w funkcji pogodowej. Jak widać, możliwa maksymalna temperatura pracy pompy ciepła jest zmienna w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego, które stanowi jej dolne źródło ciepła. Z wykresu można również odczytać, że wysoka temperatura zasilania może wymusić wcześniejsze załączenie dodatkowego źródła ciepła niż by to wynikało z obliczeniowego punktu biwalentnego ze względu na relację mocy pompy ciepła i zapotrzebowania budynku na moc. Układ chłodniczy, mimo dysponowania wystarczającą mocą grzewczą, nie będzie w stanie utrzymać wymaganej temperatury zasilania instalacji. W takim przypadku konieczne będzie wymuszenie pracy dodatkowego źródła ciepła.

Punkt biwalentny a dobór pompy ciepła. Na rys. 1 został oznaczony punkt biwalentny ze względu na temperaturę pracy instalacji, wynikający z maksymalnej temperatury zasilania pompy ciepła i krzywej grzewczej dla temperatury zasilania 70°C. Punkt biwalentny w temperaturze -6°C na pierwszy rzut oka nie wygląda najgorzej. Pompa ciepła będzie pracowała wtedy, kiedy jest to najbardziej opłacalne, czyli w cieplejszych okresach sezonu grzewczego. Następnie zapotrzebowanie przejmuje kocioł, który może być tańszym źródłem energii. Znaczna część sezonu grzewczego oscyluje w temperaturach w okolicy 0°C. Dla różnych lokalizacji ten przedział będzie wyglądał trochę inaczej, ale np. w Lublinie ilość energii potrzebnej na cele grzewcze przy temperaturach zewnętrznych w przedziale od -4°C do 2°C stanowi blisko 50% rocznego zapotrzebowania na energię na cele ogrzewania. Temperaturowy punkt biwalentny na poziomie -6°C jest poniżej tego zakresu, co powinno nam dać dość duży udział pracy pompy ciepła w sezonie grzewczym. Dodatkowo, inwestor nie poniesie dużych kosztów modernizacji instalacji, dokładamy tylko pompę ciepła do stanu istniejącego. Wszystko pozornie się zgadza, ale czy aby na pewno? – Niestety, nie.

! W omawianym przypadku komfort cieplny będzie zachowany, ale taka eksploatacja pompy ciepła będzie za sobą pociągała wysokie koszty energii elektrycznej do napędu sprężarki.

Przyjrzyjmy się pracy układu, porównując wspomnianą krzywą grzewczą do tej z temperaturą zasilania wynoszącą 55°C (rys. 1). Różnica wartości temperatury zasilania przy temperaturze zewnętrznej 0°C pomiędzy krzywą z temperaturą zasilania 70°C a 55°C wynosi około 10 K. Zamiast oscylować przy temperaturach zasilania rzędu 40°C zmuszamy układ do pracy z temperaturą 50°C, co przekłada się w bezpośredni sposób na zwiększenie kosztów eksploatacyjnych o kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt procent. Sprawdźmy zatem, co się stanie, jeżeli dobierzemy powietrzną, inwerterową pompę ciepła (z modulacją mocy) i przyjmiemy temperaturowy punkt biwalentny do określenia mocy urządzenia?
Na rys. 2 przedstawiono przebieg pracy przykładowej powietrznej pompy ciepła z punktem biwalentnym w temperaturze -6°C. Rozpatrując pompę PC-1 widzimy, że nie dość, że pracuje ona z wysoką temperaturą, to jej optymalny zakres pracy (50-70% obciążenia) mija się z zakresem temperatur występujących najczęściej. Pompa ciepła będzie pracowała przez większość sezonu z wysokim obciążeniem sprężarki. Będzie to skutkowało jeszcze większym spadkiem współczynnika COP. Taka praca kwestionuje zasadność wyboru pompy ciepła do modernizacji źródła ciepła, a efekt modernizacji stanowczo nie będzie satysfakcjonował inwestora.

Szukamy optimum. Oczywiście, im niższa temperatura zasilania zostanie osiągnięta, tym mniej negatywnie będzie wpływała na efektywność energetyczną. W mojej ocenie ustawiona krzywa grzewcza nie powinna mimo wszystko przekraczać 55°C. Uważam to za dobry kompromis pod względem gabarytów grzejników a wartością temperatury zasilania. Warto też zwrócić uwagę, że podawane przez producentów współczynniki SCOP czy ηs pomp ciepła są (między innymi) określane przy temperaturze zasilania 55°C, lecz nie wyższej. Pompa ciepła, podobnie jak inne urządzenia grzewcze, daje możliwości pracy na różnych parametrach w określonym zakresie, ale nie znaczy to, że wszystkie z tego zakresu są optymalne. Analogicznie możemy dobierać kotły kondensacyjne do pracy z temperaturą 90/70°C, a będąc jeszcze bardziej dosadnym, możemy jeździć autostradą na trzecim biegu.

Jak obniżyć temperaturę zasilania instalacji?
Rozpoczynając analizę możliwości obniżenia parametrów pracy instalacji, warto sprawdzić, jakie parametry są wystarczające dla danego budynku. W większości przypadków rzeczywiste parametry pracy są niższe niż te wynikające z obliczeń czy założeń projektowych. Dlatego, jeżeli mamy taką możliwość, warto wyznaczyć je doświadczalnie. Nie dotyczy to tylko budynków modernizowanych – taką weryfikację warto również wykonać dla nowo powstających instalacji. W przypadku modernizacji dobrze jest przeprowadzić tę operację w dwóch etapach.
Na początku należy wytypować pomieszczenie referencyjne, takie ze stosunkowo małym grzejnikiem w stosunku do obciążenia. Otworzyć głowicę termostatyczną, tak aby uniemożliwić jej odcięcie przepływu czynnika. Poczekać na ustabilizowanie się instalacji i sprawdzić, czy przy obecnej temperaturze zasilania w pomieszczeniu utrzymywana jest oczekiwana temperatura powietrza, zwykle 20-22°C.
Pomoże to wstępnie zweryfikować, czy krzywa grzewcza jest ustawiona właściwie. Jeżeli pomieszczenie jest przegrzewane, należy obniżać temperaturę zasilania, aż do momentu osiągnięcia zadanej temperatury powietrza w pomieszczeniu. Jeżeli zasadne są podejrzenia, że krzywa od początku jest ustawiona za wysoko, można ją wstępnie obniżyć.
W drugim etapie, już po ewentualnym przeprowadzeniu działań mających na celu obniżenie parametrów instalacji, należy wykonać tę czynność ponownie. Najlepiej, biorąc pod uwagę kilka pomieszczeń. Następnie, zaznaczając ustaloną w taki sposób temperaturę zasilania na krzywej grzewczej przy danej temperaturze zewnętrznej, można zidentyfikować temperaturę zasilania w warunkach projektowych. Poniżej przedstawiam możliwe działania, które pozwolą obniżyć temperaturę zasilania instalacji.

Zwiększenie przepływu przez instalację. Przez zwiększenie przepływu osiągniemy mniejsze schłodzenie czynnika na odbiorniku ciepła. Jego średnia temperatura wzrośnie, więc wzrośnie też różnica temperatury między grzejnikiem a powietrzem w pomieszczeniu. Grzejnik będzie w stanie przekazać więcej mocy grzewczej. Jeśli weźmiemy pod uwagę grzejnik o mocy 1000 Watt dla parametrów pracy 60/40/20°C (temperatura zasilania/ powrotu/powietrza w pomieszczeniu), przy parametrach 55/40/20°C osiągnie on moc około 910 W. Natomiast przy parametrach pracy 55/45/20°C ten sam grzejnik będzie w stanie przekazać do pomieszczenia moc 1040 W, a temperatura zasilania będzie o 5 K niższa. Jednak w tym przypadku musimy zachować ostrożność i zwrócić uwagę na średnice przewodów, z jakich wykonany jest system dystrybucji ciepła. Aby zmniejszyć schłodzenie z 20 do 10 K, należy zwiększyć przepływ dwukrotnie, co będzie skutkowało zwiększeniem prędkości przepływu czynnika grzewczego przez instalację. Przy zbyt małych średnicach przewodów może to prowadzić do powstania hałasów oraz większej straty ciśnienia przy przepływie przez instalację. Zwiększenie przepływu pociągnie za sobą większe zużycie energii elektrycznej przez pompę obiegową, być może konieczna będzie jej wymiana. Możliwość przeprowadzenia tej operacji należy zatem przeanalizować indywidualnie dla każdego przypadku. Konieczne będzie także wyregulowanie instalacji oraz grzejnikowych zaworów termostatycznych.

Wymiana grzejników. Aby zoptymalizować koszty modernizacji instalacji, nie powinniśmy jej traktować bezwzględnie jako całości. Być może tylko kilka grzejników determinuje wysoką temperaturę zasilania, a reszta może pracować na niższym parametrze. Im niższa jest średnia temperatura czynnika w grzejniku, tym wymaga większej powierzchni grzewczej. Należy zatem znaleźć kompromis pomiędzy optymalną temperaturą zasilania a gabarytem odbiorników ciepła, mając na względzie uwarunkowania miejscowe.

Termomodernizacja budynku. Jeżeli rozpatrujemy budynki bez izolacji lub ich izolacja jest w bardzo złym stanie, to w mojej opinii termomodernizacja jest nieodzownym działaniem przed montażem pompy ciepła. Przy pełnej termomodernizacji można oczekiwać zmniejszenia zapotrzebowania grzewczego nawet o połowę. Oczywiście, jest to ściśle powiązane z zakresem wykonanych prac oraz stanem budynku przed ich wykonaniem. Termomodernizacja jest kosztowną inwestycją, ale też znacząco obniża późniejsze koszty eksploatacji. Z punktu widzenia modernizacji źródła ciepła z wykorzystaniem pompy ciepła porządna termomodernizacja pozwoli na znacznie obniżenie parametrów pracy instalacji. Zakładając, że w pomieszczeniu zainstalowany jest grzejnik 22/600/800, cechujący się mocą grzewczą około 1 kW przy parametrach pracy 70/50/20°C, to po termomodernizacji skutkującej obniżeniem zapotrzebowania mocy o 50% ten sam grzejnik mógłby pracować nawet na parametrach 50/40/20°C, zapewniając moc 550 W. Nie dość, że budynek będzie mieć mniejsze zapotrzebowanie energetyczne, to i pompa ciepła będzie pracowała na niższym parametrze. W opisanym przypadku nie ma konieczności zmiany przepływu w instalacji, ponieważ zmniejszenie schłodzenia będzie następstwem zmniejszenia zapotrzebowania na moc.

Równoważenie hydrauliczne instalacji. Niezależnie od tego, czy wcześniejsza modernizacja budynku obejmowała przebudowę instalacji, czy nie, warto zweryfikować, czy istniejąca instalacja jest poprawnie zrównoważona hydraulicznie. Brak zrównoważenia może spowodować niepotrzebne podniesienie temperatury zasilania całej instalacji grzewczej. Równoważenie polega na dostosowaniu przepływów w całej instalacji grzewczej. Osiąga się to przez wykonanie właściwych nastaw na grzejnikowych zaworach termostatycznych lub rotametrach ogrzewania podłogowego. Dodatkowo powinno się stosować zawory równoważące na głównych rozgałęzieniach instalacji czy przy rozdzielaczach mieszkaniowych. Takie działanie pozwala na bardziej precyzyjną regulację odbiorników oraz zapobiega potencjalnym hałasom spowodowanych przez zbyt wysokie dławienie przepływu przy odbiorniku. W niezrównoważonej instalacji przez odbiorniki bliżej źródła ciepła jest większy przepływ niż jest to wymagane, a przez odbiorniki najbardziej oddalone przepływ jest niewystarczający. Ze względu na zbyt mały strumień objętościowy czynnika przepływający przez jeden lub kilka odbiorników ciepła, nie mogą one osiągnąć wymaganej mocy. Aby zapewnić żądaną temperaturę w pomieszczeniu, temperatura zasilania musi być wyższa – to pozwala zwiększyć różnicę temperatury między grzejnikiem a powietrzem w pomieszczeniu. Im różnica ta jest wyższa, tym z mniejszej powierzchni grzewczej otrzymamy wyższą moc. Regulacja instalacji może przynieść oszczędności przy eksploatacji instalacji rzędu od kilku do nawet kilkunastu procent. Nie można też zapomnieć o dodatkowych korzyściach, takich jak redukcja hałasów czy obniżenie punktu pracy pompy obiegowej. W przypadku braku zaworów termostatycznych przy grzejnikach ich montaż jest obligatoryjny.

W kolejnym artykule, kontynuując temat doboru pompy ciepła do istniejącego budynku, przedstawię, modernizację źródła ciepła z wykorzystaniem pompy ciepła w ujęciu hydrauliczno- praktycznym.

* Niniejszy artykuł jest kontynuacją artykułu „Dobór pompy ciepła* Niniejszy artykuł jest kontynuacją artykułu „Dobór pompy ciepłapowietrze-woda do budynku jednorodzinnego – uwarunkowaniai istotne parametry”, który ukazał się w poprzednim numerze „Polskiego Instalatora”.