Przygotowanie ciepłej wody użytkowej pochłania znaczną część energii wytwarzanej przez domowe źródło ciepła, dlatego kwestii tej nie można pomijać przy optymalizacji kosztów systemu grzewczego. Co więcej, ciepła woda jest potrzebna w domu przez cały rok, a nie tylko w sezonie grzewczym, istotne jest zatem, aby jej przygotowanie odbywało się szybko i efektywnie, co w przypadku instalacji zasilanych przez pompę ciepła wymaga szczególnej uwagi projektanta lub instalatora. Poza odpowiednim doborem samego źródła ciepła, kluczową kwestią jest wybór takiego zasobnika, który będzie właściwie z tym źródłem ciepła współpracował.

Ile potrzeba energii na przygotowanie c.w.u.?
Przede wszystkim ilość energii, którą musimy dostarczyć do zasobnika c.w.u., nie jest zależna od źródła ciepła, a od zużycia wody w domu. Termin „zużycie wody” należy rozumieć zarówno jako ilość wody, jak i jej temperaturę, która musi być wystarczająca, aby pokryć wszelkie bytowe potrzeby mieszkańców domu, jak choćby kąpiel czy zmywanie.

Szacunkowe obliczenia dla pompy ciepła. Uśrednionym założeniem jest przyjęcie zużycia na poziomie 50 litrów wody o temperaturze 45°C na osobę w ciągu doby. Ile to energii? Wzór do jej obliczenia jest bardzo prosty:

E = m · C_w · ΔT

gdzie:
m – masa wody, którą przeliczamy w stosunku 1:1 z jej objętości (1 litr = 1 kg),
C_w – ciepło właściwe wody, wynoszące 1,16 Wh/kgK,
ΔT – różnica temperatury, o jaką musimy podgrzać wodę sieciową; przyjmuje się, że woda z sieci ma 10°C (choć w zależności od pory roku, ta wartość będzie się zmieniać), a wartość, do której wodę podgrzewamy, to 45°C.

W związku z czym, w przypadku czteroosobowej rodziny równanie będzie wyglądać następująco:

E = 4 · 50 kg · 1,16 Wh/kgK · 35 K = 8129 Wh = 8,12 kWh

Uzyskany wynik: 8,12 kWh to ilość energii potrzebnej do przygotowania c.w.u. dla czteroosobowej rodziny na dobę, natomiast w ciągu całego roku wartość ta wyniesie niecałe 3000 kWh. Jest to oczywiście wartość przybliżona, ponieważ nie uwzględnia wakacji, nocowania poza domem oraz wizyt gości.

Inne źródła ciepła – skąd te różnice wartości temperatury wody? Dla osób niezwiązanych z wykonywaniem instalacji z pompami ciepła, pewną zagadką może być stosunkowo niska przyjęta temperatura, do której podgrzewamy wodę w zasobniku współpracującym z pompą ciepła. W przypadku kotłów gazowych temperaturą docelową jest zwykle około 55°C, a przy kotłach stałopalnych na ekogroszek czy drewno w zasobniku pojawia się często woda o temperaturze bliskiej 70°C. W odniesieniu do kotłów gazowych wynika to zazwyczaj ze stosowania zasobników o niewielkiej pojemności, które z kotłami są sprzedawane. 100 czy nawet 150 litrów wody wygrzanej do 45°C prawdopodobnie nie wystarczy, aby zaspokoić potrzeby czteroosobowej rodziny. W związku z tym, aby uzyskać odpowiednią ilość energii, temperatura wody w zasobniku musi być wyższa, co można również obliczyć ze wspomnianego wzoru. Jeśli zaś chodzi o kotły stałopalne, to rządziły i rządzą się one swoimi prawami – bardzo często temperatura zasobnika nie jest w ogóle możliwa do ustawienia, woda osiąga więc temperaturę zależną od tego, ile opału zostało wrzucone do komory spalania.

Warto również wspomnieć, że w przypadku kotłów nie mamy do czynienia ze zjawiskiem charakterystycznym dla pomp ciepła, czyli istotnym spadkiem sprawności (przy pompach ciepła – efektywności), związanym ze zwiększeniem temperatury górnego źródła.

Przygotowanie ciepłej wody przez pompę ciepła W przypadku pracy pompy ciepła na cele centralnego ogrzewania panuje ogólne przekonanie, że urządzenie będzie miało wyższe COP (współczynnik efektywności), gdy współpracuje z instalacją podłogową, niż wtedy, gdy współpracuje z grzejnikami. Jest to stwierdzenie jak najbardziej prawdziwe – pompa ciepła pracuje tym efektywniej, im mniejsza jest różnica temperatury między dolnym źródłem ciepła, a więc środowiskiem, od którego odbieramy energię (np. powietrze lub grunt), a górnym źródłem ciepła, czyli ośrodkiem, do którego przekazujemy energię (np. instalacja c.o. lub wężownica zasobnika c.w.u.).

Na dolne źródło nie mamy dużego wpływu, natomiast przez odpowiedni projekt instalacji możemy ograniczyć wymaganą temperaturę w górnym źródle ciepła. I tak, przykładowo, projektując w domu instalację podłogową lub ocieplając dodatkowo ściany budynku, by zmniejszyć wymaganą temperaturę wody grzewczej, możemy sprawić, że sezonowy współczynnik efektywności SCOP wzrośnie niemal o 1.

! Zasada ta odnosi się również do temperatury wody w zasobniku c.w.u. – zmniejszając wymaganą temperaturę z 55°C do 45°C lub nawet 43°C, możemy uzyskać znaczną oszczędność energii.

Czas podgrzewu c.w.u. Efektem towarzyszącym spadkowi wartości współczynnika COP pompy ciepła jest także spadek maksymalnej mocy grzewczej urządzenia. Ustawienie wyższej temperatury w zasobniku ciepłej wody użytkowej będzie się zatem wiązało nie tylko ze zwiększonymi kosztami pracy pompy ciepła, ale również z nieproporcjonalnym wydłużeniem czasu potrzebnego na wygrzanie zasobnika do wymaganej temperatury.

Czas podgrzewu wody w zasobniku c.w.u. to właśnie jedna z najbardziej zauważalnych różnic w sposobie eksploatacji, gdy użytkownik zmienia źródło ciepła: z kotła na pompę ciepła. Moc znamionowa kotłów gazowych montowanych w domach jednorodzinnych wynosi przeciętnie 19-25 kW, często z dodatkowym podbiciem mocy na potrzeby przygotowania c.w.u. Co więcej, moc znamionowa kotła gazowego jest dostępna niezależnie od warunków zewnętrznych. Przykładowo, wygrzanie 200 litrów wody dla wcześniej wspomnianej czteroosobowej rodziny przez kocioł o mocy 25 kW będzie trwało, niezależnie od pory roku, około 20 min – wynika to z prostego obliczenia: 8 kWh, czyli ilość energii, którą należy dostarczyć do zasobnika, należy podzielić przez moc kotła, czyli 25 kW. Niestety, przy pompach ciepła określenie czasu podgrzewu wody nie jest już takie proste.

Moc pompy ciepła jest zwykle dobierana znacznie dokładniej niż moc kotła, nie powinniśmy więc mieć do czynienia z dużymi przewymiarowaniami. Dokładność w doborze mocy jest tu konieczna z kilku powodów, m.in. z uwagi na znaczne różnice w kosztach zakupu jednostek o większej mocy (nieuzasadnione zwiększenie kosztów inwestycji) oraz negatywne konsekwencje techniczne dobrania za dużej pompy ciepła, przejawiające się np. taktowaniem jednostki. W związku z tym, dla kilkuletniego domu (relatywnie dobry standard energetyczny), np. o powierzchni 150 m^₂, można dobrać zwyczajowo określaną „ósemkę”, oczywiście – po wcześniejszym upewnieniu się, co producent ma na myśli przez takie określenie swojego urządzenia. Jednostka taka bez problemu zapewni ciepło do ogrzania budynku, ale spójrzmy, jak będzie wyglądał podgrzew ciepłej wody. Moc takiego urządzenia przy temperaturze zewnętrznej 20°C wynosi około 10 kW, co przekłada się na czas podgrzewu wcześniej wspomnianej ilości wody, czyli 200 litrów, wynoszący 48 min. Jednak przy temperaturze zewnętrznej -10°C, moc pompy ciepła spada do 6 kW, a czas podgrzewu c.w.u. wydłuża się do 80 min.

Jak zwiększyć komfort c.w.u.? Dłuższy czas podgrzewu c.w.u. przez pompę ciepła nie będzie dokuczliwy w nocy, gdy użytkownicy zwykle i tak nie korzystają z ciepłej wody, jednak w ciągu dnia, przy niewystarczającej pojemności zasobnika, komfort c.w.u. może się znacząco obniżyć (w porównaniu do stosowania w tym celu kotła). W związku z tym konieczne jest dobranie do pompy ciepła odpowiedniego zasobnika. Ponadto, większość powietrznych pomp ciepła oferowanych na naszym rynku jest standardowo (ew. opcjonalnie) wyposażonych w zintegrowaną grzałkę przepływową. Jej zadaniem jest wspieranie pracy pompy ciepła przy niskiej temperaturze zewnętrznej oraz zwiększenie komfortu korzystania z ciepłej wody użytkowej. Odpowiednie funkcje w tym zakresie zapewnia również automatyka pomp ciepła.

W przypadku pomp ciepła Viessmann w automatyce zaimplementowane są dwa algorytmy mające na celu podniesienie komfortu korzystania z c.w.u. Pierwszy z nich uruchomi grzałki elektryczne w razie spadku temperatury w zasobniku o 10°C względem temperatury wymaganej. Spadek o taką wartość świadczy o znacznym zużyciu ciepłej wody, aby więc zapobiec kąpieli w niekomfortowej temperaturze, automatyka uruchomi grzałki, które „dodadzą” kilka kilowatów (maks. 9) do mocy wynikającej z pracy układu chłodniczego pompy ciepła. Z kolei drugi algorytm uruchomi grzałki w przypadku zbyt niskiego przyrostu temperatury w zasobniku w określonym czasie. Jest to szczególnie przydatna opcja przy niższej temperaturze dolnego źródła, gdy spada maksymalna moc pompy ciepła. Oba algorytmy można oczywiście dostosować do swoich potrzeb, wyłączając je zupełnie czy też opóźniając lub przyspieszając uruchomienie grzałki.

Jaki zasobnik do pompy ciepła?
Biorąc pod uwagę wcześniej wspomniane cechy pracy pompy ciepła na potrzeby c.w.u., zasobnik będzie musiał mieć przede wszystkim większą pojemność niż standardowy. W praktyce jego objętość powinna być nie mniejsza niż około 200 litrów. Większość pomp ciepła typu kompakt, z wbudowanym zasobnikiem, oscyluje właśnie w okolicy tej wartości. Zasobniki wolno stojące, dedykowane do pomp ciepła do zastosowań domowych, mają przeważnie pojemność 300 litrów.

Dostosowanie zasobników solarnych. Częstą praktyką stosowaną przez producentów oraz instalatorów jest wykorzystywanie do współpracy z pompą ciepła zasobników solarnych, w których spinana jest wężownica dolna – przeznaczona pod kolektory słoneczne, z górną – wykorzystywaną najczęściej przez inne źródło, np. kocioł gazowy. Zasobniki solarne charakteryzują się odpowiednio dużą pojemnością, a zabieg połączenia wężownic zapewnia, że spełniony jest kolejny kluczowy wymóg dla zasobnika współpracującego z pompą ciepła, czyli odpowiednia minimalna powierzchnia grzewcza.

Minimalna powierzchnia grzewcza, czyli jaka? Pompa ciepła przekazuje energię termiczną z czynnika chłodniczego do wody grzewczej, która następnie przekazuje energię przez wężownicę do wody w zasobniku. Jeżeli odbiór ciepła w zasobniku nie będzie wystarczający, nie zostanie również odebrane ciepło od czynnika chłodniczego. Będzie to powodowało wzrost jego temperatury, za czym będzie szło zwiększenie ciśnienia czynnika, co w skrajnym przypadku skończy się awaryjnym wyłączeniem jednostki. Aby zapobiec tej sytuacji, wymagana jest wężownica o minimalnej powierzchni 0,25 m² na 1 kW mocy pompy ciepła. Powstaje jednak pytanie, dla jakiej mocy pompy ciepła użyć powyższej zależności? Przy pompach gruntowych sprawa jest prosta, ponieważ ich moc jest stała i wystarczyć sprawdzić, jaka jest jej znamionowa wartość. Jednak w przypadku pomp ciepła typu powietrze-woda, w zależności od urządzenia, moc może się zmieniać od kilkunastu do kilku kilowatów na przestrzeni roku.

! W tej sytuacji, dla powietrznej pompy ciepła typu on/off, zasobnik powinien być dobrany na najmniej korzystne warunki, czyli na moc pompy ciepła występującą w wyższych temperaturach dodatnich. Dla klimatu w Polsce wystarczające będzie uwzględnienie temperatury 20/25°C.

Kolejne pytanie pojawi się przy pompach inwerterowych. O ile pompy ciepła typu on/off nie mają możliwości regulacji i w określonej temperaturze zapewniają konkretną moc (rys. 3), o tyle pompy ciepła wyposażone w sprężarkę z regulacją obrotów mogą modulować i przy wspomnianej wcześniej temperaturze 20°C mogą przekazywać do instalacji moc np. od 4 do 12 kW. Dzięki temu, gdy sterownik pompy odnotuje ciśnienie zbliżające się do maksymalnego, zacznie modulować obrotami sprężarki, przekazując niższą moc, ale również zapobiegając awaryjnemu wyłączeniu. Ułatwia to dobór zasobnika, ponieważ nie trzeba go wtedy dobierać na moc maksymalną urządzenia, a wężownica może być mniejsza, co w większości przypadków przełoży się na niższy koszt zbiornika. Zasobniki dedykowane do pomp ciepła mają najczęściej jedną wężownicę o znacznej powierzchni, dzięki czemu nie jest konieczne łączenie dwóch wężownic (jak w przypadku zasobnika solarnego).

Instalacje z pompami ciepła większej mocy. W przypadku instalacji z pompami ciepła większej mocy lub w układach kaskadowych powszechnie wykorzystywane są wymienniki płytowe, poprzez które ładowane są zasobniki bez wężownicy. Po jednej stronie takiego wymiennika przepływać będzie woda grzewcza przygotowana np. przez kaskadę gruntowych pomp ciepła, a po drugiej – świeża woda z sieci. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie dużej mocy grzewczej, której nawet bardzo duża wężownica nie byłaby w stanie odebrać. Wymaga ono jednak zastosowania w układzie dodatkowych elementów, jak pompa ładowania zasobnika za wymiennikiem czy zawór odcinający. Warto wówczas sprawdzić, czy automatyka pompy ciepła, którą planujemy wykorzystać w danej instalacji, ma możliwość obsługi wszelkich dodatkowych podzespołów, czy też będziemy musieli posiłkować się dodatkowymi sterownikami.

Instalacja PV a dodatkowa grzałka w zasobniku
Wielu klientów, którzy posiadają fotowoltaikę i decydują się na pompę ciepła, upiera się, aby w zasobniku dodatkowo zastosować grzałkę elektryczną. Miałaby ona na celu wykorzystać nadmiar energii produkowany przez instalację PV w sprzyjających warunkach słonecznych. W praktyce, poza jednym przypadkiem, zabieg ten nie ma najmniejszego sensu. Energię elektryczną wytwarzaną przez moduły fotowoltaiczne można bowiem przeznaczyć bezpośrednio na pracę pompy ciepła – ze znacznie lepszym skutkiem i wyższą wydajnością. Co więcej, wiele jednostek ma fabrycznie wbudowaną grzałkę przepływową, która również może działać na potrzeby ciepłej wody użytkowej. Jedynym zastosowaniem takiego rozwiązania jest możliwość higienicznego wygrzana zasobnika do wyższej temperatury niż pozwala na to pompa ciepła. Większość pomp ciepła może maksymalnie podgrzać wodę w zasobniku do 60-65°C, gdy może być konieczne podgrzanie wody do 70°C.

Temat często bagateliowany...
Podgrzew ciepłej wody użytkowej przez pompę ciepła, ze względu na mniejszy udział wydatków na ten cel w ciągu roku niż na ogrzewanie budynku, to kwestia często pomijana pod względem optymalizacji kosztów. Co więcej, podczas modernizacji zdarza się, że parametry grzania są przekopiowane bezpośrednio z ustawień kotła gazowego czy też pozostawia się zasobnik, który pracował wcześniej w instalacji z kotłem stałopalnym, a to znacząco wpływa na nieekonomiczną pracę pompy ciepła i istotnie zwiększa ryzyko awarii. Tymczasem nie ma tu drogi na skróty. Konieczne jest zapewnienie odpowiedniego doboru powierzchni grzewczej wężownicy i pojemności zasobnika c.w.u. również w przypadku modernizacji, a jednocześnie – wyczerpujące poinformowanie klienta, który rozpoczyna swoją „przygodę” z pompą ciepła, jak ma korzystać z nowego urządzenia grzewczego.

Artykuł stanowi kontynuację cyklu „Warsztaty instalatora OZE”, w którym publikujemy artykuły na temat instalacji fotowoltaicznych i pomp ciepła. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy jego kolejne odcinki z praktycznymi wskazówkami dla projektantów i wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.