Instalacja pompy ciepła. Wymagania dla instalacji z pompą ciepła, koszty ogrzewania

2018-11-06 10:47 mgr inż. Dawid Pantera
Instalacja pompy ciepła
Autor: gettyimages Instalacja z pompą ciepła

Bardzo ważnym elementem w instalacji pompy ciepła jest górne źródło ciepła, czyli system dystrybucji ciepła w budynku. Jakie są wymagania dla instalacji z pompą ciepła i polecane układy pracy.

Instalacja z pompą ciepła - warunki

Temperatura dolnego źródła wpływa przede wszystkim na moc chłodniczą i grzewczą urządzenia, ma również znaczenie przy doborze trybu pracy pompy: mono- (samodzielna praca urządzenia) lub biwalentnym (we współpracy z drugim źródłem). Tymczasem temperatura górnego źródła wpływa głównie na efektywność pracy pompy ciepła (czyli późniejsze koszty eksploatacyjne), a zależy ona od zaprojektowanej instalacji c.o. Niskie temperatury zasilania, np. ogrzewania płaszczyznowego, ogrzewania podłogowego wodnego, przekładają się na niskie ciśnienia skraplania i tym samym mniejszą wymaganą pracę sprężarki. Choć obecnie większość dostępnych na rynku pomp ciepła może pracować z temperaturami zasilania wynoszącymi nawet 65°C, polecany system centralnego ogrzewania powinien być przeliczony na wartości nie wyższe niż 55 po stronie zasilania i 45°C na powrocie. Najlepsze warunki pracy gwarantuje ogrzewanie płaszczyznowe, np. podłogowe lub ścienne, zwykle przeliczone na parametry 35/28°C.

Wymagania ogólne dla instalacji z pompą ciepła

Niezależnie od wybranego systemu dystrybucji ciepła w budynku istotnym elementem dla pompy ciepła jest utrzymanie długich czasów pracy i przerw sprężarki, przy jednoczesnym zachowaniu komfortu cieplnego mieszkańców. Taki układ zapewnia tzw. przepływ minimalny, gwarantujący poprawną pracę skraplacza. Obliczany jest on dla mocy grzewczej w punkcie pracy zgodnie z normą PN-EN 14511 i różnicy temperatur do 10 K, podczas gdy optymalny przepływ powinien zostać przeliczony na różnicę temperatur od 5 do 7 K. Wymóg zachowania przepływu minimalnego narzuca tym samym zaprojektowanie instalacji centralnego ogrzewania bez redukcji przepływu. Jeżeli planowane jest ogrzewanie podłogowe, należy zrezygnować z siłowników rozdzielacza sterujących temperaturami ogrzewanych sekcji. W przypadku ogrzewania grzejnikami niskotemperaturowymi, w teorii należałoby zdemontować głowice termostatyczne.

Warunek długich czasów pracy i przerw w sprężarce nie może być jednak spełniony tylko poprzez zachowanie minimalnego przepływu wody grzewczej. Instalacja c.o. musi się dodatkowo charakteryzować dużą bezwładnością cieplną, a więc długimi okresami nagrzewania i studzenia. Wymóg ten spełnia ogrzewanie podłogowe i ścienne, dzięki akumulacji ciepła w jastrychu i ścianach. Nieco gorzej jest już w przypadku grzejników niskotemperaturowych, które szybko się nagrzewają, ale i równie szybko stygną. Ograniczenie stanowi także mała pojemność wodna, co eliminuje taki system do pracy w układach bezpośrednich. Instalacje grzejników niskotemperaturowych we współpracy z pompą ciepła muszą być wyposażone w zbiorniki buforowe, zwiększające pojemność wodną.

Instalacja pompy ciepła - układ bezpośredni

Zdecydowanie najlepszy system dystrybucji ciepła do współpracy z pompą ciepła. Dzięki niskim temperaturom zasilania osiąga się najwyższą efektywność pracy, a w konsekwencji najniższe koszty eksploatacji. Instalacja grzewcza w takim systemie powinna gwarantować minimalny przepływ wody grzewczej określony dla danego modelu pompy ciepła. Dopuszcza się jego regulację na wybranych pętlach, lecz tylko wtedy, gdy nie powoduje to ograniczenia przepływu poniżej przepływu minimalnego, a różnica temperatur zasilanie/powrót nie jest większa niż 10 K.

W układach bezpośrednich zalecanym elementem jest zawór typu by-pass, którego zadaniem jest utrzymanie minimalnej wartości przepływu wody grzewczej przez pompę ciepła w przypadku problemów z utrzymaniem go przez obiegi grzewcze. Zaleca się dodatkowo, aby pojemność rur pomiędzy nim a pompą ciepła zapewniała co najmniej 2 minuty pracy pompy. Sprowadza się to do spełnienia warunku pojemności minimalnej wynoszącej 3 l/kW pompy ciepła. Dla różnych typów urządzeń różnicowane będą punkty obliczeniowe mocy grzewczej: dla pomp solankowych jest to B0/W35, typu powietrze-woda bez regulacji wydajności sprężarki – A2/W35, natomiast z regulacją (np. sprężarka z inwerterem) – A-7/W35. W pompach ciepła powietrze woda nie zaleca się regulacji przepływu na wszystkich pętlach systemu ogrzewania, aby zapewnić energię dla realizacji procesu odmrażania parownika.

Instalacja z pompą ciepła - układ z buforem wody grzewczej

Instalacje dystrybucji ciepła w budynku oparte o grzejniki niskotemperaturowe we współpracy z pompą ciepła nie nadają się do układów bezpośrednich. Niewielka bezwładność i mała pojemność wodna spowodowałyby krótkie czasy pracy sprężarki i jej częste załączenia, co w konsekwencji mogłoby doprowadzić do jej szybkiego zużycia i uszkodzenia. Grzejniki wyposażone są dodatkowo w głowice termostatyczne, które wpływają na zmianę przepływu wody grzewczej (pompa ciepła do poprawnej pracy wymaga przepływu minimalnego).
Instalacje z pompą ciepła wyposaża się w zbiornik buforowy, który ma na celu powiększenie zładu instalacji grzewczej. Istotne jest, aby pełnił on rolę magazynu ciepła, a nie sprzęgła hydraulicznego znanego z instalacji kotłowych. Dlatego też musi mieć określoną pojemność, zaś pompy obiegowe dołączonych obiegów grzewczych nie mogą mieć wydatku większego niż pompa obiegowa pompy ciepła. Pojemność dobierana jest według warunku 20–25 l/kW mocy grzewczej pompy ciepła, przy czym obliczeniowe punkty pracy zależne są od typu pompy ciepła.
Warto zwiększyć średnicę rur dolotowych do zbiornika buforowego, zmniejszając tym samym opory przepływu.
Układy z buforem wody grzewczej wymagają podłączenia w nim czujnika temperatury. Pompa ciepła pracuje wedle jego wskazań i najczęściej w celu zapewnienia odpowiedniej ilości energii dla dołączonych obiegów grzewczych ustawia temperaturę wymaganą +2 K w stosunku do wartości wymaganych przez obiegi grzewcze. Wiąże się to z dodatkową utratą efektywności, zapewnia jednak pełne bezpieczeństwo pracy i pozwala na bezproblemową rozbudowę o kolejne źródła ciepła.

Instalacja z pompą ciepła - układ z buforem wpiętym szeregowo

Połączeniem zalet rozwiązania układu bezpośredniego z buforem jest montaż zbiornika o małej pojemności wodnej na powrocie z instalacji grzewczej. Z uwagi na lokalizację nie wymaga on opomiarowania czujnikiem temperatury, a pompa ciepła pracuje według własnego czujnika temperatury zasilania lub powrotu. Zbiornik pełni funkcję magazynu dla energii cieplnej nieodebranej przez instalację c.o., a także magazynu ciepła, np. na czas odmrażania parownika. Elementem koniecznym jest zawór typu by-pass zamontowany w pobliżu pompy ciepła i ustawiony w celu zapewnienia minimalnego przepływu wody grzewczej.
W takim wypadku instalacja grzewcza może być wyposażona w pełną regulację przepływu i niekoniecznie charakteryzować się dużą pojemnością wodną. Można zatem takie rozwiązania zastosować zarówno do instalacji ogrzewania płaszczyznowego, jak i grzejnikowego.

Instalacja z pompą ciepła - chłodzenie

Argumentem dodatkowym, przemawiającym za stosowaniem pomp ciepła zamiast tradycyjnego kotła grzewczego, jest możliwość realizacji funkcji chłodzenia. Modele typu solanka-woda przy niewielkich nakładach finansowych można zastosować do chłodzenia naturalnego (pasywnego), zaś typu powietrze-woda – do aktywnego. Naturalne chłodzenie polega na wykorzystaniu różnicy temperatur pomiędzy wodą w instalacji grzewczej a medium w dolnym źródle ciepła. Wymiana ciepła na dodatkowym wymienniku płytowym powoduje obniżenie temperatury wody grzewczej i podniesienie czynnika niezamarzającego wypełniającego dolne źródło ciepła. Efektywność pracy takiego układu jest wysoka i wynosi nawet 20:1 (uzyskana energia/nakłady energii), jednak moc chłodzenia zależy od różnicy temperatur na wymienniku oraz rodzaju dolnego źródła ciepła. Znacznie lepiej sprawdzają się tutaj sondy pionowe z uwagi na niskie temperatury ziemi w okresie letnim. Natomiast chłodzenie aktywne wymaga pracy sprężarki i w odróżnieniu od naturalnego zapewnia stałą moc chłodniczą. Jest więc polecane do układów, w których chłodzenie jest podstawą komfortu.

Do chłodzenia pomieszczeń najlepiej sprawdzają się systemy płaszczyznowe, np. ogrzewanie podłogowe lub ścienne, wspomagane przez wymuszony ruch powierza, m.in. wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną. Należy pamiętać, że obniżanie temperatury powietrza może doprowadzić do wykraplania się pary wodnej na ściankach rur i powodować uszkodzenia budynku. Można temu zapobiec przez ograniczenie minimalnej temperatury zasilania obiegów chłodzonych, przykładowo system ogrzewania podłogowego realizujący chłodzenie nie powinien być zasilany temperaturą niższą niż 18°C. Dodatkowym elementem jest czujnik punktu rosy, blokujący funkcję chłodzenia w momencie wykrycia zbyt dużej wilgotności powietrza.

Koszty ogrzewania pompą ciepła - przykładowe obliczenia

Instalacja z pompą ciepła typu solanka-woda w układzie bezpośrednim, monowalentnym (pompa ciepła pokrywa 100% zapotrzebowania)

Układ oparty jest o pompę ciepła typu solanka-woda z dolnym źródłem w postaci odwiertów pionowych oraz bezpośrednim układem dystrybucji ciepła (ogrzewanie podłogowe) Vitocal 300-G BWC. Pochodzi ona z roku 2008 i zgodnie z danymi technicznymi ma moc grzewczą 10,2 kW oraz współczynnik efektywności 4,6 dla punktu pracy B0/W35 według normy EN 14511. Została ona dobrana do pracy w trybie monowalentnym, a zintegrowana grzałka służy jedynie jako źródło awaryjne lub na potrzeby ewentualnego wygrzewania antybakteryjnego zbiornika c.w.u. np. po powrocie mieszkańców z dłuższego urlopu.
Rozpatrywany budynek jest zaliczany do nowego budownictwa. Według świadectwa charakterystyki cieplnej jego zapotrzebowanie na energię końcową wynosi Ek = 40 kWh/m²/rok. Budynek o powierzchni użytkowej 300 m² wyposażony jest w całości w ogrzewanie podłogowe, a wewnątrz utrzymuje się temperatura powietrza na poziomie 22°C bez względu na porę dnia. Zainstalowano system wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła, a do wspomagania ogrzewania wody użytkowej dodatkowo pracują dwa kolektory płaskie o łącznej powierzchni czynnej 4,6 m². Przygotowanie wody użytkowej odbywa się przede wszystkim przez pompę ciepła, a w okresie pracy instalacji solarnej dogrzew z pompy ciepła ogranicza się 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 ciepłej wody użytkowej o pojemności 390 l bez problemu pokrywa zapotrzebowanie 4-osobowej rodziny. Niekiedy argumentem przemawiającym za zastosowaniem pompy ciepła jest możliwość wykorzystania jej do chłodzenia budynku dzięki tzw. funkcji naturalnego chłodzenia. Jednak w tej instalacji funkcja ta nie jest realizowana, ponieważ według inwestora temperatury wewnątrz budynku w okresie letnim nie są wysokie. Właściciel dokonywał regularnie odczytów liczników energii elektrycznej zasilającej instalację z pompą ciepła, zanotował liczbę uruchomień sprężarki i czasy jej pracy oraz wartości temperaturowe dolnego i górnego źródła ciepła. Pozwoliło to na opracowanie wykresu zapotrzebowania energii na cele grzewcze oraz przygotowania c.w.u., a także na oszacowanie rzeczywistego współczynnika efektywności pracy układu na c.o. Analizowany okres obejmuje cały rok 2013. Wyraźnie kształtują się na nim punkty zakończenia i rozpoczęcia sezonu grzewczego, a także okres, w którym instalacja solarna niemal całkowicie pokrywała zapotrzebowanie energii na przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

Zapotrzebowanie energii na cele grzewcze oraz przygotowania c.w.u. - wykres
Autor: D. Pantera Wykres zapotrzebowania energii na cele grzewcze oraz przygotowania c.w.u.

Na podstawie całkowitego czasu pracy pompy ciepła oraz liczby uruchomień można obliczyć średnie czasy pracy sprężarki, które wynoszą około 33 min. Temperatura medium niezamarzającego z dolnego źródła ciepła oscyluje w ciągu całego roku między 3 a 8°C, co pozwoliło na osiągnięcie bardzo wysokich współczynników efektywności pracy całej instalacji. Do zużytej przez nią energii zalicza się: sprężarkę, regulator, pompy obiegowe dolnego i górnego źródła ciepła, pompę ładowania ciepłej wody użytkowej, pompę cyrkulacyjną wody użytkowej, pompę obiegu solarnego oraz stację uzdatniania wody. Obliczona efektywność w okresie grzewczym w roku 2013 wyniosła 4,19, a rzeczywiste całoroczne koszty ogrzewania centralnego oraz przygotowania wody użytkowej – 2345 zł.

Miesięczny współczynnik efektywności energetycznej COP
Autor: D. Pantera Średni miesięczny współczynnik efektywności energetycznej COP

Warto zaznaczyć, że pomimo układu bezpośredniego, a więc bez zbiornika buforowego wody grzewczej, użytkownik korzysta z licznika 2-taryfowego. Zapotrzebowanie budynku w energię na c.o. i c.w.u. na poziomie 16 500 kWh/rok oznacza, że przy zastosowaniu licznika 1-taryfowego koszty ogrzewania byłyby wyższe o ok. 600 zł. Ogrzewanie kotłem gazowym kondensacyjnym oznaczałoby dla użytkownika nawet dwukrotnie wyższe opłaty.

Porównanie kosztów ogrzewania - wykres
Autor: D. Pantera Koszty ogrzewania dla instalacji z pompą ciepła typu solanka-woda w układzie bezpośrednim, monowalentnym (pompa ciepła pokrywa 100% zapotrzebowania)

Instalacja z pompą ciepła typu powietrze-woda w układzie bezpośrednim, monoenergetycznym (pompa ciepła współpracuje z grzałką elektryczną jako szczytowe źródło ciepła)

Budynek wolno stojący o powierzchni ogrzewanej 220 m² i obliczeniowej mocy grzewczej 8,8 kW oddany został do użytkowania w 2013 roku. Źródłem ciepła jest pompa typu split pracująca w układzie monoenergetycznym, a więc we współpracy z grzałką elektryczną, stanowiącą szczytowe źródło ciepła. 3-stopniowa grzałka elektryczna o maksymalnej mocy grzewczej 9 kW (1st = 3 kW, 2st = 6 kW, 3st = 3+6 kW) jest wersją przepływową, zainstalowaną wewnątrz jednostki wewnętrznej pompy ciepła. Może być użyta na cele c.o. oraz do przygotowania c.w.u.

Po nałożeniu krzywej zapotrzebowania budynku w ciepło na charakterystykę pracy pompy ciepła otrzymuje się punkt biwalentny dołączenia grzałki równy –12°C. Oznacza to, że od tej temperatury do pracującej pompy ciepła dołączać się będzie grzałka elektryczna, natomiast od temperatury powietrza zewnętrznego wynoszącej –15°C (graniczna wartość pracy dla tego modelu pompy ciepła) będzie ona jedynym źródłem ciepła. Dystrybucję ciepła stanowi układ bezpośredni ogrzewania podłogowego obliczony na parametry 35/28°C. Temperatura utrzymywana w domu wynosi 22–23°C z obniżeniem o jeden stopień na czas pracy nocnej. Ciepła woda dla czterech mieszkańców ogrzewana jest w pojemnościowym podgrzewaczu wody o poj. 300 l, wyposażonym w dwie wężownice spięte szeregowo w celu zapewnienia dużej powierzchni wymiany ciepła.

Zainstalowane osobno dla jednostki zewnętrznej i wewnętrznej liczniki energii elektrycznej po 10 miesiącach pomiarów wskazały odpowiednio 4315 oraz 543 kWh. Średnia cena energii elektrycznej po uwzględnieniu wszystkich opłat stałych i zmiennych wynosi 0,54 zł (taryfa Tauron „Pompa Ciepła”), co oznacza, że koszt ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody użytkowej w okresie od września 2014 do lipca 2015 roku wyniósł 2623 zł. Grzałka elektryczna nie miała w tym czasie okazji do pracy.

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej