Wybór pompy ciepła. Jak dobrać moc do potrzeb?
Technologia pomp ciepła w ostatnich 2 latach podbija rynek ogrzewnictwa w Polsce. Nic dziwnego – technologia ta nie tylko jest rozwiązaniem ekologicznym, ale też pozwala ograniczyć koszty ogrzewania. Pompy ciepła umożliwiają zarówno ogrzewanie budynku, jak również podgrzewanie ciepłej wody użytkowej. Dobór samego urządzenia jest jednak procesem wymagającym wiedzy i odpowiedniego przygotowania, a on sam stanowi jeden z najważniejszych etapów całej inwestycji. Wybór danego rozwiązania będzie zasadniczo wpływał na prawidłowe funkcjonowanie całego systemu ogrzewania. Czym jest pompa ciepła, jak działa i dlaczego wybór odpowiedniej mocy pompy jest tak istotny?
Co to jest pompa ciepła? Jak działa?
Pompy ciepła są technologią stosowaną już od dawna na całym świecie. Wykorzystuje się je w celu wydajnego dostarczania do budynków ciepła i ciepłej wody, a w nowoczesnych rozwiązaniach również (w pewnym stopniu) do chłodzenia.
Do czego można porównać pompę ciepła? Procesy fizyczne zachodzące w pompie ciepła bardzo przypominają procesy zachodzące w lodówkach czy klimatyzatorach. Energia elektryczna dostarczona do tych urządzeń służy do usunięcia ciepła z danej przestrzeni (wnętrze lodówki, pomieszczenie). W przypadku pomp ciepła energia elektryczna do niej dostarczona wykorzystywana jest do „przepompowania” ciepła z konkretnego źródła do systemu ogrzewania budynku. Stąd urządzenia te nazywa się pompami ciepła.
Proces działania pompy ciepła jest jednak znacznie bardziej wydajniejszy od procesu działania lodówki czy klimatyzatora. Zaletą działania pompy ciepła jest fakt, iż większość energii potrzebnej do ogrzania budynku pochodzi z naturalnego źródła ciepła (np. powietrze, woda, grunt), a tylko część energii pochodzi z energii elektrycznej. Przy odpowiednim doborze pompa jest w stanie pobrać nawet 70-80% potrzebnej energii z naturalnego źródła a tylko w 20-30% korzystać z energii elektrycznej. Innymi słowy, ogrzewając budynek poprawnie dobraną pompą ciepła z 1 jednostki energii elektrycznej pobranej przez pompę otrzymujemy 3-4, a czasami nawet więcej jednostek energii cieplnej. Mówiąc kolokwialnie, pompa ciepła osiąga sprawność rzędu kilkuset procent, gdyż generuje więcej jednostek ciepła niż pobiera jednostek energii elektrycznej.
Najpopularniejszym typem pomp ciepła jest pompa typu powietrze-woda. Określenie to oznacza, iż źródłem naturalnego ciepła jest powietrze zewnętrzne, a medium, do którego przekazywane jest ciepło, jest woda w instalacji ogrzewania budynku.
Zobacz także: Kotły i pompy ciepła
Od czego zależy wydajność pompy ciepła?
Liczba jednostek ciepła, wygenerowanych przez jedną jednostkę energii elektrycznej dostarczonej do pompy, zależy w głównej mierze od dwóch czynników:
- temperatury, do której musimy doprowadzić wodę w naszej instalacji grzewczej,
- aktualnej temperatury powietrza zewnętrznego.
Pierwszy z tych czynników jest względnie stały. Przykładowo – ogrzewając budynek grzejnikami wysokotemperaturowymi, musimy dogrzać wodę w naszej instalacji grzewczej do około 50°C. Natomiast w przypadku instalacji ogrzewania podłogowego standardowo woda osiąga temperaturę około 28°C.
Drugi czynnik jest o wiele bardziej dynamiczny i zależny od warunków temperaturowych.
Aby w prosty sposób określić wydajność pompy ciepła, wprowadzono współczynnik efektywności COP, który mówi nam o tym, ile otrzymamy jednostek ciepła z jednej jednostki energii elektrycznej. Wartość COP można określić następująco :
COP = oddawana moc grzewcza/moc elektryczna pobrana
Warto zauważyć, że wartość tego współczynnika zależy stricte od wymieniowych wyżej czynników. Im wyższą temperaturę wody w instalacji musimy osiągnąć, tym więcej energii elektrycznej musimy zużyć, przez co wartość COP maleje. Jednocześnie im niższa temperatura powietrza zewnętrznego, tym więcej energii elektrycznej potrzebujemy, żeby ogrzać wodę do odpowiedniej temperatury, przez co wartość COP również maleje. Warto zatem pamiętać, że wartość współczynnika COP ciągle się zmienia wraz ze zmianami temperatur zewnętrznych. Jednak wykorzystując niskotemperaturowy system ogrzewania (taki jak ogrzewanie podłogowe), jesteśmy w stanie na stałe polepszyć średnie wartości COP.
Najważniejsze jednak jest to, iż niezależnie od warunków temperaturowych powietrza zewnętrznego oraz wymagań temperaturowych wody w instalacji grzewczej, pompa ciepła zawsze osiągać będzie zdecydowanie większe wydajności niż inne metody ogrzewania (węgiel, gaz, pellet itp.). Mówiąc wprost, koszty ogrzewania pompą ciepła zawsze będą niższe niż inne rozwiązania, gdyż pompa potrzebuje zdecydowanie mniej energii , za którą płacimy, do ogrzania budynku. Większość z tej energii pobiera z naturalnych źródeł ciepła.
Zobacz także: Akcesoria do kotłów i pomp ciepła
Dlaczego odpowiedni dobór pompy ciepła jest niezwykle istotnym krokiem inwestycji?
Każda pompa ciepła powietrze-woda pracuje w konkretnym zakresie temperatur powietrza zewnętrznego, zazwyczaj od -20°C do 15°. Jednak wraz ze zmianą temperatury zewnętrznej zmienia się ilość ciepła, którą pompa może wygenerować.
Jednocześnie, analizując rozkład temperatur zewnętrznych w Polsce w ciągu roku, można zauważyć, iż około 90% sezonu grzewczego mieści się w zakresie temperatur między -10°C a +15°C.
Biorąc pod uwagę obie informacje, odpowiedni dobór pompy ciepła powinien doprowadzić do sytuacji, gdzie w zakresie temperatur -10°C a +15° pompa ciepła zawsze będzie w stanie dostarczyć do budynku odpowiednią ilość ciepła do jego ogrzania. Dzięki temu jesteśmy w stanie zminimalizować ilość energii elektrycznej pobieranej przez pompę i zapewnić w budynku komfort cieplny i żądane temperatury w pomieszczeniach.
W sytuacji, gdy temperatura na zewnątrz spadnie poniżej -10°, pompa będzie potrzebować niewielkiej pomocy, aby dostarczyć wymaganą ilość ciepła. W tym celu korzysta się z grzałek elektrycznych lub rozwiązań konwencjonalnych (kocioł na węgiel, drewno, pellet itp.). Przy poprawnym doborze modelu pompy, koszty dogrzania budynku przez tę „pomoc” nie powinny przekraczać kilku procent kosztów zasilania samej pompy przez cały rok. Dzięki takiemu zabiegowi jesteśmy w stanie zminimalizować koszty ogrzewania przy całkowitym zachowaniu komfortu cieplnego w budynku przez cały rok.
Skutki złego doboru pompy ciepła
Konsekwencje złego doboru mocy pompy są dwojakie. Jeśli dobierzemy zbyt słabą pompę w stosunku do zapotrzebowania budynku na ciepło, pompa przestanie samodzielnie radzić sobie w temperaturach wyższych niż -10°C (np. przy -3°) , co spowoduje większe zużycie energii elektrycznej w przypadku dogrzewania się za pomocą grzałek lub większe koszty zużycia paliw konwencjonalnych, co przeniesie przełoży się na wyższe koszty ogrzewania w trakcie całego roku.
Natomiast dobranie pompy o zbyt dużej mocy spowoduje jej szybsze zużycie, co skróci jej żywotność. Z zasady sprężarki stanowiące „serce” każdej pompy, po uruchomieniu powinny pracować przez pewien czas, zanim zaprzestaną pracy. Jednocześnie każda sprężarka zaprojektowana jest na mniej więcej określoną ilość cykli włączenia i wyłączenia się. Pompa o zbyt dużej mocy przy wyższych temperaturach zewnętrznych ( np. +12° ) może w trakcie dnia włączać i wyłączać się stosunkowo często, a co gorsze pracować bardzo krótko. Niestety prowadzi to do znacznego skrócenia żywotności całej sprężarki. Można w pewnym zakresie zniwelować to zjawisko, dobierając do systemu większy bufor ciepła, co stabilizuje czas pracy i częstotliwość włączania się sprężarki, jednak dobór zbyt dużego buforu również niesie ze sobą negatywne konsekwencje.
Na podstawie powyższych informacji na temat zakresu temperatur pracy pompy, rozkładu temperatur oraz konsekwencji przewymiarowania bądź niedowymiarowania pompy ciepła widać, iż odpowiedni dobór jej mocy w stosunku do zapotrzebowania budynku na ciepło przenosi się na możliwie najniższe koszty ogrzewania, jak i ograniczenie kosztów samej inwestycji.
Właściwy dobór pompy ciepła
Bazując na informacjach przedstawionych w poprzedniej sekcji, można zauważyć, że dokładne określenie zapotrzebowania budynku na ciepło jest kluczowym elementem, który pozwoli nam na najlepszy wybór modelu i mocy pompy ciepła.
Istnieje wiele prostych metod określenia owego zapotrzebowania, jednak w tym przypadku prostota może być niestety zgubna i doprowadzić do konsekwencji opisanych wcześniej. Im więcej informacji jesteśmy w stanie zebrać na temat naszego budynku ( izolacja, materiał budowlany, rodzaj systemu grzewczego itp. ), tym wyliczone zapotrzebowanie będzie dokładniejsze i pozwoli na dobór pompy ciepła, przynoszącej największe oszczędności na ogrzewaniu.
W przypadku wiodących producentów pomp ciepła posiadają oni wewnętrze kalkulatory, które pomagają im dobrać pompę. Jeśli szukamy darmowej metody wyliczenia naszego zapotrzebowania, można posłużyć się kalkulatorami pokroju cieplo.app. Co prawda, ze względu na bezpłatny charakter tego narzędzia, nie można ze 100% pewnością stwierdzić czy otrzymane wyniki pokrywają się z rzeczywistością, jednak dla inwestorów z ograniczonym kapitałem inwestycyjnym jest to pewne rozwiązanie.
Najbardziej dokładną i wiarygodną metodą określenia zapotrzebowania energetycznego budynku jest przeprowadzenie audytu energetycznego. Podczas takiego audytu wykonywany jest szereg pomiarów wraz z dokładnymi obliczeniami, czego wynikiem jest raport, na podstawie którego dobór pompy jest niezwykle dokładny. Jest to metoda za którą należy zapłacić, jednak biorąc pod uwagę, iż tego typu inwestycja uchroni nas przed konsekwencjami złego doboru pompy ciepła, jest to rozwiązanie godne rozważenia. Dzięki audytowi energetycznemu jesteśmy w stanie zagwarantować sobie rozwiązanie grzewcze najlepiej dopasowane do potrzeb naszego budynku i generujące najniższe koszty eksploatacyjne.
