Źródło ciepła

Przystępując do projektowania instalacji należy wykonać analizę dostępności źródeł ciepła wg poniżej kolejności:

 

 

  • staw, jezioro, rzeka
  • powietrze
  • ciepło odpadowe (również ścieki)
  • grunt

Bez wątpienia najlepszym sposobem na pozyskanie energii cieplnej jest staw lub jezioro. Niestety nie każdy budynek ma taką korzystną lokalizację. Takie rozwiązanie jest najtańsze inwestycyjnie a zarazem bardzo wydajne.

PRAKTYKA POMP CIEPŁA

Jako drugie w kolejności przyjmuje się korzystanie z energii zawartej w powietrzu. Na tę technologię wskazuje powszechna dostępność źródła ciepła oraz łatwość wykonania efektywnie działających instalacji przy niewielkich nakładach. Wiedza instalatora o tej technologii może być znikoma a efekty wyśmienite jeśli uwzględni się proste reguły.

Ciepło odpadowe występuje w większości procesów technologicznych i w zasadzie nie wiadomo co z nim robić. Duże ilości ciepła wytwarzane są w piekarniach, suszarniach, restauracjach a również w urządzeniach klimatyzacyjnych. Indywidualne podejście może być bardzo opłacalne. Wykorzystane tego ciepła do ogrzewania wody użytkowej pompą powietrze-woda jest bardzo proste.

Wykonawstwo instalacji gruntowych należy powierzyć jedynie doświadczonym firmom specjalizującym się w tej dziedzinie. Wykonawstwo powinno być całościowe od każdej umieszczanej w gruncie rury a na grzejniku i podłogówce kończąc. W przypadku niezadawalających wyników  nastąpi wzajemne obwinianie się podwykonawców a znalezienie przyczyny może być niezwykle trudne. Ponadto z biegiem lat utrata wilgotności gruntu  lub/i  jego lokalne wychłodzenie może zaliczyć wysokie nakłady do strat.

 

Szacowanie zapotrzebowania mocy grzewczej

1. Metoda mocy jednostkowej

Moc grzewcza Q dla temperatury -20oC jest szacowana na podstawie zależności:

Q = F * q

gdzie:

Q – zapotrzebowanie na ciepło w kW

F – ogrzewana powierzchnia w m2

q – moc jednostkowa w kW/m2

 

Przykład: dom o powierzchni użytkowej 120 m2 wybudowany wg. aktualnych norm, ocieplony posiada zapotrzebowanie na moc grzewczą w temperaturze -20oC równą 120×0,05 czyli 6 kW

 

L.p. Moc jednostkowa [kW/m2] Uwagi
1 0,120 Stare budownictwo bez izolacji termicznej ze zwykłą stolarką
2 0,080 Stare budownictwo z nowoczesnymi oknami zespolonymi
3 0,060 Stare budownictwo z ociepleniem ścian i oknami zespolonymi
4 0,050 Domy wykonane zgodnie z aktualnymi normami
5 0,030 Domy niskoenergetyczne

2. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową

Stosuje się uproszczony przelicznik 0,3 kW na osobę. Moc potrzebną do ogrzania wody dodaje się do zapotrzebowania na moc grzewczą.

Przykład: dom o powierzchni użytkowej, jak wyżej, zamieszkuje rodzina 4 osobowa. Maksymalne zapotrzebowanie na moc grzewczą wyniesie 6 kW + 4×0,3kW czyli 7,2 kW

3. Metoda oceny zużycia paliw

W wypadku gdy w ogrzewany obiekt jest lub był ogrzewany innym urządzeniem zapotrzebowanie na moc grzewcza wyznacza się z ilości zużywanego opału

  • dla kotła olejowego   Q = V / 250  [kW] ; gdzie V=ilość litrów oleju zużywana przez 1 rok
  • dla kotła gazowego    Q = V / 230 [kW]; gdzie V=ilość m3 gazu zużywana przez 1 rok
  • dla pieca węglowego Q = V / 200 [kW]; gdzie V=ilość węgla kamiennego w kg zużywana przez 1 rok
Przykład: do ogrzania domu zużyto w ciągu roku 2000 m3 gazu ziemnego. Zapotrzebowanie na moc grzewczą wynosi 2000 : 230 czyli 8,7 kW 

4. Zalecenia odnośnie doboru pompy powietrze-woda

Pompy ciepła powietrze-woda potrafią przekazywać ciepło nawet w temperaturze -25oC. W praktyce systemy grzewcze pomp powietrze – woda są tworzone ze wspomagającymi źródłami ciepła. Mogą być nimi ogrzewacze elektryczne, kotły gazowe lub olejowe. Wspomagające źródło ciepła jest włączane w temperaturze otoczenia nazywanej punktem biwalencji. Zazwyczaj punkt biwalencji ustala się na poziomie – 7oC. Dla tych warunków zapotrzebowanie na moc grzewczą wynosi ok 70% wartości wyznaczonej metodą 1+2 lub 3+2.

Proszę sprawdzić na charakterystyce COP pompy ciepła moc grzewczą uzyskiwaną dla temperatury biwalencji.

Stosowanie biwaletnego podgrzewania elektrycznego podwyższa roczne koszty eksploatacyjne o ok 5%. Z kolei zapewnienie pełnej mocy przy najniższych temperaturach, które występują sporadycznie, związane jest ze znacznym kosztem inwestycyjnym.  Za duża moc pompy daje efekt pracy impulsowej włącz/wyłącz, paradoksalnie powodującej niedogrzanie w zwykłych zimowych temperaturach otoczenia.

Posiadanie alternatywnego źródła ciepła to dodatkowa korzyść – podnosi  bezpieczeństwo energetyczne obiektu. W przypadku awarii pompy ciepła (bardzo rzadkie przypadki) drugie źródło może pracować samodzielnie

Przy zapotrzebowaniu na większe moce grzewcze, powyżej 20 kW – zaleca się stosowanie 2 lub większej ilości pomp ciepła połączonych w tzw. kaskadę

5. Szacowanie kosztów eksploatacyjnych

Szacowane kosztów można przeprowadzić w sposób uproszczony z błędem do 10% wg. następującej metody, zakładającej, że przeciętnie dom jest ogrzewany przez 2000 godzin a podgrzewanie wody użytkowej na jedną osobę to rocznie 1300 kWh energii

Dom o powierzchni użytkowej 120 m2, wybudowany wg aktualnych norm, z zapotrzebowaniem jednostkowym na moc grzewczą równą 0,050 kW / m2, zamieszkały przez 4 osobową rodzinę

  • jest ogrzewany przeciętnie przez 2000 godzin rocznie
  • na ogrzewanie zużyje ok 120 x 0,050 x 2000 czyli 12 000 kWh energii
  • energia potrzebna dla podgrzania wody użytkowej dla 4 osobowej rodziny to 4 x 1 300 czyli 5 200 kWh
  • zapotrzebowanie roczne to 12 000 + 5200 = 17 200 kWh 
  • koszt roczny ogrzewania elektrycznego dla taryfy G11 to 17 200 x 0,6 i wynosi ok 10 320 zł
  • koszt roczny energii elektrycznej przy zastosowaniu pompy ciepła powietrze-woda to 10 320 : 3, zatem około 3 500 zł

Wykres COP - jak czytać

Wykres COP jest najważniejszą charakterystyką pompy ciepła. Znając COP oraz moc znamionową urządzenia – czyli moc trwałą pobieraną z elektrycznej sieci energetycznej możemy ocenić i porównać  urządzenia od różnych dostawców.

Oprócz mocy znamionowej podawana jest często moc maksymalna możliwa do pobierania w niedługim czasie, ale wystarczającym do szybkiego podgrzania wody w zbiorniku c.w.u lub do szybkiego odszronienia.
Charakterystyka COP zostanie przedstawiona na przykładzie pompy ciepła powietrze-woda. Producent może podawać te dane w trzech formach:
  • – wykres COP
  • – tabela COP
  • – tabela z obliczonymi mocami grzewczymi pompy w różnych warunkach
Moc grzewcza pompy ciepła jest sumą mocy pochodzącej od napędu sprężarki oraz mocy uzyskanej z transportu ciepła z powietrza do wody.
 
WYKRES COP
Na osi pionowej jest COP – wartość na ogół od 1 do 6.
Na osi poziomej temperatura powietrza na zewnątrz budynku.
Wykresy dla różnych temperatur wody w instalacji grzewczej: W35 oznacza 35oC, W45 oznacza 45oC, W55 oznacza 55oC.
Jak widać COP (czyli sprawność) rośnie wraz z temperaturą zewnętrzną oraz wzrasta dla niższych temperatur na grzejniku. Moc grzewczą obliczamy z zależności
                                 moc elektryczna * COP
Przykłady obliczenia mocy grzewczej dla pompy pobierającej moc elektryczną równą 2 kW:
– powietrze +2oC, woda 35oC: 2 x 3.7 = 7.4 KW
– powietrze +7oC, woda 35oC: 2 x 4.5 = 9 kW
– powietrze -20oC, woda 55oC: 2 x 1.3 = 2.6 kW
– powietrze -20oC, woda 35oC: 2 x 2.6 = 5.2 kW

 

 
W tabeli po prawej jest wersja liczbowa. COP podawane dla poszczególnych temperatur powietrza (pionowo) w zależności od temperatury wody w obiegu (poziomo)
 
Z wykresów i tabel wynika, że pompy ciepła najlepiej się sprawują w systemach ogrzewania niskotemperaturowego – ogrzewanie podłogowe czy klimakonwektory.
W niskich temperaturach otoczenia będziemy potrzebować dodatkowego źródła ogrzewania – najczęściej jest to grzałka elektryczna ewentualnie kocioł gazowy sterowane przez pompę ciepła, itp
 Niekiedy producent lub dystrybutor podaje wprost moc grzewczą dla różnych warunków, przykładowa tabela obok.
Jak moc grzewcza podawana w materiałach ofertowych ma się do uzyskiwanych mocy w praktyce niełatwo określić. Często można spotkać parametr: maksymalna moc grzewcza dla ciepłej wody użytkowej a jej wartość znacznie przewyższy dane  obok. Ponadto dostawcy powołują się na różne normy –  więc porównanie wykresów COP może  być przydatne.
Z charakterystyk COP widać, że moc grzewcza spada w warunkach, gdzie była by potrzebna w większej ilości, czyli w niskich temperaturach.
W praktyce dobierania pomp ciepła zakłada się, że brak mocy w ekstremalnie niekorzystnych temperaturach zewnętrznych zostanie uzupełniony przez biwalentne źródło ciepła. Zapewnienie pełnej mocy tylko z pompy nie jest zasadne: – koszt takiej pompy byłby wysoki a po drugie zazwyczaj wykorzystywany by był ułamek możliwości grzewczych.
Dobór biwalentnego źródła ogrzewania pozostawiamy projektantowi instalacji

Kaskadowe łączenie pomp ciepła

Często stosuje się równoległe łączenie pomp ciepła co w efekcie daje zsumowanie mocy grzewczych.  Zastosowanie dwóch pomp mniejszych zamiast jednej o większej mocy daje wymierne korzyści. Naturalne jest łączenie w kaskadę pomp w przypadku konieczności uzyskania większych mocy lub  gdy pompy ciepła są jedynym urządzeniem w naszym systemie ogrzewania.

Cechy sterowania kaskadowego:

  • uzyskanie wystarczającej mocy grzewczej przy najniższych temperaturach zewnętrznych
  • naprzemienna praca pomp przy mniejszym zapotrzebowaniu mocy – wydłużenie trwałości
  • niewrażliwość instalacji grzewczej na awarie, zwiększenie niezawodności

    Do sterowania kaskadowego  fabrycznie przystosowane są pompy SUN

Pompy ciepła powietrze - woda

Postęp technologiczny ostatnich lat dotyczył w szczególności pomp powietrze-woda. Sprężarki EVI potrafią stosunkowo efektywnie pracować w temperaturach -25 a nawet -30oC w zależności od modelu. Napęd inwerterowy pozwala na płynną regulację mocy (modulację)  w  zakresie dochodzącym niejednokrotnie od 20 do 120% mocy znamionowej i płynną pracę sprężarki bez jej wyłączeń.

Informacje przytaczane na temat powietrznych pomp ciepła a także literatura na ten temat są na ogół nieaktualne. Ostatnie 10 lat odmieniło ten typ pomp w przyjazne, efektywne i łatwe w zastosowaniu urządzenia do transportu ciepła z powietrza do naszego systemu grzewczego. Dodatkowe funkcje ogrzewania wody użytkowej (c.w.u.)  i schładzania (wody lodowej) nie są problemem

 

Podstawowe układy pracy pompy powietrze-woda

Typ MONOBLOK – wszystkie elementy układu pompy: sprężarka, wymienniki ciepła, zawór rozprężny, układ sterujący znajdują się w zamkniętej obudowie instalowanej najczęściej na zewnątrz budynków. Występują rozwiązania monoblok o stosunkowo niskiej mocy, instalowane wewnątrz budynków, posiadające przewody czerpni i wyrzutni powietrza. Spotykane są wersje, gdzie zabudowane są również pompa obiegowa i przepływowy podgrzewacz elektryczny. Podstawowy układ z czynnikiem jest fabrycznie napełniony i uznawany jako hermetyczny. Powietrzne pompy ciepła typu MONOBLOK mogą być instalowane przez montera wod-kan bez uprawnień F-Gazy. Urządzenia te nie podlegają również rejestracji Dozorze Technicznym ani tez nie podlegają okresowej kontroli szczelności.

Typ SPLIT – pompa jest zbudowana z dwóch jednostek: zewnętrznej z parownikiem i wentylatorami oraz wewnętrznej ze skraplaczem, pompą obiegową i ogrzewaczem elektrycznym przepływowym. Jednostkę wewnętrzną i zewnętrzną łączą przewody napełnione czynnikiem chłodniczym. Monter takich instalacji musi posiadać uprawnienia F-Gazy. Urządzenia takie najczęściej podlegają rejestracji w Centralnym Rejestrze Operatorów (CRO) oraz okresowej kontroli szczelności. Kryterium dodatkowych restrykcji podane jest w punkcie „Restrykcje prawne”

układ z pompą Monoblok - schemat
pompa cieplit SPLIT schemat

Rodzaje powietrznych pomp ciepła

Praktyczne znaczenie ma poniższy podział:

Pompy niskotemperaturowe EVI – możliwa praca w temperaturach otoczenia -25 a nawet -30oC. Sprężarki do tych pomp stosują dodatkowy zawór rozprężny, który część czynnika chłodniczego kieruje do dodatkowego elementu obiegu – wymiennika ciepła. Następuje w nim odparowanie czynnika, który zostaje następnie wprowadzony do sprężarki. Ten proces nosi nazwę EVI – Enhanced Vapor Injection (tłum. zoptymalizowany wtrysk par).

Pompy inverterowe DC – stosowany przemiennik częstotliwości (falownik) do zasilania sprężarki oraz wentylatorów. Pompa obiegowa ze sterowaniem PWM oraz elektroniczny zawór rozprężny z silnikiem krokowym. W efekcie urządzenie dostosowuje moc grzewczą do aktualnego zapotrzebowania  (modulacja mocy), rozruchy są łagodne, ilość cykli włącz/wyłącz spada co ma przełożenie na zwiększenie trwałości i niezawodności sprężarki. Cykle odszraniania są przeprowadzane szybko i sprawnie.

Pompy do podgrzewania wody użytkowej (c.w.o.) – specjalizowane pompy do współpracy z wężownicami zbiorników ciepłej wody

Pompy do ogrzewania wody basenowej – to powszechnie stosowane sposoby podgrzewania wody w basenach przydomowych jak i komercyjnych

Dobór mocy powietrznej pompy ciepła

Przykład dotyczy budynku o powierzchni 180 mkw z ogrzewaniem podłogowym. Wstępnie obliczono zapotrzebowanie na moc grzewczą = 9 kW. Zainstalowano pompę SUN 03DC o mocy 9.5 kW (A7W35).

Na wykresie kolorem czerwonym jest zaznaczona  znamionowa moc grzewcza uzyskiwana przy temperaturach otoczenia od -20 do + 20 st C i temperaturze wody zasilającej 35 stC. Widzimy, że charakterystyka powietrznej pompy ciepła jest nachylona odwrotnie niż zapotrzebowanie budynku – kolor niebieski. Prawidłowy dobór pompy ciepła to przecięcie linii w okolicach -10.. – 7 stopni. Poniżej tej temperatury moc pompy ciepła jest niewystarczająca. Uzupełniamy ja źródłem biwalentnym. Najczęściej będzie to grzałka elektryczna ewentualnie rozpalony w mroźne dni kominek. Szacuje się, że zastosowanie grzałki elektrycznej powiększa koszty eksploatacyjne rocznie średnio o 5%

 
 

Przy temperaturze -20 stC mamy deficyt mocy 3.7 kW – to powinno być uzupełnione przez grzałkę elektryczną lub inne źródło. Przy -10 st.C i powyżej pracuje sama pompa ciepłą bez grzałki. Przy wyższych temperaturach mamy nadwyżkę mocy ale mniej więcej do temperatury 0 stC, możemy ją obniżyć dzięki inwertorowi i dopasować do zapotrzebowania. Powyżej temperatury 0 stC pompa będzie „taktować”- tu przydaje się bufor aby ograniczyć częstość włączeń i wyłączeń

Zalety technologii