Wybieramy pompę ciepła – rodzaje, moc i ważne zagadnienia

Na etapie projektowania domu musimy podjąć decyzje o wyborze źródła ciepła. Spośród dostępnych rozwiązań, największym zainteresowaniem cieszą się pompy ciepła. Wszystko wskazuje na to, że ten wzrostowy trend będzie się utrzymywał także w kolejnych latach. Dalego postanowiłem napisać ten wpis, aby zebrać wszystkie istotnie informacje związane z doborem oraz z eksploatacją pompy ciepła. Omawiam zasadę działania, współczynniki wydajności, tryby pracy, górne źródła ciepła oraz najważniejsze kwestie doborowe – zapraszam do wpisu.

Zasada działania pompy ciepła

Działanie pompy ciepła polega na przekazaniu do instalacji grzewczej budynku energii cieplnej dostępnej w jego otoczeniu, zmagazynowanej w ziemi, wodzie lub powietrzu. Przeważającą część ciepła do ogrzewania pobiera ona z otoczenia budynku, nazywanego źródłem dolnym. Ciepło to jest następnie przekazywane do instalacji grzewczej domu, którą zwyczajowo określa się mianem źródła górnego.

Osiągnięcie temperatury wody grzewczej w instalacji na poziomie nawet 50-60ºC, bazując na dolnym źródle mającym temperaturę kilku czy stopni Celsjusza jest możliwe – dzięki zastosowaniu przemian termodynamicznych czynnika chłodniczego w układzie chłodniczym. Ten obieg jest zawsze taki sam, składa się on z parownika, sprężarki, skraplacza i zaworu rozprężnego.

Na rynku istnieje kilka rodzajów pomp ciepła, jednak zasada ich działania jest taka sama. Schemat działania pompy ciepła przedstawiono na rys. 1.

Współczynnik wydajności COP i SCOP

Współczynnik COP opisuje stosunek użytecznej mocy cieplnej do pobranej elektrycznej mocy napędowej sprężarki. Określa więc on „sprawność” pompy ciepła przy danych parametrach pracy.

Współczynnik COP rośnie wraz ze wzrostem temperatury dolnego źródła oraz z obniżaniem temperatury zasilania górnego źródła. Przy wzroście COP rośnie również moc pompy ciepła. Wyższa temperatura dolnego źródła ciepła pozwala na podgrzanie do wyższej temperatury czynnik chłodniczy w parowniku, co skutkuje wyższą temperaturą obiegu chłodniczego przed skraplaczem.

Współczynnik COP jest określany zgodnie z normą EN 14511 (dla obciążenia pełnego) lub według EN 14825 – obciążenie pełne lub częściowe.

Współczynniki SCOP, podobnie jak COP – określa stosunek energii cieplnej dostarczonej do budynku, do ilość energii elektrycznej pobranej przez pompę ciepła. Rożnica polega na tym, że współczynnik COP odnosi się do parametrów pracy w danej chwili (w danym punkcie pracy pompy ciepła), natomiast współczynnik SCOP opisuje średni sezonowy stosunek wytworzonej energii grzewczej do energii elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki przez cały sezon grzewczy. Współczynnik SCOP oznaczany jest zgodnie z normą EN 14825.

Tryby pracy pompy ciepła

Tryb monowalentny

Pompa ciepła pokrywa całkowite obciążenie grzewcze instalacji centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej bez użycia źródła szczytowego. Źródłem szczytowym możemy nazwać wbudowaną grzałkę elektryczną lub odrębne, urządzenie grzewcze np. kominek opalany drewnem.

Tryb monoenergetyczny

Pompa ciepła pokrywa w przeważającej części obciążenie grzewcze instalacji c.o. i c.w.u. W momentach szczytowego zapotrzebowania włącza się wbudowana grzałka elektryczna. Urządzenie może być dobrane poniżej maksymalnego zapotrzebowania na energię budynku (w zależności od bilansu kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych).

Warunkiem, jest wybór pompy ciepła z grzałką elektryczną, wspomagającą podgrzew wody w przypadku wystąpienia skrajnie niekorzystnych warunków temperaturowych. Może to być grzałka dwu/trójstopniowa o mocy 3/6/9/ kW.

Tryb biwalentny równoległy

Pompa ciepła pokrywa w przeważającej części obciążenie grzewcze instalacji c.o. i przygotowania c.w.u. W momentach szczytowego zapotrzebowania lub kiedy praca pompy ciepła nie pokrywa potrzeb cieplnych budynku – dogrzew wody przejmuje drugie źródło ciepła np. kocioł na paliwo stałe. Z chwilą gdy temperatura zewnętrzna spadnie poniżej określonej wartości granicznej, np. -5 °C, włączane jest również drugie źródło ciepła.

Take rozwiązanie jest stosowane w budownictwie poddawanym termomodernizacji, gdzie istniejąca instalacja grzejnikowa jest uzupełniona o pompę ciepła. np. powietrze/woda. Wówczas w okresie letnim, przejściowym oraz częściowo w zimowych pompa ciepła jest wystarczającym źródłem ciepła w budynku. Natomiast w niekorzystnych warunkach pacę pompy wspomaga istniejące źródło ciepła. Do łączenia takich systemów grzewczych wykorzystuje się bufor ciepła,

Tryb biwalentny alternatywny

Instalacje pracujące w tym trybie posiadają oprócz pompy ciepła drugie źródło ciepła. W przeciwieństwie jednak do trybu pracy biwalentnego równoległego w tym trybie pompa ciepła i drugie źródło ciepła nigdy nie pracują równocześnie. Po przekroczeniu określonej temperatury zewnętrznej, np. -5°C, pracuje wyłącznie pompa ciepła.

Przy temperaturze niższej od wartości granicznej całe ciepło wytwarzane jest przez kocioł grzewczy (np. na paliwo stałe, przy stosunkowo wysokich temperaturach pracy systemu). Wariant możliwy jest do zastosowania z urządzeniami o dobrej regulacyjności, jak np. dla kotłów gazowych z modulowaną mocą, płynnie dostosowywaną do aktualnych potrzeb cieplnych.

Dobór pompy ciepła

Do prawidłowego doboru pompy ciepła, informacją wyjściową jest określenie zapotrzebowania na ciepło na cele grzewcze (oraz jeśli wymagane – chłodnicze) dla konkretnie rozpatrywanego przypadku. Zapotrzebowanie na ciepło wyznacza się na podstawie izolacyjności przegród zewnętrznych oraz na podstawie strat ciepła występujących na drodze wentylacji.

Informacje o stratach ciepła budynku znajdziemy w charakterystyce energetycznej budynku, jest ona niezbędnym elementem każdego projektu budowlanego.

Przy doborze mocy pompy ciepła należy zwrócić szczególną uwagę na parametry pracy instalacji dolnego i górnego źródła ciepła. Przyjęto oznaczenie parametrów pracy opisując rodzaj czynnika oraz jego temperaturę dla dolnego i górnego źródła ciepła:

• Dla pomp gruntowych, np. B0/W35 lub W10/W55
• Dla pomp powietrznych, np. A2/W35 (ogrzewanie) lub A35/W18 (chłodzenie)

Pierwszy człon (np. B0) określa parametry dolnego źródła, gdzie pierwsza litera oznacza nośnik energii (B – glikol (ang. brine), W – woda (ang. water) lub A – powietrze (ang. air), liczbą określona jest temperatura nośnika energii. Drugi człon (np. W35) określa parametry górnego źródła, gdzie pierwsza litera oznacza czynnik odbierający energię, w każdym z przypadków jest to woda, oznaczona literą „W”, liczbą określona jest natomiast temperatura zasilania instalacji. W przypadku pomp ciepła powietrze/powietrze, litera „W” odnosi się do temperatury nawiewanego powietrza.

Pompę ciepła powinno dobierać się w taki sposób, aby w możliwe dużym stopniu pokrywała całkowite potrzeby grzewcze budynku. Te z kolei określa się zgodnie z normą PN-EN 12831. Informacje o potrzebach cieplnych znajdziemy w charakterystyce energetycznej budynku, przykład takiej charakterystyki prezentuję na rys. 2.

Jeżeli z różnych powodów nie jest określone zapotrzebowania na ciepło, należy posłużyć się metodami przybliżonymi. Dodatkowo należy założyć temperaturę zasilania instalacji grzewczej, zazwyczaj są to temperatury:

• Ogrzewanie podłogowe: 35-45°C,
• Ogrzewanie grzejnikowe: 45-55°C,
• Ogrzewanie klimakonwektorami: 45-54°C.

Określenie punktu biwalentnego

Dobór gruntownych pomp ciepła powinien być realizowany w oparciu o znajomość warunków gruntowych (opinia geotechniczna, projekt robót geologicznych). Na podstawie tych danych projektant może określić pojemność ciepną gruntu, tym samym długość wymiennika cieplnego. Konsekwencją wykonania np. zbyt krótkiego wymiennika dolnego źródła może być przyczyną przemarzania wymiennika i zatrzymania pracy pompy.

etc. jest łatwiejszy niż powietrznych, spowodowane jest to stosunkowo stałymi parametrami temperaturowymi dolnego źródła (grunt, woda gruntowa). Umożliwia to również dobór mocy pompy zabezpieczającej 100 proc. zapotrzebowania na energię budynku, bez wykorzystania dodatkowego źródła ciepła (np. grzałki elektrycznej).

Wydajność pompy ciepła powietrze/woda spada wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej. Dlatego przy doborze mocy grzewczej należy brać pod uwagę cały zakres temperatur zewnętrznych. Im niższa temperatura powietrza, tym mniejsza moc grzewcza pompy ciepła. W skrajnym przypadku niska temperatura powietrza może spowodować wyłączenie urządzenia. Właśnie przed skutkami zmian mocy grzewczej ma chronić dodatkowe źródło ciepła.

Parametrem decydującym, kiedy uruchomione zostanie dodatkowe źródło ciepła jest temperatura zewnętrzna. Znając zapotrzebowanie na ciepło budynku i charakterystykę mocy grzewczej pompy ciepła można wyznaczyć tzw. punkt biwalencyjny, który jest graniczną temperaturą, do której pompa ciepła powietrzna pracuje samodzielnie. Poniżej temperatury tego punktu uruchamia się dodatkowe źródło ciepła. Może być to tryb pracy biwalentny równoległy lub alternatywny. W pierwszym przypadku pracują razem pompa i ciepła i drugie źródło ciepła, a w drugim – albo pompa ciepła, albo drugie źródło ciepła.

Wyznaczanie punktu biwalencyjnego należy zacząć od określenia zapotrzebowania na ciepło budynku i naniesienia jego wartości na oś współrzędnych. Jeśli na przykład budynek cechuje się maksymalnym zapotrzebowaniem ciepła 7 kW, to pompa ciepła np. o mocy nominalnej 9 kW i temperaturze zasilania 35°C, może stanowić podstawowe źródło ciepła, które trzeba będzie wspomagać w pracy od temperatury zewnętrznej -12°C. Poniżej tej temperatury, pracę pompy może wspomagać wbudowana grzałka elektryczna.

Szwedzka dotacja do pomp ciepła NIBE

2 marca 2020 r. wystartował kolejny nabór wniosków do Szwedzkiej Dotacji do pomp ciepła NIBE do 10 000 zł. Jeśli marzysz o czystym, energooszczędnym i komfortowym systemie grzewczym, skorzystaj ze wsparcia do 5 000 zł do pompy ciepła, do 6 000 zł do pompy ciepła wraz z rekuperatorem NIBE ERS lub GV-HR, do 9 000 zł na zakup pompy ciepła zestawem paneli fotowoltaicznych NIBE PV. Dotację w wysokości 10 000 zł  można otrzymać na zakup pompy ciepła, rekuperatora oraz zestawu paneli fotowoltaicznych NIBE PV. Szwedzką Dotację marki NIBE można łączyć z ulgą podatkową oraz dotacją w ramach programu NFOŚiGW „Czyste Powietrze” lub „Mój Prąd”. 

Rejestracja w promocji, regulamin i szczegółowe informacje na www.szwedzkadotacja.pl

Dom bez rachunków w Szczecinku

W nowo budowanym domu jednorodzinnym o powierzchni ok. 250 m² położonym w miejscowości Szczecinek (woj. zachodniopomorskie), właściciel zdecydował się na zastosowanie ekologicznego i wielozadaniowego systemu grzewczego. W budynku zainstalowano gruntową pompę ciepła NIBE F1145 PC o mocy 10 kW z wbudowaną funkcją chłodzenia pasywnego. Dolnym źródłem pompy ciepła jest kolektor poziomy o długości 500 mb, który odzyskuje ciepło z gruntu za pomocą płynącego w nim niezamarzającego roztworu glikolu, którego średnioroczna temperatura wynosi 3^oC.

Inwestor zdecydował się na niskotemperaturowy system podłogowy, w którym temperatura wody grzewczej nie przekracza 32^oC w sezonie grzewczym. System grzewczy spełnia funkcję ogrzewania budynku, ale także zapewnia produkcję ciepłej wody użytkowej w zbiorniku o pojemności 200 l. Dodatkowo pompa ciepła NIBE F1145 PC posiada wbudowany moduł chłodzenia pasywnego, który obniża temperaturę w budynku i zapewnia komfort termiczny w okresie letnim. Chłodzenie pasywne za pomocą gruntowej pompy ciepła jest darmowe, ponieważ pompa ciepła bez użycia sprężarki przekazuje chłód zgromadzony w gruncie bezpośrednio do instalacji podłogowej schładzając pomieszczenia do komfortowej temperatury w okresie letnim.

W domu zamontowano także centralę wentylacyjną z odzyskiem ciepła NIBE GV-HR 120-400, która zapewnia prawidłową wymianę ciepła nawet przy zamkniętych oknach i pozwala na ponowne wykorzystanie energii z powietrza wywiewanego. Praca całego systemu z pompą ciepła, sterowana jest za pomocą jednego, wielofunkcyjnego sterownika pompy ciepła umieszczonego na pompie ciepła lub zdalnie za pomocą systemu NIBE UPLINK poprzez stronę internetową www.nibeuplink.com lub aplikację mobilną NIBE Uplink App.

Materiał na youtube: https://www.youtube.com/watch?v=3Wdz9yg_65Q&t=9s

Powyższy artykuł powstał przy współpracy z firmą NIBE-BIAWAR Sp. z o.o. – producentem pomp ciepła oraz ekologicznych rozwiązań instalacyjnych w branży grzewczej.

mgr inż. Damian Czernik – projektant instalacji sanitarnych

Rysunki: zbiory autora

Zdjęcie główne: www.nibe.pl

Zdjęcia we wpisie: www.nibe.pl