Dobór pompy ciepła

PORADNIK DOBORU POWIETRZNYCH POMP CIEPŁA

ROZWÓJ RYNKU POMP CIEPŁA
Powietrzne pompy ciepła są coraz chętniej wybieranymi urządzeniami przez osoby poszukujące sposobów na tanie ogrzanie domu. Zyskują na popularności nie tylko w krajach gdzie rynek pomp ciepła jest wysoko rozwinięty już od dziesięcioleci, ale również w Polsce. Dzieję się tak głównie z następujących powodów:

• Dostęp do powietrza zewnętrznego jako źródła energii cieplnej jest łatwy i nieograniczony.
• Pozyskanie energii cieplnej z powietrza jest dużo tańsze niż np. z gruntu.
• Dynamiczny postęp technologiczny w ostatnich latach przyczynił się do znacznej poprawy efektywności pomp ciepła powietrze/woda.

W 2015 roku sprzedano w Polsce o blisko 70% więcej powietrznych pomp ciepła niż w roku 2014! Ten spektakularny wzrost potwierdza rosnące zaufanie klientów do urządzeń tego typu.

SPRAWNOŚĆ POWIETRZNYCH POMP CIEPŁA
Wydajność oraz sprawność pomp ciepła każdego typu zależy od różnicy temperatur między dolnym źródłem ciepła (grunt, powietrze zewnętrzne, woda gruntowa), a górnym źródłem ciepła (woda w instalacji grzewczej centralnego ogrzewania). Ponieważ zimą podczas wysokich mrozów ta różnica temperatur dla powietrznej pompy ciepła jest największa to jej wydajność i sprawność jest najmniejsza. W związku z tym wymaga ona w czasie wspomagania dodatkowym, tzw. szczytowym źródłem ciepła. Jest nim najczęściej grzałka elektryczna. Może być to również kocioł gazowy lub olejowy. Jednocześnie należy pamiętać, że z uwagi na duże wahania temperatury powietrza zewnętrznego w ciągu roku, a nawet jednej doby, wydajność pomp powietrznych jest najmniej stabilna ze wszystkich rodzajów pomp dostępnych na rynku.
W obliczu tych zależności funkcjonuje wiele mitów, które podważają zasadność stosowania powietrznych pomp ciepła. Jak się jednak okazuje rzeczywistość jest zgoła odmienna i chłodna analiza ekonomiczna wskazuje, że w wielu wypadkach wybór pompy ciepła powietrze/woda jest optymalny. Wspomniany wzrost sprawności tych urządzeń w ostatnich latach ma istotne znaczenie. Sezonowy współczynnik sprawności (SCOP) powietrznej pompy ciepła VIGOTHERM AERO 9 wynosi 3,88 w trybie ogrzewania. Dla porównania SCOP dla średniej klasy gruntowej pompy ciepła osiąga wartość z przedziału 4,4 – 4,7. Różnica nie jest wcale duża. Biorąc pod uwagę relatywnie niższe koszty instalacji pomp powietrznych w porównaniu do chociażby gruntowych pomp ciepła okazuje się, że często inwestycja w powietrzną pompę ciepła jest jak najbardziej racjonalna.

 

PUNKT BIWALENTNY
Punkt biwalentny – minimalna temperatura zewnętrzna, przy której pompa ciepła pokrywa całkowicie zapotrzebowanie na ciepło.

Maksymalne wykorzystanie potencjału powietrznej pompy ciepła zależy w zdecydowanej mierze od doświadczenia inżyniera, który dobiera urządzenie. Kluczowe jest właściwe wyznaczenie punktu biwalentnego. Punkt biwalentny będzie determinował bowiem udział źródła szczytowego (np. grzałki elektrycznej) w ogólnym czasie pracy systemu grzewczego. Punkt biwalentny to temperatura powietrza zewnętrznego poniżej której wraz z pompą ciepła będzie pracować dodatkowe źródło ciepła. Jego wyznaczenie opiera się na identyfikacji strefy klimatycznej, w której zlokalizowana jest dana miejscowość oraz na analizie następujących informacji:

• danych meteorologicznych pochodzących z najbliższej stacji meteo;
• krzywej mocy grzewczej pompy ciepła;
• krzywej zapotrzebowania na ciepło budynku;

Najlepiej prześledzić taką analizę na przykładzie. Załóżmy więc:

1. Rozpatrywany dom jednorodzinny znajduje się w Toruniu.
2. Powierzchnia grzewcza budynku wynosi 180 m2.
3. Poziom zapotrzebowania na ciepło to 8,0 kW.
4. Wewnętrzna instalacja grzewcza: wyłącznie ogrzewanie podłogowe z temperaturą zasilania +35°C.

W pierwszym kroku określamy w której z stref klimatycznych Polski położony jest Toruń. Polska jest podzielona na 5 stref klimatycznych. Są one dość mocno zróżnicowane. Wystarczy zauważyć, że normatywna obliczeniowa temperatura zewnętrzna w pierwszej strefie wynosi -16°C, a w piątej -24°C. Dla każdej z stref klimatycznych został określony przedział wartości temperatur dla punktu biwalentnego.

Z mapy możemy odczytać, że Toruń jest położony w III strefie klimatycznej. Dla III strefy klimatycznej normatywna, obliczeniowa temperatura zewnętrzna wynosi -20°C. Oznacza to, że wyznaczając obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną budynku (np. domu jednorodzinnego) otrzymujemy informację jaką ilość ciepła należy dostarczyć do niego dla temperatury powietrza zewnętrznego -20°C oraz dla ustalonych temperatur powietrza pomieszczeń.

Załóżmy, że dla naszego domu o powierzchni 180 m2 zapotrzebowanie na moc cieplną wynosi 8 000 W. Jeżeli jest to nowo budowany dom to możemy założyć, że przy temperaturze zewnętrznej +15°C nie będzie on już wymagał ogrzewania. Tak więc:

• przy temperaturze zewnętrznej -20°C obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną wynosi 8 000 W;
• przy temperaturze zewnętrznej +15°C obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną wynosi 0 W;

Upraszczając można przyjąć, że krzywa zapotrzebowania na moc cieplną w zależności od temperatury zewnętrznej wygląda następująco:

 

W kolejnym kroku na wykres trzeba nałożyć krzywą mocy grzewczej pompy ciepła. Powinna ona przeciąć krzywą zapotrzebowania na moc cieplną w punkcie odpowiadającym temperaturze punktu biwalentnego dla danej strefy klimatycznej.

Punkt biwalentny został wyznaczony dla temperatury zewnętrznej -7°C. Poniżej tej wartości temperatury pompa ciepła nie jest w stanie samodzielnie dostarczyć wystarczającej ilości ciepła aby ogrzać dom. Wymaga równoległego wspomagania dodatkowym źródłem ciepła. Niedobór mocy grzewczej pompy ciepła dla temperatury zewnętrznej -20°C wynosi 4,64 kW.

Dobrana pompa ciepła to VIGOTHERM AERO 7.

KOSZTY OGRZEWANIA POWIETRZNĄ POMPĄ CIEPŁA

Rolę źródła szczytowego pełni najczęściej grzałka elektryczna. W tym przypadku możemy przyjąć dla uproszczenia, że średnio grzałka elektryczna musi dostarczyć 4,5 kW mocy grzewczej na każdą godzinę pracy (w pompach ciepła VIGOTHERM AERO grzałka I stopnia ma moc grzewczą 3 kW, a grzałka drugiego stopnia 6 kW). Z danych statystycznych dla stacji meteorologicznej Toruń wynika, że średnio w roku występują 134 godziny z temperaturą zewnętrzną poniżej -7°C. Oznacza to że udział grzałki elektrycznej w ogólnej ilości dostarczanej energii cieplnej przez system grzewczy wynosi zaledwie 603 kWh (4,5 kW x 134 h = 603 kWh). Przy średniej cenie 0,51 zł za 1 kWh prądu elektrycznego dla licznika dwutaryfowego otrzymujemy roczny koszt użytkowania grzałki elektrycznej na poziomie zaledwie 307,53 zł.

Całkowite roczne koszty ogrzewania domu o powierzchni 180 m² powietrzną pompą ciepła AERO 7 wynoszą jedynie 2 331,38 zł. Uwzględniono zużycie prądu przez sprężarkę pompy ciepła oraz grzałkę elektryczną.

Rodzaj paliwa	przyjęta wartość opałowa paliwa	cena za jednostkę dostawczą [PLN]	jedn.	średnia sprawność układu [%]	sezonowe zużycie paliwa na cele c.o.	roczny koszt zużytej energii na cele c.o., [PLN]
Pompa ciepła – licznik dwutaryfowy	3600kWh	0,51	kWh	388	3968	2023,85
Grzałka elektr. Z pompą ciepła	3600kWh	0,51	kWh	100	603	307,53
Pompa ciepła razem z grzałką elektryczną						2331,38