Jak dobrać powietrzną pompą ciepła dla nowego budynku? Obliczenia

Odpowiedni dobór pompy ciepła pozwoli na jej efektywną pracę. W tym celu należy zwrócić uwagę na parametry urządzeń, efektywność pracy (zwłaszcza w niskich temperaturach) i związaną z tym moc grzewczą oraz przeprowadzić odpowiednie obliczenia, uwzględniające choćby moc cieplną budynku.

Spis treści

1. Od czego zaczynamy dobór pompy ciepła?
2. Dobór pompy ciepła dla budynków nowo wznoszonych - obliczenia
3. Co brać pod uwagę przy doborze pompy ciepła
4. Dobór pompy ciepła - split czy monoblok?

Od czego zaczynamy dobór pompy ciepła?

Dobór powietrznej pompy ciepła zaczynamy od zrozumienia zasad jej działania. Pompa ciepła jest urządzeniem grzewczym, które ma za zadanie utrzymać komfortowe warunki cieplne w mieszkaniu. Spadek temperatury zewnętrznej sprawia, że budynek traci więcej ciepła przez przegrody, a dla zachowania odpowiednich warunków wewnątrz konieczne jest doprowadzenie adekwatnie większej ilości energii. Sterowanie tym procesem odbywa się poprzez zmianę temperatury wody zasilającej instalację grzewczą – im niższa temperatura zewnętrzna, tym wyższa temperatura zasilania instalacji grzewczej i tym więcej ciepła zostaje doprowadzone do budynku (dla zniwelowania strat ciepła przez przegrody).

Pompa ciepła typu powietrze-woda korzysta z energii zgromadzonej w powietrzu zewnętrznym, przy czym im bardziej spada jego temperatura, tym trudniej jest ją pozyskać, a jednocześnie budynek generuje większe straty. Układ chłodniczy, dzięki pracy sprężarki, pozwala na przeniesienie energii odebranej w procesie parowania w wymienniku ciepła umieszczonym w jednostce zewnętrznej pompy ciepła na wyższy poziom temperaturowy, aby możliwe było odprowadzenie energii do instalacji grzewczej w procesie skraplania w wymienniku płytowym jednostki wewnętrznej.

Na ilość energii pozyskiwanej ze środowiska i oddawanej do instalacji wpływ mają warunki temperaturowe po obu stronach instalacji. Spadek temperatury powietrza zasysanego na parownik oddziałuje przede wszystkim na mniejszą ilość pozyskiwanej energii, a więc powoduje spadek mocy chłodniczej i w konsekwencji również – mocy grzewczej pompy ciepła. Wzrost temperatury instalacji grzewczej wpływa z kolei głównie na wzrost ciśnienia po stronie tłoczenia, przyczyniając się do wzrostu energii pobieranej przez silnik sprężarki, a tym samym do spadku efektywności pompy ciepła i wyższych kosztów pracy. Dlatego tak istotne jest, aby zwracać uwagę na efektywność pracy pompy ciepła w niskich temperaturach powietrza zewnętrznego i dyspozycyjną moc grzewczą w warunkach pracy rozpatrywanej instalacji grzewczej.

W przypadku doboru pompy ciepła typu powietrze-woda należy mieć na uwadze, że w odróżnieniu od kotła jej moc maksymalna będzie zmienna i w danej chwili będzie wynikała z czynników zewnętrznych. Analizując przebieg mocy grzewczej tego urządzenia, wyraźnie widać, że jej spadek następuje wraz z obniżeniem temperatury powietrza zasysanego na parownik (pobieranego z zewnątrz) oraz wraz ze wzrostem temperatury zasilania. Moc chwilowa budynku z kolei wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej rośnie, osiągając w punkcie obliczeniowej temperatury zewnętrznej punkt obliczeniowej mocy grzewczej.

Dla Koszalina, będącego w I strefie klimatycznej, będzie to wartość temperatury –16°C, Poznania –18°C, Krakowa –20°C, Białegostoku –22°C, zaś dla znajdujących się w V strefie Suwałk –24°C.

Oszacowana obliczeniowa moc grzewcza budynku musi zostać zapewniona przez dobrane urządzenie grzewcze. Jeżeli rozpatrujemy pompy ciepła typu powietrze-woda, spełnienie powyższego warunku oznaczałoby wybór urządzenia dysponującego w tych obliczeniowych temperaturach zewnętrznych mocą grzewczą równą mocy grzewczej obliczeniowej danego budynku. Taki dobór można przeprowadzić dla kotła paliwowego lub pompy ciepła bazującej na stabilnym źródle ciepła, którego temperatura jest niezależna od tej panującej na zewnątrz, np. typu solanka-woda z odwiertami czy poziomym kolektorem gruntowym.

• Więcej o trybach pracy pompy ciepła znajdziesz w artykule: Jak działa pompa ciepła powietrze-woda?

Na powyższym wykresie przedstawiono model pompy ciepła o mocy grzewczej 6 kW (zgodnie z informacją producenta), którą osiąga w wielu punktach pracy. Jest to jedynie oznaczenie urządzenia w szeregu maszyn tego typu, a nie wartość istotna z punktu widzenia doboru. Innymi słowy, oznaczenie przez producenta nie wskazuje punktu mocy właściwego dla rozpatrywanego przypadku. W celu prawidłowego doboru pompy ciepła konieczne jest przeprowadzenie symulacji dla kilku modeli pompy ciepła o różnych przebiegach mocy, znając nie tylko ich moc znamionową, lecz także zakres modulacji, ponieważ będzie on miał wpływ na ewentualny dobór elementów dodatkowych, takich jak zbiornik buforowy.

• Więcej informacji na temat zbiorników buforowych w artykule: Bufor do pompy ciepła - jakie pełni funkcje?

Dobór pompy ciepła dla budynków nowo wznoszonych - obliczenia

Podstawową informacją pozwalającą na przeprowadzenie doboru pompy ciepła powietrze-woda jest moc obliczeniowa budynku określona w projekcie lub odczytana z charakterystyki energetycznej obiektu.

Oznacza się ją współczynnikiem strat mocy cieplnej przez przenikanie przez przegrody zewnętrzne i wentylację i wyraża w W/K. Wartość mocy obliczeniowej jest punktem początkowym linii określającej przebieg zmiany zapotrzebowania mocy budynku i odpowiada obliczeniowej temperaturze zewnętrznej dla rozpatrywanej strefy klimatycznej. Punktem końcowym jest wartość „zerowa” zapotrzebowania mocy budynku, czyli brak potrzeby doprowadzania do niego energii cieplnej w celu utrzymania w nim komfortowych warunków.

W nowych obiektach wartość ta odpowiada temperaturze zewnętrznej na poziomie 12°C. Powyżej niej zyski własne budynku (wewnętrzne i zewnętrzne) pozwalają na utrzymanie wymaganej temperatury wewnętrznej.

Wartości współczynników strat mocy cieplnej przez przenikanie przez przegrody zewnętrzne i wentylację dla przykładowego projektu domu Alison III G2 Energo Plus firmy Archipelag wynoszą w sumie 158,57 W/K. Oszacowana na tej podstawie moc obliczeniowa budynku dla III strefy klimatycznej wynosi 6,34 kW (projektowa strata ciepła obliczona przez projektanta na podstawie normy PN-EN 12831 dla tego obiektu wynosi 6,26 kW). Obiekt spełnia standardy WT 2021.

Nakreślenie linii przebiegu mocy grzewczej budynku przecina się z liniami zmiany mocy pompy ciepła dla różnych parametrów zasilania instalacji grzewczych, a punkt przecięcia wyznacza temperaturę zewnętrzną, określaną mianem punktu biwalentnego. Jest to wartość temperatury zewnętrznej, poniżej której moc grzewcza pompy ciepła staje się niewystarczająca do pokrycia potrzeb budynku i wymaga dodatkowego źródła ciepła, tzw. szczytowego.

W przypadku nowego obiektu, w zdecydowanej większości przypadków, montaż kotła paliwowego jako szczytowego źródła ciepła nie ma uzasadnienia. Gaz ziemny oznacza bowiem regularny abonament za dyspozycyjność paliwa, nawet gdy nie będzie zużywane, gaz płynny czy olej opałowy wymagają natomiast miejsca na magazyn paliwa. Dodatkowo każdy kocioł, niezależnie od spalanego paliwa, wymusza wygospodarowanie pomieszczenia spełniającego określone warunki, a także montaż systemu odprowadzenia spalin.

Drugim źródłem ciepła w nowym budynku jest grzałka elektryczna, najczęściej w formie elementu przepływowego, montowana wewnątrz pompy ciepła. Może być ona używana do wspomagania pracy urządzenia na potrzeby c.o. i c.w.u., a jej fizyczne położenie wewnątrz pompy ciepła sprawia, że uzupełnia ona jedynie brakującą temperaturę wody grzewczej. Z energetycznego punktu widzenia poprawnie dobrana pompa ciepła powinna być w stanie samodzielnie pokryć potrzeby cieplne budynku do temperatur powietrza zewnętrznego na poziomie od –7 do –14°C. Poszukiwana jest zatem taka, której charakterystyka mocy grzewczej i linia przebiegu mocy budynku wyznaczą punkt biwalentny zawierający się w tym zakresie. Poniżej temperatury punktu biwalentnego wymagane będzie uzupełnienie brakującej mocy grzewczej dodatkowym źródłem ciepła.

Dla analizowanych powyżej pomp ciepła punkty biwalentne wypadają w interesującym obszarze doborowym i powodują, że dodatkowe źródło ciepła używane będzie sporadycznie – podczas występowania silnych mrozów.

Może zainteresuje Cię także:

• Montaż pompy ciepła powietrze-woda
• Pompa ciepła w starym domu z grzejnikami - czy to działa?
• Ceny pomp ciepła w 2022 coraz wyższe. Polacy masowo wykupują urządzenia! Terminy montażu odległe
• 4 obowiązkowe kontrole przy serwisie pompy ciepła
• Dlaczego pompy ciepła się psują?
• Gdzie zamontować pompę ciepła?

Urządzenia spełniające temperaturę biwalentną są w zasadzie dwa, jednak do dalszej analizy uwzględniono również model pompy ciepła, której punkt biwalentny dla rozpatrywanego budynku wynosi –17°C. Podyktowane jest to niższą ceną inwestycyjną, a ta nierzadko może okazać się bardzo istotnym argumentem przemawiającym za zastosowaniem tej technologii w zestawieniu z tańszym kotłem.

Istotne z punktu widzenia poprawności doboru pompy ciepła jest spełnienie warunku dysponowania mocą grzewczą co najmniej równą mocy obliczeniowej budynku dla obliczeniowej temperatury zewnętrznej (6,26 kW dla –20°C). Żadna z wybranych pomp ciepła nie realizuje tego warunku samodzielnie, lecz wspólnie z grzałką elektryczną i w trybie monoenergetycznym będzie w stanie dostarczyć wymaganą moc. Większość oferowanych na rynku pomp ciepła powietrze-woda ma zintegrowane grzałki elektryczne, ale ich moc jest bardzo różna i wynosi od 3 do 9 kW. Są one również często uruchamiane stopniowo przez regulatory, aby precyzyjnie uzupełnić tylko brakującą moc.

Przy doborze pompy ciepła bardzo istotne jest także zapewnienie właściwych warunków pracy po stronie instalacji grzewczej. Im wyższe będą jej temperatury zasilania, tym większy będzie udział energii elektrycznej zużywanej przez sprężarkę, a co za tym idzie – wyższe koszty ogrzewania.

Wraz ze wzrostem temperatury zasilania spada również moc grzewcza pompy ciepła, a punkt biwalentny przesuwa się w kierunku wyższych temperatur zewnętrznych.

Najlepszym typem instalacji dla pomp ciepła jest niskotemperaturowa, pracująca z dużą bezwładnością, np. system ogrzewania podłogowego. Grzejniki dopuszcza się do współpracy z pompą ciepła, jednak trzeba zwrócić uwagę, aby temperatury obliczeniowe zasilania nie przekraczały wartości możliwych do osiągnięcia przez dane urządzenie. Obecnie większość modeli nie ma problemu z uzyskaniem temperatury zasilania 55, 60 czy nawet 70°C, jednak zalecany układ powinien zostać przeliczony na parametry 55/45°C. Uzyskuje się wtedy kompromis pomiędzy wielkością grzejnika a ekonomią pracy instalacji. Szczególnie pompy ciepła pracujące na czynniku R32 charakteryzują się wyraźnym spadkiem mocy wraz ze wzrostem temperatury zasilania.

Z uwagi na małą bezwładność instalacji z grzejnikami konieczne będzie uzupełnienie układu o zbiornik buforowy wody grzewczej, separujący hydraulicznie pompę ciepła oraz instalację grzejnikową. Należy zwrócić uwagę, aby pełnił on rolę bufora wody grzewczej, opomiarowanego czujnikiem, a nie jedynie sprzęgła hydraulicznego.

Przepływ po stronie pierwotnej (pompa ciepła – bufor) powinien być większy niż po stronie wtórnej (bufor – instalacja). W przeciwnym wypadku pompa ciepła będzie mieć dużą liczbę włączeń.

Co brać pod uwagę przy doborze pompy ciepła

Poniżej kilka istotnych wskazówek, które ułatwią stworzenie rankingu modeli pomp ciepla:

• montaż, uruchomienie i serwis – doświadczona ekipa monterska to klucz do sukcesu. Uruchomienie można powierzyć firmie, która ma stosowne uprawnienia, lub zlecić serwisowi fabrycznemu (zwykle bezpłatnie). Istotnym aspektem jest również możliwość korzystania z usług wykwalifikowanego serwisu, znajdującego się w pobliżu inwestycji. Każda maszyna jest mniej lub bardziej zawodna, ważne, aby szybko przywrócić ją do pracy;
• zintegrowane komponenty – istotna jest cena wyposażenia dodatkowego, kompaktowość rozwiązania, a także estetyczne wykonanie instalacji wewnętrznej. Zintegrowany w jednostce wewnętrznej zawór 3-drogowy do przełączania c.o./c.w.u. nie jest standardowym rozwiązaniem, tak samo zresztą jak naczynie przeponowe. Warto zwrócić uwagę na przewód ogrzewania wanny kondensatu jednostki zewnętrznej, a także na przewody komunikacyjne pomiędzy jednostkami – czy znajdują się w standardzie, czy trzeba je dokupić;
• generowany hałas – to często poruszany temat, ponieważ ważny jest zarówno dla inwestora, jak i jego sąsiadów. Należy zwracać uwagę na parametr opisany jako moc akustyczna, gdyż przedstawia rzeczywistą siłę dźwięku. Trzeba sprawdzić maksymalne wartości tego parametru podczas pracy w dzień oraz w trybie obniżenia hałasu w nocy – o ile pompa ciepła ma taką funkcję. Dopuszczalny poziomu hałasu w dzień i w nocy określony jest w rozporządzeniu Ministra Środowiska;
• budowa kompaktowa – jednostka wewnętrzna pompy ciepła wyposażona w zbiornik wody użytkowej. Redukuje ona potrzebną ilość miejsca i zapewnia bezbłędną pracę. Cena jest zazwyczaj wyższa niż modeli wiszących z zewnętrznym zbiornikiem wody użytkowej, ale niekiedy powierzchnia zabudowy jest kluczowa;
• możliwości sterowania – należy ocenić, czy automatyka pozwala na sterowanie rozpatrywanej instalacji grzewczej, zbiornika ciepłej wody, pompy za buforem czy pompy cyrkulacyjnej wody użytkowej. Obsługa instalacji za pomocą aplikacji na smartfony jest dzisiaj standardem. Warto zapoznać się z opiniami użytkowników na jej temat, sprawdzić ranking, a nawet wypróbować wersję demonstracyjną;
• efektywność – należy szukać produktów z kompletnymi danymi technicznymi, ze wskazaniem wyników pracy dla różnych temperatur oraz certyfikatami potwierdzającymi spełnienie deklarowanych parametrów, np. EHPA Q czy HP-Keymark;
• design – pompa ciepła jest wprawdzie tylko urządzeniem technicznym, ale od pewnego czasu wiele firm zwraca uwagę na aspekt estetyczny, odpowiadając tym samym na potrzeby rynku.

Dobór pompy ciepła - split czy monoblok?

Pierwsze modele pomp ciepła typu powietrze-woda to urządzenia monoblokowe, które pod jedną obudową skrywały kompletny układ chłodniczy i komponenty do dystrybucji ciepła. Były to maszyny pokaźnych rozmiarów, przeznaczone do montażu wewnątrz lub na zewnątrz budynku.

Kilka lat temu na rynku pojawiły się urządzenia typu split, oferowane początkowo przez azjatyckich producentów, mających doświadczenie w dziedzinie klimatyzacji. Odpowiednio zoptymalizowany układ chłodniczy i bardziej zaawansowana automatyka umożliwiły wykorzystanie tej technologii do celów grzewczych i oferowanie urządzeń w atrakcyjniejszej cenie. Rozwiązania tego typu szybko zyskały na popularności i obecnie stanowią większość sprzedawanych pomp ciepła na rynku polskim.

Pompa ciepła typu split składa się z dwóch jednostek – wewnętrznej, zawierającej skraplacz – wymiennik ciepła układu chłodniczego, komponenty do dystrybucji ciepła w budynku i regulator, oraz zewnętrznej, w której znajdują się pozostałe elementy układu chłodniczego – parownik, wentylator, zawór rozprężny i sprężarka. Obie jednostki łączy się ze sobą przewodami z miedzi chłodniczej, którymi podczas pracy krąży czynnik roboczy.

Taka budowa zmusza do zwracania uwagi na odległość pomiędzy jednostkami – musi ona zawierać się w zdefiniowanym przez producenta przedziale, najczęściej od 3 do 30 m. Nie ma jednak ryzyka zamarznięcia przewodów w przypadku długotrwałego zaniku napięcia.

Modele typu monoblok nowej generacji bazują na produktach serii split, lecz układ chłodniczy zamknięty jest w całości w jednostce zewnętrznej, a wewnątrz budynku znajduje się tylko grupa do dystrybucji ciepła i regulator.

Jednostki wewnętrzną i zewnętrzną łączy się przewodami wodnymi, które trzeba dobrze zaizolować termicznie i zabezpieczyć przed zamarznięciem.

Układ można w całości zalać czynnikiem niezamarzającym lub zastosować zawory opróżniające i odcinające instalację wewnątrz budynku w przypadku długich przerw w zasilaniu energią elektryczną. Z punktu widzenia efektywności pracy oraz akustyki urządzenia są niemal identyczne.

Dla instalatora najistotniejszą różnicą podczas montażu urządzeń typu split i monoblok jest to, że w przypadku tych pierwszych wymagane są odpowiednie kwalifikacje i narzędzia. W pompach split pomiędzy jednostkami prowadzi się cienkie, preizolowane rury miedziane, a w typie monoblok kilkukrotnie większe, o znacznie lepszej izolacji, dodatkowo zabezpieczone zaworami opróżniającymi, zabezpieczającymi pompę ciepła przed uszkodzeniem w wyniku zamarzania wody.

Z punktu widzenia inwestora również jest różnica. Oba urządzenia zawierają czynnik roboczy, który niekiedy wymaga rejestracji urządzenia w Centralnym Rejestrze Operatorów (baza CRO) i wykonywania regularnych kontroli szczelności. Rzecz jasna nie samodzielnie, lecz przez osobę wykwalifikowaną, zazwyczaj podczas corocznego przeglądu. Kryterium do rejestracji urządzenia jest zastosowany czynnik roboczy, napełnienie nim pompy ciepła i jego wpływ na efekt cieplarniany. Zazwyczaj w przypadku rozwiązań przeznaczonych do zastosowań w domach jednorodzinnych, pompy split małej mocy (<10 kw) nie będą wymagać rejestracji w CRO, natomiast większe już tak.Modeli monoblok z kolei najczęściej nie trzeba rejestrować, najlepiej jednak zapytać instalatora o szczegóły.