Jaką pompę ciepła typu powietrze/woda wybrać? Poznaj tryby pracy pomp ciepła

Jaki tryb w jakich warunkach jest optymalny? To postaramy się przedyskutować w niniejszym artykule.

Jakie są tryby pracy pompy ciepła

Pompa ciepła może stanowić jedyne źródło ciepła w budynku lub też współpracować z innym kotłem szczytowym. W zależności od rodzaju współpracy rozróżnia się 4 tryby eksploatacji pompy ciepła [7][11]:

• Tryb monowalentny - Oznacza, że pompa ciepła pokrywa w 100% zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynku. Nie jest więc potrzebne żadne inne urządzenie grzewcze. W taki sposób pracują zazwyczaj pompy ciepła typu grunt/woda (woda/woda) w nowych budynkach o wysokim standardzie energetycznym. W przypadku pompy powietrze/woda rozwiązanie takie jest trudne do realizacji, ze względu na duże zmniejszenie mocy grzewczej pompy w okresie mrozów. Wymaga to przewymiarowania pompy ciepłą czego są potencjalne konsekwencje o których opisaliśmy w innym artykule na tym blogu.

• Tryb monoenergetyczny - Jeżeli chcemy pozostać przy samej pompie ciepła typu powietrze/woda z możliwością wsparcia na poziomie 10%, decydujemy się na tzw. tryb monoenergetyczny, w którym pompa wspierana jest przez wbudowaną grzałkę (podgrzewacz przepływowy) bądź osobny kocioł elektryczny. Rozwiązanie takie jest efektywne, gdy pompa pokrywa przynajmniej ok. 90% rocznego zapotrzebowania na ciepło.

• Tryb biwaletny alternatywny - To tryb pracy, który ma zastosowanie w sytuacji kiedy sprawność pompy ciepła w niskich temperaturach wyraźnie spada. Zostaje ona zastąpiona przez inne, efektywniejsze w takiej sytuacji źródło ciepła. O pracy w tym trybie mówimy zwykle w przypadku wspomagania pompy ciepła kotłem gazowym, olejowym lub zasilanym paliwem stałym. W takiej sytuacji, pompa pokrywa zwykle od 60 do 80% rocznego zapotrzebowania na ciepło. Taki system jest najbardziej wskazany, gdy nieopłacalne jest likwidacja istniejącego źródła ciepłą podczas modernizacji ogrzewania. Dokładamy do niego pompę ciepła. Istniejący kocioł grzewczy nie jest nowoczesny, ale gwarantuje jeszcze wieloletnią pacę. Nie jest możliwa w takim układzie ich wspólna (równoległa) praca bo nie możemy ich „skomunikować”. Po prostu w pewnym momencie (niskie temp. na zewnątrz.) jedno urządzenie (pompa ciepła) jest wyłączane i duże obciążenie grzewcze przejmuje klasyczny kocioł grzewczy.

• Tryb biwaletny równoległy – To tryb pracy, który ma zastosowanie w sytuacji wsparcia pompy ciepła przez urządzenie grzewcze „elastycznie” dostosowujące moc grzewczą do potrzeb, np. przez gazowy kocioł kondensacyjny. W tym trybie od określonej temperatury zewnętrznej oba urządzenia pracują równolegle, przy czym im niższa temperatura, tym udział kotła szczytowego jest większy (sięga on 100%, kiedy koszty energii cieplnej z pompy przekraczają koszty ciepła pozyskiwanego z kotła). Musimy sobie zdawać jednak sprawę, że taki system ma swoje wymagania. Jeżeli pompa ciepła ma sterować/współpracować („porozumiewać się”) z drugim urządzeniem, obydwa muszą posiadać systemy umożliwiające wspólną pracę. Konieczne jest, że oba urządzenia posiadają kompatybilne sterowniki, które można skomunikować aby elastycznie regulować moc jednego i drugiego [8][11][12].

Rys.1. Tryby pracy pompy ciepła [6]

Poniżej punktu biwalencyjnego może być zatem realizowany w zależności od wyposażenia naszej kotłowni 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. Odpowiednia konfiguracja regulatora nadzorującego jego załączanie i wyłączanie umożliwi całoroczną i jednocześnie ekonomiczną pracę urządzenia, niezależnie od warunków na zewnątrz. Najczęściej wykorzystywanym wspomaganiem systemu jest zastosowanie grzałki elektrycznej. Alternatywnym rozwiązaniem może być też wykorzystanie istniejącego już kotła olejowego czy gazowego, a nawet kominka z płaszczem wodnym [1][2][3][4].

Jakie kryteria uwzględnić przy doborze mocy pompy ciepła w określonym trybie pracy?

Tryb monowalentny - Ten tryb pracy jest odpowiedni dla wszystkich niskotemperaturowych systemów grzewczych o maksymalnej temperaturze zasilania 55°C. Zaprojektowanie systemu grzewczego w układzie monowalentnym opartym na pracy pompy ciepła typu powietrze/woda musi charakteryzować się bardzo wysoką wydajnością, co niestety wiąże się z wysokimi kosztami, zarówno samego urządzenia, jak i instalacji. Warto sobie z tego zdawać sprawę, że tego typu systemy wykorzystuje się głównie w nowych, bardzo dobrze zaizolowanych budynkach.

Rys.2. Rozwiązanie powietrznej pompy ciepła firmy Mitsubishi Zubadan Inverter z modułem wewnętrznym z wbudowanym zasobnikiem CWU dla układów monowalentnych oraz monoenergetycznych: 1 - Urządzenie zewnętrzne, 2 – Moduł wewnętrzny z wbudowanym zasobnikiem CWU, 3 – Bufor, 4 - Termostat pomieszczeniowy [10]

Systemu monowalentnego nie możemy zastosować wszędzie. Jego poprawne działanie i możliwość zastosowania wynikają z obliczeń zapotrzebowania cieplnego obiektu (audyt energetyczny). Większe możliwości daje układ dwóch połączonych systemów – najlepiej pompy ciepła i grzałki lub kotła elektrycznego (równoległy monoenergetyczny system biwalentny).

Tryb monoenergetyczny - Dla tych, którzy chcą wyraźnego komfortu cieplnego przez cały rok, zostały zaprojektowane systemy monoenergetyczne. Ta opcja oznacza, że pompa ciepła pracuje w połączeniu z inną technologią, której efektywność nie jest zależna od temperatur panujących na zewnątrz. Pompa ciepła w tym układzie najczęściej współpracuje standardowo z grzałką elektryczną, służącą do pokrycia szczytowego zapotrzebowania na ciepło. Grzałkę elektryczną montuje się wtedy na zasilaniu instalacji wykorzystującej ciepło, a włącza ją w razie potrzeby regulator. Udział zapotrzebowania na ciepło pokrywany przez grzałkę elektryczną nie powinien w skali roku przekraczać 10-15%. Jeśli pompa ciepła nie posiada opcji wbudowania grzałki lub też należy przewidzieć większą moc grzewczą elektrycznego źródła ciepła, zastosowanie może mieć podgrzewacz przepływowy (kocioł elektryczny) [4][5][6][7].

W niskich temperaturach zewnętrznych, przy zwiększonych potrzebach cieplnych, pracuje zarówno pompa ciepła, jak i dodatkowe źródło ciepła. Taki wariant zastosowania pompy ciepła, pozwala zmniejszyć koszty inwestycji poprzez zastosowanie mniejszej (i tańszej) pompy ciepła oraz mniejszego rozmiaru dolnego źródła ciepła. Biorąc pod uwagę, że okresy silnych mrozów trwają w Polsce najczęściej jedynie od jednego do kilku tygodni w roku, w przeliczeniu na ten okres nie odczujemy mocno krótkotrwałego ogrzewania drogim prądem. W zamian uzyskamy znacznie lepszy współczynnik COP i tańsze wykorzystanie pompy ciepła w pozostałej części roku [6][7][8].

Tryb biwaletny alternatywny – W tym układzie do pokrycia zapotrzebowania na ciepło zainstalowane jest oprócz pompy ciepła, dodatkowe źródło ciepła wykorzystujące inny nośniki energii. Najczęściej jest to kocioł grzewczy. Wtedy pompa ciepła pracuje tylko do tak zwanej temperatury biwalentnej (temperatura zewnętrzna, nastawiana w °C), aby w przypadku pojawienia się niższych temperatur zewnętrznych przekazać zadanie dostarczania ciepła drugiego źródła ciepła (np. kocioł grzewczy, gazowy lub olejowy).

Ten sposób pracy znajduje często zastosowanie w instalacjach wykorzystujących ciepło przy wysokich temperaturach zasilania. Pompa ciepła w tym przypadku potrafi pokryć 60–80% rocznego zapotrzebowania na ciepło (w warunkach klimatycznych Europy Środkowej). W układzie biwalentnym alternatywnym, stosuje się na przykład pompę ciepła dla modernizacji istniejącego systemu grzewczego z kotłem na paliwo stałe. Źródło ciepła o dużej mocy grzewczej i wysokiej temperaturze zasilania, może zastępować pracę pompy ciepła przy wysokim potrzebach cieplnych i w szczególności przy tradycyjnej grzejnikowej instalacji ogrzewania, z wymaganymi podwyższonymi temperaturami roboczymi.

Współczesne pompy ciepła powietrze-woda łatwo mogą zastąpić stary kocioł grzewczy lub bez problemu można je dołączyć do obecnego kotła, bez konieczności przerabiania istniejącej już instalacji grzewczej. Decyzja będzie zależeć w tym przypadku od projektanta i inwestora. Przykładowe rozwiązanie połączenia kotła gazowego/olejowego z pompą ciepła pokazano na rysunku poniżej [6][7][8][9][11].

Rys.3. Przykładowe rozwiązanie rozbudowy istniejącej instalacji o pompę ciepła w układzie biwalentnym równoległym: 1 - Pompa ciepła typu Split z jednostką wewnętrzną i zewnętrzną, 2 - Podgrzewacz c.w.u., 3 - Kocioł gazowy/olejowy, 4 - Zasobnik buforowy wody grzewczej [11]

Tryb biwaletny równoległy - Ten sposób pracy uwarunkowany jest założeniem, że pompa ciepła potrafi pracować nawet przy najniższych temperaturach zewnętrznych. Tego rodzaju układ można stosować, gdy dodatkowe źródło ciepła cechuje się dobrą regulacyjnością mocy grzewczej, a więc przede wszystkim dla kotłów gazowych o małej bezwładności cieplnej i zazwyczaj płynnej regulacji mocy palnika w szerokim zakresie [8].

To ciekawa opcja w sytuacji, gdy mamy już dostęp do takiej instalacji. Po co wyrzucać piec gazowy czy wysokiej klasy kocioł węglowy, skoro mogą się okazać użyteczne? Oczywiście rozwiązanie ma sens ekonomiczny jedynie wtedy, gdy uzyski na wyższym COP pompy są wyższe niż koszt dokupionego paliwa [7][8][11].

A może układ hybrydowy?

W ofercie producentów pomp ciepła spotkamy różne rozwiązania tzw. hybrydowych pomp ciepła typu powietrze/woda. Hybrydowe systemy ogrzewania łączą w jednym układzie dwa urządzenia z możliwością ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Dzięki automatyce jest wykorzystywane to źródło energii, które w danym momencie będzie pracowało najefektywniej. Hybrydowa pompa ciepła jest połączeniem pompy powietrze-woda, a więc wykorzystującej energię odnawialną, oraz kotła kondensacyjnego, w którym paliwem jest gaz.

Przykładem hybrydowej pompy ciepła jest model Daikin Altherma Hybrydowa pompa ciepła, składający się z dwóch podzespołów: jednostki zewnętrznej pompy ciepła powietrze-woda oraz jednostki wewnętrznej, która jest połączeniem pompy ciepła i kotła gazowego kondensacyjnego [3][4][12].

Rys.4. Przykładowe rozwiązanie hybrydowej pompy ciepła - model Daikin Altherma [12]

Jaką pompę ciepła wybrać?

Mając do wyboru 4 rodzaje funkcjonowania pompy ciepła, można dobrać odpowiedni do specyfiki budynku system. W tym celu konieczne jest skonsultowanie doboru ze specjalistyczną firmą, która będzie mogła wskazać dla konkretnego obiektu (jego parametrów) i oczekiwań inwestora, korzyści i ewentualne ograniczenia wynikające z poszczególnych rozwiązań.

Pompa ciepła powietrze-woda jest jednym ze sposobów na modernizację starej instalacji grzewczej lub rozbudowę kilkuletniej. O tym czy pompa ciepła będzie właściwym rozwiązaniem zadecyduje szczegółowa analiza ekonomiczna wykonana indywidualnie dla każdego budynku. Coraz niższe ceny pomp ciepła i coraz częściej uruchamiane programy dotujące tego rodzaju inwestycje sprawiają, że pompa ciepła może być godną uwagi alternatywą dla tradycyjnych rozwiązań.

Wybór właściwego rozwiązania ogrzewania domu jest bardzo istotny, bowiem źle dobrany układ wygeneruje spore koszty eksploatacji, a uzyskanie dobrych parametrów cieplnych będzie utrudnione. Dlatego też optymalnym rozwiązaniem jest tańsza wersja układu biwalentnego z właściwym zastosowaniem obu systemów w np. pracy równoległej. Do wad należy zaliczyć wyższe koszty inwestycji z racji zakupu dwóch urządzeń grzewczych. Jednak koszty poniesione na takie urządzenia mogą zostać zrekompensowane z nawiązką przez montaż pompy ciepła o mniejszej mocy. Oczywiście pod warunkiem, że biwalentny system grzewczy zostanie zainstalowany w sposób prawidłowy. W innym wypadku koszty eksploatacyjne poniesione na ogrzewanie mogą być wyższe, niż pierwotnie zakładano.

Literatura

1. Rubik M.: Chłodnictwo Pompy ciepła. Wyd. I, Wydawnictwo Grupa MEDIUM, Warszawa 2020

2. Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 2009

3. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016

4. Mirowski A.: Podręcznik dobrych praktyk w zakresie doboru i wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz likwidacji niskiej emisji. Wydawnictwo ARL MIROWSKI. Kraków 2015

5. https://instalreporter.pl/ogolna/modernizacja-kotlowni-na-uklad-z-pompa-ciepla/

6. https://budujemydom.pl/instalacje/pompy-ciepla/a/20697-powietrzna-pompa-ciepla-zasada-dzialania

7. https://www.instalacjebudowlane.pl/11493-23-84-czy-powietrzna-pompa-ciepla-moze-zapewnic-samodzielne-ogrzewanie-przez-caly-rok.html

8. https://vaillant-partner.pl/abc-energii-odnawialnej/pompa-ciepla-samodzielnie-czy-z-kotlem-grzewczym/

9. https://globenergia.pl/systemy-grzewcze-monowalentne-monoenergetyczne-biwalentne/

10. https://mitsubishi-electric.teklim.com/obrazki/file/produkty/ECODAN.pdf

11. https://kotly.pl/modernizacja-instalacji-grzewczej-z-wykorzystaniem-powietrznej-pompy-ciepla/

12. https://www.daikin.pl/pl_pl/Porady-Daikin/Hybrydowa-pompa-ciepla.html