Jak dobrać moc pompy ciepła? Dlaczego tak ważny jest punkt biwalentny pompy ciepła?

Jak dobrać moc pompy ciepła? Dlaczego tak ważny jest punkt biwalentny pompy ciepła?

Przychodzi moment dla inwestora na wybór systemu grzewczego i wybieramy powietrzną pompę ciepła typu powietrze-woda. Ale jaka powinna być moc pompy ciepła do naszego domu? Dobór tej mocy to proste zadanie? Wystarczy znać zapotrzebowanie na ogrzanie naszego domu i c.w.u. i to wszystko? Chciałby się wybrać mądrze i rozsądnie. Cały problem z jej doborem polega na tym, że pompa ciepła tego typu to nie jest taki sam system jak kocioł grzewczy, czyli system klasyczny system monowalentny w którym jedno źródło ciepła zapewnia moc i ciepło dla naszego domu w 100%. Pompa ciepła, którą dobieramy to podczas eksploatacji system monoenergetyczny, biwalentny, równoległy. Mamy jeden nośnik energii w postaci źródła prądu z sieci oraz w sumie dwa źródła ciepła w postaci pompy ciepła wspieranej grzałką. Dodatkowo oba te źródła pracują różnie w zależności temp. zewnętrznej, ponieważ pompa ciepła wykorzystuje powietrze jako dolne źródło ciepła.

W budynkach optymalnie zaizolowanych (budynki nowe, domy niskoenergetyczne, domy pasywne) pompy ciepła typu powietrze/woda są w stanie w większości przypadków zrekompensować wszelkie straty ciepła przez cały sezon grzewczy. W takich przypadkach, gdy nie jest wymagane dodatkowe źródło ciepła, mówi się, że system pompy ciepła jest w konfiguracji monowalentnej (wyjaśnimy to zagadnienie szerzej w oddzielnym artykule tego bloga).

W przypadku jednak starszych budynków z minimalną (mniejszą izolacją cieplną), przy bardzo niskich temperaturach, pompy ciepła powietrze/woda wymagają dodatkowego źródła ciepła (Układ monowalentny po prostu może nie być opłacalny). Umówmy się, że takie warunki przeważają w polskich realiach. Gdy temperatura jest znacznie poniżej np. -15°C, pompy ciepła powietrze/woda najczęściej nie są w stanie dostarczyć samodzielnie wystarczającej ilości mocy grzewczej, aby pokryć całe potrzeby grzewcze takiego budynku. Wraz ze spadkiem temperatury otoczenia spada moc pompy ciepła powietrze/woda, a jednocześnie wzrastają wymagania grzewcze budynku. Im gorsza izolacja budynku, tym większe straty ciepła. Dlatego należy zapewnić dodatkowe źródło ogrzewania, aby zapewnić dodatkowe ogrzewanie w najzimniejszych okresach zimy. Aby zapewnić wymagane dodatkowe ciepło, można wykorzystać istniejący kocioł, okrągłą grzałkę elektryczną lub kominek [3][6][7][8].

Punkt biwalentny to moment w którym ze względu na spadek temperatury zewnętrznej zapotrzebowanie na moc grzewczą budynku przekracza moc wytwarzaną przez pompę ciepła. W tym momencie do pracy dołączona zostaje grzałka elektryczna lub alternatywne źródło ciepła. Dla powietrznych pomp ciepła punkt ten ustawia się najczęściej w okolicach -10°C do -15°C [5][6][7].

Jak określić punkt biwalentny?

W prawidłowym doborze powietrznej pompy ciepła podstawą jest określenie punktu biwalentnego. Punkt ten określa się na podstawie wykresu charakterystyki pracy pompy ciepła i jest to moment działania układu, przy którym konieczne będzie wspomaganie ogrzewania z innego źródła. Parametrem decydującym, kiedy uruchomione zostanie dodatkowe źródło ciepła jest temperatura zewnętrzna. Znając zapotrzebowanie na ciepło budynku i charakterystykę mocy grzewczej pompy ciepła można wyznaczyć właśnie tzw. punkt biwalentny, który jest graniczną temperaturą, do której pompa ciepła powietrzna pracuje samodzielnie. Poniżej temperatury tego punktu uruchamia się dodatkowe źródło ciepła. Zagadnienie to przedstawiono na rysunku poniżej [4][5].

Jak dobrać moc pompy ciepła? Dlaczego tak ważny jest punkt biwalentny pompy ciepła?Rys.1. Wyznaczenie punktu biwalencyjnego dla pompy ciepła powietrze/woda [2][3][4][5]

Poniżej punktu biwalencyjnego może być 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 typu powietrze-woda?

Optymalne dopasowanie urządzenia OZE do potrzeb i charakterystyki budynku to podstawa przy zakupie pompy ciepła. Po prostu nawet obiektywnie świetne urządzenie (wysokie wartości COP, SCOP itd.) nie będzie działać dobrze w bardzo niekorzystnych dla siebie warunkach. Dobór przy określonych warunkach albo będzie nie spełniał swoich zadań (za mała moc pompy ciepła = wysokie rachunki za prąd) albo będzie kompletnie przewymiarowany, nieuzasadniony ekonomicznie (duży okres amortyzacji pompy ciepła, konieczność zastosowania dużego bufora w celu minimalizacji taktowania pompy ciepła) [3][4][7][8].

Dobór pompy ciepła typu powietrze-woda jako jedynego źródła grzewczego powinien spełniać warunek taki, że jej moc, powinna zapewnić pokrycie strat ciepła budynku w pełni i to nawet w najbardziej niekorzystnych warunkach pracy. Czyli z uwzględnieniem ewentualnej konieczności podniesienia temperatury wody w obiegu c.o. oraz spadku mocy wraz z obniżeniem temperatury zewnętrznej w przypadku pomp powietrze/woda. Dobierając moc pompy ciepła, należy kierować się danymi określającymi zapotrzebowanie danego obiektu na ciepło.

Średnie temperatury panujące w lokalizacji domu z pompą ciepła i punkt biwalentny

Aby moc grzewcza była zbliżona do zapotrzebowania budynku na ciepło należy wziąć pod uwagę lokalizację inwestycji. Do obliczeń przyjmuje się zgodnie z normą PN-EN 12831 minimalną temperaturę zewnętrzną w danej strefie klimatycznej, w której ma pracować pompa ciepła [4][5].

Podstawowym parametrem podczas doboru mocy pompy ciepła typu powietrze-woda jest właśnie opisywany w tym artykule punkt biwalentny, czyli temperatura, przy której załącza się dodatkowy układ grzewczy. Załóżmy że będzie to grzałka elektryczna. Grzałka włącza się, kiedy ilość ciepła dostarczanego przez pompę ciepła nie zaspokaja potrzeb energetycznych budynku tzn. poniżej zakresu temperatury działania pompy. Pompę ciepła typu powietrze-woda dobieramy tak, aby w punkcie biwalentnym, charakterystycznym dla danego regionu pokrywała samodzielnie 100% zapotrzebowania na ciepło. Poniżej tego punktu pompa musi być wspomagana innym źródłem ciepła np. grzałką.

Znając zatem charakterystykę mocy grzewczej pompy i zapotrzebowanie domu na ciepło, możliwe jest wyznaczenie punktu biwalentnego, będącego graniczną temperaturą, do której pompa ciepła powietrzna pracuje samodzielnie. W przeciwieństwie bowiem do gruntowych pomp ciepła, wydajność grzewcza pompy ciepła typu powietrze/woda zmienia się w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego (im jest ona niższa, tym mniejsza moc grzewcza urządzenia) [4][5].

Poniżej przedstawiono przykładową charakterystykę budynku, gdzie zależność zapotrzebowania na moc od temperatury zewnętrznej wykreślono w następujący sposób:

  • Punkt A to wartość maksymalnego zapotrzebowania na ciepło w obliczeniowej temperaturze zewnętrznej (dla przykładu -20°C)

  • Punkt B to wartość wymaganej mocy przy granicznej temperaturze ogrzewania (15°C).

Punkt przecięcia się tych charakterystyk to właśnie punkt biwalentny. Zakreskowany obszar na poniższym wykresie to ilość mocy grzewczej, która musi być uzupełniona przez grzałkę lub inne dodatkowe źródło. Wynika to z faktu, iż poniżej temperatury biwalentnej wymagana moc grzewcza jest wyższa od dyspozycyjnej mocy pompy ciepła.

Jak dobrać moc pompy ciepła? Dlaczego tak ważny jest punkt biwalentny pompy ciepła?Rys.2. Wyznaczenie punktu biwalencyjnego dla pompy ciepła powietrze/woda [2][3][4][5][6][7]


Jak dobrać moc pompy ciepła? Dlaczego tak ważny jest punkt biwalentny pompy ciepła?Rys. Podział terytorium Polski na strefy klimatyczne [5]


Powierzchnia budynku do ogrzania przez pompę ciepła

Ustalając moc pompy ciepła typu powietrze-woda należy określić całkowitą powierzchnię budynku, a nie tylko pomieszczenia w których przebywamy. Pod uwagę należy wziąć także miejsca nieogrzewane lub ogrzewane do określonej temperatury jak np. poddasze, spiżarnia, garaż będący stałym elementem bryły naszego domu. Każde takie pomieszczenie przyczynia się do większych lub mniejszych strat ciepła, zwłaszcza gdy budynek nie ma odpowiedniej izolacji. Powierzchnia jest jednym z najważniejszych kryteriów przy doborze pompy ciepła, ale nie jedynym. By moc urządzenia była dobrze dobrana pod uwagę należy wziąć również zapotrzebowanie na moc grzewczą czy rodzaj odbiornika ciepła.

Im lepsza termoizolacja budynku, tym niższa moc grzewcza wystarczy do ogrzania pomieszczeń. Wstępnie zapotrzebowanie budynku na ciepło można oszacować w zależności od właściwości termoizolacyjnych domu [6][7][8]:

  • budynek pasywny: 10 W/m2

  • budynek niskoenergetyczny: 40 W/m2

  • nowy budynek z dobrą izolacją cieplną: 50 W/m2

  • dom z normalną izolacją cieplną: 70 W/m2

  • stary dom ze słabą izolacją cieplną: 120 W/m2

Przykład: jeżeli mamy energooszczędny dom o zapotrzebowaniu 50 W/m2 i powierzchni 100 m2, to 50 W/m2 x 100 m2 = 5000 W = 5 kW.

Współczynnik W/m2 można oszacować między innymi na podstawie obowiązujących w danych latach warunków technicznych dla budownictwa. Zakładając zatem, że wykonawca budynku przestrzegał tych warunków można na tej podstawie oszacować również ten współczynnik [1][2][6][7][8].

Tabela 1. Wartości zapotrzebowanie na ciepło budynku na podstawie obowiązujących w danych latach warunków technicznych dla budownictwa [4][7][8]

1998-2008

2009-2013

2014-2016

2017-2020

2021-

U ściana
[W/ (m2*K)]

0,3

0,3

0,25

0,23

0,2

U dach
[W/ (m2*K)]

0,3

0,25

0,2

0,18

0,15

zapotrzebowanie
na ciepło
[W/m2]

60

55

52

50

45

Roczne zużycie ciepłej wody użytkowej przez mieszkańców.

Jeżeli pompa będzie służyć także do podgrzewania wody użytkowej, należy również to uwzględnić dobierając moc pompy ciepła. Standardowo, zakładając, że jedna osoba zużywa na dobę ok. 50-60 l wody o temperaturze 45°C. Wszystko zależy oczywiście od tzw. komfortu cieplnego użytkownika. Zużycie energii dla podgrzewania wody użytkowej należy doliczyć do zużycia energii dla potrzeb ogrzewania budynku. Zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła na potrzeby c.w.u. w przybliżeniu można szacować: od 150 do 350 kWh/os. × rok. przeciętnie 230 kWh/os. Jeśli mamy zwiększone zapotrzebowanie na ciepłą wodę np. jacuzzi, basen – należy również uwzględnić to w doborze optymalnej mocy pompy ciepła [8][9].

Rodzaj systemu grzewczego w budynku

Rodzaj odbiornika ciepła ma znaczenie nie tylko przy dobieraniu mocy pompy ciepła, ale i typu urządzenia. System grzewczy oparty o pompę ciepła najlepiej pracuje z ogrzewaniem o niskiej temperaturze i dużej powierzchni grzania, czyli np. w przypadku ogrzewania podłogowego. Dlaczego? W zależności od rodzaju ogrzewania, zmienia się minimalna temperatura wody grzewczej. Dla ogrzewania niskotemperaturowego (ogrzewanie podłogowe lub ścienne) może wynosić od 35 °C do 45 °C. Natomiast dla ogrzewania grzejnikowego, wartość ta jest wyższa i wynosi około 55 °C. Dla takiej instalacji najlepszym rozwiązaniem jest wysokotemperaturowa pompa ciepła, która będzie bez większego problemu działać z tradycyjnymi grzejnikami [2][3][4][6].

Podsumowanie

Właściwy dobór mocy pompy ciepła typu powietrze-woda nie jest wcale taki prosty. Pod uwagę należy wziąć sporo czynników. Warto skorzystać z pomocy specjalisty, który weźmie pod uwagę zarówno warunki techniczne budynku jak i preferencje domowników. Co nas czeka jeśli dobór mocy przeprowadzimy nieprawidłowo?

Niedowymiarowana pompa ciepła może przyczynić się do [3][4][8]:

  • zbyt wysokich kosztów eksploatacyjnych i ogólnej ceny kosztów ogrzewania,

  • niedogrzania budynku w chłodne jesienno-zimowe dni, kiedy to praca pompy ciepła byłaby najbardziej pożądana (pompa ciepła ma grzałkę, ale będzie ona miała zbyt małą moc),

  • konieczności korzystania z innego źródła ciepła,

  • efektywnej pracy tylko przy wyższych średnich temperaturach powietrza zewnętrznego,

  • zwiększonego zużycia energii elektrycznej przez grzałki (wysokie rachunki),

  • wydłużenia czasu pracy sprężarki na wysokich parametrach, przez co szybciej będzie się zużywa

  • ,

  • braku komfortu ciepłej wody użytkowej.

Natomiast przewymiarowana pompa ciepła typu powietrze-woda może spowodować [3][4][8]:

  • wysokie koszty inwestycyjne,

  • niepotrzebne koszty roczne – koszt eksploatacji systemu w którym działa wyłącznie przewymiarowana powietrzna pompa ciepła może być podobny, a nawet wyższy, niż w przypadku pracy urządzenia wspomaganego grzałką elektryczną lub kotłem szczytowym,

  • krótsze cykle pracy urządzenia w trakcie użytkowania - skrócenie żywotności urządzenia w standardowych warunkach pracy,

  • konieczność przewymiarowania zasobnika bufora lub zbiornika c.w.u.,

  • konieczność zapewnienia odpowiedniego przepływu wody w instalacji c.o.,

  • spadek średniorocznej wartości współczynnika COP.

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. PN-EN 12831 - Instalacje ogrzewcze w budynkach Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego

  6. http://www.gorenje.com/heating-systems/en/heat-pumps/heat-pumps-aerogor/bivalent-systems

  7. https://dedietrich.pl/blog/dobor-pompy-ciepla-okreslenie-punktu-biwalentnego/

  8. https://budujemydom.pl/instalacje/pompy-ciepla/porady/21101-jak-optymalnie-dobrac-moc-grzewcza-pompy-ciepla-typu-powietrze-woda

  9. https://www.aircon.panasonic.eu/PL_pl/ranges/aquarea/?gclid=Cj0KCQiArt6PBhCoARIsAMF5waimm3K5mRI_oKu7XVmtEXXwYkr-jXacyNXP0sp9CkGSmj-b7a-OXt8aAkMpEALw_wcB

Ekspert ds OZE - dr inż. Adam Mroziński
Dr inż. Adam Mroziński - naukowiec, działacz na rzecz biznesu, dydaktyk.
Dr inż. Adam Mroziński - naukowiec, wspiera rozwój relacji uczelnia-biznes, dydaktyk. Autor patentów z zakresu ekologii i OZE nagradzanych na wystawach krajowych i międzynarodowych. Wykładowca Politechniki Bydgoskiej, Wydział Inżynierii Mechanicznej oraz Dyrektor Centrum Kompetencji - Interdyscyplinarnego Centrum Odnawialnych Źródeł Energii na PB

więcej informacji o autorze
Zostań partenrem i sprzedawaj fotowoltaikę

Kontakt

Spytaj o bezpłatną wycenę lub umów się na spotkanie.

Zostaw nam swoje dane, a my oddzwonimy do Ciebie w przeciągu 24h. Nasz ekspert może przyjechać do Ciebie i omówić szczegóły przy ciepłej kawie i to całkowicie za darmo. Zapraszamy do kontaktu.

Flixenergy.pl

Zadzwoń lub napisz

56 665 14 00

kontakt@flixenergy.pl

Nasz adres

ul. Szosa Bydgoska 60a
87-100 Toruń

Nasze punkty obsługi klienta

Oddział Bydgoszcz

ul. Szajnochy 2
85-738 Bydgoszcz
56 665 15 50

godziny otwarcia:
poniedziałek - piątek ⟩ 10.00 - 18.00
sobota ⟩ 10:00 - 14:00

Oddział Przysiek k. Torunia

ul. Leśna 3b
87-134 Przysiek
56 665 15 51

godziny otwarcia:
poniedziałek - piątek ⟩ 9.00 - 17.00
sobota ⟩ 10:00 - 14:00

Ciasteczka


Używamy plików cookies, aby ułatwić Ci korzystanie z naszego serwisu oraz do celów statystycznych. Jeśli nie blokujesz tych plików, to zgadzasz się na ich użycie oraz zapisanie w pamięci urządzenia. Pamiętaj, że możesz samodzielnie zarządzać cookies, zmieniając ustawienia przeglądarki.

Polityka Prywatności i Polityka Cookies
Akceptuj
ładowanie strony...