PUNKT BIWALENTNY A DOBÓR POMPY

Dlaczego dobór powietrznej pompy ciepła nastręcza tyle kłopotów? Między innymi dlatego, że na prawidłową pracę PPC wpływa więcej czynników niż w przypadku np. kotłów. Moc kotła możemy regulować zmieniając dawkę paliwa i tlenu zawartego w powietrzu. Moc PPC zależy od temperatury powietrza zewnętrznego, a na ten parametr wpływu nie mamy.  

PPC możemy montować monowalentnie i biwalentnie alternatywnie lub biwalentnie równolegle. Monowalentny tryb pracy polega na 100% pokryciu mocy przez pompę ciepła i raczej ma zastosowanie do pomp gruntowych. Biwalentny alternatywny tryb pracy polega na pokryciu 100% mocy przez PPC do punktu biwalentnego, a poniżej tej temperatury PPC zostaje zastąpiona innym źródłem ciepła. Z kolei biwalentny równoległy, na którym się skupimy i który jest stosowany najczęściej, polega na pokryciu 100% mocy do punktu biwalentnego, a poniżej tej temperatury niedobór mocy uzupełnia dodatkowe źródło ciepła. 

Jak w takim razie poradzić sobie z doborem urządzenia, które traci moc wraz ze spadkiem temperatury powietrza zewnętrznego, kiedy zapotrzebowanie akurat wtedy rośnie ?  

Najprościej przy pomocy takiego wykresu :

Na wykresie widzimy maksymalną i minimalną moc pompy dla trzech temperatur zasilania.  Linia prosta biegnąca od 15 stopni na osi poziomej do 12 kW na osi pionowej to linia zapotrzebowania budynku na moc dla strefy I. Załóżmy, że mamy budynek z ogrzewaniem podłogowym o temperaturze zasilania 35 st. C. Miejsce przecięcia tej linii i linii zapotrzebowania na moc nazwiemy punktem biwalentnym. Rzut pionowy na oś poziomą określa nam temperaturę powietrza, do której PPC samodzielnie pokryje zapotrzebowanie budynku na ciepło. Poniżej tej temperatury pompa ciepła musi być wspomagana przez inne źródło ciepła np. grzałkę przepływową. W Polsce w zależności od strefy klimatycznej zalecany punkt biwalentny mieści się między -7 a -11 stopni C. Możemy więc przyjąć, że typ PPC reprezentowany na wykresie spełnia wymagania właściwego doboru.  

Również na wykresie widzimy linię mocy minimalnej, która dla temperatury zasilania 35 stopni wynosi nieco ponad 3,00 kW i odpowiada zapotrzebowaniu temperatury powietrza zewnętrznego +7 st. C. Z wykresu wynika, że jest to minimalna moc pompy ciepła. Od temperatury powietrza zewnętrznego wynoszącej +7 st. C do końca sezonu grzewczego czyli +15 st. C mamy jeszcze 8 stopni, gdzie PPC będzie produkować nadmiar mocy. Dla temperatury powietrza 10 st. C nadmiar to 1kW. Istnieje więc realna groźba taktowania, a w związku z tym szybsze zużycie sprężarki. 

Dobrą praktyką jest wyznaczenie punktu biwalentnego w taki sposób, aby PC pokrywała 95% mocy, a inne źródło ciepła 5%, pamiętając o tym, aby znacząco nie przewymiarować pompy ciepła w warunkach minimalnego obciążenia. Ten warunek może być trudny do spełnienia. Dlatego celem przedłużenia pracy PC, należy zastosować bufor o odpowiedniej pojemności. Skoro mowa o procentach, to z wykresu takich danych nie odczytamy, więc firma Ricom Energy opracowała kalkulatory doboru dla PC Easylife i Ecoair. 

W tabeli poniżej widzimy kalkulator doboru PPC Ecoair 3-18 kW i moc zapotrzebowaną 16 kW (w brązowym okienku) dla instalacji grzejnikowej o t. zasilania 55 s.t C. W kolumnie pobór kWh wspomaganie wyliczona została ilość kWh potrzebna do pokrycia deficytu PC w przypadku danych temperatur powietrza. Punkt biwalentny to -9 st. C, ponieważ przy tej temperaturze pojawia się  brak zapotrzebowania na energię dodatkową. 4,74% wynosi udział energii pobranej przez grzałke w stosunku do energii pobranej przez sprężarkę. Również w tym przypadku warunki odpowiedniego doboru zostały spełnione. Jeśli spojrzymy na minimalną moc pompy to od temperatury powietrza zewnętrznego +10 st. C mamy nadmiar mocy podobnie jak w przypadku analizowanym przy pomocy wykresu. 

Posługując się wykresem przy doborze PPC nie otrzymamy wszystkich potrzebnych danych dla jak najlepszego dopasowania urządzenia i wszystkich warunków jego pracy. Inaczej sprawa ma się w przypadku użycia kalkulatora. Kalkulatory zostały sporządzone dla warunków atmosferycznych z 26 stacji meteorologicznych w Polsce. Wszystko po to, by doprecyzować liczbę godzin w sezonie grzewczym z podziałem na temperatury co 1 stopień dla wszystkich pomp oferowanych przez firmę Ricom Energy (z podziałem na dwie temperatury zasilania 55 st. C i 35 st. C). Poniżej przykładowy kalkulator dla pompy Ecoair 3-18 kW o temperaturze zasilania 55 st. C, w III strefie dla regionu Jelenia Góra i okolice. Kalkulator automatycznie wylicza SCOP, pobór energii, punkt biwalentny, ilość wyprodukowanej energii i wiele innych danych. Np. pozycja energia do zakupu  x cena = koszt energii za sezon grzewczy. Ujmując do tego koszty montażu i dzieląc przez lata użytkowania, możemy określić opłacalność inwestycji w stosunku do dotychczasowego źródła ogrzewania np. przy wymianie kotła węglowego na PPC. 

Zostawmy ekonomię i wróćmy do technologii, która bezpośrednio na nią wpływa. Czy 3-5-procentowy udział źródła szczytowego zawsze jest optymalnym wyborem? Załóżmy, że roczny koszt eksploatacji PPC wynosi 5.000 zł.

Składa się na niego 250 zł kosztów energii grzałki elektrycznej oraz 4750 zł sprężarki. Każdy się zgodzi, że te 250 zł to nie jest koszt szalony. Nawet przy 7-10 procentach udziału grzałki nie wygląda to źle. Biorąc jeszcze pod uwagę cenę grzałki przepływowej wmontowanej np. w jednostkę wewnętrzną  lub zanurzeniowej w buforze, szczytowe źródło dla PPC jest ekonomicznie najlepsze. Wspomaganie PPC innymi źródłami ciepła np. kotłem gazowym miałoby uzasadnienie  pod warunkiem wykorzystania już istniejącego kotła gazowego wysokosprawnego. Zanim zdecydujemy się jednak wykorzystać inne źródło, przeliczmy faktyczny koszt produkcji 1kWh i porównajmy do najprostszej grzałki przepływowej. Może się okazać bowiem, że koszty utrzymania kotłowni, przeglądy, naprawy i opłaty stałe przy małym 5-procentowym wykorzystaniu kotła są większe od kosztów grzałki. Do tego porównania wykorzystamy wyniki z kolumny pobór kWh wspomaganie z kalkulatora. W kolumnie pokrycie sprężarka możemy sprawdzić  nadmiar mocy w okresie niepełnego obciążenia dla każdej temperatury powietrza osobno (kalkulator od +10 do +15 st. C). W przypadku znacznego nadmiaru (szczególnie w instalacjach grzejnikowych) możemy wykorzystać te dane do obliczenia pojemności bufora, który przedłuży pracę sprężarki w celu uniknięcia taktowania. 

Jaki jeszcze czynnik musimy wziąć pod uwagę, określając punkt biwalentny dla PPC? Na pewno takim czynnikiem jest instalacja PV oraz ilość kWh pozostająca w nadmiarze względem zużycia na cele bytowe. W instalacjach funkcjonujących przynajmniej przez jeden sezon dane takie mamy z natury, w nowych instalacjach możemy tę wartość obliczyć. Zakładając standardową instalację do 10kWp i zużycie na cele bytowe 3500 kWh/rok pozostaje nam w przybliżeniu około 6000 kWh/rok dla PPC. Dla przykładu podczas doboru  musimy zdecydować pomiędzy dwoma typami PPC np. Ecoair 1-7 i 1-9. Udział procentowy grzałki do sprężarki dla 1-7 wynosi 10% do 90% a dla 1-9 5% do 95 % (przy zużyciu energii odpowiednio 5100 kWh/rok i 4800 kWh/rok). Zużycie jednej i drugiej pompy mieści się  w zakresie produkcji instalacji PV. Różnica energii zużytej poprzez grzałki wynosi 220 kWh. Jeśli dom pozostanie na tym poziomie konsumpcji energii elektrycznej, to jeden i drugi dobór jest dobry. Koszty montażu mniejszej PPC będą niższe i to może być argument przemawiający za jej wyborem. Gdyby obiekt nie posiadał instalacji PV, PC 1-9 kW byłaby lepszym wyborem. Tym bardziej, że moc minimalna jest taka sama, jak pompy 1-7 kW.  

Wychodząc z założenia, że powinniśmy mieć kontrolę nad tym, co robimy na każdym etapie dobierania urządzenia do obiektu, warto się skupić na tej kwestii i zachować logikę działania. Wyznaczenie punktu biwalentnego w prawidłowym zakresie temperatur na wykresie nie niesie za sobą zbyt wielu informacji. Dopiero użycie kalkulatorów, choćby do sprawdzenia wyznaczonego punktu, pozwala na precyzyjne obliczenia.