Grzałka elektryczna – wróg czy sprzymierzeniec?

No właśnie, czy grzałka jest potrzebna czy zbędna? Opinie są podzielone, argumenty każdej ze stron padają najróżniejsze. Jedna z takich częstych opinii to stwierdzenie, że pompa poradziła sobie bez grzałek nawet przy -15 stopni powietrza zewnętrznego i poniżej.

Tak oczywiście można pompę dobrać, aby jej moc osiągana w temperaturze obliczeniowej np. -20 stopni pokryła 100% zapotrzebowania obiektu. 

Statystycznie 60% sezonu budynek potrzebuje około 50% mocy obliczeniowej. Jaką moc przez ten czas będzie miała tak dobrana pompa ciepła? Na pewno za dużą. Nawet jeśli inwerter będzie w stanie dopasować moc do warunków, to praca poniżej mocy nominalnej jest mniej ekonomiczna. W okresach przejściowych przy temperaturach powietrza zewnętrznego 10 stopni i powyżej moc minimalna pompy będzie za duża w stosunku do potrzeb. Jeśli nie zastosujemy odpowiedniej wielkości bufora narazimy pompę na taktowanie i szybsze zużycie. Inwestycyjnie zakup większej jednostki, większego bufora, oraz odpowiedniej armatury może znacznie zwiększyć koszty. 

Najlepiej byłoby więc gdyby pompa pracując blisko mocy nominalnej obsługiwała 60% sezonu, nadmiar mocy w okresie przejściowym był nie za duży (bufor do 200L) a braki mocy poniżej pewnej temperatury zostały uzupełnione innym źródłem. Tym właśnie źródłem może być grzałka, kocioł elektryczny, gazowy lub inny generator ciepła. 

Powstaje pytanie, do jakiej temperatury zewnętrznej pompa ma pokrywać 100% zapotrzebowania? W Polsce punkt biwalentny w zależności od strefy mieści się pomiędzy -7 a -11. Punkt biwalentny to właśnie punkt temperatury granicznej. 

I tutaj ważna uwaga. Punkt biwalentny nie jest punktem zastąpienia. Czym one się różnią?

Punkt biwalentny oznacza pracę równoległa dwóch źródeł pompy ciepła i grzałki. Niedobór mocy pompy ciepła uzupełniany jest ciepłem produkowanym przez grzałkę. 

Punkt zastąpienia oznacza pracę alternatywną, pompa ciepła zostaje wyłączona a 100% zapotrzebowania pokrywa grzałka. 

Większość instalacji w Polsce z pompami powietrznymi montowana jest w układzie biwalentnym. Widzimy zatem, że energia elektryczna pobrana przez grzałkę służy do uzupełnienia brakującej energii pompy ciepła. 

Od razu rodzi się pytanie, ile tej energii będzie zużywać grzałka? To zależy od tego jak dobierzemy punkt biwalentny. Naszym zdaniem energia pobrana przez grzałkę nie powinna być większa jak 5% zużycia energii elektrycznej pompy ciepła w sezonie.

Przykład:

Dom 150m WT21 70kWh/m2/rok = 10500kWh / SCOP 3,0=3500kWh x 1,15zł=4025zł *5%=200 zł.

Jeśli teraz przyrównamy roczny koszt grzałki do kosztów inwestycji z pompą większej mocy oraz armaturą maszynowni zobaczymy, że takie rozwiązanie jest nieuzasadnione ani ekonomicznie ani technicznie. 

Jak dopasować pompę ciepła i zużycie energii elektrycznej przez grzałkę na dobrym poziomie? A dobry poziom to czasami może być również powyżej granicy 5%. Załóżmy, że dobierając pompę o mocy 10 kW punkt biwalentny wynosi -5 stopni a zużycie prądu przez grzałkę 8% może 10%. Co dałoby już koszt 400 zł /rok. Ale mamy instalację fotowoltaiczną i lekki zapas produkcji, który akurat tu możemy wykorzystać na pokrycie tej różnicy. W takim wypadku dobór jednostki sztywno do punktu biwalentnego o większej mocy byłby nieuzasadniony. 

Znając koszty źródła dodatkowego w naszym przypadku grzałki elektrycznej, możemy bilansować różne rozwiązania. 

Wyznaczenie punktu biwalentnego z wykresu niesie za sobą za mało informacji dlatego w firmie Ricom Energy opracowaliśmy Kalkulatory Doboru Pomp na zasadzie tabeli dla każdego typoszeregu jednostek Ricom Easylife jak i Ricom PRO. 

W kalkulatorach wykorzystaliśmy dane meteorologiczne z lat ubiegłych z 26 stacji pogodowych położonych na terenie całego kraju. W ten sposób możemy dobrać pompy do regionu. Dane w tabeli rozpisane zostały zgodnie ze strefami grzewczymi w odstępach 1 stopnia począwszy od temperatury obliczeniowej do temperatury końca okresu grzewczego przyjętego jako 15 stopni. Dla każdej temperatury okresu grzewczego została przypisana moc pompy ciepła, COP, % zapotrzebowania na moc grzewcza budynku. % pokrycia energii pompą ciepła, % pokrycia energii grzałką, ilość godzin grzewczych w sezonie, suma godzin dla poszczególnych źródeł i wiele jeszcze innych danych jak zużycie energii na cele produkcji CWU. Wystarczy w odpowiednie okienko wpisać moc zapotrzebowaną a kalkulator sam wyliczy wszystkie pozycje. 

Takie podejście pozwala nam na bardzo precyzyjne określenie zużycia energii przez źródło wspomagające. 

Obliczony punkt biwalentny np. -7 stopni C może być też użyty jako próg załączenia grzałek w regulatorze pompy ciepła. Skoro wiemy, że nasza jednostka do -7 pokryje moc w 100% to nie ma potrzeby załączenia grzałki lub grzałek powyżej tej temperatury. 

Grzałki elektryczne w przypadku pomp ciepła Ricom montowane są jako elementy dodatkowe w szafach hydraulicznych i hydromodułach( grzałki przepływowe) lub buforach i zasobnikach( grzałki zamurzeniwe). Sposób regulacji grzałek zanurzeniowych od grzałki przepływowej nieco się różni ze względu na ich konstrukcję i sposób działania. 

Grzałka przepływowa jest grzałką 3 stopniową a każdy stopień zostaje załączony oddzielnie według specjalnie do tego celu stworzonym algorytmem. Chodzi o to, żeby niedostatek pompy ciepła pokryć jak najniższym zużyciem energii przez grzałkę. Jeśli załączenie pierwszego stopnia wystarczy drugi stopień się nie uruchomi. 

Grzałki zanurzeniowe przy dużej masie wody raczej powinny działać z pełną mocą aby jak najszybciej wygrzać zład bufora lub zasobnika. 

Skąd więc ta demonizacja grzałek w instalacjach z pompą ciepła?

Najprawdopodobniej ze złego sposobu wykorzystania grzałki elektrycznej lub błędów w montażu.

Każde ograniczenie przekazania mocy pompy ciepła, nawet dobrze dobranej spowoduje uzupełnienie tego braku energią z grzałki. 

Dobrym przykładem będzie za mała średnica wewnętrzna rurociągu przez co moc pompy zostaje ograniczona, a jej brak uzupełniony poprzez grzałkę albo przy braku zezwolenia na pracę będzie w domu chłodno. Najczęstszym rozwiązaniem jest przesunięcie punktu załączenia i zwiększone zużycie. 

Drugim przykładem może być załączenie grzałek przy defroście. Brak dostępu do zładu wody grzewczej skąd pobierane jest ciepło do odszronienia parownika. Grzałka przepływowa dobrze sobie radzi w takiej sytuacji, zanurzeniowa gorzej. Wiele błędów instalacyjnych właśnie dotyczy odszraniania. Niektórzy producenci montują grzałki przepływowe w jednostkach zewnętrznych typu monoblok. Regulator pompy ciepła załącza grzałkę poniżej pewnego poziomu temperatury wody grzewczej. To rozwiązanie stanowi zabezpieczenie przed uszkodzeniem skraplacza jak również pozwala na szybkie i skuteczne odszronienie. Zdarza się też takie rozwiązanie, że grzałka obligatoryjnie załącza się w czasie defrostu. Mamy wtedy najdroższe odszranianie ponieważ 1 odszronienie na 1h i zużycie energii na ten cel do 30% mocy pompy to koszt niebagatelny. Dla pompy o mocy 10 kW licząc na dobę tylko 15 odszronień i tylko średnio 20% mocy tj. 30 kWh. Przy Cop 3,00 poprzez odszranianie gorącym gazem będzie to około 10 kWh. Niesprzyjające warunki pogodowe a szczególnie duża wilgotność powietrza znacznie podrożą koszty eksploatacji.

Prowadzenie rurociągów w nieogrzewanych pomieszczeniach i zła izolacja termiczna rur. Prowadzenie przewodów w gruncie nieodpowiednimi sposobami, czy montaż jednostki zewnętrznej we wnękach ograniczających przepływ powietrza przez parownik również mogą doprowadzić do ograniczenia mocy pompy ciepła i uzupełnienie braku energii poprzez grzałkę lub inne źródło. 

Na koniec warto jeszcze zwrócić uwagę na problem dezynfekcji termicznej.

Do prawidłowego przeprowadzenia dezynfekcji termicznej potrzebujemy temperatury 70 stopni C. Temperatura maksymalna pomp z czynnikiem R410 wynosi 55 stopni C z czynnikiem R32 60 stopni C a R290 75 stopni C. Należy tu zwrócić uwagę, że temperatury maksymalne nie są osiągane w całym zakresie temperatur zewnętrznych. Wynika to wprost z koperty pracy sprężarki. Nawet dla R290 czyli propanu temperatura zasilania powyżej 70 stopni C jest nieosiągalna w warunkach niższych temperatur zewnętrznych. Należy tu nadmienić, że woda grzewcza w wężownicy powinna być około 5 stopni wyższa niż temperatura docelowa CWU aby w miarę krótkim czasie wygrzać zasobnik około 1 h. 

Powstaje jeszcze pytanie jakie jest COP pompy ciepła w ekstremalnych warunkach pracy, a takie powstaną przy temperaturach powietrza poniżej -15 stopni C i maksymalnych obrotach sprężarki. Może się zatem okazać, że dogrzewanie wody pompą ciepła pomiędzy 60 a 70 stopni C o ile będzie możliwe to na pewno nie będzie opłacalne nie tylko ze względu na zużycie energii ale również sprężarki. 

I ostatnia już funkcja grzałki elektrycznej czyli praca w alarmach. Jest grudzień okres świąteczny i zdarza się awaria. Raczej trudno przez parę dni zaglądać za serwisem, ale nawet gdyby to czas na reakcję jest potrzebny. Frustracja narasta z biegiem czasu a brak ogrzewania i ciepłej wody może dać się we znaki. I tu nieoceniona jest właśnie grzałka elektryczna. Nawet jeśli pokryje 60% mocy jest nieźle. Można na czas awarii ograniczyć powierzchnię grzewcza i co najważniejsze Mamy zapewnioną ciepłą wodę do mycia i ciepło w łazience. 

Podsumowując powtórzmy tytułowe pytanie. Czy grzałka elektryczna jest wrogiem czy sprzymierzeńcem? 

Myślę, że odpowiedź powinna brzmieć, sprzymierzeńcem i to bardzo istotnym. 

Jak to zrobić to po części opisaliśmy a po szczegóły zapraszamy do kontaktu i współpracy.