Jak zmniejszyć zużycie prądu w pompach ciepła?

To pytanie trapi wielu użytkowników pomp ciepła. Nawet jeśli zużycie energii jest do zaakceptowania, zawsze można postawić pytanie o to, czy coś jeszcze można zrobić aby płacić mniej?

Spotkaliśmy się z opinią, że najmniej kosztuje urządzenie, które jest wyłączone. Z pewnością jest to najlepsza opcja jeśli chodzi o zużycie energii elektrycznej. My jednak poszukujemy wersji najtańszego komfortu cieplnego.

Jeśli chodzi o instalacje grzewcze z pompami ciepła jest taka zasada, że im różnica temperatur jest mniejsza pomiędzy dolnym, a górnym źródłem ciepła tym mniej energii potrzeba do napędu sprężarki.

Co to jest dolne i górne źródło ciepła? Dolne źródło to takie z którego ciepło pobieramy, a górne to takie do którego ciepło oddajemy. W przypadku pompy powietrznej dolnym źródłem będzie powietrze zewnętrzne, a górnym woda grzewcza w naszej instalacji. Dokładnie chodzi o różnicę pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego a temperatura zasilania. Dlatego instalacje płaszczyznowe np. podłogówka będą bardziej ekonomiczne od ogrzewania grzejnikowego. Chociaż temperatura powietrza
w obu przypadkach będzie jednakowa to już temperatura zasilania nie. Obliczeniowa temperatura zasilania dla podłogówki 35 stopni C a dla grzejników 55 stopni C. Różnica jest bardzo duża wynosząca 20 stopni C.

Ile więcej energii potrzebujemy w przypadku ogrzewania grzejnikowego w porównaniu do podłogówki?

Wyniki przeprowadzanych wieloletnich badań prowadza do wniosku iż podniesienie temperatury zasilania instalacji o 1 stopień (temperatura skraplacza) powoduje zwiększenie zużycia energii do napędu sprężarki w granicach 1,5–2%. Dla różnicy 20 stopni to jest rząd wielkości 30–40%, przy czym zużycie sprężarki również zwiększa się poprzez zwiększenie sprężu. Skraplacz jest tym wymiennikiem, który realizuje przekazanie ciepła do górnego źródła przy pomocy wcześniej sprężonych par czynnika chłodniczego.

Czyli odpowiedź na wcześniej postawione pytanie brzmi; do 40%.

W pompie ciepła mamy jeszcze jeden wymiennik zwany parowaczem lub parownikiem. Parownik odpowiedzialny jest za pobór ciepła z powietrza zewnętrznego. Obniżenie temperatury parowania
o 1 stopień generuje zwiększenie energii do napędu sprężarki do 4%.

Na temperaturę zasilania instalacji (temperaturę skraplania) możemy wpływać, a na temperaturę powietrza zewnętrznego już nie. W jednym i drugim wymienniku oprócz temperatury ważna jest sprawność, czyli zdolność jak największego przejmowania ciepła w przeliczeniu na jednostkę powierzchni.

Sprawność parowacza w dużej mierze zależy od jego konstrukcji, materiałów z jakich jest zbudowany
a ten aspekt leży poza kompetencjami użytkownika. Sam użytkownik pomimo uwarunkowań producenckich może mieć znaczący wpływ na wydajność parowacza.

Samo posadowienie pompy ciepła, może wpłynąć znacząco na wydajność parowacza. Ekspozycja na wiatr np. strona zachodnia – gdzie w Polskich warunkach 60% wiatrów jest właśnie z tego kierunku – może powodować spowolnienie wentylatora, zacinanie deszczem lub śniegiem w szczególności w montażu dachowym. Takie warunki pogodowe w połączeniu z niską temperaturą mogą prowadzić do oblodzenia parownika jak również łopat wentylatora i w konsekwencji ich uszkodzenia.

Również montaż niski, poniżej 30 cm ponad gruntem lub dachem może spowodować zablokowanie wentylatora poprzez nawiewanie śniegu.

Ekspozycja słoneczna gdzie w przypadku ciemnych obudów prowadzi do przegrzania parowacza
i zablokowania pracy w upalne dni. Produkcja ciepłej wody będzie wtedy niemożliwa

Montaż we wnękach w szczelnych obudowach i za blisko ściany budynku powoduje ograniczenie przepływu powietrza przez lamele parownika.

Montaż w pobliżu pól uprawnych lub dość często uczęszczanych dróg nieutwardzonych, powodujących zakurzenie.

Należy szczególna uwagę zwrócić na czystość parownika, ponieważ zapylenie zmniejsza znacznie jego wydajność, tworzy środowisko do rozwoju pleśni i grzybów jak również w okresie jesienno-zimowy generuje szybsze oszronienie.

Zanieczyszczony parownik nie należy w żadnym wypadku czyścic przy użyciu myjki ciśnieniowej. Grozi to uszkodzeniem mechanicznym lameli parownika jak również zniszczeniem wentylatora.

Najlepszym sposobem jest przedmuchanie lameli sprężonym powietrzem od strony ściany.

Zagniecione blaszki lamelowe parownika można wyprostować specjalnym grzebieniem. Czyszczenie parownika raz w roku podczas przeglądu serwisowego jest niewystarczające dla wydajnej pracy wymiennika.

Każdy parownik ulega oszronieniu w temperaturze powietrza poniżej +5 stopni. Najbardziej ekonomicznym sposobem odszraniania parownika to odszranianie przy użyciu gorących par czynnika chłodniczego poprzez odwrócenie obiegu na zaworze 4 drogowym nawrotnym.

Skuteczne odszronienie wymaga podania ciepła w ilości około 30% mocy pompy ciepła w krótkim okresie czasu około 10 minut. Najlepiej byłoby aby cykli odszronień w ciągu doby było jak najmniej powiedzmy
1 odszronienie na 1–1,5 godziny. Należałoby zaobserwować jaki maksymalny okres przerwy pomiędzy odszronieniami nie generuje niepełnego odszronienia. Okres pomiędzy odszronieniami nie może powodować zbyt dużego narostu szronu a w konsekwencji spadku wydajności parownika. W żadnym wypadku nie należy dopuścić do niepełnego odszronienia i narastania lodu w dolnej części parownika. Ilość zużytej energii do odszraniania będzie zależna od gęstości szronu a ta z kolei może się wahać pomiędzy 200–900 kg/m3. Z pewnością lód będzie bliski najwyżej gęstości.

Gęstość szronu osadzającego się na lamelach parownika, zależy również od prędkości strumienia powietrza przepływającego przez te lamele, a prędkość strumienia zależy od ilości obrotów wentylatora. Najwyższe obroty wentylatora sterownik pompy generuje przy największym obciążeniu. Przy dobrze dobranej pompie ciepła czas pracy w warunkach maksymalnego obciążenia jest stosunkowo niewielki odpowiadający ilościom godzin grzewczych poniżej -7 stopni Celsjusza powietrza zewnętrznego. Inaczej sprawa wygląda w przypadku pompy ciepła źle dobranej, o zaniżonej mocy. Czas ten może wynosić powyżej 60% i więcej. W konsekwencji może to doprowadzić do pracy pompy tylko na potrzeby odszraniania.

W procesie odszraniania bardzo ważny jest moment inicjacji tego procesu. Nie wszyscy producenci pomp udostępniają parametry serwisowe do korekcji odszraniania.

W pompach Ricom Easylife i Ricom Pro istnieje możliwość korekcji procesu odszraniania.

I najważniejsza chyba zasada to zład wody, który pozwoli na szybki defrost przy nieznacznym spadku temperatury wody grzewczej w granicach kilku stopni.

Widzimy więc, że nie posiadając wpływu na warunki atmosferyczne (temperatura, wilgotność, opady, wiatr) poprzez odpowiedni montaż jednostki zewnętrznej mamy bezpośredni wpływ na oddziaływanie tych czynników na parownik, element najważniejszy w pozyskaniu ciepła dla naszej instalacji.

Wróćmy jeszcze do skraplacza, wymiennika który oddaje ciepło do instalacji. Wiemy już, że obniżenie temperatury wody zasilającej o 1 stopień generuje nam zmniejszenie zużycia energii elektrycznej do napędu sprężarki o 1,5–2%. Wiemy, że ogrzewanie podłogowe niskotemperaturowe oszczędza do 40% tej energii. A co jeśli nie mamy możliwości montażu ogrzewania podłogowego? Możemy zamontować klimakonwektory ale w praktyce są one rzadko używane ze względu na wysoką cenę.

Czy jesteśmy skazani na przepłacanie w przypadku instalacji grzejnikowej np. pozostawionej po wymianie kotła na pompę ciepła?

Nie koniecznie. Może być drożej w porównaniu z ogrzewaniem podłogowym ale nie aż 40%
a na przykład 10–15%.

Pierwsze co możemy zrobić to dobrać grzejniki do temperatury obliczeniowej 50/40 stopni Celsjusza. Opinia, że grzejniki im większe tym lepsze nie jest prawdziwa. Grzejniki powyżej 2 metrów długości pracują lepiej kiedy są podłączone diagonalnie (po przekątnej), a nie zawsze istnieje taka możliwość podłączenia. Poza tym lepiej jest zastosować dwa grzejniki mniejsze gdzie tabelaryczna suma ich mocy równa się mocy jednego większego. Temperatura pomieszczenia jest bardziej wyrównana, sprawność dwóch jest lepsza jak jednego większego oraz regulacja przepływu na zaworach termostatycznych jest łatwiejsza. Poza tym przy zastosowaniu dwóch grzejników jeden może być pozostawiony bez głowicy termostatycznej jako obejście pompy obiegowej. Taki grzejnik (1/2 mocy pomieszczenia) nigdy go nie przegrzeje.

Następna rzecz niemniej istotna, a często pomijana, to ustawienie odpowiedniego przepływu przez każdy grzejnik. Najprościej zrobić to przy pomocy zaworów termostatycznych z odpowiednią kryzą i podziałką (zawory z regulacją wstępna). Jeśli chcielibyśmy być bardzo precyzyjni użyjmy zaworów dynamicznych, które nie są wrażliwe na zmiany ciśnienia w instalacji w skutek np. zamykania się zaworów termostatycznych w innych grzejnikach.

Następnie izolacja rur w pomieszczeniu maszynowni jak również tych które przechodzą przez pomieszczenia nieogrzewane i na zewnątrz przy czym rodzaj izolacji i grubość ścianki odgrywają tu rolę zasadniczą. Ktoś mógłby zapytać, po co izolować rury w pomieszczeniu maszynowni skoro tam jest ciepło?

Przeważnie jest za ciepło właśnie dlatego, że izolacja termiczna jest niedostateczna, a przegrzane pomieszczenie choćby maszynowni jest stratą.

Kolejna rzecz to wysprzęglenie pompy ciepła od instalacji odpowiedniej konstrukcji i pojemności buforem. Pozwala ono na prace pompy ciepła bez zakłóceń, najbardziej optymalną bez zakłóceń.

I kolejna to dopasowanie pompy obiegowej instalacyjnej (za buforem) pod względem strat ciśnienia
i przepływu oraz ustawienie odpowiedniego trybu pracy (pompa elektroniczna).

Dodajmy jeszcze regulację pogodową pompy ciepła z prawidłowo dobrana krzywa grzewcza do obiektu. Ten proces może być żmudny ale konieczny w celu uzyskania ekonomicznej pracy. Warto poświęcić tyle czasu ile potrzeba aby dopasować krzywa grzewczą perfekcyjnie. W przypadku zastosowania termostatu pokojowego różnica temperatury pomiędzy temperatura komfortowa, a obniżoną nie powinna przekraczać 1–1,5 stopnia natomiast histereza w granicach 0,5–07 stopnia. Wpływ termostatu pokojowego na temperaturę zasilania nie powinien być większy jak 1 stopień, najlepiej w ogóle nie załączać tej opcji lub ustawić na 0.

To chyba najważniejsze elementy, które kształtują temperaturę zasilania instalacji grzejnikowej w taki sposób abyśmy uzyskali komfort cieplny w każdych warunkach przy jak najniższej jej wartości.

Na koniec nie możemy pominąć ważnej kwestii, mianowicie, przygotowania ciepłej wody.

W żadnym wypadku nie należy bagatelizować tej funkcji pompy ciepła i kosztów z nią związanych.
W przypadku kotłów stałopalnych zasobnik 200 l dla rodziny 4 osobowej mógłby być nawet za duży. Wysoka temperatura zasilania nawet 85 stopni w porównaniu do napływającej zimnej wody z sieci od
4–10 (zima–lato) powodowała uzupełnienie CWU w 10–15 minut. Woda zmagazynowana i oczekująca na użycie mogła mieć nawet 70 stopni i więcej. Przy zmieszaniu wody zimnej 200 l i 10 stopni z woda 200
l i 70 stopni otrzymalibyśmy 400l wody gotowej do kąpieli 40 stopni. Przy szybkim uzupełnieniu otrzymujemy niemal ciągły strumień CWU.

W przypadku pomp ciepła gdybyśmy chcieli zasilać wężownicę zasobnika CWU taka samą temperaturą jak grzejniki 50 stopni moglibyśmy uzyskać taka sama temperaturę CWU lecz trwałoby to bardzo długo nawet przy zwiększonej powierzchni wężownicy. Jeśli przyjmiemy najniższa temperaturę komfortu CWU na poziomie 38–40 stopni i histerezę 7 stopni to będziemy potrzebować około 55 stopni temperatury wody grzewczej w wężownicy zasobnika i około 1h.

Taki zapas i taki czas przygotowania ciepłej wody dla 4 osobowej rodziny mógłby być za mały szczególnie przy korzystaniu z wanny. Podniesienie temperatury zasilania powodowałoby zwiększenie zużycia energii elektrycznej szczególnie przy załączaniu się grzałek elektrycznych. Ekonomiczne byłoby zwiększenie pojemności wodnej zasobnika o 50 lub 100%.

Jeśli chodzi o koszty energii związane z przygotowaniem ciepłej wody należy przyjrzeć się bacznie cyrkulacji CWU oraz dezynfekcji termicznej.

Jeśli chodzi o cyrkulację należy do niezbędnego minimum ją ograniczyć lub zmienić zasady inicjacji cyrkulacji (cyrkulacja wyzwalana chwilę przed kąpielą) Strata ciepła z powodu cyrkulacji może spowodować nie tylko zwiększenie zużycia prądu ale także znaczne zwiększenie ilości startów sprężarki
i przyśpieszone jej zużycie. Podobnie będzie działać mała wartość histerezy dla CWU.

Dezynfekcja termiczna ustawiona domyślnie często raz w tygodniu jest okresem za częstym.
W instalacjach używanych co dziennie zainfekowanie bakteriami legionelli jest raczej znikome. Najniebezpieczniejsza jest instalacja z odcinkami stagnującej ciepłej wody. Czas dezynfekcji termicznej powinien być skorelowany z uruchomieniem pompy cyrkulacyjnej CWU celem dezynfekcji termicznej rur.

Podsumowując wszystkie działania jakie zostały tu wymienione mają za zadanie ograniczenie strat jak również intensyfikację przekazania ciepła w celu uzyskania komfortu cieplnego przy jak najniżej temperaturze zasilania. Te działania oczywiście będą miały sens tylko wtedy kiedy instalacja zostanie prawidłowo zwymiarowana, obliczona i wykonana.