Modernizacja ogrzewania z powietrzną pompą ciepła buforem i grzejnikiem

Tytułowa instalacja jest chyba najbardziej wymagającą instalacją z pompą ciepła. 

Dzisiaj skupimy się na wydajności takiej instalacji. Jak zwykle musimy przyjrzeć się osobno stronie pierwotnej (tam gdzie ciepło jest produkowane) i stronie wtórnej (tam gdzie ciepło jest przenoszone i oddawane). Jeśli modernizacja i grzejniki to w 99% przypadków będziemy montować bufor z podłączeniem równoległym. Utarło się nawet takie przekonanie, że montaż bufora wybacza błędy instalacyjne. Wydawać by się mogło, że jeśli tylko dobrze dobierzemy moc pompy do obiektu i pomiędzy pozostawionymi grzejnikami z instalacją a monoblokiem wstawimy bufor dopasowany pojemnością do mocy pompy, mamy po kłopocie. Czy to wystarczy?

I tu pojawia się następne przekonanie, że wystarczy wymienić grzejniki na większe najlepiej na takie jak tylko pozwoli ściana pod oknem i wtedy już na pewno będzie dobrze. Jeśli tak podejdziemy do problemu to ze starej instalacji pozostaną nam tylko rury a właściwie rurociąg, o ile średnice będą odpowiednie. Oczywiście koszty inwestycji zwiększają się o koszt zakupu powiększonych grzejników, zaworów grzejnikowych i koszt montażu. Jeśli zamontujemy grzejniki na zasadzie, że do pompy ciepła to nigdy grzejnik za duży nie będzie w przeciętnym domu jednorodzinnym może to być koszt kilkunastu tysięcy. Ale ten problem zostawmy na później. 

Zajmijmy się na początku stroną pierwotną instalacji, produkcja ciepła czyli pompą ciepła typu monoblok z czynnikiem R290 ze sprężarką typu scroll czyli najwydajniejszą np. Emerson Copeland, która to montowana jest w pompach Ricom Heat Pro 1–9, 3–12, 3–18. Zakładamy, że dobór został wykonany prawidłowo zarówno pompy ciepła jak też bufora i zasobnika. Instalacja maszynowni posiada wszystkie niezbędne elementy. Zarówno w karcie technicznej, w etykiecie energetycznej czy w kalkulatorach Ricom Energy wygląda wszystko przyzwoicie. Można by sklasyfikować, że pompa jest urządzeniem klasy premium. Kalkulator szacuje zużycie energii elektrycznej w kWh na rok i wiele innych jeszcze danych. Montujemy, pompę, maszynownię i powiększone grzejniki. Po sezonie użytkowania dzwoni inwestor i mówi, że zużył 500 kWh więcej niż w szacunkach a to jest ponad 12% a błąd kalkulatora w założeniu to maksymalnie do 10%. Miało być koło 4,500 kWh/rok a jest 5,200. No to kalkulacja opłacalności np. zwrot po 5 latach zmienia się do 8 lub więcej. Jeśli ten element był decydujący w podjęciu decyzji o modernizacji to może zrobić się nieprzyjemnie. 

Na forach internetowych jest całe mnóstwo pytań o zużycie energii przez pompy ciepła i rozbieżnościach pomiędzy szacunkiem a rzeczywistym zużyciem. 

Pierwsza myśl jest taka, że ktoś nakłamał, albo producent albo instalator albo jeden i drugi bo przecież z tego żyją. Pomijam celowe działanie nieuczciwych ludzi i szukam innego powodu tej sytuacji. Czy może być inna przyczyna zwiększonego zużycia? Przecież pompę mam dobrze dobraną, „wybaczający błędy” bufor też i grzejniki powiększone? 

No to zaczynamy od początku, od strony pierwotnej czyli monoblokowej pompy ciepła.

 Wszyscy wiedzą, że pompa ciepła to układ chłodniczy składający się przynajmniej z parownika, skraplacza, sprężarki, zaworu rozprężnego, czterodrogowego zaworu nawrotnego i czujników, filtrów oraz armatury regulacyjnej. Parownik pobiera ciepło z otoczenia, a skraplacz oddaje ciepło do otoczenia w funkcji grzania. Żeby ten proces się mógł odbywać w pętli, potrzebna jest sprężarka, która jest napędem.  

Wszyscy znają też zasadę, że wydajność pompy ciepła spada ze wzrostem różnicy temperatury pomiędzy temperaturą dolnego źródła (powietrza zewnętrznego), a górnego źródła (temperatura zasilania wody grzewczej). Inaczej mówiąc pomiędzy temperaturą parowania w parowniku i temperatura skraplania w skraplaczu.

Zależność ta jest szacowana i wyrażona w procentach. Na 1 °C różnicy temperatury przypada od 1–3% spadku wydajności. 

Przykład : mamy instalację grzejnikową Tz/Tp 55/45 dla temperatury obliczeniowej -18 °C. Temperatura faktyczna wynosi -7 °C. Temperatura z dobrze dobranej krzywej grzewczej dla rozpatrywanego obiektu wynosi 40 °C. My natomiast mamy regulację stałowartościową bufora na poziomie 55 °C ponieważ ten poziom temperatury gwarantuje nam komfort cieplny w każdej temperaturze zewnętrznej nawet tej minimalnej. Nasze optimum 40 °C zasilanie -(-7) °C powietrza zewnętrznego = 47 °C natomiast mamy 55 -(-7) = 62 °C różnicy. Pomiędzy stanem faktycznym a optimum 62 - 47 = 15 °C różnicy. Jeśli tylko przyjmiemy 1% straty na 1 stopień to mamy w tym przedziale temperaturowym (powietrza zewnętrznego -7) 15% straty w stosunku do wydajności czyli COP. Jeśli COP wynosił około 3 to już poprzez podniesienie temperatury zasilania spadł do 2,55 COP. 

Jeśli teraz przyjmiemy zakres temperatury dla tej strefy od -18 °C do +15 °C będziemy mieli 36 poziomów temperatury zewnętrznej. Dla każdej z tych stref utrzymując temperaturę zasilania na stałym poziomie 55 °C będziemy mieli różny spadek wydajności. Przy -18 °C spadek COP będzie równy 0 a to dlatego, że stała temperatura 55 °C będzie taka sama jak temperatura wynikająca z krzywej grzewczej czyli też 55 °C przy założeniu, że jest to maksymalna temperatura zasilania dla minimalnej temperatury obliczeniowej -18 °C, ponieważ grzejniki, które dobraliśmy do obiektu maja parametry 55/45 °C Takie parametry wystarczą do osiągnięcia komfortu cieplnego danego obiektu. 

Jak działa krzywa grzewcza?

Krzywa grzewcza jest to przyporządkowana temperatura zasilania do temperatury zewnętrznej, odwrotnie proporcjonalnie. Jeśli temperatura powietrza rośnie to temperatura zasilania spada. Jeśli spojrzymy na ogrzewanie jak na uzupełnianie strat ciepła w pomieszczeniu to wiemy o tym doskonale, że im cieplej na zewnątrz tym mniej ciepła przenika przez przegrody budynku. Mamy mniejsza stratę i mniejsze zapotrzebowanie na moc. Jeśli będziemy podawać ciepło do pomieszczeń o takim samym parametrze np. 55/45 przy temperaturze powietrza np. -7 °C to szybko przegrzejemy pomieszczenia chyba, że będziemy zwiększać przerwę w dostarczaniu ciepła. Tak właśnie działa termostat. Osiągamy zadana temperaturę i termostat wyłącza pompę obiegowa i pompę ciepła. Mamy częste załączenia i wyłączenia pompy co jest niekorzystne. Dużo lepszym sposobem regulacji jest regulacja pogodowa. Rozpatrując nadal przedział temperaturowy -18 °C do +15 °C każdy stopień to trochę poniżej 3% mocy mniej lub więcej zależy w, którą stronę pójdziemy. W takim razie możemy wyciągnąć wniosek, że począwszy od 55 °C temperatury zasilania przy -18 °C temperatury powietrza obniżając ją o około 2,78% na 1 stopień (2,78% z 55 °C) tj 1,53 °C otrzymamy idealną krzywą grzewczą. Czyli w okolicach 0 °C powietrza zewnętrznego temperatura zasilania powinna wynosić około 26 °C. Niestety to nie jest prawda i nie da się tak do tego podejść. Dlaczego?

Otóż grzejniki stalowe czy też aluminiowe maja swoją specyfikę budowy i parametry pracy. Weźmy pod uwagę najczęściej stosowane grzejniki płytowe, konwektorowe 1, 2, 3 płytowe. Grzejniki te w wielkim skrócie grzeją w około 70% przez promieniowanie a około 30% poprzez konwekcję, czyli ruch powietrza ogrzanego przez harmonijkę z blachy zamontowanej pomiędzy panelami grzejnika. 

Jeśli zajrzymy do instrukcji technicznej większości grzejników płytowych konwektorowych będziemy mieli tabelę doboru z trzema poziomami temperaturowymi. Najniższy poziom to właśnie 55/45 °C zasilanie/powrót. Jeśli chcielibyśmy zastosować inną temperaturę powrotu i zasilania np. 50/40 °C musimy skorzystać z tabeli współczynników. Najniższa temperaturę zasilania w tej tabeli mamy 40 °C. Poniżej tej temperatury wynik nie byłby miarodajny. Poniżej 40 °C wody zasilającej konwekcja jest ograniczona. To nie oznacza nic innego jak zakres krzywej grzewczej w naszym przypadku do 40 °C. W praktyce ustawiając krzywa dla grzejników grzewczą możemy zejść do temperatury 30 °C. Jeśli grzejniki są dobrze dobrane i budynek jest dobrze docieplony utrata 30% mocy grzejnika z konwekcji w temperaturach powietrza od 12–15 °C może nie być problemem.

Wróćmy więc do naszej pompy ciepła i różnic wydajności w sposobie regulacji stałowartościowej i pogodowej. Jeśli wszystko dobrze policzymy biorąc pod uwagę te zależności, o których była mowa wcześniej to różnica dla pomp z sprężarką scroll wynosi około 12–14 % na korzyść regulacji pogodowej. Dla pompy około 10 kW mocy różnica wynosi około 700–750 kWh na sezon. 

W pompach ciepła w których zastosowane są sprężarki rotacyjne  ta różnica może się pogłębić. Sprężarki te radzą sobie lepiej w niskich obrotach do 60–65 Hz. Powyżej ich wydajność spada dlatego też strata będzie większa. 

Podsumowując stronę pierwotną czyli pompę ciepła i nasz układ chłodniczy; 

Zawsze regulacja pogodowa będzie regulacją oszczędniejszą od stałowartościowej jeśli mówimy o modernizacji i grzejnikach. Dobrze dopasowana krzywa grzewcza daje komfort cieplny w obiekcie i najniższe koszty eksploatacji. 

To oznacza, że bufor w instalacji powinniśmy prowadzić w krzywej grzewczej nie w temperaturze stałowartościowej. Jak to zrobić? 

Jeśli pompa ciepła ma swoją krzywą grzewczą ustawiamy tryb bezpośredni i dobieramy krzywa pompy ciepła tak jak krzywą najwyższego obiegu. Jeśli jest jeden to tego jednego. Pompa pracuje do bufora na swojej krzywej, a obieg/obiegi na swojej. 

Jeśli pompa ciepła nie ma swojej krzywej lub krzywa grzewcza obiegu jest precyzyjniejsza (Ricom Heat Evi) możemy wykorzystać krzywą grzewcza obiegu z tym, że czujnik obiegu montujemy w buforze. Pompa ciepła będzie prowadzona w krzywej obiegu i zatrzyma się albo z polecenia termostatów elektronicznych albo kiedy temperatura powrotu do pompy ciepła przekroczy o 2 stopnie zadana temperaturę zasilania.  

Dobrze dobrana krzywa grzewcza nie powinna powodować przegrzewu nawet jeśli termostat nie wyłączy pompy obiegowej wyłączając źródło ciepła. Na dodatek głowice termostatyczne na zaworach grzejnikowych strefowo mogą doregulować temperaturę domykając lub zamykając całkowicie przepływ. Grzejnik w łazience i w toalecie możemy pozostawić z głowicami otwartymi jako obejście dla pompy obiegowej elektronicznej z regulowanymi obrotami. Pompa obiegowa ograniczy do minimum przepływ przez wspomniane dwa grzejniki. Ten stan zmieni się dopiero kiedy pomieszczenia się wychłodzą i głowice termostatyczne rozpoczną otwieranie zaworów termostatycznych na grzejnikach. Wtedy pompa obiegowa zwiększy przepływ tłocząc wodę grzewczą z bufora. Jeśli zapas wody grzewczej w buforze wystarczy na następny cykl grzewczy termostat nie uruchomi pompy. Szczególnie ważne w okresach niskiego obciążenia cieplnego budynku. Będziemy w ten sposób generować długie przerwy i zmniejszymy ilość uruchomień.  

Na koniec jeszcze odnieśmy się do przekonania, że do pompy nie ma za dużych grzejników. 

Porównajmy temperatury 55/45 °C i temperatury 40/30 °C. Różnica wynosi 3% czyli 140 kWh dla tej samej mocy czyli 10 kWh. Gdybyśmy przeliczyli te kWh 140 × 0,80 zł = 112 zł oszczędności rocznie. Różnica w cenie jednego grzejnika 1000 W wynosi około 400 zł × 10 tj 4.000 zł. Widzimy, że zwrot zainwestowanej kwoty to ponad 35 lat. 

Skąd taki mały procent w wydajności? Otóż porównujemy regulację pogodową do pogodowej. Jedyna różnica wynika z różnicy temperatury zasilania ale w najniższych temperaturach gdzie godzin pracy pompy ciepła jest mało. 60 % czasu pracy pompy to połowa jej mocy a tu temperatury zasilania dla obu przypadków będą zbliżone. Poniżej 30 °C raczej nie zejdziemy. 

Podsumowując, pamiętajmy, że w każdej pompie ciepła obowiązuje zasada, że wydajność rośnie kiedy różnica temperatury parowania i skraplania maleje. Na temperaturę parowania nie mamy wpływu. Zależna ona jest od temperatury powietrza zewnętrznego. Na temperaturę skraplania mamy wpływ bo zależna jest ona od temperatury zasilania instalacji grzewczej. 

Powietrzne pompy ciepła są wymagającymi źródłami ciepła, a i okoliczności montażu mogą być skomplikowane. Wszyscy, którzy montują pompy Ricom Heat mogą liczyć na wsparcie techniczne odnośnie montażu. Pozdrawiamy i życzymy miłego montażu!