Pompa ciepła i sterowanie ogrzewaniem a wymogi WT2021
Pompa ciepła i sterowanie ogrzewaniem a wymogi WT2021
Pompy ciepła to urządzenia wyjątkowo przyjazne dla środowiska. Ich popularność szybko rośnie, w czym wprowadzenie nowych WT2021 powinno jeszcze pomóc. Jednak żeby działały w sposób optymalny trzeba dobierać je według nieco innych zasad niż kotły i sterować nimi z dużą precyzją.
Pompy ciepła to urządzenia grzewcze. Czyli należą do tej samej grupy co kotły, kominki i piece. Jednak tak naprawdę, więcej je od nich dzieli niż łączy. Podobieństwo polega właściwie tylko na tym, że zarówno kocioł, jak i pompę możemy wykorzystać do ogrzewania budynku i przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Jednak czy ktoś słyszał o kotle, który latem chłodzi pomieszczenia? A pompy to potrafią. Dlatego dobór i użytkowanie pompy wymaga zmiany pewnych nawyków, wręcz schematów myślenia.
Jak działa pompa ciepła?
Pompa ciepła to szczególne urządzenie grzewcze, bo tak naprawdę nie wytwarza ciepła. Chociaż brzmi to paradoksalnie, to tak właśnie jest i stanowi istotę sposobu działania tego urządzenia. Pompa "jedynie" pobiera ciepło z otoczenia, przetwarza je na bardziej użyteczną postać i przekazuje je do instalacji grzewczej budynku. Czyli mówiąc ludzkim językiem - zasila podłogówkę lub grzejniki ciepłą wodą, albo podgrzewa wodę służącą do kąpieli.
Wiele osób podchodzi nieufnie do pomp ciepła, gdyż nie rozumie jak w ogóle możliwe jest ich działanie. Nie zdają sobie bowiem sprawy, że wszyscy korzystamy na co dzień z pomp ciepła. Wprawdzie szczególnego rodzaju i o niewielkiej mocy, ale funkcjonujących dokładnie według tych samych zasad. Są nimi bowiem lodówki! To samo można zresztą powiedzieć o klimatyzatorach. Wprawdzie traktujemy je jako urządzenia chłodnicze, a nie grzewcze, ale to tylko kwestia różnicy w sposobie wykorzystania tego samego schematu funkcjonowania.
Przyjrzyjmy się bliżej lodówce, urządzeniu które wszyscy znamy od lat. Wyposażona jest w zasilany energią elektryczną kompresor (sprężarkę) oraz dwa elementy, w których w obiegu zamkniętym krąży gazowy czynnik roboczy.
Elementy, w których w obiegu zamkniętym krąży gazowy czynnik roboczy:
parownik, w którym czynnik roboczy odparowuje, odbierając przy tym ciepło ze swojego otoczenia. Ta część znajduje się wewnątrz lodówki, w zamrażalniku i chłodziarce, gdzie odbiera ciepło od zgromadzonej żywności;
skraplacz, w którym czynnik roboczy ulega skropleniu, oddając przy tym ciepło do otoczenia. Ten element znajduje się z tyłu lodówki, i w czasie pracy sprężarki robi się ciepły (dlatego w sprzętach do zabudowy wymaga się, żeby był wentylowany).
Żeby te zjawiska zachodziły, niezbędne jest naprzemienne skraplanie i rozprężanie czynnika roboczego, do tego właśnie służy kompresor. Musi on wykonywać pracę, bo ruch ciepła odbywa się w kierunku przeciwnym do naturalnego - ciepło, pobrane z już i tak zimnego wnętrza lodówki zostaje wyrzucone do pomieszczenia.
Pompa ciepła, ogrzewając budynek (albo podgrzewająca c.w.u.), robi właściwie to samo, lecz ciepło pobiera z i tak już chłodnego otoczenia domu, żeby przekazać je do pomieszczeń. Czyli tam gdzie było zimno, robi się jeszcze zimniej, a tam, gdzie było ciepło, jeszcze cieplej. Pompa pracuje przy tym na inną skalę, z mocą przynajmniej 10 razy większą, niż kompresor lodówki. No i działa w trudniejszych, często bardzo zmiennych warunkach.
Pod względem sprawności pompy ciepła górują nad pozostałymi urządzeniami grzewczymi. (fot. SAS)
Najwyższa sprawność pompy ciepła
Powtórzmy - pompa nie wytwarza ciepła - w tym sensie, że w przeciwieństwie do kotła nie zużywa paliwa lub energii elektrycznej, żeby zamienić je na ciepło. Za to czerpie z otoczenia ciepło, które już tam jest - w ziemi, wodzie, lub powietrzu. Energia elektryczna jest potrzebna, żeby umożliwić ten proces. To trochę tak, jak pompa studzienna, która przecież nie wytwarza wody. Ona jedynie czerpie ją ze studni i zapewnia jej właściwe ciśnienie w instalacji domowej.
Dlatego, jeżeli uwzględnimy tylko energię elektryczną napędzającą pompę ciepła (bo tylko za nią płacimy), to okaże się, że mamy urządzenie o fantastycznej sprawności 300-400% jako średnia roczna. Innymi słowy, oznacza to, że pompa pobierając 1 kWh prądu, przekazała do instalacji domowej 3-4 kWh ciepła. Nie dziwmy się więc, że pompy ciepła uważane są za ekologiczne i niezwykle oszczędne. Bo jak na tym tle wygląda np. 95% sprawności kotła?
Infografika: Dlaczego warto wybrać pompę ciepła?
Czym jest COP?
COP to skrót od - Coefficient of performance - współczynnik efektywności. Wyraża on stosunek ilości oddanego przez pompę ciepła do ilości zużytej energii elektrycznej. W odniesieniu do pomp ciepła używa się go powszechnie, niejako zamiast posługiwania się wyrażoną w procentach sprawnością. Jest to wygodniejsze i trzeba przyznać, że w przeciwieństwie do sprawności wynoszącej 400% nie budzi skojarzenia z jakimś oszustwem.
Skąd bierze się wartość COP? W trybie ogrzewania, energia zaczerpnięta z otoczenia i ta z sieci się sumują. W praktyce znaczy to, że np. przy COP wynoszącym 3, pobierając 1 kWh prądu z sieci, przekazujemy ostatecznie 3 kWh ciepła do instalacji (1 z sieci + 2 z otoczenia). Im więc COP wyższe, tym eksploatacja pompy kosztuje mniej. Jest też bardziej przyjazna dla środowiska, bo przecież żeby pompa działała, musimy skądś wziąć prąd do jej zasilania. I tu zaczyna się problem, bo w naszym kraju jest to zwykle spalanie węgla w elektrowni, z bardzo marną sprawnością. Ale o tym za chwilę.
Przede wszystkim musimy wiedzieć, że COP jest wartością bardzo zmienną. Nie dajmy się więc złapać na deklaracje w rodzaju "COP do 4,5". Bo w tym stwierdzeniu najważniejsza jest cząstka "do". Dokładnie tak samo, jak w reklamach wyprzedaży.
COP zależy, oczywiście, od konstrukcji samej pompy ciepła.
COP zależy w ogromnym stopniu także od temperatury:
tzw. źródła dolnego, czyli miejsca, z którego pobieramy ciepło (grunt, woda, powietrze);
tzw. źródła górnego, czyli temperatury wody w domowej instalacji c.o.
Dlatego COP tej samej pompy może raz wynosić 4, innym razem zaś zaledwie 2, zależnie od warunków pracy. Najbardziej widać to w przypadku pomp wykorzystujących powietrze zewnętrzne, którego temperatura w sezonie grzewczym zmienia się przecież od -20°C do +10°C (lub nawet więcej). Tym bardziej nie możemy rzetelnie porównać dwóch urządzeń, jeżeli nie wiemy w jakich warunkach wyznaczano ich parametry.
Co nie mniej istotne, nawet dla jednego urządzenia nie można z jednej wartości COP, np. dla temperatury zewnętrznej +7°C oraz wody w instalacji +35°C, wnioskować, jaka będzie ona przy -10°C, albo gdy temperaturę wody w obiegu podniesiemy do +45°C. Dlatego solidni producenci podają w dokumentacji wykresy lub tabele wartości współczynnika COP dla różnych temperatur po stronie źródła górnego i dolnego. To najlepszy sposób oceny efektywności energetycznej pompy i rzecz wręcz niezbędna dla projektanta. Brak tego rodzaju danych powinien być dla nas sygnałem ostrzegawczym - prawdopodobnie nie ma się czym chwalić.
Z nie mniejszą ostrożnością trzeba podchodzić do tzw. sezonowego współczynnika efektywności, określanego skrótem SCOP. Znajdziemy go np. na etykietach energetycznych urządzeń. Z założenia ma on pokazywać średnią sezonową sprawność urządzeń. Idea słuszna, tyle że warunki, w których się go wyznacza, mogą bardzo daleko odbiegać od rzeczywistych warunków pracy.
Przede wszystkim SCOP jest określany najczęściej tylko dla strefy klimatycznej nazywanej cokolwiek myląco "strefą klimatu umiarkowanego". Polska zaś, zgodnie z tymi samymi przepisami, leży w "strefie klimatu chłodnego". Szczególnie względem chłodniejszych regionów naszego kraju (choćby północny wschód - Suwałki, Augustów) różnice mogą być znaczne. Bowiem w strefie klimatu umiarkowanego zakłada się, że temperatura nie spada w ogóle poniżej -10°C. A i to zaledwie na jedną godzinę w ciągu całego sezonu grzewczego.
Dlatego na współczynnik SCOP patrzmy tylko przy bardzo wstępnej selekcji. Pełnych danych o sprawności w różnych warunkach pracy on nie zastąpi.
Pompy typu powietrze/woda pracują z bardzo różną sprawnością, zależnie od zmian temperatury powietrza zewnętrznego. (fot. Neoheat)
Pompy ciepła i współczynnik EP
Wszystko, to co napisaliśmy dotychczas - o sposobie działania i sprawności pomp - było konieczne, żeby zrozumieć, jak ich zastosowanie wpłynie na bilans energetyczny budynku. Szczególnie w kontekście wymogów WT2021 i zawartego w nim obowiązku obniżenia wskaźnika EP - zapotrzebowania na tzw. nieodnawialną energię pierwotną. Z punktu widzenia użytkownika pompy (właściciela domu) najważniejsze jest zwykle to ile zużyje energii, za którą musi zapłacić. Ale dla tworzących te przepisy sprawa wygląda zupełnie inaczej. Bowiem współczynnik EP z założenia nie ma wcale służyć do oceny kosztów eksploatacji budynku, lecz jego wpływu na środowisko. Dokładniej mówiąc - ilości emitowanego w związku z tym dwutlenku węgla (CO2).
W związku z tym ilość faktycznie dostarczonej do budynku energii (w postaci paliwa lub prądu) mnożymy przez tzw. współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej. Jego wartość jest uzależniona od tego w jakim stopniu pozyskanie i użycie tej formy paliwa zwiększa ilość CO2 w atmosferze. W związku z tym korzystanie z biomasy (np. peletów) uznano za obarczające środowisko w niewielkim stopniu, bo dwutlenek węgla - emitowany przy spalaniu biomasy - wcześniej został przecież pobrany z atmosfery przez rośliny, z których ją wytworzono. Za to najwyższy wskaźnik charakteryzuje energię elektryczną z sieci. Wszystko dlatego, że sprawność jej wytwarzania i dystrybucji jest bardzo niska, około 30-40%. Co oznacza, że z 3 ton spalonego przez elektrownię węgla, końcowy odbiorca otrzymuje tylko tyle energii, ile zawierała 1 tona opału!
To bardzo zła wiadomość dla użytkowników pomp ciepła, bo ostatecznie współczynniki nakładu wyglądają następująco:
3,0 - energia elektryczna;
1,1 - gaz, węgiel, olej opałowy;
0,2 - biomasa (np. drewno lub pelety);
0,0 - energia słoneczna.
Zgodnie z WT2021 rocznie EP może wynosić maksymalnie 70 kWh/m2 powierzchni użytkowej. Wcześniej było to 95 kWh/m2.
Obejmuje to zapotrzebowanie na:
ogrzewanie;
wentylację;
przygotowywanie c.w.u.
Problem polega na tym, że typowy dom jednorodzinny o powierzchni użytkowej do 150 m2, spełniający wymagania odnośnie izolacyjności przegród zewnętrznych na poziomie WT2021, ale bez rekuperatora czy OZE w postaci kolektorów słonecznych lub paneli PV, będzie faktycznie wymagał dostarczenia ok. 80 kWh/m2. Czyli zbyt dużo, jak na ogrzewanie konwencjonalne (kocioł). Ale również na pompę o niezbyt wysokim COP. W tym momencie znaczenie ma oczywiście średnia w skali całego roku, także z przygotowywaniem c.w.u. poza sezonem grzewczym. Musimy przecież uwzględnić nie tylko COP, lecz i bardzo wysoki współczynnik nakładu wynoszący 3.
Roczny wskaźnik COP równy 3 zaledwie go znosi. Wówczas, żeby spełnić wymogi WT2021, zapotrzebowanie domu na energię nie może przekroczyć 70 kWh/m2 (70 × 3 : 3 = 70). Za to w domu wyposażonym w pompę o wyższej sprawności, np. COP = 3,5 - faktyczne zapotrzebowanie na energię może już wynieść 81 kWh/m2 (81 × 3 : 3,5 = 69,4).
W związku z tym można się spodziewać, że po wejściu w życie WT2021 wzrośnie zainteresowanie pompami o wysokiej sprawności. Na atrakcyjności zyskają także pompy, nawet droższe, ale wykorzystujące źródła dolne gwarantujące lepszy COP. Ponadto projektanci będą najpewniej przykładać większą wagę do optymalizacji instalacji grzewczych. Zarówno jeżeli chodzi o sama ich budowę, jak i sterowanie. Bo akurat w przypadku pomp ciepła, ten ostatni aspekt ma jeszcze większe znaczenie, niż w przypadku kotłów. Pozwala zmniejszyć zużycie energii nawet o ponad 20%.
Sposobem na zmniejszenie wskaźnika EP, w stosunku rocznym nawet do zera, może być także założenie instalacji PV. Bo wtedy do zasilania pompy pozyskujemy prąd z energii słonecznej, dla której współczynnik nakładu jest zerowy.
Pompy ciepła to urządzenia przyjazne dla środowiska. Czerpią ciepło z zasobów odnawialnych. (fot. Vaillant)
Pompa ciepła tylko do c.w.u.
Niewielkie pompy ciepła, przeznaczone tylko do c.w.u., mają bardzo duży udział w statystykach sprzedaży. Trzeba je jednak wyraźnie odróżnić. W końcu ogrzewanie budynku to zupełnie inne zadanie, któremu akurat te urządzenia nie są w stanie podołać.
Pompy ciepła używane do podgrzewania wody użytkowej mogą:
zmniejszyć rachunki;
obniżyć wskaźnik EP budynku;
uwolnić posiadaczy kotłów na paliwa stałe od konieczności rozpalania w nich poza sezonem grzewczym (tylko na potrzeby c.w.u.).
Różnica kosztów eksploatacyjnych jest duża przede wszystkim względem podgrzewania wody prądem (grzałką). Zużycie energii elektrycznej jest 3-4 razy mniejsze. I o tyle też zmniejszają się rachunki. Oraz - co ważne w kontekście WT2021 - wskaźnik EP. Którego częścią składową jest przecież zużycie energii na c.w.u.
Gdy mamy względnie tanie w eksploatacji i niekłopotliwe źródło ciepła, takie jak kocioł na gaz ziemny, różnica w rachunkach będzie już znacznie mniejsza. Nie wpłyniemy też znacząco na wartość EP. Wyjątkiem jest sytuacja, gdy dysponujemy prądem z własnej mikroinstalacji z panelami PV. Wtedy możliwe jest obniżenie tego wskaźnika do zera (na c.w.u.).
W przypadku kotłów na paliwa stałe, chodzi w pierwszym rzędzie o wygodę. Bo pompa nie wymaga obsługi. Spadek wartości EP nie będzie zaś zbyt duży. Nieco paradoksalnie, może nawet wzrosnąć, jeżeli mamy kocioł na pelety lub drewno. Oczywiście, w sytuacji, gdy pompę zasilamy prądem z sieci, nie zaś z ogniw PV.
Małe pompy do c.w.u. są popularne i stanowią poważną konkurencję dla kolektorów słonecznych. Montuje się je łatwiej, bo nie trzeba wchodzić na dach, prowadzić stamtąd rur, nie ma znaczenia orientacja domu względem stron świata. Nie ma też obaw o takie zjawiska jak przegrzanie latem i nie ma znaczenia pogoda i nasłonecznienie - byle nie było zbyt zimno.
Pompy tego rodzaju są najczęściej zblokowane z dużym zbiornikiem wody, o pojemności 200-300 l. Można jednak kupić również urządzenia przystosowane do współpracy z dowolnym już posiadanym zbiornikiem c.w.u. W takim wariancie przeróbki istniejącej instalacji w kotłowni można ograniczyć do minimum.
Źródło dolne pompy ciepła
Źródło dolne to branżowe określenie tej części otoczenia budynku (ewentualnie jego samego), z której pompa pobiera ciepło. Jego rodzaj i wielkość jest nie mniej ważny niż samo urządzenie. Bo skoro pompa tak naprawdę nie wytwarza ciepła tylko pobiera je z otoczenia, to zbyt małe źródło ciepła w ogóle może uniemożliwić jej działanie. Jeżeli zaś temperatura źródła dolnego będzie niższa od zakładanej, to drastycznie może spaść sprawność pompy (COP) oraz jej moc. Używając analogii z pompami do wody - nawet najlepsza nie będzie w stanie normalnie działać, jeżeli studnia wyschnie albo bardzo spadnie w niej poziom wody.
Dlatego źle wybrane źródło ciepła, zbyt mała lub wadliwie wykonana instalacja po jego stronie będzie przyczyną awarii, niedogrzania domu w czasie większych mrozów, albo przynajmniej nieekonomicznej pracy całego układu grzewczego.
Źródłem dolnym może być grunt, wówczas:
układa się w nim tzw. kolektor poziomy, czyli rury z płynem niezamarzającym na głębokości ok. 1,5 m;
wykonuje się głębokie na kilkadziesiąt metrów odwierty i w nich umieszcza rury, tzw. sondy pionowe;
zamiast poziomych rur z płynem niezamarzającym układa się rury miedziane, wypełnione czynnikiem roboczym pompy, to system z tzw. bezpośrednim odparowaniem.
Jako źródło dolne pompy ciepła można też wykorzystać wody:
podziemne czerpie się jedną studnią, a po schłodzeniu wtłacza do drugiej (zrzutowej);
powierzchniowe oddają ciepło kolektorowi poziomemu ułożonemu na dnie stawu lub rzeki.
Da się też czerpać ciepło wprost z powietrza, nie trzeba wówczas wykonywać instalacji po stronie źródła dolnego.
Powietrze do zasilania pomp ciepła może być:
zewnętrzne, w przypadku pompy służącej do ogrzewania budynku;
zewnętrzne lub wewnętrzne - w przypadku pompy tylko do c.w.u. Czerpanie powietrza z wnętrza ochładza budynek, co ma sens tylko w sezonie letnim.
W ostatnich latach rynek wyraźnie zdominowały pompy typu powietrze/woda, czyli wykorzystujące powietrze zewnętrzne jako źródło dolne. Ich atutami są najniższa cena, łatwość instalacji i możliwość użycia na każdej działce. Bo przecież w tym przypadku nie wykonujemy żadnej instalacji po stronie źródła dolnego. Jednak trzeba się liczyć z tym, że ich współczynnik COP będzie nieco niższy, niż w przypadku pozostałych rodzajów.
Obecnie najpopularniejsze są pompy typu powietrze/woda. Łączą dobre parametry z przystępną ceną. (fot. Gree)
Kłopotliwy jest zwłaszcza spadek sprawności i mocy w czasie dużych mrozów. Bo przecież właśnie wtedy potrzebujemy najwięcej ciepła. Dlatego zwykle instalacje tego rodzaju projektuje się jako biwalentne, czyli z drugim źródłem ciepła (najczęściej grzałkami elektrycznymi) uruchamianym przy znacznym spadku temperatury zewnętrznej. Przykładowo, do -10°C, to tzw. temperatura biwalencji.
Nie można zapominać, że niższy COP oznacza automatycznie wzrost wskaźnika EP. Który jeszcze się pogorszy, jeżeli jako drugie źródło ciepła posłużą grzałki elektryczne. Choć patrząc na koszty eksploatacji ich wpływ będzie marginalny. Niewątpliwie pod tym względem WT2021 utrudnią jednak pracę projektantom ogrzewania.
Z kolei podstawową zaletą gruntu jako źródła dolnego jest stabilna, dodatnia temperatura przez cały sezon grzewczy. Dlatego prościej jest uzyskać wysoką wartość COP i ostatecznie niski wskaźnik EP. Co ważne, prościej jest zaprojektować samą instalację grzewczą. Bo dysponujemy praktycznie stałą mocą ogrzewania, niezależnie od zmian temperatury zewnętrznej. No i nie ma konieczności tworzenia układu biwalentnego z drugim źródłem ciepła.
Najmniej popularne są układy wykorzystujące wodę jako źródło dolne. Teoretycznie mają one najlepsze parametry, gdyż woda jest rewelacyjnym nośnikiem ciepła. Żeby uzyskać tyle energii co ze schłodzenia 1 l wody o 1°C, trzeba o tyle samo ochłodzić blisko 4 m3 (4000 l) powietrza! Jednak w praktyce wody gruntowe bardzo często są nadmiernie zanieczyszczone, np. związkami żelaza, co prowadzi do zapchania wymienników ciepła. A przede wszystkim nie wszędzie wody są w ogóle dostępne w wystarczającej ilości.
Infografika: Jakie pompy ciepła kupują Polacy?
Źródło górne pompy ciepła
Źródło górne to z kolei żargonowe określenie tego co możemy nazwać drugą stroną instalacji z pompą ciepła - tym co służy przekazywaniu ciepła do pomieszczeń. Źródłem górnym mogą być więc grzejniki, podłogówka lub innego rodzaju ogrzewanie płaszczyznowe. Przy czym grzejniki są zdecydowanie mniej popularne. Zupełnie wyjątkowo w naszym kraju spotyka się zaś ogrzewanie powietrzne. Zwykle w przypadku urządzeń, które przede wszystkim są klimatyzatorami, ale w tzw. rewersyjnym (odwróconym) trybie pracy ogrzewają pomieszczenia. Nie jest to jednak popularne w domach jednorodzinnych. Chociaż w budynkach o skrajnie małym zapotrzebowaniu na ciepło (bliskich standardom pasywnym), spotyka się je często.
Najważniejsze, żebyśmy zapamiętali, że zastosowany sposób ogrzewania i sterowania instalacją ma zasadnicze znaczenie dla sprawności pompy ciepła oraz kosztów eksploatacyjnych. To nie kocioł, gdzie różnica pomiędzy temperaturą zasilania 35°C czy 45°C będzie w rachunkach zauważalna w niewielkim stopniu albo wcale. W przypadku pompy uzyskanie jak najmniejszej różnicy pomiędzy źródłem dolnym i górnym jest priorytetem. Dlatego poleca się przede wszystkim ogrzewanie płaszczyznowe. Grzejniki zaś powinny być specjalnego rodzaju i/lub większe od typowych. A od dbania o utrzymania optymalnych warunków pracy jest dobra automatyka.
Ogrzewanie płaszczyznowe, zwykle podłogowe, to bardzo dobre źródło górne dla pompy. (fot. Uponor)
Ile daje sterowanie w instalacji grzewczej?
Właściwa regulacja instalacji grzewczych i prawidłowe sterowanie nimi to chyba najbardziej zaniedbany element, jeśli chodzi o domowe instalacje grzewcze w ogóle. Większość inwestorów nie jest nawet świadoma tego, że wiele niedoskonałości w działaniu ogrzewania nie wynika wcale z wad samych kotłów i pomp ciepła, grzejników, podłogówki oraz pomp obiegowych, tylko właśnie z nieodpowiedniego sterowania działaniem tych wszystkich elementów. Czy nawet z od początku źle skonfigurowanych parametrów samego obiegu wody grzewczej. To właśnie źle ustawiony przepływ i wadliwe sterowanie powodują, że w jednych pomieszczeniach jest zbyt ciepło, a w innych za zimno, z zaworów dobiegają uciążliwe szumy i piski, urządzenia grzewcze wyłączają się, gdy powinny działać, czy nawet przechodzą w stan sygnalizacji awarii.
Co ważne, marnujemy też mnóstwo pieniędzy. Nieodpowiednio działające ogrzewanie może generować nawet o 20-30% wyższe koszty. Z czego nie będziemy sobie nawet zdawać sprawy, tak długo jak nie zostanie ono poprawione. Po prostu wcześniej nie mamy przecież skali porównawczej, punktu odniesienia. I podkreślmy, że piszemy tu o instalacjach grzewczych działających z pozoru zupełnie normalnie.
Naprawdę dobre sterowanie działa w pełni automatycznie. My musimy jedynie ustawić pożądaną temperaturę we wnętrzach. (fot. Uponor)
Sterowanie pompą ciepła pod specjalnym nadzorem
Systemy z pompą ciepła są szczególnie wrażliwe na złe ustawienie parametrów instalacji i błędne sterowanie. Oczywiście, każde źródło ciepła będzie wówczas działać gorzej. Jednak kotły nie ucierpią aż w takim stopniu. Natomiast podniesienie lub obniżenie temperatury wody w obiegu o 10°C to dla pompy radykalna zmiana. Zupełnie inna będzie nie tylko sprawność, ale nawet moc urządzenia.
Niskotemperaturowe instalacje grzewcze
We współczesnym budownictwie zaczynają dominować tzw. niskotemperaturowe instalacje grzewcze. To przede wszystkim podłogówka, mniej powszechne inne rodzaje ogrzewania płaszczyznowego (sufitowe i ścienne) oraz specjalne rodzaje grzejników, osiągające wysoką moc przy temperaturze zasilania ok. 40°C. Takie właśnie rozwiązania są wskazane dla pomp ciepła oraz kotłów kondensacyjnych, pozwalają osiągnąć im optymalne warunki pracy.
Ma się rozumieć, że nie możemy ot tak, bez ograniczeń obniżać temperatury wody w obiegu. Bo wraz z jej spadkiem gwałtownie maleje też ilość oddawanego do wnętrz ciepła. Wszyscy wiemy przecież, że mniej gorący grzejnik oddaje je słabiej.
Zwiększyć ilość ciepła przekazywanego do pomieszczenia możemy na trzy sposoby:
podnosząc temperaturę grzejnika;
zwiększając jego powierzchnię (powierzchnię wymiany ciepła);
zwiększając intensywność wymiany ciepła z otoczeniem, np. przez dodanie wentylatora do grzejnika (intensywniejsza konwekcja).
Mając pompę ciepła staramy się przekazać do pomieszczeń określoną ilość ciepła, zachowując przy tym możliwie niską temperaturę wody w obiegu c.o. Zostają więc dwie pozostałe metody. Dlatego wyraźną przewagę ma ogrzewanie płaszczyznowe, bo powierzchnia podłogi jest przynajmniej kilkanaście razy większa niż powierzchnia grzejnika ściennego. Grzejniki też można zwiększyć, ale nie aż do tego stopnia.
Można jeszcze stosować specjalne konstrukcje grzejników. Mają wentylator, który wzmaga ruch powietrza, a więc i odbiór ciepła. Najczęściej to tzw. klimakonwektory, które wykorzystuje się latem do chłodzenia, puszczając przez nie zimną wodę.
Tylko specjalne rodzaje grzejników potrafią dobrze współpracować z pompami ciepła. Klimakonwektory można też wykorzystać do chłodzenia. (fot. Daikin)
Jak powinna działać automatyka sterująca instalacją grzewczą?
Jak więc w takim razie powinna działać automatyka sterująca naszą instalacją grzewczą? W przypadku pomp ciepła podstawowa zasada brzmi: utrzymywać najniższą możliwą temperaturę wody w obiegu. Warto się tego trzymać mając także kocioł kondensacyjny. Wtedy bowiem sprawność tych urządzeń jest najlepsza. W związku z tym staramy się raczej utrzymywać ciągłość ich pracy. W efekcie, jeśli zapotrzebowanie na ciepło spada, to automatyka powinna zaordynować obniżenie temperatury przygotowywanej wody, a nie wyłączać pompę.
Dobre sterowanie jest kluczowe w przypadku pomp powietrze/woda. (fot. Wolf)
Tu jest jeszcze jeden ważny aspekt - sprężarce pompy szkodzi praca w krótkich cyklach włącz/wyłącz. Już ich własna automatyka stara się temu zjawisku zapobiegać. Ale do tego potrzebne jest zapewnienie odbioru wytworzonego ciepła. Problemu generalnie nie ma, gdy w całym budynku mamy podłogówkę z grubą i ciężką wylewką. To po prostu potężny akumulator ciepła, którego temperatury nie da się zmienić w parę minut. Cykle pracy są więc zawsze długie.
Trudniej, jeżeli ułożono podłogówkę w systemie lekkiej zabudowy z tzw. suchym jastrychem, zastosowano grzejniki, albo na poszczególnych pętlach zainstalowane są elektrozawory odcinające przepływ wody. W takich układach potrzebna jest szczególna dbałość o sterowanie. Ewentualnie nawet założenie zbiornika buforowego wody grzewczej. Bo powiększając objętość wody w instalacji wydłużamy automatycznie czas jej ogrzewania się i stygnięcia.
Każdy dobry układ sterowania musi bowiem uwzględniać nie tylko specyfikę samego źródła ciepła i to jakie parametry ogrzewania są dla niego dopuszczalne. Nie mniej istotne są cechy budynku - to jak szybko nagrzewa się i stygnie, ile ciepła jest w stanie wchłonąć itd.
W przypadku pomp ciepła warto jeszcze uwzględnić znaczną zmienność kosztów jej pracy. Dla pomp typu powietrze/woda, lepsza jest np. praca w dzień niż w nocy. Bo wtedy właśnie temperatura powietrza zewnętrznego jest najwyższa. Nocą następuje zaś spadek temperatury zewnętrznej, co nieuchronnie odbija się na sprawności pompy.
Ale sytuacja nie jest już jednoznaczna, jeżeli bierzemy pod uwagę korzystanie z tzw. drugiej taryfy, czyli tańszego prądu głównie w nocy, droższego zaś w dzień. Wtedy trzeba zbadać, czy ma sens niższa sprawność, lecz tańszy prąd. A może w przypadku naszego domu druga taryfa w ogóle się nie opłaci, jeżeli większość energii elektrycznej zużywamy na inne cele niż ogrzewanie.
Jarosław Antkiewicz Na zdjęciu otwierającym: Parametry pracy instalacji grzewczej można monitorować używając tabletu lub telefonu. (fot. Bosch)
Człowiek wielu zawodów, instalator z powołania i życiowej pasji. Od kilkunastu lat związany z miesięcznikiem i portalem „Budujemy Dom”. W swojej pracy najbardziej lubi znajdywać proste i praktyczne rozwiązania skomplikowanych problemów. W szczególności propaguje racjonalne podejście do zużycia energii oraz zdrowy rozsądek we wszystkich tematach związanych z budownictwem.
W wolnych chwilach, o ile nie udoskonala czegoś we własnym domu i jego otoczeniu, uwielbia gotować albo przywracać świetność klasycznym rowerom.
Skomentuj
