Zadaniem instalacji grzewczej jest stworzenie takiego klimatu wewnątrz budynku, który będzie odpowiadał potrzebom cieplnym jego mieszkańców.
Na wzór układu krwionośnego: instalacja centralnego ogrzewania rozprowadza ciepło po całym organizmie – budynku, w celu uzyskania wymaganej równowagi termicznej.
Dystrybuowanie odpowiedniej ilości ciepła następuje z wykorzystaniem takich elementów instalacji jak:
• źródło ciepła np. pompa ciepła
• sieć przewodów
• armatura regulacyjna i równoważąca
• grzejniki i/lub ogrzewanie podłogowe
• pompy obiegowe
• urządzenia zabezpieczające.
W wyniku współpracy danych elementów uzyskujemy odpowiedni klimat wewnętrzny i równomierny przestrzenny rozkład temperatury odczuwalnej .
Spis treści:
Serce instalacji grzewczej
Źródło ciepła, będące kluczową częścią instalacji grzewczej musi dostarczyć taką ilość energii, która:
• zrównoważy straty ciepła przez przenikanie
• umożliwi ogrzanie powietrza wentylacyjnego
• powoli na przygotowanie ciepłej wody użytkowej.
Parametrem w oparciu o który dobiera się wielkość źródła ciepła jest obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło w skrócie: OZC, wyrażone w kW energii cieplnej.
W uproszczeniu obliczeniowe zapotrzebowanie na ciepło to iloczyn strat oraz zysków ciepła, przy określonej różnicy temperatury ΔT.
OZC = straty ciepła – zyski ciepła
Straty ciepła w budynkach mieszkalnych związane są głównie z przenikaniem ciepła przez:
• ściany zewnętrzne
• ściany wewnętrzne
• dach, stropodach
• podłogę na gruncie
• stropy
• okna
• drzwi w związku z czym – kluczowym parametrem budynku jest odpowiednia izolacyjność cieplna przegród budowlanych.
Poza izolacyjnością cieplną na wielkość strat ciepła wpływają również: strefa klimatyczna, w której znajduje się budynek, oczekiwana temperatura powietrza w pomieszczeniach, rodzaj instalacji centralnego ogrzewania oraz parametry nośnika ciepła.
Zyski ciepła odnoszą się do strumienia ciepła od ludzi, oświetlenia, urządzeń oraz ciepła przenikającego przez przegrody np. w wyniku promieniowania słonecznego.
Wartość OZC jest obliczana indywidualnie dla każdego budynku i zamieszczana w projekcie domu, w części dotyczącej instalacji centralnego ogrzewania.
Pompa ciepła: wielkość ma znaczenie
O ile w przypadku kotłów zasilanych węglem, olejem napędowym czy gazem ziemnym do ogrzewania budynku przyjmuje się najczęściej jednostkę zawyżoną w stosunku do obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło, to przy pompie ciepła wielkość jednostki ma znaczenie.
Pompa ciepła nie wytwarza ciepła w procesie spalania.
Jej zadaniem jest transport energii z dolnego źródła (powietrza, gruntu, wody gruntowej) do górnego źródła (instalacji centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej) za pośrednictwem czynnika chłodniczego w układzie sprężarki. W związku z tym dobór wielkości pompy ciepła musi być precyzyjny.
Jak dobrać pompę ciepła?
Na poprawny dobór pompy ciepła wpływa:
1. Obliczenie obciążenia cieplnego budynku Wykonanie dokładnych obliczeń umożliwia norma PN-EN 12831.
2. Obliczenie zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową Przy całorocznym zaopatrywaniu się w ciepłą wodę z wykorzystaniem pompy ciepła należy założyć zwiększenie mocy grzewczej źródła ciepła o min. 0,25 kW na każdą osobę.
3. Zaprojektowanie instalacji centralnego ogrzewania Idealnym wymiennikami ciepła w instalacji pompy ciepła są powierzchniowe systemy grzewcze typu ogrzewanie podłogowe, które zapewniają ogrzewanie obiektu przy niskich temperaturach zasilania i powrotu. Ogrzewanie podłogowe pracuje w zakresie: • temperatura zasilania: 30 – 40°C • temperatura powrotu: 25 – 35°C.
4. Wybór źródła ciepła – pompy ciepła Najczęściej stosowanym trybem pracy pompy ciepła jest tryb monoenergetyczny, w którym pompa ciepła typu powietrze-woda współpracuje z grzałką elektryczną.
Współpraca obu źródeł ciepła jest związana z punktem biwalentnym.
Dla przypomnienia: Punkt biwalentny to temperatura powietrza zewnętrznego do której pompa ciepła pracuje samodzielnie.
Dla 5 zimowych stref klimatycznych w Polsce – dany punkt zawiera się w przedziale temperatury zewnętrznej od -12°C do -7°C. Przy temperaturach poniżej punktu biwalentnego np. przy -20°C -> praca pompy wspomagana jest dodatkowym, szczytowym źródłem ciepła, w postaci grzałki elektrycznej.
Dobro portfela
Dobór pompy ciepła ma na celu dobro naszego portfela, co oznacza: jak najniższe koszty eksploatacyjne przy jak najniższych kosztach inwestycyjnych.
„Za duża” pompa ciepła
Dobór pompy ciepła dla której punkt biwalentny będzie równy projektowej temperaturze powietrza zewnętrznego (uwzględnianej przy obliczeniach OZC) np. dla III strefy klimatycznej równej -20°C, będzie oznaczać dodatkowe koszty, zarówno eksploatacyjne, jak i inwestycyjne.
Jest to nieuzasadniony ekonomicznie wybór:
1. przewymiarowanej jednostki zewnętrznej pompy ciepła
2. która dodatkowo wymaga zastosowania większego zasobnika ciepłej wody użytkowej
3. oraz większego bufora na potrzeby centralnego ogrzewania.
Zastosowanie zasobników o większej pojemności (wg punktów 2 i 3) ma na celu zapobieganie taktowaniu sprężarki, w szczególności w okresach cieplejszych, w których regulacja wydajnością pompy ciepła nie jest możliwa.
Automatyka pomp ciepła umożliwia sterowanie pompą ciepła w zakresie od około 30 do 100% wydajności.
W okresach cieplejszych, gdy zapotrzebowanie budynku na ciepło jest mniejsze niż dane 30% wydajności pompy ciepła – praca sprężarki przechodzi z płynnej regulacji w tryb włącz/wyłącz. Zatem dobór zbyt dużej jednostki pompy ciepła wpływa na częste załączanie sprężarki i krótkie cykle jej pracy, które finalnie skracają żywotność pompy ciepła.
Celem doboru pompy ciepła jest więc wybór takiego punktu biwalentnego, przy którym jednostka pompy ciepła nie jest przewymiarowana.
„Za mała” pompa ciepła
Dobór zbyt małej jednostki zewnętrznej pompy ciepła będzie skutkował niższymi kosztami inwestycyjnymi przy jednocześnie zwiększonych kosztach eksploatacyjnych. Droższa eksploatacja będzie wynikała z większego poboru energii elektrycznej przez grzałkę, która ma mniejszą sprawność wytwarzania ciepła od pompy ciepła.
Grzałka pracuje na zasadzie 1:1: Czyli z 1 jednostki energii elektrycznej w grzałce elektrycznej uzyskujemy 1 jednostkę energii cieplnej.
Pompa ciepła natomiast pracuje ze sprawnością 1:3: Czyli z 1 jednostki energii elektrycznej w pompie ciepła uzyskujemy (średnio) 3 jednostki energii cieplnej. W związku z tym pamiętajmy, że udział grzałki w całkowitych kosztach ogrzewania ma stanowić około 2-5%, co daje optymalny koszt na poziomie 100-200 zł na rok. Zwiększając udział grzałki powyżej 5% (czyli przyjmując „cieplejszy” punkt biwalentny np. -2°C) znacząco zwiększamy koszty eksploatacyjne.
Po czym poznać niezawodną pompę ciepła?
1. Współczynnik COP
COP przy A7/W35 (EN 14511) | 4,76
COP przy A2/W35 (EN 14511) | 3,80
COP przy A-7/W35 (EN 14511) |2,91
COP przy A-15/W35 (EN 14511) |2,49
Podstawowym parametrem opisującym energetyczną jakość pompy ciepła jest jej współczynnik efektywności COP, określany w konkretnych warunkach pracy.
COP= Qc/Qe = (Qe+Qo)/Qe
Gdzie:
Qc – znamionowa moc grzewcza [kW]
Qe – znamionowa moc elektryczna [kW]
Qo – znamionowa moc chłodnicza [kW]
Przykład obliczeniowy: Qo=3kW + Qe=1kW Qc=4kW Co daje: COP = 4/1 = 4
Od czego zależy Qc, Qe, Qo pompy ciepła?
• temperatury zasilania obiegu grzewczego (grzejnikowe czy podłogowe) oraz żądanej temperatury w pomieszczeniach ogrzewanych
• temperatury dolnego źródła ciepła (powietrza zewnętrznego)
• temperatury ciepłej wody użytkowej
• układu sterowania
• charakterystyki cieplnej budynku (lokalizacja, powierzchnia ogrzewana, obciążenie cieplne budynku)
• przyjętego punktu biwalentnego, który wpływa na czas pracy pompy ciepła i drugiego źródła ciepła np. grzałki elektrycznej.
Dane wartości decydują o efektywności, a tym samym o kosztach eksploatacyjnych instalacji źródła ciepła.
2. Współczynnik SCOP SCOP (EN 14825) | 4,5
Parametrem, który charakteryzuje jakość pompy ciepła w konkretnym systemie grzewczym jest sezonowy (roczny) współczynnik SCOP (SPF).
SCOP=(∑Q_PC)/(∑E_EL)
Gdzie:
∑Q_PC – suma ilości ciepła pozyskanego z pompy ciepła na cele grzewcze oraz C.W.U. w ciągu roku [kWh/rok]
∑E_EL – suma ilości energii elektrycznej, jaka została zużyta przez pompę ciepła w ciągu roku [kWh/rok].
Im wyższy SCOP tym niższe są koszty eksploatacji.
Przy wyznaczaniu SCOP w instalacji grzewczej obowiązkowymi elementami instalacji są:
• licznik energii elektrycznej, pobranej przez wszystkie urządzenia instalacji
• ciepłomierz do pomiaru ilości ciepła wytworzonego przez pompę.
3. Moc grzewcza
Moc grzewcza przy A-7/W35 (EN 14511) | kW | 7,8
Moc grzewcza przy A-7/W45 (EN 14511) | kW |8,2
Moc grzewcza przy A-7/W35 (min/max) | kW | 3,00/7,80
Maksymalną moc grzewczą opisujemy jako: liczbę kW w warunkach np. A-7/W35.
Przy porównywaniu mocy grzewczej należy zwrócić uwagę na numer normy wg której została policzona dana wartość.
Parametry czynnika roboczego (chłodniczego), który pośredniczy w transporcie ciepła z dolnego do górnego źródła pompy ciepła, wpływają na efektywność pracy pompy, jak również stanowią o ekologiczności systemu.
Każdy czynnik chłodniczy jest opisywany przez wskaźniki:
• GWP (ang. Global Warming potential) – globalny potencjał ocieplenia
• ODP (ang. Ozon Depletion Potential) – potencjał niszczenia ozonu
• TEWI (ang. Total equivalent Warming impact) – całkowity równoważny wskaźnik ocieplenia które służą do oceny pod kątem ich wpływu na środowisko.
4. Moc akustyczna
Poziom mocy akustycznej jednostki zewnętrznej | dB | 52 | 53 | 52 | 59 Z działaniem pompy ciepła związana jest emisja dźwięku (hałasu), której głównym źródłem są sprężarka oraz wentylator.
Mocy akustycznej nie należy mylić z ciśnieniem akustycznym. Moc akustyczna odnosi się do stałej wartości hałasu – hałasu w źródle. Ciśnienie akustyczne natomiast przyjmuje zmienną wartość – w zależności od odległości od źródła hałasu. Różne modele pomp ciepła charakteryzują się różną wartością mocy akustycznej i należy pamiętać o zwróceniu uwagi na dany parametr, tak aby sobie oraz swoim sąsiadom zapewnić dyskretną pracę urządzenia oraz spełnienie wymogów normowych.