Pobór prądu przez pompy ciepła, cz.3

WSTĘP

Z dotychczasowych dwóch artykułów można by wywnioskować, że pompy ciepła są energożernymi urządzeniami, a to nieprawda. Skupiłem się bowiem na okresie zimowym i obliczeniowych temperaturach zewnętrznych, gdzie parametry pracy tych urządzeń są często na granicy możliwości. Gdybyśmy spróbowali podobne obliczenia przeprowadzić dla okresu letniego okaże się, że to najtańszy sposób przygotowania ciepłej wody. Czy tańszy od kolektorów słonecznych? Nie, jeśli świeci słońce i możemy korzystać z jego darmowej energii. Pamiętajmy jednak, że lato to nie tylko słoneczne dni i że słońce nie świeci przez cały dzień. Pompie ciepła słońce nie jest natomiast do niczego potrzebne. Wystarczy wysoka temperatura powietrza. Sprawność COP w tych warunkach wzrasta do >5. Oznacza to, że przygotowanie ciepłej wody w zasobniku o pojemności 200 litrów przez opisywaną już wcześniej jednostkę o mocy 10kW nie przekroczy 2kWh dziennie.

Oczywiście ponownie wysokość parametru COP będzie zależeć od docelowej temperatury górnego źródła. Im niższa, typ COP większy. Zużycie prądu przez pompę ciepła przy podgrzewaniu c.w.u. zależy też w praktyce od szeregu innych czynników, jak:

sposobu przygotowania ciepłej wody
korzystanie z dodatkowych trybów pracy, np. „legionella”, „party”
taryfy w lokalnej sieci energetycznej

Zużycie prądu przez pompę ciepła, a sposób przygotowania c.w.u.

Przygotowanie ciepłej wody przez pompę ciepła może odbywać się w różnych systemach pracy. Teoretycznie dostępne są cztery rozwiązania:

tylko dogrzewanie wody
przygotowanie c.w.u. według dobowego harmonogramu
harmonogram dobowy + dogrzanie wody
praca pompy ciepła w trybie „ciepła woda natychmiast”

Dogrzew wody

To jeden z popularniejszych systemów pracy stosowanych przez użytkowników. Pompa ciepła współpracuje tutaj z termostatem zasobnika i wyłącza się, kiedy temperatura w zasobniku osiągnie wymaganą wartość, oraz ponownie załącza, gdy spadnie o ustawioną histerezę. Jeśli np. ustawimy na zasobniku temperaturę docelową +50°C i histerezę 10K, to pompa ponownie załączy się przy spadku temperatury do +40°C. Wielu producentów zaleca w tym wypadku ustawienie nawet większej histerezy do 15-20K. Dlaczego tak dużo? Bo przy niższych wartościach pompa dość często będzie się przełączać w tryb grzania c.w.u. Pamiętajmy, że pompy ciepła to nie kotły c.o. Przy jednoczesnym grzaniu budynku i wody użytkowej (okres zimowy) muszą zmieniać krzywą grzania, aby dopasować parametry pracy do aktualnych wymagań górnego źródła. Aby tego dokonać, pompa ciepła musi wyłączyć sprężarkę, przełączyć zawory na obieg przez wężownicę zasobnika i ponownie się uruchomić.

Pamiętajmy też, że każdy pobór ciepłej wody z zasobnika powoduje dopływ z sieci wody zimnej i spadek końcowej temperatury. Przyjmując, że dopływająca do zasobnika zimna woda wymiesza się idealnie z wodą ciepła, temperaturę końcową wody można obliczyć ze wzoru:

gdzie:

t_k – temperatura końcowa wody w zasobniku (°C)
V_poc– całkowita pojemność zasobnika (litry)
V_pob– objętość pobranej ciepłej wody (litry)
t_gorąca– początkowa temperatura wody w zasobniku (°C)
t_zimna– temperatura wody zimnej z sieci (°C), zazwyczaj ok. +10°C

Przykład. Mamy zasobnik 200 litrów ustawiony na temp. +50°C. Jedna osoba bierze kąpiel i zużywa 40 litrów ciepłej wody. Woda jest jeszcze gorąca, więc przy tej temperaturze, uzyskanie 50 litrów w wannie pozwoli na częściowe zmieszanie z wodą zimną w baterii. Jaka będzie końcowa temperatura?

Przy histerezie 10K pompa ciepła jeszcze się nie załączy. Ustawienie 8K lub mniej, spowoduje automatyczne przełączenie pompy ciepła w tryb grzania c.w.u. W trybie tym pompa grzeje tylko zasobnik ciepłej wody, ogrzewanie budynku jest wyłączone. To dopuszczalny kompromis z uwagi na krótki czas grzania. Budynek ma zawsze swoją zdolność akumulacyjną i nie ulegnie zauważalnemu wychłodzeniu. Jak długo będzie pracować pompa ciepła?

Przy histerezie 10K wymagany pobór energii wyniesie:

Przy histerezie 20K zużycie energii będzie już dwukrotnie większe. Przez pompę ciepła o mocy 10kW energia 2,32kWh zostanie dostarczona w przeciągu zaledwie 15 minut, 4,64 kWh w niecałe pół godziny. Dalsze więc zmniejszanie histerezy nie ma sensu i spowoduje niepotrzebne, częste załączanie/przełączanie pompy ciepła w inny tryb grzania.

Dobowy harmonogram przygotowania c.w.u.

Jest skuteczny, gdy mamy możliwość wyboru taryf u operatora, a obecnie, gdy rozliczamy się według taryf dynamicznych i posiadamy magazyn energii. Pompy ciepła pozwalają zwykle na ustawienie od 1-4 programów grzania c.w.u. w ciągu doby. Ustawienie harmonogramu powoduje, że pompa ciepła będzie przygotowywać ciepłą wodę użytkową tylko w określonych godzinach doby, np. pomiędzy 18.00-22.00; między 6.00-10.00, itd., ale nie tylko. Harmonogram pozwala programować parametry ciepłej wody w zasobniku osobno dla każdego dnia tygodnia. Przy stosowaniu np. taryfy weekendowej G12w, gdzie tańszy prąd wystąpi przez całą sobotę i niedzielę, możemy ustawić inne parametry wody dla tych dwóch dni, a inne dla pozostałych dni tygodnia.

Jak ten cykl działa w praktyce?

Załóżmy, że w harmonogramie pompa ciepła ma ustawioną temperaturę 45°C od godziny od 6.00-10.00 i od 18.00-22.00. O godzinie 6.00 pompa załączy obieg przez wymiennik ciepła zasobnika i podgrzeje wodę do zadanej temperatury, po czym się wyłączy. Jeśli po tej godzinie zużyjemy ciepłą wodę pompa nie podgrzeje jej ponownie w tym cyklu pracy, aż na zegarze nie pojawi się kolejny program z tego dnia, czyli w naszym przypadku godz. 18.00.

Przykładowy widok programatora pompy ciepła przedstawiam poniżej.

Rys. Wygląd ekranu sterownika pompy ciepła Aquarea firmy Panasonic. Ozn. A. Wybór trybu, B. Ikony działania, C. Temperatura każdej strefy i typ czujnika, D. Temperatura zbiornika wody, E. Temperatura zewnętrzna

Na przedstawionym ekranie sterownika Aquarea temperatura c.w.u. ustawiona jest na 40°C, aktualna temperatura zewnętrzna to -10°C, temperatury 34 i 35°C odnoszą się do dwóch stref grzania w budynku. Poniżej przedstawiam przykładowe programowanie ciepłej wody i ogrzewania w poniedziałek. Tutaj od razu dodajmy, że pompy ciepła, a w zasadzie ich programatory, pozwalają (w zależności od modelu pompy) na wiele opcji grzania. Omawiany programator pozwala np. na wybór następujących trybów pracy:

1. tryb AUTO: pompa ciepła wybiera tryb OGRZEWANIA lub CHŁODZENIA, w zależności od ustawionej temperatury.
2.Tryb AUTO + ZBIORNIK: pompa ciepła wybiera tryb OGRZEWANIE + ZBIORNIK lub CHŁODZENIE + ZBIORNIK, w zależności od ustawionej temperatury.
3.Tryb OGRZEWANIA: pompa ciepła wytwarza tylko ciepło.
4.Tryb OGRZEWANIE + ZBIORNIK: pompa ciepła zapewnia ogrzewanie i ciepłą wodę użytkową. Ten tryb jest zalecany w sezonie zimowym.
5.Tryb COOL: pompa ciepła wytwarza tylko chłód.
6.Tryb CHŁODZENIE + ZBIORNIK: pompa ciepła wytwarza chłód i ciepłą wodę użytkową. Ten tryb jest zalecany w sezonie letnim.
7. Tryb ZBIORNIKA: pompa ciepła wytwarza tylko CWU. Ten tryb jest zalecany w sezonach, w których nie jest wymagane ogrzewanie ani chłodzenie.

Fot. Przykład ustawiania (programowania) sterownika pompy ciepła dla danego dnia tygodnia.

Przy zastosowaniu trybu 4. ogrzewanie + zbiornik, pompa ciepła w trybie tygodniowym pozwala na ustawienie różnych temperatur ciepłej wody i dodatkowo podbicia krzywej grzania o wybraną wielkość temperatury, dla wybranych godzin w ciągu dnia. Jak to działa w praktyce?

W przedstawionym na zdjęciu programatorze dla poniedziałku pompa ciepła włączy się o godz. 0:00 i zacznie grzać ciepłą wodę aż do osiągnięcia 50°C, po czym przejdzie w tryb grzania c.o. Z uwagi na jeszcze niską o tej porze taryfę weekendową (trwa do godz. 6.00), ogrzewanie będzie miało podbitą temperaturę na krzywej grzania o 3°C. Tak będzie do godziny 6.00, po czym (z uwagi na wzrost ceny prądu), krzywa grzania wróci do swojej normalnej pracy, a temperatura c.w.u. w zasobniku będzie od tej godziny podgrzewania maksymalnie do +40C. Co daje wcześniejsze podbicie temperatury? Brak ogrzewania budynku na czas grzania c.w.u. zostanie zrekompensowany wyższą temperaturą w podłogówce. Między godziną 13.00-16.00 w taryfie G12w mamy ponownie niższą cenę prądu, stąd kolejny skok wartości obu temperatur. Takie ręczne sterowanie możemy modyfikować w zależności od potrzeb dla każdego dnia tygodnia.

Harmonogram dobowy + dogrzanie wody

Opcja dostępna w wybranych modelach pomp ciepła, np. w pompie Altherma firmy Daikin. Program ten pozwala na dogrzewanie wody między kolejnymi cyklami grzania, ale do nieco niższej temperatury. Przykład: Pompa ustawiona jest na grzanie c.w.u. do temperatury +50°C między godziną 6.00-10.00 z dogrzewaniem przy spadku wody do temperatury minimalnej +30°C z histerezą 10K. Jak będzie pracować w tym trybie? O godz. 6.00 zacznie sie grzanie c.w.u. do maksymalnej temperatury +50°C w zasobniku. Jeśli woda zostanie następnie „rozebrana” przez użytkownika i jej temperatura w zasobniku spadnie do +30°C, załączy się dogrzewanie wody, ale tylko do temperatury 50°C minus histereza, czyli do +40°C. Rozwiązanie takie jest bardzo wygodne, bowiem zapewnia nam zawsze minimalną temperaturę wody w zasobniku.

Ciepła woda natychmiast!

Bardzo droga opcja, z której powinniśmy korzystać tylko sporadycznie. W niektórych modelach pomp ciepła znana jest pod nazwą trybu „PARTY” (impreza). Ta ostatnia nazwa dość dobrze oddaje jej przeznaczenie. Tryb ten ma bowiem za zadanie zapewnić w jak najkrótszym czasie ciepłą wodę w zasobniku, dlatego uruchamia w tym czasie wszystkie dostępne opcje grzania. Pompa ciepła pracuje zwykle na swoich najwyższych obrotach, załączana jest też dodatkowa grzałka elektryczna. Pobór prądu jest wtedy bardzo duży, niezależnie od taryfy, czy chwilowej sprawności pompy ciepła, ale czas przygotowania ciepłej wody skraca się nawet o połowę. Stosowanie tej opcji powinno być więc przemyślane i stosowane tylko w wyjątkowych przypadkach, jak np. przyjęcie gości, długa kąpiel.

Z uwagi na duży pobór energii w tym trybie, jest on załączany zawsze ręcznie przez użytkownika i jeśli nie zostanie przez niego zmieniony, pompy ciepła maja własne zabezpieczenie czasowe i automatycznie dezaktywują go po kilku godzinach.

Powyższy tryb pracy pompy ciepła jest często ukryty w sterowniku i znalezienie go wymaga wejścia w menu i wpisania kodu dostępu. Zwracam uwagę, że w tym trybie c.w.u. może mieć podniesione parametry. Jeśli np. ustawiliśmy przygotowanie c.w.u. w tryb oszczędny i temperatura na zasobniku nie przekracza 40-45°C, to po przejściu na tryb Party, Turbo, Wymuszenie, itp. parametry w zasobniku mogą wskoczyć na nowy poziom, np. +60°C, bo ten tryb zapewnia nie tylko szybką ciepłą wodę, ale też często zwiększa jej dostępną ilość (więcej ciepłej wody dla większej liczby osób). To nie wszystko. Tryb ten może też chwilowo zmieniać krzywą grzania, aby zapewnić wyższą temperaturę w budynku. Po zakończeniu przygotowania ciepłej wody zwiększy się więc pobór prądu dla zapewnienia wyższych parametrów pracy obiegu c.o.

Podsumowanie

To tylko kilka przykładów zachowania pompy ciepła przy podgrzewaniu ciepłej wody. Nie opisałem tutaj trybu najbardziej energożernego o nazwie „Legionella„. Poświęcę mu osobny odcinek, gdzie powiem też o innych czynnikach wpływających na pobór prądu. Z treści trzech dotychczasowych artykułów nasuwa się natomiast jeden wniosek – pompa ciepła to wymagające urządzenie, które oprócz codziennej wygody uczy też swoich właścicieli oszczędności energii.