Wstęp
Opisałem współpracę pompy ciepła z ogrzewanie podłogowym i zasobnikiem c.w.u. Jak poradzi sobie pompa ciepła z ogrzewaniem grzejnikowym? Skąd biorą się rachunki grozy w naszych domach i jak się przed nimi ustrzec? Z pewnością nie odpowiem na te wszystkie pytania, ale być może wyjaśnię przynajmniej kilka wątpliwości. Do rzeczy.
Czy pompa może współpracować z grzejnikami c.o.?
Oczywiście że tak, może, tylko po co? Ogrzewanie grzejnikami ściennymi to typowe rozwiązanie w starszych budynkach, nader często biorących udział w programie „Czyste powietrze„. Idea tego programu jest piękna, uzyskać efekt w postaci flagowej nazwy, jednak sposób w jaki traktuje się w nim końcowego uczestnika bynajmniej już taki czysty nie jest. Aby otrzymać dotację, należy zlikwidować dotychczasowe źródło ciepła i tutaj zaczynają się schody.
Pojawia się (nie mówię że zawsze, ale nader często) specjalista od pomp ciepła i wciska niemającemu pojęcia o kosztach ogrzewania klientowi jednostkę A/W mającą zastąpić dotychczasowego kopciucha. Pół biedy, gdy dom jest nowy, ma ogrzewanie płaszczyznowe i korzystał do tej pory z kotła gazowego. W takim modelu wymiana źródła na pompę ciepła nie powinna spowodować wzrostu kosztów, oczywiście pod warunkiem, że zakupiona jednostka będzie spełniała jakiekolwiek normy. Bardzo często jednak w budynku takim funkcjonuje kocioł na węgiel i grzejniki płytowe, albo żeliwne. Instalacja pracowała do tej pory na wysokich parametrach czynnika i na zasileniu w czasie mrozów królowało solidne +70-75°C. Co robi nasz specjalista?
„Proszę pana, trzeba będzie wymienić grzejniki na niskotemperaturowe i docieplić ściany, ale potem będzie pan już miał zupełnie inne wydatki„. Czy na pewno?
Jak wyglądają grzejniki niskotemperaturowe?
Otóż nijak, bo NIE MA TAKICH GRZEJNIKÓW! To absurd! Niskotemperaturowe to może być ogrzewanie ścienne lub podłogowe, ale nie zamocowany na ścianie grzejnik. Moc grzejnika jest funkcją jego parametrów pracy (średniej temperatury zasilania i powrotu, temperatury w pomieszczeniu i powierzchni wymiany ciepła). Im wyższe parametry i im większa powierzchnia wymiany ciepła (w praktyce im więcej płyt i lameli grzewczych) tym grzejnik ma większą moc.
Producenci podają zawsze moc danego grzejnika w oparciu o standardowe temperatury pracy systemu grzewczego, np. 75/65/20 stopni, czy 70/55/20 stopni, gdzie poszczególne temperatury oznaczają zasilenie/powrót/temperaturę powietrza w pomieszczeniu. Temperatury na zasileniu rzędu 70-75°C są jednak nieosiągalne dla pompy ciepła, a na pewno nie w zimie, przy niskiej temperaturze zewnętrznej. Dla zapewnienia pracy mieszczącej sie w „kopercie” danej jednostki, zwykle musimy ograniczyć maksymalną temperaturę grzejnika do +55 a nawet do +50°C. Co się wtedy dzieje z mocą grzejnika?
Moc rzeczywistą grzejnika c.o. można wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
- Qnom – jest mocą nominalną grzejnika dla z karty katalogowej [W]
- Δt rzecz – jest nadwyżką temperatury pomiędzy średnią rzeczywistą temperaturą grzejnika w układzie z pompą ciepła, a temperaturą w pomieszczeniu
- Δt nom – jest nadwyżką temperatury pomiędzy średnią rzeczywistą temperaturą grzejnika w katalogu, a temperaturą w pomieszczeniu
- n – wykładnik potęgi zależny od rodzaju grzejnika, np. 1,3 grzejników płytowych, 1,4 dla żeliwnych członowych
Wartość Δt wyznacza się ze wzoru:
gdzie:
- tz – temperatura zasilenia
- tp – temperatura powrotu
- ti – temperatura w pomieszczeniu
Przykład. Obliczyć jaką moc będzie miał grzejnik o mocy 1000 W pracujący na parametrach 75/65/20 stopni w instalacji z pompą ciepła przy parametrach pracy 55/45/20 stopni.
Najpierw średnie nadwyżki temperatur.
i dla katalogowych wartości
stąd nowa moc wyniesie
Nowa moc grzejnika spadła przy tych parametrach pracy niemal o połowę. Oznacza to, że dla zapewnienia tej samej ilości energii należy wymienić ten grzejnik na inny o prawie dwukrotnie większej mocy. Ponieważ w większości przypadków projektowane są grzejniki typu V22 lub C22, konieczne będzie zakupienie grzejnika typu V33, lub C33 (w zależności od sposobu zasilania), czyli z trzema płytami i trzema listwami grzejnymi o odpowiedniej długości. I to będzie nasz nowy grzejnik „niskotemperaturowy”.
Ile prądu pobiera pompa ciepła przy pracy z grzejnikiem?
Jednostki pomp ciepła pracujące na czynniku R32 lub R290 bez problemu wytworzą temperaturę +55 stopni. Co innego jednak, gdy taka temperatura ma być wytworzona dla podgrzania c.w.u, a co innego przy centralnym ogrzewaniu. Ciepła woda podgrzewania jest przez krótki czas, raz, góra dwa razy na dobę. Pompa ciepła nie pracuje tutaj zwykle dłużej niż kilkadziesiąt minut. Przy c.o. utrzymanie temperatury na zasileniu może już trwać kilkanaście godzin, z ewentualnym obniżeniem w nocy. Sprawdźmy to znów na konkretnym przykładzie wykorzystując częściowo wykresy z cz.1 cyklu. Ponownie posłużę się tutaj jednostkami pomp ciepła firmy Vaillant.
Na początek krzywa grzania.
Przy ogrzewaniu podłogowym pompa pracuje na bardzo niskich krzywych, np. 0,2 – 0,4. Przy grzejnikach uzyskanie wymaganych parametrów pracy przy temperaturze obliczeniowej wymaga wyższej krzywej. Policzmy ją.
gdzie:
- nKG – nachylenie krzywej grzania
- tz – temperatura zasilenia instalacji
- ti – temperatura w pomieszczeniu
- ta – temperatura zewnętrzna
W naszym przypadku chcemy temperatury minimum 55°C przy obliczeniowej temperaturze zewnętrznej dla strefy klimatycznej. Przy strefie trzeciej nachylenie krzywej wyniesie:
Wygląda na to, że musimy tutaj przyjąć krzywą z zakresu 0,8-1,0. Jak widać z poniższego wykresu dla krzywej 0,8 otrzymamy za niskie temperatury w zimie. Przy temp. -20°C na zasileniu będzie tylko 52°C. Dla krzywej 1,0 będzie to z kolei 58°C i dodatkowe zużycie prądu. Najbezpieczniej jest w takim wypadku ustawić niższą krzywą i poczekać na reakcję budynku. Jeśli w okresie zimowym będą za niskie temperatury zawsze można ją zmodyfikować.
Co z pracą samej pompy ciepła? Utrzymanie wymaganej temperatury w pomieszczeniu wymaga
współpracy z termostatem. Jeśli temperatura spadnie poniżej nastawy pomniejszonej o histerezę, pompa ciepła się uruchomi i zacznie podgrzewać wodę w obiegu do momentu, aż temperatura w pomieszczeniu wzrośnie do wartości nastawy + histereza. Na przykład nastawa +20°C, histereza 1°C, więc załączenie przy <19°C, wyłączenie >21°C. Z uwagi na nieco obniżone parametry pompa taka będzie pewnie pracować przez cały dzień, chyba że w harmonogramie dobowym ustawimy obniżenia temperatury w nocy do np. +18°C). Ile prądu zużyje?
Dla temperatury zewnętrznej -10°C i czynnika R410A
Przy obrotach 80rps pompa ma w tych warunkach ponad 8kW mocy i zapewnia ją w 100%. Sprawność dla tych parametrów wynosi COP = 2,3, Stąd zużycie energii dla powiedzmy 16 godzin pracy 8/2,3 x 16 = 55,6 kWh
Przy pompie ciepła na propan w tej temperaturze zużycie prądu spadnie w niewielkim stopniu. Jej sprawność dla -10°C jest nieco wyższa i wynosi dla tej samej prędkości obrotowej około 2,35. Stąd 8/2,35×16 = 54,5 kWh
Zdecydowaną różnicę odczujemy jednak przy dalszym spadku temperatury, bowiem pompa na czynniku R410A ma inna kopertę pracy.
Rys. Porównanie koperty pracy pomp ciepła pracujących na czynniku R410A i R290.
Jak widać, przy temperaturze obliczeniowej zewnętrznej -20°C pompa z R410A jest w stanie wytworzyć maksymalnie temperaturę na zasilaniu +43°C, podczas gdy z R290 +55°C. To ogromna różnica. Jednostka z R410A przy tak dużym mrozie będzie w sposób ciągły korzystać z grzałki elektrycznej. Cała moc grzewcza będzie miała sprawność zbliżoną do 1,0. Ile zużyje prądu? Trudno to wyliczyć. Powiedziałbym nawet, że to możliwe tylko dla fragmentu doby, bowiem ogromne znaczenie będzie miała kumulacyjność budynku. Jednak nawet dla 16 godzin pracy grzałka zużyje aż 160kWh energii. Pompa ciepła przy tych parametrach i tym czynniku po prostu się wyłączy i całą funkcję grzania przejmie grzałka.
Jak w tych warunkach poradzi sobie pompa z R290? Spójrzmy na poniższe wykresy.
Przy temperaturze -20°C pompa ma jeszcze moc 6,4kW przy maksymalnych obrotach. Przy czym jej sprawność w tych warunkach wyniesie COP = 1,3.
Brakującą moc 3,6 kW musi uzupełnić grzałka Zużycie prądu dla 16 godzin pracy wyniesie w tym wypadku 6,4/1,3×16 + 3,6×16 = 136,3 kWh. Różnica jest więc znaczna i wynosi prawie 24 kWh.
Nadal jest to jednak bardzo duże zużycie prądu i zachodzi pytanie, czy w tych warunkach w budynku na pewno będzie ciepło? Programując obniżenie temperatury w nocy z pewnością uzyskamy spadek poboru energii, ale pomieszczenia się wychłodzą i następnego dnia rano przy tak niskich parametrach pracy grzejników bardzo trudno będzie wrócić do żądanych +20°C.
Dalsze podnoszenie krzywej grzania np. do 1,0 spowoduje natomiast, że nawet jednostka z propanem nie poradzi sobie przy temperaturach obliczeniowych i funkcję grzania przejmie grzałka, a na pewno będzie załączana na coraz wyższą moc i coraz dłuższy czas. Rachunek grozy gotowy.
Podsumowanie
Zwracam uwagę, że przeprowadziłem wszystkie obliczenia posługując się z założenia pompa ciepła o mocy 10kW. Dla innych mocy cieplnych z pewnością zużycie energii będzie dużo mniejsze. Moje jednostki pochodzą ponadto od znanego producenta i podawane wskaźniki sprawności, czy mocy chwilowych są rzetelne. Jednak nawet w takich wypadku nie sposób policzyć rzeczywistego poboru energii przez te urządzenia. Budynek budynkowi nierówny, a zwyczaje mieszkańców, to już osobny rozdział. Jedno jest pewne – pompa ciepła uczy oszczędzania energii i nie wybacza błędów. Jest zdecydowanie urządzeniem niskotemperaturowym i jako takie powinna być projektowana i oferowana przyszłym użytkownikom. Tylko wtedy może pokazać pełnię swoich zalet.