Dobór wielkości pompy ciepła

     

Dobór wielkości PC do przygotowania c.w.u.

 

Wyznaczanie wymaganej mocy pompy ciepła służącej do przygotowania ciepłej wody użytkowej zostanie omówione na podstawie wytycznych PORT PC i dyrektywy europejskiej Nr 814/2013, załącznik III. Moc pompy ciepła do przygotowania c.w.u. w budynku musi uwzględniać szereg czynników wpływających na charakter pracy całej instalacji. Jednym z podstawowych jest profil poboru ciepłej wody, z którego projektant musi odczytać okres referencyjny, w którym występuje największe zapotrzebowanie na energię. Według dyrektywy unijnej EU Nr 814/2013 z załącznikami, w instalacjach z pompami ciepła wyróżnia się profile rozbioru oznaczone numeracją rodem ze sklepów odzieżowych. Najmniejszy rozbiór występuje w instalacjach oznaczonych symbolem 3XS, co odpowiada jednej umywalce do mycia rąk.

Rys. Profile rozbioru wody w klasach 3XS do XL

 

Najwyższą klasą według dyrektywy unijnej jest klasa 4XL, jednak dyrektywa nie precyzuje jakiej grupy odbiorców i o jakim wyposażeniu sanitarnym tego typu klasa dotyczy. Firmy dystrybucyjne przybliżają tylko 7 pierwszych klas od 3XS do XL, co w praktyce dotyczy wszystkich typów budynków mieszkalnych.

Profile rozbioru podaję poniżej. Profile wychodzą z założenia, że:

pomiary są prowadzone z zastosowaniem 24-godzinnego cyklu pomiarowego w następujący sposób:

— 00.00 do 06.59: bez czerpania wody,

— od 07.00: czerpanie wody zgodnie z deklarowanym profilem obciążeń,

— od zakończenia ostatniego czerpania wody do 24.00: bez czerpania wody.

 

Tabela. profile obciążeń podgrzewaczy wody

 

 

Przebieg obliczeń

 

W celu wyznaczenia objętości zasobnika możemy posłużyć się następującym wzorem:

gdzie:

c_w– ciepło właściwe wody w odniesieniu do wymaganej mocy cieplnej [0,00116 kWh/dm³∙K]

t_zad – temperatura zadana zasobnika °C

t_zw – temperatura wody zimnej °C

Q_DPB – zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania wody w wybranym okresie referencyjnym [kWh] wyznaczane jest ze wzoru:

gdzie:

η_NE – ilość węzłów sanitarnych (mieszkań) pobierających wodę o tym samym profilu rozbioru

Q_DPB,NE – zapotrzebowanie na energię do podgrzania ciepłej wody w wybranym okresie referencyjnym przez jedno mieszkanie [kWh]

 

Obliczona przez nas objętość jest tylko ilością potrzebnej wody użytkowej. W praktyce aby obliczyć całkowitą pojemność zasobnika trzeba wziąć pod uwagę straty ciepła z tytułu:

– zachowania się warstw wody w czasie doładowania, dodatek rzędu 15-20% objętości z powodu nie wykorzystania całej pojemności zasobnika

– cyrkulacji wody w instalacji, straty te należy dodać do obliczonej objętości zasobnika. Jeśli w instalacji nie ma cyrkulacji to należy dodać straty w wysokości 1 kWh, na jedno mieszkanie na dobę. Objętosć z tytułu cyrkulacji możemy obliczyć ze wzoru:

gdzie:

Q_cyrk– straty ciepła na cyrkulację (wyznaczone np. w świadectwie energetycznym podobnego budynku, przyjmujemy je dla jednej godziny największego rozbioru ciepła) [kWh]

t_cyrk,pow – temperatura powrotu na przewodzie cyrkulacyjnym (zwykle o 5 stopni niższa niż temperatura zadana zasobnika)

 

Całkowita objętość zasobnika wyniesie:

gdzie:

f_TWE – dodatek 1,15-1,20 z tytułu mieszania się wody w zasobniku w czasie ładowania, 

Metoda uproszczona

 

Metoda ta jest wystarczająca pod względem dokładności obliczeń dla domów jednorodzinnych i dwurodzinnych o standardowym wyposażeniu sanitarnym. Można przy jej pomocy obliczyć zapotrzebowanie na moc grzewczą do przygotowania c.w.u. jak i wymaganą pojemność zasobnika. W metodzie uproszczonej korzysta się ze wskaźnika zapotrzebowania na ciepłą wodę według PN-EN 15450 przyjmując 25 l wody o temp. 60C na jedną osobę na dobę. Odpowiada to ilości energii w ilości 1,45 kWh na dobę na osobę. Przy zwykłym korzystaniu z zasobnika i standardowych stratach ciepła w zasobniku i instalacji, wartość tę należy podwoić.

   Według PORT PC w warunkach polskich zaleca się przyjmować powyższy wskaźnik w granicach 25-40 l /dobę i osobę (1,45-2,32 kWh na jedną osobę dziennie)

 

Obliczenie pojemności zasobnika

Wymaganą pojemność zasobnika wyznaczamy ze wzoru:

gdzie:

V_DP60 – wymagana objętość wody o temp. 60C

t_ref – temp. odniesienia w tym przypadku 60C

t_zw– temp. wody zimnej

t_zad – temp. zadana zasobnika

n – liczba osób w domu

 

 

Dobór mocy grzewczej pompy ciepła

 

Obliczenie wymaganej mocy pompy ciepła z tytułu ogrzewania budynku wymagają przyjęcia punktu projektowego temperatury. Przy pompach pracujących w systemie monowalentnym punktem tym będzie temperatura obliczeniowa zewnętrzna. Pompy w układzie biwalentnym wymagają wyznaczenia punktu biwalentnego w którym załączy się dodatkowe źródło ciepła. Dla pracy monowalentnej uproszczona metoda wyznaczania mocy cieplnej pompy ciepła  korzysta ze wzoru:

 

gdzie:

Q_H,N – obciążenie cieplne budynku w warunkach temperatury obliczeniowej zewnętrznej w kW

d – ilość godzin (24 godziny – doba)

 

W przypadku układu biwalentnego moc grzewczą pompy ciepła można wyznaczyć ze wzoru:

gdzie:

t_GR – graniczna temperatura grzania (zob. poniżej)

t_biw – temperatura punktu biwalentnego

t_zew – temperatura obliczeniowa zewnętrzna dla danej strefy klimatycznej

 

Temperatura graniczna grzania – według wytycznych PORT PC cz.2 i VDI  4650 cz. I graniczne temperatury grzania należy przyjmować:

– dla budynków istniejących +15°C

– dla budynków wybudowanych zgodnie z WT 2017 i WT 2021,  +12°C

– dla budynków pasywnych +10°C

 

Temperatura punktu biwalentnego – zależy od obliczeniowej temperatury zewnętrznej i stopnia (%) udziału pompy ciepła w ogrzewaniu budynku. W wytycznych PORT PC temperatury biwalentne przeliczone są dla granicznej temperatury grzania +15°C i wynoszą:

 

Tabela. Wyznaczanie temperatury biwalentnej lub stopnia udziału pompy ciepła  w % dla granicznej temp. grzania +15°C.

Względny udział mocy pompy ciepła	100%	90%	80%	70%	60%	50%	40%	30%
I strefa	-16	-13	-10	-7	-4	-1	3	6
II strefa	-18	-15	-11	-8	-5	-2	2	5
III strefa	-20	-17	-13	-10	-6	-3	1	5
IV strefa	-22	-18	-15	-11	-7	-4	0	4
V strefa	-24	-20	-16	-12	-8	-5	-1	3

 

Określenie punktu biwalentnego ma duży wpływ przy wyborze wielkości pompy ciepła. Według wymogów niemieckich i normy DIN-EN 12831 zaleca się następujące wartości punktów biwalentnych w zależności od projektowanej temperatury zewnętrznej:

 –4 °C do –7 °C przy projektowej temperaturze zewnętrznej wynoszącej –16 °C (według DIN-EN 12831)

–3 °C do –6 °C przy projektowej temperaturze zewnętrznej wynoszącej –12 °C (według DIN-EN 12831)

–2 °C do –5 °C przy projektowej temperaturze zewnętrznej wynoszącej –10 °C (według DIN-EN 12831)

 

Zalecane punkty biwalencji w Polsce podaję poniżej (źródło www.poradnik.sunage.pl)

Z powyższych danych wynika, że przy projektowaniu biwalentnego systemu pracy udział pompy ciepła w zapotrzebowaniu mocy grzewczej powinien wynosić od 60-70%. Resztę mocy powinno pokryć drugie źródło ciepła.

 

Całkowita moc pompy ciepła

 

Wyznaczenie całkowitej mocy pompy ciepła z tytułu grzania i przygotowania c.w.u. wymaga przeanalizowania innych zapotrzebowań energii w budynku (np. podgrzewanie wody w basenie) jak też ewentualne blokady w dostawie prądu (umowy z dostawcą energii). Problem przerw w dostawach prądu można pominąć przy biwalentnym systemie pracy, zakładając, że w czasie przerwy rolę tą przejmie inne urządzenie (np. kocioł olejowy). W praktyce nie jest to takie proste, z uwagi na elektryczne zasilanie współczesnych kotłów gazowych i olejowych. Brak prądu wyłącza także te jednostki, przy czym, ze względu na mały pobór mocy można tutaj próbować zasilania alternatywnego poprzez UPS-y.

 

Moc pompy ciepła uwzględniająca wszystkie potrzeby energetyczne budynku i przerwy w zasilaniu można wyznaczyć ze wzoru:

 gdzie:

Q_H,AP – zapotrzebowanie energii do ogrzewania pomieszczeń w ciągu 24 h [kWh]

Q_DP – zapotrzebowanie dobowe energii dla przygotowania c.w.u. [kWh], wyznaczane ze wzoru:

gdzie:

n – ilość mieszkań o takim samym zapotrzebowaniu na energię do podgrzania wody

Qdob – dobowe zapotrzebowanie na energie odczytane z profilu poboru [kWh/dobę]

Qstr – straty postojowe zasobnika odczytane ze strony producenta

Qspec – pozostałe zapotrzebowanie na energię innych urządzeń w wybranym punkcie projektowym [kWh]

d – czas jednej doby 24 h

Σ_t– czas trwania blokad w h/dobę

 

Po wyznaczeniu wymaganej mocy możemy przystąpić do doboru urządzenia na podstawie danych producenta uwzględniając granice jego stosowania. Więcej na ten temat w poradniku PORT PC, który polecam.

Przykład obliczeniowy z doboru pompy ciepła

Założenia:

– budynek dom dwurodzinny o standardowym wyposażeniu sanitarnym, węzły z wannami, rodziny 5-cio osobowe

– obciążenie cieplne według projektu budynku wynosi 10,6 kW przy temp. obliczeniowej zewnętrznej -20C

– temperatura ciepłej wody w punkcie wynosi +38°C

– dostawca prądu przewiduje 2h przerwy w ciągu doby

– woda z wodociągu o temp. +10°C

– zasobnik z temp. zadaną +60°C

– straty na cyrkulacji wody odczytane ze świadectwa energetycznego wynoszą 1,86 kWh/dobę

– nie ma specjalnego zapotrzebowania ciepła Qspec = 0 kWh

 

Wyznaczenie zapotrzebowania ciepła na potrzeby grzania

Zapotrzebowanie ciepła na potrzeby c.w.u.

Wybrano profil zapotrzebowania L o dziennym zużyciu energii 11,655 kWh na każdą rodzinę. Godziną największego zapotrzebowania na energię jest okres od godz. 7.05-8.05 (rys.) w czasie którego występuje pobór energii w ilości 5,215 kWh.

 

Zapotrzebowanie ciepła w wybranym okresie referencyjnym wyniesie

 

Całkowite zapotrzebowanie ciepła w skali doby z tytułu podgrzania ciepłej wody

 

 

Określenie pojemności zasobnika

 

 

Przyjęto dodatek na straty z tytułu ładowania w wysokości 15%, straty na cyrkulację możemy wyliczyć ze wzoru

Straty na cyrkulację można wyliczyć znając budowę instalacji (średnica, długość przewodów, grubość izolacji) lub przyjąć na podstawie świadectw energetycznych dla podobnych budynków. W naszym przypadku odczytano ze świadectwa energetycznego straty dobowe w wysokości 1,86 kWh, stąd straty dla godziny największego rozbioru ciepła wyniosą 1,86/10h = 0,186 kWh. Przyjęto 10 godzinny czas pracy pompy cyrkulacyjnej. Wymagana objętość zasobnika ze względu na cyrkulację wyniesie:

 

Całkowita wymagana pojemnosc minimlana zasobnika wyniesie:

 

 

Przyjęto zasobnik o pojemności 250 litrów. Straty postojowe dla tego zasobnika odczytane ze strony producenta wynoszą 77W, stąd straty dobowe wyniosą 1,85 kWh.

 

Dobór wielkości pompy ciepła

 

 

Wymagana moc pompy ciepła wyniesie 12,7 kW.    

  

  

 

 Wymagana moc pompy ciepła a tryb eksploatacji

 

Eksploatacja pompy ciepła w instalacji może być:

– monosystemowa

– monoenergetyczna

– dwusystemowa

 

Eksploatacja monosystemowa – w tym trybie pracy pompa ciepła zapewnia 100% zapotrzebowanie ciepła w budynku. Jej moc musi pokrywać zapotrzebowanie ciepła wyliczone na podstawie normy EN 18321.

Eksploatacja monoenergetyczna – Pompa ciepła wspomagana jest tutaj przez dodatkowe źródło ciepła pracujące na prąd np. grzałkę elektryczną umieszczoną w podgrzewaczu wody. Pompę projektuje sie na 70-85 % zapotrzebowania na ciepło w budynku wyliczonego na podstawie normy EN 18321. W skali całego roku pompa pokrywa 92-98% zapotrzebowania na energię cieplną.

Eksploatacja dwusystemowa – pompa ciepła uzupełniana jest przez dodatkowe źródło ciepła w systemie np. kocioł gazowy załączający się w przypadku wystąpienia niedoboru mocy ( niska temperatura zewnętrzna). Pompę projektuje się na 50-70% zapotrzebowania na moc grzewczą w budynku wg normy jw. Udział w rocznej eksploatacji wynosi od 75-92%. Eksploatacja dwusytemowa może być:

– typu równoległego – kocioł załącza się gdy temperatura zewnętrzną spadnie poniżej określonego poziomu. Od tego momentu oba urządzenia pracują równocześnie.

– praca alternatywna – pompa i kocioł nigdy nie pracują równocześnie. Pompa ciepła pracuje tylko do momentu wystąpienia temperatury zewnętrznej przy której następuje przecięcie się charakterystyki statycznej pompy z krzywą wyznaczającą zmienność obciążenia cieplnego budynku (jest to tzw. „punkt biwalentny”). Poniżej punktu biwalentnego załącza się kocioł i pracuje samodzielnie. Rozwiązanie takie jest powszechnie stosowane dla powietrznych pomp ciepła. Sposób wyznaczania punktu biwalentnego opisano poniżej.

– praca równoległo-alternatywna – poniżej temperatury zewnętrznej przy której pompa ciepła przestaje pokrywać zapotrzebowanie na moc cieplna budynku załącza się drugie źródło ciepła i pracuje równolegle z pompą. Przy dalszym spadku temperatury poniżej granicy opłacalności pompa jest wyłączana a całe zapotrzebowanie pokrywa drugie źródło ciepła

Rys. Udział pompy ciepła w pokryciu rocznej eksploatacji grzewczej w zależności od rodzaju pracy. A- praca w trybie równoległym dwusystemowym, B- praca równoległo-alternatywna

 

Moc chłodnicza dolnego źródła ciepła

 

wartość ta wyliczana jest ze wzoru:

Moc grzewcza x (1-1/COP)

 

przykładowo dla pompy o mocy grzewczej 10 kW i współczynniku COP =4 moc chłodnicza wyniesie

10x(1-1/4) = 7,5kW