Dobór mocy pompy ciepła powietrze-woda dla domu jednorodzinnego. Punkt biwalentny.

Pompy ciepła ze względu na swoje stosunkowo niewielkie koszty eksploatacji stały się w krótkim czasie bardzo popularnym źródłem ciepła zwłaszcza dla niewielkich domów. Chociaż po ostatnich podwyżkach cen energii elektrycznej to stwierdzenie może się zdeaktualizować. Z ekonomicznego punktu widzenia  atrakcyjne są pompy ciepła powietrze –woda. Nie wymagają one wykonania dolnego źródła ciepła, którego koszt budowy sięga 50% całkowitej wartości systemu ogrzewania z wykorzystaniem pompy ciepła solanka-woda (z uwzględnieniem wykonania ogrzewania podłogowego).

Pompa ciepła powietrze-woda jest urządzeniem grzewczym bardzo specyficznym pod względem generowania mocy cieplnej. W związku z tym, że źródłem z którego pompa pobiera ciepło jest powietrze zewnętrzne sprawia to, że jej moc obniża się wraz ze spadkiem temperatury powietrza. Jednocześnie z obniżeniem się temperatury powietrza na zewnątrz zwiększa się zapotrzebowania budynku na ciepło.

Moc każdego urządzenia mającego służyć do ogrzewania budynku dobiera się na najbardziej skrajne warunki temperaturowe. Obszar Polski podzielony jest na pięć stref klimatycznych, każdej strefie przypisana jest najniższa temperatura jaka może wystąpić w danej strefie (temperatura obliczeniowa, temperatura projektowa).

Moc jest to ilość energii (w tym wypadku ciepła) dostarczana w jednostce czasu. Wymaganą moc urządzenia grzewczego ustala się obliczając jak szybko budynek traci ciepło w temperaturze obliczeniowej. Prędkość utraty ciepła zależy od wielu czynników: materiału z jakiego wykonane są ściany i dach, grubości izolacji cieplnej, liczby, wielkości i standardu stolarki, kubatury i zwartości bryły budynku, ilości pomieszczeń, rodzaju wentylacji.

Rys. 1. Temperatury obliczeniowe w strefach klimatycznych Polski. Źródło: https://tiny.pl/dggst

Najpewniejszym sposobem na określenie zapotrzebowania na moc dla ogrzewania jest odczytanie tej wielkości ze świadectwa lub audytu energetycznego albo z projektu ogrzewania budynku. Inną metodą, która może być obarczona błędem, i której nie polecam, jest posłużenie się tabelą zapotrzebowania budynku na moc w zależności od daty budowy i jakości izolacji.

Rys. 2. Tabela szacunkowej wartości zapotrzebowania budynków na ciepło

Producenci pomp ciepła podają moc urządzenia w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego i przy określonej temperaturze cieczy zasilającej system grzewczy. Dane te są zazwyczaj ujęte w formie tabeli.

Aby z grupy pomp ciepła o różnej charakterystyce mocy grzewczej wybrać właściwe urządzenie należy, wykorzystując te dane, sporządzić dla tych pomp wykresy, w których na linię obrazującą zapotrzebowania domu na moc grzewczą nałożyć wykres mocy pompy ciepła.

Dobór mocy źródła ciepła powinien również uwzględnić ogrzewanie na cele ciepłej wody użytkowej. Moc ta określona jest ilością osób korzystających z c.w.u. i można w przybliżeniu określić tą wielkość jako 0,3 kW na osobę.

Oznaczenia na wykresie:

Krzywa brązowa – moc znamionowa pompy ciepła w zależności od temperatury zewnętrznej.

Linia niebieska – zapotrzebowanie budynku na ciepło dla różnych temperatur zewnętrznych. Punkt początkowy tej linii jest wyznaczony przez zapotrzebowanie budynku na ciepło w obliczeniowej temperaturze zewnętrznej. W tym wypadku jest to 5,2 kW przy temperaturze -20^OC (wyznaczono dla III strefy klimatycznej). Punkt końcowy linii oznacza temperaturę zewnętrzną, w której budynek dla utrzymania komfortowych warunków temperatury (20^OC) nie potrzebuje ogrzewania. Dla tych warunków wystarczające jest ciepło bytowe oraz temperatura zewnętrzna. Temperatura zewnętrzna, w której zapotrzebowanie na ogrzewanie jest zbędne, kształtuje się dla różnych budynków, w granicach od 12^OC do 20^OC w zależności od standardu wykonania budynku.

Linia pomarańczowa – zaczyna się wartością 6,1 kW i jest wynikiem dodania do mocy wyznaczonej przez linię niebieską, mocy niezbędnej do przygotowania ciepłej wody użytkowej dla 3 osób i znajduje się o 0,9 kW wyżej od linii niebieskiej.

Przecięcie linii brązowej z pomarańczową wyznacza temperaturę punktu biwalentnego. Jest to temperatura przy której wytwarzana przez tą, konkretną pompę ciepła moc jest równa stratom cieplnym budynku. W procesie doboru pompy ciepła dopuszczalny przedział temperatury punktu biwalentnego określa się w zależności od strefy klimatycznej w jakiej posadowiony jest budynek. W poszczególnych strefach klimatycznych określone są konkretne temperatury obliczeniowe. Z poniższej tabeli widać, że dla strefy klimatycznej III, gdzie temperatura obliczeniowa wynosi -20^OC, punkt biwalentny powinien zawierać się w przedziale pomiędzy  -6^OC a -9^OC.

Rys. 4. Zalecane punkty biwalentne dla powietrznych pomp ciepła

W zakresie temperatur poniżej punktu biwalentnego moc pompy ciepła powietrze-woda nie jest wystarczająca do zaspokojenia potrzeb cieplnych budynku. W tych temperaturach praca pompy ciepła powinna być wspomagana dodatkowym źródłem ciepła. Tym dodatkowym źródłem ciepła jest najczęściej grzałka elektryczna zamontowana w pompie, rzadziej kocioł na inne paliwo. Wykorzystania, jako dodatkowego źródła ciepła kotła, jest zasadne tylko wtedy kiedy modernizujemy kotłownię i kocioł był już wcześniej zainstalowany. Natomiast montaż nowego kotła równolegle z pompą ciepła nie miał by sensu.

Dobranie mocy pompy ciepła powietrze-woda w taki sposób, że poniżej punktu biwalentnego pompa będzie wspomagana innym źródłem ciepła jest praktyką jak najbardziej poprawną. Montaż pompy ciepła o takiej mocy aby jej praca zaspokajała zapotrzebowanie na ciepło bez wspomagania w całym przedziale temperatur, było by nieekonomiczne oraz mogło by wpłynąć na skrócenie żywotności pompy ciepła.

W warunkach Polski skrajnie niskie temperatury (takie jak temperatury obliczeniowe na mapce na Rys. 1) występują na tyle rzadko, że ekonomiczne uzasadnione jest korzystanie z grzałki w pompie ciepła niż zakup pompy o wyższej mocy, na którą trzeba by wydać kilkadziesiąt tysięcy złotych więcej.

Zobrazowaniem tego może być poniższy wykres, z którego widać, że czas pracy naszej pompy ciepła poniżej punktu biwalentnego dla miasta Katowice będzie wynosił 66 godzin co stanowi 1% czasu dla całego sezonu grzewczego.

Określenie zasad ustalania temperatury punktu biwalentnego wprowadzono  w celu ekonomicznego dobrania mocy pompy ciepła. Dzięki temu można również określić od jakiej temperatury należy posiłkować się grzałką elektryczną oraz jaka powinna być moc tej grzałki.

Zakup pompy ciepła o dużej mocy, zapewniającej pokrycie zapotrzebowania na ciepło w całym okresie grzewczym może spowodować w okresach przejściowych, kiedy zapotrzebowanie na ciepło nie jest duże, przerywaną pracę urządzenia (taktowanie). Zjawisko to nie jest korzystne dla sprężarki pompy ciepła i może spowodować szybsze jej zużycie.

Jak widać ważnym aspektem jest to aby producenci pomp podawali kompletne i rzetelne dane dotyczące mocy grzewczych dla różnych temperatur powietrza zewnętrznego. Wielkości te nie koniecznie muszą być podane w formie wykresu, dane te mogą być również ujęte w formie tabelarycznej. Istotne jest jednak aby były na tyle liczne żeby można było przekształcić je na wykres.