Pompy ciepła - dobór grzewczych pomp ciepła powietrze?woda

Zasadniczą różnicą w porównaniu do pomp ciepła solanka–woda lub woda–woda, jest konieczność instalowania dodatkowego źródła ciepła, które może wspierać pompę ciepła powietrze–woda.

Dzieje się tak z powodu zmieniającej się wydajności grzewczej pompy ciepła w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego. Im niższa temperatura powietrza, tym mniejsza moc grzewcza pompy ciepła powietrze–woda, a w skrajnym przypadku przy granicznej wartości temperatury powietrza może nastąpić wyłączenie urządzenia (rys.1). Przed skutkami zmian mocy grzewczej pompy ciepła powietrze-woda ma nas chronić dodatkowe źródło ciepła. Najczęściej jako źródło uzupełniające stosuje się grzałki elektryczne, kotły gazowe, kotły olejowe czyli urządzenia, którymi może sterować regulator pompy ciepła. Nie oznacza to, że kotły na paliwo stałe nie mogą być źródłem uzupełniającym. Różnica jednak polega na braku możliwości rozpalenia kotła przez regulator pompy ciepła. W takim przypadku konieczna jest obecność człowieka, a zatem proces podtrzymania dostawy ciepła do biektu jest  półautomatyczny, nie automatyczny.

Rys.1. Przykładowa charakterystyka mocy grzewczej pompy ciepła powietrze-woda

Skoro pompa ciepła nie może pracować samodzielnie, trzeba zadać sobie pytanie kiedy, w jakich okolicznościach musi włączyć się dodatkowe źródło ciepła. Takim parametrem definiującym moment włączenia dodatkowego źródła ciepła jest temperatura zewnętrzna. W oparciu o charakterystykę zapotrzebowania na ciepło obiektu i charakterystykę mocy grzewczej pompy ciepła, wyznaczamy tzw. punkt biwalentny, który jest niczym innym jak graniczną temperaturą zewnętrzną, do której pompa ciepła powietrze–woda pracuje samodzielnie. Poniżej temperatury punktu biwalentnego, uruchamia się dodatkowe źródło ciepła. Temperaturę punktu biwalentnego można wyznaczyć samodzielnie albo w oparciu o dane statystyczne temperatur w okresie zimowym lub w oparciu np. o charakterystykę efektywności pompy ciepła. Należy przyjąć, że pompa ciepła nie przekroczy minimalnej zadanej wartości, co w funkcji temperatury powietrza, w rezultacie, da nam temperaturę otoczenia. Dla  uproszczenia doboru pomp ciepła powietrze–woda, przyjmuje się że temperatura punktu biwalentnego wynosi ok. -50C i w dalszej części artykułu do tej temperatury będziemy się odwoływać.

Od czego należy zacząć. Pierwszym krokiem jest określenie zapotrzebowania na moc cieplną obiektu i naniesienie jej na oś współrzędnych. Przyjmijmy do naszych rozważań, że obiekt ma maksymalne zapotrzebowanie na moc cieplną wynoszącą Pcmax = 8 kW. Obiekt znajduje się w I strefie klimatycznej (Tas = -160C), a w pomieszczeniach jest temp. Ti = 220C. Żeby nanieść zmiany zapotrzebowania na moc cieplną obiektu na oś współrzędnych, musimy wyznaczyć nie mniej niż dwa punkty o współrzędnych (T, P). Jeżeli w nawiązaniu do rys. 1 oś 0X określimy jako oś temperatury powietrza, zaś 0Y jako oś mocy cieplnej, to dla wyznaczenia zmian strat cieplnych budynku korzystamy z zależności, że dla Ta = Ti zapotrzebowanie na moc cieplną jest równe Pc = 0 kW, zaś dla punktu Ta = Tas, zapotrzebowanie na moc cieplną wyniesie Pc = Pcmax = 9 kW. Zatem mamy dwa punkty o współrzędnych: (22,0) i (-16,9). Po naniesieniu na oś współrzędnych otrzymujemy uproszczoną charakterystykę zmian zapotrzebowania na moc cieplną obiektu (rys. 2, odcinek czerwony). Dodatkowo naniesione zostały charakterystyki zmian zapotrzebowania na moc cieplną innych dwóch obiektów (odcinek w kolorze niebieskim i zielonym).

Rys.2. Charakterystyki zmian zapotrzebowania na moc cieplną obiektów

Z wykresu rys. 2 widać, że naniesiona charakterystyka mocy cieplnej pompy ciepła powietrze-woda przecina się z charakterystyką zmian zapotrzebowania na moc cieplną obiektu (odcinek czerwony) w punkcie biwalentnym Ta = -2,80C. To nie jest nasz cel. Naszym celem była temperatura Ta = -50C. Zatem ta pompa ciepła dla tego obiektu nie będzie spełniać przyjętych założeń, tak samo jak dla obiektu opisanego charakterystyką zieloną, ale spełni je dla obiektu, którego zapotrzebowanie na moc cieplną dla Ta = -160C będzie wynosić Pcmax = 6,7 kW (odcinek niebieski). Co zatem należy zrobić. Są dwa wyjścia. Pierwsze to pozostawić pompę ciepła opisaną charakterystyka jak na rys. 2 i dostawić dodatkowe źródło ciepła nie tylko o większej mocy, ale również włączające się przy wyższych temperaturach. Drugim wyjściem jest zmienić pompę ciepła na taką, która zapewni włączanie się dodatkowego źródła ciepła w punkcie biwalentnym ok. -50C jak na rys. 3.

Rys. 3. Charakterystyki zmian zapotrzebowania na moc cieplną obiektów

Drugi krok to określenie mocy cieplnej dodatkowego źródła ciepła. Do wyznaczenia tej mocy potrzebne nam będą : max zapotrzebowanie na moc cieplna obiektu oraz moc pompy ciepła w temperaturze maksymalnego zapotrzebowania na moc cieplną. W naszym przypadku, zapotrzebowanie max na moc cieplną wynosi Pcmax=9kW dla temperatury zewnętrznej Ta = Tas = -160C, zaś moc cieplna wytwarzana przez pompę ciepła dla Ta = Tas = -160C wynosi (z charakterystyki II), Ppc = 4,2kW.

Zatem moc dodatkowego źródła ciepła wyniesie:

Pd = Pcmax – Ppc = 9 kW – 4,2 kW = 4,8 kW

Nie zaleca się doboru pomp ciepła powietrze–woda dla temperatury punktu biwalentnego równego temperaturze maksymalnego zapotrzebowania obiektu. Jest to rozwiązanie z inwestycyjnego punktu widzenia nieuzasadnione ekonomicznie.

Przy doborze bufora c.o. postępujemy identycznie jak w przypadkupompy ciepła solanka-woda, która została opisana w poprzednim numerze Biuletynu IK. Legenda:Ta – temperatura zewnętrzna (otoczenia) Ti – temperatura wewnętrzna (pomieszczenia) Tas – temperatura zewnętrzna strefy klimatycznej Pc – moc cieplna Pcmax – moc cieplna maksymalna (dla Ti = Tas) Ppc – moc cieplna pompy ciepła Pd – moc dodatkowego źródła ciepła Pb – moc cieplna w punkcie  biwalentnym.