Menu

Dobór wielkości pompy ciepła

    Przebieg projektowania

1. Wyznaczenie całkowitego zapotrzebowania na moc grzewczą w budynku

Moc grzewcza w budynku może być związana z potrzebami c.o., przygotowania ciepłej wody, ogrzewania wody w basenie itp.  Wielkość zapotrzebowania ciepła w budynku można dokładnie obliczyć według normy PN-EN 12831. Od 2009 roku każdy nowobudowany budynek ma wykonywany tzw. paszport energetyczny gdzie podaje się  jednostkowe roczne zapotrzebowanie na energię grzewczą (kWh/m2rok). Wykorzystując ten parametr można wyznaczyć zapotrzebowanie na ciepło
metodą powierzchni ogrzewanej w następujący sposób:

gdzie:

QN = Zapotrzebowanie na moc cieplną
QH = Jednostkowe roczne zapotrzebowanie na energię grzewczą w kWh/m2rok
A = Ogrzewana powierzchnia w m2
bVH = Godziny pracy pompy ciepła (1 800 – 2 400 h/rok) w praktyce ilość godzin pracy grzewczej pompy ciepła mogą się różnić od wymienionych tutaj wartości. Istotną rolę odgrywać mogą okresy czasowej blokady pracy pompy przez lokalnego dystrybutora sieci elektrycznej

Przy braku paszportu energetycznego zapotrzebowanie na moc cieplną możemy w sposób przybliżony obliczyć według tabeli  

 

Dodatek spowodowany przerwami w dostawie prądu

Przy pompach zasilanych energią elektryczną duży pobór mocy  przez pompę powoduje, że przedsiębiorstwa energetyczne starają się stosować osobne taryfy do zasilania pomp z jednoczesną ochroną sieci w czasie szczytu energetycznego. Rozwiązania takie powodują okresowe wyłączenia zasilania pomp ciepła w okresie szczytu. Wyłączenia trwają od 2-6 godzin na dobę co skutkuje krótszym okresem pracy pompy, a co za tym idzie koniecznością jej przewymiarowania dla pokrycia zapotrzebowania ciepła. Współczynnik korekcyjny mocy można dobrać z tabeli 2.

Tabela 2

Okres blokady (h) współczynnik zwiększający
2 1.05-1.08
2x2 1.10
2x3 1.12-1.15

   

Generalnie przy przerwach trwających poniżej 2 h na dobę z uwagi na bezwładność cieplną budynku dodatku nie uwzględnia się. Przy dłuższych przerwach moc pompy należy przemnożyć przez współczynnik zwiększający. Możemy też wymaganą moc pompy ciepła obliczyć ze wzoru:

 

gdzie:

Nhmin - minimalna moc pompy ciepła

Nd - wymagane zapotrzebowanie na moc w czasie doby

k - ilość godzin blokady w ciągu doby

 

Przykład: oblicz wymaganą moc pompy ciepła na potrzeby ogrzewania jeśli obciążenie grzewcze w budynku wynosi 10kW a przerwy w zasilaniu wynoszą 2 razy po 2 h w ciągu doby.

Nhmin = (10x24)/(24-2x2) = 240/20=12 kW

 

 W praktyce stosowanie powyższego wzoru z uwagi na bezwładność cieplną budynków jest przesadą, lepiej sprawdzają się współczynniki korekcyjne.  W opisywanym przykładzie obliczona moc pompy ciepła przy zastosowaniu współczynnika korekcyjnego  jest mniejsza aż 1 kW. To dużo zważywszy na koszt zakupu pompy.  
 

Przygotowanie ciepłej wody użytkowej

zakładając zużycie ciepłej wody w budynku na poziomie 40-120l/d na mieszkańca, przy temperaturze ciepłej wody rzędu 45°C, można przyjąć, że dodatkowa moc pompy ciepła z tytułu przygotowania c.w.u. wyniesie około

 

Współczynnika zwiększającego nie należy mylić z mocą niezbędną do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Jest to tylko dodatek mocy w pompie ciepła umożliwiający szybsze jej przygotowanie. Przy grzaniu ciepłej wody zwykle cała moc pompy ciepła zostaje przekierowana na wymiennik c.w.u. Im dłużej trwa przygotowanie ciepłej wody, tym dłużej występuje niedogrzanie budynku.  W pompach o dużej mocy problem ten nie występuje, dlatego dodatek z tytułu przygotowania ciepłej wody uwzględnia się tylko wtedy, gdy suma dodatkowego obciążenia cieplnego przekracza 20%  wartości obliczonej na podstawie normy DIN EN 12831.

 

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

 

 

 

Powietrzne pompy ciepła nie są w stanie zabezpieczyć zapotrzebowanie na ciepło podczas całego okresu grzewczego. Im niższa temperatura powietrza zewnętrznego, tym mniejsza moc grzewcza pompy ciepła powietrznej. W skrajnym przypadku niska temperatura powietrza może spowodować wyłączenie urządzenia. Właśnie przed skutkami zmian mocy grzewczej ma chronić dodatkowe źródło ciepła. Takim źródłem najczęściej jest grzałka elektryczna, kocioł elektryczny, kocioł gazowy, kocioł olejowy. Często względy ekonomiczne lub estetyczne decydują o zastosowaniu kotła na paliwo stałe lub kominka z płaszczem wodnym. Przy takim dodatkowym źródle ciepła konieczna jest obecność człowieka, a więc proces dostawy ciepła nie jest automatyczny.
Parametrem decydującym, kiedy uruchomione zostanie dodatkowe źródło ciepła jest temperatura zewnętrzna. Znając zapotrzebowanie na ciepło budynku i charakterystykę mocy grzewczej pompy ciepła można wyznaczyć tzw. punkt biwalentny, który jest graniczną temperaturą, do której pompa ciepła powietrzna pracuje samodzielnie. Poniżej temperatury punktu biwalentnego, uruchamia się dodatkowe źródło ciepła. W przypadku korzystania z różnych źródeł energii np. pompa ciepła-prąd elektryczny i kocioł olejowy, rozważa się również opłacalność ekonomiczną eksploatacji źródła ciepła.
Wyznaczanie punktu biwalentnego należy zacząć od określenia zapotrzebowania na ciepło budynku i naniesienia jego wartości na oś współrzędnych. W przygotowanym poniżej przykładzie budynek miał maksymalne zapotrzebowanie na ciepło 6 000 W. Założono temperaturę powietrza w pomieszczeniach na poziomie +20 ºC. Temperaturę w pomieszczeniach należy nanieść na oś rzędnych. Posiadając dwa punkty o współrzędnych: (+20,0) i (-15
°C) można wyznaczyć uproszczoną charakterystykę zmian zapotrzebowania na moc cieplną obiektu.

Rys. Wykres pracy pompy ciepła w budynku dla różnych parametrów zasilania (kolory niebieski, czerwony, zielony)

 

Z wykresu 1. widać, że naniesiona charakterystyka mocy cieplnej pompy ciepła powietrznej przecina się z uproszczoną charakterystyką zmian zapotrzebowania na moc cieplną obiektu w punkcie biwalentnym Ta=-5 ºC. W tym punkcie pompa ciepła powietrzna charakteryzuje się mocą grzewczą 4250 W (ogrzewając medium grzewcze do 50 ºC) przy współczynniku COP wynoszącym 1,5. Z wykresu można też odczytać brakującą moc grzewczą w przypadku wystąpienia temperatury -15°C. Przy założeniu temperatury na zasilaniu  50 ºC deficyt mocy wyniesie 3000W. Zwróćmy jednak uwagę, ze współczynnik COP dla tych parametrów pracy wyniesie 1,0 co oznacza, że cała moc pompy ciepła pochodzi praktycznie z sieci energetycznej. Obniżenie temperatury na zasilaniu do 40°C zwiększa sprawność pompy do 1,5 a deficyt mocy spada do 2000W.

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 podaje poniżej (źródło www.poradnik.sunage.pl)

 

Rys. Wyznaczanie punktu biwalentnego i dobór pompy ciepła Buderus.

Ozn. [a] Charakterystyka budynku
[b] Projektowa temperatura zewnętrzna
[c] Punkt biwalentny wybranej pompy ciepła (WP4) (-4,5C)
[d] Wymagana moc dogrzewacza elektrycznego (w przykładzie około 6,5kW)
[Q] Moc grzewcza (w przykładzie 12 kW)
[ϑT] Temperatura powietrza

 

3. Czas pracy pompy ciepła

 

Zależy od średniorocznej temperatury zewnętrznej i tzw. temperatury granicznej w ogrzewanym budynku. Temperatura graniczna wynika z kolei z efektywności energetycznej budynku. Wartości ilości godzin możemy przyjmować z tabeli dla głównych miejscowości w kraju. Dla innych miejscowości można przyjmować wartości miast najbliżej leżących.

 

4. Pomieszczenie na pompę ciepła

 

Pompę ciepła należy ustawić na trwałym podłożu. Nie są potrzebne żadne dodatkowe tłumiki drgań, gdyż obieg chłodniczy jest zamontowany w pompie w sposób zabezpieczający przed przenoszeniem
się wibracji, a przyłączeniowe przewody prowadzące do systemu grzewczego i do źródła ciepła są wykonane w postaci elastycznych przewodów rurowych. Aby zminimalizować przenoszenie się
drgań na elementy konstrukcyjne, to można w miejscu ustawienia pompy ciepła zedrzeć warstwę jastrychu, który łatwo przenosi drgania, i ustawić pompę bezpośrednio na płycie podłogowej.
Przewody obiegu źródła ciepła (solanki) w pomieszczeniu piwnicznym muszą zostać izolowane cieplnie w sposób zapewniający barierę antydyfuzyjną, gdyż w przeciwnym razie osadzałaby się na nich
kondensat (temperatury przewodów rurowych mogą obniżać się nawet do -15°C).
Do izolacji przejść przewodów rurowych przez mury ścian powinno się stosować rury osłonowe wypełnione pianką lub odpowiednie przepusty (patrz rysunek).


Rys. Przepust szczelny

 

 

Przy rozprowadzaniu przewodów zasilania i powrotu obiegu solanki w strefie zamarzania gruntu (ok. 1.2 – 1.5 m) też należy je izolować cieplnie.

 

Minimalna objętość pomieszczenia

 

 . Według normy PN-EN 378 , minimalna kubatura kotłowni z pompą ciepła obliczana jest ze wzoru:

 

                                                                            Vmin = G/c

 

gdzie:

G - wielkość napełnienia pompy ciepła czynnikiem chłodniczym w kg

c - wskaźnik graniczny kg/m3

dla najczęściej stosowanych czynników chłodniczych wskaźniki "c" wynoszą:

R407C => 0,31
R410A => 0,44
R134A => 0,25

Przykładowo: dla pompy o pojemności czynnika chłodniczego R407C równej 2,2 kg minimalne wymiary kotłowni wyniosą:

 

                                                                     Vmin = 2,2/0,31 = 7,1m3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});