Pompy ciepła typu powietrze/woda – pytania czytelników

Inwestorzy coraz mniej sceptycznie podchodzą do pomp ciepła znajdując w nich ekonomiczne i ekologiczne źródło ciepła. Poziom wiedzy instalatorów na temat tych urządzeń rośnie wraz z rozwojem tej techniki. O edukację branży dbają szczególne sami producenci, którzy mają świadomość potencjału tego rynku. I choć pompy ciepła typu solanka-woda zostały już prawie, można powiedzieć „oswojone” to powietrzne pompy nadal budzą wiele kontrowersji. Aby wyjaśnić wątpliwości z nimi związane przekazaliśmy ekspertom pytania naszych czytelników. Poniżej znajdziecie odpowiedzi.

1. Czy obecna technologia pomp ciepła typu powietrze- woda pozwala na ich stosowanie jako jedynego źródła ciepła w budynku?

 

Na rynku jest już dość dużo modeli pomp ciepła powietrze/woda do wyboru. Jednak tylko niektóre są w stanie samodzielnie zapewnić ogrzewanie i przygotowanie wody użytkowej. Do takiego zadania należy poszukać pomp ciepła z dużym zakresem pracy temperatur powietrza zewnętrznego, oraz takich które przy ujemnych temperaturach powietrza zapewniają jeszcze wysokie współczynniki efektywności. Pompy ciepła z cyklem EVI (z wtryskiem gazu), np. Vitocal 350-A są właśnie dedykowane do pracy jako jedyne źródło ciepła (tzw. praca monowalentna). Cykl EVI pozwala na utrzymywanie stosunkowo wysokiego współczynnika efektywności (rzędu 3) przy temperaturach powietrza poniżej -10°C i temperaturze wody grzewczej wystarczającej do zagrzania wody użytkowej.

Dostępne na rynku pompy ciepła typu powietrze/ woda, choć zaawansowane technologicznie, w większości niestety nie nadają się do wykorzystania jako jedyne źródło ciepła. Kiedy temperatura powietrza spada poniżej -20°C wentylator zasysający powietrze zostaje automatycznie wyłączany, gdyż praca pompy staje się nieekonomiczna (pompa ciepła zużywa więcej prądu elektrycznego niż wytwarza ciepła). W związku z tym, w przypadku klimatu panującego w Polsce, powietrzne pompy raczej ciepła powinny pracować w układzie z dodatkowym źródłem ciepła. Od tej zasady, jak od każdej innej, są jednak wyjątki. Pompy bez cyklu EVI pomimo, że bez problemu są w stanie pracować do temperatur powietrza -20°C, to jednak już od około -7°C nie są w stanie podnieść temperatury wody grzewczej wyżej niż 35-40°C. Jednak również i takie pompy spełnią swoją rolę z tą różnicą, że tu zalecane są do współpracy z grzałką elektryczną tworząc tym samym tzw. układ monoenergetyczny.

2. Jaki jest średni roczny koszt pozyskania 1 kWh energii przy założeniu temperatury na wyjściu 50°C? A jak to się ma przy temperaturze pracy -15°C?

pozyskania 1 kWh energii dla pompy ciepła, dla której źródłem ciepła jest powietrze zewnętrzne. Wynika to z oczywistego faktu – im zimniej tym mniej mamy ciepła. Na podstawie przykładu jednego z modeli pomp ciepła analizuje to Jerzy Grabek z firmy Junkers: „Jeżeli przyjmiemy parametry instalacji grzewczej na poziomie 55°C to odpowiednio:

• przy temperaturze zewnętrznej +15°C uzyskamy 8,5 kW mocy grzewczej, jednocześnie zużywając 2,9 kW mocy elektrycznej
• przy temperaturze zewnętrznej 0°C uzyskamy 5,8 kW mocy grzewczej, jednocześnie zużywając 2,8 kW mocy elektrycznej
• przy temperaturze zewnętrznej -15°C uzyskamy 3,5 kW mocy grzewczej, jednocześnie zużywając 2,6 kW mocy elektrycznej.

Co za tym idzie im powietrze zewnętrzne jest zimniejsze tym droższy jest koszt uzyskania 1 kWh mocy grzewczej.”

Wyliczenia te uzupełnia, w odniesieniu do wspomnianej wcześniej technologii EVI, Dawid Pantera: „Przy temperaturze powietrza zewnętrznego -15°C i zasilaniu wody grzewczej 50°C (mamy na myśli jedynie pompy z cyklem EVI, pompy bez ekonomizera nie są w stanie wytworzyć tak dużej różnicy temperatur) współczynniki efektywności pompy oscylują w okolicy 2,5. To wartość współczynnika efektywności, który uzasadnia dalszą pracę pompy – 1 kWh ciepła kosztuje nas około 18 gr, a więc mniej niż 1 kWh ciepła z kotła kondensacyjnego z najwyższej półki.”

3. Co można zrobić aby obniżyć poziom hałasu pompy ciepła?

Poziom hałasu pompy ciepła zależy od mocy urządzenia i jakości wykonania. Niektóre działają równie cicho jak lodówka, czyli hałas nie przekracza około 43 dB, zaś u innych poziom ten dochodzi do ponad 64 dB. Poziom ciśnienia akustycznego wyraża poziom dźwięku słyszalny na wysokości uszu (1,8 m) w odległości 1 m od pompy ciepła. Poziom ten mierzony jest w temperaturze pokojowej w pomieszczeniu do pomiarów akustycznych bez echa przy temperaturze zewnętrznej +7°C oraz przy temperaturze na zasilaniu 50°C. Jeżeli pompa ciepła ustawiona jest na zewnątrz budynku i dźwięk ma możliwość swobodnego rozchodzenia się, ciśnienie akustyczne zmniejsza się o 6 dB (A) przy każdym podwojeniu odległości.

Dodatkowe wytłumienie dźwięku urządzenia instalowanego na zewnątrz zapewnić może np. posadzenie krzewów w okolicy pompy. Powietrzna pompa ciepła do montażu wewnątrz budynku jest z reguły lepiej wyciszona, a generowany hałas wynosi nawet o 10 dB mniej. Niemniej jednak, nie powinno się lokować pompy powietrznej w pobliżu sypialni. Nie tłumi się jej dodatkowo, ale zaleca się elastyczne podłączenie do instalacji aby niskie dźwięki nie były przenoszone po rurach do pomieszczeń.

4. W jaki sposób oblicza się COP?

W prosty sposób opisuje to Małgorzata Smuczyńska z firmy Nibe-Biawar: „Współczynnik wydajności cieplnej COP (coefficient of performance) jest to stosunek pomiędzy mocą grzewczą pompy ciepła a niezbędną do napędu sprężarki mocą elektryczną”. Zwykle w danych technicznych jest on podawany zgodnie z normą EN 14511 dla parametrów 0°C temperatury na wejściu do pompy ciepła z dolnego źródła i 35°C na zasilaniu systemu grzewczego. Dla lepszego zrozumienia tej zależności przytaczamy przykład przygotowany przez Jerzego Grabka: „Jeśli współczynnik COP osiąga wartość na poziomie 4, oznacza to, że z każdej dostarczonej kilowatogodziny energii elektrycznej możemy uzyskać 4 kWh energii cieplnej.” Współczynnik COP podczas pracy pompy ciepła ulega znacznym wahaniom. W przypadku pomp powietrznych jego wartość w dużym stopniu zależy od temperatury górnego źródła (system ogrzewania budynku) i temperatury powietrza zewnętrznego. Dla przykładu, pompa przy temperaturze dolnego źródła +7°C i temperaturze górnego +35°C osiąga COP równe 3,6. Natomiast przy temperaturze dolnego – 7°C i górnego źródła ciepła +35°C, COP waha się w okolicach 2,4 a przy temperaturze dolnego +15°C i górnego źródła ciepła +35°C, COP waha się w okolicach 4,4.

5. Co to jest „inwerterowa” pompa ciepła?

Jest to pompa o zmiennej mocy grzewczej. Małgorzata Smuczyńska wyjaśnia: „Inwerter to urządzenie które różnicuje prędkość pracy sprężarki i tym samym jej moc grzewczą w zależności od aktualnego zapotrzebowania na ciepło. Dzięki inwerterowo sterowanej sprężarce pompa ciepła produkuje tyle energii cieplnej ile akurat potrzeba. W związku z tym pompa ciepła o modulowanej mocy grzewczej będzie zużywała mniej energii elektrycznej w porównaniu do pomp ciepła o stałej mocy, ponieważ w okresie poza sezonem grzewczym będzie pracowała z minimalną wymaganą wydajnością”. Dodatkową zaletą jest bardzo „miękki” start sprężarek, ponieważ właśnie dzięki inwerterowi stopniowo zwiększana jest prędkość wirnika sprężarki, a to przekłada się na dłuższą żywotność elementów ruchowych sprężarki, a także nie powoduje dużego skoku natężenia prądu w czasie rozruchu. W takich pompach ciepła sprężarka jest zasilania prądem stałym, a inwerter steruje częstotliwością.

6. Czy konieczne jest stosowanie zbiornika buforowego przy powietrznej pompie ciepła?

Pompy ciepła, które mają możliwość płynnej regulacji mocy, a więc te z inwerterem teoretycznie nie wymagają zbiornika. Warunek jednak jest następujący: w instalacji grzewczej występuje co najmniej 15 litrów/ kW mocy pompy ciepła, oraz to co bardzo ważne, układ musi być przygotowany do bezpośredniego podłączenia pod pompę ciepła, a więc obliczeniowa różnica temperatur powinna zawierać się pomiędzy 6 a 8 K (tyle wynosi prawidłowa delta pracy pompy ciepła), oraz układ nie powinien zmieniać swojego przepływu w czasie pracy pompy ciepła. Wykluczone są w takim razie zawory mieszające, oraz głowice na rozdzielaczach ogrzewania podłogowego – ich działanie ma wpływ na strumień wody tłoczonej przez układ, a to z kolei wpływa niekorzystnie na pracę pompy ciepła zmieniając różnicę temperatur zasilanie/powrót. Pompy ciepła powietrze/woda bez inwertera, a więc z jednostopniową sprężarką wymagają każdorazowo montażu nawet małej pojemności bufora. Dla pompy 9 kW wystarczy bufor o pojemności około 200 litrów. Jest on konieczny ponieważ moc pompy ciepła rośnie wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej, a dokładnie odwrotnie dzieje się z zapotrzebowaniem na ciepło – nadmiar ciepła powinien być magazynowany aby zapewnić możliwie długie czasy pracy urządzenia.

7. Kiedy lepiej stosować pompy dwumodułowe (moduł wewnętrzny i zewnętrzny), a kiedy jednomodułowe?

Pompy składające z dwóch jednostek to po prostu rozcięta pompa jednomodułowa. Kierować się należy miejscem montażu urządzenia i generowanym hałasem. Specjalista z Viessmanna poleca pompy dwumodułowe do modernizacji istniejących układów grzewczych, dzięki niewielkim rozmiarom jednostki wewnętrznej.

8. W jakim procencie pokryje zapotrzebowanie na CWU i CO pompa ciepła zasilana powietrzem wentylacyjnym przy założeniu zapotrzebowania budynku na ciepło 10 kW?

Zakładając 10 kW jako moc obliczeniową budynku zaproponowano by pompę ciepła powietrze/woda z inwerterem o mocy 7,4 kW zgodnie z normą EN14511, a więc dla temperatury powietrza zewnętrznego 2°C i wody na zasilaniu obiegu grzewczego 35°C. Jeżeli ma to stanowić jedyne źródło ciepła należy układ doposażyć o grzałkę elektryczną. Natężenie przepływu powietrza przez wymienioną pompę wynosi niemal 3000m3/h, podczas gdy wentylacja mechaniczna 10 krotnie mniej. Pan Dawid radzi, aby ciepło wentylacji wykorzystać lepiej do podgrzewu wody użytkowej za pomocą pompy ciepła powietrze/woda, ale o niewielkiej (ok. 1,5 kW) mocy. „Spinając” wyrzut ciepłego powietrza z układu wentylacyjnego z zasilaniem pompy ciepła można w bardzo efektywny sposób podgrzewać wodę użytkową i tym samym pokryć zapotrzebowanie na CWU niekiedy nawet w 100%.”

9. Jakie czynniki mają wpływ na żywotność sprężarki?

Zdecydowanie największy wpływ na żywotność sprężarki ma smarowanie. Jako użytkownicy nie musimy wiedzieć czy smarowanie jest odpowiednie – nie sprawdza się np. poziomu oleju – jest on wlany fabrycznie w odpowiedniej ilości. Jednak musimy wiedzieć, że każde uruchomienie sprężarki to krótka praca „na sucho” – olej jest dopiero zaciągany. Wniosek dość prosty – duża liczba uruchomień nie jest korzystna dla sprężarki – takie sytuacje mogą się pojawić gdy pompa ciepła została dobrana za duża, lub np. źle został dobrany osprzęt hydrauliczny (np. zbiornik wody użytkowej) i nie jest w stanie odebrać całego ciepła generowanego przez pompę. W pompach ciepła typu Split, a więc składających się z dwóch modułów bardzo ważną rzeczą jest prawidłowe wykonanie połączenia obu jednostek. Na przewodach miedzianych wykonuje się tzw. pułapki na olej, aby skutecznie wracał do sprężarki i spełniał swoje zadanie.

10. W jaki sposób obladzanie wpływa na jakość pracy pompy ciepła? Podobno zdarza się to często w temperaturach 0 do 6 stopni.

Rzeczywiście występuje takie zjawisko jak obladzanie wymiennika powietrznego i zgadza się również to, że w temperaturach dodatnich ale bliskich zera. W takich warunkach powietrze jest jeszcze stosunkowo wilgotne, a parownik schładza je o 4 do 5 K czym powoduje wykroplenie pary wodnej i w konsekwencji tworzenie lodu. Wykładowca Akademii Viessmann uspokaja: „Nie ma się czym jednak martwić. Jest to zjawisko zupełnie normalne i z reguły każda pompa posiada system odmrażania wymiennika. W pompach wysokiej klasy maksymalny udział czasu odmrażania wymiennika to około 3 do 5% całego czasu pracy pompy ciepła. Warto przypomnieć, że efektywność pompy powietrznej podana zgodnie z normą EN14511 uwzględnia proces odmrażania.”

11. Czy uwzględniając minusowe temperatury zimą uzasadnione jest przewymiarowywanie pomp ciepła?

Żadna pompa ciepła nie powinna zostać przewymiarowana – uzasadnienie jest dość proste. Inwestujemy w pompę większą, a więc droższą, co więcej zmuszamy ją do krótkich cykli pracy, a więc skracamy jej żywotność i obniżamy efektywność. Pompy powietrze/woda należy dobrać w taki sposób aby w temperaturach poniżej około -5°C wymagały już wspomagania innym źródłem ciepła. Wyjątkiem są pompy z cyklem EVI, które w zakresie ujemnych temperatur zewnętrznych utrzymują w miarę stałą moc i efektywność czyli jest uzasadnione ekonomicznie eksploatowanie ich do temperatur powietrza nawet -15°C … -18°C, a poniżej tych wartości może zostać dołączone drugie źródło ciepła (najczęściej w takich pompach grzałka). I znów z eliksirem na wątpliwości przychodzi Dawid Pantera, który przytacza fakty meteorologiczne: „Aby nie przerażać wszystkich grzałkami warto powiedzieć, że w 2010 nie było ani jednego dnia, w którym średnia temperatura, mierzona jako dzienna, spadła poniżej -16°C, a poniżej 0°C około 95 dni, a więc ¼ roku (dane dla Polski Północnej).”

12. Ponieważ pompa ciepła przy ujemnych temperaturach wspomagana jest grzałkami elektrycznymi, to czy można jakoś wykorzystać system dwutaryfowy i oprzeć się tylko na tańszej energii nocnej?

Patrząc na okresy występowania taryfy tańszej nie jest to dobry pomysł. Realizując ogrzewanie tylko w drugiej taryfie eksploatujemy pompę w okresie nocnym i zaledwie 2 h w ciągu dnia, a temperatury w nocy są zdecydowanie niższe niż w ciągu dnia. Magazynowanie i wykorzystanie tańszej taryfy stosuje się jedynie przy pompach solankowych czy wodnych, ale musi być ku temu uzasadnienie.

13. Jakie czynniki chłodnicze wykorzystywane są w pompach ciepła i czy ich rodzaj ma znaczenie?

Najczęściej wykorzystywane są naturalne i kontrolowane czynniki chłodnicze, które nie mają wpływu na warstwę ozonową oraz nasze zdrowie. Ich rodzaj, dla nas jako użytkowników, nie ma znaczenia. Każdy z nich posiada nieco inne temperatury i ciśnienia pracy. Jeden nadaje się do kompaktowych, małych układów inny z kolei do pracy w wyższych temperaturach.