Dobór i montaż pomp ciepła

Specjaliści zalecają szczególną staranność i unikanie rutynowych działań oraz analogii z instalacjami zasilanymi kotłami. Polskim instalatorom zadanie ułatwia fakt, że mają oni do dyspozycji jedną z najlepszych na świecie baz wiedzy technicznej, zawartą w wytycznych i poradnikach PORT PC.

Od czego zacząć?

Zapotrzebowanie budynku na ciepło. Komfort może zapewnić tylko system grzewczy zaprojektowany z uwzględnieniem specyfiki budynku i potrzeb jego mieszkańców oraz użytkowników. Ważna jest wiedza na temat lokalizacji budynku, charakteru jego użytkowania, zapotrzebowania na ciepło, wentylacji, stanu izolacji termicznych (docieplenia) i stolarki okiennej, konstrukcji (bezwładność cieplna) i strat ciepła.

Czy wiesz, że: 2022 był rokiem pomp ciepła w Polsce?

O ile w przypadku kotłów w praktyce sprawdzało się szacowanie na podstawie doświadczenia z innych realizacji lub przyjmowanie wartości średnich z zapasem bezpieczeństwa, o tyle w przypadku pomp ciepła zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania i c.w.u. musi zostać policzone dokładnie. Do obliczenia zapotrzebowania na moc do przygotowania c.w.u. można przyjąć zasadę 250 W na jedną osobę. Jest to jednak założenie, które nie uwzględnia częstych kąpieli użytkowników, a jedynie korzystanie z prysznica.

Dopasowanie do różnych taryf energii elektrycznej. Kolejnym ważnym aspektem jest wykorzystanie różnych taryf energii elektrycznej – tańszych i droższych w ciągu doby i tygodnia. Dąży się do tego, aby pompa pracowała w czasie obowiązywania tańszej taryfy. Z czasem, wraz z rozwojem inteligentnych sieci elektroenergetycznych (smart grid), mogą zostać wprowadzone nowe, dynamiczne taryfy i wyłączenia pomp ciepła przez operatora sieci energetycznej w szczycie poboru energii. W krajach, gdzie dostępne są już takie rozwiązania, przyjmuje się, że budynek powinien zapewnić komfort cieplny przy sześciogodzinnym braku zasilania z sieci energetycznej w ciągu doby i przy najniższej temperaturze zewnętrznej dla danej lokalizacji – maks. trzy wyłączenia po 2 godz. Rozwiązaniem tego problemu są bufory i zasobniki ciepła, akumulacja ciepła w masie budynku, a zwłaszcza w masie instalacji ogrzewania podłogowego, oraz magazyny energii elektrycznej.

Jak dobrać moc urządzenia?

O ile w projektach nowych budynków podawane są niezbędne dane, o tyle w przypadku budynków istniejących trzeba określić faktyczne wartości parametrów, biorąc pod uwagę szereg aspektów. Praktycy podpowiadają, że wartości ze świadectwa energetycznego istniejącego budynku nie powinny być wykorzystywane do wymiarowania pompy ciepła. Bezpieczniejsze jest dokonanie wizji lokalnej i sprawdzenie stanu faktycznego. Należy unikać przyjmowania tzw. zapasu bezpieczeństwa – dobór zbyt dużej mocy pompy ciepła w eksploatacji przejawia się przeważnie taktowaniem, czyli krótkimi cyklami pracy oraz częstymi włączeniami i wyłączeniami. W efekcie praca urządzenia jest nieefektywna i bardzo szybko się ono zużywa. Z kolei mała moc powoduje pracę na maksymalnych parametrach wydajności i także nie sprzyja żywotności urządzenia.

Dobrą praktyką jest dokumentowanie przyjmowanych założeń i obliczeń oraz interpretacji, aby później, gdy pojawi się problem, można było przedstawić dane, na podstawie których przyjęto wybrane rozwiązanie. To także bardzo dobre zabezpieczenie dla instalatora, jeśli problem pojawi się po zmianie nawyków użytkowych mieszkańców i nastąpi na przykład wzrost kosztów za ogrzewanie. Staranna dokumentacja zapewnia przejrzystość w każdym momencie.

Punkt biwalentny

Wskazuje on minimalną temperaturę zewnętrzną, przy jakiej pompa ciepła jeszcze pracuje ekonomicznie. Prawidłowe określenie punktu biwalentnego jest podstawą w przypadku instalacji pomp ciepła powietrze/woda. Punkt biwalentny bardzo mocno wpływa na ekonomię pracy (koszty) i roczny współczynnik wydajności. Warto skorzystać w tym zakresie z pomocy doradców technicznych, którzy powinni mieć spore doświadczenie w takich obliczeniach.

Powietrzna pompa ciepła czerpie energię z powietrza zewnętrznego. Zatem jej moc spada wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej i wzrostem temperatury zasilania instalacji c.o. Fakt ten często umyka instalatorom i inwestorom, którzy przywykli do kotłów, w przypadku których wystarczyło zużyć więcej paliwa. A dla pompy tym „paliwem” jest ciepło znajdujące się w powietrzu, a właściwie jego ubytek, gdy spada temperatura zewnętrzna.

Powietrzne pompy ciepła są dobierane „w punkt” i nie można zwiększyć ich mocy. Tym „punktem” jest właśnie punkt biwalentny, stanowiący przeważnie temperaturę zewnętrzną od –3 do –7°C. Przy niższej temperaturze zewnętrznej pracę pompy wspomaga grzałka elektryczna o mocy kilku kilowatów lub szczytowe źródło ciepła, na przykład gazowy kocioł grzewczy. Rozwiązanie ze szczytowym źródłem ciepła stanowi układ hybrydowy, który – w myśl przygotowywanych w UE regulacji – za kilka lat ma być obowiązkowym standardem w budynkach istniejących poddawanych modernizacji lub wymianie źródła ciepła, gdy sama pompa ciepła nie podoła zadaniu.

Zasobniki c.w.u.

Z informacji od doradców technicznych wynika, że problemem bywa również dobór pojemności zasobnika ciepłej wody użytkowej. Bardzo ważna jest wiedza o tym, w jakiej ilości i do czego będzie używana c.w.u. – czy będą to kąpiele, czy raczej prysznice, ilu jest użytkowników i jakie mają preferencje. Zwykła wylewka prysznicowa ma przepływ 10–12 l na minutę, a deszczownie (lub deszczownice) potrafią zużyć w tym samym czasie nawet 50 l. Za mały zbiornik c.w.u. nie poradzi sobie z sytuacją, gdy 3–4 osoby, jedna po drugiej, skorzystają z deszczowni.

W remontowanych budynkach zasobniki ciepłej wody już są i trzeba postawić sobie pytanie, czy ich pojemność będzie wystarczająca w układzie z pompą ciepła. W instalacji z kotłem mogły wystarczyć, ma on bowiem dużą moc dostępną w każdym momencie. Natomiast gdy do układu wprowadzana jest pompa ciepła, istotna jest informacja, jaką wydajność ma wymiennik w zasobniku c.w.u. Powierzchnia tego wymiennika powinna być odpowiednia do wydajności pompy ciepła. Pompa ciepła podaje do wymiennika wodę o niższej temperaturze niż jakikolwiek kocioł – węglowy czy gazowy. Musi zostać zatem przyjęty większy strumień objętości, tak aby zapewnić wymaganą moc do zasilania zarówno obiegów c.o., jak i zasobnika c.w.u. W praktyce oznacza to, że dotychczasowy system magazynowania ciepła może nie poradzić sobie ze zmienionymi warunkami pracy z pompą ciepła i konieczny będzie dodatkowy bufor i wymiana zasobnika c.w.u.

Dobór grzejników do współpracy z pompami ciepła

Grzejniki to kluczowe elementy górnego źródła ciepła, wpływające na efekty pracy całego układu z pompami ciepła. Jeśli zostały źle dobrane do pompy ciepła, niemożliwe jest zapewnienie komfortu cieplnego, a jednocześnie rosną koszty ogrzewania. Na rynku dostępna jest cała gama niskotemperaturowych grzejników odpowiednich do pracy z pompami ciepła. Jednak wielu inwestorów przy remoncie i montażu pompy ciepła chętnie pozostawiłoby nie tylko dotychczasowe zasobniki c.w.u., ale i grzejniki. Ważne jest, czy grzejniki te osiągną wymaganą moc, gdy będą zasilane wodą o temperaturze, jaką może dostarczyć pompa ciepła. W instalacjach z kondensacyjnymi kotłami gazowymi grzejniki są dobierane na temperatury zasilania poniżej 50°C, a w tradycyjnych w przedziale 55–70°C. Pompy ciepła pracują najefektywniej przy niskiej temperaturze zasilania grzejnika. Ale im niższa temperatura zasilania, tym większa musi być jego powierzchnia, aby możliwe było osiągnięcie tej samej mocy.

Dostępne są różne rozwiązania, można pozostać przy grzejnikach płytowych, ale często trzeba je wymienić na większe – szersze lub grubsze – np. z trzema płytami. Z kolei w grzejnikach członowych można dodać więcej członów. Jednak zabieg taki istotnie wpływa na estetykę pomieszczeń i inwestorzy wolą wybrać nowe grzejniki niskotemperaturowe lub konwektorowe.

Doradcy techniczni sygnalizują także problemy z wniesieniem zasobników i buforów do pomieszczeń. Zdarzało się bowiem, że instalator wybierał urządzenia, które nie mieściły się w drzwiach lub na schodach. Zalecają również sprawdzenie przebiegu przepustów ściennych lub stropowych i ujmowanie w kosztorysach także demontażu starych instalacji oraz kosztów remontu pomieszczenia, w którym składowany był opał.

Hydraulika

Istotne są również wymiary rurociągów i wymagana minimalna objętość krążącej w instalacji wody. Pompa ciepła musi bezproblemowo dostarczyć wytworzone ciepło do bufora ciepła oraz wszystkich grzejników. Jeśli nie jest to zapewnione, mogą wystąpić zakłócenia przepływów i wzrost ciśnienia. Ponowne zwymiarowanie hydrauliczne instalacji i montaż są bardzo kosztowne. Dlatego tak często doradcy techniczni zwracają uwagę, aby temu zagadnieniu poświęcić dużo uwagi i w razie potrzeby zwracać się o pomoc. Praktyka firm serwisowych wskazuje, że większość systemów grzewczych w budynkach mieszkalnych nie jest zrównoważona hydraulicznie. A równoważenie hydrauliczne zapewnia, że wszystkie obwody i grzejniki w instalacji grzewczej otrzymują taką ilość wody, jaka rzeczywiście jest im potrzebna. Oprócz wysokiego komfortu ogrzewania daje to oszczędną eksploatację.

Zaleca się też wymianę zaworów termostatycznych w starych instalacjach – ich siłowniki po prostu się starzeją. Nowy zawór powinien mieć nastawy wstępne. Z kolei w obwodach starej podłogówki zaleca się indywidualne wyregulowanie rozdzielaczy obwodów i sprawdzenie wskaźników przepływu. Stare rozdzielacze i siłowniki warto wymienić na nowe z łatwiejszą regulacją. W Niemczech na przykład przykłada się do tego dużą wagę i podczas uruchomienia pompy ciepła wymagane jest przeprowadzenie równoważenia hydraulicznego. Bez tej czynności nie można skorzystać z dotacji na wymianę źródła ciepła – a można dostać zwrot około 50% kosztów.

Dobór pomp obiegowych to szczególne zadanie. Współczesne pompy są urządzeniami wysokowydajnymi i ich regulacja następuje w oparciu o przepływ objętościowy w obiegu. W sytuacji, gdy wiele grzejników jest włączonych jednocześnie i występuje duże zapotrzebowanie na ciepło, pompa ciepła ze sterowaniem mocą dąży do osiągnięcia jej maksymalnego poziomu. Z kolei pompa obiegowa musi zwiększać swoją wydajność, tak aby szybko rozprowadzić energię wytwarzaną przez pompę ciepła. Jeśli pompa ciepła steruje bezpośrednio pompą obiegową, proces ten przebiega płynnie i bezpiecznie dla całej instalacji. Natomiast w przypadku, gdy pompa obiegowa ma własną regulację, istnieje ryzyko, że nie uruchomi się wystarczająco szybko. Efektem jest wzrost ciśnienia w instalacji i awaria pompy ciepła. Dlatego standardem staje się, że nowoczesne, markowe pompy ciepła regulują pracę pompy obiegowej, dzięki czemu można uniknąć tego zagrożenia.

Kolejnym aspektem hydraulicznym, na który zwracają uwagę doradcy techniczni, jest dobór odpowiednio dużych średnic przewodów instalacji ogrzewczej. Gdy są one za małe, różnica temperatur między zasilaniem a powrotem staje się zbyt duża. Efektem jest wyłączanie się pompy ciepła lub nawet jej awaria. Podobna sytuacja ma miejsce, gdy zasobnik jest za mały i nie jest w stanie w wystarczającym stopniu odebrać energii z pompy ciepła.

Doradcy techniczni sugerują, aby instalatorzy montujący wcześniej kotły, a teraz także pompy ciepła całkowicie odchodzili od przyzwyczajeń i zasad hydraulicznych, jakie stosowali wcześniej. Twierdzą, że korzystniej i bezpieczniej jest analizować na nowo kwestie hydrauliczne w instalacjach z pompami ciepła i poświęcić na to dodatkowy czas, niż ponosić później koszty reklamacji i napraw. Generalnie nieprawidłowe wymiary instalacji w układach z pompami ciepła zmieniają prędkości przepływu i tym samym powodują nadmierne zużycie energii, co klient zawsze zauważy, analizując rachunki.

Uwaga na hałas

Pompy ciepła powietrze/woda zainstalowane na przykład na działce w zabudowie jednorodzinnej mogą być źródłem sporów z sąsiadami z powodu hałasu, jaki emitują urządzenia. W Polsce problem ten dopiero zaczyna być podnoszony, ale w Niemczech czy Austrii, gdzie na osiedlach jednorodzinnych pracują już setki tysięcy powietrznych pomp ciepła, jest to jeden z częstszych powodów nieporozumień z sąsiadami. Aby zapobiec jego występowaniu, zaleca się przed wyborem pompy ciepła przeanalizować warunki terenowe – miejsce montażu, odległość od budynku inwestora i okien, odległość od granicy działki i budynku sąsiadów, sposób montażu (ścienny czy wolnostojący) itp. Przy wyborze miejsca montażu należy wziąć pod uwagę pomieszczenia wrażliwe, takie jak sypialnie i pokoje dziecięce.

Hałas zależy od wielu różnych czynników i rośnie wraz z wydajnością pracy urządzenia. Powietrzne pompy ciepła są głośniejsze niż gruntowe i osiągają moc akustyczną nawet do 63 dB(A). A zgodnie z polskim prawem maksymalny hałas w zabudowie jednorodzinnej w ciągu dnia powinien wynosić 50 dB(A), a w nocy mniej niż 40 dB(A). Do tłumienia hałasu oferowane są już m.in. specjalne osłony tłumiące w zakresie od 6 do nawet 19 dB(A) wraz z podstawami wytłumiającymi wibracje i dźwięki. Ich konstrukcja nie zaburza pracy pompy ciepła i przepływu powietrza, a tym samym wydajności urządzenia.

Literatura

1. Materiały techniczne firm: Bosch, Fonko OZE, Glen Dimplex, Stiebel Eltron, Vaillant, Viessmann.
2. Poradniki i wytyczne PORT PC, www.portpc.pl.