Pompa ciepła w trudnych warunkach pracy – część 1.

Przedstawiamy badanie rzeczywistej instalacji z pompą ciepła, która pracuje w trudnych warunkach, ponieważ dom zlokalizowany jest w najzimniejszej części kraju – w tzw. 5-iątej strefie klimatycznej.

Instalacja została tak zaprojektowana, aby pompa ciepła pracowała samodzielnie przez cały rok – bez dodatkowych źródeł ciepła, nawet w najmroźniejsze dni. Sama ogrzewa dom i wodę użytkową przez cały rok.

Badania prowadził niezależny zespół – nie związany z żadnym producentem, a wyniki zostały opublikowane w: Rynek Instalacyjny nr. 09/2016, artykuł pt.: „Zastosowanie dodatkowych źródeł energii odnawialnej do współpracy z pompą ciepła solanka/woda”; autorzy: dr inż. Joanna Piotrowska-Woroniak, dr inż. Wiesław Załuska, mgr inż. Rafał Tomaszewicz; badania opisywanej instalacji wykonano w ramach pracy statutowej Politechniki Białostockiej.

Link do artykułu >

Badania prowadzono w ciągu pięciu lat, w czasie których instalacja była rozbudowywana.

Budowa domu i instalacje

Budowa częściowo zakończyła się 2010 r. W roku 2011 dom został wykończony i zamieszkany.
Badania instalacji trwały od 2010 do końca 2015 roku, w czasie których:
– pompa ciepła pracuje od lutego 2010 r.,
– od 2010 roku w budynku prowadzono pomiary efektywności pracy znajdujących się w nim instalacji oraz kosztów ich eksploatacji,
– w 2014 r. wprowadzono dodatkowy system monitorowania pracy pompy ciepła, który pozwolił na optymalizację pracy instalacji i w efekcie obniżenie kosztów eksploatacji,
– od początku lata w 2014 r. pracuje instalacja chłodzenia naturalnego-pasywnego („natural cooling”), która do chłodzenia domu wykorzystuje niską temperaturę gruntu,
– w październiki 2014 r. rozpoczęła również pacę instalacja fotowoltaiczna, o zainstalowanej mocy elektrycznej: 4,14 kWp
– taryfa energii elektrycznej – początkowo G12, a od listopada 2014 r. zmiana na taryfę: G12w.

Lokalizacja i dane klimatyczne

Dom znajduje się w najzimniejszej części kraju – V strefa klimatyczna, dla której przyjmuje się obliczeniową temperaturę zewnętrzną: -24°C. Jest to temperatura, dla której oblicza się zapotrzebowanie budynków na ciepło (potrzebna moc grzewcza, roczne zapotrzebowanie na ciepło), oraz temperatura, dla której projektuje się instalację ogrzewania domu – tutaj: instalację ogrzewania podłogowego i ściennego.

Można więc powiedzieć, że pompa ciepła pracuje w „trudnych warunkach”, bo niemal w każdej innej części kraju temperatury zewnętrzne są wyższe, a klimat łagodniejszy. Co przekłada się również na niższe koszty ogrzewania.

Rys. Temperatury obliczeniowe powietrza zewnętrznego w danej części kraju – z podziałem na strefy temperaturowe:  strefa klimatyczna I: -16°C; strefa klimatyczna II: -18°C; strefa klimatyczna III: -20°C; strefa klimatyczna IV: -22°C; strefa klimatyczna V: -24°C  (źródło: instsani.webd.pl)

Rys. Temperatury obliczeniowe powietrza zewnętrznego w danej części kraju – z podziałem na strefy temperaturowe:
strefa klimatyczna I: -16°C; strefa klimatyczna II: -18°C; strefa klimatyczna III: -20°C; strefa klimatyczna IV: -22°C; strefa klimatyczna V: -24°C
(źródło: instsani.webd.pl)

Wybrane dane klimatyczne w miejscu lokalizacji budynku:

  • liczba dni grzewczych w ciągu roku: 252 (czas trwania okresu grzewczego)

  • liczba dni mroźnych: 50–65 dni w roku

  • strefa przemarzania gruntu sięga: 1,4 m

  • średnia dzienna wilgotność 69%

  • średnie usłonecznienie 1676 h

  • średnie zachmurzenie 5,4 oktany (gdy: 0 – niebo bez chmur, 8 – całkowicie pokryte chmurami)

  • na terenie tym panuje duża wietrzność, latem dominują wiatry o prędkości 2,5–3 m/s, a zimą o średniej prędkości 3–4,5 m/s. 

Dane o wietrzności podano dla ewentualnych rozważań na temat zastosowania turbiny wiatrowej, która mogłaby być głównym źródeł prądu wykorzystującym odnawialne źródła energii (jako alternatywa dla instalacji fotowoltaicznej), lub wykorzystanie energii wiatru jako uzupełnienie instalacji fotowoltaicznej.

Opis budynku i instalacji

Instalacja została tak zaprojektowana, żeby pompa ciepła pracowała samodzielnie – bez wspomagania dodatkowymi źródłami ciepła, nawet w najmroźniejsze dni.

– powierzchnia całkowita domu: 135,3 m2, kubatura: 647,5 m3

– obliczeniowe zapotrzebowania na ciepło – wymagana moc grzewcza: 9 kW (wsp. zapotrzebowania na ciepło: 67 W/m2) – warto tutaj przypomnieć, że dom budowany był w 2010 roku, prawdopodobnie dzisiaj zostałby lepiej „ocieplony”

– liczba mieszkańców: 2 osoby

– wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła – rekuperacja

– system wentylacji wyposażony dodatkowo w gruntowy wymiennik ciepła do wstępnego podgrzewu powietrza zewnętrznego w zimie i do chłodzenia domu w lecie

– kompaktowa gruntowa pompa ciepła firmy Viessmann, z zabudowanym zbiornikiem c.w.u. o pojemności 220 litrów, przystosowana do współpracy z instalacją kolektorów słonecznych do wspomagania ogrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.)

– poziomy wymiennik gruntowy z 10-cioma kolektorami spiralnymi o długości 100 m każdy, wykonany z rur PE o średnicy 25 mm i ułożony na głębokości 1,9 m

– powierzchnia działki zajmowana przez wymiennik gruntowy: 231 m2 (21 x 11 m)

– pompa pracuje w układzie monowalentnym na c.o. i c.w.u.; czyli pompa ciepła samodzielnie ogrzewa dom i wodę użytkową

– w instalacji nie zastosowano zasobnika buforowego wody grzewczej – przynajmniej tak wynika ze schematów instalacji zamieszczonych w artykule źródłowym

– instalacja ogrzewania domu – ogrzewanie płaszczyznowe mieszane: podłogowe i ścienne, zaprojektowane na temperaturę wody grzewczej: 50/40°C

– ogrzewanie ścienne wykonano na poddaszu na ścianach kolankowych

– instalacja centralnego ogrzewania (c.o.), wyposażona jest w termostaty, które umożliwiają pomiar temperatury w każdym pomieszczeniu i indywidualną regulację panującej w nim temperatury

– wymagana temperatura c.w.u.: 55°C

Wyniki badań i koszty eksploatacji domu

Zużycie prądu i jego koszt zestawiono w tabeli poniżej. Analizując wyniki warto mieć na uwadze wszelkie modernizacje i wprowadzenie nowych systemów w budynku. Warto też zwrócić uwagę, że prąd z instalacji fotowoltaicznej rozliczany był wg „starych przepisów”, które dzisiaj są całkiem inne i bardziej sprzyjają takim inwestycjom.

(*) Całkowite zużycie prądu: RTV i AGD, oświetlenie, wentylacja, instalacja ogrzewania i chłodzenia domu.  (**) Zużycie prądu na cele mieszkalna: zasilanie urządzeń RTV i AGD, oświetlenie, rekuperacja i inne, np. oświetlenie zewnętrzne. PV – instalacja fotowoltaiczna PC – pompa ciepła

(*) Całkowite zużycie prądu: RTV i AGD, oświetlenie, wentylacja, instalacja ogrzewania i chłodzenia domu.
(**) Zużycie prądu na cele mieszkalna: zasilanie urządzeń RTV i AGD, oświetlenie, rekuperacja i inne, np. oświetlenie zewnętrzne.
PV – instalacja fotowoltaiczna
PC – pompa ciepła

Koszt prądu (cena), zależy od czasu pracy pompy ciepła w tańszej taryfie („nocnej”) i czasu pracy w taryfie droższej – „dziennej”.

Po wdrożeniu systemu optymalizacji pracy pompy ciepła w 2014 r., przez większość czasu pracuje ona w drugiej – tańszej taryfie elektrycznej („nocnej”).

Po optymalizacji pracy pompy ciepła, udział zużycia prądu w tańszej taryfie wyniósł: 81,68%, w taryfie droższej tylko 18,32%.

Warto przy tym zwrócić uwagę, że prąd na cele mieszkalne również jest rozliczany wg systemów dwutaryfowego. Żeby oszczędzić na kosztach prądu warto ustawić załączenie pralki w godzinach obowiązywania taryfy „nocnej”, podobnie zmywarki, czy w tych godzinach prasować ubrania, gotować obiad na kuchence elektrycznej, odkurzać, itp. W ten sposób, odpowiednio organizując domowe prace, można mniej płacić za prąd. Być może tak właśnie zrobili mieszkańcy domu, bo przez dwa pierwsze lata mieszkania w domu, każdego roku zużywali ok. 4 000 kWh energii elektryczne na cele mieszkalne. A od 2014 zużycie to znacznie się zmniejszyło.

Przez pierwsze dwa lata mieszkania w domu, zużycie i koszty prądu były do siebie zbliżone (rok 2012 i 2013). Po optymalizacji pracy instalacji w 2014 roku, uzyskano:

– mniejsze zużycie prądu przez instalację pompy ciepła: z ponad 7 000 kWh/rok, do 6 000 kWh w roku 2014

– dzięki optymalizacji właściciel domu o ponad 1 500 zł mniej zapłacił za ogrzewanie (2316 zł w 2014 r.; 3 829 zł w 2012 r. I 3 912 zł w 2013 r.)

– znacznie zmniejszył się koszt prądu – średnia cena zakupu: z 0,485 zł/kWh i 0,554 zł/kWh; do 0,392 zł/kWh w 2014 r.

Co prawda od października 2014 r. rozpoczęła pracę instalacja fotowoltaiczna. Jednak, przez trzy ostatnie miesiące roku wyprodukowała tylko 292 kWh energii elektrycznej, co nie miało istotnego wpływu na całkowity obraz zużycia i kosztów prądu w całym 2014 r..

Przez cały 2015 rok pracowała instalacja fotowoltaiczna. Przyglądając się całkowitym kosztom prądu w tym roku (2 532 zł) oraz w poprzednim (3 363 zł), moglibyśmy powiedzieć, że instalacja PV przyniosła niewielkie oszczędności. Wynika to głównie ze sposobu rozliczania i warunków korzystania z publicznej sieci energetycznej, które wówczas obowiązywały. Dzisiaj sytuacja jest całkiem inna i oszczędności dzięki instalacji PV są znacznie większe.

Więcej na ten temat i dokładniejsze wyniki pracy instalacji pompy ciepła oraz fotowoltaicznej zostaną pokazane w dalszej części artykułu.

Zastanawiające jest, że od początku mając wymiennik gruntowy współpracujący z wentylacją, który również chłodzi powietrze nawiewane do pomieszczeń w lecie, właściciele zdecydowali się na dołożenie chłodzenia „pompą ciepła” – chłodzenie niską temperatura gruntu z wykorzystaniem ogrzewania podłogowego i ściennego.

Możliwe, że wentylacyjny wymiennik gruntowy nie spełniał oczekiwać mieszkańców co do skuteczności chłodzenia. Dokładając opcję chłodzenia pompą ciepła z pewnością uzyskali większy komfort w upalne dni – większa moc chłodnicza i możliwe do uzyskania niższe temperatury w pomieszczeniach.

Warto pamiętać przy tym, że chłodzenie naturalne nie generuje wysokich kosztów, jak w przypadku tradycyjnych systemów klimatyzacji. Podczas pracy z chłodzeniem, pompa ciepła nie załącza się (sprężarka wyłączona). Jedynie jej regulator kontroluje pracę instalacji. W instalacji pracują tylko pompy solanki i obiegu grzewczego, który w lecie pełni funkcję obiegu chłodzenia.

Przeczytaj także:

Pompa ciepła w trudnych warunkach pracy – część 2. Ogrzewanie wody użytkowej

Pompa ciepła w trudnych warunkach pracy – część 3. Wykorzystanie energii słonecznej

Pompa ciepła w trudnych warunkach pracy – część 4. Sprawniejsze moduły PV?

Pompa ciepła w trudnych warunkach pracy – część 5. Pompa ciepła i fotowoltaika

Pompa ciepła w trudnych warunkach pracy – część 6. Fotowoltaika dzisiaj

Pompa ciepła w trudnych warunkach pracy – część 7. Podsumowanie

Autor: Krzysztof Gnyra

Źródło:

[1] Rynek Instalacyjny nr. 09/2016, artykuł pt.: Zastosowanie dodatkowych źródeł energii odnawialnej do współpracy z pompą ciepła solanka/woda; autorzy: dr inż. Joanna Piotrowska-Woroniak, dr inż. Wiesław Załuska, mgr inż. Rafał Tomaszewicz.

[2] Instalacje fotowoltaiczne, wydanie V; Bogdan Szymański; GLOB Energia, Kraków 2016 r.