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 cieplna możemy w sposób przybliżony obliczyć według tabeli 1:
Dodatkowe zużycie mocy cieplnej
Przy pompach zasilanych energią elektryczna 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.
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:
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
2. Określenie punktu biwalentnego dla dodatkowego źródła ciepła.
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 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.
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 studzienną 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
Źródło:
– instsani.pl