Pompa ciepła i grzejniki?

Możliwości modernizacji systemu z ogrzewaniem grzejnikowym

Współpraca pompy ciepła z instalacją grzejnikową

Wpływ termomodernizacji budynku na parametry pracy systemu grzewczego

Wydanie 1/2015

25.10.2015

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

2

Pompa ciepła – dla budynków nowych

oraz modernizowanych

Pompa ciepła może stanowić podstawowe

źródło ciepła nie tylko w budynkach nowych,

ale także modernizowanych. Ze względów

praktycznych najczęściej stosowanym typem

pompy ciepła w budynkach istniejących jest

pompa ciepła typu powietrze/woda, która nie

wymaga prac związanych z wykonaniem

dolnego źródła ciepła w gruncie (sond

pionowych lub kolektora poziomego).

Przy wyraźnym podwyższeniu standardu

energetycznego budynku (poprawa izolacyjności

przegród, wymiana stolarki okiennej) możliwe

jest nawet około 90-procentowe pokrycie

potrzeb cieplnych przez pompę ciepła.

Najczęściej pompa ciepła przewidziana jest do

współpracy z konwencjonalnym źródłem ciepła,

jakim jest zwykle kocioł grzewczy istniejący

w budynku. System grzewczy jest przeważnie

typu grzejnikowego.

3

Modernizacja grzewczego systemu

grzewczego – wymiana grzejników?

W większości przypadków w budynkach starszych

niż 1015 lat, system grzewczy wykorzystuje

grzejniki. Ich wymiana na system ogrzewania

podłogowego była by korzystna przy wymianie

starego kotła na nowy kondensacyjny lub na pompę

ciepła, jednak jest stosowana bardzo rzadko.

Grzejniki będące w dobrym stanie technicznym,

można zwykle wykorzystać w zmodernizowanym

systemie grzewczym, także w przypadku

zastosowania pompy ciepła.

Korzystną sytuację stwarza przeprowadzenie

termomodernizacji budynku – poprawy izolacyjności

przegród i wymiany stolarki okiennej. Obniżenie

zapotrzebowania ciepła budynku pozwala obniżyć

temperatury robocze systemu grzewczego, co

korzystnie wpływa na sprawność pracy kotła

kondensacyjnego lub pompy ciepła. W przypadku

pompy ciepła niższa temperatury zasilania zwiększa

dodatkowo zakres jej pracy.

4

Przykład hybrydowej instalacji grzewczej

z pompą ciepła i kotłem grzewczym

System grzewczy korzystający z co najmniej dwóch różnych źródeł ciepła, opartych o różne

rodzaje paliwa/energii nazywany jest systemem hybrydowym. Przykładem może być

rozbudowa istniejącej kotłowni (1) o pompę ciepła (np. Vaillant aroTHERM (2)). Poprzez

zbiornik buforowy i zarazem sprzęgło hydrauliczne (3), obydwa źródła ciepła mogą pracować

na potrzeby systemu grzewczego (4).

1

3

2

4

5

Ciepła woda użytkowa zależnie

od wybranego rozwiązania może

być podgrzewana przez każde ze

źródeł ciepła lub jedno z nich.

Prostym rozwiązaniem jest

wykorzystanie istniejącego

podgrzewacza wody (5) z wyłączną

pracą kotła grzewczego dla potrzeb

podgrzewania ciepłej wody

użytkowej.

5

Zmniejszenie zapotrzebowania ciepła budynku

po przeprowadzeniu termomodernizacji

Poprawa izolacyjności przegród – w szczególności ścian, stropodachu, stropu pod

strychem czy też nad piwnicą, a także wymiana stolarki okiennej jest jedną z najczęściej

stosowanych metod służących obniżeniu potrzeb cieplnych budynku.

Przykłady termomodernizacji budynków z lat 60-tych:

Dom 1-rodzinny

Rok budowy: 1964 r.

Powierzchnia: 295 m2

Izolacja ścian: 14 cm

Izolacja stropodachu: 22 cm

Wymiana okien

Zakres

termomodernizacji

Obniżenie zużycia ciepła:

ze 178 na 68 kWh/m2rok (-62%)

Dom 6-rodzinny

Rok budowy: 1966 r.

Powierzchnia: 603 m2

Izolacja ścian: 14 cm

Izolacja cieplna stropu: 14 cm

Izolacja stropu nad piwnicą: 10 cm

Zakres

termomodernizacji

Obniżenie zużycia ciepła:

ze 118 na 91 kWh/m2rok (-23%)

9

kW

23

kW

24

kW

32

kW

6

Efekty termomodernizacji – wymiana stolarki

okiennej i zastosowanie izolacji przegród

Efekt termomodernizacji zależy od jej zakresu oraz standardu energetycznego budynku

przed i po pracach termomodernizacyjnych. Zwykle jednak w budynkach pozbawionych

izolacji cieplnej lub o niskim standardzie izolacji, jej poprawa przynosi od 20 do 40%

obniżenia zapotrzebowania ciepła dla ogrzewania pomieszczeń. Wymiana stolarki okiennej

to dalsze obniżenie zapotrzebowania ciepła o około 15÷30%.

Poprawa izolacyjności przegród zewnętrznych lub wewnętrznych stykających się

z pomieszczeniami nieogrzewanymi (strych, piwnica, itp.) wraz z wymianą stolarki okiennej,

pozwala uzyskać zwykle ponad 60-procentowe obniżenie zapotrzebowania ciepła budynku.

7

Poglądowy efekt termomodernizacji budynku

jednorodzinnego z lat 60-tych

Rok budowy: lata 60-te

Powierzchnia ogrzewana: 200 m2

Maks. zapotrzebowanie ciepła: 18 kW

Budynek jednorodzinny

- przed termomodernizacją

Rok budowy: lata 60-te

Powierzchnia ogrzewana: 200 m2

Maks. zapotrzebowanie ciepła: 9 kW

Budynek jednorodzinny

- po termomodernizacji

Zakres termomodernizacji: wykonanie izolacji cieplnej ścian zewnętrznych (10 cm),

izolacji cieplnej stropodachu (15 cm) oraz wymiana stolarki okiennej

8

Wydajność cieplna grzejnika w zależności

od temperatur wody grzewczej

Maksymalne zapotrzebowanie ciepła pomieszczenia

- przed termomodernizacją: 2700 W

30 m2

2700 W 75 oC

60 oC

20 oC

Maksymalne zapotrzebowanie ciepła pomieszczenia

- po termomodernizacji: 1350 W

1380 W 55 oC

45 oC

20 oC

Temperatura zasilania i powrotu wody grzewczej wpływa na wydajność cieplną grzejnika.

Jeżeli maksymalne zapotrzebowanie ciepła pomieszczenia po termomodernizacji budynku

obniży się o połowę, to często możliwe jest pozostawienie istniejącego grzejnika i obniżenie

temperatury zasilania i powrotu wody grzewczej. Sprzyja to zastosowaniu pompy ciepła

lub kotła kondensacyjnego.

9

Wpływ temperatury wody grzewczej

na wydajność cieplną grzejnika

Za pomocą tabel producentów grzejników można

określić wydajność grzejnika w różnych warunkach pracy

– w zależności od temperatury wewnątrz pomieszczenia

i temperatur wody grzewczej.

Przykładowo grzejnik przy temperaturze wody

grzewczej 75/65 oC, w pomieszczeniu z temperaturą

wewnętrzną 20 oC mając wydajność cieplną 2700 W,

będzie miał w innych warunkach pracy wydajność:

haustechnik-renner.de

75/65 oC 2700 W (100%)

90/70 oC 3375 W (125%)

80/60 oC 2675 W (99%)

70/55 oC 2160 W (80%)

55/45 oC 1380 W (51%)

50/40 oC 1080 W (40%)

45/35 oC 800 W (30%)

40/30 oC 540 W (20%)

10

Dobór parametrów roboczych systemu

grzewczego po termomodernizacji budynku

Rok budowy: lata 60-te

Powierzchnia ogrzewana: 200 m2

Maks. zapotrzebowanie ciepła: 9 kW

Budynek jednorodzinny

- po termomodernizacji

Przy zastosowaniu pompy ciepła w budynku

poddawanym termomodernizacji, należy dążyć do

jak największego obniżenia temperatur roboczych

systemu grzewczego, najlepiej do maksymalnie

45÷50 oC na zasilaniu instalacji grzejnikowej.

Takie obniżenie temperatur roboczych skutkuje

jednak znacznym obniżeniem wydajności

grzejników (do 3040 % wydajności nominalnej

dla warunków 75/55 oC). Należy dokładnie

sprawdzić, czy wydajność grzejników będzie

w stanie zapewnić pokrycie potrzeb ciepła

w poszczególnych pomieszczeniach.

Można zdecydować się bądź na wymianę

pojedynczych grzejników na większe lub też

w razie konieczności podwyższyć temperatury

robocze systemu grzewczego (np. 60/50 oC),

co jednak obniży sprawność pracy pompy ciepła

i skróci czas jej pracy w sezonie grzewczym

11

Zasada doboru pompy ciepła powietrze/woda

dla instalacji grzejnikowej

Budynki jednorodzinne po przeprowadzeniu termomodernizacji cechują się zazwyczaj

maksymalnym zapotrzebowaniem ciepła nie większym niż 10 kW. Dla przykładowego

budynku o zapotrzebowaniu 9 kW możliwy jest wybór pompy ciepła typu powietrze/woda

aroTHERM VWL 115/2 o mocy nominalnej 10,5 kW lub aroTHERM VWL 155/2 o mocy

nominalnej 14,6 kW. Moc nominalna dla pompy ciepła powietrze/woda

określona jest dla parametrów A7/W35 (powietrze

zewnętrzne 7 oC, zasilanie wody grzewczej 35 oC).

W przypadku instalacji grzejnikowych o wyższych

temperaturach zasilania, a także z uwzględnieniem

niższych niż 7 oC temperatur zewnętrznych, moc

cieplna pomp ciepła będzie często niższa.

Dobór pompy ciepła powietrze/woda dla systemu

z grzejnikami będzie polegał na sprawdzeniu do

jakiej temperatury zewnętrznej będzie możliwa jej

praca i w jakim trybie powinna się odbywać jej

współpraca z kotłem grzewczym.

aroTHERM VWL 155/2

14,6 kW (A7/W35)

aroTHERM VWL 115/2

10,5 kW (A7/W35)

12

Krzywa grzewcza dla budynku przed i po

termomodernizacji, zakres pracy pompy ciepła

Temperatura

zewnętrzna

Tem

pera

tura

zasila

nia

43oC przy -20oC

55oC przy -10oC

63oC przy +2oC

75/65 oC

55/45 oC

Termomodernizacja budynku pozwala obniżyć krzywą grzewczą pracy systemu

grzewczego. Jeśli budynek leży w III strefie klimatycznej (np. Warszawa, Kraków, Łódź i in.)

to dla temperatury zewnętrznej -20 oC, zasilanie instalacji grzejnikowej w budynku po

termomodernizacji może wynosić np. 55 oC (powrót np. 45 oC). Temperatura zasilania

z pomp ciepła powietrze/woda obniża się w niskich temperaturach (np. 43 oC przy -20 oC).

Maksymalna temperatura

zasilania dla pomp ciepła

aroTHERM VWL 115/2, 155/2

13

Temperatura biwalencyjna w zależności

od parametrów pracy systemu grzewczego

Temperatura

zewnętrzna

Tem

pera

tura

zasila

nia

43oC przy -20oC

55oC przy -10oC

63oC przy +2oC

75/65 oC

55/45 oC

Obniżenie krzywej grzewczej pozwala dodatkowo wydłużyć samodzielną pracę pompy

ciepła. W systemie o parametrach roboczych 75/65 oC włączenie kotła grzewczego musi

nastąpić od temperatury zewnętrznej -6 oC. W systemie o parametrach roboczych 55/45 oC

może to nastąpić dopiero przy -14 oC. Kocioł może być włączany jednak wcześniej, gdy

wydajność grzewcza pompy ciepła będzie zbyt mała w stosunku do potrzeb cieplnych domu.

Pompa ciepła

(aroTHERM VWL 115/2)

-6 oC -14 oC

Wymagana

praca kotła

14

Potencjalny zakres pracy pompy ciepła

powietrze/woda w systemie 55/45 oC

Temperatura

zewnętrzna

Tem

pera

tura

zasila

nia

43oC przy -20oC

55/45 oC

Temperatura zewnętrzna poniżej -14 oC występuje statystycznie przez nie więcej niż 1%

czasu trwania sezonu grzewczego w III strefie klimatycznej Polski (szczegółowe dane

uporządkowane wykresy temperatury zewnętrznej). Wobec tego przy odpowiednio dobranej

mocy grzewczej pompy ciepła, może ona stanowić w zmodernizowanym systemie

grzewczym podstawowe źródło ciepła (do 80÷90% pokrycia potrzeb cieplnych budynku).

Obszar pracy

pompy ciepła -14 oC

Wymagana

praca kotła

< 1% czasu trwania

sezonu grzewczego

15

Dobór pompy ciepła – wariant mniejszej mocy

nominalnej 10,5 kW (aroTHERM VWL 115/2)

Wydajność grzewcza pompy ciepła typu powietrze/woda o mocy 10,5 kW w przykładowym

budynku pozwala na samodzielną pracę do temperatury zewnętrznej -9 oC (punkt „B1”).

Aby zwiększyć zakres pracy pompy ciepła i podwyższyć efektywność jej pracy, można

ograniczyć maksymalną temperaturę zasilania do 45 oC. Wówczas przy około -5 oC

do pracy włączy się kocioł grzewczy (np. tryb biwalentny równoległy pracy pompy ciepła).

Moc c

iepln

a (

kW

)

Temperatura

zewnętrzna

aroTHERM VWL 155/2

14,6 kW (A7/W35)

(praca wg krzywej grzewczej

do maks. 45 oC na zasilaniu)

aroTHERM VWL 115/2

10,5 kW (A7/W35)

(praca wg krzywej grzewczej

do maks. 45 oC na zasilaniu)

UWAGA: Przebiegi wykresów mocy cieplnej pomp ciepła wyznaczono w przybliżeniu w oparciu o punkty

charakterystyczne pomiarowe (np. A5/W35) i dla górnych prędkości obrotowych sprężarki.

B1

B2

16

Dobór pompy ciepła – wariant większej mocy

nominalnej 14,6 kW (aroTHERM VWL 155/2)

Większa moc cieplna pompy ciepła 14,6 kW pozwala wydłużyć samodzielną pracę do

w przykładowym budynku do temperatury zewnętrznej -15 oC (punkt „B2”). W zależności

od wyboru trybu pracy, kocioł grzewczy może się włączać przy temperaturze zewnętrznej

od -5 do -10 oC, w celu podniesienia temperatury zasilania wymaganej dla systemu 55/45oC

wg krzywej grzewczej.

Moc c

iepln

a (

kW

)

Temperatura

zewnętrzna

aroTHERM VWL 155/2

14,6 kW (A7/W35)

(praca wg krzywej grzewczej

do maks. 45 oC na zasilaniu)

aroTHERM VWL 115/2

10,5 kW (A7/W35)

(praca wg krzywej grzewczej

do maks. 45 oC na zasilaniu)

UWAGA: Przebiegi wykresów mocy cieplnej pomp ciepła wyznaczono w przybliżeniu w oparciu o punkty

charakterystyczne pomiarowe (np. A5/W35) i dla górnych prędkości obrotowych sprężarki.

B1

B2

17

Tryby pracy pompy ciepła we współpracy

z kotłem grzewczym

Sezon grzewczy (dni) Sezon grzewczy (dni) Sezon grzewczy (dni)

Te

mp

era

tura

ze

wn

ętr

zn

a

-20

0

+15

-20

0

+15

-20

0

+15

biwalentny równoległy biwalentny częściowo

równoległy biwalentny alternatywny

np. kocioł na

olej opałowy

np. kocioł na

gaz ziemny

np. kocioł na

paliwo stałe

Pompa ciepła pracując z systemem ogrzewania grzejnikowego będzie potrzebować

wsparcia ze strony kotła grzewczego. Do wyboru pozostają 3 tryby współpracy źródeł ciepła.

Wybór jest uzależniony w głównej mierze od rodzaju kotła grzewczego. Jeśli kocioł cechuje

się dobrą regulacyjnością (np. kocioł gazowy z modulowanym palnikiem) to korzystny będzie

tryb biwalentny częściowo równoległy. W przypadku kotła na paliwo stałe, gdzie

dodatkowo występują znaczne straty rozruchowe i postojowe bardziej korzystny będzie tryb

biwalentny alternatywny. W przypadku kotła korzystającego z droższego paliwa (olej

opałowy, gaz płynny), w trybie biwalentnym równoległym wydłużana będzie maksymalnie

praca pompy ciepła zapewniającej także w takich warunkach niższe koszty eksploatacji.

18

Optymalizacja pracy pompy ciepła

we współpracy z kotłem grzewczym

Warunki pracy systemu grzewczego zmieniają się

dynamicznie, a w związku z tym także zmienia się

sprawność pracy pompy ciepła, a także kotła grzewczego.

Do tego dochodzi kwestia ewentualnego korzystania

z 2-taryfowej opłaty (dzień/noc) za zakup energii

elektrycznej dla pompy ciepła.

Szczególnie ważna jest więc stała optymalizacja pracy

całego systemu grzewczego. Pomocna może być w tym

funkcja triVAI® zawarta np. w regulatorze calorMATIC

470/4. Pozwala ona zdefiniować ceny paliw oraz energii

elektrycznej w taryfie dziennej i nocnej. Pozwala to na

zarządzanie pracą układu hybrydowego (pompy ciepła

i kotła grzewczego), dla uzyskania jak najniższych kosztów

wytworzenia ciepła (zł/kWh, zł/GJ).

19

Efektywność energetyczna pomp ciepła

w trybie nisko- i wysokotemperaturowym

Pompa ciepła aroTHERM VWL należy do grupy urządzeń

o wysokiej efektywności pracy, uzyskując w trybie pracy

„wysokotemperaturowym” (55 oC) klasę efektywności

energetycznej A+. W trybie „niskotemperaturowym” (35 oC)

pompa ciepła uzyskuję najwyższą klasę A++ (np. VWL 155/2)

20

Efekty ekonomiczne termomodernizacji

budynku i modernizacji systemu grzewczego

W przykładowym budynku po termomodernizacji (obniżenie

maksymalnego zapotrzebowania ciepła z 18 do 9 kW) i przy

zastosowaniu pompy ciepła w układzie hybrydowym z kotłem

grzewczym, obniżenie kosztów ogrzewania można szacować

w zależności od rodzaju paliwa na:

Koszt ogrzewania domu

przed termomodernizacją

Koszt ogrzewania domu

po termomodernizacji

Kocioł

Pompa ciepła

UWAGA: ceny paliw i energii 10.2015: gaz ziemny 2,162 zł/m3 (koszt całkowity wg

kalkulatora w taryfie W-3), olej opałowy 2,80 zł/dm3, gaz płynny 1,74 zł/dm3 (przy

własnym zbiorniku), węgiel ekogroszek 700 zł/t. Sprawności średnioroczne kotłów

(istniejące w domu, niskotemperaturowe) w kolejności: 85%, 80%, 85%, 70%.

Efektywność roczna pompy ciepła SCOP = 3,71 (waermepumpe.de).

zł/rok brutto

Ko

cio

ł

Ko

cio

ł

Ko

cio

ł

Ko

cio

ł

Ko

cio

ł

21

Pompa ciepła dla modernizacji systemu

grzewczego z grzejnikami - podsumowanie

Zastosowanie pompy ciepła w modernizowanych budynkach

zwykle nie wymaga wymiany grzejników na nowe. Możliwe

jest obniżenie temperatur roboczych systemu grzewczego.

Istniejący w budynku kocioł grzewczy przejmuję rolę

szczytowego i awaryjnego źródła ciepła, pompa ciepła może

zapewnić nawet więcej niż 80-procentowe pokrycie potrzeb

cieplnych budynku.

Szczególnie ważne jest stosowanie inteligentnych

regulatorów dla układów hybrydowych, analizujących

chwilową sprawność pracy źródeł ciepła i koszt wytwarzanego

ciepła. Decydują one o włączaniu i wyłączaniu z pracy pompy

ciepła oraz kotła grzewczego.

Należy zwrócić uwagę na dodatkowe wymagania dla pompy

ciepła – od strony hydraulicznej (w szczególności natężenie

przepływu wody grzewczej), a także związane z zabudową

pompy ciepła na zewnątrz budynku (ochrona przed hałasem

w przypadku zwartej zabudowy mieszkalnej).

Chłodzenie

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl