Modernizacja kotłowni na układ z pompą ciepła

Etapy i wybory

Zbliżający się koniec sezonu grzewczego to okazja do przeanalizowania możliwości modernizacji instalacji c.o. w celu obniżenia kosztów eksploatacji czy poprawy komfortu. W tym kontekście coraz bardziej popularnym rozwiązaniem jest zastosowanie pomp ciepła do modernizacji istniejącej instalacji, szczególnie w przypadku obiektów ogrzewanych z wykorzystaniem drogich nośników energii jak olej opałowy czy gaz płynny. Mimo, że ich ceny w ostatnim czasie spadły to i tak roczne koszty ogrzewania domu są wysokie. W takim przypadku zastosowanie pompy ciepła pozwala zredukować koszty eksploatacji instalacji nawet 3-4-krotnie, w zależności od rodzaju pompy ciepła i parametrów instalacji. Coraz większym obszarem zastosowania pomp ciepła jest również modernizacja instalacji wyposażonych w kocioł węglowy, zapewnia co prawda relatywnie niskie koszty eksploatacji, ale wymaga uciążliwej obsługi oraz corocznego zakupu i magazynowania paliwa. Z wiekiem te czynności stają coraz bardziej uciążliwe i wiele osób staje przed dylematem czy wyprowadzić się do mieszkania czy zastosować inny rodzaj nośnika energii. Zastosowanie pompy ciepła pozwala połączyć bezobsługową pracę instalacji z niskimi kosztami eksploatacji. Jednak zamierzony cel można osiągnąć tylko pod warunkiem odpowiedniego doboru i montażu wszystkich elementów instalacji oraz fachowego uruchomienia systemu. Ocena zapotrzebowania na ciepło Na początku należy ustalić zapotrzebowanie na ciepło budynku. Można tego dokonać dokładnie, obliczając straty ciepła lub skorzystać z metody szacunkowej opartej na dotychczasowym zużyciu paliwa. Przy czym metoda ta jest uzasadniona o ile dotychczas budynek był ogrzewany w sposób ciągły oraz, że znamy temperaturę utrzymywaną w budynku. Zdarza się bowiem, że na podstawie podanego zużycia paliwa określono moc nowego źródła ciepła, zainstalowano je, a w sezonie grzewczym okazało się, że występują problemy z ogrzaniem budynku. Wynika to bardzo często z tego, że inwestor nie przekazał informacji o tym, że z powodu wysokich kosztów eksploatacji poprzedni system grzewczy był okresowo wyłączany albo o tym, że znaczną część  energii niezbędną do ogrzania domu pokrywał kominek czy kocioł stałopalny, który wspomagał instalację. Dopiero w kolejnej rozmowie inwestor przyznaje, że rocznie zużywał czasem nawet kilkanaście m3 drewna. Chcąc prawidłowo dobrać pompę ciepła, należy dokładnie ustalić z inwestorem jakie nośniki energii były użytkowane oraz w jaki sposób tak, by można było oszacować łączne zużycie energii. Do tego celu musimy oczywiście jeszcze uwzględnić wartość opałową poszczególnych paliw oraz oszacować sprawność wykorzystania energii w starej instalacji, W poniższej tabeli przedstawiono szacunkową wartość opałową poszczególnych paliw oraz  sprawność źródeł ciepła. W przypadku kotłów stałopalnych czy kominków sprawność eksploatacyjna jest często jeszcze niższa z powodu błędów obsłudze, braku przeglądów, zanieczyszczenia wymiennika ciepła. Mimo to nie należy przyjmować zbyt niskiej sprawności ponieważ może to w dalszej perspektywie oznaczać wybór pompy ciepła o zbyt niskiej mocy i problemy z ogrzaniem budynku w trakcie silnych mrozów oraz znacznie wyższe koszty eksploatacji związane z długotrwałą pracą dodatkowego źródła ciepła, np. grzałki elektrycznej czy kotła gazowego lub olejowego.

Przykład obliczeniowy oszacowania zużycia energii w domu Załóżmy, że użytkownik spala rocznie około 1200 l oleju opałowego. Do tego dochodzi około 5 metrów przestrzennych drewna spalanego w kominku. Zgodnie z tabelą przy sprawności kotła olejowego na poziomie 90% i kominka 60% ilość energii wyprodukowana przez kocioł to 1200 x 5,85= 7020 kWh/rok, a przekazana przez kominek to około 5 x 1080 = 5400 kWh. Łącznie 12 420 kWh/rok. Wymaganą moc pompy ciepła możemy oszacować, dzieląc ustaloną poprzednio wartość przez 2000 godzin pracy z pełną mocą, czyli 12 420/2000 = 7,2 kW W praktyce można przyjąć 1 kW mocy pompy ciepła na każde 200 l oleju opałowego, 300 l gazu płynnego czy 500 kg węgla zużywanego rocznie do ogrzania domu.

Wybór rodzaju pompy ciepła Jeśli wiemy już jaka moc jest niezbędna do ogrzania budynku, wówczas musi zdecydować jaką pompę ciepła wybrać oraz czy ma ona całkowicie zastąpić dotychczasowe źródło ciepła czy z nim współpracować. Spośród wielu możliwości najczęściej wybieranymi modelami pomp ciepła są urządzenia typu solanka-woda i powietrze-woda. Pierwsze z nich cechują się z reguły wyższą efektywnością, szczególnie w szczycie sezonu grzewczego, nie wymagają konserwacji poza przeglądem instalacji grzewczej i w wielu przypadkach są w stanie samodzielnie zasilać instalację bez współpracy z dodatkowym źródłem ciepła, w tak zwanym trybie monowalentnym. System z pompą ciepła solanka-woda jest jednak droższy z uwagi na potrzebę wykonania instalacji dolnego źródła. Koszt inwestycji w pompę ciepła powietrze-woda jest dużo niższy, ale efektywność jest również nieco niższa. Dodatkowo musimy pamiętać o regularnym czyszczeniu wymiennika ciepła jednostki zewnętrznej. Wybór trybu pracy W celu ustalenia metody współpracy pompy ciepła z istniejącą instalacją musimy jeszcze sprawdzić jaka jest wymagana maksymalna temperatura zasilania. Jeśli przekracza ona 55-60oC wówczas okresowo rolę głównego źródła ciepła będzie musiał przejąć, np. istniejący kocioł gazowy lub kocioł elektryczny, ponieważ maksymalna temperatura zasilania dla większości  pomp ciepła nie przekracza 62-63oC. Jeśli jednak wymagana temperatura zasilania jest niższa, wówczas w przypadku pompy ciepła solanka-woda możemy wręcz zdecydować się na tak zwany monowalentny tryb pracy co oznacza, że pompa ciepła będzie jedynym źródłem ciepła w instalacji. Takie rozwiązanie warto zastosować, gdy chcemy zastąpić, np. uciążliwy w obsłudze kocioł węglowy i w ten sposób odzyskać pomieszczenie kotłowni, a także wyeliminować potrzebę okresowego palenia w kotle, zakupu i magazynowania opału oraz czyszczenia kotła i usuwania popiołu. Tryb monowalentny warto również rozważyć, gdy korzystaliśmy dotychczas z kotła olejowego czy kotła zasilanego gazem płynnym, szczególnie, gdy dobiega końca okres obowiązywania umowy dzierżawy zbiornika. W przypadku pompy ciepła powietrze-woda z reguły wybiera się biwalentny częściowo-równoległy tryb pracy, co oznacza, że np. do -5 czy -7oC pracuje wyłącznie pompa ciepła. Poniżej tej wartości załącza się dodatkowe źródło energii, które wspomaga instalację. Gdy temperatura zewnętrzna w dalszym ciągu spada, np. poniżej -15, -20 czy – 25oC wówczas sprężarka pompy ciepła zostaje wyłączona. Instalację zasila wyłącznie źródło szczytowe. Dobór mocy pompy ciepła …solanka-woda W przypadku pompy ciepła solanka-woda jeśli decydujemy się na monowalentny tryb pracy, wówczas stosujemy pompę ciepła o mocy nieco wyższej od wyliczonych strat ciepła budynku. Możemy ewentualnie zdecydować się na nieco mniejszą moc i tryb pracy monoenergetyczny, w którym okresowo załączała się będzie grzałka pompy ciepła. W tym wariancie należy jednak pamiętać, by wielkość dolnego źródła dobrać stosownie do mocy niezbędnej do ogrzania budynku powiększonej o wskaźnik uwzględniający zużycie energii na potrzeby przygotowania ciepłej wody (0,25 -0,5 kW/osobę). W przeciwnym razie temperatura instalacji dolnego źródła może bardzo szybko spadać, co będzie skutkowało również niższą efektywnością instalacji i brakiem pełnej regeneracji dolnego źródła przed kolejnym sezonem grzewczym. …powietrze-woda Dla zapewnienia optymalnej pracy pompy ciepła z reguły dobiera się jej moc tak, by pracowała samodzielnie do -5 czy -7oC na zewnętrz. Pomocne są w tym przypadku programy symulacyjne, które po wprowadzeniu parametrów instalacji wskazują modele pomp ciepła, które są w stanie zapewnić wymagane parametry. Do wyboru odpowiedniej pompy ciepła możemy również wykorzystać wykresy zależności mocy poszczególnych modeli od temperatury zewnętrznej. W tym celu wystarczy na wykresie, na osi pionowej nanieść wymaganą moc do ogrzania domu przy temperaturze obliczeniowej, np. 7,2 kW dla -20oC. Ten punkt łączymy z punktem 0 kW przy temperaturze +20oC. Powstała w ten sposób linia przedstawia w przybliżony sposób zależność wymaganej mocy od temperatury zewnętrznej. Przecięcie przebiegu mocy poszczególnych pomp ciepła oraz linii obrazującej wymaganą moc przedstawia punkt biwalencyjny, poniżej którego niezbędna będzie równoległa praca dodatkowego źródła ciepła dla zapewnienia odpowiedniego komfortu. Wybieramy ten model pompy ciepła, który zapewni odpowiednią moc co najmniej do -5oC, a dla lokalizacji budynku w chłodniejszej części kraju, strefy IV i V nawet -7 do -10oC. Wybór układu hydraulicznego, czyli kiedy i jakie bufory? Wiedząc już jaki rodzaj i jakiej mocy pompę ciepła zastosujemy w instalacji, należy wybrać odpowiedni układ hydrauliczny. W większości przypadków niezbędne będzie zastosowanie zbiornika buforowego, szczególnie, gdy pompa ciepła będzie współpracowała z kotłem gazowym, olejowym czy stałopalnym. Zbiornik buforowy będzie niezbędny również, gdy pompa ciepła zasila instalację grzejnikową W przypadku pomp ciepła jednostopniowych najczęściej stosuje się zbiorniki buforowe o pojemności co najmniej 20 l/kW. Jeszcze większą pojemność warto zastosować, gdy instalację wspomagać ma kocioł stałopalny, zasypowy czy kominek, który nie jest wyposażony w automatyczny układ regulacji mocy. Kocioł taki w krótkim czasie dostarcza duże ilości energii, które trzeba zakumulować i sukcesywnie przekazywać do instalacji. Pozwoli to zapewnić odpowiednią jakość procesu spalania bez ryzyka okresowego przegrzewania pomieszczeń. Znacznie mniejszej pojemności zbiorniki buforowe można stosować w przypadku inwerterowych pomp ciepła. Wówczas wymagane minimalne pojemności zbiorników to z reguły 20-30 l. Ze zbiornika możemy zrezygnować całkowicie, gdy pompa ciepła zasila wyłącznie instalację ogrzewania podłogowego, pod warunkiem, że ewentualne dodatkowe źródło ciepła nie wymaga zastosowania zbiornika. W tym przypadku rolę zbiornika buforowego przejmuje system ogrzewania podłogowego wraz z wylewką. Ważne przy tym, by nie więcej niż 30-40 % pętli ogrzewania podłogowego wyposażone było w miejscowy układ regulacji temperatury, np. termostaty pokojowe i głowice przy rozdzielaczu. Ponadto zawsze należy sprawdzić wytyczne producenta konkretnej pompy ciepła. Wybór sposobu przygotowania ciepłej wody To również bardzo ważny temat. Trzeba bowiem wziąć pod uwagę, że pompa ciepła ma z reguły względnie niską moc i dysponuje ograniczoną temperaturą zasilania. Z tego powodu do współpracy z pompą ciepła należy stosować wyłącznie podgrzewacze zaprojektowane do tego celu, przede wszystkim wyposażone w wężownicę o dużej powierzchni, co najmniej 0,2-0,25 m2/kW mocy pompy ciepła. W przypadku współpracy pompy ciepła z dodatkowym źródłem energii, np. kotłem, kominkiem z płaszczem wodnym, a czasem również kolektorami słonecznymi należy wziąć pod uwagę także wymagania tych urządzeń. Można w tym przypadku skorzystać z podgrzewaczy biwalentnych przystosowanych do współpracy z pompą ciepła i kolektorami czy kotłem. Innym rozwiązaniem jest zintegrowanie w instalacji poszczególnych źródeł ciepła poprzez zbiornik buforowy, który zapewnia również możliwość przygotowania ciepłej wody. Najczęściej są to zbiorniki buforowe z wbudowaną wężownicą o dużej powierzchni przeznaczoną do przygotowania ciepłej wody lub zbiorniki z modułami zawierającymi płytowy wymiennik ciepła. Zaletą tych rozwiązań jest możliwość integracji w instalacji kilku źródeł ciepła i higieniczny, przepływowy sposób ogrzewania wody. Rozwiązania te są więc polecane również do stosowania w domach letniskowych czy innych obiektach użytkowanych okresowo, w których unika się raczej stosowania typowego zasobnika c.w.u. o znacznej pojemności. Uwaga! W każdym przypadku dla osiągnięcia zamierzonego celu jakim jest zbudowanie efektywnej i bezobsługowej instalacji grzewczej bardzo ważna dbałość o prawidłowość wykonania czynności na każdym etapie, od doboru elementów instalacji, po montaż i uruchomienie.

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 1/2018 12/2017 4/2017