Jak zwiększyć efektywność pompy ciepła

Jak zbudowana jest pompa ciepła o wysokiej efektywności energetycznej?

Jaki jest wpływ komponentów pompy ciepła na jej efektywność energetyczną?

Jakie efektywności energetyczne uzyskują oferowane na rynku pompy ciepła?

Wydanie 1/2016

25.08.2016

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

2

Efektywność pracy pompy ciepła

Pompa ciepła należy do najbardziej efektywnych energetycznie urządzeń grzewczych

dzięki wykorzystaniu energii odnawialnej – ciepła zawartego w powietrzu, gruncie lub

wodzie. Efektywność energetyczna wyrażona współczynnikiem efektywności COP,

wskazująca na chwilową efektywność 5,1 oznacza że na każdy 1 kW zużywanej chwilowo

energii elektrycznej uzyskuje się na zasilaniu z pompy ciepła 5,1 kW ciepła.

Współczynnik SCOP wskazuje na efektywność

energetyczną obliczaną dla całego roku pracy

pompy ciepła. W przypadku pomp ciepła powietrze/

woda jest on zwykle wyższy od wartości COP.

3

Jakie efektywności uzyskują pompy ciepła

na rynku europejskim?

Efektywność COP = 4,22 pomp ciepła typoszeregu flexoTHERM i flexoCOMPACT

(np. VWF 57/4 w wersji powietrze/woda) produkowanych przez firmę Vaillant, należy do

jednej z najwyższych na tle rankingu 927 pomp ciepła typu powietrze/woda. Efektywność

tego rzędu uzyskuje jedynie 6% oferowanych na rynku pomp ciepła.

Wymagana minimalna efektywność COP w punkcie pracy A2/W35 (powietrze 2oC / woda

35oC) wynosi 3,10 (zgodnie z decyzją 2007/742/WE KE). Średnia wartość COP dla pomp

ciepła z listy BAFA wynosi 3,55. Lista BAFA to wykaz znacznej części oferowanych na rynku

europejskim pomp ciepła. Lista jest tworzona przez agencję rządową BAFA w Niemczech

i jest pomocna m.in. w przyznawaniu dofinansowania na tym rynku na zakup pomp ciepła

o potwierdzonych parametrach pracy.

Pełne zestawienie

4

Ranking efektywności pomp ciepła

powietrze/woda na podstawie listy BAFA W

spółc

zynnik

CO

P (

A2/W

35)

COP = 3,00÷3,30

22% pomp ciepła

z listy BAFA

COP = 3,31÷3,80

57% pomp ciepła

z listy BAFA

COP = 3,81÷4,10

15% pomp ciepła

z listy BAFA

maks. COP = 4,43

min. COP = 3,10

śr. COP = 3,55

COP = 4,11÷4,50

6% pomp ciepła

z listy BAFA

Vaillant flexoTHERM exclusive VWF 57/4 + aroCOLECT CWL 11/4 SA , COP = 4,22

Zestawienie współczynników COP

dla 927 powietrznych pomp ciepła

(wg listy BAFA, 12.12.2014)

5

Pompy ciepła powietrze/woda z obiegiem

glikolowym w jednostce zewnętrznej

Vaillant

flexoCOMPACT exclusiv

5,3 do 11,2 kW (B0/W35)

lub 6,2 do 11,5 kW (A2/W35)

Vaillant

flexoTHERM exclusiv

5,3 do 19,7 kW (B0/W35)

lub 6,2 do 19,8 kW (A2/W35)

Pompy ciepła flexoTHERM przeznaczone są do ogrzewania budynku i współpracy

z zewnętrznym podgrzewaczem wody, a flexoCOMPACT zawierają już wbudowany

integralnie podgrzewacz wody użytkowej pojemności 185 litrów.

6

Pompa ciepła dla zastosowanie dowolnego

dolnego źródła ciepła

Cechą szczególną pomp ciepła flexoTHERM oraz flexoCOMPACT jest możliwość

współpracy z dowolnie wybranym dolnym źródłem ciepła. Konstrukcyjnie jest to ta sama

pompa ciepła, która może współpracować z wymiennikiem ciepła typu powietrze/glikol

(aroCOLLECT) lub wymiennikiem ciepła woda/woda (fluoCOLLECT).

Powietrze/woda Solanka/woda

(kolektor poziomy)

Solanka/woda

(sondy pionowe)

Woda/woda

(studnie)

7

Czynniki wpływające na uzyskiwanie wysokiej

efektywności pracy przez pompę ciepła

Na uzyskiwanie wysokiej efektywności pracy przez pompę ciepła wpływa cały szereg

czynników związanych z jej konstrukcją, zastosowanymi komponentami oraz rodzajem

sterowania. Znaczący wpływ odgrywa rodzaj sprężarki (typu Scroll EVI w pompach ciepła

flexoTHERM/flexoCOMPACT), skraplacza, parownika, czy wentylatorów powietrza.

Jakie jeszcze czynniki odgrywają wpływ

na efektywność pracy pompy ciepła?

Warto poznać kilka wybranych istotnych

cech budowy pomp ciepła o wysokiej

efektywności pracy, na przykładzie pomp

typoszeregu fexoTHERM/flexoCOMPACT.

7 czynników wpływających na

efektywność pracy pomp ciepła

7

8

1. Współpraca z systemem ogrzewania

bezpośrednio, bez zbiornika buforowego (1/2)

Nowoczesne pompy ciepła wyposażone

w sprężarki inwerterowe mogą w szerokim

zakresie płynnie regulować wydajność

grzewczą lub chłodniczą. W odróżnieniu

od pomp ciepła ze sprężarkami typu

„ON-OFF”, w wielu przypadkach pompy

ciepła ze sprężarkami inwerterowymi nie

wymagają stosowania zbiorników

buforowych (dla akumulacji nadwyżek

ciepła i zapewnienia minimalnych czasów

pracy sprężarki).

Współpraca z systemem ogrzewania

bezpośrednio, bez zbiornika buforowego

1

9

1. Współpraca z systemem ogrzewania

bezpośrednio, bez zbiornika buforowego (2/2)

niższe koszty inwestycyjne, a także serwisowe

niższe koszty eksploatacyjne ze względu na brak dodatkowej pompy obiegowej

niższe koszty eksploatacyjne dzięki eliminacji strat ciepła ze zbiornika buforowego

oszczędność miejsca zabudowy w pomieszczeniu z pompą ciepła

Współpraca z systemem ogrzewania bez zbiornika buforowego Jakie korzyści?

Straty ciepła zbiornika

buforowego o pojemności

300 litrów mogą wynosić

1,5 do 2,0 kWh na dobę.

Brak zbiornika buforowego,

w skali sezonu grzewczego

(~220 dni) może oznaczać,

że obniżenie kosztów

eksploatacji wyniesie nawet

250 zł/rok

(0,58 zł/kWh, taryfa G11) VWZ MPS 40

(40 litrów)

Wymagane mogą być

jedynie zbiorniki buforowe

małej pojemności z uwagi

na zapewnienie minimalnego

natężenia przepływu wody

grzewczej, oddzielenie

hydrauliczne instalacji

grzewczej oraz ograniczenie

wpływu trybu rozmrażania

na pracę systemu

grzewczego.

10

2. Płynna regulacja pracy pompy obiegowej

po stronie wody grzewczej (1/2)

Pompa obiegowa wody grzewczej

wbudowana w pompie ciepła dostosowuje

automatycznie punkt pracy do różnicy

ciśnienia (oporów przepływu) w instalacji

grzewczej. Zmniejszanie natężenia

przepływu wody w instalacji grzewczej

przez zawory regulacyjne (np. przy

grzejnikach lub na pętlach ogrzewania

podłogowego) powoduje wzrost różnicy

ciśnienia w instalacji pompa obiegowa

zmniejsza swoją wydajność.

Wysokoefektywna pompa obiegowa

klasy „A” cechuje się znacznie niższym

zużyciem energii elektrycznej. Tradycyjne

pompy (klasy „D”) zużywały około 23

razy więcej energii w skali roku.

Płynna regulacja pracy pompy obiegowej

po stronie wody grzewczej

2

11

niższe koszty eksploatacji z uwagi wysoką klasę efektywności energetycznej pompy obiegowej

niższe koszty eksploatacji dzięki utrzymaniu optymalnej różnicy temperatury zasilania i powrotu

cicha praca instalacji grzewczej, dzięki płynnej regulacji natężenia przepływu wody grzewczej

2. Płynna regulacja pracy pompy obiegowej

po stronie wody grzewczej (2/2)

Czas pracy pompy

obiegowej wody grzewczej

przekracza 2000 godzin

rocznie, co wpływa na

sumę kosztów eksploatacji

pompy ciepła

Płynna regulacja wydajności pompy obiegowej wody grzewczej Jakie korzyści?

Zastosowanie tzw. pompy

obiegowej wysokoefektywnej

w porównaniu do pompy

o stopniowej regulacji

obrotów, pozwala 23 krotnie

obniżyć roczne zużycie

energii elektrycznej, co może

oznaczać oszczędności

około 150200 zł/rok

(0,58 zł/kWh, taryfa G11)

Zmniejszenie odbioru ciepła Przymykanie zaworu regulacyjnego

Zmniejszenie wydajności pompy obiegowej i natężenia przepływu

12

3. Ograniczenie pracy pompy obiegowej

w trakcie postoju sprężarki (1/2)

Pompa obiegowa instalacji grzewczej

wbudowana w pompie ciepła pracuje

z płynnie regulowaną wydajnością, aby

zapewnić wymagane w danej chwili

natężenie przepływu wody grzewczej.

Jeżeli ilość ciepła dostarczanego dla

potrzeb ogrzewania budynku będzie

wystarczająca, to sprężarka pompy ciepła

będzie wyłączana z pracy. W takim stanie

roboczym, wydajność pompy obiegowej

wody grzewczej będzie obniżana do 30%

wydajności maksymalnej, co obniży

zużycie energii elektrycznej.

Ograniczenie pracy pompy obiegowej

w trakcie postoju sprężarki

3

Wyłączenie sprężarki OFF

Wydajność pompy obiegowej = 30%

13

3. Ograniczenie pracy pompy obiegowej

w trakcie postoju sprężarki (2/2)

Czas wyłączenia sprężarki i tym samym obniżenie

wydajności pompy obiegowej zależnie od nastaw sterownika

wynosi min. 7 minut ( instrukcja instalacji flexoTHERM)

obniżenie zużycia energii elektrycznej przez pompę obiegową

obniżenie kosztów eksploatacyjnych całego systemu z pompą ciepła

obniżenie poziomu szumów w pracy instalacji grzewczej (niższe natężenia przepływu)

Ograniczenie pracy pompy obiegowej w trakcie postoju sprężarki Jakie korzyści?

Zmniejszanie wydajności

pracy pompy obiegowej

podczas postoju sprężarki

może w skali sezonu

grzewczego (~220 dni)

obniżać zużycie energii

elektrycznej przez pompę

o ok. 40%, co powinno

oznaczać obniżenie kosztów

pracy o ok. 3040 zł/rok

(0,58 zł/kWh, taryfa G11)

Mo

c s

prę

ża

rki P

om

pa

obie

go

wa

Z

asila

nie

in

sta

lacji

Praca sprężarki

Wydajność pompy obiegowej

100%

30% 30%

Temperatura zasilania

OFF OFF OFF

30%

100%

14

4. Brak strat ciepła na zewnątrz budynku

z jednostki zewnętrznej pompy ciepła (1/2)

Czynnik chłodniczy

(np. R410A)

Woda

grzewcza

Czynnik chłodniczy

(np. R410A)

Woda

grzewcza

Brak strat ciepła na zewnątrz budynku

z jednostki zewnętrznej pompy ciepła

4

Glikol

Jednostka zewnętrzna pomp ciepła

flexoTHERM/flexoCOMPACT nie jest

połączona jak w tradycyjnych pompach

ciepła typu Split przewodami z czynnikiem

chłodniczym (np. R410A). Pomiędzy

jednostkami krąży glikol (nazywany

potocznie solanką). Cała praca obiegu

pompy ciepła odbywa się w jednostce

wewnętrznej umieszczonej w budynku.

Standard Split flexoTHERM

flexoCOMPACT

15

4. Brak strat ciepła na zewnątrz budynku

z jednostki zewnętrznej pompy ciepła (2/2)

Jednostka zewnętrzna pompy ciepła jest wymiennikiem

ciepła powietrze/glikol. Rury łączące obydwie jednostki

wykonane są z polietylenu PE i podczas montażu nie zachodzi

potrzeba ingerencji w układ chłodniczy pompy ciepła. Wpływa

to znacząco na czas i koszty prac montażowych.

ograniczenie strat cieplnych dzięki umieszczeniu obiegu chłodniczego w jednostce wewnętrznej

maksymalne ułatwienie prac instalacyjnych – brak ingerencji w układ chłodniczy pompy ciepła

zmniejszona ilość czynnika chłodniczego brak formalności zgodnie z tzw. ustawą f-gazową

możliwość znacznego oddalenia od siebie jednostek pompy ciepła – nawet 30 metrów

Brak strat ciepła na zewnątrz budynku z jednostki zewnętrznej Jakie korzyści?

Zastosowanie glikolu

zamiast tradycyjnego

czynnika chłodniczego

eliminuje straty ciepła

z obiegu chłodniczego pompy

ciepła poza budynkiem (jak

w standardowym rozwiązaniu

pomp ciepła typu Split)

16

Jednostka zewnętrzna (aroCOLLECT)

spełnia funkcję wymiennika ciepła, gdzie

glikol odbiera ciepło z powietrza. Obieg

pompy ciepła mieści się w całości

w jednostce wewnętrznej w budynku.

Umieszczenie sprężarki w jednostce

wewnętrznej pompy ciepła eliminuje

potrzeby energii w trybie postoju

(Standby). W tradycyjnych rozwiązaniach

pomp ciepła typu Split, w miesiącach

zimowych olej może wymagać podgrzewu

w tzw. karterze sprężarki, aby zapewnić

jego odpowiednie właściwości przy

rozruchu w ujemnych temperaturach.

Niska temperatura oleju sprzyja jego

pienieniu oraz łączeniu (absorbcji)

z czynnikiem ziębniczym co ogranicza

zdolności smarowania sprężarki.

Brak dodatkowych potrzeb energii

dla jednostki zewnętrznej w trybie

postoju (Standby)

5

5. Brak dodatkowych potrzeb energii jednostki

zewnętrznej w trybie postoju (Standby) (1/2)

17

5. Brak dodatkowych potrzeb energii jednostki

zewnętrznej w trybie postoju (Standby) (2/2)

Sprężarka umieszczona w jednostce wewnętrznej

aroCOLLECT nie wymaga dodatkowych nakładów energii

elektrycznej dla podgrzewania oleju zawartego

w czynniku ziębniczym.

brak potrzeb energii jednostki zewnętrznej w trybie postoju podwyższa efektywność roczną

(SCOP) pompy ciepła

zabudowa sprężarki wewnątrz budynku zmniejsza straty ciepła z układu pompy ciepła

korzystne warunki smarowania wpływają korzystnie na niezawodność i trwałość sprężarki

Brak potrzeb energii w jednostki zewnętrznej w trybie postoju Jakie korzyści?

Element grzejny stosowany

w karterze (misce) sprężarki

posiada zwykle moc rzędu

50 W. Jest stosowany dla

pomp ciepła przeznaczonych

do pracy przy niskich

temperaturach zewnętrznych

Woda

grzewcza

Jednostka

zewnętrzna

Glikol

18

6. Pasywne lub aktywne rozmrażanie

wymiennika ciepła powietrze/glikol (1/2)

Skłonność do zamrażania powierzchni

wymiennika ciepła jednostki zewnętrznej

(aroCOLLECT) jest zdecydowanie niższa

w porównaniu do standardowych

parowników pomp ciepła typu SPLIT,

gdzie następuje przemiana fazowa

(odparowanie w niskiej ujemnej

temperaturze czynnika ziębniczego) i silne

schłodzenie powierzchni wymiennika.

Glikol pracuje w obiegu pomiędzy

jednostkami przy wyższych temperaturach

przez co oblodzenie występuje przez

krótszy czas i jest przeważnie lekkie.

Do temperatury powietrza +5 oC, zwykle

wystarcza rozmrażanie pasywne samym

powietrzem atmosferycznym.

Pasywne lub aktywne rozmrażanie

wymiennika ciepła powietrze/glikol

6

!

19

możliwość pasywnego rozmrażania wymiennika ciepła zmniejsza zużycie energii elektrycznej

zastosowanie glikolu ogranicza warunki obladzania wymiennika ciepła w porównaniu

do tradycyjnych parowników pomp ciepła typu Split (z czynnikiem ziębniczym)

zmniejszone oblodzenie zapewnia efektywny odbiór ciepła i niskie opory przepływu powietrza

Pasywne lub aktywne rozmrażanie wymiennika ciepła powietrze/glikol Jakie korzyści?

Rozmrażanie pasywne jest

realizowane gdy temperatura

powietrza wynosi min. + 5 oC.

Będzie ono wymagane

zwykle w zakresie

temperatury +5 do +10 oC.

Rozmrażanie aktywne będzie

uruchamiane poniżej + 5 oC

a wymagany czas pracy

wynosi zwykle kilka minut.

6. Pasywne lub aktywne rozmrażanie

wymiennika ciepła powietrze/glikol (2/2)

Jeżeli rozmrażanie pasywne (samym powietrzem) nie będzie

wystarczające dla wymiennika ciepła powietrze/glikol, to

zostaje włączony tryb rozmrażania aktywnego i dodatkowo

glikol jest podgrzewany chwilowo przez wbudowany

przepływowy podgrzewacz elektryczny o mocy 6 kW.

6 kW

20

Wymiennik ciepła powietrze/glikol

(aroCOLLECT) dla skutecznego odbioru

ciepła zbudowany jest z rur miedzianych

i posiada rozwiniętą powierzchnię lamel

wykonanych z płytek aluminiowych

pokrytych specjalną niebieską powłoką.

Celem jest zapewnienie szybkiego

spływania kropel powstających w wyniku

wykraplania wilgoci podczas schładzania

powietrza.

Wymiennik ciepła powietrze/glikol

z rozwiniętą powierzchnią wymiany

ciepła i specjalną powłoką

7

7. Wymiennik ciepła z rozwiniętą powierzchnią

wymiany ciepła i specjalną powłoką (1/2)

21

Specjalna gładka powłoka na powierzchni wymiennika,

a także względnie duża odległość pomiędzy lamelami

wymiennika (> 2 mm) ogranicza możliwość zalegania kropel

kondensatu na powierzchni lamel.

wysoka skuteczność w pozyskiwaniu ciepła z powietrza i niski poziom hałasu podczas pracy

obniżona skłonność do powstawania szronu z uwagi na szybkie spływanie kropel kondensatu

obniżone opory przepływu powietrza i niższe zużycie energii elektrycznej przez wentylator

odporność powierzchni na działanie wilgoci i soli (np. warunki pracy w strefie nadmorskiej)

Rozwinięta powierzchnia wymiennika ciepła ze specjalną powłoką Jakie korzyści?

Ograniczenie czasu pracy

pompy ciepła w trybie

rozmrażania wymiennika

ciepła powietrze/glikol

wpływa bezpośrednio

na obniżenie kosztów

eksploatacyjnych.

7. Wymiennik ciepła z rozwiniętą powierzchnią

wymiany ciepła i specjalną powłoką (2/2)

zoom

22

Podsumowanie

Uzyskanie niskich kosztów eksploatacyjnych pompy ciepła jest zależne zarówno od

zastosowania wysokoefektywnego urządzenia, jak również od projektu i budowy całego

systemu grzewczego z pompą ciepła. Dotyczy to m.in. wspomnianej kwestii zastosowania

zbiornika buforowego wody grzewczej. Nie można zapominać o zapewnieniu odpowiednich

warunków pracy dla jednostki zewnętrznej w szczególności prawidłowego przepływu

powietrza. Wpływ odgrywa tutaj odległość od przeszkód (ściana, ogrodzenie itp.), która

powinna wynosić min. 0,5 m (odległość tylnej ściany jednostki zewnętrznej od budynku)

Równie istotna jest odległość od poziomu terenu ze względu na usuwanie śniegu

i lodu, który nie powinien utrudniać dostępu powietrza do jednostki zewnętrznej.

! !

Chłodzenie

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji

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