Określenie punktu biwalencyjnego w pracy pompy ciepła

Podstawową różnicą w porównaniu pomp ciepła powietrznych do gruntowych jest najczęściej konieczność instalowania dodatkowego źródła ciepła, które wesprze lub zastąpi pompę ciepła powietrzną w najniższych temperaturach zewnętrznych. Powodem jest zmieniająca się wydajność grzewcza pompy ciepła typu powietrze/woda w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego. Im niższa temperatura powietrza, tym mniejsza moc grzewcza pompy ciepła. 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 lub 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. System grzewczy wykorzystujący dwa różne rodzaje paliw lub energii elektrycznej nazywany jest także systemem hybrydowym ogrzewania budynku.

Rys. Przykładowy schemat instalacji hybrydowej z pompą ciepła powietrze/woda (PC) i kotłem gazowym (KG). Pompa ciepła współpracuje ze zbiornikiem buforowym (BUFOR/CO). Ciepła woda użytkowa jest podgrzewana przez kocioł w podgrzewaczu wody (PDG/CWU).

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 biwalencyjny, który jest graniczną temperaturą, do której pompa ciepła powietrzna pracuje samodzielnie. Poniżej temperatury tego punktu uruchamia się dodatkowe źródło ciepła. Może być to tryb pracy biwalentny równoległy lub alternatywny. W pierwszym przypadku pracują razem pompa i ciepła i drugie źródło ciepła, a w drugim – albo pompa ciepła, albo drugie źródło ciepła.

Wyznaczanie punktu biwalencyjnego należy zacząć od określenia zapotrzebowania na ciepło budynku i naniesienia jego wartości na oś współrzędnych. Jeśli na przykład budynek cechuje się maksymalnym zapotrzebowaniem ciepła 8 kW, to pompa ciepła typu PCCO SPLIT 13kW może stanowić podstawowe źródło ciepła, które trzeba będzie wspomagać w pracy od temperatury zewnętrznej -2 ^oC lub – 9 ^oC.

Rys. Przykład określenie punktu biwalencyjnego dla pompy ciepła powietrze/woda o mocy nominalnej 13 kW i budynku o maksymalnym zapotrzebowaniu ciepła 8 kW (przy -20 ^oC). Jeżeli instalacja grzewcza będzie typu podłogowego to pompa ciepła powinna zapewnić samodzielne pokrycie potrzeb grzewczych do temperatury zewnętrznej -9 ^oC, dla instalacji grzejnikowej niskoparametrowej do około -2 ^oC.

Stosując ogrzewanie monoenergetyczne, jakim dla pompy ciepła powietrznej jest grzałka elektryczna lub kocioł elektryczny, temperatura powietrza zewnętrznego -9°C jest teoretyczną granicą, przy której włączone zostaje dodatkowe źródło ciepło. Możliwe jest strefowe ładowanie zasobnika buforowego, przez co pompa ciepła pokryje większe zapotrzebowanie na ciepło i opóźni moment realizacji ogrzewania wyłącznie przez źródło dodatkowe. Rozwiązanie to nie eliminuje potrzeby stosowania źródła szczytowego o dużej mocy, lecz obniża stopień jego wykorzystania w sezonie. Całość jest ekonomicznie uzasadniona, jeżeli koszt pozyskania energii ze źródła dodatkowego jest zdecydowanie wyższy niż przez pompę ciepła.