Zapotrzebowanie na moc cieplną budynku w kW a strefa klimatyczna

Jednym z podstawowych kryteriów doboru pompy ciepła jest zdolność źródła ciepła do zapewnienia komfortu cieplnego w każdych warunkach pogodowych, nawet w najzimniejszy dzień sezonu grzewczego. Innymi słowy, bez względu na to jak niska będzie temperatura na zewnątrz, zadaniem pompy ciepła jest bezpieczna praca oraz zapewnienie komfortowej temperatury wewnątrz budynku. Dobierając pompę ciepła do budynku należy uwzględnić fakt, że jest ona urządzeniem o charakterystyce spadkowej.  To oznacza, że wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej, spada również dostępna moc i wydajność urządzenia. W praktyce oznacza to, że jeżeli pompa ciepła nie będzie w stanie sama pokryć zapotrzebowania na moc cieplną budynku w warunkach projektowych, to moc źródła szczytowego musi ten niedobór uzupełnić. 

Zapotrzebowanie na moc cieplną budynku – odpowiedni dobór urządzenia

Dobór pompy ciepła w taki sposób, aby system grzewczy zapewniał komfort cieplny w budynku przez cały rok jest kwestią pierwszorzędną. Mimo tego, zdecydowanie częściej inwestorzy zwracają uwagę na kwestię optymalizacji systemu grzewczego pod względem kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Z tego względu bardzo często podczas wyboru trybu pracy pompy ciepła, decyzja pada na tryb biwalentny monoenergetyczny równoległy, w którym grzałka elektryczna staje się źródłem szczytowym. Warto zaznaczyć, że źródło szczytowe po dołączeniu pracuje razem z pompą ciepła i uzupełnia jedynie braki mocy, nie staje się jedynym źródłem ciepła poniżej temperatury biwalencji. Tryb pracy pompy ciepła wybierany jest zgodnie z niemieckimi wytycznymi VDI 4546 oraz 7. częścią wytycznych Organizacji PORT PC tak, aby koszty eksploatacyjne były jak najbardziej optymalne przy jednoczesnych jak najniższych kosztach inwestycyjnych.

Powyższy wykres przedstawia zależność temperatury zewnętrznej oraz zapotrzebowania na moc cieplną budynku w kW w trakcie sezonu grzewczego. Dobierając pompę ciepła do budynku konieczne jest spełnienie wymagania dotyczącego mocy źródła ciepła. Obowiązkiem projektanta jest zweryfikowanie czy przy konkretnej temperaturze zewnętrznej, moc pompy ciepła powiększona o moc dostępnego źródła szczytowego pokrywa zapotrzebowanie projektowe w budynku dla konkretnej temperatury wody kotłowej, której wymaga instalacja. Spełnienie tego warunku jest bezwzględnie konieczne. 

Drugą ważną kwestią jest punkt biwalencji, który jest niczym innym jak punktem przecięcia krzywej wydajności mocy pompy ciepła z krzywą zapotrzebowania budynku na ciepło. Punkt biwalencji oznacza temperaturę, w której do pracy pompy ciepła dołączy się źródło szczytowe, które pracuje równolegle w pompą ciepła.. Jak te kwestie związane z doborem pompy ciepła przekładają się na strefy klimatyczne? Przyjrzyjmy się konkretnemu przykładowi budynku.

Strefa klimatyczna a dobór pomp ciepła

W Polsce występuje pięć stref klimatycznych, których lokalizację przedstawia poniższy rysunek. 

W zależności od tego, w której strefie klimatycznej jest zlokalizowany budynek, do obliczeń przyjmowane są inne temperatury zewnętrzne.

Sprawdźmy jak zmieni się moc pompy ciepła w zależności od konkretnego budynku i konkretnej pompy ciepła dla różnych stref klimatycznych. 

I strefa klimatyczna – zapotrzebowanie na moc cieplną budynku w kW

W analizie wzięto pod uwagę przykładowy budynek o powierzchni około 180 m2, który pierwotnie został zaprojektowany jako budynek w Koszalinie, a więc w pierwszej strefie klimatycznej. Obliczenia prowadzone podczas doboru pompy ciepła wykazały, że w warunkach projektowych, czyli dla temperatury -16 st. C, zapotrzebowanie budynku na moc wyniesie 8 kW i taką moc wpisano w dokumentację projektową. 

Przy temperaturze zewnętrznej na poziomie -16 st. C, a więc najniższej temperaturze w sezonie grzewczym w I strefie klimatycznej, dla instalacji grzejnikowej, w której temperatura wody kotłowej wynosi 55 st. C, moc pompy ciepła wynosi 5,5 kW. Zapotrzebowanie to 8 kW, a więc minimalna wymagana moc źródła szczytowego to 2,5 kW. To oznacza, że gdyby urządzenie o takiej charakterystyce, wyposażone w grzałkę o mocy 3 kW zostało dobrane do budynku, to bez żadnych dodatkowych elementów, byłoby w stanie pokryć zapotrzebowanie na moc. Jednocześnie temperatura biwalencji na poziomie -10 st. C przekładałaby się na wyjątkowo niskie użycie grzałki elektrycznej, a więc koszty eksploatacyjne wynikające z użycia grzałki byłyby wręcz pomijalne.

III strefa klimatyczna – zapotrzebowanie na moc cieplną budynku w kW

Zobaczmy jak zmieniłaby się sytuacja, gdyby inwestor chciał wybudować dokładnie ten sam budynek i dobrać tę samą pompę ciepła, ale w Radomiu, który mieści się w III strefie klimatycznej. Niższa temperatura projektowa w tej strefie klimatycznej, która wynosi -20 st. C przełożyłaby się na większe zapotrzebowanie budynku na moc, a więc również moc pompy ciepła potrzebna do ogrzania budynku zwiększyłaby się w tym przypadku do około 9 kW. Dodatkowo, te 9 kW musiałoby zostać dostarczone do budynku przy niższej temperaturze, co uwidacznia wspomnianą wcześniej charakterystykę spadkową pompy ciepła. 

Przesuwając granicę końca sezonu do temperatury -20 st. C i zachowując pozostałe parametry możemy zaobserwować, że w nieco chłodniejszej strefie klimatycznej w trakcie najzimniejszego dnia w trakcie sezonu grzewczego, moc pompy ciepła wynosi 4,5 kW przy A-20W55. W związku z tym, minimalna wymagana moc źródła szczytowego wynosi już 4,5 kW. Tym samym pompa ciepła wyposażona przykładowo w grzałkę elektryczną o mocy 3 kW nie byłaby już w stanie pokryć zapotrzebowania w warunkach projektowych, a do systemu należałoby dołożyć dodatkową grzałkę. Warto jednak zwrócić uwagę, że przy zachowanym punkcie biwalencji użycie grzałki na poziomie poniżej 1% byłoby w dalszym ciągu bardzo niskie i zgodne z wytycznymi. 

V strefa klimatyczna – zapotrzebowanie na moc cieplną budynku w kW

Co by się zmieniło, gdyby budynek o tych samych parametrach izolacyjnych został wybudowany w Suwałkach, które są zlokalizowane w V strefie klimatycznej, w której temperatura projektowa wynosi -24 st. C?

Nawet dla tego przypadku, przy temperaturze biwalencji na poziomie -10 st. C wykorzystanie grzałki wynosi poniżej 3%, a więc jest niskie i zgodne z wytycznymi. Problem pojawia się niestety w związku z wymaganą mocą źródła szczytowego, która wynosi aż 10 kW. Ta konkretna pompa ciepła, która spełniała swoje zadanie w dwóch poprzednich strefach klimatycznych, w V strefie klimatycznej niestety nie znajdzie zastosowania, gdyż poniżej temperatury -22 st. C już nie pracuje. Ma to wpływ nie tyle na koszty eksploatacji, ale ma bardzo duże znaczenie w zakresie projektowania samej instalacji w budynku. Aby ta pompa ciepła mogła pracować w budynku, system grzewczy bezwzględnie musiałby zostać wyposażony w grzałkę o mocy co najmniej 10 kW, czy to w samej pompie ciepła, czy w buforze.

Zapotrzebowanie na moc cieplną budynku w kW a pompa ciepła

To pokazuje, jak duże znaczenie ma strefa klimatyczna oraz odpowiednie odczytanie informacji zawartych w projekcie w kontekście doboru pompy ciepła. Co więcej, zastosowanie dodatkowego źródła ciepła, które choć będzie pracowało przez niewielki ułamek sezonu grzewczego, a jego udział w kosztach eksploatacyjnych będzie bardzo niewielki, jest bezwzględnie konieczne ze względu na bezpieczeństwo i zapewnienie komfortu przy uwzględnieniu spadku wydajności pompy ciepła wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej.

Zachęcamy do obejrzenia webinaru dotyczącego zapotrzebowania na moc cieplną budynku i strefy klimatycznej – kliknj na film.

Potrzebujesz wsparcia lub chcesz znaleźć akredytowanego instalatora - skontaktuj się z nami