Obliczanie mocy pomp ciepła: Od obciążenia cieplnego do odpowiedniego rozmiaru
Dlaczego odpowiednia moc jest kluczowa
Pompa ciepła o mocy 6 kW kosztuje mniej niż ta o mocy 12 kW – ale czy pasuje do budynku? Odpowiedź leży w obciążeniu cieplnym: określa ono, ile mocy cieplnej potrzebuje dom w najzimniejsze dni roku.
Zbyt mała pompa ciepła nie jest w stanie utrzymać ciepła w pomieszczeniach podczas mrozów. Włącza się wtedy elektryczny grzałka – co zwiększa koszty energii elektrycznej. Zbyt duża pompa ciepła natomiast działa cyklicznie: włącza się, szybko osiąga docelową temperaturę, wyłącza się, schładza, ponownie się włącza. To włączanie i wyłączanie obciąża kompresor i obniża efektywność o 10–15%.
Ten artykuł pokazuje trzy sposoby na dobranie odpowiedniej mocy: profesjonalne obliczenie obciążenia cieplnego, metodę przybliżoną i oszacowanie na podstawie dotychczasowego zużycia energii.
Krok 1: Określenie obciążenia cieplnego
Obciążenie cieplne to moc cieplna w kilowatach, której budynek potrzebuje przy najniższej temperaturze zewnętrznej w roku (temperatura normatywna), aby utrzymać pożądaną temperaturę wewnętrzną. Stanowi podstawę do wymiarowania pompy ciepła.
Najdokładniejsza metoda: Obliczenia według PN-EN 12831
Najdokładniejszą metodą jest obliczenie obciążenia cieplnego dla każdego pomieszczenia według PN-EN 12831. Uwzględnia się w nim straty ciepła przez przenikanie (przez ściany, okna, dach, podłogę) oraz straty wentylacyjne. Uwzględnia się także regionalną temperaturę normatywną, lokalizację budynku i pożądane temperatury wewnętrzne.
Wskazówka: Dzięki naszemu darmowemu kalkulatorowi obciążenia cieplnego możesz samodzielnie obliczyć obciążenie cieplne swojego budynku – dla każdego pomieszczenia i zgodnie z normami.
Metoda przybliżona
Jeśli nie jest możliwe dokładne obliczenie, pomocne jest przybliżone oszacowanie na podstawie powierzchni mieszkalnej i typu budynku:
Formuła: Obciążenie cieplne (kW) = Powierzchnia mieszkalna (m²) × specyficzne obciążenie cieplne (W/m²) ÷ 1.000
Specyficzne obciążenie cieplne zależy w dużej mierze od standardu izolacji:
| Typ budynku | Specyficzne obciążenie cieplne | Przykład 150 m² |
|---|---|---|
| Dom pasywny | 10–15 W/m² | 1,5–2,3 kW |
| Nowy budynek KfW-40 | 25–35 W/m² | 3,8–5,3 kW |
| Nowy budynek KfW-55 | 35–45 W/m² | 5,3–6,8 kW |
| Dobrze zmodernizowany stary budynek | 50–70 W/m² | 7,5–10,5 kW |
| Częściowo zmodernizowany stary budynek | 70–100 W/m² | 10,5–15 kW |
| Niezmodernizowany stary budynek | 100–150 W/m² | 15–22,5 kW |
Przykład obliczeniowy: Zmodernizowany stary budynek o powierzchni 150 m² i 60 W/m² daje: 150 × 60 ÷ 1.000 = 9 kW obciążenia cieplnego.
Oszacowanie na podstawie zużycia energii
Znając dotychczasowe koszty ogrzewania, można również wyprowadzić obciążenie cieplne z rocznego zużycia. Przeliczenie odbywa się za pomocą tzw. pełnych godzin użytkowania – to około 2.000 godzin rocznie, w których ogrzewanie działa z pełną mocą.
Dla gazu ziemnego: Obciążenie cieplne (kW) = Roczne zużycie (kWh) ÷ 2.000
Dla oleju opałowego: Obciążenie cieplne (kW) = Roczne zużycie (litry) × 10 ÷ 2.000
Przykład obliczeniowy dla gazu ziemnego: Przy zużyciu 20.000 kWh gazu: 20.000 ÷ 2.000 = 10 kW obciążenia cieplnego.
Przykład obliczeniowy dla oleju opałowego: Przy 2.000 litrach oleju: 2.000 × 10 ÷ 2.000 = 10 kW obciążenia cieplnego.
Uwaga: Ta metoda dostarcza jedynie wartości orientacyjnych. Rzeczywiste zużycie zależy od zachowań użytkowników i warunków pogodowych. Dla wymiarowania pomp ciepła bardziej wiarygodne jest normatywne obliczenie obciążenia cieplnego.
Krok 2: Uwzględnienie dodatków
Samo obciążenie cieplne nie wystarcza do wymiarowania pompy ciepła. Należy uwzględnić dwa dodatkowe czynniki: przygotowanie ciepłej wody użytkowej oraz ewentualne czasy wyłączeń dostawcy energii.
Przygotowanie ciepłej wody użytkowej
Jeśli pompa ciepła ma również podgrzewać wodę użytkową, należy zaplanować dodatkową moc. VDI 4645 zaleca jako przybliżoną formułę około 0,25 kW na osobę w gospodarstwie domowym.
| Wielkość gospodarstwa domowego | Dodatek na ciepłą wodę |
|---|---|
| 2 osoby | 0,5 kW |
| 3 osoby | 0,75 kW |
| 4 osoby | 1,0 kW |
| 5 osób | 1,25 kW |
W gospodarstwach domowych z dużym zużyciem ciepłej wody (codzienne kąpiele, kilka pryszniców jednocześnie) dodatek może być wyższy.
Czasy wyłączeń dostawcy energii
Wielu dostawców energii oferuje korzystne taryfy na prąd dla pomp ciepła. W zamian mogą wyłączać pompę ciepła w określonych godzinach – zazwyczaj trzy razy dziennie po dwie godziny, czyli łącznie sześć godzin dziennie.
Podczas okresu wyłączeń budynek musi korzystać z zmagazynowanego ciepła. Aby pompa ciepła mogła w pozostałych 18 godzinach wyprodukować wystarczającą ilość ciepła, potrzebuje więcej mocy.
Formuła: Dodatkowa moc = Obciążenie cieplne × (Czas wyłączeń w godzinach ÷ 24)
Przykład obliczeniowy: Przy obciążeniu cieplnym 9 kW i 6 godzinach wyłączeń: 9 × (6 ÷ 24) = 9 × 0,25 = 2,25 kW dodatkowej mocy.
Nowoczesne pompy ciepła z dużym zasobnikiem buforowym mogą często pokonać czasy wyłączeń bez dodatkowej mocy. W przypadku ogrzewania podłogowego masa budynku sama działa jako magazyn.
Krok 3: Obliczanie całkowitej mocy
Po uwzględnieniu wszystkich czynników otrzymujemy wymaganą moc pompy ciepła:
Całkowita moc = Obciążenie cieplne + Dodatek na ciepłą wodę + Dodatek na czas wyłączeń
Przeanalizowany przykład praktyczny
Dom jednorodzinny ma być wyposażony w pompę ciepła:
| Dane budynku | Wartość |
|---|---|
| Powierzchnia mieszkalna | 160 m² |
| Rok budowy, modernizacja | 1985, izolacja 2015 |
| Specyficzne obciążenie cieplne | 55 W/m² |
| Liczba osób w gospodarstwie | 4 |
| Czas wyłączeń dostawcy energii | 6 godzin/dzień |
Obliczenia:
| Pozycja | Obliczenie | Wynik |
|---|---|---|
| Obciążenie cieplne | 160 m² × 55 W/m² ÷ 1.000 | 8,8 kW |
| Ciepła woda | 4 osoby × 0,25 kW | 1,0 kW |
| Czas wyłączeń | 8,8 kW × (6 ÷ 24) | 2,2 kW |
| Całkowita | 12,0 kW |
Pompa ciepła o mocy nominalnej 10–12 kW byłaby tutaj odpowiednia. Większość producentów oferuje urządzenia w przedziałach mocy takich jak 8, 10, 12 lub 14 kW.
Wartości orientacyjne według typu budynku
| Typ budynku | Powierzchnia | Obciążenie cieplne | Z dodatkami | Zalecana pompa ciepła |
|---|---|---|---|---|
| Dom pasywny | 140 m² | 2,0 kW | 3,5 kW | 4–5 kW |
| Nowy budynek KfW-55 | 150 m² | 6,0 kW | 8,5 kW | 8–10 kW |
| Zmodernizowany stary budynek | 160 m² | 8,8 kW | 12,0 kW | 10–12 kW |
| Częściowo zmodernizowany stary budynek | 180 m² | 14,4 kW | 18,5 kW | 16–18 kW |
| Niezmodernizowany stary budynek | 150 m² | 18,0 kW | 22,5 kW | 20–24 kW |
Częste błędy przy wymiarowaniu
Problem: Nadmierne wymiarowanie
Powszechne myślenie "Lepiej trochę więcej mocy, wtedy jestem bezpieczny" prowadzi do problemów z pompami ciepła. Nadmiernie wymiarowana pompa ciepła zbyt szybko osiąga docelową temperaturę i wyłącza się. Wkrótce potem temperatura spada, pompa ciepła ponownie się uruchamia. To tzw. taktowanie ma kilka wad: Kompresor zużywa się szybciej z powodu częstych uruchomień, efektywność spada o 10–15%, a koszty zakupu były niepotrzebnie wysokie.
Nowoczesne pompy ciepła z inwerterem mogą regulować swoją moc, ale również one mają minimalną moc. Jeśli rzeczywiste zapotrzebowanie jest stale poniżej tej wartości, również urządzenia z inwerterem taktują.
Problem: Niedostateczne wymiarowanie
Zbyt mała pompa ciepła nie jest w stanie ogrzać domu w zimne dni. Włącza się wtedy elektryczny grzałka – z COP równym 1,0 zamiast 3–4. Przy częstym użyciu grzałki elektrycznej koszty energii elektrycznej znacznie rosną, a komfort spada.
Złota zasada
Doświadczeni planujący wymiarują pompy ciepła raczej oszczędnie niż hojnie. W kilka bardzo zimnych dni w roku grzałka elektryczna może chwilowo wspomóc – to bardziej ekonomiczne niż trwale przewymiarowane urządzenie. W przypadku pomp ciepła z inwerterem o zakresie modulacji 30–100% sensowne jest wymiarowanie na 90–100% obliczonego obciążenia cieplnego.
Podsumowanie
Na temat: Odpowiednia moc pompy ciepła wynika z obciążenia cieplnego budynku plus dodatków na ciepłą wodę i ewentualne czasy wyłączeń dostawcy energii. Obciążenie cieplne można obliczyć za pomocą normatywnego obliczenia według PN-EN 12831, za pomocą formuł przybliżonych na podstawie powierzchni mieszkalnej lub z dotychczasowego zużycia energii. Kluczowe jest, aby nie wymiarować ani zbyt dużej, ani zbyt małej – pompa ciepła, która pasuje do obciążenia cieplnego, działa efektywniej i trwa dłużej niż przewymiarowane urządzenie, które ciągle taktuję.
Więcej na temat pomp ciepła
| Nr. | Artykuł | Temat |
|---|---|---|
| 0 | Pompa ciepła: Kompletny przewodnik | Przegląd i wprowadzenie |
| 1 | Jak działa pompa ciepła? | Zasada fizyczna |
| 2 | Komponenty | Parownik, kompresor, skraplacz |
| 3 | Wskaźniki i wymiarowanie | COP, JAZ, SCOP |
| 4 | SCOP wyjaśnione | Ocena efektywności |
| 5 | Obliczanie mocy | Jesteś tutaj |
Osoby, które chcą sprawdzić efektywność swojej pompy ciepła po instalacji, znajdą w artykule Optymalizacja i ustawienia praktyczne wskazówki dotyczące krzywej grzewczej i równoważenia hydraulicznego. Różne sposoby działania – monowalentne, bivalentne, hybrydowe – są wyjaśnione w osobnym artykule.
Źródła
- PN-EN 12831-1: Obliczanie obciążenia cieplnego
- VDI 4645: Planowanie i wymiarowanie instalacji grzewczych z pompami ciepła
- VDI 4650: Obliczanie rocznego współczynnika pracy
- Związek Federalny Pompy Ciepła: Kalkulator obciążenia cieplnego
- Związek Federalny Pompy Ciepła: Kalkulator JAZ
Teraz oblicz obciążenie cieplne
Dzięki naszemu darmowemu kalkulatorowi obciążenia cieplnego określisz normatywne obciążenie cieplne swojego budynku według PN-EN 12831 – najważniejszą podstawę do wymiarowania pomp ciepła.
→ Do kalkulatora obciążenia cieplnego
Za pomocą kalkulatora pomp ciepła obliczysz następnie roczny współczynnik pracy i koszty eksploatacji swojej pompy ciepła według VDI 4650.