Czy w pompie ciepła potrzebna jest grzałka elektryczna?

Jak działa grzałka elektryczna w pompie ciepła? Jakie pełni funkcje? Przy jakiej temperaturze się załącza? Ile prądu zużywa? Czy można wyłączyć grzałkę w pompie ciepła? Czy obawiać się grzałek elektrycznych w instalacjach z pompami ciepła ?

Spis treści

1. Po co grzałka w pompie ciepła?
2. Czy można wyłączyć grzałkę w pompie ciepła?
3. Jak działa grzałka elektryczna w pompie ciepła?
4. Jaka moc grzałki?
5. Inne funkcje grzałki w pompie ciepła
6. Grzałka zbiornika c.w.u.
7. Inne grzałki w pompach ciepła

Większość obecnych i przyszłych użytkowników pomp ciepła kojarzy grzałkę głównie z funkcją źródła szczytowego, wspomagającego pompę ciepła w okresach, gdy temperatura powietrza zewnętrznego spada do bardzo niskich wartości.

Wielu klientów obawia się jej pracy i związanych z tym wysokich rachunków za energię elektryczną, ale gdy pompa ciepła zostanie dobrze dobrana, obawy te okażą się zupełnie nieuzasadnione. Niektórzy myślą też, że kwestia grzałki elektrycznej dotyczy jedynie pomp ciepła powietrze-woda, zagrożonych pracą w niskich temperaturach. Tymczasem grzałki elektryczne są stosowane również w gruntowych pompach ciepła, mimo że zazwyczaj dobiera się je w taki sposób, by nie potrzebowały grzałki jako źródła szczytowego. Grzałka w pompie ciepła może jednak pełnić całkiem inne funkcje.

Po co grzałka w pompie ciepła?

Czy pompę ciepła powietrze-woda można dobrać tak, by nie musiała współpracować z grzałką elektryczną jako źródłem szczytowym? Można, jednak w praktyce nie jest to stosowane. Aby to wyjaśnić, należy poznać pojęcia trybów pracy pompy ciepła i punktu biwalencyjnego.

Moc pompy ciepła jest zależna od temperatury dolnego źródła, czyli powietrza zewnętrznego dla pompy ciepła powietrze-woda, i gruntu – dla pompy ciepła grunt-woda. Dolne źródło ciepła dla pomp gruntowych ma w ciągu roku dość stabilne parametry, ale w przypadku powietrznych pomp ciepła jego temperatura zmienia się w ciągu roku w dużym zakresie. Im niższa jest temperatura powietrza, tym niższą moc grzewczą może osiągnąć pompa ciepła.

Gdy zestawimy to z zapotrzebowaniem na ciepło budynku, okazuje się, że tutaj charakterystyka jest odwrotna. W miarę obniżania się temperatury na zewnątrz rośnie zapotrzebowanie budynku na ciepło. Wraz ze wzrostem temperatury zapotrzebowanie na ciepło maleje, a w okresie poza sezonem grzewczym, po wyłączeniu instalacji ogrzewającej budynek, pozostaje tylko zapotrzebowanie na ciepło do przygotowywania wody użytkowej.

Punkt przecięcia się tych charakterystyk (osiąganej mocy pompy ciepła i mocy grzewczej wymaganej dla budynku) jest nazywany punktem biwalencyjnym. Powyżej punktu biwalencyjnego moc pompy ciepła jest większa od zapotrzebowania budynku na ciepło, dokładnie w tym punkcie wartości mocy pompy ciepła i zapotrzebowania budynku na ciepło zrównują się, a poniżej punktu biwalencyjnego moc pompy ciepła jest niższa niż ta, której potrzebuje budynek. Właśnie ten niedobór mocy jest uzupełniany przez grzałkę elektryczną.

Taki tryb pracy pompy ciepła, w którym pompa ciepła poniżej punktu biwalencyjnego zapewnia część wymaganej mocy grzewczej, a pozostałą część uzupełnia grzałka, jest nazywany trybem monoenergetycznym równoległym.

Grzałka wspomagająca pracę pompy ciepła na cele ogrzewania pomieszczeń jest zazwyczaj zabudowana w urządzeniu. Może być zabudowana w jednostce zewnętrznej – w przypadku pompy ciepła monoblok lub w jednostce wewnętrznej – w przypadku pomp ciepła typu split lub monobloków z wewnętrznymi modułami hydraulicznymi. Grzałka ta może być zabudowana również w zbiorniku buforowym.

Czy można wyłączyć grzałkę w pompie ciepła?

Czy nie lepiej byłoby dobrać pompę ciepła o wyższej mocy i zrezygnować z pracy grzałki? Teoretycznie można. Mielibyśmy wtedy do czynienia z trybem pracy monowalentnym, w którym pompa ciepła nie wymaga źródła szczytowego, a jej moc jest wyższa od zapotrzebowania budynku nawet przy najniższych temperaturach powietrza zewnętrznego.

Jednak w praktyce nie zaleca się takiego doboru pomp ciepła powietrze-woda. Dlaczego? Dlatego że liczba dni ze skrajnie niską temperaturą jest niewielka. Dobrana w ten sposób moc pompy ciepła może się okazać zbyt duża, czego konsekwencją będą mniejsze możliwości modulacji mocy do niskiego poziomu i wyższa minimalna moc pompy ciepła wykorzystywana w okresach przejściowych. Tymczasem dni z temperaturami 5, 10ºC jest w ciągu roku znacznie więcej niż takich z temperaturą -20ºC.

W konsekwencji dobranie pompy ciepła o większej mocy będzie się wiązało z wyższymi kosztami inwestycyjnymi, ale może nie przynieść korzyści wynikających z niższych kosztów eksploatacji. Za wysoki poziom mocy w okresach łagodniejszej zimy może skutkować zbyt częstym włączaniem się pompy ciepła. Taką sytuację może złagodzić zamontowanie w instalacji zbiornika buforowego o znacznej pojemności.

Tryb monowalentny jest stosowany standardowo dla pomp ciepła grunt-woda, których moc jest bardziej stabilna w ciągu sezonu grzewczego (temperatura gruntu zmienia się w znacznie mniejszym zakresie niż powietrza).

Jak działa grzałka elektryczna w pompie ciepła?

Przy doborze pompy ciepła do konkretnego budynku/konkretnej instalacji można stosować różne tryby pracy pompy ciepła, jednak trzeba pamiętać, że każde rozwiązanie ma swoją specyfikę. Większość instalatorów/ projektantów dobiera pompy ciepła powietrze-woda do pracy w trybie monoenergetycznym równoległym, zakładając punkt biwalencyjny na poziomie od -8ºC do -13ºC, w zależności od oczekiwań inwestora i strefy klimatycznej.

Warto pamiętać o tym, że algorytm sterowania pompy ciepła nie uruchomi grzałki wspomagającej od razu, gdy tylko czujnik temperatury zewnętrznej zanotuje temperaturę równą założonemu przy doborze pompy ciepła punktowi biwalencyjnemu. Ważna jest tutaj akumulacja ciepła w budynku i bezwładność systemu ogrzewania, która może pozwolić „przetrwać” na przykład kilka godzin nocnych z mocnym mrozem bez załączania grzałki, mimo stosunkowo niskiej temperatury na zewnątrz.

Temperatura powietrza na zewnątrz to zazwyczaj tylko jeden z warunków do załączenia dodatkowej grzałki. Równorzędnie muszą być często spełnione inne warunki, na przykład minimalnego czasu pracy sprężarki na cele ogrzewania czy różnicy temperatury osiągniętej w stosunku do temperatury zadanej dla pompy ciepła. Mogą to być na przykład takie ustawienia:

• temperatura zewnętrzna poniżej -10ºC; 
• praca pompy ciepła z użyciem sprężarki co najmniej 3 godziny; 
• różnica w stosunku do temperatury zadanej większa niż 5ºC (na przykład pompa ciepła ma zasilać ogrzewanie podłogowe wodą o temperaturze 35ºC, a jest w stanie podgrzać wodę w instalacji tylko do 29ºC; różnica w stosunku do zadanej wartości wynosi co najmniej 6º).

To tylko jeden z przykładów możliwych ustawień sterowania grzałką. Producenci pomp ciepła stosują różne algorytmy załączania grzałki, jednak zazwyczaj temperatura zewnętrzna nie jest jedynym parametrem. Ważna jest odpowiednia konfiguracja ustawień przez instalatora podczas montażu urządzenia, dopasowana do konkretnego budynku i oczekiwań użytkownika.

Jaka moc grzałki?

W pompach ciepła są zazwyczaj stosowane grzałki o mocy od 3 do 9 kW. Mogą być jednostopniowe – to te o mniejszej mocy, na przykład 3 kW, lub kilkustopniowe, takie jak trzystopniowa grzałka o mocy 9 kW, która w zależności od potrzeb załącza jeden, dwa lub trzy stopnie – odpowiednio 3, 6 lub 9 kW. Jaka zatem powinna być moc grzałki? To zależy od doboru pompy ciepła. W zaprezentowanym przykładzie moc grzałki wspomagającej powinna być nie mniejsza niż 4 kW. Wynika ona z różnicy między maksymalnym zapotrzebowaniem na ciepło (10 kW) i maksymalną mocą pompy ciepła w najniższych zakładanych temperaturach (6 kW).

Co się stanie, gdy grzałka wspomagająca będzie miała za małą moc lub ustawienia będą skutecznie ograniczać jej załączenie? Taka sytuacja może skutkować obniżeniem komfortu cieplnego w budynku podczas niskich temperatur zewnętrznych.

Inne funkcje grzałki w pompie ciepła

1. Pierwsze uruchomienie instalacji z pompą ciepła. Przy pierwszym rozruchu instalacji w nowych budynkach, kiedy ma miejsce wygrzewanie wylewek, temperatura wody w pętlach ogrzewania podłogowego napełnionego wodą sieciową może wynosić na przykład 10ºC, a zimą, w zupełnie zimnym, nieogrzewanym budynku, temperatura ta może być jeszcze niższa. W takich warunkach, nim do pracy wkroczy sprężarka w pompie ciepła, grzałka musi wstępnie podgrzać wodę w instalacji, aby osiągnąć temperaturę minimalną wymaganą do pracy pompy ciepła. Dlatego grzałka jest stosowana również w gruntowych pompach ciepła. Minimalna temperatura startu sprężarki jest zależna od konkretnego modelu urządzenia, lecz zazwyczaj mieści się w granicach 12-20ºC.
2. Odszranianie w razie zbyt niskiej temperatury w buforze/instalacji. Pompa ciepła powietrze-woda podczas pracy przy temperaturze powietrza mniej więcej 0ºC i niższej musi co jakiś czas przeprowadzić procedurę odszraniania parownika. Odszranianie jest konieczne, ponieważ z powietrza przetłaczanego przez parownik pompy ciepła w wyniku wychładzania wykrapla się wilgoć, która osiada na parowniku i w ujemnej temperaturze zamarza na jego powierzchni. Lód/szron ogranicza możliwości pracy parownika i pogarsza efektywność odbierania ciepła z powietrza, więc trzeba go usuwać. Pompa ciepła wykonuje to, uruchamiając procedurę odszraniania. W większości dostępnych na rynku pomp ciepła odszranianie odbywa się z wykorzystaniem zaworu czterodrogowego, który umożliwia odwrócenie obiegu czynnika. Standardowo w trybie grzania pompa ciepła „chłodzi” powietrze zewnętrzne na „zimnym” parowniku, a ogrzewa bufor/instalację grzewczą. W trybie odszraniania dzieje się odwrotnie – pompa ciepła pobiera ciepło z bufora/ instalacji grzewczej i ogrzewa nim parownik pompy ciepła, na którym osadził się szron. W ten sposób parownik na krótki czas staje się skraplaczem w obiegu chłodniczym pompy ciepła. W trybie odszraniania jednostka pompy ciepła jest w takim stanie, jakby była wykorzystywana do chłodzenia budynku. To, że pompa ciepła chłodzi bufor zimą, podczas gdy powinna go nagrzewać, może się wydawać dziwne. Jednak tryb odszraniania trwa bardzo krótko – około 2-3 min – i po tym czasie urządzenie jest ponownie gotowe do ogrzewania, na przykład przez kolejne dwie godziny. Ilość ciepła pobranego z bufora/instalacji jest niewielka, ale ma ogromne znaczenie dla pracy pomp ciepła powietrze-woda, ponieważ umożliwia im pracę w zimowych warunkach. Aby proces odszraniania się powiódł, w buforze/instalacji musi być dostępna wystarczająca ilość ciepła. Minimalna temperatura czynnika grzewczego w buforze/instalacji konieczna do trybu odszraniania jest określana przez producenta pompy ciepła. Może wynosić na przykład 20ºC. W takim przypadku grzałka zabezpieczy procedurę odszraniania i uruchomi się, jeżeli w buforze/instalacji temperatura będzie zbyt niska, by je poprawnie przeprowadzić. Zazwyczaj zdarza się tak przy uruchomieniu ogrzewania lub po dłuższym postoju urządzenia.
3. Tryb przeciwzamrożeniowy. Kwestia ta dotyczy monoblokowych pomp ciepła powietrze-woda, które przy napełnieniu wodą wymagają zabezpieczenia przed zamarzaniem. Jednym ze sposobów ochrony jest zastosowanie odpowiedniego algorytmu, którego zadaniem jest „pilnowanie”, by w elementach zewnętrznych pompy ciepła, w których może się znajdować woda, temperatura nie spadła poniżej wartości grożącej zamarznięciem. Gdy zbliża się taki moment, automatycznie uruchamia się pompa obiegowa, sprężarka lub grzałka – w zależności od warunków i sytuacji.
4. Źródło awaryjne. Pompa ciepła wyposażona w grzałkę elektryczną ma tak naprawdę źródło awaryjne. W razie jakichkolwiek problemów technicznych lub potrzeby interwencji serwisowej grzałka jest w stanie zapewnić ogrzewanie awaryjne. Jej moc może nie być wystarczająca do pokrycia całkowitego zapotrzebowania przy bardzo niskiej temperaturze na zewnątrz, jednak będzie ona w stanie dostarczyć przynajmniej część energii, dzięki czemu budynek nie zostanie pozbawiony ogrzewania. Wyłączenia z eksploatacji pompy ciepła ze względu na problemy techniczne nie zdarzają się często, ale niektórzy inwestorzy chcą mieć drugie źródło ciepła na wypadek sytuacji awaryjnej, mimo że może ona nie wystąpić przez cały okres eksploatacji pompy ciepła. Jeżeli inwestor tego oczekuje, można zastosować zapasową grzałkę elektryczną w buforze o większej mocy. Może być ona wtedy zupełnie niezależnym źródłem ciepła.

Grzałka zbiornika c.w.u.

Druga grzałka, którą montuje się w instalacji z pompą ciepła, to grzałka zbiornika c.w.u. Ma ona nieco inną funkcję – służy jedynie do wspomagania ogrzewania wody użytkowej.

• Realizacja trybu antylegionella. Jest to tryb przegrzewu antybakteryjnego zbiornika wody użytkowej. W tym trybie woda w zbiorniku jest podgrzewana do wysokiej, sięgającej niekiedy 70ºC temperatury, w celu usunięcia z niej bakterii, które potencjalnie mogą się w niej rozwinąć. Pompa ciepła zazwyczaj nie może sama realizować tego zadania, ponieważ tak wysoka temperatura zbiornika jest poza możliwym do osiągnięcia przez nią zakresem pracy.
• Szybkie nagrzewanie wody użytkowej. Do realizacji tej funkcji służy grzałka zbiornika. Ten tryb jest wykorzystywany przy zwiększonym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę lub w razie potrzeby nagłego przyspieszenia jej ogrzewania.
• Ograniczone możliwości temperaturowe pompy ciepła. Pompa ciepła ma pewien obszar pracy. Wpływa on również na możliwe do osiągnięcia temperatury wody użytkowej, ogrzewanej pośrednio przez wężownicę. Gdy temperatura na zewnątrz jest bardzo niska, obszar pracy pompy ciepła może pozwolić na przykład na ogrzanie wody użytkowej maksymalnie do temperatury 45ºC. To zbyt niska wartość dla użytkownika, który ustawił temperaturę wody w zasobniku na poziomie 50ºC i oczekuje, że będzie mógł korzystać z wody o takiej właśnie temperaturze. W takiej sytuacji grzałka zbiornika może się załączyć i podgrzać wodę użytkową do wymaganej temperatury.
• Źródło awaryjne ogrzewania wody użytkowej. W przypadku konieczności interwencji serwisu grzałka w zbiorniku c.w.u. pozostaje do dyspozycji jako drugie, awaryjne źródło ciepła. W instalacjach z pompami ciepła grzałka zbiornika c.w.u. nie jest niezbędna. Pozwala jednak uzyskać kilka dodatkowych funkcjonalności, a koszt jej zakupu jest niewielki. Zazwyczaj moc grzałki zbiornika wynosi 1,5-3 kW.

Inne grzałki w pompach ciepła

• Grzałka tacy ociekowej. Jest stosowana po to, by zapewnić prawidłowy odpływ skroplin, które w dużej ilości spływają z pompy ciepła po odszranianiu parownika. Gdyby nie było tej grzałki, mogłoby dojść do oblodzenia tacy ociekowej, co utrudniłoby odpływ skroplin. Zamarzająca woda może powodować uszkodzenia. Niektórzy producenci pomp ciepła zastępują grzałkę tacy ociekowej rurką z ciepłym czynnikiem chłodniczym. Chroni ona odpływ skroplin z pompy ciepła przed oblodzeniem, ale nie wymaga doprowadzenia dodatkowej energii.

• Grzałka rury odprowadzającej skropliny. Jeżeli skropliny nie są odprowadzane bezpośrednio pod pompę ciepła, na przykład do podłoża żwirowego, tylko są kierowane gdzieś dalej, konieczne jest zastosowanie elementu grzejnego do rury odprowadzającej skropliny z pompy ciepła. Rezygnacja z tego elementu grzejnego może skutkować zamarznięciem skroplin we wspomnianej rurze, doprowadzić do jej niedrożności i uszkodzenia.

Przeczytaj także:

• Powietrzna pompa ciepła - fakty i mity na temat jej działania
• Unijny zakaz f-gazów! Jak wpłynie na rynek pomp ciepła?
• Dofinansowanie pomp ciepła. Jak zmniejszyć koszt kupna i montażu pompy ciepła?