Ogrzewanie – można i tak.

Sytuacja była dość banalna. Polska, koniec XX wieku, młode polskie małżeństwo. Ona inżynier architektury on inżynier budowy dróg. Po Pięknym ślubie i udanym weselu – choć policja nie interweniowała, pojechali do Stanów by poznać świata, zobaczyć jak inni żyją i jak się da trochę zarobić. W prezencie ślubnym dostali od Babci i Wujka kawałek podmiejskiego sadu, sadu który zawsze zaopatrywał
w świeże owoce i warzywa całą rodzinę Pana Młodego, a teraz zarastał.

Wyjazd do Stanów, to źródło wielu doświadczeń i decyzji, że jednak tu w Polsce będą budować swoje życie i przyszłość. Zaczęli od budowy domu, takiego trochę na wzór amerykański. Zerwali
z polską tradycją i postanowili wybudować piękny pod względem architektonicznym, bardzo funkcjonalny  parterowy dom bez piwnicy z dużym garażem na dwa samochody. Powierzchnia mieszkalna  to
105 m2.

Przy wyposażaniu domu w instalacje techniczne trzeba było podejmować wybory między marzeniami a twardymi realiami lokalnymi i finansowymi.  Ponieważ teren byłego sadu nie był uzbrojony, do dyspozycji była tylko energia elektryczna i woda.  Aby można było realizować podstawowe czynności z początku myślano
o przydomowej oczyszczalni, ale obietnica władz miasta, że teren ten będzie w przyszłości podłączony do kanalizacji miejskiej spowodował, że zdecydowano się na szambo. Zaopatrzenie w ciepłą wodę rozwiązano za pomocą elektrycznego podgrzewacza – tzw.
„ bojlera” o pojemności 80 litrów i mocy 800W.

Do rozwiązania został problem ogrzewania. Marzenie to modne ogrzewanie podłogowe w pokoju dziennym (tzw. salonie), aneksie kuchennym i korytarzach. Trzy sypialnie wyposażone zostały w tzw. kaloryfery – jak mówiono, bo to rozwiązanie zdrowsze dla tych pomieszczeń”. Jest to oczywiście sprawą dyskusyjną, ale jak inwestor chce, to tak ma być. Doradziłem jedynie by zwiększyć ich powierzchnię dwu krotnie w porównaniu z normatywną ze względu, że zostały one „wpięte” w układ podgrzewania podłogowego.
W planach obiecywano, że nowo wybudowany budynek zostanie podłączony do sieci gazowej, ale „dociągniecie” jej odwlekło się aż
o 5 lat.  Postanowiono więc, że do czasu podłączenia instalacji gazowej ogrzewanie będzie realizowane za pomocą kominka zainstalowanego w salonie, który zostanie wyposażony w system rozprowadzania ciepłego powietrza do wszystkich pomieszczeń. Palące się szczapy drzewa gdy za przeszkloną ścianą widać padający śnieg w sadzie to bardzo romantyczny widok. Ale aby rozwiązanie to spełniało swoje zadanie trzeba było na jesień zgromadzić odpowiedni zapas drewna, osuszyć je, przynosić do salonu, rozpalać, podkładać, sprzątać popiół, etc. Czynności te należało wykonywać niezależnie od pory dnia czy nocy. Gdy przerwa w  „opiece” nad kominkiem trwała zbyt długo (domownicy w pracy i szkole) temperatura w pomieszczeniach znacznie się obniżała. Domownicy coraz mniej byli zachwyceni z tego rozwiązania.  Na spotkaniach  pytano mnie czy jest jakaś rada by poprawić  zaistniałą sytuację. Oczywiście można by zaproponować tradycyjne rozwiązanie – piec na węgiel, czy też bardziej ekologiczny na pelety. Rozwiązanie to pociąga koszt budowy kotłowni z magazynem opału, oraz zakupu
i zainstalowania pieca. Inna alternatywną byłoby zainstalowanie podgrzewacza elektrycznego – ale to nie tylko bardzo wysokie koszty eksploatacyjne, ale również konieczność wymiany sieci zasilania elektrycznego. Każde z tych rozwiązań miało być rozwiązaniem tymczasowym, do czasu bliżej nie określonego podciągnięcia instalacji gazowej.

Jak wiec „ulżyć” domownikom w zaistniałej sytuacji ? Jakie zaproponować zrównoważone rozwiązanie – racjonalne inwestycyjnie i eksploatacyjnie ?

Poszukując racjonalnego rozwiązania wziąłem  pod uwagę fakt wyposażania domu w istniejącą kominkową instalację ogrzewania,  nieczynną jeszcze instalację ogrzewania podłogowego oraz fakt, że obciążenie cieplne dla potrzeb ogrzewania jest zgodne z wykresem tzw. uporządkowanych  temperatur zewnętrznych – rys.1.

Rys. 1  Wykres uporządkowany temperatur zewnętrznych

Po analizie  wykresu można powiedzieć, że wielkość zapotrzebowania na  moc grzewczą jest, w pewnym przybliżeniu, odwrotnie proporcjonalna do czasu zapotrzebowania na nią. Czasokres zapotrzebowania na moc maksymalna między 100%
a 75% (dla temperatur zewnętrznych pomiędzy  -20.C  a -12.C) wynosi praktycznie od  4 – 5 % sezonu grzewczego. 80 % sezonu grzewczego to temperatury zewnętrzne powyżej -4.C  co odpowiada zapotrzebowaniu na  50% mocy maksymalnej. Temperatury powyżej O.C to (zapotrzebowanie ciepła na poziomie 1/3 obciążenia maksymalnego) to około 50% sezonu grzewczego.

Jakie wiec rozwiązanie automatycznego urządzenia grzewczego zaproponować? Pompę ciepła ? Jeśli tak to jaką? Jakiej mocy?

Licząc „na palcach” i przyjmując wskaźnik zapotrzebowania mocy cieplnej dla przedmiotowego budynku do ogrzewania na poziomie 80 W/m2, zapotrzebowanie mocy grzewczej  dla całego domu wynosi około 8 kW dla najniższych temperatur zimowych. Jeśli pogodzić się z faktem, że na tych kilka bardzo zimnych zimowych nocy i dni (temperatura – 20.C) zapotrzebowanie na ciepło będzie realizowane przez istniejącą instalację kominka, to okresy wyższych temperatur zewnętrznych można by pokrywać z „niedużego” bezobsługowego źródła ciepła. Jeżeli więc dysponować mocą grzewczą na poziomie 6 kW można by zabezpieczyć ogrzewanie przez 95% sezonu grzewczego. Przy urządzeniu grzewczym o mocy 4 kW można zabezpieczyć 80% czasu sezonu grzewczego. Gdy moc urządzenia grzewczego wynosić będzie 2,7 kW zabezpieczymy 50% sezonu grzewczego.

Analiza rozwiązań oferowanych na rynku zwróciła moją uwagę na powietrzną pompę ciepła przeznaczona do ogrzewania ciepłej wody użytkowej, w której 200 litrowym zbiorniku została zainstalowana dodatkowa wężownica do współpracy z solarem (kolektorem słonecznym) – rys.2.

Rys. 2  Powietrzna pompa ciepła cwu przystosowana do współpracy z solarem. 1. Zbiornik, 2. Wężownica ogrzewania cwu, 3. Powietrzna pompa cieplna,

2. 4. Układ solarny.

 Moc pompy 6 kW przy standardowej temperaturze powietrza zewnętrznego +5.C. i temperaturze ciepłej wody na poziomie 50.C .  Pobór mocy pompy ciepła to około 2 kW. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową dla 3 osobowej rodziny (3 x 110 litrów) wynosi 330 litrów. Zakładając, że temperatura wody zasilającej wynosi +10.C  to zapotrzebowanie mocy grzewczej przy pracy ciągłej wynosi około 640 W (co pokrywa się z dotychczasową mocą grzewczą zainstalowanego bojlera). Analizując więc przedmiotową pompę ciepła można stwierdzić, że posiada ona sporą „nadwyżkę” mocy grzewczej, na poziomie 5 kW dla omawianych wyżej warunków temperatura powietrza zewnętrznego – +5.C
i temperatura cwu – +50.C.  Oczywiście, ze spadkiem temperatury powietrza zewnętrznego nastąpi spadek wydajności pompy cieplnej. Z drugiej zaś strony spadek temperatury cwu spowoduje wzrost mocy grzewczej pompy.

Postanowiłem więc wykorzystać tą nadwyżkę mocy grzewczej do zasilania istniejącej instalacji ogrzewania podłogowego za pośrednictwem zainstalowanej w zbiorniku wężownicy solarnej – rys.3.

Rys.3.  Rozwiązanie docelowe: 1. Zbiornik, 2. Wężownica ogrzewania c.w.u, 3. Powietrzna pompa cieplna

Współpraca powietrznej pompy ciepła do produkcji ciepłej wody wyeliminowała konieczność codziennego rozpalania kominka
i związanych z tym uciążliwości. Gdy temperatura zewnętrzna spadała w dłuższych okresach czasu poniżej -10.C gospodarze wspomagali grzanie rozpalając okresowo kominek by pokryć niedobór chwilowy mocy grzewczej.

Ponieważ w okresach dużego obciążenia cieplnego znaczne obniżała się temperatura cwu zastosowałem prosty układ regulacyjny.
1 godzinę przed porannym lub wieczornym szczytem poborem cwu wyłączany był układ grzania podłogowego, co owocowało szybkim wzrostem temperatury cwu w zbiorniku.

Opisany system pracował przez 4 sezony grzewcze aż do momentu podłączenia oczekiwanej instalacji gazowej. Co ciekawe, zastąpienie tradycyjnego bojlera z 800 W grzałką pompą ciepła
o mocy 2 kW nie spowodował wzrostu kosztów eksploatacyjnych. Praca pompy cieplnej poza sezonem grzewczym przynosiła takie oszczędności, ze roczny bilans opłat za energię elektryczną
w budżecie domowym się nie zmienił.