Austriaccy naukowcy, analizując ogrzewanie sześciu zmodernizowanych budynków administracji publicznej w Innsbrucku, modelowo wykazali, że zastosowanie dwóch mniejszych pomp ciepła może obniżyć zużycie energii elektrycznej o 4,5% w porównaniu do jednej dużej jednostki. Ta różnica wynika z optymalizacji pracy urządzeń w warunkach zmiennego obciążenia cieplnego.
W badanych obiektach średnie roczne zapotrzebowanie na ciepło wynosiło 2087 MWh, a szczytowe obciążenie cieplne sięgało 1664 kW. Początkowe modele optymalizacyjne sugerowały wybór jednej pompy ciepła o mocy elektrycznej 623,5 kW. Jednak po dokładniejszym odwzorowaniu zachowania urządzeń przy częściowym obciążeniu, model wskazał na układ dwóch pomp o różnej wielkości. Ich łączna moc pozostała zbliżona, ale zmienił się sposób pracy w ciągu roku, co przełożyło się na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o 4,5% i rocznych kosztów o 2,9%. Należy podkreślić, że są to wyniki obliczeń modelowych, a nie pomiarów rzeczywistych instalacji.
Efektywność przy częściowym obciążeniu
Kluczem do uzyskanych oszczędności jest efektywność pracy pomp ciepła w warunkach częściowego obciążenia. Współczynnik COP (stosunek dostarczonego ciepła do pobranej energii elektrycznej) nie jest stały, lecz zmienia się w zależności od temperatur źródła, instalacji grzewczej oraz aktualnego obciążenia urządzenia. Pompy inwerterowe mogą modulować moc sprężarki tylko do pewnego poziomu – w analizowanym przypadku minimalny współczynnik częściowego obciążenia wynosił 10%. Poniżej tej granicy urządzenie musi się wyłączyć i ponownie uruchomić, co może pogarszać ogólną efektywność. Duża pompa dobrana głównie na największe mrozy może przez większość sezonu pracować w mniej korzystnym zakresie modulacji.
Zalety układu kaskadowego
Układ kaskadowy, składający się z dwóch pomp, pozwala na efektywniejsze dostosowanie mocy do bieżącego zapotrzebowania. Mniejsza jednostka może samodzielnie pokrywać podstawowe potrzeby przez wiele godzin, pracując w optymalnym zakresie. Gdy zapotrzebowanie na ciepło wzrasta, dołącza większa pompa. Dzięki temu system unika zmuszania jednej dużej pompy do ciągłej pracy w pobliżu minimalnej modulacji, co zwiększa ogólną efektywność energetyczną instalacji.
Warunki badania i aplikacja w praktyce
Należy pamiętać, że warunki austriackiego studium były specyficzne. Analizowano pompy ciepła typu woda-woda, wykorzystujące wodę gruntową o stałej temperaturze 8°C, z dodatkowym zbiornikiem o pojemności 4000 litrów. Profile zapotrzebowania na ciepło określano w odstępach 15-minutowych dla różnych lat. Takie stabilne źródło ciepła znacząco różni się od warunków pracy popularnych domowych pomp powietrze-woda, gdzie temperatura źródła zmienia się wraz z pogodą, a dodatkowo występują cykle odszraniania parownika. Z tego powodu uzyskanych 4,5% oszczędności energii nie można bezpośrednio przenosić na polskie domy jednorodzinne.
Nowe podejście do projektowania instalacji
Wniosek z badania podkreśla, że projektanci instalacji powinni zwracać uwagę nie tylko na maksymalne zapotrzebowanie na ciepło, ale również na to, jak często system będzie pracował przy częściowym obciążeniu (np. 20%, 40% czy 60% mocy). Kluczowe znaczenie mają parametry takie jak minimalna modulacja, charakterystyka efektywności przy częściowym obciążeniu oraz krzywa trwania zapotrzebowania. Uwzględnienie tych aspektów, a nie tylko mocy szczytowej, pozwoli na dobór optymalnej konfiguracji systemu grzewczego.
Opracowano na podstawie informacji rynkowych: HVAC / branża ogólna. Inspiracja źródłowa: GLOBEnergia.
