Ogrzewanie hali pompą ciepła

Ogrzewanie hali pompą ciepła – co należy wiedzieć?

Ogrzewanie hali pompą ciepła różni się w wielu aspektach od standardowych rozwiązań grzewczych. Pompa ciepła, jak każde urządzenie, potrzebuje odpowiednich warunków do prawidłowej i efektywnej pracy. Jednak specyficzne wymagania, które musi spełnić instalacja grzewcza w obiekcie o dużej kubaturze powodują, że zastosowanie rozwiązania niestandardowego, jakim obecnie jest ogrzewanie hali pompą ciepła wymaga fachowej wiedzy. Mając to na uwadze, należy przyjrzeć się charakterystyce pomp ciepła oraz wymaganiom w zakresie ich instalacji oraz eksploatacji.

Zasada działania pompy ciepła

Zasada działania grzewczej pompy ciepła najogólniej polega pobieraniu energii ze źródła o temperaturze relatywnie niskiej (która nie pozwala na bezpośrednie użycia źródła do celów grzewczych) i przekazaniu jej do odbiornika o temperaturze relatywnie wysokiej (umożliwiającej wykorzystanie ciepła przez instalację ogrzewania, wentylacji mechanicznej czy przygotowania c.w.u.).
Słowo „grzewcza” charakteryzuje bardziej cel stosowania urządzenia, niż jego budowę, ale należy stwierdzić, że pompy ciepła przeznaczone do ogrzewania projektuje się tak, aby optymalnie pracowały w określonych zakresach temperatury źródeł górnego i dolnego.

Pompy ciepła do celów grzewczych można podzielić na sprężarkowe oraz absorpcyjne. Pierwsze z nich zasilane są energią elektryczną, drugie natomiast do działania wymagają energii cieplnej (np. ciepła odpadowego lub pochodzącego ze spalania paliwa – w rozwiązaniach komercyjnych najczęściej gazu).

Efektywność pompy ciepła

Efektywność sprężarkowej pompy ciepła określa współczynnik COP (ang. Coefficient Of Performance), definiowany jako stosunek mocy dostarczonej do uzyskanej (moc grzewcza odniesiona jest do pobieranej mocy elektrycznej [4–5]). Efektywność pompy ciepła absorpcyjnej gazowej opisuje z kolei G.U.E (ang. Gas Utilization Efficiency, czyli efektywność zużycia gazu) i można ją interpretować jako moc grzewczą odniesioną do mocy dostarczonej do warnika sprężarki termicznej [6].

Sprężarkowe pompy ciepła w zależności od temperatury oraz rodzaju źródła dolnego i górnego osiągają COP w zakresie od 2 do ok. 5 (dla warunków pracy instalacji), a na granicach charakterystyk nawet do 9. Efektywność modeli absorpcyjnych może dochodzić natomiast do ok. 170%.

Pompy ciepła mogą pobierać ciepło ze środowiska (z powietrza, wody, ziemi) lub wykorzystywać ciepło odpadowe i przekazywać je do wody grzewczej krążącej w instalacji lub bezpośrednio do powietrza przy ogrzewaniu powietrznym. Należy jednak pamiętać, że bez względu na rodzaj dolnego i górnego źródła, im mniejsza jest różnica temperatury między nimi, tym wyższa jest efektywność urządzeń.

Parametrem opisującym współpracę pompy ciepła z instalacją grzewczą jest współczynnik SCOP (ang. Seasonal Coefficient of Performance – sezonowy współczynnik efektywności energetycznej) lub inaczej SPF (ang. Seasonal Performance Factor – sezonowy współczynnik efektywności). W uproszczeniu jest to ilość energii dostarczonej przez pompę ciepła do instalacji grzewczej w odniesieniu do ilości zużytej energii elektrycznej w danym okresie (np. roku, sezonie grzewczym czy konkretnym miesiącu). W instalacjach dopiero planowanych, do określenia SCOP można wykorzystać metody obliczeniowe zawarte w normach PN-EN 15316-4-2 i EN 14825, w wytycznych VDI 4650 albo komputerowe programy symulacyjne [7]. W przypadku instalacji już uruchomionych wartość SCOP można zmierzyć pod warunkiem zainstalowania ciepłomierzy i liczników energii elektrycznej.

Ogrzewanie hali pompą ciepła – współpraca z instalacją grzewczą

Ogrzewanie hali pompą ciepła związane jest z dwoma istotnymi zagadnieniami, które trzeba ze sobą połączyć. Pierwsze to współpraca pomp ciepła z instalacjami grzewczymi i zapewnienie optymalnych jej warunków, a drugie – dobór odpowiedniego systemu ogrzewania do budynków o dużej kubaturze, ze szczególnym uwzględnieniem obiektów przemysłowych oraz ich potrzeb.

Przed przystąpieniem do projektowania instalacji należy zapoznać się przede wszystkim z wymaganiami dotyczącymi funkcji jakie ma pełnić źródło ciepła. Poza ogrzewaniem obiektu może ono również służyć do przygotowywania c.w.u. (przy bardzo szerokim zakresie potencjalnych potrzeb – od kilku umywalek w magazynie po dużą liczbę natrysków) czy zasilania nagrzewnic wentylacyjnych. Oczywiście całość zapotrzebowania na ciepło nie musi zostać pokryta wyłącznie przez jedno źródło.

Aby móc dokonać analizy współpracy ogrzewania hali pompą ciepła z instalacjami grzewczymi należy określić parametry instalacji odbiorczych, takie jak: wartość i zmienność temperatury zasilania, równomierność odbioru ciepła, zmienność mocy odbiornika oraz jego odporność na przerwy w dostawie ciepła.

Pompy ciepła najlepiej sprawdzą się w instalacjach o niskiej temperaturze zasilania, równomiernym odbiorze ciepła, z niewielką zmiennością mocy, ale dość wysoką odpornością na przerwy w dostawie ciepła. Z kolei systemy ogrzewania charakteryzują się szerokim zakresem temperatury zasilania (od 35°C dla ogrzewania podłogowego, do nawet 90°C w przypadku grzejników – chociaż już niezwykle rzadko i nie w nowych czy modernizowanych instalacjach), może się ona zmieniać zgodnie z krzywą grzania lub być stała, odbiór ciepła zależy od sposobu eksploatacji (ogrzewanie stałe, okresowe czy sporadyczne), zmienność zapotrzebowania na moc jest dość duża i zależna od warunków pogodowych, a odporność na przerwy w zasilaniu różna w zależności od samej instalacji, jak i akumulacyjności budynku.

Nagrzewnice wentylacyjne mają podobną charakterystykę do systemów c.o., ale już systemy przygotowania c.w.u. zdecydowanie się od nich różnią. Przykładowo, w przypadku zastosowania rozwiązania z akumulacją c.w.u. (przy pompach ciepła właściwie tylko taki sposób podgrzewu jest możliwy) temperatura zasilania jest stała (najczęściej wynosi 70–80°C), stałe są również odbiory ciepła i mocy w trakcie ładowania zasobnika, a system jest w pewnym stopniu odporny na przerwy w dostawie ciepła, dzięki akumulacji wody [7].

Mając na uwadze powyższe, ogrzewanie hali pompą ciepła sprawdzi się z całą pewnością w przypadku współpracy z instalacjami niskotemperaturowymi (ogrzewanie podłogowe, grzejniki niskotemperaturowe, niskotemperaturowe promienniki wodne) oraz pracującymi zgodnie z krzywą grzania, która zakłada obniżanie temperatury zasilania w miarę wzrostu temperatury zewnętrznej. Zapotrzebowanie na moc instalacji grzewczych w ciągu sezonu jest zmienne, jednak odpowiednio dobrana pompa wyposażona w sprężarkę inwerterową zapewni bezproblemową pracę w tym zakresie. Z kolei jeżeli układ jest wrażliwy na przerwy w dostawie ciepła, poprawne ogrzewanie hali pompą ciepła można zapewnić poprzez zastosowanie odpowiedniego układu technologicznego, np. z buforem magazynującym energię.

W przypadku przygotowania c.w.u. stałe parametry mocy i dość długi i równomierny pobór energii wydają się być optymalne dla pompy ciepła, jednak wysoka wymagana temperatura zasilania powoduje pewne problemy. Po pierwsze, wytyczne zawarte w aktualnych „Warunkach technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie” wskazuje wymaganą temperaturę wody na wylewce baterii czerpalnej w zakresie 55–60°C. Przy maksymalnych temperaturach zasilania zapewnianych przez pompy ciepła na poziomie 55–65°C, dogrzanie c.w.u. do odpowiedniej wartości jest niezwykle trudne, a do 70°C (w celu jej przegrzania) wręcz niemożliwe. Aby wyeliminować te ograniczenia stosuje się najczęściej dodatkowe grzałki elektryczne w podgrzewaczach oraz inne sposoby dezynfekcji wody. Rozwiązaniem może też być wykorzystanie wysokotemperaturowych pomp ciepła, które zapewniają parametry zasilania na poziomie 70–80°C, jednak należy wziąć pod uwagę wyższe koszty zakupu urządzenia.

Systemy ogrzewania hal przemysłowych

Ogrzewanie hali pompą ciepła (a nawet za pomocą innych źródeł), ze względu na dużą kubaturę takich obiektów, wymaga innego podejścia do projektowania instalacji niż, np. przy budynkach mieszkalnych, komercyjnych czy użyteczności publicznej. Ponadto, bardzo istotną kwestią jest przeznaczenie obiektu. Należy wziąć pod uwagę m.in. stosowaną w procesach produkcyjnych technologię czy charakterystykę eksploatacji hali, np. wykorzystanie suwnic, częstotliwość otwierania bram czy ruch pojazdów.

Systemy ogrzewania hal przemysłowych dobierane są również na ze względu na sposób ogrzewania – stale, okresowo lub sporadycznie, realizowane w całym obiekcie bądź jedynie w jego wydzielonych strefach [8-9]. Istotna jest również konstrukcja hali, ponieważ inaczej ogrzewa się budynki o konstrukcji lekkiej, a inaczej ciężkiej. Wybór systemu niedopasowanego do akumulacyjności cieplnej ma zazwyczaj niekorzystne konsekwencje.

Najpowszechniej stosowane systemy grzewcze hal przemysłowych to promienniki (wodne, gazowe lub elektryczne), aparaty grzewczo-wentylacyjne (zasilane wodą, parą lub bezpośrednio paliwem, np. gazem), rozwiązania nadmuchowe połączone z wentylacją (nagrzewnica w centrali wentylacyjnej), grzejniki (konwekcyjne) lub instalacje podłogowe wodne. Ponadto wykorzystuje się również kurtyny powietrzne, które nie są wprawdzie elementami sytemu ogrzewania, ale wymagają zasilania ze źródła ciepła [8–9].

Ze względu na swoją specyfikę ogrzewanie hal przemysłowych pompą ciepła nie może być zrealizowane ze wszystkimi wymienionymi systemami, ponieważ z niektórymi z nich współpraca będzie mało efektywna, a z innymi niemożliwa.

Ogrzewanie hali pompą ciepła a dobór systemu

Na ogrzewanie hali pompą ciepła najlepiej zdecydować się na etapie poprzedzającym budowę obiektu. Nie wyklucza to oczywiście zastosowania pompy ciepła także podczas modernizacji. Należy jednak pamiętać o kilku podstawowych zasadach, dzięki którym ogrzewanie hali będzie efektywne, a zastosowanie pompy ciepła uzasadnione ekonomicznie i możliwe pod względem technologicznym.

Po pierwsze warto zrealizować docieplenie budynku, co znacznie ułatwi zastosowanie ogrzewania niskotemperaturowego, a także zmniejszy koszty eksploatacyjne (także w przypadku wykorzystania innego rodzaju źródeł ciepła). Po drugie należy starać się wybrać rozwiązania wodne lub powietrzne, uwzględniając oczywiście specyfikę danej hali przemysłowej. Jeżeli system grzewczy obiektu wymaga wysokich wartości temperatury zasilania w warunkach obliczeniowych, warto zastosować krzywą grzania (czyli regulację jakościową) w celu jej obniżenia przez większość sezonu. Dość istotnym aspektem jest również przeprowadzenie analizy ekonomicznej, ponieważ czasem ogrzewanie hali pompą ciepła może być opłacalne nawet w systemach niezbyt optymalnie dostosowanych pod ich kątem.

W praktyce ogrzewanie hali pompą ciepła najlepiej sprawdzi się w systemach ogrzewania podłogowego, niskotemperaturowego opartego na promiennikach wodnych, z grzejnikami niskotemperaturowymi lub wspomaganymi wentylatorowo. Oczywiście ogrzewanie podłogowe można zrealizować wyłącznie w nowo powstających obiektach lub gruntownie modernizowanych. Ogrzewanie hali pompą ciepła może być również z powodzeniem stosowane w systemach powietrznych bazujących na aparatach grzewczo-wentylacyjnych czy na centralach wentylacyjnych, przy odpowiednim dostosowaniu wielkości urządzeń do niskiej temperatury zasilania. Wspomniane wcześniej kurtyny powietrzne również mogą być zasilane pompą ciepła, ale temperatura zasilania będzie wtedy stosunkowo wysoka, jak na pompę, a jednocześnie dość niska, jak na potrzeby kurtyn (50–60°C) [7].

Korzyści stosowania ogrzewania hali pompą ciepła

Ogrzewanie hali pompą ciepła niesie za sobą szereg korzyści. Przede wszystkim jest to rozwiązanie nowoczesne, wygodne i w dużej mierze bezobsługowe. Systemy ogrzewania hal przemysłowych współpracujące z pompami ciepła zapewniają wysoki poziom komfortu cieplnego m.in. ze względu na niską temperaturę zasilania.

Ogrzewanie hali pompą ciepła można również połączyć z procesami technologicznymi, zarówno w aspekcie wykorzystania ciepła odpadowego, jak i w przypadku konieczności zastosowania chłodzenia. Ponadto, jeżeli wymagane jest ogrzewanie w zimie, a chłodzenie hal przemysłowych w lecie, pompy ciepła mogą zaspokoić obie z tych potrzeb, za pomocą jednego systemu grzewczo-chłodniczego. Co ważne, zastosowanie pomp w celu zapewnienia odpowiednich warunków mikroklimatycznych jest zwykle jednym z najbardziej ekonomicznych rozwiązań eksploatacyjnych. Jeżeli zatem wykorzystamy je zarówno do ogrzewania, jaki chodzenia, może się okazać, że koszty inwestycyjne również będą atrakcyjne.

Ogrzewanie hali pompą ciepła gwarantuje także brak emisji w miejscu wytwarzania ciepła i/lub chłodu, natomiast w przypadku zastosowania dodatkowo OZE, np. modułów fotowoltaicznych – staje się rozwiązaniem właściwie bez emisyjnym.

Literatura
1. „Podręcznik architekta, projektanta, instalatora: Pompy Ciepła”, Viessmann, 2013.
2. „Trochę historii – najstarsza pompa ciepła”, GLOBEnergia, 2019, www.globenergia.pl.
3. „Rynek pomp ciepła w Polsce w 2019 roku i w perspektywie do roku 2030”, PORT PC, 2020, https://portpc.pl.
4. J. Strzyżewski, „Pompy ciepła: zasady działania i wybór rozwiązań”, 2017 Warszawa.
5. M. Rubik, „Pompy ciepła: poradnik”, 2006 Warszawa.
6. „Dlaczego efektywność gazowej pompy ciepła przekracza 100%?”, www.gazuno.pl.
7. N. Fidorów-Kaprawy, „Rozwiązania energooszczędne wykorzystywane w budownictwie wielkopowierzchniowym”, „Pompy ciepła” „Nowoczesne Hale 2021”, ISBN 978-83-65883-98-8.
8. J. Kosieradzki, „Ogrzewanie hal przemysłowych”, „Rynek Instalacyjny” 2009, nr 10.
9. Z. Cebulski, „Ogrzewanie hal – rodzaje systemów ogrzewania hal produkcyjnych, magazynowych i innych”, „Hale Przemysłowe 2016”, „Informator Budowlany-murator”.