Pompy ciepła to urządzenia coraz częściej wybierane do ogrzewania domów ze względu na wysoką efektywność energetyczną i niskie koszty eksploatacji. Większość pomp ciepła wyposażona jest w dodatkową grzałkę elektryczną, która włącza się w określonych sytuacjach. Zrozumienie momentów aktywacji grzałki oraz przyczyn jej uruchomienia ma istotne znaczenie dla optymalnego wykorzystania pompy ciepła i kontrolowania kosztów eksploatacji.
Rola grzałki elektrycznej w pompie ciepła
Grzałka elektryczna w pompie ciepła pełni funkcję wspomagającą i awaryjną. Jej głównym zadaniem jest zapewnienie ciepła w sytuacjach, gdy sama sprężarka nie jest w stanie pokryć zapotrzebowania na moc grzewczą lub gdy wydajność pompy spada poniżej akceptowalnego poziomu. Grzałka stanowi zabezpieczenie komfortu cieplnego mieszkańców w trudnych warunkach pogodowych.
Podstawowe funkcje grzałki obejmują:
- wspomaganie pompy podczas ekstremalnie niskich temperatur
- szybkie nagrzanie budynku po dłuższym wyłączeniu systemu
- zapewnienie ciepła podczas awaryjnego wyłączenia sprężarki
- dodatkowe wsparcie przy produkcji ciepłej wody użytkowej
- ochronę przed zamarzaniem instalacji
Niskie temperatury zewnętrzne
Najczęstszą przyczyną włączania grzałki jest spadek temperatury zewnętrznej poniżej punktu biwalentnego pompy ciepła. Punkt biwalentny to temperatura, przy której wydajność pompy ciepła zrównuje się z zapotrzebowaniem cieplnym budynku. Poniżej tej wartości pompa nie jest w stanie samodzielnie zapewnić wystarczającej ilości ciepła.
Typowe wartości punktu biwalentnego:
- dla pomp powietrznych od minus dwóch do minus siedmiu stopni Celsjusza
- dla pomp gruntowych od minus dziesięciu do minus piętnastu stopni
- zależność od mocy pompy i izolacji budynku
- wpływ zaprojektowanej temperatury zasilania instalacji
Gdy temperatura spada poniżej punktu biwalentnego, sterownik automatycznie uruchamia grzałkę, aby uzupełnić brakującą moc. Im niższa temperatura zewnętrzna, tym większa część obciążenia przejmowana jest przez grzałkę elektryczną. W ekstremalnie mroźne dni grzałka może pracować niemal nieprzerwanie.
Szybkie nagrzewanie po wyłączeniu
Kolejną sytuacją wymagającą włączenia grzałki jest konieczność szybkiego podniesienia temperatury w budynku. Jeśli system grzewczy był wyłączony przez dłuższy czas lub temperatura wewnętrzna spadła znacznie poniżej zadanej wartości, sama pompa ciepła potrzebowałaby wielu godzin na przywrócenie komfortu cieplnego.
Grzałka uruchamia się gdy:
- różnica między temperaturą zadaną a rzeczywistą przekracza dwa do trzech stopni
- użytkownik gwałtownie podnosi nastawę termostatu
- system wraca do pracy po nocnej obniżce temperatury
- budynek jest nagrzewany po okresie nieobecności mieszkańców
Szybkie nagrzanie zapewnia komfort, ale wiąże się ze znacznym wzrostem zużycia energii elektrycznej. Optymalizacja krzywej grzewczej i unikanie głębokich obniżek nocnych pozwala ograniczyć potrzebę włączania grzałki w takich sytuacjach.
Awaria lub odszranianie sprężarki
Grzałka automatycznie przejmuje funkcję grzewczą podczas awarii sprężarki pompy ciepła. System zabezpieczeń wykrywa brak pracy sprężarki i aktywuje grzałkę, aby zapobiec całkowitemu wychłodzeniu budynku. Jest to szczególnie ważne w zimie, gdy brak ogrzewania może prowadzić do poważnych problemów.
Pompy ciepła powietrzne wymagają również okresowego odszraniania parownika. Podczas mroźnej pogody przy wysokiej wilgotności powietrza na wymienniku gromadzi się szron, który zmniejsza wydajność wymiany ciepła. Cykl odszraniania trwa zazwyczaj od pięciu do piętnastu minut, podczas którego sprężarka nie produkuje ciepła. Grzałka może włączyć się w tym czasie, aby utrzymać temperaturę w instalacji.
Produkcja ciepłej wody użytkowej
W systemach z zasobnikiem ciepłej wody użytkowej grzałka może wspomagać pompę ciepła w podgrzewaniu wody. Przygotowanie ciepłej wody wymaga wyższej temperatury niż ogrzewanie budynku, często powyżej pięćdziesięciu stopni Celsjusza. Przy niskich temperaturach zewnętrznych osiągnięcie takiej temperatury tylko sprężarką jest mało efektywne lub niemożliwe.
Sytuacje włączenia grzałki przy produkcji CWU:
- zwiększone zapotrzebowanie na ciepłą wodę przekraczające wydajność pompy
- konieczność okresowej dezynfekcji termicznej przy temperaturze powyżej sześćdziesięciu stopni
- niskie temperatury zewnętrzne ograniczające wydajność pompy
- priorytet ogrzewania budynku przy jednoczesnym zapotrzebowaniu na CWU
Zabezpieczenie przed zamarzaniem
Grzałka pełni również funkcję zabezpieczającą instalację przed zamarzaniem. Gdy temperatura czynnika w obiegu grzewczym spadnie poniżej krytycznej wartości, grzałka włącza się automatycznie niezależnie od innych parametrów. Jest to szczególnie istotne podczas długiej nieobecności użytkowników lub w budynkach sezonowych.
System przeciwzamrożeniowy chroni:
- instalację centralnego ogrzewania przed pęknięciem rur
- wymiennik ciepła pompy przed uszkodzeniem
- zasobnik ciepłej wody użytkowej
- dolne źródło pompy gruntowej lub wodnej
Parametry sterowania grzałką
Praca grzałki jest kontrolowana przez sterownik pompy ciepła według zaprogramowanych parametrów. Użytkownik może wpływać na częstotliwość włączania grzałki poprzez odpowiednie ustawienie krzywej grzewczej, temperatur granicznych oraz histerezy włączania wspomagania.
Najważniejsze parametry to:
- temperatura biwalentna – punkt włączenia wspomagania elektrycznego
- histereza temperatury – różnica wymagana do aktywacji grzałki
- maksymalna moc grzałki dozwolona do użycia
- priorytet między ogrzewaniem a ciepłą wodą użytkową
- czas opóźnienia włączenia grzałki
- temperatura graniczna pracy pompy ciepła
Wpływ na koszty eksploatacji
Praca grzałki elektrycznej znacząco zwiększa koszty eksploatacji pompy ciepła. Współczynnik wydajności grzałki wynosi jeden, co oznacza, że zużywa dokładnie tyle energii elektrycznej, ile produkuje ciepła. Dla porównania sprawność pompy ciepła określana jako COP wynosi zazwyczaj od trzech do pięciu, czyli z jednej kilowatogodziny energii elektrycznej produkuje od trzech do pięciu kilowatogodzin ciepła.
Przykładowe porównanie kosztów:
- grzanie pompą ciepła przy COP cztery – koszt około dwudziestu groszy za kilowatogodzinę ciepła
- grzanie grzałką elektryczną – koszt około osiemdziesięciu groszy za kilowatogodzinę ciepła
- czterokrotnie wyższe koszty przy grzaniu elektrycznym
Minimalizacja pracy grzałki ma zatem bezpośrednie przełożenie na rachunki za energię elektryczną. Każda godzina pracy grzałki o mocy sześciu kilowatów kosztuje około pięciu złotych, podczas gdy uzyskanie tej samej ilości ciepła pompą kosztowałoby około złotówki dwudziestu groszy.
Jak ograniczyć pracę grzałki elektrycznej?
Istnieje szereg działań pozwalających zminimalizować częstotliwość i czas pracy grzałki elektrycznej. Odpowiednie zaprojektowanie i konfiguracja systemu ma fundamentalne znaczenie dla efektywności ekonomicznej pompy ciepła.
Metody ograniczania pracy grzałki:
- dobór pompy ciepła o odpowiedniej mocy do potrzeb budynku
- poprawa izolacji termicznej budynku zmniejszająca straty ciepła
- obniżenie temperatury zasilania instalacji poprzez montaż ogrzewania podłogowego
- optymalizacja krzywej grzewczej do rzeczywistych potrzeb
- unikanie gwałtownych zmian temperatury zadanej
- rezygnacja z głębokich obniżek nocnych w dobrze izolowanych budynkach
- regularne serwisowanie pompy ciepła
Optymalizacja krzywej grzewczej
Krzywa grzewcza określa zależność między temperaturą zewnętrzną a temperaturą zasilania instalacji. Prawidłowe ustawienie krzywej pozwala pompie ciepła pracować maksymalnie efektywnie bez konieczności wspomagania grzałką. Zbyt stroma krzywa powoduje przegrzewanie pomieszczeń i straty energii, podczas gdy zbyt płaska wymusza częste włączanie grzałki.
Proces optymalizacji obejmuje:
- obserwację temperatury w pomieszczeniach przy różnych warunkach zewnętrznych
- stopniową korektę nachylenia krzywej grzewczej
- monitorowanie częstotliwości włączania grzałki
- dostosowanie przesunięcia równoległego krzywej
- uwzględnienie bezwładności cieplnej budynku
Monitoring pracy grzałki
Nowoczesne pompy ciepła oferują funkcje monitorowania i rejestrowania czasu pracy grzałki. Analiza danych eksploatacyjnych pozwala ocenić, czy system pracuje optymalnie i czy nie występują nieprawidłowości wymagające interwencji. Częste włączanie grzałki przy umiarkowanych temperaturach zewnętrznych może sygnalizować problemy z konfiguracją lub wydajnością pompy.
Wskaźniki do monitorowania:
- łączny czas pracy grzałki w sezonie grzewczym
- udział energii elektrycznej grzałki w całkowitym zużyciu
- sezonowy współczynnik efektywności systemu
- częstotliwość włączania przy określonych temperaturach
- zużycie energii w poszczególnych miesiącach
