Jak obliczyć zapotrzebowanie energetyczne domu przy pompie ciepła?

Opublikowano: 31.08.2024Autor: Ludwika WykurzDrukujUdostępnij

Co to jest zapotrzebowanie energetyczne domu?

Czynniki wpływające na zapotrzebowanie energetyczne

Intuicyjnie każdy wie mniej więcej, że dom wymaga pewnej konkretnej energii do ogrzania wnętrz na poziomie odpowiednim dla komfortu mieszkańców. Nieduży, dobrze ocieplony dom jednorodzinny będzie jej wymagał mniej niż duży, przeszklony budynek użyteczności publicznej. Jednak żeby właściwie wybrać moc pompy ciepła trzeba wiedzieć jak obliczyć zapotrzebowanie energetyczne domu, uwzględniając specyficzną charakterystykę danego budynku.

W skład danych potrzebnych do wyliczenia zapotrzebowania będą wchodzić: docelowa temperatura pomieszczeń, straty ciepła w wyniku ucieczki przez ściany i przez wentylację, zyski ciepła z urządzeń niegrzejących (np. oświetlenie, obecność ludzi i zwierząt, agregaty z elektrycznym silnikiem). Trzeba wziąć też pod uwagę klimat i zmienność zapotrzebowania na ciepło w ciągu roku. Może się okazać, że latem będzie potrzebne chłodzenie (wówczas warto zainwestować w pompę z klimą). Idealna sytuacja to taka, w której straty ciepła zimą i nagrzewanie latem są minimalne.

Żeby wyliczyć zapotrzebowanie na pompę ciepła o konkretnych parametrach musimy wiedzieć czego spodziewać się po samych urządzeniach. Jakie dobrać do konkretnej sytuacji. W tym celu należy zapoznać się również z pompami różnych rodzajów i o różnej mocy.

Zapotrzebowanie na energię cieplną – droga na skróty

Pierwsze kroki można stawiać na skróty. Istnieją pewne standardy, które trzeba spełnić zanim zrealizuje się projekt domu. Dlatego da się z grubsza określić jakie będzie zapotrzebowanie budynku np. z 1980 roku (zwłaszcza bez większych renowacji), a jakie nowoczesnego domu pasywnego. Tabele przedstawiające standardowe zapotrzebowanie budynku można znaleźć w internecie. Dalej wyjaśnimy jak oblicza się wskaźniki i co oznaczają poszczególne skróty.

Jeżeli potrzebujemy dokładniejszych obliczeń, to możemy skorzystać z kalkulatora. Kalkulator zapotrzebowania energetycznego pomoże krok po kroku wyliczyć zapotrzebowanie dla naszego domu. Powinniśmy jednak mieć ogólne pojęcie o planowanym systemie ogrzewania (np. podłogowe czy grzejniki, pompa gruntowa czy powietrzna itp.). Dobrze jest mieć dostęp do dokumentacji charakterystyki energetycznej budynku. Można też od razu poszukać kalkulatora pompy ciepła, który wyliczy przybliżoną zalecaną moc pompy.

Poza tym można dokonać obliczeń ręcznie (lub z pomocą zwykłego kalkulatora) według gotowych wzorów.

Zapotrzebowanie budynku na ciepło – niezbędne dane

Podstawowe pojęcia

Jeżeli chcemy naprawdę wiedzieć jaką pompę wybrać i jak urządzić system ogrzewania, to musimy znać podstawowe pojęcia i wzory. Jak obliczyć zapotrzebowanie energetyczne domu? Co będzie nam potrzebne?

• Energia pierwotna (EP) – dokładniej mówiąc nieodnawialna energia pierwotna, to energia jakiej potrzebuje budynek do ogrzewania, wody i wentylacji. Sumując te trzy czynniki otrzymujemy współczynnik EP. Są to dane szacunkowe, które w praktyce sprawdzą się dopiero po jakimś czasie użytkowania instalacji. Według współczesnych przepisów współczynnik EP nie może przekraczać 70 kWh/m2/rok dla budynków jednorodzinnych i 65 kWh/m2/rok dla budynków wielorodzinnych.
• Energia końcowa (EK) – faktycznie zużyta przez użytkowników Jest to energia, której należy dostarczyć w celu zaspokojenia zapotrzebowania budynku, włączając w to oszczędności i straty w procesie przesyłu i przetwarzania w instalacjach. Ile zużyliśmy energii końcowej dowiemy się z rachunków podsumowujących dany sezon. Współczynnik EP można wstecznie obliczyć mnożąc EK przez wi, gdzie wi to wartość współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla danego urządzenia lub rodzaju paliwa. Dla pomp ciepła domyślne wi wynosi 2,5.
• Energia użytkowa (EU) – energia jaką efektywnie używa się do ogrzania pomieszczeń, wody użytkowej i do wentylacji budynku. Celem inwestora i projektanta jest minimalizacja zużycia energii użytkowej dzięki izolacji, efektywnej wentylacji i dobrze przemyślanemu systemowi ogrzewania.

Wskaźniki energii pierwotnej, energii końcowej i energii użytkowej najlepiej obliczać w skali rocznej. Wówczas uzyskamy najbardziej realistyczny obraz zapotrzebowania budynku na ciepło.

• Ciepło właściwe (c) – według definicji jest to fizyczna wielkość, która określa ilość ciepła potrzebną do podgrzania jednostki masy substancji o jednostkę temperatury. W klimatyzacji i ogrzewaniu domu często wykorzystuje się wysokie ciepło właściwe wody i roztworów np. wody z glikolem, żeby ogrzewać lub chłodzić pomieszczenia.
• Współczynnik przenikania ciepła (U) – to parametr określający na ile ciepło jest w stanie przeniknąć przez metr kwadratowy powierzchni materiału, kiedy różnica temperatur między wnętrzem i zewnętrzem wynosi 1 stopień Kelwina lub Celsjusza. Niski współczynnik oznacza dobrą izolacyjność materiału. Na przykład dla często stosowanej w ociepleniach wełny mineralnej współczynnik ten wynosi od 0,030 do 0,045.
• Moc pompy ciepła – pośród wielu właściwości pomp ciepła, które musimy brać pod uwagę przy wyborze moc pompy ciepła informuje nas o ilości energii cieplnej, jaką pompa może dostarczyć lub odebrać z danego źródła w jednostce czasu. Przeciętna powietrzna pompa ciepła ma moc w zakresie od 5 do 10 kW. Jeżeli budynek jednorodzinny o przeciętnej powierzchni ma prawidłową izolację, to zmieścimy się w tym zakresie.
• Współczynnik COP i SCOP – nie należy ich mylić z mocą pompy ciepła, chociaż są od siebie zależne. COP (Coefficient of Performance) to miara efektywności pompy ciepła. Wyraża stosunek dostarczonej mocy cieplnej do zużytej mocy elektrycznej. Jeżeli wiemy jakie jest zapotrzebowanie budynku na energię cieplną, to możemy określić zapotrzebowanie na pompę ciepła o konkretnej mocy i wydajności COP. Specyfika pomp ciepła wymaga dobrego dobrania współczynnika COP. Przewymiarowana wydajność może prowadzić do zbyt szybkiego zużycia urządzenia.

Wykorzystanie danych w obliczeniach

Rozumiejąc z jakimi parametrami mamy do czynienia, możemy wreszcie ustalić jak obliczyć zapotrzebowanie energetyczne domu. Te dane są potrzebne zarówno do obliczeń na kartce jak i do zaawansowanego kalkulatora dostępnego w internecie.

Oto co należy zrobić:

1. Ustalamy jaka ma być temperatura w użytkowej części domu. Optymalne temperatury dla nowoczesnego budynku to ok. 18-22 stopnie Celsjusza (chłodniejsze dla łazienki, kuchni, cieplejsze np. dla pokoju dziennego).
2. Ustalamy jaki rodzaj domu ma być ogrzany. Minimum to znajomość całkowitej powierzchni ogrzewanej (bez poddasza) i powierzchni na gruncie (bez garażu i tarasu). Musimy też wiedzieć czy dom jest nowoczesny czy starszy, ale modernizowany. W zależności od tego jak bardzo chcemy spersonalizować wynik możemy przyjrzeć się rodzajowi izolacji, poznać ciepło właściwe i współczynnik przenikania ciepła konkretnych materiałów. Warto wziąć też pod uwagę kształt budynku – im mniej jednolita bryła tym z reguły trudniejsze rozprowadzanie energii. Na szczęście budynek musi spełniać standardowe wymogi i tutaj możemy się odwołać do tabeli.

Przykładowo nowoczesny dom o klasie energetycznej A+ ma zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną na poziomie równym lub mniejszym niż 0. Jeżeli chodzi o zużycie energii na CO, CWU i wentylację, to mieści się w zakresie do 20 kWh/m2/rok. Standardowy dom nowoczesny (klasa B) zużywa około 45-80 kWh/m2/rok. Maksymalne dopuszczalne zużycie energii w nowych budynkach to 70 kWh/m2/rok. Natomiast dom starego typu, modernizowany, ale średnioenergochłonny (klasa D) ma zużycie na poziomie 100-150 kWh/m2/rok.

3. Wyliczone lub standardowe zapotrzebowanie na metr kwadratowy należy pomnożyć przez powierzchnię.

Tak uzyskany wynik daje nam wiedzę o rzeczywistym standardzie energetycznym budynku. Z tego możemy wywnioskować zapotrzebowanie na pompę ciepła o danej mocy i współczynniku COP.

Jak dobrać pompę ciepła?

Zapotrzebowanie na pompę ciepła obliczamy najszybciej na podstawie wzoru:

Powierzchnia budynku pomnożona przez zapotrzebowanie cieplne, w przeliczeniu na metr kwadratowy. Przykładowo dla budynku energooszczędnego, o zapotrzebowaniu na poziomie 50 W/m2 i powierzchni 100 m2 będzie to wyglądać następująco:

100 m2 * 50 W/m2 = 5000 W. Wielkości powyżej 1000 Watt podaje się zwykle w kilowatach, czyli dla ogrzania budynku potrzebujemy pompy o mocy grzewczej 5 kW.

To nie wszystko, bo powyższe parametry dotyczą mocy grzewczej. Pompa może być bardziej lub mniej wydajna, to znaczy do ogrzania naszego domu zużyje mniej lub więcej prądu. I tu wracamy do współczynnika COP. Pompa o niższym współczynniku potrzebuje więcej prądu do dostarczenia potrzebnej mocy cieplnej. COP wyliczamy według wzoru:

Energia cieplna podzielona przez energię elektryczną potrzebną do wytworzenia jednostki energii cieplnej. W praktyce np.:

5 kW : 1,5 kW = 3,3. Jest dość przeciętny COP. Dobra pompa powietrzna powinna mieć tę wartość na poziomie 3,5-4, pompa ciepła gruntowa na poziomie 5-6. W przypadku naszego przykładu domu energooszczędnego widać jednak, że nawet mało wydajna pompa zużyje mało prądu.

Źródła:

1. Szymon Firląg, Energia pierwotna, końcowa, użytkowa - wyjaśniamy definicje, https://muratordom.pl/budowa/dom-energooszczedny/energia-pierwotna-koncowa-uzytkowa-wyjasniamy-definicje-aa-pgSX-WkBp-drg8.html, dostęp 15.07.2024
2. Przewymiarowana pompa ciepła. Dlaczego to rozwiązanie nie jest korzystne? https://pompyciepla24h.pl/przewymiarowana-pompa/, dostęp 15.07.2024
3. Jak dobrać odpowiednią moc pompy ciepła, https://www.brewa.pl/strefa-wiedzy/jak-dobrac-moc-pompy-ciepla.html, dostęp 22.07.2024
4. Sześć sposobów na spełnienie wymagań wskaźnika EP według WT2021, https://exergy.pl/2021/03/02/6-sposobow-na-spelnienie-wymagan-wskaznika-ep-wedlug-wt2021/, dostęp 22.07.2024