Optymalizacja mojej pompy ciepła i pieca za pomocą danych

Po moim ostatnim artykule o tym, jak moja pompa ciepła (HP) zaoszczędziła mi 100 dolarów i 3000 funtów CO₂ rocznie, otrzymałem opinie od ludzi z obu stron: niektórzy twierdzą, że używają wyłącznie HP znacznie poniżej zera, a inni narzekają, że korzystanie z HP jest droższe niż ich piec.

Zachowanie pompy ciepła jest bardziej złożone niż pieca, ale jeśli HP jest zoptymalizowane pod kątem systemu HVAC, środowiska i stylu życia, jestem przekonany, że zaoszczędzisz pieniądze i zmniejszysz swój wpływ na środowisko. Jednak właściwa konfiguracja wymaga wielomiesięcznych obserwacji, analiz i dostosowań, które wymagają czasu i wysiłku. Myślę, że pomocne jest traktowanie systemu HVAC jak gotowego garnituru lub sukienki: odpowiedni taki, jaki jest, ale fantastyczny po starannym zmierzeniu i dopasowaniu.

W tym artykule pokazuję, jak wykorzystałem dzienniki termostatu do obserwacji zachowania pieca i HP, a następnie dostosowałem ustawienia systemu, aby zmaksymalizować koszty i ograniczyć emisję dwutlenku węgla. Pamiętaj, że każdy dom jest wyjątkowy i dokładne wnioski liczbowe z tej analizy dotyczą tylko mojego domu. Ma to na celu zainspirowanie i umożliwienie poświęcenia czasu na zrozumienie systemu grzewczego, aby można było zoptymalizować wydajność HVAC.

Zachowanie pieca

Piece (gazowe, elektryczne, olejowe lub propanowe) i kotły/grzejniki zachowują się podobnie, choć różnią się źródłami paliwa i wydajnością. Skoncentruję się na moim piecu na gaz ziemny, ale zasady są takie same.

Piece na gaz ziemny dostarczają ciepło ze spalania, które jest rozprowadzane po całym domu. Jeśli włączysz piec na 1 godzinę, Twój dom będzie nagrzewał się tak samo, niezależnie od tego, jak ciepło jest na zewnątrz. Aby to zademonstrować, rysunek 1 pokazuje możliwości ogrzewania mojego pieca przy różnych temperaturach zewnętrznych.

Sprawność pieca nie zmieniła się znacząco od dziesięcioleci (standardowe 80% w USA, 95% z jednostkami o wysokiej wydajności i dodatkowymi modyfikacjami domów). Nie ma wiele miejsca na poprawę wydajności, ponieważ jest to stara, w pełni zoptymalizowana technologia. Dlatego wymiana mojej ponad 30-letniej jednostki na nową nie przyniosła żadnych wymiernych oszczędności kosztów ani emisji.

W systemach kanałowych piece pełnią inną rolę niż ogrzewanie: uzdatnianie powietrza. Piec ma ogromny wentylator, który rozprowadza gorące powietrze (lub latem zimne powietrze) w całym domu. Kanałowy HP nadal potrzebuje sposobu na rozprowadzanie ciepła, więc nawet bez pieca kanałowy dom będzie potrzebował centrali wentylacyjnej.

Zachowanie pompy ciepła

Pompy ciepła to klimatyzatory, które również grzeją. To jedyna różnica! Podobnie jak AC, HP to odwrócone silniki cieplne, które przenoszą ciepło z jednego zbiornika do drugiego poprzez sprężanie i rozprężanie chłodziwa. AC może przenosić ciepło tylko z jednego kierunku (do wewnątrz na zewnątrz). HP może przenosić ciepło zimą i na zewnątrz latem.

Podobnie jak AC, HP występują w różnych konfiguracjach: jednostki w kształcie sześcianu do systemów kanałowych (zwane systemami dzielonymi), jednostki ścienne (zwane mini-splitami) i jednostki okienne (zwane pojedynczymi pakietami). Systemy bezkanałowe (jednostki ścienne i okienne) są na ogół bardziej wydajne, ale mają trudności z równomiernym ogrzewaniem dużych powierzchni. Podobnie jak AC, HP mają duże wentylatory i często hałasują podczas pracy.

W Stanach Zjednoczonych wydajność HP jest podawana jako HSPF, co jest skalą liniową (tj. HP z dwukrotnie większą HSPF zużywa połowę energii elektrycznej do ogrzewania). HSPF mojej jednostki wynosi 9,5, co jest skromną wydajnością. Pompy ciepła to nowa technologia; wydajność nowych modeli pomp ciepła rośnie z każdym rokiem.

Często czytam, że HP tracą wydajność wraz ze spadkiem temperatury na zewnątrz, ale nigdy nie widziałem matematycznej demonstracji, więc ją wykonałem (patrz rysunek 2 poniżej).

Mój HP pracuje ze stałą mocą 2 kW i wymaga wentylatora pieca o mocy 400 W do dystrybucji ciepła w całym domu (łącznie 2,4 kW). Dlatego koszt eksploatacji HP jest zawsze taki sam, ale HP działa przez dłuższy czas, gdy temperatura na zewnątrz jest niższa.

Optymalizacja systemu z dwoma źródłami

Piec nagrzewa się szybciej niż HP, ale kosztuje więcej za godzinę, a wydajność HP zależy od temperatury zewnętrznej. Dla mojego domu i systemu HVAC (Rysunek 3), HP jest zawsze opłacalny powyżej 36°F (2°C), a piec jest opłacalny poniżej 30°F (-1°C). Zakres pośredni zależy od kosztu gazu ziemnego, który charakteryzuje się dużą zmiennością z miesiąca na miesiąc i jest nieprzewidywalny w czasie użytkowania.

Na podstawie tych informacji ustawiłem mój system tak, aby korzystał wyłącznie z pieca poniżej 30°F (-1°C) i wyłącznie z HP powyżej 40°F (4°C). Pomiędzy 30–40°F piec jest używany, gdy dom musi ogrzać się do temperatury wyższej niż 5°F/3°C (zwykle wczesnym rankiem, gdy na zewnątrz jest zimno), a HP jest używany do mniejszych korekt temperatury (typowych dla utrzymania temperatura w domu w ciągu dnia). Dla porównania, kiedy po raz pierwszy zainstalowałem HP, wykonawcy ustawili blokadę HP na 40°F (4°C), a blokadę pieca na 45°F (7°C). Gdybym nie zmierzył wydajności HP i nie dostosował logiki mojego systemu do tego zakresu, straciłbym prawie wszystkie oszczędności kosztów i emisji, które uzyskałem dzięki używaniu HP w ciągu ostatniego roku.

Gdybym chciał nadać priorytet niskim emisjom, niezależnie od kosztów, lub gdyby mój piec był zepsuty, mógłbym skonfigurować system tak, aby korzystał z pompy ciepła do 25°F (-4°C). Jednak przy najniższych temperaturach w tym zakresie pompa ciepła pracowałaby prawie nieprzerwanie, a koszty ogrzewania byłyby ponad dwukrotnie wyższe przy użyciu pieca. Jeśli temperatura spadnie poniżej 25°F (jak to często bywa w zimowe poranki), moja pompa ciepła nie jest w stanie w ogóle ogrzać domu, nawet pracując na pełny etat. Nadal potrzebuję pieca.

Następne kroki

Moje HP może być mniej lub bardziej wydajne niż twoje lub twoje koszty energii mogą być inne. Te dane dotyczą wyłącznie mnie wraz z moim domem i wyposażeniem! Jeśli masz system z dwoma źródłami, tak jak ja, możesz użyć dzienników termostatu i rachunków za media, aby przeprowadzić podobną analizę efektywnych zakresów i odpowiednio dostosować logikę ogrzewania systemu.

Jeśli wykonasz analizę i wprowadzisz poprawki, chciałbym usłyszeć od ciebie! Bardzo chciałbym zobaczyć inną analizę opartą na danych w celu optymalizacji systemu grzewczego, ponieważ jestem ciekawy, jak bardzo domy naprawdę różnią się od siebie.

Ten artykuł został opublikowany w The New Climate .