Jak pracują hybrydy z pompą ciepła

Punkty biwalentne mocy i kosztów – jakie to punkty i jak się je wyznacza

Każda instalacja będąca połączeniem różnych źródeł energii cieplnej może być nazwana instalacją hybrydową. Co innego jednak instalacja hybrydowa, a co innego – urządzenie hybrydowe. Od takiej centrali grzewczej oczekuje się nie tylko kompaktowej obudowy skrywającej połączone ze sobą źródła ciepła, lecz przede wszystkim automatyki pozwalającej w optymalny sposób na zarządzanie ich pracą. 

Automatyka klasycznych pomp ciepła potrafi bez większych przeszkód współpracować z drugim źródłem ciepła, załączając je w zależności od temperatury zewnętrznej lub dodatkowo także od rzeczywistego zapotrzebowania na energię cieplną i zdolności pompy ciepła do pokrycia tego zapotrzebowania. 

Najczęściej zdolność pompy ciepła do pokrycia zapotrzebowania sprawdzana jest na podstawie porównania wartości rzeczywistej temperatury zasilania (lub powrotu) i wartości zadanej oraz zmiany tej różnicy w czasie. To rozwiązanie jest bardzo wygodne dla instalatora, ponieważ na etapie doboru urządzeń powinien się jedynie upewnić, że dostępne źródła ciepła są wystarczające do pokrycia zapotrzebowania. Nie ma konieczności ustawiania punktu biwalentnego, a więc temperatury zewnętrznej dla dołączenia drugiego źródła ciepła. Źródłem szczytowym może być grzałka elektryczna, kocioł grzewczy na olej opałowy, gaz ziemny lub płynny. Każde z tych źródeł ciepła cechuje się innymi kosztami wytwarzania ciepła. Pod tym względem najgorzej wypada oczywiście grzałka elektryczna, nieco lepiej kocioł na olej opałowy, gaz płynny, a najkorzystniej kocioł na gaz ziemny. W związku z tym rozsądnie byłoby dołączać poszczególne źródła ciepła w nieco innym momencie, tak aby pokrycie zapotrzebowania zapewnić najmniejszym kosztem.

Różne drugie źródło ciepła – różne punkty biwalentne 

Z uzyskanych z symulacji wyników, wskazać można dwa ciekawe przypadki.

• Drugie źródło – kocioł na gaz płynny

Dla układu opartego o grzejniki niskotemperaturowe pracujące na parametrach będących w zasięgu typowej pompy ciepła, a więc 55/45, oraz pompy ciepła o mocy 6,6 kW (dla A-7/W35) współpracującej z kotłem na gaz płynny uzyskano dwa punkty biwalentne. Punkt biwalentny mocy -3,1°C oraz punkt biwalentny kosztów -13,8°C. Wynika z nich, że pompa ciepła zapewnia pełne pokrycie zapotrzebowania na c.o. do temperatury zewnętrznej -3,1°C, natomiast dla niższej temperatury wymagać będzie wsparcia drugim źródłem ciepła. Szczególną uwagę należy zwrócić na punkt biwalentny kosztów, który informuje nas, że dla temperatury powietrza zewnętrznego -13,8°C i niższej, dalsza eksploatacja pompy ciepła jest mniej korzystna z ekonomicznego punkty widzenia niż drugiego źródła ciepła. Automatyka powinna wtedy wyłączyć pompę ciepła i zapewnić pokrycie zapotrzebowania na c.o. jedynie z drugiego źródła ciepła.

• Drugie żródło – kocioł na gaz ziemny 

Drugi przypadek jest odwrotny tj. dla układu opartego o grzejniki niskotemperaturowe pracujące na parametrach 55/45, oraz pompy ciepła o większej mocy 9,5 kW (dla A-7/W35) współpracującej z kotłem na gaz ziemny uzyskane punkty biwalentne wynoszą odpowiednio -11,7°C dla mocy i -7,3°C dla kosztów. Jak je interpretować? Do temperatury powietrza zewnętrznego -11,7°C pompa ciepła jest w stanie w pełni pokryć zapotrzebowanie na c.o., natomiast poniżej konieczne będzie dołączenie drugiego źródła ciepła. Jednak z punkty biwalentnego kosztów wynika, że dla temperatury powietrza zewnętrznego -7,3°C i niższej, wytwarzanie ciepła z pompy ciepła kosztuje więcej niż z drugiego źródła ciepła, w naszym przypadku jest nim kocioł gazowy na gaz ziemny.

Punkty biwalentne: mocy i kosztów

Klasyczna współpraca pompy ciepła z drugim źródłem ciepła nie zakłada istnienia punktu biwalentnego kosztów, a jednie punktu biwalentnego mocy. Uzależnienie współpracy pompy ciepła od obu punktów biwaletnych to właśnie cecha wyróżniająca urządzenie hybrydowe. Automatyka pozwala na zwiększoną optymalizację pracy, biorąc pod uwagę zdolność pompy ciepła do pokrycia zapotrzebowania oraz kosztów wytwarzania ciepła obu źródeł ciepła.

Punkt biwalentny mocy obliczany jest przez hybrydową centralę grzewczą w ten sposób co w klasycznej pompie ciepła, a więc na podstawie zdolności do pokrycia zapotrzebowania. Pozostaje więc poznać proces obliczania punktu biwalentego kosztów. Do jego wyznaczenia potrzebne są dwie zmienne. Cena wytworzenia jednostki ciepła z pompy ciepła oraz z drugiego, szczytowego źródła ciepła. Drugą wartość należy podczas pierwszego uruchomienia zadać na regulatorze centrali hybrydowej i można ją następnie w każdej chwili dowolnie modyfikować. Dla gazu ziemnego zwykle najodpowiedniejszą wartością jest 0,26 zł/kWh, a dla gazu płynnego 0,32 zł/kWh. Do obliczenia kosztów wytworzenia jednostki ciepła z pompy ciepła, poza ceną energii elektrycznej, potrzebna będzie dodatkowo chwilowa efektywność pracy pompy ciepła. Tą informację urządzenie otrzyma od układu chłodniczego na podstawie pomiaru temperatury, ciśnienia, charakterystyki sprężarki oraz wielkości otwarcia zaworu rozprężnego. Co dwie minuty regulator centrali hybrydowej odpytuje jednostkę zewnętrzną i oblicza chwilowe koszty wytwarzania jednostki ciepła z pompy ciepła i porównuje ją z wpisaną wartością kosztów wytwarzania jednostki ciepła z drugiego źródła ciepła. Dodatkowo użytkownik urządzenia ma możliwość zadania czasów łączeniowych, a więc przedziałów czasowych dla których zdefiniować można różne ceny energii elektrycznej, np. w przypadku korzystania z różnych taryf elektrycznych.

Budowa hybrydowej centrali grzewczej

Budowę hybrydowej centrali grzewczej rozpatrzymy na przykładzie Vitocaldens 222-F. Urządzenie to w jednostce wewnętrznej skrywa kocioł gazowy kondensacyjny o mocy maksymalnej 19 kW, oraz skraplacz od pompy ciepła split. Dostępne są dwie jednostki zewnętrzne, o mocy 6,0 kW lub 9,5 kW dla punktu A-7/W35 wg normy EN14511. Automatyka pompy ciepła jest urządzeniem wiodącym i decyduje o sposobie współpracy pompy ciepła i kotła gazowego. W danej chwili może pracować tylko moduł pompy ciepła, tylko kocioł gazowy lub oba urządzenia jednocześnie. Istotne jest, że w przypadku jednoczesnej pracy pompy ciepła i kotła gazowego, kocioł podnosi temperaturę wody, wstępnie podgrzanej przez pompę ciepła.

Automatyka centrali hybrydowej daje możliwość ręcznego wyboru sposobu współpracy kotła gazowego i pompy ciepła: ekonomiczny lub ekologiczny.
Tryb ekonomiczny: pompa ciepła pokrywa podstawowe zapotrzebowanie na ciepło, a w przypadku, gdy obliczone koszty pracy pompy ciepła są wyższe niż kotła gazowego jest ona wyłączana. Jeżeli obliczone koszty pracy pompy ciepła są niższe niż kotła gazowego, ale pompa ciepła ma mniejszą niż wymagana moc, oba źródła ciepła pracują jednocześnie.
Tryb ekologiczny: Pompa ciepła pokrywa podstawowe zapotrzebowanie na ciepło, a w przypadku, gdy obliczone obciążenie środowiska emisją CO2 (związane z produkcją energii elektrycznej do zasilania pompy ciepła) jest wyższe niż z kotła gazowego, jest ona wyłączana. Jeżeli obliczone obciążenie środowiska pracą pompy ciepła jest niższe niż kotła gazowego, ale pompa ciepła ma mniejszą niż wymagana moc, oba źródła ciepła pracują jednocześnie. Obciążenie środowiska zadaje się poprzez wpisanie wartości wskaźników energii pierwotnej dla energii elektrycznej i gazu zimnego.

Hybryda oznacza…

Oparcie ogrzewania o gaz ziemny i energię elektryczną gwarantuje dużą niezawodność – awaria pojedynczego urządzenia nie eliminuje z działania tego drugiego.
Pozwala na uzyskiwanie sporych łącznych mocy grzewczych dla uzyskania większego komfortu ogrzewania wody użytkowej. I oczywiście w najlepszy możliwy sposób wykorzystuje się energię z obu źródeł, jednocześnie przy najmniejszym wysiłku instalacyjnym.

Czy warto myśleć o hybrydzie?
Przykład z życia, czyli jak to zrobiono w domu na południu Polski

Wielu zadaje sobie z pewnością pytanie, jak to w ogóle możliwe, że inwestor mając w pobliżu działki przyłącze gazowe, decyduje się na montaż zarówno kondensacyjnego kotła gazowego, jak i pompy ciepła powietrze/woda w ramach jednej instalacji? Przyjrzyjmy się inwestycji na południu Polski: dom jednorodzinny o powierzchni 300 m2; parter wyposażony w całości w system ogrzewania podłogowego, natomiast na poddaszu użytkowym system konwektorów do realizacji ogrzewania i chłodzenia. Te kilka punktów wyjaśnia wszystko.
Po pierwsze, dom w III strefie klimatycznej, o powierzchni 300 m2 wybudowany w standardzie niskoenergetycznym wymaga mimo wszystko sporej mocy źródła ciepła.
Po drugie, poddasze wymaga chłodzenia, a tego nawet najwyższej klasy kocioł grzewczy nie jest w stanie zapewnić.
To właśnie dlatego zapadła decyzja o montażu układu połączonego pompy ciepła split i kondensacyjnego kotła gazowego. Oczywiste zalety: oszczędność miejsca, nieskomplikowana hydraulika instalacji i automatyka dbająca o najniższe koszty ogrzewania, żonglująca przy tym dynamicznie dostępnymi źródłami ciepła. Budynek jest wyposażony w wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła, toteż w pomieszczeniu z centralną hybrydową realizowana jest wentylacja mechaniczna zrównoważona. Zintegrowany kocioł gazowy ma maksymalną moc grzewczą pozwalającą zgodnie z „Warunkami jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie” na poziome wyprowadzenie spalin przez ścianę budynku.

Fot. Roboterm, Rybnik

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 1/2018 12/2017 4/2017