Źródła ciepła pracujące w synergii, czyli o hybrydach w domach

O układach kocioł + pompa ciepła w ujęciu rynkowym

Bardzo ciekawym trendem zarówno pod kątem rozwiązań technologicznych, jak również pod względem ekonomicznym, jest rozwijanie układów hybrydowych. W układach takich zintegrowane są co najmniej dwa niezależne źródła ciepła (czasami nawet trzy), które ze sobą współpracują i się uzupełniają. Jednymi z pierwszymi układów hybrydowych stosowanych w instalacjach były systemy łączące kotły i kolektory słoneczne. Ze względu jednak na pewne ograniczenia wykorzystania energii słonecznej w naszym klimacie zimą nie znalazły one powszechnego zastosowania do ogrzewania. Interesującą propozycją zaś są na pewno się układy pompa ciepła i kocioł i właśnie takie rozwiązania są już w ofertach większości producentów urządzeń grzewczych.


Hybrydy tak, ale w jakich obiektach?

Stare, ale także nowo budowane obiekty położone poza zasięgiem miejskiej sieci gazowej ogrzewane są w różnorodny sposób, co gorsze najczęściej kotłami na paliwa stałe. Jednak jeśli inwestorzy chcą niezależności w obsłudze układów grzewczych, korzystają z kotłów na gaz płynny, rzadziej olejowych lub coraz częściej… z pomp ciepła. Tak więc właśnie w takich obiektach dobrym rozwiązaniem są układy hybrydowe, w oparciu o powietrzne pompy ciepła współpracujące z kotłami kondensacyjnymi np. w wersji na gaz płynny czy też kotłami/kominkami na paliwa stałe.

W układzie takim kocioł pracuje jako tzw. szczytowe źródło ciepła, a pompa ciepła pełni funkcję podstawowego źródła ciepła o najniższych kosztach pracy.

Warto może zaznaczyć, że według  danych Instytutu Ekonomii Środowiska (raport: „Efektywność energetyczna w Polsce. Przegląd 2013), w Polsce aż 70 000 domów ogrzewanych jest gazem płynnym, a 100 000 domów olejem opałowym (https://instalreporter.pl/ogolna/raport-2013-czym-ogrzewamy-i-jak-ocieplamy/).
Aspekty ekonomiczne takich układów wyraźnie przemawiają za sprzężeniem tych dwóch źródeł właśnie w taki sposób (tabela 1 i wykres 1).


Bardzo duży potencjał w zakresie stosowania układów hybrydowych: pompa ciepła (głównie jako split) plus kondensacyjny kocioł (najczęściej gazowy wiszący), umieszczonych w jednej obudowie lub obok siebie upatrywać należy w istniejących zasobach starszych budynków jednorodzinnych. W Niemczech jest to około 70%, w Polsce prawie 90% łącznych zasobów budowlanych budynków jednorodzinnych.

Biorąc pod uwagę koszty inwestycyjne, można przypuszczać, że hybrydowe pompy ciepła w nowych budynkach w Polsce w najbliższym czasie nie znajdą powszechnego zastosowania. Bardziej opłacalne może być zainstalowanie samej pompy ciepła z zabudowaną grzałką elektryczną jako szczytowym źródłem ciepła. Jednak niezaprzeczalnie są ciekawą propozycją i przy masowej produkcji, a więc spadku cen na pewno na stałe zagoszczą na rynku urządzeń grzewczych.

Dlaczego hybryda jako pompa ciepła + kocioł?

Połączenie nowoczesności z tradycją
W wielu krajach Europy pompy ciepła dominują na rynku urządzeń grzewczych stosowanych w nowych domach jednorodzinnych, tak jest np. w Szwecji (ponad 90%), Szwajcarii (80%), Austrii (70%), Niemczech (33%), natomiast w Polsce wartość ta ciągle kształtuje się na poziomie 7-8% (dane PORT PC). Być może jest to rezultat kilku czynników:  silnego przywiązania polskiego inwestora do techniki kotłowej, wysokiej ceny energii elektrycznej zasilającej pompy ciepła czy braku zaufania do wydajnej pracy tych urządzeń np. w niskiej temperaturze zewnętrznej.
Z drugiej strony rynek kotłów gazowych w Europie jest obecnie największym rynkiem urządzeń grzewczych – sprzedawanych jest prawie 8 mln takich kotłów. Klienci mają więc duże doświadczenie i spore zaufanie do tej technologii.
Według niektórych ekspertów, na rynkach zdominowanych przez kotły gazowe duży wzrost sprzedaży hybrydowych pomp ciepła jest bardziej prawdopodobny niż wzrost sprzedaży samych pomp ciepła. Połączenie kotła gazowego i pompy ciepła jest w pełni akceptowane – jako połączenie znanej i sprawdzonej technologii z tą, którą klienci znają stosunkowo słabo.

Spełnienie wymogu udziału odnawialnych źródeł energii w nowych budynkach w UE
Zgodnie z Dyrektywą w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych 28/WE/2009 wszystkie kraje członkowskie UE mają obowiązek stosowania OZE w nowych budynkach, przy czym dyrektywa narzuca też tym krajom wprowadzenie w odpowiednich ustawach zapisu dotyczącego konkretnych wartości minimalnego udziału OZE w procentach. W Polsce niestety, zapis taki nie znalazł się w aktualnym projekcie przygotowanym przez Ministerstwo Gospodarki.
W Europie w wielu krajach funkcjonuje już wymóg minimalnego udziału OZE w nowych budynkach (np. w Danii 51-56%, we Włoszech 50% na c.w.u.).
W nowych budynkach ciepło potrzebne do centralnego ogrzewania i podgrzewania wody użytkowej stanowi ponad 70% całości energii zużywanej (wg. danych GUS z 2014 r. dla 4576 domów jednorodzinnych jest to nawet 84%). Tak więc, aby  spełnić wymóg minimalnego udziału energii OZE najprościej zastosować pompę ciepła. Również zastosowanie rozwiązania hybrydowego – kocioł gazowy z pompą ciepła – pozwoli osiągnąć 30-60% udziału ciepła z OZE dla celów c.o. i c.w.u.

Analiza pracy systemu hybrydowego

Przykładowy układ pracy hybrydy pokazano na rys 3.

O pracy hybrydy

Analizę pracy hybrydy (pompy ciepła + kocioł gazowy)  prześledźmy na przykładzie układu powietrznej pompy ciepła i kotła kondensacyjnego na gaz płynny pracujących w przykładowym budynku 200 m2 o zapotrzebowaniu na ciepło 12 kW.  Dobrana pompa ciepła uzyskuje nominalną moc grzewczą 9,6 kW przy temperaturze zewnętrznej 2oC i przy zasilaniu 35oC (A2/W35) oraz 9,1 kW dla punktu A2/W45.
Wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej rośnie zapotrzebowanie ciepła budynku i obniża się moc grzewcza powietrznej pompy ciepła. Praca pompy ciepła może być realizowana samodzielnie do -7oC (punkt biwalencyjny „B1”), a równolegle z kotłem do np. -15oC (punkt biwalencyjny „B2”).

Czas pracy pompy ciepła w sezonie grzewczym – samodzielnie i z kotłem:
- pompa ciepła o mocy grzewczej 9,1 kW (A2/W45) powinna w budynku o maksymalnym zapotrzebowaniu ciepła 12 kW pokrywać zapotrzebowanie ciepła, pracując samodzielnie przez ok. 97,5% sezonu grzewczego, do temperatury -7oC,
- praca równoległa pompy ciepła i kotła grzewczego na gaz płynny będzie wymagana poniżej temperatury zewnętrznej -7oC przez około 1,5% sezonu grzewczego,
- samodzielna praca kotła grzewczego może następować dopiero poniżej -15oC – sporadycznie, przez około 0,5% sezonu grzewczego.

W układzie hybrydowym pompa ciepła powietrze/woda może w rzeczywistości zapewniać pokrycie od 70 do 95% rocznych potrzeb cieplnych.

Czas pracy pompy ciepła zależeć będzie od wymaganej temperatury roboczej systemu grzewczego oraz kosztów wytworzenia ciepła w porównaniu do np. kotła grzewczego.

Sterowanie

W zależności od temperatury na zewnątrz, cen energii i wewnętrznych obciążeń cieplnych, system hybrydowy dokonuje inteligentnego wyboru między pompą ciepła i/lub kotłem gazowym, ewentualnie decydując się na jednoczesną ich pracę, ale zawsze dokonany wybór jest możliwie najbardziej ekonomiczny.
Wielu producentów oferuje zaawansowane systemy sterowania pracą hybrydy, w których sterownik na podstawie analizy kosztów wytwarzania jednostki ciepła uwzględniającej m.in. taryfy energetyczne wybiera źródło energii (gaz/olej/energie elektryczna), które jest w danej chwili najbardziej opłacalne pod względem kosztów ogrzewania domu. W zależności od temperatury zewnętrznej uruchamia źródło ciepła o najniższym koszcie eksploatacji. Funkcja ta pozwala zaoszczędzić na rachunkach i pomaga chronić przed nagłymi wahaniami cen paliw i energii. Wszystkie elementy są połączone tak, aby bezpiecznie i efektywnie pracowały w jednym systemie.

Studium przypadku
…typowy dom w Belgii z hybrydową pompą ciepła
Daikin Altherma

Hybrydowe pompy ciepła Daikin Altherma oferowane przez firmę Daikin pracują już efektywnie w wielu domach Europy. Te zoptymalizowane pod kątem technologicznym i ekonomicznym urządzenia służą do podgrzewu wody na cele c.o. i c.w.u.
Aby jednak przekonać się o rzeczywistych walorach hybryd przeanalizujmy pracę takiego urządzenia w praktyce, czyli w typowym domu zamieszkałym przez 4-osobową rodzinę. W domu tym w ramach modernizacji wymieniono stary kocioł gazowy na hybrydową pompę ciepła Daikin Altherma.

Założenia:
- obciążenie cieplne 16 kW;
- temperatura projektowa -8°C;
- temperatura wyłączenia ogrzewania 16°C;
- maksymalna temperatura wody 60°C; minimalna temperatura wody 38°C;
- cena gazu 0,070 €/kWh;
- cena za prąd (dzień) 0,237 €/kWh;
- cena za prąd (noc) 0,152 €/kWh;
- całkowite wymagania ogrzewania pomieszczeń 19 500 kWh;
- całkowite wymagania dotyczące produkcji ciepłej wody użytkowej (4 osoby) 3 000 kWh.

Zużycie ciepła w trakcie typowej zimy w Belgii

Roczne oszczędności na ogrzewaniu pomieszczeń i produkcji ciepłej wody użytkowej:
- w porównaniu do nowego kotła gazowego kondensacyjnego 330 euro/rok, czyli 19%,
- w porównaniu do istniejącego kotła gazowego kondensacyjnego 690 euro/rok, czyli 32%.

 

Artykuł opracowany przez redakcję InstalReportera na podstawie materiałów: Vaillant, Daikin, EKO-Blog

Konsultacja: Paweł Lachman, Ireneusz Jeleń

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