Układy hybrydowe w ogrzewaniu budynków

Pomimo coraz lepszych izolacji termicznych w termomodernizowanych budynkach i mniejszych strat ciepła na potrzeby wentylacji koszty ogrzewania są nadal istotną pozycją w budżetach domowych i wydatkach w budynkach użyteczności publicznej. Z tego powodu wybierane są rozwiązania hybrydowe o wyższych kosztach inwestycyjnych, ale pozwalające na niższe koszty eksploatacyjne i ich kształtowanie w zależności od cen nośników energii – gazu, energii elektrycznej i ciepła sieciowego. Zwłaszcza ceny energii elektrycznej będą zmienne w różnych porach roku, dniach i godzinach z uwagi na docelowe przejście energetyki na odnawialne źródła energii.

O ile w nowych budynkach można w dużym zakresie zaprojektować energooszczędne i tanie w eksploatacji ogrzewanie i chłodzenie, o tyle w budynkach istniejących możliwości nie są tak szerokie. Polskie miasta oraz m.in. Dania, Szwecja czy wschodnie Niemcy dysponują rozwiniętymi sieciami ciepłowniczymi, które mają spory potencjał współpracy z innymi źródłami ciepła – kotłami gazowymi i urządzeniami zasilanymi energią elektryczną, tj. pompami ciepła. Sieci ciepłownicze przechodziły już trzy duże zmiany i czekają je kolejne. Początki sieci w XX wieku to układy zasilane parą, druga generacja to układy zasilane wodą pod ciśnieniem o temperaturze ponad 100°C, a trzecia – zasilane wodą pod ciśnieniem o temperaturze poniżej 100°C. Aby ciepłownictwo mogło sprostać aktualnym wymogom dotyczącym sprawności wytwarzania ciepła i jego przesyłu, konieczne jest poszukiwanie nowych rozwiązań nie tylko w zakresie temperatur zasilania, ale i jego struktury oraz różnorodności źródeł ciepła. Zmierzać ono będzie w kierunku rozwiązań hybrydowych i połączeń z innymi systemami komunalnymi, z których można czerpać energię i ciepło odpadowe – z systemem kanalizacyjnym, gazowniczym oraz utylizacji odpadów komunalnych. W rozwiązaniach tych będzie rosła rola energii ze źródeł odnawialnych – z fotowoltaiki, kolektorów słonecznych i geotermii, a także ciepła odpadowego z procesów przemysłowych. W takiej sieci ciepłowniczej woda zasilająca będzie mieć temperaturę poniżej 70°C. Zmieni się też filozofia działania sieci – punktem wyjścia będzie konsument, a nie centralne źródło ciepła [2].

Za dwie–trzy dekady spodziewana jest kolejna generacja ciepłownictwa i przejście na zasilanie poniżej 50°C. Po Fali renowacji budynki mają mieć na tyle niskie zapotrzebowanie na ciepło, że powinny je pokryć niskotemperaturowe systemy niskoemisyjne i bezemisyjne zasilane głównie energią odnawialną, w tym wodorem z nadwyżek okresowych energii elektrycznej z OZE. Będzie to zdecentralizowana produkcja ciepła z magazynami energii w celu optymalizacji korzystania z energii odnawialnej. System będzie się opierał na zbiorze osiedli i kwartałów, a nie jak obecnie na centralnych źródłach ciepła [2].

Krajem, w którym od wielu lat podejmowane są działania na rzecz dostosowywania sieci ciepłowniczych do nowych zadań, jest Szwecja. Połowę zapotrzebowania na ciepło pokrywa w niej ciepłownictwo komunalne, 33% – pompy ciepła i ogrzewanie elektryczne, na trzecim miejscu są kotły na biopaliwa, a inne technologie mają mały udział w rynku. W budynkach użyteczności publicznej i wielorodzinnych dominuje ciepłownictwo sieciowe, a w domach jednorodzinnych pompy ciepła. Szwecja wyróżnia się bardzo dobrze rozwiniętym komunalnym ciepłownictwem sieciowym oraz dużym udziałem pomp ciepła w ogrzewaniu domów. Jest też prekursorem w zastosowaniu pomp ciepła współpracujących z sieciami ciepłowniczymi i korzystających z ciepła odpadowego. Urządzenia te dostarczają blisko 10% ciepła w sieciach ciepłowniczych w skali kraju.

Markus Lindahl w artykule pt. Nowe sposoby łączenia pomp ciepła i ciepłownictwa [1] opisuje ciekawe wnioski z projektu badawczego dotyczącego zastosowania pomp ciepła w ciepłownictwie i przemyśle. Projekt zlecony został przez Szwedzką Agencję Energii, trwał 3 lata i zakończył się w 2018 roku. Jego głównym celem było zbadanie nowych połączeń pomp ciepła z systemami ciepłowniczymi w przemyśle oraz w domach zasilanych z sieci ciepłowniczej niskotemperaturowej, w których pompy ciepła są wykorzystywane jako okresowe, tańsze źródła ciepła i do przygotowywania c.w.u. W projekcie brały udział RISE Research Institutes of Sweden, producenci pomp ciepła: Nibe, Bosch Thermoteknik i Thermia, a także przedsiębiorstwo ciepłownicze Borås Energy and Environment oraz firma Volvo Cars.

Pompy ciepła a ciepło odpadowe w przemyśle i z sieci ciepłowniczej

W części projektu [1] dotyczącej zastosowania pomp ciepła w przemyśle w zakładach produkcyjnych Volvo Cars w Göteborgu prowadzono badania dotyczące odzysku ciepła z procesowej wody chłodzącej. Ciepło odpadowe jest pozyskiwane w zakładzie przez pompy ciepła na potrzeby ogrzewania budynku biurowego i części zakładu, w której prowadzi się testy i badania pojazdów. W okresach niedużego zapotrzebowania na ciepło pokrywają je w pełni pompy ciepła z energii odpadowej, a przez część sezonu grzewczego z wysokim zapotrzebowaniem ciepło jest pobierane także z sieci ciepłowniczej. Energia z ciepła odpadowego jest też wykorzystywana do przygotowania przez pompy ciepła dla instalacji c.w.u. Woda z procesów chłodzenia w instalacjach technologicznych ma temperaturę aż 25°C i pompy ciepła osiągają dzięki temu bardzo wysoki COP, a ich współczynnik wydajności sezonowej (SPF) wynosi aż 5,2. Zainstalowane w 2011 roku w zakładzie dwie pompy dostarczają 43% ciepła zużywanego na potrzeby c.o. i c.w.u.

W zakładzie Volvo woda powrotna z instalacji grzewczej jest najpierw podgrzewana przez PC, a następnie trafia do węzła i dogrzewana jest ciepłem z sieci ciepłowniczej. W sezonie grzewczym pompa ciepła jest źródłem podstawowym, a węzeł szczytowym. Latem pompy ciepła są wyłączane, a całe ciepło jest czerpane z sieci z uwagi na jego niskie ceny poza sezonem grzewczym. Ponadto brane są pod uwagę kwestie ekologiczne – energia cieplna w sieci latem jest wytwarzana głównie z termicznego przetwarzania odpadów oraz z ciepła odpadowego. Źródła te mają znaczny udział w produkcji ciepła w szwedzkich systemach komunalnych, w których dąży się do tworzenia łańcucha energetycznego na poziomie komunalnym w celu energetycznego wykorzystania m.in. ciepła ze ścieków, biogazu ze ścieków, energii ze spalania osadów ściekowych, energii z utylizacji odpadów komunalnych oraz ciepła odpadowego z przemysłu.

Badania w Volvo Cars opisywane wskazują, że najkorzystniejsze energetycznie byłoby łączenie pomp ciepła i sieci ciepłowniczej w układzie równoległym zamiast szeregowym. Połączenie równoległe daje wyższy współczynnik COP dla pompy ciepła i niższą temperaturę wody powrotnej trafiającej do sieci. Takie rozwiązanie wymaga jednak rozbudowanej strategii sterowania i jest trudniejsze w eksploatacji w porównaniu z połączeniem szeregowym.

Pompy ciepła a ciepłownictwo w budynkach – układy hybrydowe

W ramach projektu zleconego przez Szwedzką Agencję Energii badano także sposoby połączeń pomp ciepła z siecią ciepłowniczą w celu dostarczenia ciepła do c.o. i przygotowania c.w.u. w budynkach użyteczności publicznej i mieszkalnych. Wiele budynków, w których są pompy ciepła, ma także wcześniejsze przyłącza do sieci ciepłowniczej, która była początkowo głównym źródłem ciepła, a obecnie węzeł stanowi nieraz źródło szczytowe. Jednak dla właścicieli budynków kluczowa jest kwestia łatwego, skutecznego wyboru źródła ciepła w zależności od jego ceny w danej chwili. Z kolei dla ogółu społeczeństwa istotne jest, czy energia ta pochodzi ze źródeł emisyjnych, czy bezemisyjnych i odnawialnych – czyli w jakim stopniu obciąża środowisko.

W ramach projektu opisywanego przez M. Lindahla [1] opracowano algorytm obliczający godzinowy koszt ciepła w budynku w zależności od zmieniających się w danej chwili cen energii elektrycznej i ciepła u dostawców oraz aktualnych warunków pracy instalacji. Najniższy koszt godzinowy jest podstawą do wyboru w danym momencie źródła zasilania instalacji ogrzewania i c.w.u. Testy tego algorytmu w warunkach rzeczywistych przeprowadzono w domu wielorodzinnym w Linköping korzystającym z ciepła z sieci ciepłowniczej i pompy ciepła z dolnym źródłem ciepła, którym jest wywiewane powietrze wentylacyjne. Algorytm wybiera pompę ciepła jesienią, zimą i wiosną, a ciepło z sieci ciepłowniczej latem z powodu jego niskich cen poza okresem grzewczym – dokonuje wyboru źródła na podstawie najniższego kosztu zmiennego dla badanego domu. Pompa ciepła nie jest w stanie pokryć całkowitego zapotrzebowania na ciepło budynku przez większą część roku i budynek wymaga także ciepła z sieci ciepłowniczej. Zastosowane w tym budynku rozwiązanie z badanym algorytmem umożliwia optymalizację wyboru źródła dla 60% jego udziału w całkowitym zużyciu ciepła na potrzeby instalacji c.o. Pozostałe 40% stanowi energia cieplna z sieci, gdy węzeł cieplny jest źródłem szczytowym. W przypadku zapotrzebowania na ciepło dla przygotowania c.w.u. optymalizacja dotyczy 38% zużycia. Łącznie dla całego zapotrzebowania na c.o. i c.w.u. ok. 56% zużycia podlega optymalizacji cenowej. Zespół prowadzący badania policzył koszty zwrotu inwestycji w hybrydową pompę ciepła potrafiącą współpracować z siecią cieplną. Taka pompa jest droższa od zwykłej, ale zwraca się w tym samym czasie dzięki niższym kosztom eksploatacji.

W trakcie badań [1] sporo uwagi poświęcono kwestiom przygotowania c.w.u. z wykorzystaniem ciepła z niskotemperaturowych sieci cieplnych oraz pomp ciepła. Niskie parametry sieci ciepłowniczej to mniejsze straty na przesyle oraz możliwość wykorzystania wody powrotnej przez pompy ciepła do przygotowania c.w.u. Co więcej, temperatura wody na powrocie z węzła do sieci w niskoenergetycznych budynkach z niskotemperaturowymi instalacjami c.o. jest często nadal na tyle wysoka, że wciąż nadaje się do ogrzewania pomieszczeń. Jednak nie na tyle wysoka, aby można ją było wykorzystać do przygotowania ciepłej wody użytkowej i jest to zadanie dla pomp ciepła – podnoszenie temperatury u odbiorcy na potrzeby c.w.u.

Zlecenie Szwedzkiej Agencji Energii w ramach projektu [1] obejmowało także badania, jak projektować układy pomp ciepła zasilane powrotną wodą w sieci cieplnej w celu przygotowania c.w.u. Dolne źródła dla pomp ciepła bywają zmienne (np. powietrze, wody powierzchniowe, płytki grunt), tak samo jak temperatury wody powrotnej w sieci ciepłowniczej. Z badań wynika, że optymalnym rozwiązaniem dla stabilizacji temperatury wody powrotnej byłoby ogrzewanie podłogowe. Ale jest to możliwe tylko w nowych domach, gdyż istniejące stare budynki wielorodzinne mają grzejniki. Z uwagi na wyższe koszty instalacji ogrzewania podłogowego, aby rozwiązanie to było atrakcyjne ekonomiczne w porównaniu do grzejników, konieczne jest wprowadzenie osobnych niskich taryf za ciepło z wody powrotnej. Kolejna przeszkoda to konieczność montażu w niektórych budynkach zasobników c.w.u., gdyż bez nich konieczna jest wysoka moc pomp ciepła, a to z kolei może kolidować ze szwedzkimi przepisami budowlanymi.

Literatura

1. Lindahl Markus, New ways of combining Heat Pumps and District Heating, „Heat Pumping Tehnologies Magazine” 3, 2018, https://doi.org/10.23697/tcy3-jt45 (dostęp: 3.12.2020).
2. Jaworski Jakub, Niskotemperaturowe sieci ciepłownicze i analiza polskich systemów ciepłowniczych zasilanych z elektrociepłowni, materiały XXX Konferencji z cyklu „Zagadnienie surowców energetycznych i energii w gospodarce krajowej”, Zakopane, 9–12.10.2016, https://se.min-pan.krakow.pl/pelne_teksty30/k30_mk_z/k30mk_jaworski_z.pdf (dostęp: 3.12.2020).