Hybrydy, czyli kotły i pompy ciepła

Budynki istniejące mogą korzystać z alternatywnych źródeł ciepła zasilanych różnymi nośnikami energii – energią elektryczną (m.in. sprężarkowe pompy ciepła, kotły elektryczne, podgrzewacze c.w.u.), gazem (kotły gazowe i przepływowe podgrzewacze c.w.u., absorpcyjne gazowe pompy ciepła), olejem opałowym (kotły olejowe), gazem płynnym (propan/butan) oraz biomasą (głównie kotły peletowe). Budowanie układów hybrydowych – czyli korzystających z różnych nośników energii, przeważnie gazu i energii elektrycznej z rosnącym udziałem produkcji z własnej instalacji PV – znajduje uzasadnienie zarówno ekonomiczne i techniczne, jak i środowiskowe.

Układ mono- i biwalentny a hybrydowy

System monowalentny to pompa ciepła będąca jedynym urządzeniem grzewczym zdolnym ogrzać budynek przy najniższych temperaturach obliczeniowych. Stosowane od dawna układy, w których oprócz pompy ciepła w systemie grzewczym pracuje szczytowy kocioł gazowy, olejowy lub peletowy albo pracę pompy wspomaga grzałka elektryczna, określamy jako systemy biwalentne. Układy takie można podzielić na alternatywne i równoległe. W alternatywnych po spadku temperatury zewnętrznej poniżej zadanej pompa wyłącza się i pracuje tylko drugie urządzenie. Z kolei w układzie równoległym po spadku temperatury zewnętrznej do określonego poziomu pompa ciepła nadal pracuje, a drugie urządzenie jedynie ją wspomaga.

Czytaj również: Jak wybrać odpowiedni system grzewczy dla Twojego domu: przegląd najnowszych technologii >>

Powietrzne pompy ciepła wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej mają coraz mniejszą moc i wydajność. Zatem jeżeli pompa ciepła nie jest w stanie sama pokryć zapotrzebowania na moc cieplną budynku dla danej temperatury projektowej, niedobory te musi uzupełnić inne urządzenie. W wielu budynkach jednorodzinnych wystarczy do tego grzałka elektryczna. Ale gdy zapotrzebowanie na ciepło jest duże, konieczne jest zastosowanie także urządzenia korzystającego z innej energii i o dużej mocy. Przecięcie się krzywej mocy pompy i krzywej zapotrzebowania na ciepło w budynku wskazuje punkt biwalentny, czyli temperaturę zewnętrzną, przy której powinno zostać włączone źródło szczytowe pokrywające pełne zapotrzebowanie na ciepło (rys. 1).

Terminem hybrydowy określa się systemy, które korzystają z różnych nośników energii, oraz układy kocioł–pompa ciepła stanowiące jedno urządzenie lub co najmniej posiadające wspólną jednostkę sterującą. Hybrydami nazywane są też zestawy pomp ciepła z termicznymi kolektorami słonecznymi, kotłami na pelet, a nawet z gruntowymi wymiennikami ciepła i zbiornikami buforowymi (rys. 2). Termin „hybrydowe systemy grzewcze” pojawił się w projekcie przekształcenia dyrektywy w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (patrz ramka poniżej).

Pod nazwą „hybrydy” oferowane są głównie urządzenia z dominującą pompą ciepła wyposażoną dodatkowo w szczytowy kocioł gazowy lub olejowy o niedużej mocy, a także kotły gazowe lub olejowe wraz z niewielką pompą ciepła. Dystrybutorzy podkreślają, że system hybrydowy jest w zakupie tańszy niż pojedyncze urządzenia, ma jeden sterownik dla całego systemu i gotowe przyłącza hydrauliczne, urządzenia pochodzą od jednego producenta, może je zainstalować autoryzowany instalator z polecenia i oferowany jest serwis całego systemu. Ponadto firmy oferują doradztwo techniczne przy doborze i konfiguracji urządzeń, a nawet znalezieniu lokalnego wykonawcy instalacji. Atutem systemów hybrydowych jest to, że ich części składowe korzystające z odnawialnych źródeł energii mogą zostać objęte dofinansowaniem w ramach regionalnych lub ogólnopolskich programów wsparcia dla OZE czy ograniczania niskiej emisji.

Dostępna jest też spora oferta pomp ciepła nazywanych hybrydowymi – co sprowadza się przeważnie do tego, że markowi producenci kotłów gazowych oferują te pompy dla budynków istniejących z już pracującymi kotłami gazowymi w celu obniżenia ich emisji oraz kosztów ogrzewania, a także w pakiecie z nowymi kotłami w ramach zastępowania starych urządzeń gazowych, ale już w układzie z pompą ciepła i wspólnym sterowaniem. Pompy te to zwykle urządzenia wysokotemperaturowe, które mogą zasilać instalacje grzewcze w zakresie temperatur nawet 65–70°C. To z kolei pozwala uniknąć kosztownych wymian lub remontów instalacji c.o. – można pozostać przy tradycyjnych grzejnikach członowych lub płytowych naściennych, gdyż są one w stanie zapewnić komfort w ramach współpracy z pompą ciepła przez zdecydowaną większość sezonu grzewczego. A zawdzięczamy to m.in. temu, z czym walczymy, czyli ociepleniu klimatu. Wzrost średnich temperatur rocznych, zwłaszcza w okresie chłodnym, spowodował, że mało jest w roku dni, w których budynki wymagają pracy instalacji c.o. z mocą bliską obliczeniowej. Tym samym liczba godzin wydajnej pracy pomp ciepła jest bardzo duża, a godzin z temperaturami poniżej 0 i –5°C – w wielu regionach Polski bardzo niska (patrz np. RI 11/2022 [2]). Przykładowo w Warszawie (III strefa klimatyczna) aż 90% okresu grzewczego mieści się w przedziale temperaturowym od –5 do 8°C, a najczęściej występującą w sezonie grzewczym temperaturą jest 2°C (przez ponad 10% sezonu). Co więcej, temperatury poniżej –15°C już praktycznie nie występują.

Wysokiej wydajności pracy pomp ciepła w układach hybrydowych sprzyjają także cząstkowe modernizacje budynków – np. wymiana okiem, drzwi, docieplenie stropu czy nowe lub poprawione izolacje termiczne na przewodach c.o. i c.w.u.

Hybrydy na drodze do neutralności klimatycznej

Największe zadania dla układów hybrydowych (pomp ciepła z kotłami gazowymi) ich producenci upatrują w Fali renowacji, czyli jednym z etapów na drodze do bezemisyjności i neutralności klimatycznej ogrzewania budynków w UE. Długość trwania tego etap zależy w znacznej mierze od stosunku cen gazu i energii elektrycznej oraz ograniczeń prawnych w stosowaniu urządzeń na gaz ziemny. Los kotłów gazowych na gaz ziemny, jak i innych paliw kopalnych, w nowych budynkach został nakreślony wiele lat temu – w Polsce w 2013 roku w wymaganiach dotyczących poziomu EP, gdy planowano kolejne zmiany w WT na lata 2014, 2017 i 2021. Do wymagań prawnych wywodzących się z przesłanek ekologicznych doszły czynniki geopolityczne po napaści Rosji na Ukrainę, szantażowaniu UE oraz manipulowaniu dostawami gazu, co znalazło odbicie w RePowerEU, czyli zakresie działań nadzwyczajnych mających na celu zwiększenie odporności ogólnounijnego systemu energetycznego. Dokument ten stanowi m.in., że odnawialne źródła energii – wodór i biometan – mają w szybkim tempie zastąpić importowany gaz z Rosji [4].

Ekologia i ekonomia systemów hybrydowych

Wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej maleje efektywność pomp ciepła i poniżej pewnej wartości urządzenie pracuje ze sprawnością porównywalną do grzałki elektrycznej. W Polsce energia elektryczna produkowana jest z wysokim udziałem paliw kopalnych, głównie węgla, i tym samym w pewnych warunkach temperaturowych użycie kotła gazowego może powodować mniejszą emisję dwutlenku węgla niż praca pompy ciepła zasilanej z sieci energetycznej.

Wyniki kilkuletnich badań monitoringowych w Niemczech wykazały, że pompy ciepła są w stanie dostarczyć odpowiednią ilość ciepła w wielu budynkach istniejących albo autonomicznie pokrywając całe zapotrzebowanie, albo z niewielkim udziałem grzałek elektrycznych (patrz RI 4/2021 s. 31 i RI 5/2021 s. 92). Problem zbyt małej mocy cieplnej pomp ciepła może jednak wystąpić w przypadku większych budynków o niskiej efektywności energetycznej oraz budynków wielorodzinnych, głównie ze względu na ograniczone możliwości zastosowania dużych powietrznych pomp ciepła lub niemożność wykorzystania pomp gruntowych. PORT PC we współpracy z dr. inż. Markiem Miarą z Instytutu Fraunhoffera przygotował obszerny i wyczerpujący materiał nt. pomp ciepła w istniejących budynkach, w tym w układach hybrydowych [3].

Dla użytkowników ważna jest jednak ekonomiczna praca układów hybrydowych, czyli niskie koszty ogrzewania. Jak wspomniano, efektywność pompy ciepła zależy od temperatury zewnętrznej i poniżej pewnej wartości ogrzewanie kotłem gazowym może być bardziej opłacalne. Wpływa na to także stosunek cen obu nośników energii. Obecnie w Polsce rząd wprowadza różne mechanizmy osłonowe dla gospodarstw domowych w zakresie cen energii elektrycznej i gazu ziemnego. Rozwiązania te są jednak tymczasowe, a zarówno krajowe, jak i wspólnotowe scenariusze rozwoju energetyki i ogrzewnictwa przewidują dążenie do takiego kształtowania cen energii, aby pozyskiwanie jej ze źródeł odnawialnych było korzystniejsze. I to powinna być, obok wymagań prawnych dotyczących udziału odnawialnej energii pierwotnej, jedna z głównych przesłanek przy podejmowaniu decyzji o modernizacji systemów ogrzewania i doborze urządzeń grzewczych – przed nimi ok. 20 lat pracy.

Reasumując: ekologia to możliwie najmniejsza emisja dwutlenku węgla, a ekonomia to koszty ogrzewania, czyli ceny energii elektrycznej i gazu ziemnego. W kontekście ekologii dobre wyniki daje zastosowanie w układzie hybrydowym także termicznych kolektorów słonecznych do przygotowania c.w.u. oraz korzystanie z własnej instalacji PV.

Zależności ekologia–ekonomia ilustruje rys. 4. Pokazuje on, od jakiej temperatury zewnętrznej korzystniejsze może być działanie pompy ciepła lub kotła gazowego wspieranego kolektorami słonecznymi w funkcji przygotowania c.w.u. z obu perspektyw – ekologicznej oraz ekonomicznej. Sytuacja ulega zmianie w zależności od temperatury zewnętrznej i cen gazu oraz energii elektrycznej. Dane dotyczące cen i ich prognoz pochodzą z 2019 roku, ale dobrze ilustrują zależności ekonomiczne i ekologiczne. Do obliczeń przyjęto przeciętny dom, rozkład energii grzewczej przypada na każdy stopień temperatury zewnętrznej, powietrzna pompa ciepła ma średnią efektywność, czyli COP 3,7 w punkcie pracy A2/W35 (na rynku są urządzenia od 3,1 do ponad 5,1), oraz kocioł gazowy ze sprawnością 90% i krzywą grzewczą 0,9 (55°C przy temperaturze zewnętrznej –15°C). Instalacja c.o. jest wyposażona w grzejniki i przyjęto dla nich temperatury zasilania. Układ hybrydowy jest też wspomagany przez termalne kolektory słoneczne przy produkcji c.w.u.

Oprócz temperatur granicznych, poniżej których korzystniej jest ogrzewać dom kotłem gazowym niż pompą ciepła, rys. 4 pokazuje również procentowy udział energii grzewczej pokrywanej przez pompę ciepła. Biorąc pod uwagę tylko ekologię, w przypadku danych z 2019 r. korzystnie jest, gdy kocioł gazowy zaczyna pracę poniżej temperatury zewnętrznej 0°C. W rozwiązaniu tym pompa ciepła dostarcza 71% energii.

Na rysunku widzimy także prognozę uwzględniającą wzrost udziału energii odnawialnej w produkcji energii elektrycznej sieciowej w Polsce w 2025 r., granica opłacalności ekologicznej pomp ciepła przesuwa się tym samym znacznie w górę. Ze względów ekologicznych kocioł gazowy powinien się wówczas włączyć dopiero przy temperaturze zewnętrznej –8°C, co spowoduje, że pompa ciepła pokryje aż 97% zapotrzebowania na energię cieplną. Tendencja ta będzie się umacniać wraz ze wzrostem udziału OZE w produkcji sieciowej energii elektrycznej.

Natomiast o względach ekonomicznych decydują ceny energii elektrycznej i gazu ziemnego. Dla cen z 2019 roku praca kotła gazowego powinna wystąpić przy spadku temperatury zewnętrznej do –3°C, pompa ciepła pokrywała wówczas taniej aż 87% zapotrzebowania na ciepło. Jeśli uwzględnimy prognozę cen prądu i gazu dla 2025 roku, to może się okazać, że wraz ze wzrostem cen gazu oraz wprowadzeniem taryf elektrycznych dla pomp ciepła praca kotła gazowego może przestać być opłacalna nawet przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych, bliskich temperaturom obliczeniowym dla zdecydowanej większości terytorium Polski.

Rozważania te nie uwzględniają kosztów inwestycyjnych i różnic pomiędzy inwestycją w układ hybrydowy a samą pompę ciepła z uwzględnieniem jej większej mocy. Przygotowanie prognoz utrudniają częste w ostatnich latach zmiany cen energii elektrycznej, jak również rozchwiany rynek gazu ziemnego i jego cen wskutek napaści Rosji na Ukrainę oraz rezygnacji Polski z importu rosyjskiego gazu. W niniejszych rozważaniach nie wzięto także pod uwagę korzyści płynących z wykorzystania energii elektrycznej z własnej instalacji PV – nie każdy budynek ma sprzyjające warunki do jej montażu.

Przeczytaj także: Układy hybrydowe w ogrzewaniu budynków

Oferty hybryd i ich atuty

Czołowe marki kotłowe mają coraz więcej ofert dla instalacji hybrydowych, czyli kotłów współpracujących z pompami ciepła. W ofertach tych mowa jest często o „hybrydowych pompach ciepła”, czyli przeznaczonych do modernizacji istniejącego ogrzewania gazowego lub olejowego. Pompy do takich układów wyróżniają się m.in. wykorzystaniem czynnika chłodniczego R290 (propan o GWP równym 3) i zasilaniem nawet do temperatury 70°C (przy temperaturze zewnętrznej do –10°C).

Takie parametry sprawiają, że funkcjonujące w budynku grzejniki nie wymagają wymiany na urządzenia o większej mocy i niskotemperaturowe. Nowe rozwiązanie hybrydowe zapewni komfort w każdych warunkach i stare instalacje mogą być nadal używane. W takich układach to pompa ciepła staje się głównym źródłem ciepła, a kocioł włącza się tylko w sytuacji maksymalnego zapotrzebowania na ciepło.

Sterowanie w hybrydach

W ofertach układów hybrydowych nacisk kładziony jest przede wszystkim na automatykę. Dzięki inteligentnemu sterowaniu systemy te wybierają najkorzystniejszy i najbardziej wydajny sposób eksploatacji. W typowych rozwiązaniach systemy grzewcze są sterowane na podstawie temperatury w pomieszczeniu albo temperatury zewnętrznej. Natomiast inteligentny menedżer energii systemu hybrydowego prognozuje i steruje, zmieniając z wyprzedzeniem ustawienia definiowane indywidualnie. System może pracować z uwzględnieniem następujących parametrów: ceny energii, cena emisji CO₂, dostępność energii z własnej instalacji PV, wydajność energetyczna oraz zapotrzebowanie na ciepło. System sterowania jest w stanie prognozować, do kiedy pompa ciepła może samodzielnie pokryć całe zapotrzebowanie na ciepło, a gdy potrzebuje wsparcia, uruchamiany jest kocioł kondensacyjny. Punkt ten jest określany na podstawie danych o aktualnych kosztach energii elektrycznej, gazu lub oleju opałowego i tego, który nośnik energii będzie w danym momencie najbardziej wydajny.

Sterownik dba też stale o optymalną wydajność całego systemu. Jeśli jedno z urządzeń, pompa ciepła lub kocioł, staje się mniej wydajne, pracuje tylko to bardziej efektywne. Rozwiązanie to łączy w sobie cele środowiskowe z optymalizacją kosztów ogrzewania. Można też nadać priorytet wyłącznie trybowi ekonomicznemu – hybryda pracuje tak, by było jak najtaniej, np. gdy ceny energii elektrycznej z sieci są najniższe i kiedy dostępna jest energia z własnej instalacji PV. Jeśli tańsza okaże się energia z gazu, system zaczyna z niej korzystać. Z kolei priorytet ekologiczny tak steruje pracą urządzeń, by zapewnić jak najmniejszą emisję CO₂. Przygotowanie wody zawsze może mieć priorytet nad innymi programami dla ogrzewania. Oferowane obecnie systemy sterowania hybrydami dają pełną kontrolę nad pracą instalacji także zdalnie, za pośrednictwem internetu i aplikacji na smartfony lub tablety.

Hydraulika

Hydrauliczna integracja urządzeń oferowanych jako hybrydy z istniejącym systemem grzewczym zasilanym kotłem gazowym jest przygotowywana przez producentów tak, by nie była skomplikowana. Oferowane są ponadto m.in. pompy ciepła z układem hydraulicznym jednostki wewnętrznej ze zintegrowanym czujnikiem przepływu objętościowego i obejściem (by-pass), co zapewnia stały optymalny przepływ wody grzewczej. Energia potrzebna do odszraniania parownika dostarczana jest często ze zintegrowanego zbiornika buforowego. Urządzenia z takimi rozwiązaniami nie tylko znacznie skracają czas montażu, ale i wymagają mniej miejsca.

Hałas

Cicha praca staje się jednym z najważniejszych kryteriów wyboru dla pomp ciepła mających współpracować w systemach hybrydowych na terenach o gęstej zabudowie i już od dawna zagospodarowanych działkach oraz w zabudowie szeregowej. Niski poziom hałasu jednostek zewnętrznych zapewniają nie tylko specjalne konsole montażowe, ale także odpowiednie (ciche) konstrukcje łopatek wentylatorów oraz inteligentna kontrola prędkości przy pełnym i częściowym obciążeniu. To bardzo ważne, gdyż hałas jest mierzalny, a sąsiedzi coraz częściej pilnują przestrzegania przepisów dotyczących jego dopuszczalnej emisji.

Eksploatacja i jej optymalizacja

Hybrydy kotłów z pompami ciepła mają nie tylko umożliwiać redukcję spalania paliw kopalnych (gazu i oleju opałowego), ale i obniżać koszty eksploatacyjne, tak aby to rozwiązanie dla celów ekologicznych miało uzasadnienie ekonomiczne. Sprzyja temu powyżej wspomniany układ sterowania, a także odpowiednio wysoka efektywność pompy ciepła. Oferowane obecnie na rynku urządzenia czołowych marek osiągają COP powyżej 5,0 dla parametrów A7/W35 wg normy PN-EN 14511. Do oszczędnej eksploatacji zachęcają także wiarygodne dane o bilansie energetycznym dostępne dla użytkowników. Dane te stymulują m.in. do zmiany zachowania mieszkańców i „uczenia się” nowej hybrydowej instalacji po to, by osiągać pełny komfort przy optymalnych kosztach i z dbałością o środowisko. Praktyka wskazuje, że prosta wizualizacja zużycia energii w budynku bardzo skutecznie zachęca do kontroli i ekonomicznej optymalizacji instalacji.

Serwis

Hybrydy są często podłączane do serwisu producenta. System taki automatycznie wysyła wybrane informacje, takie jak kody usterek, aby zapewnić szybsze wsparcie w przypadku wystąpienia awarii – przy zachowaniu zasad ochrony danych firma serwisowa jest automatycznie informowana o nieprawidłowościach i może online usunąć potencjalne przyczyny, zanim stworzą one poważniejszy problem. Transmisja danych jest gwarantowana przez określony czas od instalacji urządzenia, z możliwością przedłużenia umowy.

Podsumowanie

Hybrydy z urządzaniami na paliwa kopalne to etap na drodze do celu, jakim jest całkowita dekarbonizacja budynków – zarówno ogrzewania, jak i chłodzenia oraz wykorzystania energii elektrycznej. To cel technicznie stosunkowo łatwy do osiągnięcia w nowych budynkach jednorodzinnych (opisywaliśmy taki przypadek w poprzednim numerze – RI 6/2023 s. 22), ale trudniejszy w budynkach istniejących, mających różny standard energetyczny i techniczny oraz inne uwarunkowania, jak choćby budynki zabytkowe podlegające częściowej lub pełnej ochronie konserwatora zabytków. Stare budynki mają być stopniowo integrowane z nowymi technologiami, nie tylko dzięki modernizacji polegającej na ich dociepleniu i obniżeniu zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania, ale także dzięki ich wyposażaniu w instalacje fotowoltaiczne, maksymalnemu spożyciu energii własnej oraz pozyskiwaniu jej do zasilania samochodów. Jednak nie wszędzie będzie to łatwe do zrealizowania.

Przy hybrydach staje się wręcz nieodzowne korzystanie z instalacji fotowoltaicznych i taka jest filozofia zasilania urządzeń, aby w jak największym stopniu korzystały z własnej energii elektrycznej, w tym zmagazynowanej w domowych akumulatorach. To także element celu, jakim jest rozproszona produkcja energii elektrycznej. Rozwój usług cyfrowych już obecnie umożliwia wykorzystanie instalacji PV także do budowy domowej stacji ładowania samochodów elektrycznych, gdyż z czasem tylko z ich pomocą dotrzemy do wielu stref miejskich, mają się one stać również rezerwuarem energii elektrycznej dla pozostałych urządzeń.

W marcu 2023 r. posłowie do Parlamentu Europejskiego zagłosowali za przyspieszeniem dekarbonizacji budynków oraz szybkim zakazem stosowania w nowych budynkach kotłów na paliwa kopalne. Planowane jest wprowadzenie wymogu, by wszystkie nowe budynki w UE były bezemisyjne od 2028 roku (a od 2026 budynki publiczne). Pojawiła się też propozycja, aby państwa członkowskie zaplanowały stopniowe wycofanie ogrzewania paliwami kopalnymi do 2035 roku, z możliwością przedłużenia tego okresu w niektórych krajach do 2040. Mamy zatem nakreślony czas dla technologii grzewczych korzystających z paliw kopalnych. O tempie zmian zdecydują nie tylko ograniczenia prawne, ale też ekonomia, czyli jak szybko i o ile będzie tanieć energia elektryczna z sieci w stosunku do gazu ziemnego, a także jakie będą koszty projektów i budowy przyłączy oraz montażu instalacji gazowych.

Literatura:

1. https://www.aircon.panasonic.eu/PL_pl/blog/zapotrzebowanie-na-moc-cieplna-budynku-w-kw-a-strefa-klimatyczna/ (dostęp: 7.07.2023)
2. Narowski Piotr, Nowe typowe lata meteorologiczne dla Polski, „Rynek Instalacyjny” 11/2022, rynekinstalacyjny.pl
3. https://portpc.pl/pompy-ciepla-w-istniejacych-budynkach/
4. https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal/repowereu-affordable-secure-and-sustainable-energy-europe_pl
5. https://www.europarl.europa.eu/doceo/document/TA-9-2023-0068_PL.html
6. Materiały techniczne i informacyjne firm: Bosch, Daikin, De Dietrich, Galmet, Panasonic, Vaillant, Viessmann oraz stowarzyszeń: SPIUG i PORT PC