Układy hybrydowe jako odpowiedź na wymagania WT2017 i WT2021

Analizy obliczeniowe (przygotowane m.in. przez dr. inż. Piotra Jadwiszczaka z Politechniki Wrocławskiej czy dr inż. Ewę Zaborowską z Politechniki Gdańskiej) wskazują, że stosowane dotychczas źródła ciepła nie są w stanie samodzielnie spełnić rosnących wymagań wobec energii pierwotnej (EP, kWh/(m² rok)) zużywanej przez budynki, określonych w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [2] (tab. 1). Wniosek?

W powstających i modernizowanych budynkach konieczne będzie łączenie urządzeń wykorzystujących energię z co najmniej dwóch źródeł, w tym korzystających z energii odnawialnej (oczywiście przy założeniu odpowiedniej izolacyjności przegród i stolarki).

Układ hybrydowy

Hybrydowy układ urządzeń grzewczych to rozwiązanie korzystające z (co najmniej) dwóch form energii do produkcji ciepła – mowa o cieple zarówno na cele ogrzewania, jak i do produkcji ciepłej wody użytkowej. W praktyce jest to zwykle połączenie kotła opartego na zasilaniu konwencjonalnym (np. gaz ziemny, gaz płynny, olej opałowy) z urządzeniem korzystającym z energii odnawialnej, najczęściej kolektorem słonecznym, lub zastosowanie centrali grzewczej ze wbudowaną pompą ciepła współpracującą z urządzeniami gazowymi, lub solarnymi (kolektor słoneczny i/lub moduł fotowoltaiczny).

Od przypadkowego zestawienia urządzeń grzewczych, działających w oparciu o różne formy energii, układ hybrydowy różni się podejściem systemowym. Jego komponenty są od samego początku przystosowane do współpracy oraz spięte odpowiednim systemem automatyki. Dzięki temu możliwe jest zoptymalizowanie pracy układu i najlepsze – zarówno pod względem ekonomicznym, jak i technicznym – wykorzystanie różnych źródeł energii.

Znaczenie zbiornika buforowego

Zadaniem zbiornika (zasobnika) buforowego jest wyrównanie różnic między energią wytwarzaną przez urządzenie grzewcze, np. kocioł, a ciepłem oddanym (ciepłem, na które jest rzeczywiste zapotrzebowanie). Współpraca z konwencjonalnymi urządzeniami grzewczymi polega na tym, że zbiornik buforowy przejmuje energię wytworzoną w procesie spalania paliwa i umożliwia jej wykorzystanie do zasilania obiegu grzewczego, zależnie od potrzeb. Zbiornik buforowy jest też niezbędny, jeśli elementem układu hybrydowego jest kolektor słoneczny (niezależnie od tego, czy wykorzystany do produkcji c.o., czy c.w.u.). W przypadku przygotowywania przez układ solarny c.w.u. zbiornik buforowy umożliwia uzupełnienie niedoborów ciepła, jeśli energia słoneczna jest niewystarczająca. Natomiast układ solarny dwufunkcyjny umożliwia magazynowanie w zbiorniku buforowym ciepła, które w razie potrzeby może zostać wykorzystane także w celach grzewczych. Wówczas ciepło ze zbiornika buforowego nie tylko ogrzewa wodę użytkową, ale też służy do zasilania obiegów grzewczych.

Odpowiedniej wielkości zbiornik buforowy jest bardzo przydatny także w okresie przejściowym oraz na początku sezonu grzewczego, jeśli częścią układu hybrydowego jest powietrzna pompa ciepła. Na początku sezonu powietrze cechuje się dużą wilgotnością, parownik niektórych pomp ciepła może zamarzać i wymagać odmrażania, na które potrzeba (szczególnie na początku procesu) dużej ilości ciepła – doprowadzonego z centralnego ogrzewania, chyba że instalacja wyposażona jest właśnie w zbiornik buforowy. Zapewnia on wówczas ciepło potrzebne do realizacji procesu odmrażania, nie obciąża ogrzewania centralnego i eliminuje ryzyko awaryjnego zatrzymania urządzenia (tak się dzieje, jeśli temperatura spadnie poniżej zadanej na regulatorze). Użytkowanie zasobnika buforowego pozwala na realną oszczędność kosztów eksploatacyjnych, ponieważ dzięki jego zastosowaniu urządzenia pracują ekonomicznie.

Kolektory słoneczne i biomasa

Inwestorzy będą zainteresowani rozwiązaniami, które pozwolą im spełnić obowiązek prawny uzyskania odpowiednio niskiego wskaźnika EP budynku – należy więc oczekiwać układów hybrydowych opartych na takich właśnie rozwiązaniach. Doskonałym przykładem są układy, w których podstawowym źródłem energii są urządzenia na biomasę drzewną – kotły zgazowujące drewno, na pelety czy zrębki.

Z punktu widzenia obniżania wskaźnika EP kotły na biomasę – mimo typowej dla urządzeń na paliwo stałe niższej sprawności (wskaźniki zapotrzebowania na energię końcową EK dla takich kotłów są najwyższe ze względu na niższą niż dla innych rozwiązań średnią sezonową sprawność całkowitą ogrzewania i przygotowania c.w.u.) – mają uprzywilejowaną pozycję. Wynika to z faktu, że na wartość wskaźnika EP ma wpływ (zgodnie z metodą obliczeniową zawartą w PN-EN ISO 13790:2009) wartość tzw. współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wi na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii. Dla biomasy drzewnej współczynnik ten wynosi 0,2 (dla porównania – dla sprężarkowej pompy ciepła wi = 3, ponieważ pobiera ona energię elektryczną z sieci). Zatem zastosowanie nowoczesnego kotła na biomasę (np. kotła na pelety z automatycznym podajnikiem) pozwala na spełnienie wymogów zarówno WT2017, jak i WT2021. Dodatkowe oszczędności eksploatacyjne można osiągnąć, stosując kolektory słoneczne.

Dlatego w ofertach producentów można znaleźć zestawy, które optymalnie łączą możliwości kotłów na biomasę, w tym na pelety i zgazowujących drewno, oraz kolektorów słonecznych. W zestawie takim znajdują się: kocioł na biomasę z biwalentnym zasobnikiem c.w.u.; kolektor słoneczny; zbiornik buforowy; układ regulacji.

Wchodzący w skład zestawu kocioł wyposażony jest wówczas w odpowiednie przyłącza do obiegu solarnego, kolektory i kocioł są dobrane pod względem wielkości i wyposażenia hydraulicznego, a całość uzupełniona jest o sterownik, który reguluje współpracę układu: źródło ciepła – zbiornik buforowy – obiegi grzewcze.

Rolą takich układów może być wyłącznie przygotowanie c.w.u. (nawet do 100% wydajności poza sezonem grzewczym), ale coraz większe zainteresowanie budzą też układy dwufunkcyjne wspomagające obiegi grzewcze – w takim zestawie można pokryć nawet do 60% rocznego zapotrzebowania na ciepło do celów ogrzewczych. Zestawy takie są szczególnie polecane do budynków nowych, gdzie na etapie projektu (np. lokalizacji domu na działce czy stopnia i kierunku nachylenia dachu) można zaplanować ich zastosowanie. Prawidłowy dobór instalacji dwufunkcyjnej wymaga uwzględnienia szeregu parametrów obliczeniowych, dlatego do jej zwymiarowania warto użyć odpowiedniego programu symulacyjnego.

Centrale grzewcze ze zintegrowanymi pompami ciepła

Centrala grzewcza to stosunkowo nowe rozwiązanie, rozumiane jako wysokowydajny kocioł kondensacyjny na tradycyjne paliwo ze zintegrowaną pompą ciepła. W skład takiego systemu wchodzą:

• pompa ciepła (często powietrze/woda, co ułatwia i obniża koszty instalacji);
• gazowy lub olejowy kocioł kondensacyjny;
• regulator pogodowy i moduł sterowania;
• zasobnik ciepłej wody (może być niewielki ze względu na warstwową technologię ładowania).

Układ może być uzupełniony przez moduły, które optymalizują i usprawniają jego pracę:

• sprzęgło hydrauliczne o dużej pojemności;
• zbiornik buforowy;
• obieg solarny (opcjonalnie).

Największą zaletą eksploatacyjną takiego systemu hybrydowego okazuje się nie tylko współpraca urządzeń, ale i elastyczność w wyborze najbardziej ekonomicznego w danym momencie źródła ciepła. Dlatego kluczowe jest, by układ hybrydowy złożony z kotła i pompy ciepła był wyposażony także w odpowiedni system automatyki – przykładem może być odpowiedni sterownik pracy zarówno pompy ciepła, jak i kotła, współpracujący z regulatorem pogodowym. Tak skonfigurowane sterowanie umożliwia bezobsługową optymalną pracę układu – nie jest konieczna ingerencja użytkownika.

Układ automatycznej regulacji punktu biwalentnego ocenia, które źródło ogrzewania budynku (energia ze spalania w kotle czy energia elektryczna zasilająca pompę ciepła) będzie przy danych warunkach pogodowych i eksploatacyjnych najbardziej opłacalne. Odbywa się to na podstawie bieżącego szacowania kosztów uzyskiwania ciepła z obu źródeł. Tak regulowany układ automatycznie decyduje, które ze źródeł ciepła jest w danym momencie źródłem podstawowym. Dzięki temu koszt produkowanej energii cieplnej jest najniższy bez szkody dla komfortu użytkowników. Przykładowo pompa ciepła pracuje do granicznej temperatury zewnętrznej (np. –10°C), a dopiero po jej przekroczeniu pracę podejmuje kocioł. W tak sterowanych układach hybrydowych pompa ciepła może pokryć ok. 80% zapotrzebowania na ciepło.

Ponieważ sprężarkowa pompa ciepła do działania potrzebuje energii elektrycznej z sieci, notowania tego rozwiązania pod kątem współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wi są niskie (wi wynosi aż 3,0). Powodowane przez to podwyższanie wskaźnika energii pierwotnej można skompensować przez pozyskiwanie „czystej” energii elektrycznej. Dlatego układy hybrydowe z pompą ciepła często zawierają też przyłącze do modułu fotowoltaicznego (PV). Moduły PV wykorzystują energię słoneczną do produkcji energii elektrycznej i mogą być dobrym rozwiązaniem obniżającym zapotrzebowanie na nieodnawialną energię końcową, np. do napędu sprężarkowych pomp ciepła. Inwestorzy zainteresowani pompami ciepła – których zalety są już szeroko rozpoznawalne, a oferta cenowa staje się coraz bardziej korzystna – mogą więc zwrócić większą uwagę także na układy fotowoltaiczne, których zastosowanie pomoże spełnić wymagania WT2017 i WT2021.

Należy się spodziewać, że oferta układów hybrydowych z PV będzie zyskiwać popularność na rynku.

Układy hybrydowe a modernizacja

Żeby zmodernizować konwencjonalną kotłownię, można ją przekształcić w układ hybrydowy poprzez dodanie pompy ciepła. Odpowiednio zwymiarowana, pozwoli na obniżenie kosztów eksploatacyjnych (opłaty za ogrzewanie) nawet o 60% rocznie w modernizowanych budynkach. Wówczas kocioł już pracujący w instalacji pozostaje w roli źródła szczytowego, a pompa ciepła (najczęściej powietrze/woda ze względu na łatwość i stosunkowo niski koszt realizacji takiego rozwiązania) podejmuje pracę przez większość sezonu grzewczego.

Tego rodzaju modernizacja – optymalna pod względem kosztu inwestycji i korzystna dla kosztów eksploatacyjnych – dobrze sprawdzi się np. dla domów jednorodzinnych lub mniejszych budynków wielorodzinnych, ogrzewanych kotłami na paliwa konwencjonalne, np. olej opałowy lub gaz.

Biorąc pod uwagę zasadę regulacji układu hybrydowego (czyli źródłem podstawowym jest to, które w danej chwili umożliwia tańszą produkcję energii), dobierając moc pompy ciepła, należy zwrócić uwagę na cenę produkcji energii cieplnej w kotle – im jest wyższa, tym większą moc pompy ciepła się zaleca. Takie rozwiązanie umożliwi dłuższy czas pracy pompy, a tym samym obniżenie kosztów ogrzewania.

Literatura

1. Jadwiszczak P., Trząski A., Wentylacja i ogrzewanie w nowych przepisach. Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki – stan na 2017 i 2021, Wydawnictwo Medium, Warszawa 2016.
2. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2015, poz. 1422).
3. Zaborowska E., Charakterystyka energetyczna budynków mieszkalnych wielorodzinnych w perspektywie wymagań 2017–2021, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2017.
4. Materiały firm: Herz, Hewalex, Vaillant.