Pompy ciepła w układach hybrydowych

W Europie zaczyna się coraz częściej stosować hybrydowe rozwiązania systemowe (umieszczone w jednej obudowie lub obok siebie) – kocioł gazowy (kondensacyjny) z wbudowaną pompą ciepła typu powietrze/woda. Dobrym uzupełnieniem takiej instalacji są też panele fotowoltaiczne montowane na dachach nowych budynków.

Rozwiązania te umożliwiają realizację kilku funkcji: centralnego ogrzewania, podgrzewania centralnej wody użytkowej i chłodzenia. Nie są to jeszcze rozwiązania powszechne, powodem są stosunkowo wysokie koszty produkcji przy małej jej skali. Opisywane rozwiązania mają duże szanse rozwoju w Europie, jednak warto zadać pytanie, czy zdążą przed szybko rozwijającą się technologią pomp ciepła korzystających z powietrza jako dolnego źródła.

Jakie korzyści mogą przynieść opisywane rozwiązania?

Wymóg udziału odnawialnych źródeł energii w nowych budynkach w UE wynikający z dyrektywy OZE

Dyrektywa w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych 28/WE/2009 [1] narzuca wszystkim krajom członkowskim UE obowiązek stosowania OZE w nowych budynkach. Z dyrektywy wynika konieczność wprowadzenia zapisu dotyczącego konkretnych wartości minimalnego udziału OZE (wyrażonego w procentach).

Niestety, zapis o minimalnym udziale energii odnawialnej, mimo że pierwotnie widniał w projekcie ustawy o OZE przygotowanym przez Ministerstwo Gospodarki, zniknął z aktualnego projektu. W wielu krajach Europy wprowadzono już wymóg minimalnego udziału OZE w nowych budynkach, np. na Słowacji i Litwie wynosi on 50%, w Danii 51–56%, we Włoszech 50% (w przypadku ciepłej wody użytkowej), a od 2016 r. będzie to już 50% całości energii zużywanej w nowych budynkach.

W wielu krajach planowane jest wprowadzenie tego wymogu, np. w Belgii i Holandii. Warto pamiętać, że większy udział OZE w nowych budynkach jest też możliwy dzięki zwiększeniu wymagań dotyczących zużycia energii pierwotnej – tak się dzieje m.in. w Niemczech czy we Francji. Niskie wartości progowe dla zużytej energii pierwotnej, np. 50 kWh/m2, wymuszą zastosowanie pompy ciepła, kotła na biomasę czy kolektorów słonecznych.

Ponieważ ciepło potrzebne do centralnego ogrzewania i podgrzewania wody użytkowej stanowi ponad 70% całości energii zużywanej w nowych budynkach, najprościej spełnić wymóg minimalnego udziału poprzez zastosowanie odpowiedniego urządzenia grzewczego korzystającego z OZE. W przypadku dużego udziału OZE (np. 50%) w praktyce pozostaje tylko wykorzystanie pomp ciepła i kotłów na biomasę.

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. O tym udziale decyduje wybrany sposób pracy urządzeń i zastosowana temperatura biwalentna.

Żeby dokładniej pokazać ilość ciepła z OZE przekazywaną przez rozwiązania hybrydowe, warto wykorzystać wykres uporządkowany temperatur zewnętrznych. Na rys. 2 pokazano wykres dla Warszawy (III strefa klimatyczna z temperaturą projektową zewnętrzną –20°C).

Z wykresu można odczytać statystyczną liczbę dni z temperaturą niższą lub równą temperaturze określonej:

• £ 6 dób w roku z temperaturą niższą lub równą –10°C (pkt A),
• £ 15 dób w roku z temperaturą niższą lub równą –5°C (pkt B),
• £ 70 dób w roku z temperaturą niższą lub równą 0°C (pkt C),
• sezon grzewczy to 220 dni (dla nowych budynków z temperaturą graniczną grzania 12°C). W budynkach istniejących z temperaturą graniczną grzania 15°C wyniósłby on 260 dni.

Pole powierzchni znajdujące się pod wykresem krzywej uporządkowanych temperatur zewnętrznych pokazuje zapotrzebowanie na ciepło na cele c.o. Ze względu na zyski cieplne budynku (słoneczne i wewnętrzne) z dołu ogranicza ją wartość 15°C, w nowych energooszczędnych budynkach może być to 10–12°C.

Jeżeli pompa ciepła pracowałaby w trybie pracy biwalentno-alternatywnym, to dla temperatury biwalentnej (punkt wyłączenia pompy ciepła – załączenia drugiego źródła ciepła) wynoszącej 0°C można by uzyskać udział pompy w produkcji ciepła na cele c.o. ok. 55%.

Współczynnik SPF (sezonowy współczynnik efektywności) wynosi 3,5–4,0. Energia ze źródeł odnawialnych przekazywana przez pompę ciepła stanowić będzie ok. 30–35% całego ciepła na c.o. (rys. 4). Gdyby temperatura biwalentna wynosiła –5°C, można by uzyskać udział pracy pompy ciepła (energii) na poziomie 85%, a udział OZE w wysokości nawet ok. 50–60% całego ciepła na c.o i c.w.u. (rys. 5).

W przypadku nowych energooszczędnych budynków o powierzchni ogrzewanej ok. 150 m² projektowe zapotrzebowanie na ciepło nie przekracza 7 kW (dla –20°C). Wymagana moc pomp ciepła dla temperatury biwalentnej 0°C wyniosłaby ok. 3,5 kW, a dla –5°C ok. 4 kW.

Tak niewielka moc ma istotne znaczenie, jeżeli chodzi o koszty produkcji pomp ciepła. Oznacza to, że wielkość wymiennika (parowacza) jednostki zewnętrznej jest stosunkowo niewielka. Zastosowanie sprężarek o zmiennej wydajności mocy pozwala nie stosować dużego bufora ciepła.

Wymagane jest zastosowanie sprzęgła hydraulicznego lub małego bufora wody grzewczej (ok. 30–40 litrów pojemności). Modulowane sprężarki, nowe metody szybkiego rozmrażania parownika (np. poprzez wtrysk gorącego gazu), elektroniczne zawory rozprężne czy bardziej efektywne wentylatory pozwalają osiągnąć oszczędności na poziomie 30–35% w stosunku do kosztów pracy kotła gazowego.

Z wykresu na rys. 6 można wyznaczyć maksymalną temperaturę zasilania dla punktu biwalentnego 0 lub –5°C (dotyczy temperatur z rys. 4 i 5). Dla temperatury projektowej zasilania 75°C (dla –20°C) wynoszą one odpowiednio: 55°C (dla temperatury zewnętrznej 0°C; pkt A) oraz 62°C (dla –5°C; pkt B).

W przypadku temperatury projektowej zasilania 55°C (dla –20°C) wynoszą one: 40°C (dla temperatury zewnętrznej 0°C; pkt C) oraz 45°C (dla –5°C; pkt D), a dla temperatury projektowej zasilania 40°C (dla –20°C): 32°C (dla temperatury zewnętrznej 0°C; pkt E) oraz 34°C (dla –5°C; pkt F).

Przygotowanie ciepłej wody poza sezonem grzewczym tylko z pompy ciepła

Dzięki wysokim temperaturom powietrza zewnętrznego występującym poza sezonem grzewczym uzyskać można bardzo dużą efektywność podgrzewu ciepłej wody użytkowej. Większość pomp ciepła typu powietrze/woda charakteryzuje się bardzo wysokim współczynnikiem COP (większym niż 4,5 dla temperatury zewnętrznej przekraczającej 10°C przez ok. 165 dni w roku dla Warszawy – rys. 2).

W okresie letnim zastosowanie pompy ciepła powietrze/woda jest jednym z najtańszych sposobów przygotowania ciepłej wody. Koszt podgrzewania dla rodziny czteroosobowej (200 litrów ciepłej wody na dobę) nie przekracza 50 zł miesięcznie. W przypadku nowych budynków jednorodzinnych może to umożliwić obniżenie kosztów zużycia gazu. Przy zużyciu gazu poniżej 1200 m³/rok możliwe jest przejście z droższej taryfy W3 na W2 – może to przynieść roczne oszczędności rzędu 500 zł.

Minimalna efektywność (SPF) pompy ciepła i niskie koszty eksploatacji systemów hybrydowych, lepsze wykorzystanie taryf elektrycznych

Koszty zasilania centralnego ogrzewania przez pompę ciepła są niższe od kosztów zasilania przez kocioł gazowy aż do temperatur powietrza zewnętrznego od –5°C do –10°C (w zależności od parametrów dobranej pompy ciepła).

Zakładając, że koszt energii elektrycznej (taryfa dzienna) to 60 gr/kWh, średnioroczna sprawność kotła gazowego wynosi 90% (w stosunku do ciepła spalania), a koszt 1 m³ gazu to 2,2 zł (ok. 11 kWh ciepła spalania na 1 m³), opłacalna wartość SPF dla taryfy dziennej pompy wynosi:

Dla taryfy nocnej (np. 40 gr/kWh) minimalna efektywność pompy ciepła wynosiłaby:

Zakładając, że w okresie letnim sprawność systemu podgrzewania wody za pomocą kondensacyjnego kotła gazowego spada tylko do ok. 70%, dla taryfy dziennej wartość SPF wynosiłaby:

Natomiast dla taryfy nocnej:

Dzięki zastosowaniu odpowiedniego managera energii zarządzającego pracą pompy ciepła można uzyskać możliwie najniższe koszty eksploatacyjne, optymalnie wykorzystując taryfy energetyczne.

Pompa ciepła pracuje, gdy jej efektywność (SPF) jest wystarczająco wysoka. Gdy efektywność ta spada poniżej granicy opłacalności, układ przełącza się na kocioł gazowy. Jak wynika z powyższych obliczeń, najbardziej opłacalne jest załączanie pompy w okresie letnim (poza sezonem grzewczym) oraz przy taryfach nocnych.

Możliwość lepszego wykorzystania systemów fotowoltaicznych

Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej i chłodzenie budynków przy współpracy z odpowiednio dobraną instalacją fotowoltaiczną może zapewnić 100-proc. udział energii z OZE. Szczególnie korzystne jest wykorzystanie systemów fotowoltaicznych do chłodzenia budynków w lecie. 

Gdy promieniowanie słoneczne jest największe i uzysk energetyczny z paneli fotowoltaicznych najwyższy, występują również największe potrzeby chłodzenia pomieszczeń. W tym czasie może być również podgrzewana ciepła woda w zasobniku. Co ciekawe, może być to realizowane jednocześnie (chłodzenie + c.w.u.).

Zastosowanie fotoogniw może służyć do zasilania pomp obiegowych centralnego ogrzewania i dolnego źródła, obniżając zużycie energii pierwotnej przez pompy ciepła i zwiększając udział energii odnawialnej przekazywanej przez pompę ciepła do instalacji grzewczej. Akumulatory stosowane w systemach fotowoltaicznych mogą być wykorzystane do ładowania w pochmurne dni energią elektryczną z droższej taryfy dziennej. 

Energia elektryczna zgromadzona w akumulatorach może być wykorzystywana w okresach drogiej energii elektrycznej. Zastosowanie w nowych budynkach pompy ciepła i fotoogniw może zapewnić blisko 100-proc. udział energii zielonej przekazywanej przez pompy ciepła (takie instalacje realizuje się m.in. w Niemczech i Austrii). Wykorzystanie obu tych technologii pozwala uzyskać maksymalny efekt synergii.

Pozytywny wpływ rozwiązań hybrydowych na sieć energetyczną

Głównym problem są w polskich sieciach energetycznych chwilowe deficyty energii. Dotyczy to tzw. szczytów dobowych (szczególnie wieczornego, w godz. 16–20) oraz szczytów sezonowych: w zimie (ekstremalnie duże mrozy) i latem (w okresach bardzo wysokich temperatur).

Dzięki zastosowaniu managerów energii pompami ciepła korzystającymi z technologii smart grid pompy te mogłyby być tak zdalnie załączane, by móc pracować głównie w porze najtańszej taryfy energii elektrycznej (poza szczytami). W okresach, w których ilość energii elektrycznej w sieci jest deficytowa i zarazem najdroższa (odcinek A i B na rys. 7), pompa ciepła mogłaby być zdalnie wyłączana. 

Gdy występuje deficyt energii elektrycznej lub jest ona bardzo droga, inteligentna sieć może wstrzymać dostawę energii do pompy ciepła, korzystając z akumulacji ciepła w budynku o ciężkiej konstrukcji (również w ogrzewaniu płaszczyznowym) lub w buforze wody grzewczej. Odbywa się to bez uszczerbku dla komfortu cieplnego. 

W budynkach o ciężkiej konstrukcji spadek temperatury w ciągu 2 godz. jest wyraźnie mniejszy od 0,5 K, nawet dla temperatury zewnętrznej poniżej –10°C. W przypadku niskiej temperatury może nastąpić przełączenie na tańsze lub dostępne źródło – kocioł gazowy.

Niewystępowanie niskiej emisji zanieczyszczeń

Zastosowanie w Polsce pomp ciepła na szerszą skalę może przynieść korzyści związane ze znacznym obniżeniem emisji zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym, w tym szczególnie pyłu zawieszonego PM 10 i PM 2,5 (ang. Particulate Matter – pył o rozmiarach poniżej 10 mm lub poniżej 2,5 mm – dla porównania średnica przekroju ludzkiego włosa wynosi ok. 70 mm ). 

Spośród wielu parametrów zanieczyszczeń powietrza badanych w stacjach badawczych, takich jak dwutlenek siarki, tlenki azotu, dwutlenek azotu, tlenek węgla, ozon czy benzen, szczególnie istotne wydają się być właśnie pyły zawieszone. W przeciwieństwie do pozostałych zanieczyszczeń pyły te wielokrotnie i przez znaczną część roku przekraczają dopuszczalne normy roczne oraz dobowe i to na znacznych obszarach Polski. 

Pyły zawieszone PM 2,5 i PM 10 są niewidoczne gołym okiem, ale mogą przenosić wszelkie zanieczyszczenia chemiczne i biologiczne (toksyny, kancerogeny, bakterie, wirusy). Negatywne skutki dla ludzi to złe samopoczucie, podrażnienie oczu, śluzówek. Duże stężenia pyłów zawieszonych mogą prowadzić do ostrych i przewlekłych stanów zapalnych układu oddechowego, alergii (a w konsekwencji do astmy), niedotlenienia, migren itp. 

Dostępne powszechnie analizy wskazują na wyraźne powiązanie między emisją pyłów PM 10 a temperaturą zewnętrzną. W miesiącach zimowych emisja PM 10 wzrasta gwałtownie – można z bardzo dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że jest to związane z emisją spalin, głównie z węglowych kotłów grzewczych. 

Dodatkowo przy utrzymywaniu się przez wiele dni, a nawet tygodni pogody wyżowej i braku odpowiedniej cyrkulacji powietrza powstaje realne zagrożenie dla zdrowia, szczególnie mieszkańców Warszawy oraz południa Polski – Małopolski i Górnego Śląska. 

Zastosowanie pomp ciepła na obszarach dużych aglomeracji miejskich może się przyczynić do wyraźnej redukcji emisji pyłu zawieszonego PM 10 i PM 2,5. Urządzenia te nie wywołują żadnej lokalnej emisji zanieczyszczeń (tzw. niskiej emisji), gazowe kotły kondensacyjne to urządzenia niskoemisyjne. 

Należy mieć nadzieję, że w najbliższych latach opisana w zarysie technologia hybrydowa rozwinie się na taką skalę, iż będzie dostępna masowo także w Polsce. Zdaniem autora widoczny znaczący postęp technologiczny i wymagania europejskiej polityki klimatycznej zdają się potwierdzać możliwość szybkiego spełnienia się takiego scenariusza.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych (DzU UE L 09.140.16).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!