Energia z hybryd

Na to, czym ogrzewamy budynki, wpływa postęp techniczny i doskonalenie urządzeń grzewczych, ale też postępy w elektronice. To właśnie dzięki szybkiemu rozwojowi elektroniki i informatyki dysponujemy coraz nowszymi urządzeniami grzewczymi, a ściślej – ich nowymi funkcjami.

Rozwój elektroniki pozwala też łączyć pracę wielu urządzeń w jednym układzie i ją optymalizować w celu podnoszenia efektywności energetycznej, obniżania kosztów eksploatacji i wzrostu komfortu użytkowania. Kiedy takie połączenia wykorzystywały tylko zwykłą mechanikę, nie miały uzasadnienia, zwłaszcza ekonomicznego – były trudne w eksploatacji i mało efektywne.

Postępowi technicznemu towarzyszą zmiany w prawie. Za parę lat o sposobie ogrzewania budynków decydować będą również dyrektywy: 2009/125/EC w sprawie ogólnych zasad ustalania wymogów ekoprojektu w odniesieniu do produktów wykorzystujących energię oraz 2010/30/EU dotycząca oznakowania klasami energetycznymi urządzeń energetycznych.

Pojedyncze osoby mogą jeszcze nie doceniać nowych możliwości, a nawet już obowiązujących wymagań dotyczących sporządzania analizy (...) możliwości racjonalnego wykorzystania, o ile są dostępne techniczne, środowiskowe i ekonomiczne możliwości, wysokoefektywnych systemów alternatywnych zaopatrzenia w energię i ciepło, do których zalicza się zdecentralizowane systemy dostawy energii oparte na energii ze źródeł odnawialnych, kogenerację, ogrzewanie lub chłodzenie lokalne lub blokowe, w szczególności, gdy opiera się całkowicie lub częściowo na energii ze źródeł odnawialnych (...) oraz pompy ciepła (...) [1].

Jednak coraz częściej inwestorzy i pracujący dla nich projektanci sięgają po najnowocześniejsze rozwiązania, do dyspozycji mają też coraz więcej gotowych zestawów i urządzeń hybrydowych. W większości układów powstaje efekt synergii (zwielokrotnienia) korzyści energetycznych – wzrostu wydajności oraz redukcji kosztów eksploatacyjnych i wpływu na środowisko dzięki wykorzystaniu energii odnawialnej.

Wraz z powstawaniem coraz nowszych rozwiązań do słownictwa branżowego weszły różne określenia ze słowem „hybrydowy” – np. hybrydowe pompy ciepła, hybrydowe kolektory słoneczne czy układy hybrydowe. Terminy te nie mają jeszcze ściśle określonych znaczeń. Poniżej opisano wybrane przykłady takich rozwiązań.

Hybrydy z powietrzem i gruntem

Jednym z urządzeń określanych jako hybrydowa pompa ciepła jest jednostka, która działa jako powietrze/woda, a w połączeniu ze szczytowym wymiennikiem gruntowym jako jednostka powietrze/grunt/woda.

W rozwiązaniu tym obieg pierwotny podłączony jest do jednostki powietrznej i szczytowego wymiennika gruntowego poprzez dwa zawory trójdrogowe. Umożliwia to pracę w trybach: tylko z jednostką powietrzną, tylko z wymiennikiem gruntowym lub jednocześnie z dwoma dolnymi źródłami ciepła.

Automatyka wybiera najbardziej efektywne źródło ciepła w zależności od warunków zewnętrznych i zapotrzebowania na energię cieplną. Ciepło może być zatem pobierane z powietrza, gruntu lub z obydwu tych źródeł. W tym ostatnim wariancie zawory trójdrogowe kierują przepływ tak, by czynnik chłodniczy płynął kolejno przez jednostkę zewnętrzną i wymiennik gruntowy [3].

Innym przykładem hybrydowej pompy ciepła jest typoszereg urządzeń do zasilania instalacji c.o. (wskazane są niskotemperaturowe grzejniki płaszczyznowe, choć urządzenia te mogą zasilać instalacje do temperatury 63°C) i przygotowania c.w.u. Określenie „hybrydowe” urządzenie to zawdzięcza zastosowaniu dwóch wymienników dla dolnego źródła ciepła – powietrznego i gruntowego.

Pierwszy wymiennik powietrze/czynnik chłodniczy wykonany jest z ożebrowanej wężownicy, a gruntowy woda/czynnik chłodniczy to wymiennik płytowy. Układ preferuje pracę powietrznej pompy ciepła, ale w razie potrzeby może korzystać z obydwu wymienników, zwłaszcza przy niskich temperaturach zewnętrznych. Producent zapewnia, że COP jest wyższy niż w przypadku standardowego rozwiązania z powietrzną pompą ciepła.

Hybryda z kolektorem

Kolejna hybryda to układ powietrznej pompy ciepła z kolektorami słonecznymi [3]. Pracą układu steruje automatyka i w zależności od ilości energii dostarczanej przez kolektory słoneczne wyznacza ona prędkość wentylatorów kierujących powietrze na parownik pompy ciepła.

Jeżeli ilość energii dostarczana przez kolektory słoneczne jest wystarczająca do całkowitego odparowania czynnika chłodniczego, wentylator zostaje wyłączony i proces odparowania zachodzi tylko dzięki ciepłu dostarczonemu przez instalację zasilaną przez kolektory. Z kolei gdy spada wydajność kolektorów i instalacją dopływa czynnik o zbyt niskiej temperaturze, włącza się wentylator i zwiększa strumień powietrza kierowany na parownik. Dzięki temu czynnik chłodniczy w pompie ciepła odparowuje zawsze w wystarczającej ilości, zapewniając niezakłócony obieg.

Temperatury w parowniku, w zależności od punktu roboczego obiegu czynnika, zawierają się w zakresie od 20 do –20°C, a instalacja kolektorów słonecznych również przy takich temperaturach może dostarczać energię na parownik.

W przypadku standardowej instalacji solarnej jest to możliwe dopiero powyżej 40°C czynnika solarnego. Układ przebadano na politechnice w Ingolstadt i potwierdzono, że nawet rozproszone promieniowanie słoneczne padające na kolektor wystarcza do uzyskania temperatur wymaganych do wydajnej pracy parownika pompy ciepła [4].

Wielu producentów pomp ciepła prowadzi testy z układami, w których kolektory słoneczne wykorzystywane są nie tylko jako alternatywne dolne źródła ciepła, ale służą też do regeneracji dolnego źródła dla pomp gruntowych. Wysoką sprawność takich układów zapewnia fakt, że grunt jest wychłodzony po sezonie i nawet latem jego temperatura nie przekracza 10°C. Zatem efekt energetyczny osiąga się już przy bardzo niskich temperaturach czynnika przekazującego energię z kolektora do gruntu, rzędu 10–20°C.

Hybrydy z kotłami

Standardem staje się odpowiednia konstrukcja kotłów kondensacyjnych i takie skonfigurowanie sterowania i automatyki, że urządzenia te są przystosowane do współpracy z kolektorami słonecznymi lub pompami ciepła. Dostępne są też specjalne, gotowe układy hybrydowe.

Jedna z firm oferuje układ określany jako hybrydowa pompa ciepła, w którym pompa typu powietrze/woda wspierana jest przez kondensacyjny kocioł gazowy. Tryby pracy układu zależą od warunków zewnętrznych oraz bieżącego zapotrzebowania na moc grzewczą i są tak dobierane, by maksymalnie wykorzystać cechy obydwu urządzeń i zwiększyć efektywność ogrzewania pomieszczeń.

Nowością jest właśnie układ sterowania i połączenia umożliwiające pracę w różnych trybach, także współpracę z już istniejącymi instalacjami c.o., zaprojektowanymi i wykonanymi dla wysokich parametrów zasilania, podczas gdy pompy ciepła rekomenduje się do instalacji niskotemperaturowych [3].

Oferowane są też hybrydowe solarno-gazowe stojące kotły kondensacyjne z wbudowanymi zasobnikami warstwowymi c.w.u. Takie układy wykorzystują algorytm działania z uwzględnieniem priorytetu zasilania przez układ solarny oraz system optymalizacji zużycia gazu. 

Dzięki dobrej konfiguracji można zredukować zużycie gazu nawet o ponad 40% w porównaniu do układu z typowym kotłem kondensacyjnym [3]. W celu maksymalnego wykorzystania możliwości takich instalacji trzeba użyć odpowiednich zasobników buforowych, o pojemności przynajmniej 300 l.

Polska jest potentatem w produkcji kotłów na paliwa stałe, w tym na biomasę. Oferowana obecnie automatyka oraz sterowanie do automatycznych kotłów biomasowych pozwala na ich efektywną pracę z innymi urządzeniami, zwłaszcza z kolektorami słonecznymi. Niektóre kotły oferowane są z automatyką nieodbiegającą znacząco od tej stosowanej w kotłach gazowych, niektóre mają też moduły internetowe. Umożliwia to coraz szerszą ich współpracę w ramach układów hybrydowych.

Hybrydy z PV

Najwięcej nadziei budzą układy hybrydowe, w których sprężarkowe pompy ciepła zasilane są energią elektryczną wyprodukowaną przez panele fotowoltaiczne w mikroinstalacji. Energia elektryczna konsumowana jest na miejscu – nie występują straty i koszty przesyłu, a pompy ciepła pozwalają ją zmagazynować w wodzie (w zasobnikach), a następnie wykorzystać do ogrzewania i przygotowania c.w.u. Jak na razie jest to najbardziej efektywny sposób magazynowania energii elektrycznej. Ponadto układ ten zapewnia 100-proc. udział energii odnawialnej. 

Jedna z firm oferuje powietrzne sprężarkowe pompy ciepła do c.w.u. z systemem zarządzania energią, który rejestruje zużycie energii przez pompę ciepła i przy odpowiednim nasłonecznieniu pokrywa zapotrzebowanie na prąd energią elektryczną wytwarzaną przez instalację fotowoltaiczną. Najważniejszym elementem inteligentnego systemu zarządzania jest jednostka sterująca połączona z licznikiem prądu i analizująca przepływ energii w gospodarstwie domowym [3].

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 21 czerwca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu budowlanego (DzU z 2013 r., poz. 762).
2. www.efektywnoscenergetyczna.pl/odnawialne-zrodla-energii/analiza-wykorzystania-odnawialnych-zrodel-energii.
3. Katalogi techniczne firm: Daikin, Inwerter, Junkers, Radwan, Ratiotherm.
4. www.ratiotherm.de.