Pompy ciepła w epoce smart

Epidemia koronawirusa uświadomiła chyba wszystkim, że warto ufać naukowcom i brać ich słowa na poważnie. Nikt publicznie nie neguje ich badań i rad. Od lat informują m.in. o wpływie działalności człowieka na zmiany klimatu, ale głosy te są mniej lub bardziej ignorowane. Jedną z dróg zmierzających do dekarbonizacji jest oparcie ogrzewania i chłodzenia budynków na energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych.

Rozwój fotowoltaiki zupełnie zmienił spojrzenie na ogrzewanie i chłodzenie, tym samym urządzenia zasilane elektrycznie wysuwają się przed biomasę, a gaz ma być jedynie paliwem przejściowym. Nie jest to kwestia przyszłości, to dzieje się tu i teraz – wystarczy przyjrzeć się wymaganiom dla budynków, obowiązującym od 2014 roku i stopniowo zwiększanym, w zakresie energii pierwotnej. Bez udziału OZE w ogrzewaniu i chłodzeniu nie mamy szans niczego zbudować w zgodzie z prawem. Pompy ciepła, choć nie odgrywają jeszcze tak dużej roli w projektach modernizacyjnych, mają w nowych budynkach coraz większy udział.

Tempo zmian rośnie wraz z rozwojem technologii cyfrowych wykorzystywanych do sterowania urządzeniami i instalacjami oraz zarządzania budynkiem. Wyższe przepustowości sieci internetowej jeszcze ten proces przyspieszą. Z kolei rozproszona produkcja energii elektrycznej z instalacji PV już nabiera w wielu krajach dużego znaczenia przy zasilaniu urządzeń grzewczych i chłodzących.

Pompy ciepła mają ten atut, że mogą być wykorzystywane nie tylko w domach jednorodzinnych, ale też w dużych budynkach, i dobrze współpracują z siecią energetyczną. Kolejną ich cechą jest dobra praca w układach hybrydowych z urządzeniami gazowymi i na pelety oraz z systemem ciepłowniczym, co jest i będzie wykorzystywane w okresie przechodzenia na całkowitą dekarbonizację. Jeszcze jednym atutem jest dobra współpraca z urządzeniami CHP – czyli skojarzonym wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła.

Integracja = smart?

Specjaliści z niemieckiego Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme wskazują, że zmiany te wymagają zastosowania systemów zarządzania energią, tym lepszych, im bardziej złożony jest układ. System fotowoltaiczny często wytwarza więcej energii elektrycznej, niż jest to konieczne, ale robi to w ciągu dnia, a energii potrzebujemy też wtedy, gdy nie świeci słońce. Zatem system powinien koordynować pracę urządzeń wytwarzających energię elektryczną z jej odbiornikami oraz magazynowaniem.

Urządzenia grzewcze i chłodzące muszą być odpowiednio podłączone do sieci, zarówno energetycznej, jak i informatycznej. Pompy ciepła wymagają cyfrowej sieci do komunikacji i sterowania na trzech poziomach. Pierwszym jest komunikacja wewnątrz budynku z jednostkami sterującymi i innymi źródłami energii lub jednostkami magazynującymi energię. Drugi to komunikacja w obrębie osiedli i dzielnic oraz rejonów w celu zrównoważania lokalnych wahań zapotrzebowania na energię odnawialną i jej produkcji. Trzeci poziom to współpraca z inteligentną siecią energetyczną (smart grid) do rozładowania szczytowych obciążeń i integracji źródeł odnawialnych wytwarzających energię elektryczną.

Technologia i narzędzia na poziomie smart home znane są od lat i mają coraz bardziej przystępne ceny. Mieszkańcy mogą sterować ogrzewaniem nawet zdalnie za pomocą smartfona lub tabletu. Nie ma jednak jednej technologii czy standardu. Producenci pomp ciepła używają różnych technologii i protokołów sieciowych – np. przewodowych LAN, TCP/IP, eBus, Modbus czy bezprzewodowych WLAN i EnOcean. W branży grzewczej najbardziej rozpowszechniony jest system magistrali eBus.

Pod hasłem smart home kryje się często tylko automatyczna kontrola ogrzewania i praktycznie każde rozwiązanie „inteligentnego domu” umożliwia optymalizację zużycia ciepła dzięki wprowadzeniu harmonogramów pracy i czujników temperatury. Nie ma to jednak wiele wspólnego z inteligentnym systemem, który będzie się uczył i potrafił współpracować z innymi układami. Ogrzewanie jest przeważnie traktowane jako działanie wyizolowane, dla którego wystarczy automatyczne otwieranie i zamykanie zaworów oraz włączanie i wyłączanie kotła lub pompy ciepła zgodnie z zadanym harmonogramem i temperaturą pokojową.

Przykładem rozwiązania o wyższym poziomie zaawansowania technicznego i informatycznego, oferowanego przez producenta urządzeń grzewczych, jest np. moduł komunikacji internetowej VR 920 firmy Vaillant. Zapewnia szybki dostęp do parametrów instalacji, zdalną możliwość zmiany ustawień, szybką diagnostykę stanu systemu i usunięcie awarii przez serwis oraz wysoki komfort w budynku i wygodę użytkowania. Do jego użytkowania konieczna jest sieć LAN lub Wi-Fi.

Kontrolę nad instalacją grzewczą zapewniają:

1. multiMATIC App – bezpłatna aplikacja mobilna przeznaczona do współpracy z regulatorem multiMATIC VRC 700,

2. mobilDIALOG – strona internetowa dla użytkowników systemów grzewczych wyposażonych w regulator inny niż multiMATIC VRC 700 (w tym przypadku Vaillant gwarantuje darmowy dostęp do strony) oraz

3. profi­DIALOG – strona internetowa przeznaczona dla serwisantów i instalatorów opiekujących się urządzeniem grzewczym. Użytkownik może na bieżąco śledzić stan instalacji, zdalnie zmieniać ustawienia, wybierać dogodną temperaturę i tym samym panować nad rachunkami za ogrzewanie. Z kolei łatwa diagnostyka stanu systemu z poziomu profiDIALOG ułatwia trafne i szybkie wykrycie ewentualnych awarii.

PV + PC = 0 CO₂?

Rozwój fotowoltaiki powoduje pilną konieczność optymalizacji pracy obu instalacji – elektrycznej i grzewczej. Energia elektryczna i ciepło z OZE oraz ich magazynowanie, a także e-mobilność i inteligentne sieci energetyczne mają być narzędziami służącymi do wyeliminowania emisji gazów cieplarnianych. Połączenie tego wymaga jednak zaawansowanych narzędzi i aplikacji. Na przykład EEBUS firmy Vaillant to narzędzie do zarządzania energią z fotowoltaiki i pompami ciepła (rys. główny). Jego zadaniem jest m.in. jak najwyższe zużycie własne wytwarzanej energii, oczywiście uzasadnione ekonomicznie i nawet ekologicznie, tak aby koszty energii elektrycznej i ciepła oraz emisja CO2 były na jak najniższym poziomie.

Do prac nad tą technologią włączyli się m.in.: Bosch, E.ON i Stowarzyszenie Przemysłu Motoryzacyjnego (VDA). System nie jest skomplikowany, lecz wydajny. Składa się z pomp ciepła, buforów ciepła, elementów zarządzających (kontrolerów, aplikacji i modułów internetowych), instalacji PV z falownikiem i licznikiem energii oraz aplikacji Sunny Home Menager. Aplikacja wie, jakie będzie promieniowanie słoneczne przez następnych kilka godzin dzięki aktualnym prognozom pogodowym z sieci. Jeśli dostępna jest wystarczająca ilość energii, pompa ciepła wykorzystuje energię elektryczną z własnej instalacji PV. Do wyboru strategii ogrzewania i przygotowania ciepłej wody służą aplikacje sensoAPP lub multiMATIC i gdy zachodzi potrzeba, pompa ciepła może ładować zasobnik ciepłej wody poza określonym przedziałem czasu. Wytwarzana w ten sposób energia elektryczna z instalacji PV jest magazynowana i zbiornik ciepłej wody nie musi być ładowany w późniejszym okresie oraz może długo zapewniać c.w.u. i wspierać c.o. bez zużywania zarówno własnej energii elektrycznej w okresach jej deficytu, jak i energii z sieci. Co więcej, system zarządzania energią zapamiętuje informacje o typowych szczytach zużycia energii w domu, dzięki czemu może zwiększyć zużycie energii własnej wytworzonej przez instalację PV, np. uruchamiając pralkę lub zmywarkę wtedy, gdy energii z PV jest wystarczająca ilość (w dzień, a nie w nocy), żeby nie korzystać z energii z sieci. Działania te skutkują nie tylko oszczędnością wydatków na energię, ale, co bardzo ważne, redukcją emisji CO2, którą obarczona jest nadal produkcja energii elektrycznej w systemie energetycznym. Aplikacje sensoAPP lub multiMATIC mają też funkcję EnergyOptimizer, która pozwala na maksymalne ograniczenie emisji i maksymalizację zużycia własnej energii elektrycznej. Dostępnych jest też wiele trybów dla c.o. przygotowania c.w.u. – np. automatyczny, eko, comfort.

Z kolei funkcja EnergyMonitoring daje możliwość monitorowania produkcji energii słonecznej i uzyskiwanych wyników. Można analizować następujące parametry: bieżąca produkcja instalacji PV [W], wydajność na dzień, tydzień, miesiąc, rok [kWh], bieżące zasilanie sieciowe [W], zasilanie sieciowe na dzień, tydzień, miesiąc, rok [kWh], bieżące zużycie własne [W], zużycie własne na dzień, tydzień, miesiąc, rok [kWh], wskaźnik samowystarczalności [%], aktualny wskaźnik zużycia własnego [%], szczytowe obciążenie [kWp] oraz ograniczenie zasilania [%].

BIG SMART = ∞ problemów do rozwiązania

Na poziomie smart building różnorodność technologii może komplikować spięcie wszystkich urządzeń, nie tylko grzewczych, w jeden inteligentny system automatyki budynku, a tym bardziej wielu budynków czy osiedli. Z tego powodu stosuje się dodatkowe moduły, gdyż powiązanie urządzenia tylko z jednym systemem ogranicza jego zastosowanie. Moduły te są oparte na otwartych protokołach stosowanych m.in. w przemyśle. A to daje szerokie możliwości automatyce budynkowej – nie tylko zdalnego sterowania i monitorowania pracy urządzenia, ale przede wszystkim jego interakcji z otoczeniem i innymi urządzeniami. O ile w przypadku nowych budynków obowiązują wymagania prawne dotyczące konieczności prowadzania kablowych instalacji informatycznych, w budynkach modernizowanych sięga się często po technologie bezprzewodowe. Są one też wykorzystywane w budynkach jednorodzinnych. Przewagą łączności przewodowej jest mniejsza podatność na zakłócenia, co może się zdarzyć w większych budynkach z rozbudowaną automatyką budynkową, w której pracuje wiele urządzeń klimatyzacyjnych czy wentylacyjnych i grzewczych.

Urządzenia grzewcze i chłodzące – zwłaszcza pompy ciepła – mają być elementem smart grid. Już teraz pompy ciepła wyposaża się w elementy, które pozwolą im stać się w przyszłości integralną częścią inteligentnej sieci energetycznej. To one będą w stanie przejąć z sieci znaczne ilości energii i zakumulować ją jako ciepło lub chłód w buforach lub w masie budynków (instalacje płaszczyznowe). Niektórzy producenci już wyposażają wszystkie obecnie produkowane pompy ciepła w funkcje, które pozwolą im stać się częścią inteligentnej sieci. Ale same pompy nie wystarczą – potrzebne są jeszcze inteligentne instalacje grzewcze, wentylacyjne i chłodzące wraz z całą gamą elementów peryferyjnych – pomiarowych i wykonawczych, tj. czujek i siłowników. Spięcie tego w jeden system, automatyzacja, sterowanie i kontrolowanie to bardzo złożony proces i jedno z największych wyzwań dla instalatorów i projektantów branży HVAC.

Branża będzie zatem potrzebować fachowców od projektowania i montażu takich systemów oraz ich serwisowania. Stały nadzór nad pracą urządzeń HVAC i ich serwis nabiorą jeszcze większego znaczenia niż obecnie. Nie będzie to już nadzór nad gazowym kotłem żeliwnym, do którego wystarczy zajrzeć raz czy dwa razy w roku, ale stały monitoring i bieżące reagowanie. Tu niczego nie da się ukryć i niczego nie można zignorować – wszytko widać jak na dłoni, a ściślej jak na ekranie komputera, i to jednocześnie u użytkownika, producenta i serwisanta. Przed prawodawcą staje zatem bardzo ważny problem – uregulowania kwestii ochrony danych osobowych oraz ochrony tych systemów przed wrogim działaniem.

Już dzisiaj na polskim rynku brakuje fachowców od montażu pomp ciepła i systemów PV. Włączenie się państwa do rozwiązania tego problemu jest konieczne. Braków nie zastąpimy fachowcami z zagranicy, gdyż wymagana jest tu nie tylko wiedza, ale też poświadczenie kompetencji i certyfikaty, istotna jest również kwestia zaufania społecznego do fachowców zapewniających komfort w domach i miejscach pracy.

Literatura

1. https://www.haustec.de/heizung/waermenutzung/smartes-heizen-das-leisten-vernetzte-heizungssysteme?page=all#image-18868 (dostęp: 10.04.2020).
2. https://www.ikz.de/detail/news/detail/wie-knoten-in-einem-netz/ (dostęp: 10.04.2020).
3. https://www.vaillant.de/heizung/produkte/vernetzte-systeme/eebus/ (dostęp: 10.04.2020).
4. https://www.vaillant.pl/klienci-indywidualni/produkty-i-systemy/vr-920-32768.html (dostęp: 10.04.2020).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!