I pompa ciepła, i kocioł kondensacyjny, czyli parę słów o instalacjach hybrydowych

Pompy ciepła współpracujące z kotłami kondensacyjnymi? To rozwiązanie szczególnie polecane w przypadku termomodernizacji, energooszczędne i niemal bezawaryjne. W skrócie: przyszłość rynku grzewczego.

Fot. 1. Podstawowe argumenty „za”? Przede wszystkim niezawodność ogrzewania i energooszczędność systemu. Fot. VaillantFot. 1. Podstawowe argumenty „za”? Przede wszystkim niezawodność ogrzewania i energooszczędność systemu. Fot. Vaillant

Nie sposób nie zauważyć, że zmienia się podejście do energooszczędności oraz urządzeń, które pozwalają na obniżenie zużycia energii. Po okresie niepodzielnego królowania samodzielnych źródeł ciepła opartych na OZE obserwujemy dynamiczny rozwój innego segmentu rynku: systemów hybrydowych, „kombinowanych”, łączących w sobie zalety paru układów. Hybrydowe systemy grzewcze opierają się na współpracy kilku urządzeń do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Mogą być zasilane olejem lub gazem, energią słoneczną, gruntu lub powietrza, węglem, drewnem bądź energią elektryczną. Zaletą tego typu rozwiązań jest niezwykła elastyczność: w wyborze źródeł ciepła oraz parametrów ich współpracy. Przykładem takiego układu jest instalacja hybrydowa pompy ciepła i kotła kondensacyjnego, gazowego lub olejowego.

Fot. 2. Koszty eksploatacji mogą być nieco wyższe niż w przypadku ogrzewania tylko za pomocą pompy ciepła, jednak mówimy o znacznie niższych kosztach inwestycyjnych. Fot. DaikinFot. 2. Koszty eksploatacji mogą być nieco wyższe niż w przypadku ogrzewania tylko za pomocą pompy ciepła, jednak mówimy o znacznie niższych kosztach inwestycyjnych. Fot. Daikin

Pompa + kocioł

Połączenie systemu pompy ciepła i kotła kondensacyjnego będzie optymalnym rozwiązaniem w przypadku obiektów z dostępem do sieci gazowej czy wyposażonych w ogrzewanie olejowe. Dzięki temu inwestor będzie mógł czerpać zyski z pracy obu układów – w takiej kombinacji, która zapewni mu możliwie niskie zużycie energii.
Do współpracy z kondensacyjnymi kotłami gazowymi oraz olejowymi wielu producentów proponuje przede wszystkim powietrzne pompy ciepła. Wiąże się to z niższymi kosztami inwestycyjnymi (nie potrzebujemy skomplikowanej instalacji jak przy wodnej czy gruntowej pompie ciepła), ponadto takie rozwiązanie jest szczególnie polecane przy modernizacji instalacji grzewczej.

Jak działa technologia hybrydowa?

Fot. 3. Jednym z proponowanych rozwiązań jest powietrzna pompa ciepła z możliwością podłączenia kotła gazowego. Fot. NIBEFot. 3. Jednym z proponowanych rozwiązań jest powietrzna pompa ciepła z możliwością podłączenia kotła gazowego. Fot. NIBE

Specyfika pracy większości układów uzależniona jest od warunków panujących na zewnątrz. Najczęściej przy temperaturze 3-10 lub 15° C pracuje tylko pompa ciepła. Kiedy temperatura spada, pracuje zarówno pompa, jak i kocioł kondensacyjny. Z kolei kiedy temperatura osiąga poziom -3° C, pompa jest wyłączana, a kocioł przejmuje obowiązek ogrzania pomieszczeń.
Przy takiej konfiguracji (tzn. kiedy moc grzewcza pompy zamyka się w przedziale 55-70%) uzyskuje się najlepszy efekt inwestycji w stosunku do oszczędności na kosztach ogrzewania. Koszty są tu o ok. 10-20% wyższe niż w systemach, w których za całość procesu odpowiada tylko i wyłącznie pompa ciepła, np. gruntowa, jednak mówimy o znacznie niższych kosztach inwestycyjnych (do 40%).
Dobór pompy cieplnej o mniejszej mocy grzewczej, pracującej z zakresie wyższych temperatur powietrza zewnętrznego, oznacza obniżenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Warto zwrócić uwagę przede wszystkim na funkcje sterowania systemów, np. według zaprogramowanych kosztów kWh uzyskanej z gazu ziemnego i z sieci lub wartości emisji dwutlenku węgla dla obu źródeł. Układ optymalizuje zatem koszty ogrzewania, bazując na pracy pompy ciepła oraz załączając kocioł gazowy tylko wtedy, kiedy jest to opłacalne lub zasadne z ekologicznego punktu widzenia bądź opierając się o priorytet poziomu hałasu. W zależności od temperatury zewnętrznej i zebranych danych uruchamia źródło grzewcze bardziej „atrakcyjne” pod względem wymienionych aspektów.
Jednocześnie instalacja hybrydowa zwiększa bezpieczeństwo użytkowania systemu – dzięki współpracy dwóch urządzeń mamy pewność, że w przypadku nagłego skoku kosztów jednego z nośników energii, jak gaz czy energia elektryczna.

Fot. 4. System hybrydowy złożony z 1 - pompy powietrze-woda, 2 – wysokowydajnego kotła kondensacyjnego, 3 – systemowego regulatora pogodowego, 4 – zasobnika ciepłej wody, 5 – modułu sterowania pompą ciepła, 6 – modułu sprzęgła hydraulicznego o dużej pojemności.. Fot. VaillantFot. 4. System hybrydowy złożony z 1 – pompy powietrze-woda, 2 – wysokowydajnego kotła kondensacyjnego, 3 – systemowego regulatora pogodowego, 4 – zasobnika ciepłej wody, 5 – modułu sterowania pompą ciepła, 6 – modułu sprzęgła hydraulicznego o dużej pojemności.. Fot. Vaillant

Jakie rozwiązania?

Fot. 5. Dobór pompy cieplnej o mniejszej mocy grzewczej, pracującej z zakresie wyższych temperatur powietrza zewnętrznego, oznacza obniżenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Fot. DaikinFot. 5. Dobór pompy cieplnej o mniejszej mocy grzewczej, pracującej z zakresie wyższych temperatur powietrza zewnętrznego, oznacza obniżenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Fot. Daikin

W układach hybrydowych sprawdzi się przede wszystkim powietrzna pompa ciepła z możliwością podłączenia zewnętrznego kotła kondensacyjnego lub hybrydowa centrala z wbudowanym kotłem, dzięki któremu nie ma konieczności stosowania dodatkowego źródła ciepła, np. w postaci grzałki zanurzeniowej. Często więc urządzenia – pompa ciepła powietrze-woda typu Split i kocioł kondensacyjny o mocy grzewczej 3,2 – 19 kW – są połączone w jednej obudowie. Na zewnątrz znajduje się zaś jednostka z zabudowanym osprzętem pompy. Jednostki wewnętrza i zewnętrzna są połączone ze sobą przewodami o małej średnicy, dlatego przekucia przez ściany budynku będą nieznaczne.
Jeśli zależy nam na kompleksowym rozwiązaniu, możemy wybrać dodatkowo pompę z wbudowanym zasobnikiem c.w.u. oraz sterownikiem. Uzupełnieniem systemu będzie systemowy regulator pogody pozwalający dynamicznie reagować na zmiany temperatury zewnętrznej, moduł sterowania oraz moduł sprzęgła hydraulicznego o dużej pojemności.
Co interesujące, regulatory i sterowniki hybryd niejednokrotnie są przystosowane do aktywnej współpracy z instalacją fotowoltaiczną, dzięki czemu można zmaksymalizować zyski energetyczne, czerpiąc „darmowy prąd” ze słońca.

Erwin Szczurek, koordynator sprzedaży systemów grzewczych, DaikinErwin Szczurek
koordynator sprzedaży systemów grzewczych, Daikin

Zdaniem EKSPERTA
Hybrydowa pompa ciepła: system w zasadzie bez wad

Hybrydowa pompa ciepła łączy w sobie wszystkie zalety pompy ciepła typu powietrze-woda i gazowego kotła kondensacyjnego, czyli dwóch obecnie najtańszych i najpopularniejszych bezobsługowych źródeł ciepła. Dzięki temu w eksploatacji daje znacznie korzystniejsze wyniki (o około 30%) niż każde z tych dwóch źródeł indywidualnie, a nawet niż połączenie ich w układ biwalentny, z uwagi na pracę hybrydową optymalizującą efektywność.
Standardowy system biwalentny pracuje zazwyczaj alternatywnie albo biwalentnie równolegle, ale wtedy w obszarze stosunkowo niskich efektywności pompy ciepła, uniemożliwiając wykorzystanie zalet współpracy obydwu źródeł.
Średnioroczne efektywności pompy ciepła w układzie hybrydowym wyrażone spółczynnikiem SCOP wynoszą około 5,0 choć możliwe są i wyższe wartości. W wyniku optymalizacji efektywności układu hybrydowego obszar współpracy dwu źródeł występuje temperaturowo pomiędzy samodzielną pracą pompy ciepła, a samodzielną pracą kotła. Zazwyczaj jest to przedział 5-6 K w obszarze temperatur około 0oC. W tym właśnie przedziale częstotliwość występowania temperatur otoczenia powoduje, że do ogrzewanego budynku dostarczamy najwięcej energii w ciągu roku, a zatem mamy największy potencjał generowania oszczędności eksploatacyjnych.
Praca hybrydowa charakteryzuje się znacznie wyższą efektywnością niż ma to miejsce w wypadku samodzielnej pracy poszczególnych źródeł ciepła zarówno indywidualnie, jak i w dowolnych układach biwalentnych. Ogromnym atutem rozwiązania hybrydowego jest też automatyka, której zadajemy tylko ceny nośników energii: prądu i gazu, a ona sama decyduje, z którego źródła i w jakim stopniu korzystać, dając znaczące korzyści w wypadku podwyżki cen jednego z mediów.
Niestandardowo również realizowany jest podgrzew ciepłej wody użytkowej. Dzięki dodatkowemu wymiennikowi przepływowemu zapewniającemu bezpośrednią wymianę ciepła do CWU bez problemu uzyskiwane oszczędności w stosunku do dwufunkcyjnych kotłów osiągają 20%. Przepływowy podgrzew CWU ogranicza nam też wymaganą przestrzeń dla urządzeń, gdyż eliminuje konieczność montowania zasobnika, a dzięki bezpośredniej wymianie ciepła uzyskujemy bardzo wysoki stopień odzysku ciepła z kondensacji. Hybrydowa pompa ciepła doskonale dostosowana jest również do ogólnopolskiego programu dotacyjnego o nazwie Prosument, gdyż w przeciwieństwie do tradycyjnych kotłów korzysta z odnawialnej energii i zapewnia jednocześnie, konsumpcję pozyskiwanej z fotowoltaiki energii elektrycznej.
Temperaturowy zakres pracy do 80 st. C i wydajności grzewcze do 27 kW to atrakcyjne parametry w porównaniu z dostępnymi na rynku, a wszystko to w stosunkowo nie wielkim urządzeniu i atrakcyjnej cenie.
Hybrydowa pompa ciepła może zapewniać również chłodzenie latem, co przy coraz lepszej izolacyjności budynków nabiera coraz większego znaczenia.

Pomoc w modernizacji

Systemy hybrydowe oparte o pompy ciepła współpracujące z kotłami kondensacyjnymi to rozwiązanie polecane zwłaszcza w przypadku termomodernizacji budynków. Powietrzną pompę ciepła możemy zainstalować bez większego remontu czy przeróbek – łączy się ona bezpośrednio z istniejącym już systemem grzewczym.
Jeśli budynek ma podłączenie do sieci gazowej lub – tym bardziej – już korzysta z gazowego lub olejowego źródła grzewczego, doposażenie instalacji w pompę ciepła pozwoli na znaczące zredukowanie kosztów. Wykorzystanie starszego kotła bowiem również jest możliwe, jednak nie będzie już mowy o cyfrowej komunikacji pomiędzy źródłami ciepła. Mimo to sterownik nadal może efektywnie zarządzać pracą urządzenia – regulacja jego pracy będzie opierała się na pomiarze temperatury wody w buforze (sygnał załączający lub wyłączający kocioł będzie w ten sposób przekazywany z pompy ciepła do kotła).
Nie zapominajmy, że włączenie pompy ciepła w działającą już, starszą instalację wymagałoby od inwestora zakupu nowych grzejników. Połączenie w jednym systemie pompy oraz kotła, np. kondensacyjnego, sprawia, że nie jest to konieczne.

Fot. 6. Gazowy kocioł kondensacyjny obsługuje obciążenie szczytowe, gdy w wyjątkowo zimne dni nie można pozyskać wystarczającej ilości ciepła z atmosfery. Fot. ViessmannFot. 6. Gazowy kocioł kondensacyjny obsługuje obciążenie szczytowe, gdy w wyjątkowo zimne dni nie można pozyskać wystarczającej ilości ciepła z atmosfery. Fot. Viessmann

Hybrydy do nowych budynków?

Według niektórych instalatorów pomysł montażu systemu hybrydowego pompa ciepła + kocioł kondensacyjny jest nieuzasadniony z ekonomicznego punktu widzenia. Inwestor musi ponieść koszty montażu pompy typu split, wydatki znacząco rosną, jeśli do działki trzeba doprowadzić instalację gazową. Kupujący często decydują się zatem na pracę pompy ciepła w początkowym okresie inwestycji oraz późniejsze doprowadzenie paliwa do kotła. Kluczowa w tej sytuacji jest moc grzewcza pompy. W układach hybrydowych wynosi zazwyczaj kilka kW, należy się więc zastanowić, czy przez pierwszy okres będzie w stanie pokryć zapotrzebowanie na ciepło.

Autor Artur Radomski – Product Manager w firmie Nabilaton Sp. z o.o.Autor Artur Radomski
Product Manager w firmie Nabilaton Sp. z o.o.

Zdaniem EKSPERTA
Czy rozbudowując istniejący system grzewczy z kotłem gazowym o powietrzną pompę ciepła konieczna jest ingerencja w instalację grzejnikową i jej modernizacja?

Przy zastosowaniu pompy ciepła do istniejącego systemu grzewczego, należy zwrócić szczególną uwagę na różnicę w wytwarzaniu ciepła i funkcjonowaniu pompy ciepła w stosunku do kotła gazowego. Pierwszym istotnym aspektem jest temperatura zasilania systemu grzewczego, która dla pompy ciepła powinna wynosić maksymalnie 45°C, jeśli chcemy uzyskać niskie koszty eksploatacji. Jeżeli instalacja grzejnikowa była wysokotemperaturowa, to jej modernizacja będzie konieczna. Drugim wysoce istotnym i często pomijanym aspektem jest różnica temperatury pomiędzy zasilaniem, a powrotem. W celu efektywnej i bezawaryjnej pracy pompy ciepła tzw. delta temperaturowa (Δt) powinna wynosić 5K (w zależności od modelu pompy ciepła max. 12 K). W przypadku wysokotemperaturowych systemów grzewczych, grzejniki kalkulowane są na spadek temperatury rzędu 20K. W takich przypadkach instalację grzejnikową również należy poddać modernizacji i dostosować do nowych parametrów pracy. Podsumowując: przed zastosowaniem pompy ciepła do istniejącej instalacji grzejnikowej, należy sprawdzić, czy grzejniki będą w stanie współpracować z nowym źródłem ciepła tzn. czy przy nowych parametrach zasilania i powrotu będą w stanie zapewnić komfort cieplny. Przy doborze samej pompy ciepła, należy zwrócić uwagę, czy wyposażona jest w funkcję adaptacyjną, czyli czy posiada możliwość zdefiniowania przez użytkownika intensywności pracy pompy ciepła. Nowoczesne pompy ciepła Nabilaton Pro wyposażono w funkcję adaptacji do instalacji grzejnikowej przez wybór intensywności pracy fast.

Jak dobieramy urządzenia?

W przypadku instalacji hybrydowych zazwyczaj któreś ze źródeł ciepła wyróżnia się niższą mocą grzewczą w stosunku do potrzeb cieplnych budynku. Dzięki zamontowaniu w systemie wysokosprawnego źródła ciepła o niższej mocy grzewczej, jak chociażby pompa ciepła, można pokryć do 70-80% zapotrzebowania na energię grzewczą (niższa moc grzewcza pompy niż w sytuacji, gdy ma ona pokrywać 100% potrzeb cieplnych, sprawia ponadto, że zmniejszają się koszty eksploatacyjne) – z obliczeń jednego z producentów wynika, że przy obciążeniu cieplnym 14 kW 70% zapotrzebowania pokrywanych jest przez pompę, a pozostałe 30% przez kocioł. Oznacza to, że w instalacji hybrydowej moc grzewcza kotła dobierana jest dla maksymalnego zapotrzebowania budynku na ciepło, a powietrznej pompy – odpowiednio do danej instalacji.

Fot. 7. Układ optymalizuje koszty ogrzewania, bazując na pracy pompy ciepła oraz załączając kocioł gazowy tylko wtedy, kiedy jest to opłacalne. Fot. ViessmannFot. 7. Układ optymalizuje koszty ogrzewania, bazując na pracy pompy ciepła oraz załączając kocioł gazowy tylko wtedy, kiedy jest to opłacalne. Fot. Viessmann

Tylko z nowoczesnym sterownikiem

Oczywiście, praca systemu jest możliwa dzięki wspomnianym nowoczesnym sterownikom do zarządzania. Układ reguluje i kontroluje pracę zarówno pompy ciepła, jak i kotła kondensacyjnego, ale również wentylacji z odzyskiem ciepła czy kolektorów słonecznych. Co interesujące, regulator stale kontroluje efektywność pracy pompy ciepła, czyli jej COP. Sterownik tak zarządza systemem, aby w danej chwili z największą mocą pracowało to urządzenie, które zasili instalację grzewczą po najniższych kosztach. Dzięki temu nie musimy manualnie ustawiać zakresu temperatury zewnętrznej dla każdego źródła ciepła ani wyliczać, w jaki sposób wykorzystać taryfę dwuczłonową. Niektóre modele nowoczesnych sterowników umożliwiają nawet wprowadzenie cen energii w taryfie dziennej i nocnej czy weekendowej wraz z dokładnym określeniem godzin obowiązywania danych taryf. Ponadto kocioł i pompa ciepła „komunikują się” ze sobą, dzięki czemu możliwe jest np. dogrzanie wody przez kocioł, ale tylko o kilka brakujących stopni.
Można śmiało założyć, że rozwiązania hybrydowe będą coraz popularniejsze. Niezawodność ogrzewania (ewentualna awaria jednego źródła grzewczego nie ma wpływu na drugie) i energooszczędność systemu to tylko niektóre z argumentów.

Iwona Bortniczuk
Na podstawie materiałów: NIBE, Vaillant, Daikin, Viessmann

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here