Hybrydowe systemy grzewcze: kocioł kondensacyjny + powietrzna pompa ciepła

Hybrydowe systemy grzewcze znane są już od dawna. Wszędzie tam, gdzie zastosowano dwa źródła ciepła można mówić o hybrydowym ogrzewaniu. Ciekawym rozwiązaniem jest połączenie w jednej instalacji powietrznej pompy ciepła z kotłem gazowym lub olejowym. Może to być szczególnie atrakcyjne rozwiązanie dla budynków ogrzewanych gazem płynnym lub olejem.

Fot. 1. Hybrydowa pompa ciepła dostosowana jest do ogólnopolskiego programu dotacyjnego Prosument. Fot.: Daikin

Modernizacja ogrzewania

Niezależnie od rodzaju stosowanego paliwa, wymiana urządzenia grzewczego przyniesie względnie niskie oszczędności, które wynikają jedynie z poprawy sprawności. Znacznie korzystniejsze może okazać się dołożenie do instalacji powietrznej pompy ciepła. Najmniej kłopotliwa w montażu będzie powietrzna pompa ciepła typu Split. Powinna pokrywać większość zapotrzebowania na ciepło budynku, a kocioł załączać się tylko w czasie silnych mrozów. Taka instalacja pracuje w trybie biwalentnym alternatywnym lub mieszanym.
Głównym problemem zastosowania pomp ciepła w starszych instalacjach może być wysoka temperatura wody grzewczej, na jaką zostały zaprojektowane. Z drugiej strony, po ociepleniu budynku i wymianie okien, nawet stara instalacja może potrzebować wody o niskiej temperaturze. Często w rozmowie z właścicielami takich domów można usłyszeć, że w czasie silnych mrozów ustawiają na kotle temperaturę wody zasilającej ogrzewanie domu na poziomie 50 ‑ 60°C. Takie temperatury będą optymalne dla kotła kondensacyjnego, a i pompa ciepła powinna sobie poradzić.

Praca pompy ciepła

W zależności od rodzaju i sposobu zaprojektowania instalacji, pompy ciepła mogą pracować samodzielnie lub w kombinacji z innymi źródłami ciepła.
W monowalentnym trybie pracy pompa ciepła jest jedynym źródłem ciepła. Samodzielnie pokrywa całe zapotrzebowanie na ciepło budynku i ciepło do ogrzewania wody użytkowej. Temperatura wody zasilającej instalację musi być niższa od maksymalnej, jaką może dostarczyć pompa ciepła. Moc grzewcza pompy ciepła jest co najmniej równa obliczeniowej mocy grzewczej budynku – pompy ciepła solanka-woda lub woda-woda.

Rys. 1. Monowalentny tryb pracy. Źródło: Viessmann

W biwalentnym – pompa ciepła wspomagana jest drugim źródłem ciepła, np. grzałką elektryczną, kotłem gazowym, olejowym lub na paliwo stałe. Pompa ciepła dobierana jest o mniejszej mocy grzewczej niż moc obliczeniowa budynku. Brakujące ciepło uzupełnia dodatkowe źródło ciepła.
Moc grzewcza pompy ciepła powinna wynosić co najmniej 50% obliczeniowej mocy grzewczej budynku. Dodatkowe źródło ciepła, w zależności od potrzeb, powinno być automatycznie załączone lub wyłączane przez regulator pompy ciepła.
Jeśli dodatkowym źródłem ciepła jest grzałka elektryczna, mówimy wówczas o trybie pracy monoenergetycznym – pompa ciepła i grzałka zasilane są energią elektryczną. Takie układy często stosuje się dla nowego budownictwa o potrzebnej niewielkiej mocy grzewczej, wyposażonego w ogrzewanie niskotemperaturowe, np. ogrzewanie podłogowe. Jest to polecane rozwiązanie dla pomp ciepła typu powietrze- woda z zabudowaną grzałką elektryczną.
Biwalentny równoległy – pompa ciepła samodzielnie pracuje do określonej temperatury zewnętrznej (tzw. punkt biwalentny). Poniżej tej temperatury załączone jest dodatkowe źródło ciepła, które równocześnie pracuje z pompą ciepła. Uzupełnia brakującą moc grzewczą lub dogrzewa wodę do wyższej temperatury.

Rys. 2. Tryb biwalentny równoległy. Źródło: Viessmann

Biwalentny alternatywny tryb pracy – do osiągnięcia punktu biwalentnego, pompa ciepła samodzielnie pokrywa obciążenie grzewcze budynku. Przy niższych temperaturach zewnętrznych jest wyłączona i całe zapotrzebowanie na ciepło dostarcza dodatkowe źródło ciepła, np. kocioł gazowy.

Rys. 3. Biwalentny alternatywny tryb pracy. Źródło: Viessmann

Biwalentny mieszany tryb pracy – po osiągnięciu punktu biwalentnego załącza się dodatkowe źródło ciepła. Do określonej w automatyce temperatury zewnętrznej lub temperatury wody grzewczej, równocześnie z pompą ciepła pracuje dodatkowe źródło ciepła. Potem pompa zostaje wyłączona i całe zapotrzebowanie na ciepło pokrywa dodatkowe źródło ciepła.
Układy biwalentne często stosowane są w modernizowanych instalacjach, jak również w nowych budynkach o dużym zapotrzebowaniu na ciepło, dla obniżenia kosztów inwestycji.

Rys. 4. Tryb pracy biwalentny mieszany. Źródło: Viessmann

Hybrydowe ogrzewanie

W modernizowanych instalacjach, dla obniżenia kosztów inwestycji, często pozostawia się dotychczasowe źródło ciepła i dokłada pompę ciepła o mocy grzewczej pokrywającej częściowe zapotrzebowanie na ciepło budynku. Można w ten sposób uzyskać najlepszy stosunek kosztów inwestycji do korzyści wynikających z obniżenia kosztów ogrzewania. Będą one tym większe, im droższe jest stosowane paliwo. Właściwa modernizacja kotłowni opalanej gazem płynnym lub olejem opałowym, może przynieść obniżenie kosztów ogrzewania budynku nawet o połowę.
Tradycyjne rozwiązanie wymagać może sporo miejsca, bo w kotłowni znajdzie się kocioł grzewczy, pompa ciepła, podgrzewacz wody użytkowej i najczęściej również zasobnik buforowy wody grzewczej.
Gdy moc grzewcza pompy ciepła jest wystarczająca, kocioł jest blokowany. Automatyka pompy ciepła sprawdza czy pompa jest w stanie samodzielnie osiągnąć wymaganą temperaturę na zasilaniu instalacji grzewczej w określonym czasie. Jeśli nie – regulator podejmuje decyzję o załączeniu kotła.

Fot. 2. Vitocaldens 222-F Fot.: Viessmann

Dobór mocy

W instalacji hybrydowej moc grzewcza kotła powinna zostać dobrana dla maksymalnego zapotrzebowania na ciepło budynku, a powietrznej pompy ciepła – odpowiednio do danej instalacji i oczekiwanego efektu.
W przypadku gazu płynnego i oleju opałowego, punkt biwalentny instalacji powinien zapewnić samodzielną pracę pompy ciepła do temperatur zewnętrznych między -3 a -10°C. Tym samym, moc grzewcza pompy powinna zawierać się w zakresie od 55% do 70% zapotrzebowania budynku na ciepło. W tym przedziale uzyskuje się najlepszy efekt kosztów inwestycji w stosunku do oszczędności na kosztach ogrzewania. Koszty ogrzewania będą o około 10‑20% wyższe niż w układzie monowalentnym (zastępujemy stary kocioł pompą ciepła i grzałką elektryczną), ale koszty inwestycji zmniejszą się nawet o 40%. W nowych budynkach, o niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło, optymalnym rozwiązaniem może być pompa ciepła współpracująca z grzałką elektryczną (układ monowalentny).

Hybrydowa pompa ciepła

Fot. 3. Hybrydowa pompa ciepła łączy w sobie wszystkie zalety pompy ciepła typu powietrze-woda i gazowego kotła kondensacyjnego. Fot.: Daikin

W ofercie producentów spotkamy różne rozwiązania hybrydowych pomp ciepła. Jednym z takich urządzeń jest połączenie w jednej obudowie pompy ciepła powietrze-woda typu Split i kotła kondensacyjnego o mocy grzewczej 3,2 ‑ 19 kW, zasilanego gazem ziemnym lub płynnym.
Na zewnątrz budynku znajduje się jednostka zewnętrzna pompy ciepła. W jednostce zewnętrznej zabudowany jest osprzęt modułu pompy ciepła, kocioł kondensacyjny i zasobnik warstwowy c.w.u. o pojemności 130 litrów. Jednostka zewnętrzna połączona jest z wewnętrzną cienkimi przewodami, którymi przepływa czynnik chłodniczy pompy ciepła. Niepotrzebne są więc duże przekucia przez ściany budynku.
Zasobnik warstwowy, mimo małej pojemności, może w ciągu pierwszych 10 minut poboru dostarczyć 182 litrów ciepłej wody użytkowej o temperaturze 45°C.
O ile połączenie w jednej instalacji kilku źródeł ciepła nie jest niczym wyjątkowym, to sposób ich wzajemnej współpracy może być interesujący i daje duże możliwości.
Pracą kotła i pompy ciepła steruje regulator pogodowy z automatyczną adaptacją punktu biwalentnego. Stale kontroluje efektywność pracy pompy ciepła – jej COP. Na podstawie ceny energii elektrycznej i gazu, sprawdza który sposób ogrzewania będzie w danej chwili najkorzystniejszy. Jeżeli efektywność pracy pompy ciepła generuje wyższy koszty ogrzewania niż gazem, pompa ciepła jest wyłączana i całe potrzebne ciepło dostarcza kocioł gazowy.
W zależności od potrzeb, hybrydowa pompa ciepła może pracować w trzech trybach: pracuje tylko kocioł gazowy; pracuje tylko pompa ciepła; pompa ciepła wstępnie ogrzewa wodę a kocioł gazowy dogrzewa ją do wymaganej temperatury. O wyborze odpowiedniego decyduje regulator, który wybiera najkorzystniejszy w danej chwili sposób ogrzewania. W ten sposób, powietrzna pompa ciepła może dostarczać w ciągu roku nawet 80% ciepła potrzebnego do ogrzewania domu.
Regulator steruje również pracą zabudowanych w urządzeniu energooszczędnych pomp obiegowych. Dąży do utrzymania optymalnej różnicy temperatury wody grzewczej, pomiędzy zasilaniem i powrotem z ogrzewania, optymalnej dla efektywnej pracy pompy ciepła.
To nie wszystko, bo regulator hybrydy przystosowany jest do współpracy z instalacją fotowoltaiczną. Pozwala maksymalnie wykorzystać darmowy prąd ze słońca na własne potrzeby, również do ogrzewania domu.
Przez połączenie pompy ciepła i gazowego kotła kondensacyjnego uzyskuje się bardzo szeroki zakres modulacji mocy grzewczej hybrydy, od maksymalnie 1,3 do 19 kW, jak również szeroki zakres temperatury wody grzewczej, która może być ogrzewana do 55°C przez pompę ciepła. Do 70°C może ją dogrzać kocioł gazowy. A pracujący samodzielnie kocioł gazowy może ogrzewać wodę grzewczą do nawet 80°C. W ten sposób można efektywnie i oszczędnie ogrzewać również starsze budynki.
Dodatkowa zaleta takiej hybrydy to brak konieczności stosowania zasobnika buforowego wody grzewczej w instalacji z grzejnikami lub z zasilanym bezpośrednio ogrzewaniem podłogowym (bez zaworu mieszającego). Zmniejsza to ilość potrzebnego miejsca i obniża koszty inwestycji.
Spora liczba starych instalacji daje duży potencjał wykorzystania pomp ciepła, bez konieczności rezygnowania z ogrzewania gazem czy olejem. Modernizacja ogrzewania może być jednak trudna do przeprowadzenia. Nie każdy zgodzi się żeby w zagospodarowanym i od lat pielęgnowanym ogrodzie wykonać wymiennik gruntowy. Lub, żeby w znacznym stopniu przerobić instalację ogrzewania domu. Dlatego właśnie powietrzne pompy ciepła, również w układach hybrydowych, mają największy potencjał zastosowania przy modernizacji. Nie potrzebują dużo miejsca, pracują w pełni automatycznie i mogą znacznie obniżyć koszty ogrzewania budynku.

Krzysztof Gnyra