Układy hybrydowe – odpowiedź na wymagania WT 2021 i dekarbonizację

Układy hybrydowe, czyli korzystające z co najmniej dwóch różnych form energii do produkcji ciepła, będą zyskiwały na popularności. Wszystko za sprawą wymagań WT 2021 oraz planowanego wycofania samodzielnych urządzeń grzewczych na paliwa kopalne. Dziś urządzenia stosowane samodzielnie zwykle nie umożliwiają spełnienia wymagań 2021. Już od 2024 r. samodzielnych urządzeń na paliwa kopalne nie będzie można stosować. Pozostaną urządzenia hybrydowe.

Analizy obliczeniowe (przygotowane m.in. przez dr inż. Piotra Jadwiszczaka z Politechniki Wrocławskiej i Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła czy dr inż. Ewę Zaborowską z Politechniki Gdańskiej) wskazują, że stosowane dotychczas źródła ciepła nie są w stanie samodzielnie spełnić rosnących wymagań wobec wartości energii pierwotnej (E_P, kWh/m² rok) zużywanej przez budynki. Wartości te określono w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Warunki Techniczne).

Wniosek? W powstających i modernizowanych budynkach konieczne będzie łączenie urządzeń wykorzystujących energię z co najmniej dwóch źródeł (przy założeniu odpowiedniej izolacyjności przegród i stolarki). Z rynkowego punktu widzenia, to okoliczność sprzyjająca popularyzacji i rozwojowi systemów łączących tradycyjne urządzenia grzewcze. Takie zestawienia urządzeń znane są jako układy hybrydowe.

Układy hybrydowe

Hybrydowy układ urządzeń grzewczych to rozwiązanie korzystające z (co najmniej) dwóch form energii do produkcji ciepła. Mowa zarówno o cieple na cele ogrzewania, jak i do produkcji ciepłej wody użytkowej. W praktyce zwykle jest to:

• połączenie kotła opartego o zasilanie konwencjonalne (np. gaz ziemny, gaz płynny, olej opałowy) z urządzeniem korzystającym z energii odnawialnej, najczęściej kolektora słonecznego lub
• zastosowanie centrali grzewczej z wbudowaną pompą ciepła i dodatkową współpracującą z urządzeniami solarnymi – zwykle z kolektorem słonecznym, a wspomagająco także z modułem fotowoltaicznym.

Układy hybrydowe od przypadkowego zestawienia urządzeń grzewczych, działających w oparciu o różne formy energii, różnią się podejściem systemowym. Komponenty układu hybrydowego są wyjściowo przystosowane do współpracy oraz spięte odpowiednim systemem automatyki. Dzięki temu możliwe jest zoptymalizowanie pracy układu i najlepsze – zarówno pod względem ekonomicznym, jak i technicznym – wykorzystanie różnych źródeł energii.

Gotowe grzewcze urządzenie hybrydowe!

Poznaj przyszłościowe urządzenie hybrydowe MAGIS PRO z oferty Immergas!

Obok oszczędności eksploatacyjnych, dodatkową korzyścią z zastosowania układu hybrydowego jest swego rodzaju bezpieczeństwo energetyczne budynku. W przypadku awarii jednego źródła ciepła, drugie może tymczasowo przejąć całość ogrzewania, co poprawia komfort użytkowników.

Układy hybrydowe a zbiornik buforowy

Zadaniem zbiornika (zasobnika) buforowego jest wyrównanie różnic między energią wytwarzaną przez urządzenie grzewcze a ciepłem oddanym.

Współpraca z konwencjonalnymi urządzeniami grzewczymi polega na tym, że zbiornik buforowy przejmuje energię wytworzoną w procesie spalania paliwa i umożliwia jej wykorzystanie do zasilania obiegu grzewczego, zależnie od potrzeb. Zbiornik buforowy jest niezbędny, jeśli elementem układu hybrydowego jest kolektor słoneczny (niezależnie od tego, czy wykorzystany do produkcji c.o. czy c.w.u). W przypadku przygotowywania przez układ solarny c.w.u, zbiornik buforowy umożliwia uzupełnienie niedoborów ciepła, jeśli energia słoneczna jest niewystarczająca. Natomiast układ solarny dwufunkcyjny umożliwia magazynowanie w zbiorniku buforowym ciepła. Ciepło to w razie potrzeby może zostać wykorzystane także w celach grzewczych. Wówczas ciepło ze zbiornika buforowego nie tylko ogrzewa wodę użytkową, ale też służy do zasilania obiegów grzewczych.

Odpowiedniej wielkości zbiornik buforowy jest bardzo przydatny także w okresie przejściowym oraz na początku sezonu grzewczego, jeśli częścią układu hybrydowego jest pompa ciepła. Na początku sezonu grzewczego powietrze cechuje się dużą wilgotnością. Parownik pompy ciepła może więc zamarzać i wymagać odmrażania. Potrzeba na to, szczególnie na początku procesu, dużej ilości ciepła – doprowadzonego z centralnego ogrzewania, chyba, że instalacja wyposażona jest właśnie w zbiornik buforowy. Zapewnia on wówczas ciepło potrzebne do realizacji procesu odmrażania. Nie obciąża ogrzewania centralnego i eliminuje ryzyko awaryjnego zatrzymania urządzenia (tak dzieje się, jeśli temperatura spadnie poniżej zadanej na regulatorze). Użytkowanie zasobnika buforowego pozwala na realną oszczędność kosztów eksploatacyjnych, ponieważ dzięki jego zastosowaniu kocioł pracuje ekonomicznie.

Kolektory słoneczne współpracujące z kotłami zgazującymi drewno

Inwestorzy będą zainteresowani rozwiązaniami, które pozwolą im spełnić obowiązek prawny uzyskania odpowiednio niskiego wskaźnika EP budynku. Należy więc oczekiwać układów hybrydowych opartych o takie właśnie rozwiązania. Doskonałym przykładem są tu układy, w których podstawowym źródłem energii są urządzenia na biomasę drzewną (kotły zgazowujące drewno).

Z punktu widzenia obniżania wskaźnika EP, kotły na biomasę – mimo typowej dla kotłów na paliwo stałe niższej sprawności (wskaźniki zapotrzebowania na energię końcową EK dla takich kotłów są najwyższe, ze względu na niższą niż dla innych rozwiązań średnią sezonową sprawnością całkowitą na ogrzewanie i przygotowanie c.w.u.) – mają uprzywilejowaną pozycję. Na wartość wskaźnika EP ma bowiem wpływ (zgodnie z metodą obliczeniową zawartą w PN-EN ISO 13790:2009) wartość w_i. Jest to współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej na wytworzenie i dostarczenie nośnika energii. Dla biomasy drzewnej współczynnik ten wynosi w_i=0,2. Dla porównania, dla sprężarkowej pompy ciepła w_i=3, ponieważ pobiera ona energię elektryczną z sieci. Zatem zastosowanie nowoczesnego kotła na biomasę (np. kotła na pelety z automatycznym podajnikiem) pozwala na spełnienie wymogów WT 2021. Dodatkowe oszczędności eksploatacyjne można osiągnąć, stosując kolektory słoneczne.

Dlatego w ofertach producentów można znaleźć zestawy, które optymalnie łączą możliwości kotłów zgazowujących drewno i kolektorów słonecznych. W zestawie takim znajdują się:

• kocioł na biomasę drzewną (najczęściej pelety) z biwalentny zasobnikiem c.w.u;
• kolektor słoneczny;
• zbiornik buforowy;
• układ regulacji.

Wchodzący w skład zestawu kocioł wyposażony jest wówczas w odpowiednie przyłącza do obiegu solarnego. Kolektory i kocioł są zgrane pod względem wielkości i wyposażenia hydraulicznego. Całość uzupełnia sterownik, który reguluje współpracę źródła ciepła-zbiornik buforowy-obiegi grzewcze.

Rolą takich układów może być wyłącznie przygotowanie c.w.u. (nawet nawet do 100% wydajności poza sezonem grzewczym), ale coraz większe zainteresowanie budzą też układy dwufunkcyjne, wspomagające obiegi grzewcze – w takim zestawie można pokryć nawet do 60% rocznego zapotrzebowania na ciepło do celów ogrzewczych. Zestawy takie są szczególnie polecane do budynków nowych, gdzie na etapie projektu (np. lokalizacji domu na działce czy stopnia i kierunku nachylenia dachu) można wziąć pod uwagę plan ich zastosowania. Prawidłowy dobór instalacji dwufunkcyjnej wymaga uwzględnienia szeregu parametrów obliczeniowych, stąd do jej zwymiarowania warto użyć odpowiedniego programu symulacyjnego.

Sterowanie układem hybrydowym

Największą zaletą eksploatacyjną tak rozumianego systemu hybrydowego okazuje się nie tylko współpraca urządzeń. Ważna jest także elastyczność w wyborze najbardziej ekonomicznego w danym momencie źródła ciepła. Dlatego właśnie kluczowe jest, by układ hybrydowy złożony z kotła i pompy ciepła był wyposażony także w odpowiedni system automatyki. Przykładem może być odpowiedni sterownik pracy zarówno pompy ciepła, jak i kotła, współpracujący z regulatorem pogodowym. Tak skonfigurowane sterowanie umożliwia bezobsługową optymalną pracę układu – nie jest konieczna ingerencja użytkownika.

Układ automatycznej regulacji punktu biwalentnego ocenia, które źródło ogrzewania budynku będzie przy danych warunkach pogodowych i eksploatacyjnych najbardziej opłacalne. Odbywa się to na podstawie bieżącego szacowania kosztów uzyskiwania ciepła z obu źródeł. Tak regulowany układ automatycznie decyduje, które ze źródeł ciepła jest w danym momencie źródłem podstawowym. Dzięki temu koszt produkowanej energii cieplnej jest najniższy, bez szkody dla komfortu użytkowników. Przykładowo, pompa ciepła pracuje do granicznej temperatury zewnętrznej (np. -10˚C), a dopiero po jej przekroczeniu pracę podejmuje kocioł. W tak sterowanych układach hybrydowych pompa ciepła może pokryć ok. 80% zapotrzebowania na ciepło.

Ponieważ sprężarkowa pompa ciepła do działania potrzebuje energii elektrycznej z sieci, notowania tego rozwiązania pod kątem współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w_i są niskie (w_i wynosi aż 3,0). Powodowane przez to podwyższanie wskaźnika energii pierwotnej można skompensować przez pozyskiwania „czystej” energii elektrycznej. Dlatego układy hybrydowe z pompą ciepła często zawierają też przyłącze do modułu fotowoltaicznego (PV). Moduły PV wykorzystują energię słoneczną do produkcji energii elektrycznej. Mogą być dobrym rozwiązaniem obniżającym zapotrzebowanie nieodnawialnej energii końcowej np. do napędu sprężarkowych pomp ciepła. Inwestorzy zainteresowani pompami ciepła mogą więc zwrócić większą uwagę także na układy fotowoltaiczne, których zastosowanie pomoże spełnić wymagania WT 2021.

Układy hybrydowe a modernizacja

Aby zmodernizować konwencjonalną kotłownię, można przekształcić ją w układ hybrydowy przez dodanie odpowiedniej pompy ciepła. Odpowiednio zwymiarowana, pozwoli na obniżenie kosztów eksploatacyjnych (opłaty za ogrzewanie) nawet o 60% rocznie. Wówczas kocioł już pracujący w instalacji pozostaje w roli źródła szczytowego. Pompa ciepła natomiast (najczęściej powietrze/woda, ze względu na łatwość i stosunkowo niski koszt realizacji takiego rozwiązania) podejmuje pracę przez większość sezonu grzewczego.

Tego rodzaju modernizacja – optymalna pod względem kosztu inwestycji i korzystna dla kosztów eksploatacyjnych – dobrze sprawdzi się np. dla domów jednorodzinnych lub mniejszych budynków wielorodzinnych, ogrzewanych kotłami na paliwa konwencjonalne – np. olej opałowy lub gaz.

Biorąc pod uwagę zasadę regulacji układu hybrydowego (czyli – źródłem podstawowym jest to, które w danej chwili umożliwia tańszą produkcję energii), dobierając moc pompy ciepła, należy zwrócić uwagę na cenę produkcji energii cieplnej w kotle – im jest wyższa, tym większą moc pompy ciepła się zaleca. Takie rozwiązanie umożliwi dłuższy czas pracy pompy, a tym samym obniżenie kosztów ogrzewania.

Literatura

1. P. Jadwiszczak, A.Trząski: Wentylacja i ogrzewanie w nowych przepisach. Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki – stan na 2017 i 2021. Wydawnictwo Medium, 2016.
2. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia.
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki oraz ich usytuowanie (tekst jednolity Dz.U. z 2022 r. poz. 1225)
4. E. Zaborowska: Charakterystyka energetyczna budynków mieszkalnych wielorodzinnych w perspektywie wymagań 2017–2021. Rynek Instalacyjny, styczeń/luty 2017.
5. materiały firm: Arotherm, Herz, Hewalex, Vaillant