Hybrydowe ogrzewanie to ogrzewanie więcej niż jednym źródłem ciepła. Poniżej napiszę o powietrznej pompie ciepła i kotle gazowym, z wyeksponowaniem tego, czego zwykle nie podają w jasnej formie producenci i dystrybutorzy powietrznych pomp ciepła.

Do ogrzewania budynków stosuje się różne urządzenia grzewcze i ich rozmaite konfiguracje. Ta różnorodność stymulowana jest rozwojem urządzeń grzewczych oraz potrzebami oszczędzania i ochrony środowiska naturalnego.

Z hybrydowym ogrzewaniem budynków spotykamy się w naszym kraju od dawna. W latach 90. tworzono hybrydowe ogrzewanie poprzez dostawianie kotła gazowego do już istniejącego kotła stałopalnego na węgiel lub drewno oraz na inne bardziej wyszukane „paliwa”.

Od kilkudziesięciu lat intensywnie rozwijane są urządzenia grzewcze, które nie wytwarzają toksycznych spalin i szkodliwych pyłów, a jednocześnie wykorzystują już istniejące ciepło i energię środowiska naturalnego. Należą do nich: instalacje solarne i fotowoltaiczne, elektrownie wiatrowe, turbiny wodne oraz różnego rodzaju pompy ciepła wykorzystujące ciepło zawarte w ziemi, wodzie bądź powietrzu.

Powietrzna pompa ciepła

Dobrym rozwiązaniem hybrydowego ogrzewania jest kocioł gazowy, koniecznie kondensacyjny, i powietrzna pompa ciepła. Ten zestaw zwykle realizowany jest w już istniejących budynkach, w których pracuje kocioł gazowy. Takie rozwiązanie jest możliwe również w projektowanych budynkach.

Tu należy raczej odwrócić tok myślenia i stwierdzić, że jeśli inwestor decyduje się na zakup powietrznej pompy ciepła do ogrzewania budynku mieszkalnego, to powinien również zainwestować w dodatkowe, pełnosezonowe źródło ciepła, np. gazowy kocioł kondensacyjny.

Na polskim rynku znajdują się już najbardziej nowatorskie rozwiązania urządzeń grzewczych hybrydowych, które w obudowie jednostki wewnętrznej zawierają powietrzną pompę ciepła i kocioł kondensacyjny (fot. 1 i 2). Taki zespół jednostki wewnętrznej może być instalowany nawet w łazience.

Siedlaczek211-2OK

Fot. 2. Jednostka zewnętrzna hybrydowej pompy ciepła powietrze – woda. (z archiwum firmy Daikin).

Powietrzne pompy ciepła należą do najintensywniej rozwijanych w Europie w ostatnich kilkunastu latach, a ich udział stale rośnie we wszystkich krajach i regionach, również tych „zimnych”, jak Skandynawia, gdzie stosuje się pompy o najwyższej wydajności cieplnej. Istnieją już od wielu lat, w Europie i poza nią, powietrzne pompy ciepła, które przy temperaturze powietrza do -25oC zaspokajają ogrzewanie budynku bez konieczności dodatkowego źródła ciepła i są w stanie podgrzewać wodę użytkową do temperatury nawet 90oC. Czynnikiem roboczym tych pomp jest dwutlenek węgla, który jest naturalnym czynnikiem chłodniczym.

W naszym klimacie stosuje się najczęściej czynniki sztuczne, jak: R407A i R407C, które należą do substancji kontrolowanych. Istotną cechą dwutlenku węgla jest możliwość jego schłodzenia w stanie ciekłym do temperatury aż -56,6oC (wartość punktu potrójnego na wykresie fazowym). Im niższa możliwa temperatura czynnika chłodniczego w obiegu pompy ciepła, tym większa możliwość odbioru ciepła z zimniejszych mediów. Dodatkową cechą wyróżniającą czynnik CO2 jest znacznie wyższe ciśnienie robocze w obiegu pompy, rzędu 80-100 barów, w porównaniu do pomp z czynnikami R407A i R407C, gdzie występują maksymalne ciśnienia robocze rzędu 20-30 barów. Wiąże się to z koniecznością budowy odpowiednio wytrzymałej konstrukcyjnie pompy ciepła i w konsekwencji ze znacznie wyższymi kosztami jej zakupu, które mogą stanowić istotną barierę popularności.

Są zalety…

Powietrzne pompy ciepła posiadają wiele zalet, m.in.:

* wykorzystują najbardziej dostępne źródło ciepła – powietrze,

* relatywnie łatwo i szybko można je zainstalować i podłączyć do instalacji grzewczych,

* nie wymagają, w przeciwieństwie do pomp gruntowych, stosowania specjalistycznego sprzętu, typu: wiertnica, koparka czy spychacz,

* nie wymagają terenu o znacznej powierzchni (jak gruntowe źródło ciepła, zwłaszcza kolektorowe),

* prace montażowe i instalacyjne są znaczenie tańsze w porównaniu do prac z pompami gruntowymi i wodnymi.

…są i wady

Poza zaletami mają też charakterystyczne niekorzystne cechy, o których nie ma jasnych informacji w opisach technicznych powietrznych pomp ciepła. Niektóre informacje są podawane w enigmatycznych określeniach technicznych, np.: COP, A7W35 itp., niezrozumiałych wystarczająco dobrze dla przyszłego użytkownika. Pomijane są też często istotne sprawy w opisach pomp, jak np. graficzna charakterystyka wydajności cieplnej pomp w zależności od temperatury powietrza. Stąd może wystąpić u użytkowników powietrznych pomp ciepła pewien zawód i niedosyt satysfakcji z ich posiadania. Pełna świadomość cech powietrznych pomp ciepła powinna być podstawą do podjęcia decyzji przez przyszłego użytkownika.

Charakterystyka

Na wykresie przedstawiona jest typowa, graficzna charakterystyka wydajności energetycznej powietrznej pompy ciepła pracującej z czynnikiem roboczym R407A lub R407C. Trzy wznoszące się krzywe wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej, opisane: THV = 35oC, THV = 45oC, THV = 55oC, oznaczają moc grzewczą pompy dla trzech różnych temperatur zasilania instalacji grzewczej: 35, 45 i 55oC. Moc grzewcza pompy jest sumą dwóch mocy: chłodniczej – wytwarzanej przez agregat pompy ciepła i mocy elektrycznej – pobieranej przez sprężarkę pompy powietrznej. Zastosowano uproszczoną charakterystykę graficzną pompy.

Na uwagę zasługuje gwałtowny spadek wydajności mocy powietrznych pomp ciepła wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej: z ok. 12 kW dla temperatury zewnętrznej +18oC (temp. zasilania 35oC) do ok. 5 kW dla temperatury zewnętrznej -15oC. Warto też zauważyć, że im wyższa temperatura zasilania, tym bardziej obniża się wydajność pompy, a także fakt, że w tym przypadku zasilanie czynnikiem grzewczym o temperaturze 55oC kończy się przy temperaturze zewnętrznej ok. -7oC. Poniżej tej temperatury zewnętrznej pompa ciepła nie jest w stanie nagrzać wody grzewczej do wymaganej temperatury 55oC.

Pompy powietrzne, podobnie jak i pompy ze źródłami gruntowymi i wodnymi, nadają się najbardziej do ogrzewania podłogowego lub ściennego, tj. takiego, które oddaje ciepło do pomieszczenia dużą powierzchnią grzewczą. Możliwe jest wówczas stosowanie niskich temperatur zasilania, nawet znacznie poniżej 35oC, rzędu 26-28oC. Takie rozwiązanie uzasadnione jest głównie obniżeniem kosztów eksploatacyjnych ogrzewania.

Linie proste, poziome w dolnej części wykresu oznaczają zapotrzebowanie pompy na energię elektryczną, jaką czerpie sprężarka pompy. Pobór prądu jest tym wyższy, im większa jest temperatura zasilania instalacji przez pompę ciepła. W rzeczywistości charakterystyki poboru prądu przez sprężarkę mają zmienny przebieg, jednak na tyle niewielki, że nie rzutuje to na dokładność naszych rozważań dotyczących wydajności energetycznej powietrznych pomp ciepła.

Obie charakterystyki – mocy grzewczej i poboru mocy elektrycznej – pozwalają obliczyć współczynnik sprawności energetycznej pompy ciepła, tzw. współczynnik COP, dla danej temperatury zewnętrznej i temperatury na zasilaniu. Zmienia się on znacznie wraz ze zmianą temperatury zewnętrznej.

Charakterystyki poboru energii elektrycznej nie uwzględniają najczęściej poboru prądu przez pompy obiegowe zamontowane fabrycznie w pompach ciepła i poboru prądu przez inne elementy pompy. Uwzględnienie poboru energii elektrycznej przez te dodatkowe podzespoły obniży wartość współczynnika COP. Ten „szczegół” może być zaskoczeniem dla użytkownika, kiedy przy porównaniu wyników teoretycznych (obliczonych wg danych producenta) z wynikami eksploatacyjnymi, zauważy istotną, niekorzystną różnicę.

W celu wyznaczenia współczynnika COP należy moc grzewczą (MG) podzielić przez pobór mocy elektrycznej (PME):

COP = MG/PME

Na podstawie wykresu charakterystyki pompy ciepła oszacowano współczynnik COP dla temperatury zewnętrznej równej +7, +2 i -15oC oraz temperatury zasilania 35oC. Wyniki zamieszczone są w tabeli.

siedlaczek211tab

Jeśli założymy, że przy temperaturze zewnętrznej +7oC pompa ciepła ma 100% wydajności grzewczej, to przy temperaturze +2oC będzie miała 80%, a przy temperaturze -15oC już tylko 60%. Ten drastyczny spadek mocy grzewczej powietrznej pompy ciepła występuje w okresach zwiększonego zapotrzebowania na ogrzewanie.

Jaką wartość współczynnika COP można uznać za zadowalającą? Aby oszacować tę wartość, należy porównać koszty ogrzewania energią elektryczną i np. gazem ziemnym. Jeśli przyjmiemy, że w naszych warunkach kształtuje się to w relacji 3:1, to przy COP większym od 3 koszt ogrzewania pompą ciepła będzie tańszy niż gazem. Poniżej COP 3 będzie droższy.

Na wykresie znajduje się jeszcze jedna linia prosta opadająca wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej.

Siedlaczek211wykres

Wykres. Charakterystyka powietrznej pompy ciepła. TZ – temperatura zasilania, BW – punkt biwalentny dla TZ = 35oC, MGxx – moc grzewcza pompy dla wybranych temperatur zewnętrznych, PME35 – pobór mocy elektrycznej przez sprężarkę dla temperatury zasilania TZ = 35oC.

Jest to linia wyznaczająca przewidywane zapotrzebowanie mocy grzewczej dla danego budynku. W skrajnych punktach możemy odczytać, że przy temperaturze zewnętrznej -15oC zapotrzebowanie wynosi 9 kW, a przy temperaturze 18oC jest już niepotrzebne: 0,0 kW.

Linia przewidywanego zapotrzebowania mocy grzewczej przecina się z krzywymi mocy grzewczej pompy ciepła. Punkt przecięcia, odpowiadający temperaturze zewnętrznej -4oC dla krzywej THV = 35oC, jest granicą, poniżej której powietrzna pompa ciepła nie zaspokaja potrzeb grzewczych budynku i konieczne jest korzystanie z dodatkowego źródła ciepła. Ten punkt nosi nazwę: „punkt zmiany ogrzewania” lub „punkt biwalentny”.

Biwalentna praca

Zastosowanie dodatkowego źródła ciepła wspólnie z powietrzną pompą ciepła tworzy zespół nazywany ogrzewaniem hybrydowym. Współpraca takiego zespołu może odbywać się na kilka sposobów, m.in.:

* biwalentny, alternatywny – gdzie pompa ciepła pracuje do punktu biwalentnego, po czym całe ogrzewanie budynku przejmuje drugie źródło ciepła, np. kocioł gazowy,

* biwalentny, równoległy – gdzie pompa ciepła pracuje cały czas, a poniżej punktu biwalentnego wspólnie z dodatkowym źródłem ciepła.

Który z tych sposobów jest lepszy? Ten, który pozwala na optymalne i niezawodne sterowanie automatyczne. W układach hybrydowych napotykamy na problemy ze sterowaniem automatycznym. Na tę kwestię powinien przyszły użytkownik, jak i instalator centralnego ogrzewania, zwrócić szczególną uwagę. Zapewnienie dobrego sterowania automatycznego układów hybrydowych zaczyna się już na etapie projektowania instalacji grzewczej. Obowiązuje zasada: im prostsza instalacja grzewcza, tym łatwiejsze, skuteczniejsze i mniej zawodne sterowanie.

Z grzałką w tle

Niemniej jednak powietrzne pompy ciepła, podobnie jak i pompy gruntowe czy wodne, są produkowane już jako urządzenia hybrydowe, ponieważ wyposażone są w dodatkowe źródło ciepła w postaci grzałki elektrycznej. Jest ona zasilana prądem trójfazowym i jej moc może być regulowana w zakresie od 2 do 9 kW w zależności od typu pompy.

Grzałka elektryczna wykorzystywana jest najczęściej, zanim zostanie osiągnięty punkt biwalentny. W przypadku niższych temperatur powietrza (od +7oC) i wysokiej wilgotności może dochodzić do kondensacji pary wodnej na płytkach wymiennika ciepła w jednostce zewnętrznej pompy lub nawet do tworzenia się na nich szronu. W takiej sytuacji konieczne jest zapobieganie tym zjawiskom w celu utrzymania sprawności wymiennika poprzez włączanie grzałki elektrycznej i odparowanie wilgoci lub szronu, co odbywa się zwykle automatycznie.

Przy znacznie niższych temperaturach i przekroczeniu punktu biwalentnego włącza się grzałka i pompa jest wspomagana dodatkowym grzaniem elektrycznym. Przy temperaturze powietrza już od -15oC może następować całkowite wyłączenie się pompy powietrznej i przejęcie całego ogrzewania przez grzałkę elektryczną. Jest to swego rodzaju zabezpieczenie przed pracą pompy z zerową wydajnością i w konsekwencji jej uszkodzeniem.

Zwykle użytkownik nie zauważa tych zmian i dopiero gdy otrzymuje wysoki rachunek za prąd, dowiaduje się, czym ogrzewał budynek – najdroższym rodzajem energii. Parametry pracy pompy powietrznej, takie jak punkt biwalentny, wyłączenie się pompy przy niskich temperaturach powietrza, są ustawiane fabrycznie, ale mogą być odpowiednio zmieniane w regulatorze pompy przez instalatora lub użytkownika.

Podobnie użytkownik może być zaskoczony wysokim rachunkiem za prąd w okresie letnim, kiedy używa pompy ciepła tylko do podgrzewania wody. Przy zbyt wysokich temperaturach powietrza, powyżej +35oC, również następuje automatyczne wyłączenie pompy ze względu na niebezpieczeństwo przegrzania i uszkodzenia uzwojenia elektrycznego silnika sprężarki. Tę niespodziankę łatwo wyeliminować odpowiednim ustawieniem okresów pracy pompy na podgrzewanie wody w ciągu doby.

Znajomość szczególnych cech powietrznych pomp ciepła pozwoli z większą rozwagą i trafnością podjąć odpowiednie decyzje oraz wyeliminuje najbardziej bolesne niespodzianki, jakie w tym przypadku czyhają na przyszłych użytkowników.

dr inż. Jan Siedlaczek

Fot. główne. Hybrydowa pompa ciepła powietrze – woda z kotłem kondensacyjnym w jednej obudowie, (z archiwum firmy Daikin).

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij