Układ hybrydowy pompa ciepła powietrze/woda – kondensacyjny kocioł gazowy
Powietrzne pompy ciepła są obecnie bardzo popularnym urządzeniem rozważanym jako źródło ciepła dla nowopowstających lub modernizowanych budynków. Niestety, bardzo często planując inwestycję, nie bierze się pod uwagę aspektów technicznych urządzenia.
Moc grzewcza pompy ciepła jest zależna od temperatury zewnętrznej, przez co może okazać się, że dobrana jednostka przy niższych temperaturach będzie miała niewystarczającą moc, aby ogrzać budynek. Przykładowo, pompa ciepła przy temperaturze zewnętrznej 10° C wytwarza 64.8 kW mocy grzewczej, ale już przy -14° C moc grzewcza wynosi jedynie 30.5 kW. (dane dotyczą modelu z katalogu Hoval). Należy o tym pamiętać, dobierając urządzenie – musi ono zapewnić ogrzewanie przez cały rok, jednak niesie to ze sobą ryzyko znacznego przewymiarowania – tak niskie temperatury nie występują ciągle, tak więc pompa ciepła może być zbyt duża względem zapotrzebowania budynku na ciepło przez dłuższy okres czasu – narażając przez to inwestora na zbyt duży wydatek. Oczywiście, można również kompensować braki mocy grzewczej w okresach ostrej zimy stosowaniem grzałek elektrycznych, ale to również drastycznie podnosi koszty użytkowania pompy ciepła, jako że cena energii elektrycznej jest wysoka – a wiele wskazuje na to, że będzie jeszcze rosła. Grzałki elektryczne są również stosowane w sytuacji, gdy pompa ciepła nie może pracować – gdy temperatura zewnętrzna ma za niską wartość, niemożliwa jest praca pompy (w zależności od producenta, z reguły ~ -20° C). Może to doprowadzić do sytuacji, gdzie koszty energii będą znacząco przewyższać przewidywania właściciela dotyczące kosztów wytworzenia ciepła.
Hoval jako producent urządzeń grzewczych – zarówno pomp ciepła jak i kotłów gazowych, proponuje rozwiązanie w postaci układu biwalentnego złożonego z dwóch wymienionych źródeł ciepła. Celem takiego systemu jest jego oszczędna i efektywna praca, eliminująca wady pompy ciepła opisane wcześniej. Ideą układu jest nierównomierne procentowe pokrycie zapotrzebowania – kocioł gazowy dobierany jest na 100% mocy grzewczej, natomiast pompa ciepła jedynie 20-30%. Wynika to z faktu, że zapotrzebowanie jest wyliczane dla temperatur zależnych od stref klimatycznych, które są niskie (np. dla Warszawy -20 ° C). Analiza średnich temperatur powietrza w ciągu roku pokazuje jednak, że taka temperatura występuje rzadko, a więc zapotrzebowanie budynku na ciepło jest odpowiednio niższe. Nasze doświadczenia w doborze % udziału mocy pompy ciepła w układzie obrazuje wykres:
Jak widać, pompa ciepła o mocy 23% pozwala na ogrzanie obiektu przez 45% roku, zwiększenie jej udziału do 30% pozwala na pracę przez 60% roku. Rozważanie pompy o mocy większej niż 40% obliczonego zapotrzebowania jest ekonomicznie nieopłacalne – w tym zakresie następuje znaczne wypłaszczenie wykresu, co oznacza, że wzrost dni pracy pompy jest bardzo mały, a zakupione urządzenie będzie przewymiarowane i narazi klienta na wysokie koszty zakupu.
Oczywiście, nie oznacza to, że pompa ciepła nie będzie pracować wyłącznie przez 45% roku – pracować będzie przez wszystkie dni, kiedy temperatura powietrza na zewnątrz nie osiągnie temperatury minimalnej, natomiast urządzenie nie dostarczy wtedy wymaganej mocy cieplnej. Tą uzyskamy przy pomocy gazowego kotła kondensacyjnego UltraGas®2, jak również zapewnimy użytkownikowi bezpieczeństwo energetyczne w krótkich okresach, gdy występują silne mrozy powodujące wyłączenie pompy ciepła. W przypadku doboru kotła sprawa jest prosta – dobieramy go na 100% zapotrzebowania obliczonego dla budynku. Dzięki temu rolę drogiej energii elektrycznej przejmuje paliwo gazowe – układ nie wymaga stosowania grzałek oraz daje użytkownikowi gwarancję ciepła w budynku. Nie bez znaczenia są również koszty inwestycji – dla układu 200 kW koszt zakupu kotła oraz jednej pompy ciepła stanowią mniej niż 50% ceny zakupu dla pomp ciepła o takiej mocy.
Ideą pracy takiego układu jest jak najdłuższa praca pompy ciepła i wykorzystanie kotła jako źródła szczytowego. Propozycja schematu hydraulicznego dla takiego układu przedstawia się następująco:
Całość układu jest połączona ze sobą – pompa ciepła pracuje na bufor o odpowiedniej pojemności zapewniający odpowiedni odbiór ciepła z generatora i długą pracę przy sprzyjających warunkach. Oczywiście, przy większych mocach może to być kaskada pomp ciepła, nie ma ku temu żadnych przeciwwskazań. Przed buforem z reguły znajduje się wymiennik (wariant B ze schematu), tak aby wewnątrz budynku stosować wodę jako czynnik grzewczy. Jest to rozwiązanie stosowane powszechnie w obecnie projektowanych pompach ciepła. Bardziej innowacyjne są rozwiązania po prawej stronie bufora – kluczowy jest tu kocioł UltraGas®2 oraz jego charakterystyki:
- Duża pojemność wodna
- Brak minimalnego wymaganego przepływu
- Brak wymaganej temperatury minimalnej na powrocie wody do kotła
- Brak wymagań dotyczących ΔT pomiędzy zasilaniem a powrotem
Cechy te pozwalają na połączenie króćca zasilającego z bufora – z górnej części, gdzie woda jest najbardziej wygrzana – do króćca powrotnego kotła. Następuje potem przepływ wody przez kocioł do instalacji, czy to na obiegi grzewcze, czy też do podgrzewu wody w zasobniku. W sytuacji, gdy pompa ciepła wytwarza odpowiednią ilość ciepła, kocioł nie pracuje – stanowi wtedy dodatkowy bufor magazynujący energię, na przykład w okresach przejściowych w ciągu dnia temperatura pozwala na wydajną pracę i zmagazynowanie ciepła, aby w nocy je wykorzystać bez dodatkowych kosztów. Natomiast w momencie, gdy temperatury podawane do układu przez pompę są zbyt małe, następuje uruchomienie kotła i dogrzanie wody w instalacji. Warto zaznaczyć, że jest to oszczędniejsza praca kotła – dostaje on wodę wstępnie podgrzaną, a zatem ΔT do zrealizowania przez gazowe źródło ciepła jest mniejsza, zatem zużycie gazu jest również mniejsze względem samodzielnej pracy UltraGas®2. Automatyka kotła steruje obiegami grzewczymi, dostosowując wymaganą temperaturę dla poszczególnych obiegów wg nastaw użytkownika. Takie rozwiązanie eliminuje również problem z okresowym przegrzewem zasobnika – czyli okresowym wygrzaniem wody do wysokich temperatur celem eliminacji zagrożenia Legionellą – jako że kocioł może osiągać temperatury wymagane do takiego zadania, co jest niemożliwe dla większości powietrznych pomp ciepła dostępnych na rynku. Zakres dostępnych modeli UltraGas®2 sięga 1,5 MW mocy grzewczej, zatem z łatwością można dobrać kocioł o odpowiedniej mocy grzewczej dla każdego układu. Dostępne pompy ciepła Belaria® fit 53 oraz 85 o mocach grzewczych 53 kW, oraz 85 kW (dla temperatury powietrza zewnętrznego 2° C) również pozwalają na dobranie urządzeń odpowiednich do układu o odpowiedniej mocy – dla dużych budynków istnieje wspomniana wcześniej możliwość kaskadowania pomp ciepła.
