Układy hybrydowe pompa ciepła z kotłem gazowym W sam raz do domów istniejących

Transkrypt

1 Układy hybrydowe pompa ciepła z kotłem gazowym W sam raz do domów istniejących Paweł Lachman Czy rozwiązania hybrydowe, np. kocioł gazowy z pompą ciepła, zastąpią kotły na propan, olej lub węglowe? Dlaczego największy potencjał ich wykorzystania może się kryć w ogromnych zasobach domów już istniejących i jak spowodować, by układy te były maksymalnie opłacalne? Od września 2015 r. wchodzą w życie regulacje unijne związane z dyrektywami unijnymi ErP i ELP, co wymusi istotne zmiany w technice grzewczej, również w Polsce. Wycofanie z produkcji urządzeń niekondensacyjnych spowoduje, że kotły kondensacyjne staną się rozwiązaniem standardowym. A ponieważ będą w stanie uzyskać jedynie klasę energetyczną A, przestaną być traktowane (tak jak do tej pory) jako urządzenia klasy premium. Jaka technologia ma szansę zastąpić kotły kondensacyjne na ich pozycji? Można się domyślać, że urządzenia lub ich zestawy o wyższych klasach energetycznych, czyli A+ lub A++. Potencjał dla hybryd Obecnie na rynku urządzeń grzewczych w Europie jedną z najszybciej rozwijających się technologii są pompy ciepła typu powietrze-woda i powietrze-powietrze. Dotyczy to zarówno elektrycznie zasilanych sprężarkowych pomp ciepła, jak i gazowych absorpcyjnych pomp ciepła. Urządzenia te będą w stanie osiągnąć klasy A+ i A++, a w rozbudowanych zestawach nawet A+++. Duże znaczenie dla szybkiego rozwoju rynku tych urządzeń mają niskie koszty ogrzewania oraz znaczny udział energii ze źródeł odnawialnych przekazywanej przez pompy ciepła jest to minimum 60% dla sezonowego współczynnika efektywności SCOP 2,5 oraz 71% przy współczynniku SCOP 3,5. W niektórych krajach pompy ciepła dominują na rynku urządzeń grzewczych stosowanych w nowych budynkach jednorodzinnych. W Szwecji ich udział w tym segmencie sięga ponad 90%, w Szwajcarii ponad 80%, a w Austrii ponad 70%. W Niemczech jest to 33%, natomiast w Polsce wartość ta ciągle nie przekracza 10% (wg szacunków PORT PC w 2014 r. pompy ciepła zainstalowano w około 7% nowych budynków jednorodzinnych). Jednak moim zdaniem, największy potencjał w zakresie stosowania pomp ciepła, szczególnie hybrydowych (z kotłem gazowym), tkwi w istniejących zasobach starszych budynków jednorodzinnych. W Polsce można je szacować na prawie 99% łącznych zasobów budowlanych budynków jednorodzinnych. Ma - so we stosowanie hybrydowych pomp ciepła w nowych budynkach w Polsce raczej wydaje się wątpliwe. Biorąc pod uwagę koszty inwestycyjne, bardziej opłacalne jest zainstalowanie samej pompy ciepła z zabudowaną grzałką elektryczną jako szczytowym źródłem ciepła. Na ostatnich targach ISH we Frankfurcie, które odbyły się w marcu 2015 r., układy hybrydowe: kondensacyjny kocioł gazowy (głównie wiszący) plus pompa ciepła (głównie w wersji split), umieszczone w jednej obudowie lub obok siebie, były absolutnym hitem i pojawiły się jednocześnie w ofercie kilkunastu producentów. Rozwiązania te umożliwiają realizację kilku funkcji: centralnego ogrzewania, podgrzewania wody użytkowej i chłodzenia. Hybrydowe pompy ciepła w istniejących budynkach Co przede wszystkim przemawia za stosowaniem w starszych budynkach rozwiązań hybrydowych z pompą ciepła? Argumentów jest wiele, a dotyczą one zarówno podejścia klientów docelowych do nowych technologii, jak i kwestii technicznych, ekonomicznych czy też wymogów formalnych związanych z efektywnością energetyczną budynków poddawanych modernizacji. 1. Klasyfikacja energetyczna różnych technologii obowiązująca od 26 września 2015 r. oraz przykładowa etykieta zestawu z pompą ciepła Zaufanie i zainteresowanie klientów W Europie rynek kotłów gazowych jest obecnie największym rynkiem urządzeń grzewczych sprzedawanych jest prawie 8 mln takich kotłów. 38 Polski Instalator 3/2015

2 [ INSTALACJE GRZEWCZE -25 T emperatura zewnętrzna o C] Klimat chłodny (Helsinki) Klimat umiarkowany (Strasburg) Klimat ciepły (Ateny) Układ hybrydowy do małego domu jednorodzinnego: kocioł kondensacyjny dwufunkcyjny z monoblokową pompą ciepła powietrze-woda o mocy grzewczej 8 kw (dla A2/W35) Klienci mają więc duże doświadczenie i spore zaufanie do tej technologii. Według niektórych ekspertów, na rynkach zdominowanych przez kotły gazowe duży wzrost sprzedaży hybrydowych pomp ciepła jest bardziej prawdopodobny niż wzrost sprzedaży samych pomp ciepła. Połączenie kotła gazowego i pompy ciepła jest w pełni akceptowane jako połączenie znanej i sprawdzonej technologii z tą, którą klienci znają stosunkowo słabo. Chociaż w ostatnich latach nastąpiły bardzo duże zmiany na korzyść pomp ciepła, dalej znaczna część klientów nie ma pełnego zaufania (trzeba podkreślić, że niesłusznie) do efektywnej pracy tych urządzeń np. w niskiej temperaturze zewnętrznej.! O tym, czy hybrydowe pompy ciepła staną się produktem masowym, zadecyduje głównie cena tych urządzeń, a jest to związane ze skalą produkcji.! Zastosowanie hybrydowej pompy ciepła w istniejących instalacjach w budynkach, które poddano częściowej termomodernizacji, może być dobrą alternatywą dla kolejnych robót termomodernizacyjnych i przynieść znaczącą obniżkę kosztów ogrzewania oraz zwrot nakładów w dużo krótszym czasie Liczba godzin w roku 3. Przykładowy wykres pokazujący liczbę godzin pracy pompy ciepła w układzie hybrydowym w różnych miastach Europy zlokalizowanych w strefie chłodnej, umiarkowanej i ciepłej zależnie od wartości temperatury zewnętrznej Duży udział ciepła z OZE i strefy klimatyczne W wielu krajach cieplejszej części Europy (np. w Wielkiej Brytanii, Belgii, we Włoszech czy Francji) hybrydowe pompy ciepła stosowane są jako rozwiązanie realizujące pracę tzw. biwalentną, alternatywną do temperatury zewnętrznej 0 C. Oznacza to, że już w tej temperaturze pompa ciepła wyłącza się, a załącza się drugie źródło ciepła, czyli w tym wypadku kocioł gazowy. Regulacje unijne związane z dyrektywami unijnymi ErP i ELP wprowadzają w Europie rozróżnienie trzech różnych stref klimatycznych: ciepłej, umiarkowanej i chłodnej. W warunkach klimatu umiarkowanego, gdy pompa ciepła pracuje do temperatury 0 C, dostarcza ona ponad 80% ciepła na potrzeby c.o. i ponad 95% ciepła na potrzeby c.w.u., dodatkowo z bardzo wysoką efektywnością roczną (SCOP). Co ciekawe, w naszych obszarach nadmorskich I strefy klimatycznej (np., Słupsk, Świnoujście, Szczecin) rozkład temperatury zewnętrznej jest zbliżony do rozkładu temperatury w klimacie umiarkowanym (rys. 3), a zatem w skali roku ilość ciepła przekazywanego przez pompę ciepła w układach hybrydowych jest tam bardzo duża. W IV i V strefie klimatycznej (Zakopane,, ) rozkład temperatury jest już zbliżony do klimatu chłodnego (Helsinki niebieska linia na rys. 3). W II, III, IV i V strefie klimatycznej w Polsce korzystniejszą temperaturą przełączenia (biwalencyjną) hybrydowej pompy ciepła będzie -5 C (a nie 0 C). Opłacalność i pokrycie zapotrzebowania ciepła Znaczna część starszych domów jednorodzinnych w Polsce (szacuję, że około ) ma projektową temperaturę zasilania grzejników poniżej 60 C, przy projektowej temperaturze zewnętrznej -20 C. Gdy budynki te powstawały, instalacje centralnego ogrzewania były w nich oczywiście projektowane na wysokie parametry wody grzewczej, jednak po wymianie okien czy ociepleniu ścian wartości tych parametrów mogą być znacznie obniżone. Na przykład po wymianie stolarki okiennej i ograniczeniu infiltracji spadek częściowego zapotrzebowania mocy budynku o 33% prowadzi do obniżenia projektowej temperatury zasilania/ powrotu z 75/60 C do 60/50 C Ciepło dostarczane na potrzeby c.o. przez pompę ciepła i kocioł gazowy pracujące w układzie hybrydowym z temperaturą biwalencyjną -5 C zależnie od temperatury zewnętrznej (charakterystycznej dla Krakowa). Gdyby temperatura biwalencyjna wynosiła 0 C, udział ciepła przekazywanego przez pompę wyniósłby tylko 55%, a zapotrzebowania musiałby pokryć kocioł gazowy 39

3 Przy takim ustawieniu pompa będzie przekazywać ponad 70% całego potrzebnego ciepła w strefie IV i V (, ), blisko 90% w strefie II i III (, ) oraz około 98% w strefie klimatycznej I. Pokazuje to szczegółowo zestawienie na rys. 5. Warto pamiętać, że charakteryzuje się wyższą o około 3 C temperaturą zewnętrzną niż sąsiednie miejscowości, a jest to związane z efektem wyspy ciepła. Dane do obliczeń 44% 49% 61% 65% 72% 78% 76% 86% 91% 98% 0% 60% 80% 100% 1 Udział ciepła do -5 C Udział ciepła do 0 C 5. Udział ciepła wytwarzanego na potrzeby centralnego ogrzewania przez pompę ciepła pracującą w układzie hybrydowym z temperaturą graniczną 0 C oraz -5 C dla starszego budynku jednorodzinnego (graniczna temperatura grzania 17 C) i różnych jego lokalizacji. Obok mapka ze strefami klimatycznymi w Polsce 24% 24% 18% 14% Rozkład zapotrzebowania ciepła c.o. 31% 46% 37% 27% 26% 24% 14% 9% 2% POWYŻEJ +5 ST C POMIĘDZY +5 A 0 ST C PONIŻEJ 0 A I -5 ST C PONIŻEJ -5 ST C 6. Udział w pokryciu zapotrzebowania na ciepło do potrzeb c.o. przez pompę ciepła zainstalowaną w starszym budynku zlokalizowanym w różnych strefach klimatycznych Polski zależnie od przedziału temperatury zewnętrznej (graniczna temperatura ogrzewania 17 C) Statystyczne dane klimatyczne dla Polski, arkusze kalkulacyjne i analizy oparte o dane meteorologiczne Ministerstwa Infrastruktury i Rozwoju zostały zamieszczone na stronie internetowej PORT PC w zakładce materiały/arkusze. Przygotowano je na potrzeby obliczeń energetycznych w budownictwie i mogą być np. wykorzystywane w audytach energetycznych czy przy sporządzaniu świadectw. Bardzo przydatne są również w pracach projektowych i symulacjach energetycznych budynków, wykonywanych zawodowo lub w ramach zadań naukowo-badawczych. Typowy rok meteorologiczny do obliczeń energetycznych ISO został zaakceptowany przez CEN jako norma EN ISO (Hygrothermal performance of buildings Calculation and presentation of climatic data Part 4 Data for assessing the annual energy for cooling and heating systems). Tabela 1. Wartości temperatury zasilania wody grzewczej wynikające z krzywej grzewczej dla danej temperatury powietrza zewnętrznego Krzywa grzewcza (tangens kąta) krzywa grzewcza (0,7) 55 C (-20 C) krzywa grzewcza (1,0) 65 C (-20 C) krzywa grzewcza (1,3) 75 C (-20 C) Temperatura zewnętrzna -5 C 0 C 5 C 10 C 44 C 41 C 36 C 32 C 51 C 46 C 41 C 35 C 58 C 52 C 46 C 39 C Wysoka efektywność pomp ciepła (SCOP) Podczas ostatnich targów ISH we Frankfurcie wiele firm produkujących pompy ciepła powietrze-woda przedstawiło modele, których współczynnik COP dla parametrów A2/W35 (wg normy PN-EN 14511) osiągał lub przewyższał wartość 4,0. Jeszcze do niedawna COP dla przeciętnych pomp ciepła powietrze-woda wynosiło około 3,1 (wg wymogów znaku EHPA Q i obecnie wymogów Ecolabel z 2007 r. minimalny współczynnik COP wynosi 3,1). Jak ważny jest ten współczynnik przy temperaturze powietrza 2 C, pokazuje wykres na rys. 6. Zwróćmy uwagę, że przy temperaturze zewnętrznej w przedziale 0-5 C pompa ciepła pracująca w starszym budynku przekazuje na potrzeby centralnego ogrzewania od 30 do 46% ciepła oddawanego przez nią w całym sezonie grzewczym. Przyjrzyjmy się też tabeli 1. Dla przebiegu krzywej grzewczej osiągającej 55 C w obliczeniowej temperaturze zewnętrznej -20 C (tangens kąta 0,7) bardzo ważny jest wskaźnik COP dla parametrów A2/W35, natomiast dla krzywej grzewczej osiągającej 65 C w obliczeniowej temperaturze zewnętrznej -20 C (tangens kąta 1,0) ważniejszym wskaźnikiem jest COP dla parametrów A2/W45. Obecnie wartość SCOP dla nowych pomp ciepła powietrze-woda pracujących z krzywą grzewczą 0,7 i z temperaturą biwalencyjną -5 C wynosi pomiędzy 3,0 a 3,5. Wartości te pochodzą z obliczeń przeprowadzonych za pomocą programu symulacyjnego WP-OPT. Zgodnie z przewidywaniami Petera Hubachera, zwanego doktorem od pomp ciepła, ze szwajcarskiego stowarzyszenia branżowego FWS (wywiad z Peterem Hubacherem PI 9/2013), dzięki technologii sprężarek inwerterowych i znacznym zmianom konstrukcyjnym, w następnych pięciu latach roczna efektywność (SCOP) pomp ciepła typu powietrze-woda może zostać zwiększona do wartości 3,5-4,0. W przypadku pomp ciepła pracujących w układach hybrydowych w trybie alternatywnym do temperatury zewnętrznej -5 C będzie to dużo łatwiejsze do osiągnięcia. Realne oszczędności a koszty energii i paliw Poziom realnych oszczędności w kosztach ogrzewania budynku, jakie można osiągnąć, gdy będzie się wykorzystywać hybrydę pompę ciepła z kotłem gazowym w trybie pracy alternatywnej do -5 C, w stosunku do użytkowania samych kotłów gazowych, został zilustrowany 40 Polski Instalator 3/2015

4 w porównaniu do kotła gazowego 35% 24% 16% 17% 27% 18% 7. i kosztów ogrzewania przy wykorzystaniu hybrydowej pompy ciepła z kotłem gazowym (temperatura biwalencyjna -5 C) w porównaniu z użytkowaniem samego kotła na gaz ziemny. Uwzględniono cenę energii elektrycznej 58 gr/kwh (G11) w porównaniu do kotła gazowego 8. i kosztów ogrzewania przy wykorzystaniu hybrydowej pompy ciepła z kotłem gazowym (temperatura biwalencyjna -5 C) w porównaniu z użytkowaniem samego kotła na gaz ziemny. Uwzględniono cenę energii elektrycznej 52 gr/kwh (G12 50% na 50%)??? 36% 19% 15% 50% 35% 21% 36% 23% 38% SCOP3 SCOP3,5 SCOP4 38% 26% 43% 37% 22% 46% 39% 15% SCOP3 SCOP3,5 SCOP4 42% 23% 48% 31% to tylko 16%. Istotne znaczenie mają w tym układzie zarówno roczna efektywność pompy ciepła (SCOP), jak i ceny paliwa gazowego inwestycja przyniesie zdecydowanie większe oszczędności osobom korzystającym z kotłów na droższy gaz płynny propan niż tym, którzy korzystają z gazu ziemnego. Opłacalność inwestycji rośnie także przy wykorzystaniu tańszej taryfy za energię elektryczną. Opłacalność i lepsze wykorzystanie taryf Na rys. 10 przedstawione jest porównanie kosztów ogrzewania przy wykorzystaniu przeciętnej pompy ciepła powietrze-woda oraz innych źródeł ciepła. Jak widać, koszty zasilania centralnego ogrzewania przez pompę ciepła przy taryfie G12 (52 gr/kwh) są niższe od kosztów ogrzewania gazem aż do temperatury powietrza zewnętrznego -7 C (dla temperatury zasilania 45 C) oraz 2 C (dla temperatury zasilania 55 C). Zakładając, że koszt energii elektrycznej (taryfa dzienna) to 66 gr/kwh, średnioroczna sprawność kotła gazowego to 90% (w stosunku do ciepła spalania), koszt 1 kwh ciepła spalania z gazu ziemnego to 22,5 gr/kwh opłacalna minimalna wartość COP pompy ciepła przy taryfie dziennej wynosi: 66 22,5/0,9 2,64 Natomiast przy taryfie nocnej (np. 33 gr/kwh): w porównaniu do kotła propan 70% 67% 64% 65% 61% 63% 60% 60% 57% 57% 54% 56% 55% 53% 54% 51% 50% 51% 50% 47% 48% 47% 44% 42% 35% SCOP3 SCOP3,5 SCOP ,5/0,9 1,32 Zakładając, że w okresie letnim sprawność systemu podgrzewania wody kotłem gazowym kondensacyjnym spada tylko do około 70%, przy taryfie dziennej minimalna opłacalna efektywność pompy ciepła wynosić będzie: 66 22,5/0,7 2,05 9. i kosztów ogrzewania przy wykorzystaniu hybrydowej pompy ciepła z kotłem na propan (temperatura biwalencyjna -5 C) w porównaniu z użytkowaniem samego kotła na propan (2,15 zł/litr). Uwzględniono cenę energii elektrycznej 58 gr/kwh (G11) na rys. 7, 8, 9. W obliczeniach uwzględniono kilka miast w Polsce (,,, Warszawę, ) zlokalizowane w różnych strefach klimatycznych, a także obecne ceny energii elektrycznej, które wynoszą: 58 gr/kwh dla taryfy elektrycznej G11 (rys. 7 i 9), 52 gr/kwh dla taryfy G12 (rys. 8); oraz obecne ceny gazu: 22,5 gr/kwh ciepła z gazu ziemnego (rys. 7 i 8), 2,5 zł/l propanu (rys. 9). Jak widać, w najbardziej optymistycznym wariancie oszczędności mogą dochodzić do blisko 70%, w najmniej korzystnym będzie A dla taryfy nocnej (33 gr/kwh): 33 22,5/0,7 1,03 Dokładne porównanie kosztów przy różnych cenach energii elektrycznej i różnych rodzajach gazu pokazuje szczegółowo rys. 11. Zastosowanie inteligentnego managera energii, który będzie zarządzał pracą pompy ciepła, pozwala uzyskać możliwie jak najniższe koszty 41

5 INSTALACJE GRZEWCZE Minimalne COP pompy ciepła [gr/kwh] 10. Porównanie kosztów ogrzewania budynku przy różnej temperaturze zewnętrznej przy wykorzystaniu pompy ciepła powietrze-woda oraz innych urządzeń grzewczych 12. Porównanie kosztów ogrzewania przez pompę ciepła z kosztami ogrzewania kotłem na gaz ziemny lub propan Min. COP w porównaniu z kotłem gazowym 3,0 2,80 2,5 2,40 2,0 2,18 2,00 1,5 1,20 1,0 0,93 0,77 0,60 0, ,60 1,56 1,24 1,03 0,80 1,29 1,87 1,80 1,54 1,40 1,20 1, Koszt 1 kwh energii elektrycznej [gr/kwh] Min. COP w porównaniu z kotłem gaz ziemny - c.o. Min. COP w porównaniu z kotłem propan - c.o. Min. COP w porównaniu z kotłem gaz ziemny - c.w.u. Min. COP w porównaniu z kotłem propan - c.w.u. 11. Minimalne COP pompy ciepła przy współpracy z kotłem na gaz ziemny lub propan eksploatacyjne dzięki optymalnemu wykorzystaniu taryf energetycznych. Wtedy, gdy efektywność (COP) pompy ciepła jest wystarczająco wysoka, pompa będzie pracować. Gdy jej efektywność spada poniżej granicy opłacalności, włącza się kocioł gazowy. Jak wynika z przedstawionych obliczeń, w okresie letnim (poza sezonem grzewczym) opłacalność załączenia pompy ciepła jest największa. Na rys. 13 pokazana jest charakterystyka COP dla przykładowej pompy ciepła typu powietrzewoda o stosunkowo wysokiej efektywności oraz wartości COP dla przebiegu krzywej grzewczej, która zapewnia projektową temperaturę zasilania przy temperaturze na zewnątrz -20 C (czarna, przerywana linia). Z wykresu wynika, że np. jeżeli pompa ciepła jest zasilana energią elektryczną w cenie 58 gr/kwh (G11), to nie powinna pracować poniżej temperatury -5 C. Zależnie od ceny energii elektrycznej granica temperaturowa efektywnej pracy pompy ciepła może wynosić nawet -15 C Charakterystyka COP pompy ciepła oraz krzywa grzewcza (przerywana linia) Efektywne przygotowanie ciepłej wody poza sezonem Dzięki wysokiej temperaturze powietrza zewnętrznego poza sezonem grzewczym można uzyskać stosunkowo wysoką efektywność podgrzewu c.w.u. Większość pomp ciepła typu powietrzewoda charakteryzuje się wysokim współczynnikiem COP dla temperatury zewnętrznej powyżej 10 C (COP powyżej 3,5 dla temperatury zasilania wody grzewczej 55 C przez około 165 dni w roku dla lokalizacji ). W okresie letnim zastosowanie pompy ciepła powietrze-woda jest jednym z najtańszych sposobów przygotowania ciepłej wody. Koszt podgrzewu c.w.u. dla 4-osobowej rodziny (200 l/dobę, temp. 55 C) nie przekracza 50 zł miesięcznie. Ponadto, w przypadku wielu budynków jednorodzinnych, zmniejszenie zużycia gazu ziemnego może pozwolić na zmianę taryfy. Przy zużyciu gazu poniżej 1200 m3/rok jest możliwe przejście z droższej taryfy gazowej W3 na tańszą taryfę W2. Może to przynieść dodatkowe oszczęd- ności kosztów stałych opłat wynoszące około 300 zł rocznie. Chłodzenie jako wartość dodana Większość pomp ciepła hybrydowych może również chłodzić pomieszczenia. Wymaga to dodatkowego zamontowania w budynku kilku klimakonwektorów. W przypadku chłodzenia aktywnego obieg w pompie ciepła zostaje odwrócony. Instalacja w budynku staje się dolnym źródłem ciepła powietrze zewnętrzne odbiera ciepło z pompy ciepła. W następnej części artykułu przedstawię kolejne argumenty za układami hybrydowymi, związane z ochroną środowiska oraz wpływem tych układów na sieci elektroenergetyczne. O AUTORZE Paweł Lachman, prezes zarządu Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła Polski Instalator 3/2015