Czy warto łączyć pompę ciepła z kotłem na inne paliwa?

Część: 10 Systemy hybrydowe

Przed zastanowieniem się nad sensownością stosowania systemów hybrydowych warto wyjaśnić parę pojęć. Najprostsza forma instalacji pompy ciepła to system „monowalentny”. W tym przypadku całe niezbędne ciepło zapewniane jest wyłącznie dzięki pompie ciepła. Choć wiele systemów działa właśnie w taki sposób, większość instalacji wyposażona jest w dodatkową grzałkę elektryczną. Ponieważ zarówno grzałka, jak i pompa ciepła używają tego samego nośnika energii (prądu), tego typu systemy noszą nazwę „monoenergetycznych”.

Foto: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.

Foto: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V.

Czym jest system hybrydowy?

W przypadku, gdy oprócz pompy ciepła w systemie grzewczym pracuje inny generator ciepła (na przykład piec gazowy lub olejowy), mówimy o systemach „biwalentnych”. Pojęciem „hybrydowy” określane są najczęściej systemy, w których dwa agregaty grzewcze stanowią jedno urządzenie, lub co najmniej posiadają wspólną jednostkę sterującą.

Na rynku dostępne są zarówno urządzenia z dominującą pompą ciepła dodatkowo wyposażoną w niewielki mocowo „szczytowy” kocioł grzewczy, jak i kotły gazowe lub olejowe o mocy grzewczej zdecydowanie większej niż dodatkowa, niewielka pompa ciepła.

Z jakich powodów można by rozważać instalację systemu hybrydowego?

Pierwszym z powodów mogłoby być duże zapotrzebowanie na energię grzewczą danego domu i związaną z tym niezbędną moc grzewczą. Gdyby pompa ciepła nie byłaby w stanie zapewnić odpowiedniej ilości ciepła w każdych warunkach, należałoby „wesprzeć” ją dodatkowym urządzeniem grzewczym. Przy odpowiednim doborze pompy ciepła, opisana sytuacja jest w domach jednorodzinnych mało prawdopodobna. Wyniki badań monitoringowych dobitnie wskazują, że pompy ciepła są w stanie dostarczyć odpowiednią ilość ciepła nawet w przypadku bardzo niskich temperatur zewnętrznych, albo pokrywając całe zapotrzebowanie autonomicznie, albo z niewielkim udziałem grzałek elektrycznych (porównaj część 2 oraz 5 serii). Problem zbyt małej mocy cieplnej występować może w przypadku większych budynków wielorodzinnych, ze względu na limitujące źródło ciepła.

Drugim z powodów jest aspekt ekologiczny. Wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej, maleje efektywność pomp ciepła. Poniżej pewnej wartości, w połączeniu z energią elektryczną, której produkcja bazuje na kopalnych źródłach energii, użycie kotła gazowego może powodować mniejszą emisję dwutlenku węgla niż zastosowanie pompy ciepła. Temat ten omówiony został w siódmej części prezentowanej serii.

Trzecim z powodów jest ekonomia. Efektywność pompy ciepła, zależna od temperatury zewnętrznej, jest decydująca dla chwilowych kosztów eksploatacyjnych instalacji. Poniżej pewnej wartości, może być bardziej opłacalne chwilowe grzanie kotłem gazowym, a nie pompą ciepła.

Oba wyżej wymienione aspekty, ekologia i ekonomia, zależne są opócz efektywności pompy ciepła również od innych parametrów. W przypadku ekologii, a więc dążenia do możliwie najmniejszej emisji dwutlenku węgla, są to wskaźniki emisji energii elektrycznej. Natomiast w przypadku ekonomi dominującym parametrem jest cena energii elektrycznej, względnie gazu ziemnego.

Poniższa grafika wskazuje, od jakiej temperatury zewnętrznej korzystniejsze jest działanie pompy ciepła lub kotła gazowego z obu perspektyw, ekologicznej oraz ekonomicznej.

Podstawą do obliczeń jest rozkład energii grzewczej przypadający na każdy stopień temperatury zewnętrznej oraz powietrzna pompa ciepła o efektywności COP 3,7 w punkcie pracy A2/W35. Przyjętą wartość należy uznać za raczej konserwatywną. Na rynku dostępne są produkty osiągające w tym samym punkcie pomiarowym efektywność od 3,1 do 4,7. Jako system rozprowadzenia ciepła przyjęto grzejniki i odpowiednio do nich, przyjęto temperatury systemu grzewczego.

 

Obok „temperatur granicznych”, poniżej których korzystniej jest ogrzewać kotłem gazowym niż pompą ciepła, wykazano również procentowy udział energii grzewczej pokrywanej przez pompę ciepła, w okresie, kiedy ma ona przewagę nad kotłem gazowym. Dla przykładu, biorąc pod uwagę ekologię oraz dane wyjściowe dla roku 2019, pompa ciepła pokrywa korzystniej 71% energii grzewczej, a kocioł gazowy pracuje korzystniej poniżej temperatury 0°C. Ma to związek ze wskaźnikami emisji energii elektrycznej. Wraz ze wzrostem udziału energii odnawialnej przy produkcji energii elektrycznej, wskaźniki te będą miały coraz mniejsze wartości, a granica opłacalności ekologicznej pomp ciepła będzie się przesuwać. I tak po roku 2025 szacowane wskaźniki emisji będą prawdopodobnie poniżej wartości 550 g CO2 na kWh. Przy takich wartościach, temperatura graniczna to -8°C, a pompa ciepła pokrywa korzystniej już 97% energii cieplnej. Tendencja ta będzie się dalej pogłębiać z upływem czasu.

Aspekty ekonomiczny urządzeń hybrydowych

Perspektywa ekonomiczna uzależniona jest od cen energii elektrycznej i gazu ziemnego. Dokładnie temat ten omówiony został w ósmej części serii. Uwzględniając obecne średnie ceny energii elektrycznej oraz gazu ziemnego, odpowiednio na poziomie 0,6 oraz 0,2 PLN, temperatura graniczna wynosi -3°C, a pompa ciepła pokrywa korzystniej od kotła gazowego blisko 90% zapotrzebowania na ciepło. Zakładając wzrost cen gazu ziemnego do poziomu 0,28 PLN, na przykład poprzez stopniowe wprowadzanie podatku od emisji CO2, temperatura graniczna spada do -14°C, a co za tym idzie, bardziej opłacalną pracę pompy ciepła w 100 procentach.

Pełne porównanie ekonomiczne powinno zawierać również koszty inwestycyjne, nieuwzględnione w omówionych przykładach. Można jednak założyć, że różnice w cenach urządzeń hybrydowych oraz samodzielnych pomp ciepła nie powinny wypadać negatywnie dla tych drugich.

Przedstawione obliczenia pokazują wyraźnie niewielkie korzyści ze stosowania urządzeń hybrydowych; zarówno pod względem ekologicznym, jak i ekonomicznym. Bilans ekologiczny będzie poprawiał się dla samodzielnych pomp ciepła z roku na rok wraz ze wzrastającym udziałem energii ze źródeł odnawialnych. Z ekonomicznego punktu widzenia już teraz trudno uzasadnić stosowanie instalacji hybrydowych. Zmniejszenie ceny energii elektrycznej, na przykład poprzez stosowanie taryf dedykowanych pompom ciepła lub własną instalację fotowoltaiczną, przy jednoczesnym prawdopodobnym wzroście cen gazu ziemnego w przyszłości, tym bardziej stawia instalacje hybrydowe pod znakiem zapytania.

Pozytywny przykład stosowania instalacji hybrydowych

Ciekawym przykładem pokazującym, że w specyficznych warunkach stosowanie instalacji hybrydowych w istniejących budynkach może mieć zarówno ekonomiczne, jak i ekologiczne uzasadnienie, jest model stosowany w Holandii. Do istniejących instalacji z kotłami gazowymi instalowane są jako dodatkowe urządzenia („add-on”) pompy ciepła niewielkiej mocy. Te, zarówno niewielkie gabarytowo, jak i niedrogie urządzenia, wykorzystują jako źródło ciepła powietrze wydmuchiwane z pomieszczeń. Jest to możliwe dzięki faktowi, że większość domów w Holandii wyposażonych jest w mechaniczne systemy wentylacyjne. W połączeniu z niskimi cenami energii elektrycznej, użytkownicy tego typu układów hybrydowych mogą znacznie obniżyć koszty ogrzewania przy jednoczesnych niewielkich nakładach inwestycyjnych.

Dotychczasowe części serii poświęcone były przede wszystkim budynkom jednorodzinnym. Choć wiele generalnych rozważań nie zmienia się dla wszystkich typów budynków. Następna część poświęcona będzie budynkom wielorodzinnym.