Pompy ciepła w technologiach hybrydowych

Systematyczny wzrost udziału urządzeń wykorzystujących energię ze źródeł odnawialnych (OZE) w rynku instalacji grzewczych powoduje, że nieustannie poszukuje się nowych sposobów na zwiększenie ich wydajności. Jedną z możliwości są technologie hybrydowe, które łącząc zróżnicowane nośniki ciepła, pozwalają osiągnąć efekt synergii.

Technologie hybrydowe przynoszą znaczące korzyści ekonomiczne oraz ekologiczne. Najczęściej stosowane są układy biwalentne, czyli takie, w których wykorzystano dwa rodzaje źródeł energii (np. pompa ciepła i kocioł gazowy lub olejowy). Wyróżnia się pośród nich dwa podstawowe systemy: alternatywny – urządzenia pracują naprzemiennie, równoległy – przy niekorzystnych warunkach termicznych załącza się dodatkowe urządzenie wspomagające np. kocioł olejowy.

– Koncepcja hybrydowych instalacji grzewczych rozwijana jest już od jakiegoś czasu i szybko zdobywa nowych zwolenników. Doceniła ją m.in. Europejska Platforma Technologiczna: Renewable Heating and Cooling (RHC-Platform) wspierana przez UE, która planuje wdrożenie działań wspomagających m. in. rozwój tego typu rozwiązań – mówi Paweł Lachman, prezes PORT PC. W okresie przejściowym – aż do roku 2020 – wykorzystywane systemy hybrydowe mogłyby korzystać z nieodnawialnych źródeł ciepła, które służyłyby, jako wsparcie lub zabezpieczenie awaryjne.

Istotną funkcję w wymogu stosowania energii ze źródeł odnawialnych pełnią dyrektywy Parlamentu Europejskiego: Dyrektywa RES (OZE) z 2009 i Dyrektywa EPBD recast z 2010 r. We wszystkich krajach UE, w których wprowadzono już implementację dyrektywy OZE w postaci ustawy, narzucono obligatoryjne zastosowanie energii odnawialnej w nowopowstających budynkach np. na poziomie 15-30% całego zużycia w budynku.

– Również i w Polsce możemy spodziewać się zastosowania podobnego mechanizmu. Dyrektywa EPBD narzucająca obowiązek budowy domów okołozeroenergetycznych po 2018 (nowe budynki publiczne) i 2020 (wszystkie nowe budynki) spowoduje wprowadzenie jeszcze bardziej rygorystycznych kryteriów stosowania urządzeń korzystających z OZE. Czynniki te są istotne dla rozwoju technologii hybrydowych i pomp ciepła stanowiących ważny element w większości z nich – dodaje Lachman. Warto tu przypomnieć, że zgodnie dyrektywą RES w przypadku sprężarkowych pomp ciepła około 70-75% przekazywanej przez nią energii grzewczej stanowi energia ze źródeł odnawialnych, pobierana z otoczenia, czyli z powietrza, gruntu lub wody.

Możliwości wykorzystania pompy ciepła przy współpracy z innymi technologiami

Istnieje szeroki zakres możliwości integrowania wybranych rozwiązań, jednak nie wszystkie zostały zastosowane sprawdzone w praktyce.

Energetyka wiatrowa
Pompy ciepła pozwalają uzyskiwać zadawalające rezultaty przy współpracy z energetyką wiatrową. Gdy nie występują wystarczające ruchy powietrza do zasilania układu, pompy ciepła będą mogły wyłączać się automatycznie, redukując zużycie prądu. Umożliwią to systemy inteligentnego sterowania energią elektryczną tzw. technologia Smart Grid.

Fotoogniwa
Fotoogniwa mogą służyć do zasilania pomp obiegowych centralnego ogrzewania i dolnego źródła. Zredukują one zużycie energii pierwotnej przez pompy ciepła i zwiększą udział energii odnawialnej przekazywanej do instalacji grzewczej. Już w tym momencie stosuje się rozwiązania, w których układ ten zapewnia 100% energii ze źródeł odnawialnych dla budynku.

Gaz ziemny
Gaz może stać się źródłem zasilania dla pompy ciepła, zastępując powszechnie stosowany w tym celu prąd elektryczny. Prace nad wdrożeniem gazowych pomp absorpcyjnych na bazie amoniaku są obecnie w toku. Większość dotychczasowych konstrukcji współpracuje z kotłami gazowymi, jako szczytowymi źródłami ciepła.

Kolektory słoneczne
Połączenie technologii gruntowych pomp ciepła (typu solanka – woda) z kolektorami słonecznymi pozwala w uzasadnionych przypadkach znacznie zwiększyć efektywność systemu grzewczego. W większości układów solarnych stosowanych do podgrzewania wody użytkowej sprawność nie przekracza wartości 30-35%. Integracja z dolnymi źródłami ciepła pozwala podwoić ich wydajność. W typowych polskich warunkach jednostkowy uzysk energii solarnej rzadko przekracza 300-350 kWh/m2 kolektora solarnego. W przypadku zastosowania technologii hybrydowej jest możliwe osiągnięcie wartości 600-650 kWh/m2 kolektora słonecznego, co oznacza sprawność systemu na poziomie ponad 60%.

Kotły na biomasę
Biomasę można wykorzystać, jako źródło energii napędowej dla sprężarkowych oraz napędzanych termicznie pomp ciepła. Rozwiązanie to pozwoliłoby na maksymalne zwiększenie wydajności procesu spalania biomasy.

Sieci ciepłownicze
W polskich warunkach warto korzystać z pomp ciepła w systemach ciepłowniczych. Z reguły dotyczy to tzw. „końcówek sieci”. Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie pomp ciepła typu powietrze – woda do systemów podgrzewania wody użytkowej w okresie letnim. Szacuje się, że realny okres zwrotu inwestycji w pompę ciepła sięga maksymalnie 7 lat lat. Biorąc pod uwagę duży udział energii odnawialnej przekazywanej przez pompę ciepła, jest to rozwiązanie w wielu przypadkach korzystniejsze niż zastosowanie np. kolektorów słonecznych.

Systemy kogeneracji ciepła i prądu
Zastosowanie w jednym budynku urządzeń kogeneracji ciepła i prądu z pompą ciepła pozwala na uzyskanie zwielokrotnienia efektu ekologicznego i ekonomicznego. Wyjątkowo dobre wyniki można tym sposobem uzyskać dzięki kogeneracji z biogazu.

We wszystkich pokazanych przykładach pompy ciepła stanowią wiodącą technologią łączącą różne technologie oparte o kopalne lub odnawialne źródła energii.