Ogrzewanie hybrydowe na bazie pompy ciepła i kotła – czy to ma sens?

Silne mrozy lub łagodna zima może stanowić wyzwanie dla efektywności systemów ogrzewania zarówno tych opartych na OZE, jak i tych bazujących na tradycyjnych kotłach grzewczych. Każdy układ działa najlepiej w określonych warunkach i niestety nie ma jednego idealnego, który zawsze i wszędzie byłby jednocześnie tani, efektywny, a przy tym niezawodny i elastyczny. Jednak nic nie stoi na przeszkodzie, aby zintegrować dwa systemy – OZE i tradycyjny w jeden hybyrydowy, który potęguje zalety obu i redukuje wady każdego z nich.

Hybrydowy system grzewczy – co to jest i jak działa?

W dobie transformacji energetycznej obejmującej wszystkie budynki, znalezienie najlepszego sposobu ogrzewania może być trudne, szczególnie dla przeciętnego właściciela nieruchomości, który nie zjamuje się techniką grzewczą zawodowo. Większość potencjalnych inwestorów wie, że na rynku dostępne są zarówno tradycyjne źródła ogrzewania jak kotły węglowe, pelletowe, gazowe czy olejowe, a także te oparte na OZE w postaci pomp ciepła. Ale mimo to, niewielu z nich zdaje sobie sprawę, że można zbudować system ogrzewania integrujący nowczesną pompę ciepła z kotłem tradycyjnym.

Hybrydowy system grzewczy najczęściej składa się z powietrznej pompy ciepła i kotła gazowego kondensacyjnego lub na biomasę – oba zintegrowane w ramach jednej instalacji hydraulicznej, dodatkowo połączone elektroniką sterującą. W takim układzie powietrzna pompa ciepła stanowi główne źródło ogrzewania, które sprawdza się przez większą część okresu grzewczego, gdy temperatura na zewnątrz budynku nie przekracza punktu biwalentnego urządzenia. Z kolei gazowy kocioł kondensacyjny (lub na pellet) pełni rolę tzw. szczytowego źródła ciepła uruchamiającego się automatycznie, kiedy punkt biwalentny pompy ciepła zostanie przekroczony. Ma to na celu do niedopuszczenia aktywacji grzałek elektrycznych, które podnoszą koszty zużycia energii elektrycznej.

Do najważniejszych zalet ogrzewania hybrydowego zalicza się:

• wysoką efektywność energetyczną dzięki elastyczności systemu,
• wydłużoną trwałość urządzeń grzewczych,
• redukcję emisji zanieczyszczeń powietrza (względem źródła tradycyjnego),
• niezawodność systemu grzewczego,
• optymalizację kosztów ogrzewania,
• bezobsługowość instalacji.

Hybrydowy system ogrzewania należy do bardzo ciekawych i niezwykle konkurencyjnych alternatyw zarówno dla klasycznych źródeł ogrzewania, jak i systemów centralnego ogrzewania opartych na OZE. Składa się na to wiele cech, które powinny być brane pod uwagę przez każdego świadomego inwestora, który planuje wykonać termomoderniazcję swojego budynku, zwłaszcza w zakresie wymiany lub dodania źródła ogrzewania.

Ogrzewanie hybrydowe – na co zwrócić uwagę?

Mając świadomość, że idelane systemy ogrzewania nie istnieją, należy bacznie przyjrzeć się kwestiom, na które koniecznie trzeba zwrócić uwagę, zanim zapadnie decyzja o inwestycji w hybrydowy system ogrzewania. Dotyczy to zarówno układów zupełnie nowych budowanych podczas generalnej termomodernizacji budynku, jak i tylko częściowej modernizacji poprzez dodanie drugiego komponentu w postaci pompy ciepła, kotła gazowego czy pelletowego. W przypadku budynków nowych, warto zdać się na propozycje przedstawione przez projektanta, który opracowuje projekt wg aktualnie obowiązujących norm budowlanych i przepisów z zakresu efektywności energetycznej budynków mieszkalnych.

Mając na uwadze powyższe, do fundamentalnych czynników należą:

• charakterystyka energetyczna budynku – opracowana na podstawie rzetelnie i fachowo wykonanego audytu energetycznego;
• ocena stanu technicznego aktualnego systemu centralnego ogrzewania – sprawdza się moc, sprawność i stopień zużycia eksploatacyjnego oraz ustala możliwości rozszerzenia o dodatkowe komponenty;
• sposób dostarczenia C.W.U. – w zależności od możliwości technicznych, podjęcie decyzji, czy będzie to oddzielny układ czy zintegrowany z ogrzewaniem hybrydowym;
• wstępne oszacowanie mocy dodawanego urządzenia grzewczego (pompy ciepła lub kotła) – głównie pod względem efektywności energetycznej oraz funkcjonalności.

Oprócz wymienionych czynników nasuwają się też kolejne, które należy wziąć pod uwagę na etapie między realizacją a eksploatacją. Mowa przede wszystkim o punkcie biwalentnym powietrzenej pompy ciepła, który jest krytyczny, jeśli chodzi o efektywność energetyczną systemu hybrydowego oraz całkowite koszty ogrzewania w ciągu sezonu. W standardowym, ekonomicznym układzie hybrydowym (pompa ciepła + kocioł, bez fotowoltaiki i solarów) nie można dopuścić, do przekroczenia przez pompę ciepła punktu biwalentnego. Jeśli do tego dojdzie, wtedy pompa ciepła uruchomi grzałki elektryczne, które znacznie podniosą koszty ogrzewania. Dlatego też precyzyjne ustalenie punktu biwalentnego to wynik takich składowych jak:

• zapotrzebowanie energetycznego budynku – zależne głównie od kubatury i termoizolacji budynku, wydajności instalacji grzewczej, preferowanej temperatury pomieszczeń, strefy klimatycznej i aktualnych warunków pogodowych;
• efektywności energetycznej powietrznej pompy ciepła – im wyższa jakość urządzenia, tym lepsza efektywność (wysokie współczynniki SCOP/COP) i niższa wartość temperatury punktu biwalentnego.

Prawidłowo ustalony punkt biwalentny pozwala na płynne przejście na drugie źródło ogrzewania – kotła – który przejmuje rolę ogrzewania budynku podczas zwiększonego zapotrzebowania energetycznego. Wtedy też kocioł staje się tzw. szczytowym źródłem ogrzewania pozwalającym utrzymać odpowiedni komfort termiczny i koszty na niskim poziomie.

Kolejną kwestią jest obserwacja i analiza krzywej grzewczej, która z jednej strony będzie komfortowa dla mieszkańców budynku, a z drugiej zapewni optymalną efektywność energetyczną powietrznej pompy ciepła. Parametr ten ustawia się na panelu funkcyjnym pompy ciepła lub przy pomocy aplikacji w urządzeniu mobilnym. Cała sztuka polega na tym, aby elastycznie do zmieniających się warunków termicznych na zewnatrz dopasować temperaturę pomieszczeń zapewniającą komfort termiczny mieszkańcom. Wbrew pozorom, ustalenie krzywej wymaga cierpliwości, aby uniknąć sytuacji, kiedy w budynku będzie za zimno lub za ciepło, zarówno w cyklu dobowym (dzień, noc), jak i pogodowym (mróz, przymrozki, ocieplenie). Więcej na temat krzywej grzewczej można przeczytać tutaj.

Zalety i wady ogrzewania hybrydowego

Dla wielu potencjalnych inwestorów wymiana źródła ciepła może być nie lada wyzwaniem, ponieważ branża techniki grzewczej oferuje mnóstwo ciekawych rozwiązań, mniej lub bardziej pasujących do danego typu budynku oraz wymagań inwestora. Dlatego kluczowe w osiągnięciu sukcesu będzie świadome i odpowiedzialne podejście do tego zagadnienia, przede wszystkim przez wykonawcę, który dzieląc się swoją wiedzą i doświadczeniem zaproponuje optymalne rozwiązanie.

Najważniejszą zaletą ogrzewania hybrydowego jest fakt, iż może być stosowane w niemal każdym budynku, jeśli tylko pozwalają na to warunki techniczne i charakterystyka energetyczna obiektu. Jest to alternatywa dla monofunkcyjnych źródeł ogrzewania, które mimo swoich mocnych stron mają również słabsze, jak np.: brak ciepła podczas awarii, wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, uciążliwa obsługa czy emisja zanieczyszczeń. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że hybrydowy system centralnego ogrzewania w większości przypadków będzie najlepszym lub bardzo konkurencyjnym rozwiązaniem pod względem całkowitych kosztów i komfortu eksploatacji. Ponadto, taki system istotnie redukuje emisję spalin i podnosi jakość powietrza w wymiarze lokalnym oraz jest niemal bezobsługowy, co oznacza brak uciążliwości związanych z użytkowaniem. Praktycznie w każdym przypadku integracja dwóch źródeł ogrzewania wpłynie korzystnie na efektywność energetyczną i to niezależnie od warunków pogodowych. W czasie silnych mrozów i po przekroczeniu zadanego punktu biwalentnego nastąpi automatyczne przejście z domyślnego na szczytowe źródło ogrzewania, które zapewni komfort termiczny i wydajną pracę przy jednoczesnej optymalizacji kosztów.

Oczywiście pewną wadą modelu hybrydowego jest podwyższony koszt inwestycji w powietrzną pompę ciepła. Inna niedogodność to okresowo zwiększona emisja, jednak w przypadku bardzo efektywnych gazowych kotłów kondensacyjnych lub pelletowych, jest ona akceptowalna, kiedy weźmiemy pod uwagę relację kosztów środowiskowych w odniesieniu do długoterminowych korzyści energetycznych. Należy również pamiętać, że przez zdecydowaną większość sezonu grzewczego bazowym źródłem ogrzewania jest powietrzna pompa ciepła, która utrzymuje przez ten czas bardzo wysoką efektywność energetyczną oraz bezemisyjność i niskie koszty eksploatacji. Decydując się na system hybrydowy oparty na powietrznej pompie ciepła i kondensacyjnym kotle gazowym, należy liczyć się z możliwością wzrostu cen gazu ziemnego w związku z planowanym wdrożeniem systemu ETS2 dla gospodarstw domowych. Rozwiązaniem może być kocioł pelletowy, a więc na biomasę, która w pełni zasłużenie jest definiowana jako odnawialne źródło energii.

Inwestycja w układ hybrydowego ogrzewania z całą pewnością nie sprawdzi się w budynkach, które nie posiadają lub mają słabą termoizolację, jak również dysponują niewydajną instalacją grzewczą, zwłaszcza taką o wysokiej bezwładności cieplnej. Innym problemem jest np. niespełniający norm środowiskowych kocioł węglowy czy ogólnie zły stan techniczny obecnie używanego urządzenia grzewczego. W takich warunkach montaż dodatkowego źródła ogrzewania w postaci powietrznej pompy ciepła nie będzie miał żadnego uzasadnienia ekonomicznego.

W jakich budynkach sprawdzi się ogrzewanie hybrydowe?

System hybrydowy stosuje się przeważnie w starszym budownictwie poddawanym termomodernizacji (ale nie tylko), gdzie dotychczasowym głównym źródłem ogrzewania był kocioł gazowy (lub pelletowy). Wówczas instaluje się powietrzną pompę ciepła, która przejmie funkcję głównego źródła ogrzewania, a kocioł gazowy (lub pelletowy) stanie się jej uzupełnieniem, czyli źródłem szczytowym. Istniejąca instalacja hydrauliczna centralnego ogrzewania poddawana jest tylko niewielkim modyfikacjom polegającym na podłączeniu do niej systemu pompy ciepła (obieg zamknięty) poprzez montaż np. płytowego wymiennika ciepła. Dzięki temu rozwiązaniu medium krążące w obiegu pompy ciepła nie miesza się bezpośrednio z tym krążącym w obiegu kotła gazowego (lub na pellet). A to przekłada się na wyższą efektywność grzewczą oraz redukcję ryzyka awarii, szczególnie ze strony układu pompy ciepła. Podczas prac dokonuje się również inspekcji stanu dotychczasowej instalacji hydraulicznej centralnego ogrzewania i ewentualnych napraw oraz konserwacji.

Kwestia końcowych odbiorników ciepła (grzejników) zależy od ich typu, stanu i parametrów z zakresu wymiany ciepła. Jeśli są to ciężkie, żeliwne grzejniki, wtedy zaleca się ich wymianę na wydajne pod względem cieplnym grzejniki płytowe o dużej powierzchni grzejnej lub warunkowo ogrzewanie podłogowe. Wspomniane grzejniki starego typu (wysokotemperaturowe) sprawdzają się przeważnie w połączeniu ze starymi zasypowymi kotłami węglowymi bez elektroniki sterującej, które z kolei charakteryzują się niską sprawnością oraz wysoką bezwładnością cieplną. W takim przypadku jedyną formą podniesienia sprawności kotła, bez znaczącej ingerencji w instalację, może być dodanie buforu ciepła, choć w dobie intensywnych przemian w energetyce indywidualnej jest to rozwiązanie doraźne. Dlatego znacznie korzystniejszą inwestycją (również finansowo) będzie dokonanie gruntownej modernizacji systemu centralnego ogrzewania na bardziej efektywny, ekologiczny i najlepiej bezobsługowy.

Warto przy tym pamiętać, że istotą prac termomodernizacyjnych jest przede wszystkim zapewnienie skutecznej termoizolacji budynku. Ograniczenie nadmiernych strat ciepła jest niezbędne do tego, aby skorzystać z zalet nowoczesnych systemów grzewczych jak pompa ciepła, kocioł gazowy kondensacyjny czy na pellet. Przy prawidłowej termoizolacji budynku temperatura medium krążącego w instalacji centralnego ogrzewania nie musi być wysoka (dawniej T>55°C), wskutek czego nie będzie wymagać zużycia dużej ilości energii niezbędnej do jej osiągnięcia.

Hybrydowy system ogrzewania sprawdzi się również w nowych budynkach, głównie z uwagi na jego wszechstronność, elastyczność i ciągłość grzewczą w razie awarii jednego ze źródeł. Warto tutaj przypomnieć, że pompy ciepła oraz współczesne kotły grzewcze wymagają stałego dostępu do energii elektrycznej, więc w przypadku bardzo złych warunków pogodowych posiadanie agregatu prądotwórczego będzie dodatkowym zabezpieczeniem.

Aby w pełni wykorzystać potencjał hybrydowego systemu ogrzewania złożonego z powietrznej pompy ciepła oraz kotła gazowego lub pelletowego, warto rozważyć montaż kolektorów słonecznych oraz mikroinstalacji fotowoltaicznej z magazynem energii i systemem EMS/HEMS. W takiej konfiguracji otrzymujemy kompleksowy system oparty na OZE, który pokrywa lub istotnie wspiera zapotrzebowanie na C.W.U. przez cały rok, redukując koszty zużycia energii elektrycznej. Z kolei system fotowoltaiczny wraz z magazynem energii i systemem zarządzania energią EMS/HEMS zadba o wytworzenie i „przechowanie” energii elektrycznej, która będzie zasilać urządzenia grzewcze oraz pozostałe sprzęty AGD/RTV. Oczywiście ani solary, ani fotowoltaika nie pokryją 100% zapotrzebowania na energię elektryczną w okresie zimowym, jednak będą istotnym wsparciem, co przełoży się na niższe koszty ogrzewania i funkcjonowania gospodarstwa domowego.

Podsumowanie

Połączenie nowoczesnej technologii OZE z konwencjonalnymi kotłami (gazowymi lub pelletowymi) może wydawać się zaskakującym pomysłem na ogrzewanie budynku mieszkalnego. Ale wbrew pozorom jest to całkiem sensowne rozwiązanie, które pozwala wykorzystać najlepsze cechy obu urządzeń przy rozsądnych kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Integracja pompy ciepła i tradycyjnego kotła w jednym systemie grzewczym oznacza realne oszczędności, wyższą efektywność w każdych warunkach atmosferycznych oraz trwałe, niezawodne i niemal bezobsługowe działanie.

Ponadto hybrydowe systemy ogrzewania mogą być rozwiązaniem bardzo ekologicznym, gdy zostaną wzbogacone o fotowoltaikę z magazynem energii i systemem zarządzania energią oraz kolektory solarne. W rezultacie inwestor otrzyma wyjątkowo elastyczną i tanią w eksploatacji instalację grzewczą, która korzysta z synergii OZE i konwencjonalnych nośników energii w sposób zrównoważony, niemal neutralny dla środowiska naturalnego.