Hybrydowa pompa ciepła Altherma – jak działa

Hybrydową pompę ciepła Daikin Altherma opisywałem już prawie 3 lata temu.
Początkowo klienci dość nieufnie podchodzili do tego rozwiązania, ale z każdym rokiem ilość instalacji rosła, a ub rok był naprawdę przełomem.
W dalszym ciągu jednak klienci nie rozumieją jak ta pompa działa.
Są przekonani, że przy określonej temperaturze układ przełącza się z pompy ciepła  na kocioł gazowy.
Nic bardziej mylnego.

Słowo hybryda pochodzi od łacińskiego hybrid – czyli mieszaniec, krzyżówka.
Najcześciej termin ten występuje w biologi, gdzie oznacza osobnika powstałego z krzyżówki dwóch innych, odmiennych gatunkowo osobników. 
Ale hybryda, która z nich powstaje – to nie są jacyś bracia syjamscy, tylko zupełnie nowy osobnik, o  najlepszych cechach swoich rodziców.
I nie inaczej jest z hybrydową pompą ciepła Daikin Altherma. Sukces hybrydy tkwi właśnie w jej nazwie, czyli wspólnej (nie oddzielnej) pracy pompy ciepła powietrze-woda i kondensacyjnego kotła gazowego.
 
Przypomnijmy sobie taki wykres działania pompy ciepła powietrze woda, jaki zamieszczałem już w poprzednich wpisach
 
 
Na osi poziomej mamy temp. zewnętrzną, a na osi pionowej zapotrzebowanie na moc grzewczą.
Prosta I – to moc naszej pompy ciepła
Prosta II – to zapotrzebowanie naszego budynku na ciepło
Jak wiemy, wraz ze spadkiem temperatury zewnetrznej, spada nam moc powietrznej pompy ciepła.
T bivalent – to temperatura równowagi, czyli temperatura zewnętrzna, przy której moc pompy ciepła zrówna się z zapotrzebowaniem budynku.
Pole III – oznacza, tą część pracy PC w sezonie, podczas której musi ona wspomagać się grzałką pomocniczą, tzw backup heater
Pole IV – oznacza, tą część pracy PC w sezonie, podczas której jest ona obciążona częściowo, a więc jej moc jest wyższa niż wymagana przez budynek w danym momencie; np. inverter, będzie wtedy pracował w jakimś procentowym zakresie swojej mocy, a on/off cyklicznie, z mniejszymi lub większymi przerwami.
 
Jest to nazewnictwie pomp ciepła tak ładnie nazywany układ monoenergetyczny – bo mamy jedno zródło energii czyli energię elektryczną.
Do tej nazwy dochodzi słowo  biwalentny – bo od pewnej temperatury zewnętrznej włącza się drugie, biwalentme źródło ciepła czyli grzałka elektryczna.
I na koniec pojawia się słowo równoległy, bo ta grzałka pracuje równolegle z pompą ciepła.
 
W takim układzie pompy ciepła, praca biwalentna i równoległa jest oczywista.
Sprawność pompy ciepła, czyli ten słynny COP, zawsze będzie wyższa niż sprawność grzałki, której COP ma wartość 1.
Niech więc ta pompa ciepła pracuje sobie cały czas, nawet przy skrajnych mrozach, do końca, a z grzałki niech sobie dobierze tyle mocy, ile jej brakuje.
 
Sytuacja zmienia się diametralnie, kiedy z układu z jednym źródłem energii, przechodzimy do układu z dwoma źródłami energii, takimi jak prąd i gaz.
 
Dlaczego? 
Bo koszt pozyskania ciepła z gazu jest niższy niż koszt z elektrycznej grzałki z COP=1.
Natomiast w odniesieniu do pompy ciepła, koszt z gazu może być albo wyższy albo niższy, w zależności od COP pompy ciepła.
 
Wiemy, że sprawność, czyli COP powietrznej pompy ciepła zależy od temperatur pracy (zasilanie/powrót) oraz temperatury zewnętrznej.
Pojawia się więc pytanie, przy jakim COP koszt wytworzenia ciepła z gazu, zrównuje się z kosztem wytworzenia ciepła z pompy ciepła?
Jak to ma razem działać, by uzyskać sens ekonomiczny?
 
Ten COP jest nazywany COP progu rentowności, tzw. break-even COP i określa go poniższy wzór.
 
 
Jeśli stawka za kWh z energii elektrycznej to 60 groszy, za kWh z gazu to 25 groszy, a sprawność kotła gazowego to 92% –  to minimalny COP, przy którym jest sens pozyskiwać ciepło z pompy ciepła wynosi:
 
COP rentowności = (60gr x 92%) / 25gr czyli 2,2
 
Ktoś powie – to proste.
Z wykresu sprawności pompy ciepła odczytam sobie kiedy ma ona COP 2,2 i jaka temu odpowiada temperatura zewnętrzna i wiem już kiedy z pompy ciepła należy przełączyć się na gaz.
Niby proste i tak działa szereg rozwiązań konkurencyjnych na rynku, gdzie czujnik temperatury zewnętrznej decyduje, które zródło ciepła pracuje.
Ale to NIE JEST jeszcze hybryda – tylko jedynie zlepek dwóch niezależnie pracujących urządzeń.
Co zrobić by pompa ciepła pracowała efektywnie cały, a przynajmniej jak najdłużej?
 
Cała zabawa zaczyna się wtedy, kiedy uda nam się zmusić taki układ nie-monoenergetyczny do pracy równoległej w powiązaniu z aspektem ekonomicznym, czyli zminimalizowaniem kosztów eksploatacji.
I to właśnie ma miejsce w hybrydowej pompie ciepła Daikin, a odpowiada za to zaawansowana automatyka oraz specyficzny układ hydrauliczny.
 
W hybrydzie Daikin mamy kilka trybów pracy.
 
Pierwszy z nich to tryb tylko pompy ciepła.
Gdy efektywność pompy ciepła jest wystarczająca do tego, aby zrealizować oszczędności ekonomiczne dla użytkownika, hybrydowa pompa ciepła Daikin Altherma będzie działać w trybie "tylko pompa ciepła".
Dzieje się tak wtedy, kiedy COP żądanej przez użytkownika temperatury zasilania (COP, który uzyskuje się, jeśli woda grzewcza w układzie jest w całości podgrzewana przez pompę ciepła – od temperatury powrotnej do temperatury zadanej) jest wyższy niż COP progu rentowności i jeśli pompa ciepła jest w stanie dostarczyć wymaganą wydajność grzewczą. Sytuacja taka ma miejsce głównie przy umiarkowanych temperaturach zewnętrznych.
Tryb ten obrazuje poniższy rysunek.
 
Zawór trójdrożny za kotłem kondensacyjny powoduje, że woda grzewcza omija kocioł gazowy.
 
Drugi z nich to tryb hybrydowy
Jeżeli COP pompy ciepła  jest niższy niż sprawność kotła, to w konkurencyjnych systemach nie równoległych, nastąpi przełączenie ukladu na kocioł.
W systemie hybrydowym Althermy, automatyka w oparciu o temperaturę zewnętrzną oblicza możliwą temperaturę zasilania, w której COP pompy ciepła jest większy od  COP progu rentowności.
Jeżeli taka pośrednia temperatura zasilania istnieje (tj. temperatura w punkcie między pierwszym wymiennikiem pompy ciepła a drugim wymiennikiem ciepła czyli kotłem), to pompa ciepła pracuje równolegle z kotłem czyli w trybie hybrydowym.
Woda wracająca z instalacji podgrzewana jest przez pompę ciepła do tej właśnie temperatury pośredniej, a następnie kocioł podgrzewa ją do temperatury zadanej, żądanej przez użytkownika.
Zawór otwiera się i woda grzewcza przepływa również przez układ kotła.
 
 
Tryb hybrydowy ma dwie odmiany.
Pierwsza to ta opisana wyżej.
Jeśli automatyka hybrydy nie potrafi znaleźć punktu pośredniego w aktualnym momencie pracy, to zmniejszy przepływ wody przez instalacje, a tym samym zwiększy dt, czyli  różnice między zasilaniem a powrotem.
Dzięki temu hybryda znajduje punkt pośredni, przy którym koszt pozyskania ciepła z pompy ciepła jest niższy niż z gazu.
Zmniejszenie przepływu i dt zmniejsza oczywiście ilość ciepła dostarczaną do budynku.
Jest to kompensowane pulsacyjnym wzrostem temperatury zasilania generowanym przez kocioł grzewczy. 
Zdaję sobie sprawę, że dla laika brzmi to dość skomplikowanie.
Dlatego o wiele prościej jest powiedzieć, że automatyka pozwala wycisnąć z hybrydy maksimum ciepła przy minimum kosztów.
 
Trzeci tryb pracy, to tryb tylko kocioł.
Jeśli temperatury zewnętrzne są na tyle niskie, że automatyka nie potrafi znaleźć takiego pośredniego punktu pracy, w którym COP PC jest większy od COP rentowności, to wyłącza pompę ciepła, a w trybie pracy pozostaję tylko kocioł grzewczy.
 
Pojawia się pytanie skąd hybrydowa pompa to wie?
Automatyka ma w swojej pamięci zaszyte wykresy sprawności pompy ciepła w całym zakresie tempeatur zasilania i temperatur zewnętrznych, a instalator przy jej rozruchu wprowadza wartość stawki za energię elektryczną oraz gazową.
 
Takie unikalne rozwiązania sprawiają, że hybrydowa pompa ciepła jest bardzo uniwersalnym i elastycznym  źródłem ciepła, które możemy zastosować w każdym typie budynku i instalacji.
Oczywiście o ile mamy gaz 🙂
 
Mimo, że udział mocy modułu pompy ciepła może być niewielki w stosunku  do całkowitej mocy budynku, to udział w ilości dostarczanego ciepła może sięgać 50-70%
Na poniższym rysunku pokazane są szacunkowe koszty eksploatacji dla budynku z zapotrzebowaniem 20 tys kWh, dla stacji pogodowej Katowice, stawek za energię elektryczną i gazową odpowiednio 60gr i 25gr oraz pracy na instalacji grzejnikowej w zakresie zasilania 30/55 stopni.
 

 
 
Różnica w stosunku do gazu, to kwota ok. 1,5 tys zł.
Jeśli zaczniemy schodzić  z temperaturą zasilania aż do zakresu podłogówki tj. 25/35 stopni, to ten koszt jeszcze bardziej spadnie a różnica zwiększa się do ponad 2 tys zł.
 
 
Przy wykorzystaniu dwóch taryf, różnica do gazu zwiększa się jeszcze bardziej.
 
Można dyskutować czy to dużo, czy mało, ale w hybrydzie pojawia nam się jeszcze jeden potencjalny aspekt ekonomiczny.
W przypadku zastosowania samego kotła gazowego, nie jesteśmy już nic w stanie zrobić z kosztami eksploatacji.
Dzięki hybrydzie, która jest w stanie pokryć ponad 50-70% zapotrzebowania na ciepło w trybie pompy ciepła, możemy to ciepło/energię zbilansować dzięki instalacji fotowoltaicznej.
Ceny instalacji PV stale spadają i jest to bardzo atrakcyjna, kolejna możliwość obniżenia kosztów eksploatacji w istniejącym budynku z hybrydą.
 
Nie bez znaczenia jest również fakt, że większy model hybrydy występuje w wersji grzewczo-chłodzącej.
Tego chłodu nie jest wiele, ok. 7kW, ale wystarcza to w zupełności by wykonać instalację mieszaną z klimakonwektorami i sklimatyzować salon oraz 2-3 sypialnie.
Niezależna instalacja klimatyzacji dla 3-4-5 pomieszczeń to kolejny agregat/agregaty na budynku i kwota od kilkunastu do nawet 30 tys zł przy 5 pomieszczeniach.
Hybryda generuje też niższe koszty eksploatacji niż pompy ciepła powietrze-woda.
 
Pojawia się szereg pytań o przygotowanie wody użytkowej.
Otóż cwu w hybrydzie przygotowywana jest tylko w trybie kotła gazowego.
Może być przygotowywana przepływowo, jak w kotle dwufunkcyjnym lub w oddzielnym zasobniku wody użytkowej.
Dlaczego nie w trybie PC? – bo koszt przygotowania cwu w PC PW w skali roku jest porównywalny z kosztem przygotowania cwu z użyciem gazu dla płaskiej stawki.
Zarówno w jednym jak i drugim wypadku możemy zastosować cyrkulację wody użytkowej (pompkę cyrkulacyjną), którą możemy sterować z poziomu hybrydy.
 
Gdzie warto zastosować hybrydę?
Oczywiście tam gdzie jest gaz.
Wszystkie modernizowane instalacje grzejnikowe z kotłami gazowymi. 
Jeśli czeka Cię wymiana starego kotła, to warto pójść w stronę hybrydy.
Nowe budynki z dostępem do gazu, potrzebą chłodzenia i raczej większym zapotrzebowaniem na ciepło. Co znaczy większym?
Koszt kotłowni hybrydowej porównywalny jest z kotłownią PC PW z małego typoszeregu, tj. z jednośmigłowym agregatem 4-6-8 kW.
Kiedy wchodzimy w duży typoszereg PC PW 11-14-16 kW, to koszt kotłowni skacze w górę nawet o kilkanaście tys zł. 
Hybrydowa pompa ciepła ciągle kosztuje tyle samo, a mocy w zapasie mamy pod dostatkiem.
Z powodzeniem ogrzejemy budynek z zapotrzebowaniem od kilkunastu do nawet 30kW
 
Poniżej animacja działania hybrydowej pompy ciepła.

 

W zależności od wielkości budynku, zapotrzebowania na moc grzewczą i typu instalacji, chętnie przygotujemy odpowiednie symulacje pracy hybrydowej pompy ciepła oraz oferty jej instalacji.