W dobie intensywnej transformacji energetycznej pompy ciepła stały się jednym z kluczowych elementów nowoczesnych systemów grzewczych. W szczególności powietrzne pompy ciepła zyskały dużą popularność dzięki stosunkowo niskim kosztom inwestycyjnym i łatwej integracji z istniejącymi instalacjami. Nie oznacza to jednak, że układy monowalentne stanowią optymalne rozwiązanie dla każdego typu budynków, zwłaszcza tych wielkokubaturowych.
Kluczową cechą powietrznych pomp ciepła jest zmienna moc grzewcza, która zależy bezpośrednio od temperatury zewnętrznej oraz wymaganej temperatury zasilania instalacji. Warto zauważyć, że wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej oraz wzrostem temperatury zasilania maleją zarówno dostępna moc grzewcza, jak i efektywność urządzenia. Jednocześnie właśnie w takich momentach zapotrzebowanie budynku na ciepło osiąga najwyższy poziom. Z założenia układ monowalentny opiera się na tym, że jedno źródło ciepła pokrywa 100% zapotrzebowania na energię przez cały sezon grzewczy. W praktyce oznacza to, że projektanci muszą dobrać pompę ciepła pod temperaturę obliczeniową, która występuje jedynie przez niewielką część roku. Przez co przez większość sezonu urządzenie wykazuje zbyt dużą moc (jest przewymiarowane), natomiast podczas największych mrozów pracuje na granicy swoich możliwości. W przypadku dużych obiektów taka sytuacja może negatywnie wpływać na niezawodność i bezpieczeństwo pracy całej instalacji.
Dlatego też w wielu inwestycjach korzystniejszym rozwiązaniem okazuje się układ biwalentny. W takim systemie pompa ciepła pokrywa większość rocznego zapotrzebowania na ciepło (zwykle 85-90%). Z kolei źródło szczytowe, na przykład kocioł gazowy, uruchamia się jedynie w okresach największego obciążenia oraz wtedy, gdy moc i sprawność pompy ciepła stają się niewystarczające. Nawet jeśli przy temperaturze projektowej rzędu -20°C udział mocy obu źródeł jest zbliżony (np. 50:50), to w praktyce przez większość sezonu grzewczego pompa ciepła lub kaskada pomp samodzielnie realizuje potrzeby grzewcze budynku.
Dlaczego kocioł gazowy to optymalne źródło szczytowe?
W przypadku większych budynków kocioł gazowy nadal pozostaje najbardziej praktycznym źródłem szczytowym. Wynika to zarówno z uwarunkowań technicznych, jak i ekonomicznych. W przeciwieństwie do grzałek lub kotłów elektrycznych, rozwiązanie to nie wymaga znacznego zwiększania mocy przyłączeniowej. Dodatkowo zapewnia wysoką dyspozycyjność oraz potrafi szybko pokryć chwilowe wzrosty zapotrzebowania na ciepło.
Co ważne, o opłacalności całego rozwiązania decyduje koszt wytworzenia 1 kWh ciepła, a nie sama cena konkretnego nośnika energii. Przykładowo, przy cenie gazu na poziomie 3,5 zł/m³ i sprawności kotła kondensacyjnego około 95%, koszt wytworzenia 1 kWh ciepła wynosi około 0,34 zł. Dla porównania, grzałka elektryczna lub kocioł elektryczny, pracujące z efektywnością równą 1, wytwarzają ciepło po koszcie odpowiadającym cenie energii elektrycznej, czyli około 1,20 zł/kWh. W takich warunkach kocioł gazowy stanowi w pełni racjonalne uzupełnienie układu. Ponieważ uruchamia się on jedynie podczas największych obciążeń cieplnych, skutecznie ogranicza koszty eksploatacji, zmniejsza wymagania dotyczące mocy przyłączeniowej oraz wyraźnie zwiększa bezpieczeństwo pracy całego systemu.
Przykłady z rynku: Kolej Gondolowa nad Jeziorem Solińskim
Doskonałym przykładem wdrożenia opisywanej technologii w praktyce jest nasza realizacja dla Kolei Gondolowej nad Jeziorem Solińskim (Polskie Koleje Linowe). Obiekt ten – z racji specyficznego położenia, zróżnicowanej kubatury stacji oraz zmiennego natężenia ruchu turystycznego – wymagał elastycznego, wysoce niezawodnego i ekonomicznego źródła ciepła.
W obiekcie zastosowaliśmy hybrydowy system grzewczy oparty na absorpcyjnych pompach ciepła zasilanych gazem (GAHP) oraz gazowych kotłach kondensacyjnych pełniących funkcję źródła szczytowego.
Pompa ciepła Gazuno GAHP Kolej Gondolowa nad jeziorem Solińskim
Dlaczego ten model sprawdził się tu idealnie?
Ochrona mocy elektrycznej: W lokalizacji górskiej/turystycznej zwiększenie przydziału mocy elektrycznej na potrzeby ewentualnego ogrzewania elektrycznego byłoby niezwykle kosztowne lub wręcz niemożliwe. Zastosowanie urządzeń zasilanych gazem pozwoliło uniknąć konieczności rozbudowy infrastruktury elektrycznej.
Efektywność i dopasowanie do zmiennych warunków: W trakcie sezonu grzewczego gazowe absorpcyjne pompy ciepła efektywnie pokrywają zapotrzebowanie na ciepło oraz ciepłą wodę użytkową, pracując z wysoką sprawnością nawet przy bardzo niskich temperaturach zewnętrznych. Kotły gazowe wspierają system w momentach najwyższego obciążenia oraz przy skrajnych mrozach.
Bezpieczeństwo i pewność ciągłości pracy: Obiekt komercyjny tej rangi nie może pozwolić sobie na przestój. Układ hybrydowy gwarantuje pełne bezpieczeństwo energetyczne i stabilne parametry grzewcze bez względu na warunki pogodowe.
Realizacja na Solinie dowodzi, że przemyślana synergia pomp ciepła i kotłów gazowych to rozwiązanie dedykowane dla nowoczesnych, wymagających obiektów wielkokubaturowych i infrastrukturalnych.
Nowe budynki dają większe możliwości optymalizacji
W nowo projektowanych obiektach sytuacja jest bardzo sprzyjająca, jeśli budynek posiada niskotemperaturowe odbiorniki ciepła, takie jak ogrzewanie podłogowe, klimakonwektory czy dobrze dobrane układy wentylacyjne z odzyskiem ciepła. Dzięki temu pompa ciepła może pracować przez cały rok na stosunkowo niskim parametrze. To naturalnie poprawia efektywność, obniża koszty eksploatacyjne i pozwala w pełni wykorzystać zalety tej technologii.
Warto jednak zauważyć, że nawet w takich nowoczesnych projektach obecność źródła szczytowego nadal jest uzasadniona. Przede wszystkim obniża ryzyko przewymiarowania instalacji elektrycznej i mocy przyłączeniowej. Dodatkowo pozwala lepiej zarządzać kosztami inwestycyjnymi (CAPEX), gdyż inwestor nie musi budować całego systemu wyłącznie w oparciu o pompę ciepła.
W rezultacie zapewnia pełne bezpieczeństwo pracy w okresach ekstremalnych mrozów oraz w sytuacjach awaryjnych.
Kolejną istotną korzyścią jest możliwość wykorzystania kotła gazowego do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) zimą. Ma to szczególne znaczenie w budynkach wielorodzinnych, hotelach i obiektach publicznych, gdzie zapotrzebowanie na c.w.u. bywa wysokie i zmienne. W okresie zimowym kocioł gazowy często przygotuje ciepłą wodę taniej i stabilniej niż pompa ciepła, zwłaszcza jeśli układ musiałby podnosić temperaturę wody w zasobniku do wysokich wartości. Dzięki takiemu podziałowi możemy odciążyć pompę ciepła, aby skupiła się na centralnym ogrzewaniu, czyli na zadaniu, w którym pracuje najefektywniej.
Podsumowując, w dobrze zaprojektowanym nowym obiekcie układ hybrydowy nie stanowi kompromisu. Jest to raczej zaawansowana forma optymalizacji, która pozwala uzyskać niższe koszty inwestycyjne, przewidywalną eksploatację oraz większą odporność systemu na zmienne warunki atmosferyczne.
Realizacja GAZUNO – Szkoła Podstawowa w Różynach
Termomodernizacja to zupełnie inna historia
Z drugiej strony, największe wyzwania pojawiają się w budynkach modernizowanych, gdzie instalacje grzewcze dawniej projektowano dla parametrów wysokotemperaturowych. Jeżeli przy temperaturze obliczeniowej budynek wymaga zasilania na poziomie 70-80°C, zastosowanie powietrznej pompy ciepła jako jedynego źródła jest w większości przypadków technicznie niewykonalne. Wynika to z faktu, że większość dostępnych urządzeń nie potrafi zapewnić takich parametrów przy jednoczesnym utrzymaniu wymaganej mocy grzewczej w warunkach projektowych.
Nawet jeśli zastosowanie wysokotemperaturowej pompy ciepła jest technicznie możliwe, to odbywa się to kosztem znacznego spadku sprawności i gwałtownego wzrostu kosztów eksploatacji. W praktyce oznacza to, że takie rozwiązanie staje się ekonomicznie nieuzasadnione.
Warto również podkreślić, że sama termomodernizacja i obniżenie temperatury zasilania do poziomu 55-60°C nie oznaczają automatycznie, że możemy zastosować dowolną powietrzną pompę ciepła w układzie monowalentnym. O doborze urządzenia decyduje bowiem jego dokładna charakterystyka pracy przy temperaturze obliczeniowej, na przykład A-20/W55 lub A-20/W60. Jeżeli pompa ciepła nie jest w stanie utrzymać wymaganej temperatury zasilania i jednocześnie zapewnić odpowiedniej mocy grzewczej, wtedy koniecznie musimy zastosować źródło szczytowe.
W rezultacie w termomodernizacjach układ monowalentny okazuje się zwykle błędem koncepcyjnym. W przypadku takiej inwestycji kluczowe znaczenie ma wnikliwa analiza parametrów pracy urządzenia w rzeczywistych warunkach projektowych, a nie wyłącznie deklarowana przez producenta maksymalna temperatura zasilania. Z tego powodu w takich budynkach zdecydowanie najlepiej sprawdzają się układy biwalentne lub alternatywne, w których pompa ciepła przejmuje część obciążenia, natomiast źródło szczytowe stabilizuje pracę systemu przy niskich temperaturach i wysokim zapotrzebowaniu.
Ekonomia inwestycji i eksploatacji systemów hybrydowych
W dyskusjach o pompach ciepła eksperci często koncentrują uwagę wyłącznie na samej technologii źródła ciepła, podczas gdy zbyt mało miejsca poświęcają całemu systemowi. Tymczasem to właśnie kompletny system decyduje o sukcesie lub porażce inwestycji. Dobrze dobrana pompa ciepła, pracująca w optymalnym zakresie, potrafi generować bardzo duże oszczędności. Jeśli jednak zmusimy urządzenie do pracy poza jego naturalnym zakresem, wtedy koszty eksploatacji rosną bardzo szybko.
Wdrażając hybrydę z kotłem gazowym, zyskujemy ogromną elastyczność w projektowaniu. Dzięki temu projektanci mogą lepiej dopasować moc pompy ciepła do realnego obciążenia budynku, a nie do najgorszego, skrajnego scenariusza. To działanie bezpośrednio obniża koszty CAPEX, ogranicza konieczność rozbudowy infrastruktury elektrycznej i znacząco poprawia ogólną rentowność rozwiązania. Jednocześnie w całym sezonie grzewczym pompa ciepła nadal ma zdecydowanie większy udział w produkcji energii, dzięki czemu system pozostaje wysoce efektywny i nowoczesny.
Podsumowanie i wnioski projektowe
Na koniec warto pamiętać, że dynamiczny rozwój pomp ciepła nie oznacza, iż zniknęły fundamentalne ograniczenia fizyczne. Choć zmieniają się same urządzenia, ewoluuje automatyka, czynniki chłodnicze oraz rozwiązania konstrukcyjne, to nie zmienia się podstawowa zasada: powietrzna pompa ciepła pracuje w ściśle określonej kopercie pracy, a przy niskich temperaturach jej możliwości spadają. Odszranianie, obniżenie mocy i wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną są elementami tej technologii, z którymi trzeba się liczyć już na etapie koncepcji.
Dla większych obiektów oznacza to jedno: układ monowalentny bez źródła szczytowego niesie za sobą zbyt duże ryzyko. Zdecydowanie bardziej racjonalne są systemy hybrydowe, w których pompa ciepła odpowiada za zdecydowaną większość sezonowej produkcji ciepła, a kocioł gazowy przejmuje zadania szczytowe, awaryjne i wspomagające. Właśnie taki układ zapewnia najlepszy możliwy kompromis między wysoką efektywnością, niezawodnością a całkowitym kosztem inwestycji i eksploatacji.
Zobacz jakie urządzenia wykorzystaliśmy w tym projekcie
Jeżeli są Państwo zainteresowani doborem urządzeń i technologii zapraszamy do kontaktu. Wspólnie możemy zastanowić się nad korzyściami dla Państwa projektów.
Razem z Dariuszem Krąpcem odpowiadamy za województwo zachodniopomorskie, wielkopolskie, lubuskie, dolnośląskie. Potrzebujesz wsparcia technicznego lub handlowego? Z chęcią podzielimy się z Tobą swoją wiedzą.
Zapraszamy do udziału w Akademii Profesjonalistów Gazuno. Raz w miesiącu otrzymasz zaproszenie na nasze spotkania oraz dostęp do wcześniejszej rejestracji. Zapisz się już teraz, aby nie przegapić nadchodzących wydarzeń!
