Inwazja Rosji na Ukrainę rozpoczęta 24 lutego 2022 r. przyniosła istotne zawirowania na rynku energii, czego dotkliwym skutkiem są m.in. duże podwyżki cen nośników energii: gazu, prądu, ciepła systemowego czy węgla kamiennego. Obecnie, ze względu na tę sytuację, wielu inwestorów uważa, że dobrze jest mieć co najmniej dwa źródła ciepła, tak by w danym momencie korzystać z tańszego albo takiego, do którego w ogóle dostępne jest paliwo/zasilanie. W efekcie wzrasta zainteresowanie dołączaniem do istniejących źródeł ciepła (głównie kotłów gazowych) nowych źródeł opartych o OZE. Tendencję tę można również zaobserwować przy wymianie starych kotłów czy realizacji nowych instalacji.

Zainteresowanie łączeniem różnych źródeł energii nie jest oczywiście nowym zjawiskiem. Mieliśmy z nim do czynienia już wcześniej, ale w innym kontekście – np. przy dołączaniu do starych instalacji z kotłami węglowymi nowych kotłów gazowych. Dziś inwestorzy coraz częściej rozważają dołączenie kolektorów słonecznych, pompy ciepła czy kotła na paliwo stałe do instalacji z kotłem gazowym.

Kolektory słoneczne
To relatywnie tani i dość dobrze znany sposób na pozyskiwanie darmowej energii cieplnej, ale w naszym klimacie wykorzystywany przede wszystkim w okresie letnim i wyłącznie na przygotowanie c.w.u. W pewnych przypadkach warto jednak rozważyć wykorzystanie ciepła z kolektorów słonecznych również do wspomagania centralnego ogrzewania budynku czy w innych celach (np. podgrzewu wody basenowej).

Wspomaganie przygotowania c.w.u. Najprostszym przypadkiem łączenia dwóch źródeł ciepła jest np. kotłownia gazowa, olejowa, węglowa lub też oparta o pompę ciepła z zamontowanym biwalentnym podgrzewaczem ciepłej wody użytkowej. Podgrzewacz biwalentny wyposażony jest w dwie wężownice. Górna przeznaczona jest do podłączenia głównego źródła ciepła, które zazwyczaj może podać czynnik grzewczy o wyższej temperaturze, natomiast dolna wężownica służy do podłączenia wspomagającego źródła ciepła, zazwyczaj o niższej temperaturze zasilania.

! Ilość energii, jaką zużywamy na podgrzew c.w.u., to w przypadku gospodarstw domowych zaledwie kilka procent w skali roku w stosunku do całkowitego zapotrzebowania na energię grzewczą. Rozwiązanie z kolektorami i podgrzewaczem biwaletnym pozwala zatem zaoszczędzić energię do przygotowania c.w.u., zwłaszcza w sezonie letnim, kiedy kolektory osiągają największe wydajności.

Dobierając urządzenia, czyli powierzchnię kolektorów oraz wielkość podgrzewacza biwalentnego, do konkretnych potrzeb inwestycji, można skorzystać z programów do symulacji pracy takiego układu. Jednak, gdy nie mamy do nich dostępu, można szacunkowo posłużyć się prostymi regułami, które są następujące:

• na każdą osobę w gospodarstwie domowym powinno przypadać 1,2 m² powierzchni absorbera kolektora dla kolektorów płaskich lub 0,8 m² powierzchni absorbera dla kolektorów próżniowych;
• na każdy 1 m² absorbera powinno przypadać około 0,2 m² powierzchni wężownicy (wymiennika ciepła) dla kolektorów płaskich lub 0,3 m2 powierzchni wężownicy dla kolektorów próżniowych;
• na każdy 1 m² kolektora płaskiego powinno przypadać min. 50 l pojemności podgrzewacza, a na każdy 1 m² kolektora próżniowego – min. 75 l pojemności podgrzewacza.

Na schemacie przedstawionym na rys. 2 widać, że wężownica solarna położona jest w dolnej części podgrzewacza c.w.u. Ma to związek z temperaturą, jaką najczęściej jest w stanie zaoferować kolektor słoneczny. Temperatura czynnika z kolektora słonecznego może w sprzyjających warunkach osiągnąć nawet ponad 100°C, co ostatecznie – przy braku odbioru ciepła (ok. 120°C) – skutkuje wyłączeniem stacji pompowej i przejściem kolektora w tzw. stan stagnacji. Jednak normalnie temperatura kolektora nie jest aż tak wysoka, choć wystarczająca do podgrzania wody od temperatury 10°C wzwyż. Dobrze dobrany układ kolektorów słonecznych i podgrzewacza c.w.u. powinien umożliwiać kilkugodzinną pracę układu oraz podgrzanie wody użytkowej do temperatury w zakresie 45-60°C bez wchodzenia w stan stagnacji.

Podgrzew c.w.u. przy wykorzystaniu kolektorów słonecznych generalnie wydaje się w naszym klimacie najbardziej sensownym rozwiązaniem, ponieważ właśnie latem, gdy energii słonecznej jest pod dostatkiem, bez dodatkowego, długoterminowego magazynowania możemy ją niemal bezpośrednio zużyć. W przypadku większych obiektów ta idea świetnie sprawdza się zwłaszcza w ośrodkach wypoczynkowych, pensjonatach czy hotelikach, w których latem występuje duże zapotrzebowanie na c.w.u. ze względu na znaczną liczbę gości. Jako chybione inwestycje można natomiast wskazać instalacje kolektorów na budynkach szkół, montowane za pieniądze z dotacji, które latem, w najkorzystniejszym okresie pozyskiwania energii, trwają w stanie stagnacji, ponieważ w budynkach tych nie ma wówczas zapotrzebowania na c.w.u. (lub jest ono minimalne).

Wspomaganie ogrzewania budynku. Są również takie sytuacje, kiedy energię pozyskiwaną przez kolektory słoneczne można i opłaca się wykorzystywać do ogrzewania budynku. Mam na uwadze np. wspomniany wyżej pensjonat czy hotelik z przewymiarowaną instalacją solarną do przygotowania c.w.u. Instalacja taka wymiarowana jest na okres letni dla gości hotelowych, kiedy liczba mieszkańców jest wielokrotnie wyższa niż liczba mieszkańców w okresie pozaurlopowym. Schemat przedstawiony na rys. 3 ilustruje możliwe wykorzystanie energii słonecznej w takim obiekcie – w pierwszej kolejności do podgrzewu c.w.u. oraz wspomagania c.o. (c.w.u. ma zwykle priorytet), na końcu zaś do podgrzewu wody do basenu. W instalacji zastosowano specjalny bufor kombinowany z podgrzewaczem c.w.u.

Grzejąc wodę w buforze kombinowanym, ogrzewamy jednocześnie c.w.u. w wydzielonym zbiorniku. W razie konieczności podgrzania c.w.u. głównym źródłem ciepła, wykorzystywana jest górna część bufora, a wydzielony zbiornik na c.w.u. podgrzewany jest płaszczowo. Kiedy w dolnej części bufora mamy w okresie grzewczym nadwyżkę temperatury w stosunku do temperatury wody na powrocie, zawór trójdrogowy VS1 ustawiany jest na przepływ AB-A i wtedy woda z powrotu płynie przez bufor, a podgrzana woda z bufora płynie w kierunku sprzęgła hydraulicznego. Gdy woda w buforze ma wystarczającą temperaturę w stosunku do potrzeb centralnego ogrzewania, wtedy kocioł nie załącza się (nie załącza się też pompa kotłowa), a pompy obiegów grzewczych powodują, że woda prosto ze sprzęgła hydraulicznego zasila obiegi grzewcze z pominięciem kotła.

Bufor kombinowany z podgrzewaczem, w którym znajduje się wydzielona część na c.w.u. wyposażona we własną wężownicę, przedstawia rys. 4.

Oczywiście, schemat układu grzewczego zaprezentowany na rys. 3 nie wyczerpuje wszystkich możliwości. W układzie mogą być np. dwa pola kolektorów słonecznych albo do celów centralnego ogrzewania można wykorzystywać osobny bufor. Ilustruje to schemat pokazany na rys. 5, który można polecić do instalacji z długoterminowymi magazynami ciepła. Mogą to być magazyny w formie dużych, podziemnych buforów wodnych, magazyny oparte o ciała stałe: piasek, beton itp., czy też o przemiany fazowe. Jak na razie są one rzadkością, ale – biorąc pod uwagę gwałtownie rosnące ceny nośników energii – niewątpliwie zasługują na większe zainteresowanie branży i inwestorów.

Rysunek 5 przedstawia rozbudowany schemat instalacji umożliwiającej szerokie wykorzystanie energii słonecznej. Jak widać, układy takie stają się coraz bardziej skomplikowane i wymagają coraz bardziej wyspecjalizowanej automatyki.

Czas na pompy ciepła
Bardziej przewidywalnym źródłem ciepła w porównaniu do kolektorów słonecznych są pompy ciepła. Jednak, zanim przyłączy się pompę ciepła do instalacji np. z istniejącym już kotłem, przede wszystkim trzeba uzyskać odpowiedź na bardzo ważne pytanie: na jakie temperatury została zaprojektowana instalacja c.o. w budynku?

Uzupełniające, czy główne źródło ciepła? Jeżeli istniejąca instalacja c.o. została zaprojektowana na parametry 80/60°C (lub podobne), a pompa ciepła jest typu powietrze- woda, to w czasie największych mrozów, np. przy temperaturze zewnętrznej -20°C, moc pompy ciepła istotnie spadnie i urządzenie będzie w stanie (zazwyczaj) uzyskać na zasilaniu temperaturę maksymalnie 45°C. W przypadku gruntowej pompy ciepła maksymalna temperatura na zasilaniu w takich warunkach wyniesie 60°C. Tę zdolność do efektywnego oddawania ciepła do instalacji centralnego ogrzewania ilustruje rys. 6. Przedstawia on wykres temperatur, jakie panują w instalacji c.o. zaprojektowanej na parametry 70/50°C, wyposażonej w powietrzną pompę ciepła. Jak widać, do temperatury zewnętrznej -15°C pompa ciepła jest w stanie dostarczyć na zasilaniu czynnik o parametrze 55°C, ale gdy temperatura na zewnątrz spada poniżej -15°C, dostarcza już tylko maksymalnie 45°C. W obszarze zaznaczonym na rys. 6 czerwoną ramką, od temperatury zewnętrznej -3°C, pompa ciepła nie jest w stanie utrzymać zadanej temperatury na zasilaniu, a więc nie jest w stanie dogrzać instalacji. Nawet gdyby miała poniżej tej temperatury zewnętrznej wystarczającą moc pod względem ilości kW, to i tak nie będzie w stanie dogrzać instalacji. Im dalej od linii TV_CO leży linia TV_PC, tym mniejszą ilość energii pompa ciepła może efektywnie dostarczać do instalacji c.o. Dodatkowo na wykresie widać, że przy temperaturze projektowej -16°C pompa ciepła nie jest w stanie dogrzać nawet powrotu. W związku z tym w czasie największych mrozów nasze główne źródło ciepła i tak będzie musiało pokryć całkowite zapotrzebowanie na moc grzewczą.

! Przedstawiony na rys. 6 wykres przekonuje, że nie warto dobierać pompy ciepła na całkowite pokrycie potrzeb cieplnych, kiedy nie jesteśmy w stanie zapewnić wymaganej temperatury na zasilaniu w całym okresie eksploatacji – zwłaszcza zimą.

Natomiast przy niższych temperaturach systemowych w instalacji centralnego ogrzewania, np. 45/35°C, pompa ciepła może również w czasie największych mrozów dostarczać ciepło. W takiej sytuacji lub w przypadku nowo budowanych instalacji grzewczych to właśnie pompa ciepła będzie głównym źródłem ciepła (wraz ze sterowaniem pracą obiegów grzewczych), a kocioł „dogrzewaczem” (w przypadku deficytu mocy).

Automatyka pompy ciepła. Coraz popularniejsze są na rynku pompy ciepła typu powietrze-woda z automatyką, która jest w stanie w razie potrzeby załączyć uzupełniające źródło ciepła. Dodatkowo można wprowadzić do systemu bieżącą cenę nośników energii i wówczas układ sterujący pompy ciepła sam oceni, kiedy korzystniej jest używać do ogrzewania pompy ciepła, a kiedy np. kotła. W takim przypadku to również automatyka pompy ciepła będzie sterowała całością. Przykład, gdy automatyka powietrznej pompy ciepła steruje pracą obiegów grzewczych i sama decyduje, kiedy załączyć kocioł przedstawia rys. 7. Śledząc na schemacie, jak płynie woda powrotna z instalacji, możemy zauważyć, że pompa ciepła (ze względu na niższą osiąganą temperaturę na zasilaniu) jako pierwsza podgrzewa wodę, potem ewentualnie włącza się kocioł. Jeżeli temperatura wody grzewczej za pompą ciepła nie będzie wystarczająca, wtedy zawór czterodrogowy MK1 skieruje wodę w kierunku kotła na dogrzanie do właściwej temperatury.

W sytuacji, kiedy pompa ciepła ma być głównym źródłem ciepła, ale sama nie potrafi włączać dodatkowego źródła ciepła, możemy rozważyć bezpośrednie włączenie kotła do bufora i załączanie go z wykorzystaniem styków w automatyce pompy ciepła przeznaczonych do załączania grzałki elektrycznej.

Przykład instalacji grzewczej z pompą ciepła i kotłem jako dogrzewaczem przedstawia rys. 8. Warto zwrócić uwagę na tym schemacie, że tylko kocioł podgrzewa c.w.u. Jest to rozwiązanie godne polecenia tam, gdzie przewidujemy wspomaganie pracy pompy ciepła przy wykorzystaniu kotła. Podgrzew c.w.u. za pomocą kotła jest szybszy, a urządzenia ze względu na osiąganie wyższych temperatur (woda grzewcza, c.w.u.) mogą być mniejsze i przez to tańsze. Warto o tym pamiętać, ponieważ osobiście kilka razy spotkałem się z sytuacją odwrotną. Otóż, gdy wskaźnik energii pierwotnej budynku (ogrzewanego kotłami gazowymi) był zbyt duży, projektant znalazł „ratunek” w podgrzewie c.w.u. za pomocą pomp ciepła, które w takiej roli są najmniej efektywne. Dodatkowo podgrzewacze muszą mieć wówczas dużą pojemność, co prowadzi do większych kosztów wybudowania kotłowni. Spotkałem się jednak również z sytuacją, gdy na skutek wysokich cen gazu okazało się, że grzanie c.w.u. z pompy ciepła jest bardziej korzystne.

Automatyka kotła. Ostatnio (po wzroście cen nośników energii) dużo jest przypadków, kiedy inwestor, który posiada instalację centralnego ogrzewania z kotłem zaprojektowaną na wyższe parametry (np. 70/50°C), chce tylko, by do pracującego kotła „dołożyć” pompę ciepła typu powietrze-woda i polepszyć w ten sposób sprawność całego układu bez rewolucji w kotłowni. Przedstawiony wcześniej wykres (rys. 6) pokazuje, że wówczas pompa ciepła będzie w stanie pracować samodzielnie nawet do temperatury zewnętrznej -3°C. Najczęściej w takich przypadkach pozwala się, by to automatyka kotła sterowała pracą obiegów grzewczych, a pompa ciepła dogrzewała wodę w instalacji tak długo, jak to możliwe.

! W takich przypadkach obowiązuje generalna zasada: pompa ciepła osiąga niższą temperaturę na zasilaniu niż kocioł, stąd podgrzewa wodę z powrotu instalacji jako pierwsza.

Na schemacie na rys. 9 widać, że pompa ciepła pracuje niezależnie od kotła, podgrzewając wodę w buforze. Automatyka kotła „widzi” tylko temperaturę wody grzewczej, jaka wypływa z kotła (z włączonym palnikiem – temperatura zasilania instalacji, z wyłączonym palnikiem – temperatura na powrocie kotła/powrocie z instalacji). Jeżeli pracująca pompa ciepła podgrzeje wodę w buforze powyżej temperatury na powrocie z instalacji, wtedy regulator biwalentny RB włączy pompę obiegową PB i ta zacznie pobierać wodę z bufora. Sumarycznie na przewodzie powrotnym w instalacji nic się nie zmieni, ponieważ ilość pobranej z powrotu wody (za czujnikiem FAR) przez pompę obiegową PB i oddanej wody (za zaworem zwrotnym) jest taka sama.
Alternatywnie można bufor na powrocie włączyć poprzez zawór trójdrogowy. Kiedy temperatura wody w buforze BU będzie wyższa niż na powrocie, regulator biwalentny RB przełączy zawór SWE tak, by cały przepływ kierowany był poprzez bufor.

Kiedy i jak wpiąć bufor w instalację? Układ z wpięciem bufora poprzez pompę należy zastosować, kiedy występuje duża dysproporcja w przepływach lub mocy na głównym źródle ciepła (kocioł gazowy KG) i wspomagającym (pompa ciepła PC). Pompę obiegową PB należy dobrać dla przepływu odpowiadającemu mocy pompy ciepła oraz dodatkowo tak, by na króćcach bufora nie przekroczyć prędkości około 1,5 m/s. Wtedy nie powinno być problemu z uwarstwieniem wody w buforze. Powyżej prędkości 1,5 m/s będą problemy z uwarstwieniem bufora, a powyżej prędkości 2 m/s pojawią się dodatkowo szumy na króćcach.

Przy wpięciu bufora bufora za pomocą zaworu przełączającego w układzie z dysproporcją mocy lub przepływu należy liczyć się z częstym przełączaniem się zaworu. Trzeba też wziąć pod uwagę to, czy króćce bufora obsłużą całkowity przepływ instalacji c.o.

Przy dobieraniu wielkości bufora dla pompy ciepła stosowany jest najczęściej jeden z dwóch wskaźników:

• pojemność bufora stanowi minimum 0,1 przepływu godzinowego wody przez pompę ciepła,
• pojemność bufora obliczana jest według proporcji: minimum 10 l na 1 kW mocy pompy ciepła.

A co z kotłami na paliwo stałe?
Kotły na paliwo stałe mogą być podłączane do instalacji tak jak pompa ciepła (na powrocie poprzez zawór lub pompę) albo – z uwagi na wyższą temperaturę na zasilaniu – równolegle do głównego źródła ciepła.
Zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 10, kocioł na paliwo stałe KPS może pracować niezależnie od kotła gazowego KG. Automatyka kotła KG steruje pracą całej instalacji. Jeżeli w czasie pracy kotła KG włączymy kocioł KPS, a moc obu źródeł będzie za duża, wówczas zacznie wzrastać temperatura wody wychodzącej na instalację, co zostanie zmierzone przez czujnik FVS na sprzęgle. W takim przypadku automatyka kotła KG zacznie zmniejszać jego moc. W skrajnej sytuacji może go nawet wyłączyć przy zachowaniu funkcji regulacyjnych na obiegach grzewczych.

Podsumowując…
Schematów z przykładami łączenia różnych źródeł ciepła można oczywiście generować bardzo dużo – w zależności od różnych czynników. Generalnie, decydując się na połączenie kilku źródeł ciepła w jeden system, trzeba wcześniej znaleźć odpowiedź na następujące pytania:

• Jaką temperaturę czynnika grzewczego może wygenerować główne źródło ciepła, a jaką wspomagające źródło ciepła?
• Na jakie temperatury systemowe została zaprojektowana instalacja centralnego ogrzewania?
• Jaki przepływ generuje główne, a jaki wspomagające źródło ciepła?
• Jak długo (np. do jakich temperatur zewnętrznych) może pracować wspomagające źródło ciepła? Zakładam, że główne źródło ciepła może pracować cały rok.
• Jakie oszczędności w skali roku przyniesie zastosowanie wspomagającego źródła ciepła? Ta informacja pozwoli oszacować, kiedy inwestycja w dodatkowe źródło ciepła może się zwrócić. Chyba, że chodzi o bezpieczeństwo dostaw ciepła – wtedy ewentualny czas zwrotu nie ma znaczenia.
  
  
  

GAZOWE KOTŁY KONDENSACYJNE - PRZEGLĄD