Ewolucja, czy rewolucja: urządzenia hybrydowe
advertisement
INSTALACJE GRZEWCZE Cykl „Ewolucja, czy rewolucja?” to projekt edukacyjny zainspirowany współpracą redakcji „Polskiego Instala- tora” z fachowcami z Akademii Viessmann. Do udziału w nim zapraszamy także inżynierów czy szkoleniowców z innych firm branży grzewczej oraz z innych branż w zakresie instalacji. W kolejnych artykułach cyklu chcemy prześledzić – na konkretnych przykładach – ostatnie kilka-kilkanaście lat rozwoju technologii w instalacjach, modyfikację idei towarzyszących zmianom, a także poznać trendy i perspektywy na najbliższe lata. Mamy też nadzieję znaleźć odpowiedź na zasadnicze pytanie: czy zmiany, jakie zaszły, to ewolucja, czy rewolucja? Ewolucja, czy rewolucja: urządzenia hybrydowe Dawid Pantera Mówiąc o hybrydzie, zazwyczaj mamy na myśli samochód, który pod maską obok silnika spalinowego ma również elektryczny, przy czym oba pracują dla osiągnięcia tego samego celu. Analogicznie, w instalacjach grzewczych połączenie kilku źródeł energii można śmiało nazwać hybrydą. Nie ma tutaj znaczenia o jakiej formie energii mówimy. J esteśmy obecnie w momencie, w którym, na szczęście, wyraźnie wzrasta udział odnawialnych źródeł w produkcji energii cieplnej i elektrycznej, a poziom zużycia energii przez mieszkańca maleje. Jeśli dodamy do tego planowane zmiany w wytycznych dla nowego budownictwa, to powstaje wręcz wymarzony scena- 0 kWh, 0% 3.258 kWh 5% 10.350 kWh, 15% 5.754 kWh 8% 50.526 kWh 72% energia z kolektorów słonecznych 72% energia uzyskana w wyniku przemiany fazowej wody w lód 15% ciepło z otoczenia zbiornika (gruntu) 8% energia odebrana wodzie przy jej schłodzeniu 5% (25K) 1. Analiza udziału energii doprowadzonej do dolnego źródła pompy ciepła ze zbiornika energii. Udział energii z kolektorów słonecznych wykorzystanych do zasilania zbiornika wynosi aż 72% 38 riusz zmian dla naszej branży. Fakt – zmiany te jak dotychczas odbywają się nieco za wolno. Najważniejsze jednak, że odpowiedni kierunek został wyznaczony. Paliwa kopalne jeszcze długo będą fundamentem w produkcji energii na ziemi, ale wszyscy eksperci wieszczą szybszy ograniczyć pracę urządzeń grzewczych, przyczyniając się do zmniejszenia zużycia paliw oraz tym samym redukcji emisji substancji szkodliwych do atmosfery. W warunkach doborowych kolektorów słonecznych proponuje się planowanie pokrycia zapotrzebowania na energię cieplną Całkowite przerzucenie się na urządzenia OZE nie jest dziś oczywiście ani proste, ani tanie, ani póki co możliwe technicznie. Dlatego należy zacząć zmiany małymi krokami, np. od modernizacji dotychczasowych źródeł energii, tworząc z nich układy hybrydowe do produkcji ciepła i energii elektrycznej. niż się do tej pory wydawało spadek ich znaczenia. Całkowite przerzucenie się na urządzenia OZE też oczywiście nie jest ani proste, ani tanie, ani póki co możliwe technicznie. Dlatego należy zacząć zmiany małymi krokami, np. od modernizacji dotychczasowych źródeł energii, tworząc z nich układy hybrydowe do produkcji ciepła i energii elektrycznej. Kolektory klasycznie Najprostszą formą instalacji hybrydowej może być ogrzewanie ciepłej wody użytkowej przez tradycyjne urządzenie grzewcze, które jest wspomagane przez instalację solarną. Kolektor potrafi w doskonały sposób spożytkować energię cieplną promieniowania słonecznego i skutecznie do 60% i ta wartość jest bez problemu do osiągnięcia. Kolektory słoneczne, których tempo rozwoju z początku przypominało żółwi marsz, gdy w końcu nabrały rozpędu, to sporo na rynku zwojowały, a efekty ich pracy jeszcze długo będą nas cieszyć. Osobiście mam nadzieję na znaczące wykorzystanie tej technologii w najbliższych latach, tym bardziej, że kolektory są obecnie produktem kompletnym i pozbawionym słabych stron. Hybrydowe wsparcie dla pomp ciepła A co, jeżeli energię cieplną z kolektorów słonecznych wykorzystamy w nieco inny sposób niż „tradycyjnie”, np. do podniesienia temperatury Polski Instalator 7/2016 INSTALACJE GRZEWCZE 2. Zbiornik do magazynowania energii: przygotowanie do montażu zbiornika w ziemi dolnego źródła ciepła w instalacjach z pompą ciepła? Możemy wówczas stworzyć coś na kształt hybrydy, która skojarzy wiele źródeł ciepła, oraz pozwoli na ogrzewanie i chłodzenie budynku. Nie mam tu na myśli zrzutu ciepła do gruntu, bo takim działaniem możemy raczej narobić sobie szkód. Mowa jest o tzw. zbiornikach energii, czyli o rozwiązaniu zyskującym coraz większą popularność np. w Niemczech, gdzie wydaje się coraz mniej pozwoleń na wykonanie odwiertów jako dolnych źródeł dla pomp ciepła lub stawia się wymagania nie do spełnienia, jak np. zastosowanie wody jako czynnika roboczego w odwiertach. Wyjściem z sytuacji jest wtedy właśnie wykonanie zbiornika energii. Jak się okazuje rozwiązanie takie ćwiczono już ponad 30 lat temu, czego dowodem są schematy hydrauliczne i elektryczne. Dzisiaj układ opiera 3. Prefabrykowany wodny magazyn ciepła instalowany w gruncie. Źródło: Sonnenhaus Institut się na zbiorniku wody o pojemności kilkunastu lub więcej metrów sześciennych. Wewnątrz, od osi zbiornika, ułożona jest wężownica stanowiąca dolne źródło dla pompy ciepła, natomiast na obwodzie znajduje się wężownica będąca odbiornikiem ciepła od kolektora słonecznego. Zbiornik jest zakopywany poniżej strefy przemarzania gruntu, a na dachu budynku ląduje kolektor słoneczny, lecz w specjalnym wykonaniu – jako tzw. kolektor powietrzny. Co ciekawe, bilanse z symulacji, jak i analiza wykonanych już instalacji pokazują, że najwięcej energii w ciągu roku zyskuje się właśnie z takiego układu kolektora – urządzenia o prostej budowie, z czarnych płyt PE, bez przykrycia. Na wybranym przykładzie (rys. 1) widać, że wytwarza on nawet 72% całkowitej energii doprowadzonej do dolnego źródła ciepła pompy ciepła. Drugi pod względem wielkości wycinek bilansu, o wartości 15%, to udział energii uzyskanej w wyniku przemiany fazowej wody w lód przy stałej temperaturze. Kolejne 8% stanowi ciepło z otoczenia, a więc z ziemi wokół zbiornika, a zaledwie 5% udziału ma energia odebrana wodzie (na naszym przykładzie schłodzenie wody od temperatury 25°C do 0°C). ! Czy to jest rewolucja w wykonaniu dolnych źródeł dla pomp ciepła? Z całą pewnością tak, ponieważ mamy do czynienia z czterema źródłami ciepła pracującymi na jedno dolne źródło pompy ciepła, przy jednoczesnej minimalnej ingerencji w środowisko. Ten układ zasługuje na szczególną uwagę także z innego powodu. Poza wyjątkowym źródłem ciepła, mamy też do czynienia ze sporym źródłem chłodu do wykorzystania na potrzeby chłodzenia budynku, np. chłodzenia naturalnego, a więc bez użycia sprężarek. Ogromną ilość energii możemy odebrać w procesie przemiany fazowej lodu w wodę. Dla nowego budownictwa, gdzie coraz większy udział w zapotrzebowaniu na energię ma właśnie chłód, to bardzo ciekawe rozwiązanie. Hybrydowe źródło ciepła dla kotłów 3. Zbiornik lodu. Schemat instalacji hybrydowego dolnego źródła ciepła z roku 1978 r. www.polskiinstalator.com.pl Zeolit, odkryty w roku 1756, jest materiałem ceramicznym, tzn. nie przewodzi ciepła, ale jest za to silnie porowaty. Jego nazwa bierze się od słów: „zeo“ i „lithe“, co oznacza „wrzący kamień“. Ma on bowiem właściwość wchłaniania i wiązania pary wodnej (adsorbowania), a w trakcie tego procesu silnie się nagrzewa, nawet do temperatu- 39 INSTALACJE GRZEWCZE ry rzędu 90°C. Zeolit nie jest palny, nie jest toksyczny i co najważniejsze, jest całkowicie neutralny dla środowiska. Ponieważ jest on ciałem stałym i nie daje się „przepompować“, urządzenie wykorzystujące właściwości zeolitu w swojej pracy musi pracować okresowo z wykorzystaniem dwóch źródeł ciepła. Tak oto powstał kombajn łączący wykorzystujący energię chemiczną gazu oraz wiązania pary wodnej przez zeolit. Podstawowym źródłem ciepła tej centrali jest gazowy kocioł kondensacyjny o mocy typowej dla budownictwa jednorodzinnego, jednak dodatkowo został on wyposażony w moduł z wymiennikiem ciepła pokrytym zeolitem. Ten dodatkowy moduł jest zamkniętym hermetycznie naczyniem, wypełnionym czystą, zdemineralizowaną wodą. Wewnątrz, w jego górnej części, znajduje się wymiennik pokryty zeolitem, w dolnej natomiast woda oraz wężownicowy wymiennik ciepła. Do wężownicy doprowadzany jest czynnik niezamarzający z odwiertów pionowych (podobnie jak dla pompy ciepła) lub bezpośrednio z kolektora słonecznego. Ciepło dostarczane ze środowiska powoduje odparowanie wody, a ta następnie jest wiązana przez zeolit i zamieniana na ciepło oddawane do instalacji grzewczej. Po zakończeniu procesu adsorbowania pary wodnej układ przełącza się na kocioł grzewczy, który podgrzewa wymiennik zeolitowy, osuszając go. Para wodna skrapla się, oddając ciepło do wody wracającej z instalacji grzewczej. Urządzenie, 4. Schemat instalacji z przydomowym zbiornikiem do magazynowania energii pracując na zmianę, dostarcza cieplnej z kolektorów jako dolnym źródłem dla pompy ciepła w budynku nawet 30% energii więcej niż analogicznej mocy kondensaRozwiązanie można z całą pewnością cyjny kocioł gazowy w typowym rozwiązaniu. określić mianem innowacyjnego, aczTe dodatkowe 30% to ciepło ze środowiska kolwiek, niestety, nie jest to rozwiązanie dostarczone do procesu odparowania wody. rewolucyjne. Wprawdzie zwiększa efektywność wykorzystania gazu o dodatkowe 30%, Jak powstaje dodatkowa energia w kotle z zeolitem? ale raczej należy je traktować jako branżową ciekawostkę. Faza adsorpcji – pobieranie ciepła ze środowiska ! Hybrydowe pompy ciepła suchy zeolit para wodna energia wiązania pary wodnej oddawana jest w postaci energii cieplnej energia pobierana ze środowiska powoduje odparowanie wody w hermetycznym module Faza desorpcji – osuszanie zeolitu do osuszania zeolitu potrzebna jest energia z kotła obciążenia szczytowego (kocioł gazowy) mokry zeolit uwolniona para wodna 40 uwolniona para wodna skrapla się na ściankach hermetycznego modułu, a energia skraplania oddawana jest do instalacji Urządzeniem typowo hybrydowym jest zdecydowanie połączenie pompy ciepła i konwencjonalnego urządzenia grzewczego. Promowanym obecnie rozwiązaniem jest połączenie pompy ciepła powietrze-woda typu split oraz kondensacyjnego kotła gazowego. Połączenie w jednej obudowie wymiennika ciepła od kotła i skraplacza od pompy ciepła jest ciekawe, ale jeszcze nie zrzuca z krzesła. Smaczkiem jest natomiast automatyka, która w inteligentny sposób stara się sterować działaniem obu połączonych urządzeń w celu uzyskania najniższych kosztów pracy. Do poprawnej pracy automatyka wymaga wprowadzenia cen energii elektrycznej, czasów obowiązywania taryf oraz ceny ciepła z kotła gazowego. Jeżeli wykryte zostanie zapotrzebowanie na ciepło, załączana jest w pierwszej kolejności pompa ciepła, której efektywność pracy jest odpytywana co dwie minuty. Jeżeli okaże się, że koszty ciepła z pompy ciepła są wyższe niż przy wykorzystaniu kotła kondensacyjnego, pompa jest wyłączana, a załączany jest kocioł. Możliwa jest również praca równoległa w przypadku, gdy koszty pracy pompy ciepła są niższe, jednak nie ma ona wystarczającej mocy do pokrycia zapotrzebowania na ciepło budynku. Polski Instalator 7/2016 INSTALACJE GRZEWCZE Przełączanie między dwoma źródłami ciepła odbywa się dynamicznie, zależnie od chwilowych warunków pracy, a nie od temperatury zewnętrznej. To daje sporą przewagę nad klasyczną modernizacją instalacji z dodatkową pompą ciepła. Algorytm pracy urządzenia hybrydowego jest przenoszony do regulatorów pozostałych pomp ciepła typu powietrze-woda, tym samym wkrótce uprości się proces konfigurowania instalacji podczas pierwszego uruchomienia. zynowana np. w formie energii cieplnej. Można powiedzieć, że mikroźródła OZE będą wtedy sterowały budynkiem według produkcji. Natomiast poza okresem występowania energii z mikroźródeł OZE, skojarzone wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej w mikrokogeneratorach domowych pokryje zapotrzebowanie występujące zarówno w budynku, jak i w okolicy. W tym przypadku mikroźródła skojarzone będą sterowane przez budynek według zapotrzebowania. Rozwijanie technologii wytwarzania i przetwarzania energii odnawialnej, w połączeniu z rozwojem energooszczędnych technologii użytkowania wszystkich rodzajów energii, jest jedynym racjonalnym kierunkiem rozwoju, dającym nam, ludziom, więcej czasu na rozwiązanie problemu pułapki energetycznej, w której się znaleźliśmy. Jest to w moim odczuciu na tyle duża zmiana podejścia do układów biwalentnych, że określiłbym je mianem rewolucyjnego. Jednak nie chodzi tu o wpływ, jaki może mieć na sprzedaż pomp ciepła, lecz o to, jak poprawia współdziałanie pomp ciepła z innym urządzeniami grzewczymi co w przyszłości będzie procentować. Kogeneracja w domu? Dlaczego nie? Może być nawet więcej, szerzej – cały organizm samozasilania na danym obszarze łączący budynki żyłami elektrycznymi. W każdym budynku instalacja fotowoltaiczna oraz urządzenie kogeneracyjne. Szczególnym wyzwaniem dla tego pomysłu i zasadniczym jego założeniem jest inteligentne sterowanie zużyciem, produkcją i dystrybucją energii. Energia elektryczna, produkowana w lokalnych mikroźródłach OZE zgromadzonych na pewnym obszarze, zużywana będzie lokalnie przez mieszkańców tego obszaru – gdy będzie dostępna i będzie na nią zapotrzebowanie, a w razie nadmiaru produkcji będzie maga- Kierunek takich rozwiązań to oczywiście samowystarczalność energetyczna fabryk i budynków mieszkalnych. Niestabilne źródła energii elektrycznej, jak siłownie wiatrowe czy generatory fotowoltaiczne, będą w optymalny sposób wykorzystywane do pokrycia zapotrzebowania. Potencjał w Europie to 190 mln budynków, które powinny być poddane modernizacji. Spróbujmy sobie wyobrazić, co by to było, gdyby każdy z tych budynków stał się lokalną mikroelektrownią? A urządzenia potrzebne do realizacji tego planu już od dawna są na rynku. Rokowania? – Chyba oczywiste Raz po raz ukazują się opracowania wieszczące powrót węgla. Jednak w Europie raczej mało prawdopodobne jest, by ropa naftowa czy węgiel kamienny miały w przyszłości odgrywać znaczącą rolę jako nośniki energii. Cele związane z ochroną klimatu wyraźnie wskazują, że udział węgla w wytwarzaniu energii będzie spadał, a europejską ambicją jest „zielone” wytwarzanie Obszar do zagospodarowania przez hybrydowe pompy ciepła W Polsce, tylko w domach mieszkalnych, pracuje około 4 milionów źródeł ciepła, w tym 2 miliony kotłów węglowych o niskiej sprawności i wysokiej emisji zanieczyszczeń. Jedynie 8% systemów grzewczych można zakwalifikować do grupy nowoczesnych – efektywnych i przyjaznych środowisku naturalnemu. Pozostałe 92% powinno zostać poddanych modernizacji, np. wymianie na kotły kondensacyjne, uzupełnieniu o kolektory słoneczne czy właśnie o pompę ciepłą z hybrydowym algorytmem współpracy. Potencjał oszczędności energii i zmniejszenia obciążenia środowiska jest zatem ogromny i olbrzymi jest też obszar do zastosowania hybrydowych pomp ciepła. www.polskiinstalator.com.pl 5. Wymiennik ciepła pokryty zeolitem dołączany do gazowego kotła kondensacyjnego. Sprawia, że kocioł dostarcza nawet 30% więcej energii niż jego odpowiednik bez takiego wymiennika energii i ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 20% w roku 2020 (w stosunku do emisji z 1990 r.). Wszystko wskazuje więc na to, że przyszłość to elektryczne źródła energii, ale i takie odbiorniki energii jak pompy ciepła. Paliwa kopalne będą bardzo drogie i niestabilne. Na znaczeniu zyskają pompy ciepła, a każdy z nas stanie się prosumentem energii elektrycznej z systemem grzewczym pracującym według zapotrzebowania z zewnątrz. Czeka nas skojarzone wykorzystywanie różnych źródeł energii, a także skojarzona produkcja wielu form energii. Będziemy działać w warunkach rynkowych – będziemy produkować, sprzedawać i zużywać energię. Rozwijanie technologii wytwarzania i przetwarzania energii odnawialnej, w połączeniu z rozwojem energooszczędnych technologii użytkowania wszystkich rodzajów energii, jest jedynym racjonalnym kierunkiem rozwoju, pozwalającym na zmniejszanie intensywności eksploatacji kopalnych surowców energetycznych, wydłużenie okresu ich dostępności i danie nam, ludziom, więcej czasu na rozwiązanie problemu pułapki energetycznej, w której się znaleźliśmy. ■ O AUTORZE Dawid Pantera, menadżer działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń, Akademia Viessmann 41 INSTALACJE GRZEWCZE 42 Polski Instalator 7/2016
