Ogrzewanie hybrydowe z pompą ciepła - czy to się opłaca?

Zanim zastanowimy się, czy stosowanie ogrzewania hybrydowego się opłaca, w pierwszej kolejności należy odpowiedzieć na pytanie: “czym jest ogrzewanie hybrydowe?”. Układ ogrzewania hybrydowego opiera się na dwóch różnych nośnikach energii, dwóch różnych paliwach. Przykładowo, w budynku wykorzystywana jest pompa ciepła napędzana energią elektryczną, a oprócz tego wykorzystywane jest drugie źródło ciepła, na przykład kocioł gazowy. Istnieją również układy ogrzewania hybrydowego, które zawierają zarówno kocioł gazowy jak i pompę ciepła, ale fizycznie stanowią jedno urządzenie. 

Sterowanie układem ogrzewania hybrydowego

W kontekście sterowania układem ogrzewania hybrydowego, możemy wyróżnić dwie główne opcje. 

Pierwszy z nich, to układ biwalentny alternatywny, w którym do ogrzewania budynku wykorzystywana jest pompa ciepła, a od momentu osiągnięcia granicznej temperatury, budynek ogrzewany jest drugim źródłem ciepła, np. kotłem gazowym. W drugim przypadku urządzenia działają w układzie równoległym. To oznacza, że podczas ogrzewania budynku przez pewien czas pompa ciepła działa równolegle z kotłem, a dopiero od ustalonej temperatury, która jest wyższa niż w układzie alternatywnym, budynek ogrzewany jest za pomocą kotła, który odgrywa rolę źródła szczytowego w budynku. Oba rozwiązania zostały przedstawione na poniższym schemacie.

W zdecydowanej większości pompy ciepła mają wbudowaną grzałkę elektryczną, a ich działanie opiera się na podobnej zasadzie jak w powyższych układach - grzałka wspomaga pracę pompy ciepła w sposób alternatywny lub równoległy i pokrywa szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną. Czy w związku z tym możemy powiedzieć, że pompa ciepła jest sama w sobie urządzeniem hybrydowym? Otóż nie, gdyż zarówno pompę ciepła, jak i grzałkę zasila energia elektryczna, a więc ten sam nośnik energii. Mówimy wtedy o układzie monoenergetycznym. Częściej wykorzystywany jest system monoenergetyczny równoległy - czyli pompa i grzałka, które działają w jednym układzie, a przy pewnych warunkach brzegowych działają jednocześnie – równolegle. Samodzielna pompa ciepła jest bardzo często wystarczającym źródłem ciepła do zapewnienia ogrzewania w budynku. Są jednak przypadki, w których potrzebujemy układu hybrydowego. Przyjrzyjmy się im na przykładzie połączenia pompy ciepła z kotłem gazowym.

Ogrzewanie hybrydowe gaz i pompa ciepła – kiedy jest potrzebne?

Pierwszym powodem, dla którego potrzebny jest układ ogrzewania hybrydowego, jest duże zapotrzebowanie na energię grzewczą budynku. Drugim powodem jest spadające COP pompy ciepła w ujemnych temperaturach. Dlaczego tak jest?

Warto pamiętać, że pompa ciepła to urządzenie o charakterystyce spadkowej. To oznacza, że wraz z obniżaniem się temperatury zewnętrznej, spada również dostępna moc i wydajność urządzenia. W praktyce oznacza to, że jeżeli pompa ciepła nie będzie w stanie sama pokryć zapotrzebowania na moc cieplną budynku w warunkach projektowych, to moc źródła szczytowego musi ten niedobór uzupełnić. 

Połączenie się krzywych mocy pompy i zapotrzebowania na ciepło w budynku na powyższym wykresie wyznacza tak zwany punkt biwalencji. Jest to punkt, w którym w celu pokrycia zapotrzebowania szczytowego, może załączyć się grzałka wbudowana w pompę ciepła lub włączyć się inne źródło, które to zapotrzebowanie pokryje. 

Biorąc pod uwagę wspomniane już spadające COP pompy ciepła w ujemnych temperaturach, czyli tak naprawdę sprawność pompy ciepła, może się okazać, że w danym przypadku od pewnej ujemnej temperatury zewnętrznej, koszt ogrzewania pompą ciepła będzie mniej korzystny finansowo, niż ogrzewanie kotłem gazowym. Oprócz tego, przy dużym zapotrzebowaniu szczytowym może się okazać, że grzałka wbudowana w pompę ciepła będzie niewystarczająca, aby pokryć zapotrzebowanie na ciepło w budynku. W takim wypadku również pomocne będzie wykorzystanie drugiego źródła ciepła. Zobaczmy jak to wygląda na liczbach i przyjrzyjmy się obliczeniom.

Metodologia obliczeń – pompa ciepła

W obliczeniach przyjęto następujące założenia dotyczące pomp ciepła:

• Zapotrzebowanie na energię użytkową budynku – Eu =14500 kWh/rok
• III strefa klimatyczna
• Zapotrzebowanie na moc cieplną budynku w kW (-20°C) = 9,0kW
• COP – w punkcie przy częściowym obciążeniu na podstawie badań ErP
• Zużyta energia elektryczna = Eu/COP
• Taryfa G12w średnia cena 1kWh = 0,75 zł (szczytowa 0,81 zł/kWh (6:00-13:00) pozaszczytowa 0,36 zł/kWh)
• Temperatura na zasilaniu = constant W35 dla ogrzewania podłogowego lub W55 dla ogrzewania grzejnikowego

W kontekście COP warto dodać, że przy wykonywaniu obliczeń uwzględniono, że ta wartość nie jest stała i zmienia się w zależności od temperatury zewnętrznej. Z tego względu do obliczeń przyjęto COP w danym punkcie i w danej temperaturze i to COP zostało określone na podstawie badań ErP, czyli badań które służą do etykietowania klasy energetycznej urządzeń. Z uwzględnieniem założeń, do budynku została dobrana trójfazowa pompa ciepła Panasonic generacji H o mocy nominalnej 9 kW.

Metodologia obliczeń – gaz

W obliczeniach przyjęto następujące założenia dotyczące kotła gazowego:

• Zapotrzebowanie na energię użytkową budynku – Eu=14500 kWh/rok
• Energia pozyskana w paliwie do uzyskania odpowiedniej wartości Eu = 16666,67 kWh/rok (ogrzewanie grzejnikowe) co daje 1666,67m3 spalonego gazu
• Energia pozyskana w paliwie do uzyskania odpowiedniej wartości Eu = 15263,16 kWh/rok (ogrzewanie podłogowe) co daje 1526,32m3 spalonego gazu
• Cena za 1m3 gazu = 2,86 zł
• Ilość kWh w 1m3 gazu = 11 kWh
• Cena za 1kWh gazu = 0,258zł
• Sprawność kotła kondensacyjnego: 87% - grzejniki W55, 95% - ogrzewanie podłogowe W35

Podane wyżej założenia możemy teraz zestawić ze sobą, co pokaże nam rozkład kosztów w zależności od sprawności danego źródła ciepła, a także udział energii grzewczej w skali roku. Te zależności przedstawia poniższa tabela.

W poszukiwaniu odpowiedzi na pytanie, kiedy wykorzystanie układów ogrzewania hybrydowego się opłaca, warto również zastanowić się nad tym, jaki jest rozkład temperatur w okresie grzewczym. Okazuje się, że np. w Warszawie, która mieści się w III strefie klimatycznej, która zajmuje największą część Polski, aż 90% okresu grzewczego mieści się w przedziale temperaturowym od -5°C do +8°C, a także, że najczęściej występującą temperaturą jest 2°C i występuje przez ponad 10% sezonu grzewczego. Oprócz tego, z tabeli możemy odczytać, że temperatury poniżej -15°C praktycznie w tej strefie klimatycznej nie występują. Tym samym temperatura -15°C może zostać uznana za graniczną przy doborze urządzeń. Po zapoznaniu się z założeniami, możemy sprawdzić, jak wygląda opłacalność kosztów wykorzystania układu hybrydowego pompy ciepła i kotła gazowego.

Dodatkowo warto wspomnieć o ogromnej różnicy w wartościach pobranej energii wyrażonej w kWh. W przypadku pompy ciepła współpracującej z grzejnikami (powyższa tabela) zużyta energia wynosiła 4321kWh (energia w postaci energii elektrycznej), natomiast w przypadku gazu zużyta energia wynosiła 16666,67kWh (energia ze spalonego gazu). Do tych wartości przykładamy cenę za nośnik energii, dlatego różnice w kosztach eksploatacji są tak znaczące. Do momentu, aż energia elektryczna nie będzie 2-3 razy droższa niż jest obecnie, pompy ciepła będą najbardziej korzystnym ekonomicznie sposobem ogrzewania budynków. 

Ogrzewanie podłogowe w układzie ogrzewania hybrydowego

Porównanie kosztów eksploatacji dla ogrzewania podłogowego przedstawiono na poniższym rysunku.

Okazuje się, że przy ogrzewaniu podłogowym, przez zdecydowaną większość okresu grzewczego, bardziej opłaca się wykorzystanie samej pompy ciepła. Wykorzystanie kotła gazowego opłaca się jedynie przez 0,1% sezonu grzewczego - przy temperaturze -15°C. Różnica w kosztach eksploatacji od temperatury -15°C na korzyść kotła gazowego wynosi 0,08 zł, a w skali roku na układzie hybrydowym na eksploatacji można zyskać 1668,49 zł (zyski są powiększone o koszty użycia grzałki elektrycznej, której w układzie hybrydowym nie wykorzystujemy do pokrycia mocy szczytowej).

Ogrzewanie grzejnikowe w układzie ogrzewania hybrydowego

Porównanie kosztów eksploatacji dla ogrzewania grzejnikowego przedstawiono na poniższym rysunku.

Przy ogrzewaniu grzejnikowym korzyść z zastosowania kotła gazowego w układzie hybrydowym jest nieco większa, choć również przez zdecydowaną większość okresu grzewczego, bardziej opłaca się wykorzystanie samej pompy ciepła. Wykorzystanie kotła gazowego opłaca się przez 10% sezonu grzewczego - od temperatury -4°C. Różnica w kosztach eksploatacji od temperatury -4 °C na korzyść kotła gazowego wynosi około 45 zł, a w skali roku na układzie hybrydowym na eksploatacji można zyskać 1156 zł. (zyski są powiększone o koszty użycia grzałki elektrycznej, której w układzie hybrydowym nie wykorzystujemy do pokrycia mocy szczytowej).

Ogrzewanie hybrydowe - podsumowanie

Aktualnie ogrzewanie hybrydowe oparte na gazie w nowych domach jednorodzinnych nie ma uzasadnienia ekonomicznego w porównaniu do pompy ciepła. Układy ogrzewania hybrydowego oparte na gazie w budynkach istniejących mogą mieć zastosowanie natomiast zyski są niewielkie. Do tego dochodzą podwójne opłaty stałe (gaz+prąd), które mogą zniweczyć zyski. 

Warto dodać, że opłacalność układów ogrzewania hybrydowego z kotłem gazowym została przedstawiona z uwzględnieniem aktualnych kosztów nośników energii. W przyszłym roku osoby korzystające z ogrzewania pompą ciepła będą mogły skorzystać z dodatku 1500 zł oraz zamrożenia cen energii do 2000 kWh (2,6 tys. kWh dla osób z niepełnosprawnościami i 3 tys. kWh dla rodzin z Kartą Dużej Rodziny) na poziomie z 2022 roku, a także prawdopodobnie z ustawowej maksymalnej ceny energii na poziomie 699 zł/MWh powyżej wskazanego limitu. Na ten moment nie są znane jeszcze ramy ochrony odbiorców gazu w przyszłym roku, tym samym trudno porównać opłacalność układu hybrydowego. Możemy jednak przypuszczać, że poziom opłacalności w kontekście udziału poszczególnych źródeł ciepła będzie podobny do obecnego.