Хибридни термопомпени системи

Eдин от най-належащите бъдещи въпроси се очаква да е оптимизирането на потреблението на енергия в сградния сектор. За да се постигнат поставените в Протокола от Киото цели, е необходим цялостен преход по отношение на енергопотреблението в домакинствата. Масово трябва да се премине към използването на екологосъобразни отоплителни системи, чиято употреба ще доведе до редуциране на емисиите на парникови газове. Едно от най-обещаващите решения за декарбонизация на жилищното отопление са хибридните термопомпи.

Под хибридна термопомпена система се разбира: електрическа термопомпа въздух-вода или земя-вода, комбинирана с газов котел; механизъм за подаване на топлинната енергия към съществуваща топлоразпределителна система; и специална система за управление, която да превключва между двата източника. На пазара се предлагат два вида решения - пакет хибридна термопомпа, включващ термопомпен агрегат, газов котел и интелигентен контролер, и допълнителна хибридна термопомпа с интелигентен контролер, която се инсталира към съществуващ газов котел.

Хибридната термопомпена система може да отговори на изискванията за цялостно отопление и подгряване на вода на всяко домакинство. Котелът се използва за достигане на по-високи температури за получаване на битова гореща вода, докато термопомпата може да осигури нискотемпературно отопление при намалени разходи и значително по-ниско енергопотребление.

Благодарение на превключването между двата топлоизточника, интелигентните хибридни термопомпени системи могат да спомогнат за оптимизиране на експлоатационните разходи, подобряване на енергийната ефективност и намаляване на емисиите на въглероден диоксид.

Стандартни термопомпи

Чрез термопомпата се осъществява пренос от нискотемпературен източник, например околния въздух, вода, земната повърхност или отпадна топлина, съпроводен с повишаване на температурата до подходяща за използване стойност. Повечето термопомпи използват механичен цикъл за сгъстяване на парите, осъществяващ се чрез задвижван от електродвигател компресор. Функционирането им се основава на фактите, че:

• когато едно вещество се изпарява, то поглъща голямо количество енергия, която се отделя при кондензация.

• температурата на кипене на една течност се повишава с увеличаване на налягането на околната среда.

• количеството енергия, необходимо за осъществяването топлопреноса, е относително малко в сравнение с общото количество пренесена енергия.

Стандартните термопомпи работят на принципа на последователно изпарение и кондензация на хладилен агент. Основните им компоненти включват изпарител, компресор, кондензатор, разширителен клапан и хладилен агент, например R410A. Стандартните термопомпи могат ефективно да осигурят температура на водата до 55°C. Производителността на термопомпата в установен режим се измерва чрез коефициента на полезно действие, който е съотношението между топлинния капацитет и реалната мощност на агрегата. Коефициентът на полезно действие се измерва по отношение на доставена електрическа енергия.

Коефициентът на сезонна енергийна ефективност при отопление е мярка за осреднената производителност при определен товаров профил, проектиран така, че да е представителен за действителната експлоатация. Той се измерва по отношение на първичната енергия (преди да са възникнали загуби от преобразуване или разпределение), което позволява сравнението на отделните технологии, използващи различни енергийни източници.

Производителността на термопомпата е ограничена от източника и крайните температури, които съответно трябва да са възможно най-високи или ниски, за да се сведе до минимум температурната разлика, която термопомпата трябва да предостави. Например термопомпа, използваща земната повърхност (която има по-висока средна температура от тази на въздуха през зимата) като източник, осигурявайки топлинна енергия с температура 35°C за подово отопление, ще има по-висока ефективност от такава, използваща околния въздух като източник за постигане на температура от 55°C.

Хибридни термопомпи

Хибридните помпи обикновено работят по два начина. В балансиращ режим котелът се включва с допълнителна отоплителна мощност и подпомага термопомпата при определена температурна стойност. Тази температурна точка е температурата, под която термопомпата не може да отговори на топлинния товар. Под тази точка са възможни два работни режима - термопомпата може да продължи да работи паралелно с котела или термопомпата може да бъде изключена, а котелът да поеме цялото натоварване. Равновесието се измества спрямо капацитета и размера на термопомпата. В допълнение, потребителите могат до определена степен да избират равновесната температурна точка.

Интелигентните контролери могат да бъдат настроени да изпълняват широка гама от функции, включително оптимизиране на оперативните разходи, повишаване на енергийната ефективност, намаляване на емисиите или управление на термопомпата от комунално дружество с цел регулиране на търсенето на база метеорологичните условия например.

Тъй като по същността си “хибридни” означава две различни системи, работещи съвместно, като хибридни продукти се предлагат и някои други технологии. Такива са например съчетание от соларна система и котел, две отделни термопомпи, и термопомпи и маслени котли.

Хибридните термопомпи могат да бъдат моноблокови или разделни. При моноблоковите решения термопомпата е единичен агрегат, който обикновено се монтира отвън. Топлинната енергия се пренася към вътрешността на сградата чрез вода, съдържаща гликол, който я предпазва от замръзване. При разделните хибридни системи термопомпата се състои от две части - външен агрегат, включващ топлообменник и компресор, и вътрешен агрегат (вътрешен топлообменник). Между двете части циркулира хладилен агент. Някои от вътрешните елементи могат да бъдат инсталирани в един корпус.

Някои производители препоръчват в системата да се добави и буферен резервоар за съхранение на топлинната енергия, който позволява разделянето на доставката на топлина от термопомпата и необходимата за отоплителната система енергия. Буферният резервоар може да се използва за осигуряване на минимален дебит през термопомпата, свеждане на продължителността на циклите до минимум или за топлоподаване при повреда на термопомпата.

Буферният резервоар може да е свързан към термопомпената система успоредно или последователно. Ако се прилага последователно свързване, резервоарът обикновено се добавя в направление на движението към термопомпата, за да се избегне забавянето на топлоподаването при необходимост.

Управление на хибридните термопомпи

Интелигентните контролери в хибридните системи позволяват превключване между термопомпата и котела с цел оптимизация въз основа на редица фактори. В идеалния случай би трябвало да е възможно да се зададат цената на горивото, коефициентите на преобразуване на въглеродния диоксид и ефективността на алтернативния топлоизточник. Също така следва да е налице и функция за компенсация на метеорологичните условия и натоварването. В повечето случаи е възможно да бъде зададена плаваща (променлива) точка, характеризираща се с най-ниските разходи, най-ниските емисии и най-малкото енергопотребление.

Контролерът може да предлага и Wi-Fi свързаност със смарт функции, включително двупосочна комуникация, позволяваща външно управление на системата. За в бъдеще тази функция може да бъде използвана от комуналните дружества за управление на търсенето. Не всички предлагани на пазара контролери предлагат такова ниво на функционалност.

Системата за управление обикновено е съвместима с обикновен двуканален контролер и може да се свърже със съществуващите отоплителни решения на клиента и контролер за гореща вода.

Максималната температура, осигурявана от термопомпения компонент на битова хибридна система обикновено, е в границите до 55°C. Въпреки че тези високи температури са действително постижими, много по-разпространена практика е термопомпеният компонент да работи за ниски температури, осигурявайки непрекъснат нискотемпературен основен товар, докато котелът осигурява високотемпературно отопление (когато е необходимо) и битова гореща вода.

Предимства

Благодарение на гъвкавостта и наличните на пазара комбинации битовите хибридни термопомпи могат да намерят приложение както в новопостроени сгради, така и при модернизация на съществуващи. Според пазарните анализатори най-големият потенциал на хибридните системи е именно при ретрофит приложения. Технологията може да осигури връзката между широко разпространените газови котли и изискването за преход към използване на нисковъглеродно електрическо отопление.

Приложенията на търговки достъпните на пазара битови хибридни термопомпи варират. Някои производители специфицират, че хибридните им решения са подходящи за малки домакинства като заместител на самостоятелен газов котел или като добавка към такъв с достатъчен остатъчен експлоатационен живот. Други определят като целеви пазар по-старите сгради с големи топлинни товари и инсталирани високотемпературни радиатори. Хибридните системи намират приложение и в енергийно ефективните сгради, за които обикновено се търси решение с по-ниски инвестиционни разходи от тези за стандартна електрическа термопомпа.

Тъй като котелът може да отговори на необходимостта от високотемпературно отопление и осигуряването на гореща вода, в някои случаи съществуващата топлоразпределителна система може да остане непроменена. Тогава обаче приносът на термопомпата няма да е оптимален. Модифицирането на някои от ключовите елементи (например радиаторите) ще позволи отопление на помещенията при по-ниски температури. По този начин термопомпата ще осигурява по-голям дял от топлинния товар и ще увеличи до максимум ефективността на системата.

Сред предимствата на пакетните решения е гарантираната ефективност на системата, тъй като всички компоненти са изработени от един производител. Освен това те се инсталират по-лесно и са по-компактни. Като недостатък могат да се посочат по-високите капиталови разходи, които се дължат на това, че пакетът включва и газов котел.

Допълнителните хибридни термопомпи могат да бъдат монтирани към всеки съществуващ котел, но ефективността на системата не може да бъде гарантирана. Също така в тези случаи могат да възникнат проблеми, свързани със съвместимостта на термопомпата с котела и системата за управление.