Wir verwenden Cookies...

...um Ihre Nutzung unserer Website sowie Ihre Präferenzen besser zu verstehen, zu analysieren und Ihnen eine optimale Erfahrung bieten zu können. Darunter fallen auch Tracking-Technologien von Drittanbietern. Sie können die Verwendung von Cookies vollständig ablehnen. Weitere Informationen finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.

Verstanden

Fotowoltaika hybrydowa PVT - solarne pompy ciepła

Fotowoltaika hybrydowa PVT solarne pompy ciepła 

Neutralny pod względem CO2, ekonomiczny system grzewczy dla budownictwa

Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną poprzez elektromobilność nie może przekroczyć wzrostu ilości energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych. Potrzebne są systemy, które z jednej strony są znacznie bardziej wydajne niż powszechnie stosowane obecnie pompy ciepła typu powietrze woda, a z drugiej strony należy zapewnić, że zużycie energii elektrycznej przez system jest pokrywane, przynajmniej w bilansie, przez lokalną produkcję odnawialną. 

Kolektory PVT do pomp ciepła stanowią obok powietrza i gruntu nowe jedyne źródło ciepła dla pomp ciepła

Solink kolektor hybrydowy PVT do pomp ciepła

Łączne wykorzystanie ciepła otoczenia i słonecznego ciepła odpadowego z modułów PV umożliwia zaopatrzenie bez konieczności stosowania sond gruntowych lub niskotemperaturowych zbiorników magazynowych, a w przeciwieństwie do powietrznej pompy ciepła - bez części ruchomych (wentylatorów) i związanych z nimi dodatkowych wymagań energetycznych. Jednocześnie kolektory PVT produkują energię elektryczną - poprzez sprzężenie z pompą ciepła z większą wydajnością niż czyste moduły PV. Przy typowym wymiarowaniu ilość produkowanej rocznie energii elektrycznej jest równa lub przekracza zapotrzebowanie na energię elektryczną do ogrzewania pompą ciepła. Konstrukcja kolektora pompy ciepła PVT jest chroniona światowym zgłoszeniem PCT.
Decydujące zalety systemu "Solink" w stosunku do pompy ciepła powietrze-woda z systemem PV to wyższa efektywność systemu oraz brak uciążliwości akustycznej w przypadku systemu "Solink". W porównaniu z gruntowymi pompami ciepła nie ma ograniczeń wynikających z zapotrzebowania na miejsce lub geologicznych przesłanek do wykonania odwiertu. Szczególnie w gęsto zabudowanych obszarach miejskich często wyklucza się pompy ciepła typu powietrze-woda i solanka - woda, a kolektory do pomp ciepła PVT są jedyną możliwością realizacji rozwiązania z pompą ciepła.
Zastosowanie systemów "Solink" w domach wielorodzinnych z ich niskim stosunkiem powierzchni dachu do kubatury budynku jest również w wielu przypadkach możliwe: ze względu na bardzo dobrą zdolność przekazywania ciepła do powietrza, do pełnego zaopatrzenia w ciepło pompy ciepła potrzebne są mniejsze powierzchnie kolektorów niż w przypadku konwencjonalnych kolektorów PVT. W ramach finansowanego przez DBU projektu "Solink", IGTE Uniwersytetu w Stuttgarcie i Consolar przeprowadziły przedstawione poniżej badania. Najpierw porównuje się efektywność różnych systemów. W tym procesie badane są również dwie różne integracje systemów hydraulicznych do ogrzewania ciepłej wody użytkowej w domu wielorodzinnym, a na koniec dokonywane jest porównanie ekonomiczne.

Badanie systemu PVT

Przedstawione poniżej badania symulacyjne dla domu wielorodzinnego zostały przeprowadzone w IGTE przy użyciu oprogramowania symulacyjnego "Polysun". Modele bazowe zostały porównane z instalacjami "TRNSYS" w domu jednorodzinnym i zwalidowane danymi pomiarowymi z systemu badań terenowych.

Definicje i warunki brzegowe badanego systemu PVT

W tym rozdziale najpierw przedstawiono zmienne oceny systemu oraz podstawowe warunki brzegowe dla symulacji systemu:

  • Systemowe roczne współczynniki wydajności: Definicja bez uwzględnienia lub z uwzględnieniem bezpośredniego zużycia PV na miejscu (SJAZ - Roczny współczynnik pracy systemu lub SJAZ PVT).

  • SJAZ = (oddawanie ciepła do CO+CWU) / (zużycie energii elektrycznej w systemie) SJAZPVT = (oddawanie ciepła do CO+CWU) / (zużycie energii elektrycznej - system bezpośredniego odbioru PV)

Roczne współczynniki pracy systemu SJAZ to współczynniki korzyści/kosztów, które odnoszą ciepło dostarczane przez system grzewczy do obiegu grzewczego (CO) i ciepłej wody użytkowej (CWU) do zużycia energii elektrycznej przez system grzewczy (lub do zasilania sieciowego). Straty ciepła zasobników ciepła odbywają się kosztem współczynnika efektywności systemu, ponieważ nie są one dostępne dla obiegu grzewczego lub ciepłej wody użytkowej. Nie uwzględniono zużycia energii elektrycznej dla pompy obiegowej ogrzewania i sterowania systemem. W celu określenia "systemu bezpośredniego zużycia PV" PV służy przede wszystkim systemowi grzewczemu (pompa ciepła itp.), a dopiero w drugiej kolejności gospodarstwu domowemu lub ogólnej energii elektrycznej.

Udział w konsumpcji własnej:

Udział w zużyciu własnym = zużycie własne PV/uzysk PV

  • Stopień samowystarczalności: Proporcja zużycia energii elektrycznej, która została wyprodukowana przez system PV i wykorzystana bezpośrednio na miejscu.

  • Stopień samowystarczalności = zużycie własne PV / zużycie energii elektrycznej

  • Emisja CO2: w przypadku eksploatacji systemu, obliczona przy użyciu określonych wskaźników emisji CO2 dla BAFA, stan na 01.01.2019 (0,537 tCO2/MWh dla krajowej energii elektrycznej, 0,202 tCO2/MWh dla gazu ziemnego). Podobnie jak w części I projektu, pozytywny efekt wprowadzenia energii elektrycznej z PV do sieci (ewentualnie wyparcia energii elektrycznej wytwarzanej z paliw kopalnych) nie jest uwzględniony w obliczonych wartościach.

  • Model kolektora: wykorzystano wartości charakterystyczne kolektora PVT "Solink" z badania Solar Keymark. Uwagi dotyczące uwzględnienia i wpływu konwekcji swobodnej, wiatru, śniegu, oblodzenia i kondensacji na wymianę ciepła kolektora PVT do otoczenia:
    Dominującym czynnikiem wymiany ciepła jest wiatr; zarówno w "TRNSYS" jak i "Polysun" prędkość wiatru na poziomie kolektora jest uwzględniana ze współczynnikiem liniowym zgodnie z obowiązującymi normami. Prędkość wiatru na poziomie kolektora jest z kolei obliczana ze średniej godzinowej prędkości wiatru na wysokości 10 m, która jest zapisana w danych pogodowych, do przeliczeń stosuje się współczynnik 0,5.
    Wpływ konwekcji swobodnej, oblodzenia i kondensacji jest w kolektorze PVT "Solink" podporządkowany wpływowi wiatru i nie był uwzględniany w symulacjach. Przedłużająca się pokrywa śnieżna prowadzi przede wszystkim do odpowiednich strat w uzyskach PV. Symulacje przeprowadzono dla terenu Würzburga; pominięto tu wpływ śniegu.

Badanie różnych wariantów systemu

a) Warianty hydrauliczne i konfiguracje zasobników "Solinka"

Do badania przyjęto układ dwupoziomowy: zasobnik buforowy ogrzewania oraz zasobnik buforowy przygotowania ciepłej wody użytkowej ze zdecentralizowanym podgrzewaniem świeżej wody w mieszkaniach.
W zoptymalizowanym układzie hydraulicznym (wariant A1, ) oba zasobniki buforowe są połączone ze sobą w taki sposób, że woda magazynowa schłodzona w stacji świeżo-wodnej (FriWa) jest kierowana do dolnego obszaru zasobnika buforowego ogrzewania, a woda z górnego obszaru tego zasobnika może przepływać do dolnego zasobnika buforowego wody ciepłej. Z jednej strony poprawia to dodatkowo stratyfikację temperatury, ale przede wszystkim umożliwia znacznie lepsze przesunięcie obciążenia w lecie: Zbiornik buforowy jest również wykorzystywany jako dodatkowy zbiornik ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej poza okresem grzewczym w celu wykorzystania nadwyżki PV. Dzięki temu współczynniki wydajności systemu SJAZPVT są wyższe w porównaniu ze standardową hydrauliką (wariant C).

Solink fotowoltaika hybrydowa Schemat A 1

b) Przygotowanie ciepłej wody użytkowej w budynkach mieszkalnych

Ze względu na przepisy higieniczne, w budynkach mieszkalnych z instalacją grzewczą z pompą ciepła zalecane jest zdecentralizowane przygotowanie ciepłej wody użytkowej z płaskim rozdziałem/stacjami świeżej wody. W symulacji zbadano dwie możliwości hydraulicznego połączenia płaskich stacji rozdzielczych: z jednej strony połączenie 4-rurowe z oddzielną siecią rur dla ogrzewania i ciepłej wody (wariant A1), a z drugiej strony mniej skomplikowane hydraulicznie, połączone zasilanie w połączeniu 2-rurowym (wariant A2) (rys. 3 i 4).
Sieć dwururowa musi być przez cały rok utrzymywana powyżej temperatury 50 °C, aby zagwarantować regulację temperatury w stacjach świeżej wody; przepływ obiegu grzewczego jest obniżany do wymaganej temperatury zadanej obiegu grzewczego dopiero w mieszaczu obiegu grzewczego płaskich stacji rozdzielczych. Zbiornik buforowy ogrzewania traci swoją pierwotną funkcję ze względu na połączenie 2-rurowe, a pompa ciepła pracuje bez wyjątku dla operacji dogrzewania c.w.u., czyli na wysokim poziomie temperatury użytkowej i tym samym z niskim współczynnikiem efektywności (np. JAZWP=3,4 zamiast dotychczasowych 4,4)
Różnice sprawności w stosunku do sieci 4-rurowej są znaczne, co widać na rysunkach 3 i 4 (wariant A2 vs. A1: SJAZ -29 %, SJAZPVT -37 %, współczynnik elektrycznego ogrzewania dodatkowego 6, referencja sieci +45 %). W symulacjach z połączeniem 2-rurowym wyniki bezwzględne tylko w niewielkim stopniu zależą od poziomu temperatury obiegu grzewczego, różnica sprawności pomiędzy siecią 4-rurową a 2-rurową jest więc bardziej umiarkowana dla średniotemperaturowego systemu dystrybucji (system ogrzewania grzejnikowego 60/50 °C) (SJAZ i SJAZPVT około -20 %, współczynnik elektrycznego ogrzewania dodatkowego 3, odniesienie do sieci +20 %) niż dla niskotemperaturowego systemu grzewczego.

Solink fotowoltaika hybrydowa Schemat A 2

Porównanie systemów PVT

Systemy pompa ciepła PVT vs PC PV

Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono wyniki porównania różnych systemów grzewczych i wariantów systemu:

  • A: "Solink" - solankowa pompa ciepła kolektory PVT 95 m², hydraulika standardowa (inst. 4-rurowa),
  • A1: Jak A, ale optymalne połączenie dwóch zbiorników buforowych,
  • A2: Jak A1, ale inst. 2-rurowa,
  • B: "Solink" - solankowa pompa ciepła 56 m² Kolektory PVT połączone z kotłem gazowym szczytowym, inst. 4-rurowa,
  • C: Sondy - solankowa pompa ciepła + instalacja PV o powierzchni 95 m², inst. 4-rurowa,
  • D: Pompa ciepła powietrze-woda + instalacja PV o powierzchni 95 m², inst. 4-rurowa.

Symulacja w tej sekcji uwzględnia jedynie ogólne zużycie energii elektrycznej. Samodzielna konsumpcja dla gospodarstw domowych nie została uwzględniona ze względu na obecnie wciąż niekorzystne i zniechęcające lokatorów regulacje dotyczące energii elektrycznej.
W porównaniu z symulacjami domów jednorodzinnych uderzają bardzo wysokie współczynniki rocznej wydajności systemu w budynkach wielorodzinnych (w niektórych przypadkach SJAZ > 4). Wynika to między innymi ze stosunkowo niskich strat systemowych, które odgrywają wyraźnie podrzędną rolę ze względu na większe obciążenie cieplne w budynkach wielorodzinnych.
Sprawność systemu "Solinka" (warianty A i A1) plasuje się pomiędzy gruntową pompą ciepła (wariant C) a pompą ciepła na powietrze zewnętrzne (wariant D), przy czym w wariancie optymalnym A1 jest tylko nieznacznie niższa od wartości gruntowej pompy ciepła. Dla obliczonych tu kombinacji z systemami PV o tej samej powierzchni kolejność ta obowiązuje również przy uwzględnianiu bezpośredniego zużycia PV dla współczynnika efektywności systemu SJAZPVT lub SJAZPV, tj. dla stosunku (kWhth / kWhel) wytworzonego ciepła do prądu sieciowego odniesionego do systemu grzewczego (rys. 5). Kolejność ta jest również taka sama dla parametrów oceny zużycia energii końcowej, samowystarczalności i emisji CO2 dla pracy systemu, które przedstawiono na rysunku 6.

Systemy hybrydowe PVT vs pompa ciepła sondy i pc powietrze

Oprócz już nieco niższych współczynników efektywności, system powietrznej pompy ciepła wymaga dodatkowych nakładów na odladzanie jednostki zewnętrznej. Zarówno w przypadku powietrznych pomp ciepła, jak i w systemie "Solink", w przypadku niskiego napromieniowania i bardzo niskich temperatur zewnętrznych (a tym samym temperatur solanki) może zaistnieć konieczność uzupełnienia lub zastąpienia pompy ciepła przez elektryczną grzałkę pomocniczą, zwłaszcza w przypadku dogrzewania ciepłej wody użytkowej przy temperaturach zadanych powyżej 50°C. Efekty te są widoczne również w przypadku zimowego zasilania instalacji. Decydujące znaczenie dla ogólnej efektywności pomp ciepła "Solink" ma zatem minimalna dopuszczalna temperatura wlotu solanki, która w Niemczech zasadniczo nie powinna być niższa niż -15 °C. Tymczasem istnieje kilka marek pomp ciepła, które pozwalają na uzyskanie temperatur nawet do -20 °C i nadal gwarantują ponowne podgrzanie ciepłej wody przy -15 °C bez dodatkowego ogrzewania elektrycznego - co nie zostało jeszcze uwzględnione w symulacji.

Systemy hybrydowe PVT vs pompa ciepła sondy i pc powietrze zużycie energii
W miesiącach letnich w sieci można zauważyć nieznaczne korzyści dla systemu "Solink" (wariant A) ze względu na przejściowo podwyższone temperatury solanki w wyniku wykorzystania energii słonecznej. Wpływ zysków ciepła słonecznego nie jest większy, ponieważ temperatura wlotu solanki w dostępnych w handlu pompach ciepła jest ograniczona do góry (zazwyczaj do 20-25 °C). W systemie "Solink" zawór mieszający w obiegu solarnym zapewnia więc niezbędne ograniczenie temperatury w lecie. W ostatnim czasie jednak kilku producentów pomp ciepła zaczęło oferować pompy ciepła, które dopuszczają również temperatury na wlocie do 35 °C, a odpowiednie dopuszczenie jest oczekiwane dla innych marek.
Przy wybranej konstrukcji powierzchni kolektorów PVT, samodzielnie wyprodukowana energia elektryczna z PV przekracza w bilansie rocznym zużycie energii elektrycznej przez systemy grzewcze z pompami ciepła we wszystkich systemach "Solink". Wariant A2 stanowi wyjątek: Przyłącze dwuprzewodowe jest bardzo niekorzystne dla sprawności instalacji, zużycie prądu przez instalację grzewczą wzrasta w związku z tym gwałtownie i nie jest już osiągany projektowy stosunek wydajności PV do zużycia prądu > 100 %.
Jeżeli uwzględni się również ogólną energię elektryczną (budynki wielorodzinne), to stosunek samodzielnie wyprodukowanej energii elektrycznej do całkowitego zużycia energii elektrycznej dla systemów wynosi od 60 do 80 % - jedynie system biwalentny "Solink" z kotłem gazowym został zaprojektowany nieco mniejszy. W praktyce, pomimo zarządzania energią i przesunięcia obciążenia termicznego, tylko część samodzielnie wyprodukowanej energii elektrycznej z PV może być wykorzystana bezpośrednio na miejscu - zwykle od jednej trzeciej do jednej czwartej na potrzeby zużycia energii elektrycznej przez pompę ciepła. Obliczony tu udział autokonsumpcji obejmuje dodatkowo wykorzystanie energii elektrycznej z PV na potrzeby ogólnej energii elektrycznej budynku wielorodzinnego i dlatego jest nieco wyższy. Przy powierzchni 95 m² osiągnięto udział samozużycia na poziomie około 30 %. Jedynie biwalentny system "Solink" osiąga w budynkach wielorodzinnych nieco wyższą wartość o dobre 40 %, co wynika z niższego rocznego uzysku PV z mniejszej powierzchni kolektorów (56 m²).
W symulacjach daje to stopień samowystarczalności od 15 do 27 % lub od 13 do 22 % przy średniotemperaturowym systemie dystrybucji. System powietrznej pompy ciepła (wariant D) oraz mniejszy system biwalentny "Solink" (wariant C) osiągają najniższe wartości samowystarczalności.

Systemy hybrydowe PVT vs pompa ciepła sondy i pc powietrze koszty eksploatacyjne

Końcowa oszczędność energii w porównaniu z gazowym kondensacyjnym systemem grzewczym bez wykorzystania energii słonecznej jest dla wszystkich obliczonych systemów grzewczych z pompą ciepła rzędu 70 do 80 %; odpowiada to oszczędności emisji CO2 podczas eksploatacji systemu wynoszącej około 35 do 50 % (ogrzewanie podłogowe, rys. 6) lub 30 do 45 % (ogrzewanie grzejnikowe 60/50 °C, nie wykazano). Nie uwzględnia to emisji, których udało się uniknąć dzięki zasilaniu energią elektryczną PV podczas wytwarzania energii elektrycznej.

Analiza efektywności ekonomicznej

Na podstawie przeprowadzonych symulacji dokonano porównania efektywności ekonomicznej dla opisanych systemów pomp ciepła. W tabeli 2 przedstawiono wyniki dla systemu dystrybucji niskotemperaturowej (LT) z danymi i informacjami dostępnymi na koniec projektu (połowa 2020 r.) dotyczącymi wydajności, kosztów i dotacji.
Dla porównania określono koszty dla gazowego systemu kondensacyjnego, mimo że nie powinien on mieć już znaczenia w aplikacji, szczególnie jesli chodzi o zmiany klimatyczne i rosnące ceny gazu.
Wariant B został obliczony wyłącznie dla przypadku remontu domu wielorodzinnego z grzejnikowym obiegiem grzewczym i dlatego nie jest wymieniony w tabeli 2.

Dane przyjęte do porównania systemu PVT z pompami gruntowymi i powietrznymi

  • Gruntowa i powietrzna pompa ciepła pracowała z taką samą powierzchnią PV jak "Solink",
  • Dotacja w wysokości 45 % (wymiana kotła olejowego) dla wszystkich systemów i 30 % dla systemu hybrydowego (pompa ciepła i kocioł gazowy),
  • Cena energii z generatora ciepła (gaz): 6 centów/kWh,
  • Cena energii generator ciepła (prąd): 22 centy/kWh,
  • Cena energii pomocniczej (elektrycznej): 29,2 centów/kWh,
  • Feed-in tariff: 9,03 centów/kWh,
  • Koszt z 16 % VAT,
  • Bez odsetek i założenia wzrostu cen,
  • Żywotność: 20 lat.

Kolektory pomp ciepła PVT nie otrzymują w Niemczech dotacji na kolektory słoneczne, ale są dotowane jako źródło ciepła: Dopłata dotyczy tylko komponentu termicznego, a nie dodatkowych kosztów wynikających z fotowoltaiki.
Koszty materiałowe określono dla pomp ciepła Waterkotte, koszty instalacji określono według danych zebranych ze zrealizowanych systemów.
System sond geotermalnych jest nieco bardziej ekonomiczny niż "Solinka". Wynika to z możliwości zastosowania mniejszej pompy ciepła (moc grzewcza 34,1 kW dla B0/W35). W przypadku "Solinka" projekt oparty jest na najniższym punkcie przy B-15, co wymaga nieco mocniejszej pompy ciepła o odpowiednio wyższych kosztach. Natomiast system "Solink" jest bardziej ekonomiczny w porównaniu z powietrzną pompą ciepła mimo wyższych kosztów inwestycyjnych. Gazowe ogrzewanie kondensacyjne bez instalacji PV jest w dłuższej perspektywie najmniej ekonomicznym rozwiązaniem ze względu na wysokie koszty związane ze zużyciem.
Wniosek
"Systemy pomp ciepła "Solink" PVT stanowią trzecią klasę systemów pomp ciepła, która została już przetestowana w ponad 300 instalacjach, obok pomp ciepła sprzężonych z gruntem/wodą gruntową i powietrznych pomp ciepła. Zdecydowanymi zaletami systemu w porównaniu z pompą ciepła powietrze/woda z systemem PV są wyższa sprawność systemu oraz brak uciążliwości akustycznej. W porównaniu z gruntowymi pompami ciepła nie ma ograniczeń wynikających z zapotrzebowania na miejsce lub geologicznych przesłanek do wykonania odwiertu. "Systemy Solink zapewniają, że dekarbonizacji techniki grzewczej towarzyszy niezbędny wzrost produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Również dla budynków mieszkalnych są one bardzo wydajnym i ekonomicznym rozwiązaniem dla neutralnego pod względem emisji CO2 zaopatrzenia w ciepło w bilansie rocznym. W wielu przypadkach wszystkie inne niekopalne systemy grzewcze mogą być stosowane w ograniczonym zakresie lub wcale w obszarach śródmiejskich.
Efektywność ekonomiczna może być jeszcze bardziej zwiększona w przypadku gospodarstw domowych, jeśli korzystają one z własnej energii elektrycznej.

Literatura [1] Leibfried, U., Fischer, S., Asenbeck S.: PVT-Wärmepumpensystem Solink – Systemvalidierung und zwei Jahre Praxiserfahrung, Symposium Thermische Solarenergie 2019, Bad Staffelstein, 21. – 23.06.2019 [2] Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle: Merkblatt zu den CO2 -Faktoren,  eew_merkblatt_ co2.pdf (abgerufen im Juli 2019 auf www.bafa.de), Stand 01.01.2019 [3] Prüfbericht Wärmeleistung eines Sonnenkollektors, Prüfberichtsnummer 19COL1436 vom 20.03.2019 zur Solar-Keymark-Prüfung (SOLINK PVT-Kollektor der Fa. Consolar) am IGTE, Universität Stuttgart, 2019 [4] ISO 9806:2017 “Solar energy – Solar thermal collectors – Test methods” [5] S. Helbig, M. Kirchner, F. Giovanneti, C. Lampe, M. Littwin, O. Kastner: PVT-Kollektoren als bisolare Wärmepumpenquelle – Ein Simulationsvergleich zwischen Polysun und TRNSYS, Symposium Thermische Solarenergie 2018, Bad Staffelstein, 13. – 15. Juni 2018