Możliwe tryby współpracy pomp ciepła z PV. Współpraca pomp ciepła z fotowoltaiką w warunkach domów mieszkalnych – dyskusja aspektów
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 11.04.2017

Zagadnienie możliwości współpracy pomp ciepła z fotowoltaiką stanowi aktualnie przedmiot dyskusji naukowców, sporów politycznych, a także jest przedmiotem żywego zainteresowania potencjalnych użytkowników. Istnieje wiele przesłanek do stosowania takiego właśnie zestawu urządzeń. Z jednej strony, produkcja własnego prądu i różne systemy wyceny jego wartości, a z drugiej spora energochłonność pomp ciepła, stwarzają naturalną podstawę dla takiego połączenia.

 

 

2017 02 52 1

 

 

Obliczenia opłacalności instalacji pomp ciepła z fotowoltaiką są utrudnione przez stosowanie różnych mechanizmów wsparcia systemowego instalacji fotowoltaiki (PV) lub/i pomp ciepła (PC) w różnych krajach. Są kraje (np. Wielka Brytania), gdzie pompa ciepła zwolniona jest z VAT, przy jednoczesnej specjalnej taryfie odsprzedażowej dla prosumentów częściowo produkujących sobie energię dla jej zasilania. W USA, każdy stan ma osobną regulację dotyczącą możliwości zagospodarowania energii odnawialnej na zasadzie net-meteringu. W niektórych stanach, raz przekazaną do sieci energię można odzyskiwać w nieskończoność, a pompy ciepła dla celów klimatyzacyjnych i grzewczych są tu najważniejszym odbiorcą zakumulowanego w sieci energetycznej prądu. W Polsce, wprowadzona 26 czerwca 2016 r. Nowelizacja Ustawy o Odnawialnych Źródłach Energii daje możliwość odzyskania 80% (tzw. opust 80%) z przekazanej do sieci wyprodukowanej przydomowo własnej energii elektrycznej, z kilkoma jednak ograniczeniami, o których będzie mowa później. Wiele zależy od wsparcia, jakie inwestor dostanie od swojego Państwa na instalację zestawu PC+PV. Różne są uzasadnienia dla zastosowania połączonego systemu PV i PC. Dla jednych inwestorów będzie to niezależność energetyczna, dla innych obniżenie kosztów ogrzewania i chłodzenia domu (obniżenie rachunków za energię cieplną po zmianie na pompę ciepła zasilaną z PV), jeszcze dla innych istotny jest wymiar środowiskowy.

 

Przeanalizujmy zatem różne warianty takich zestawień, biorąc pod uwagę kilka kryteriów. Decyzja o zakupie zestawu pompy ciepła z PV ma aspekty zarówno ekonomiczne, techniczne jak oraz środowiskowe i równocześnie przez pryzmat takich trzech aspektów należy takie systemy rozpatrywać.

 

 

Pompy ciepła o środowisko naturalne

 

Pompy ciepła najczęściej reklamowane są przez producentów jako rozwiązania pro-ekologiczne. Ale to jest jeden punkt widzenia. Niektóre firmy związane z dystrybucją gazu ziemnego, sugerują brak pozytywnego wpływu pomp ciepła na środowisko naturalne, ze względu na zasilanie „czarną energią elektryczną”. Twierdzą one, że pompa ciepła w kraju, w którym nakład na nieodnawialną energię pierwotną jest równy współczynnikowi SCOP danej PC (SCOP – czyli Sezonowy Współczynnik Efektywności, wskazujący ile kWh ciepła w sezonie grzewczym uzyskujemy z 1 kWh energii elektrycznej dostarczonej do pompy ciepła), a energia produkowana jest z węgla, PC nie poprawia stanu środowiska, a nawet go pogarsza – podobnie jak każde instalowanie nowych urządzeń grzewczych zasilanych „czarnym prądem”. Przykładowo w Minnesocie w USA, firma Center Point Energy zajmująca się dystrybucją nośników energii, dowodzi, że powietrzna pompa ciepła działając przez sezon grzewczy spowoduje dwukrotnie większą emisję dwutlenku węgla i czterokrotnie większą związków azotu, nie wspominając o emisjach siarki czy rtęci (związanych z paleniem węgla) w porównaniu z dobrym kotłem gazowym.

 

Przykładając powyższy przypadek do Polski, gdzie współczynnik WPi wynosi 3 (czyli więcej niż w Minnesocie), rzeczywiście na pierwszy rzut oka może się wydawać, że użytkowanie pompy ciepła o współczynniku SCOP = 3,3 daje żaden albo niewielki zysk dla środowiska, a na pewno zwiększa emisję niebezpiecznych związków do atmosfery. W krajach, w których współczynnik WPi wynosi 2, sytuacja jest lepsza, a uzasadnienie dla PC większe, ponieważ postęp technologii powoduje wzrost parametru SCOP pomp ciepła z roku na rok.

 

Jednak patrząc na ekonomikę PC, sprawa się komplikuje. Efektywna pompa ciepła jest drogim urządzeniem, o ograniczonym czasie życia. Wysoki koszt zakupu, konieczność zastosowania drogiego kolektora dolnego źródła (w przypadku pomp gruntowych), czy koszt stosowania w sezonie grzewczym dodatkowych grzałek (w przypadku pomp powietrznych) powoduje, że zakup systemu PC to znaczny wydatek. Czas życia sprężarki pompy ciepła jest ograniczony, więc pompa zużyje się szybciej niż altenatywne prostsze urządzenia grzewcze.

 

Jeśli chodzi o stronę techniczną tego rozwiązania, to pompy ciepła pracują najefektywniej w sytuacji, kiedy dostarczają tzw. „niski parametr”, czyli wodę o temperaturze 35÷45°C. Z założenia więc, nadają się do nowych domów, gdzie instalacje grzewcze oparte są na radiatorach powierzchniowych (np. ogrzewanie podłogowe lub/i ścienne). W starym domu, czy domu „zimnym” o wysokim zapotrzebowaniu na energię (ponad 60 W/m2/rok) pompa ciepła nie będzie dobrym rozwiązaniem, szczególnie jeżeli będzie miała współpracować z grzejnikami zaprojektowanymi na wysoki parametr czynnika grzewczego (75/55°C i wyżej). Do tego dochodzą różne metodologie liczenia współczynnika SCOP, które powodują sytuację, że bez podania normy wg której został wyliczony, nie ma on żadnego sensu.

 

 

Czy pompa ciepła nie ma więc uzasadnienia w Polsce?

 

Zdecydowanie ma, ale pod pewnymi warunkami wstępnymi. Pompa ciepła dla systemu grzewczego nie będzie odpowiednia dla starego domu, ale dając nowe możliwości – np. chłodzenie domu w okresie letnim, będzie atrakcyjnym urządzeniem typu „dwa w jednym” (ogrzewanie i klimatyzacja) dla nowego budynku, szczególnie jeżeli będzie on pasywny lub energooszczędny. Te ostatnie mają znaczne przeszklenia południowej elewacji i najczęściej wymagają systemu chłodzenia, aby zapewnić komfort klimatyczny. W tym wypadku sprawdzą się albo dwa oddzielne systemy: grzewczy i chłodniczy, albo pracująca rewersyjnie pompa ciepła. Podobnie kwestia przygotowania C.W.U., zdecydowanie nie będzie opłacalna przy pomocy tradycyjnych bojlerów z grzałką, ponieważ SCOP tego ostatniego będzie zawsze w okolicach 1, a pompa ciepła z 1 kWh prądu zrobi nam 3÷4 kWh energii dla ciepłej wody (SCOP=3÷4).

 

Jeśli chodzi o współpracę pompy ciepła z systemem wentylacji nawiewno-wywiewnej z rekuperacją, to rozwiązania tego typu stały się już w Polsce standardem, co prawda wymuszonym przez programy NF40, NF15. Nawet wysokosprawna rekuperacja będzie w praktyce powodowała konieczność dogrzewania powietrza po procesie rekuperacji (np. zimą będzie nawiewała powietrze o temp. 17°C). Zastosowanie grzałek (typowe rozwiązanie wbudowane w rekuperatory) powoduje, że dogrzewanie w wentylacji staje się drugim po ogrzewaniu odbiorcą energii w okresie grzewczym. Alternatywą jest wykorzystanie do tego pompy ciepła (autor zaprojektował już kilka działających w ten sposób budynków mieszkalnych w Polsce), gdzie z 3÷4-krotną efektywnością (SCOP) będziemy mogli wykorzystywać energię końcową – tu elektryczną.

 

Jak wynika z powyższych rozważań, wprowadzenie do nowoczesnego energooszczędnego budynku jednej lub kilku pomp ciepła może znacznie zmniejszyć jego zapotrzebowanie na energię końcową. Nie zmienia to jednak postaci rzeczy, że budynki takie staną się z założenia monoenergetyczne (prąd dla: C.O., C.W.U., chłodzenie, wentylacja) i będą pobierać znacznie więcej energii elektrycznej niż przeciętnie budowany dziś budynek. Powstaje więc potencjalne uzasadnienie dla wyposażenia takiego budynku we własną instalację generującą energię elektryczną, która będzie mogła choć w części zmniejszyć jego energochłonność, a tym samym uzasadnić właśnie wprowadzenie do niego pomp ciepła.

 

 

Przydomowa instalacja fotowoltaiczna

Podstawy teorii systemów fotowoltaicznych

 

Generatory fotowoltaiczne – czyli panele fotowolataiczne (składające się z modułów fotowoltaicznych o mocy od 100 do 300 W), są urządzeniami przetwarzającymi bezpośrednio energię promieniowania słonecznego (bezpośredniego i rozproszonego) na prąd elektryczny (napięcia stałego DC). Aby mogły współpracować z domową siecią niskiego napięcia (240V AC) muszą być podłączone do specjalnych urządzeń – tzw. „inwerterów” dopasowujących źródła prądu stałego do zmiennego. Razem, panele PV i inwertery, stanowią mikroelektrownie generujące energię elektryczną. W tym przypadku, taka mikroelektrownia musi być zawsze podłączona do czynnej sieci energetycznej nn. (tzw. system on-grid). W tym układzie, jeżeli nasz dostawca energii (OSD) wstrzyma dostawę prądu (np. prace sieciowe), nasz system też się automatycznie wyłączy, niezależnie od intensywności nasłonecznienia.

 

Alternatywnym rozwiązaniem jest system off-grid, gdy energia ze słońca przetworzona przez moduły nie jest zamieniana na prąd zmienny, tylko w postaci prądu stałego służy do ładowania baterii akumulatorów (domowego banku energii). Tu pomiędzy panelami a bateriami instaluje się urządzenie zwane „regulatorem ładowania”, które może również zarządzać odbiorem tej energii przez odbiorniki domowe. Taki system nazywamy siecią wydzieloną – czyli „wyspą” własnej energii elektrycznej. W układzie takim musi istnieć zespół efektywnych akumulatorów, które będą składować energię elektryczną, dając możliwość jej późniejszego wykorzystania. System taki, może pracować bez podłączenia do czynnej sieci nn.

 

 

2017 02 53 1

 

 

Ekonomika systemu PV

 

Podobnie jak w przypadku pomp ciepła, ekonomikę stosowania lokalnego generatora fotowoltaicznego wyznaczają głównie krajowe uwarunkowania, dotyczące wyceny i sposobu zagospodarowania wyprodukowanej energii elektrycznej. W Polsce ta sytuacja zmieniała się ostatnio co pół roku. Zapominając poprzednie warunki (i tym samym własne teksty na ten temat w różnych pismach) odniosę się do aktualnie obowiązujących przepisów.

 

Zgodnie z obowiązującą nowelizacją Ustawą Energii Odnawialnych Źródłach Energii z 22.06.2016, możemy teoretycznie w okresach do roku (365 dni) składować energię u Operatorów Sieci Dystrybucji (OSD) odzyskując ją z 20% opustem. Instalując więc generator fotowoltaiczny o mocy nominalnej 10 kWp (ale nie większej) – możemy liczyć na ok. 10 000 kWh własnej energii rocznie, którą jeżeli w całości oddalibyśmy do OSD możemy w innej części roku odzyskać 8 000 kWh. Przy założeniu, że zużyjemy te 8000 kWh na swoje potrzeby w ciągu 365 dni to wyprodukowanie i oddanie dodatkowej 1 kWh więcej (np. w wyniku zwiększenia efektywności uzysku PV) nie dostaniemy już nic, energię tę otrzyma od nas w prezencie OSD. Ustawodawca rozumie więc nowy system jako możliwość składowania energii w OSD bez możliwości odsprzedaży jej nadmiarów (stosowanej w ramach tzw. ustaw FIT w większości krajów europejskich). Można wiele dyskutować nad racjonalnością takiego rozwiązania, ja zajmę się możliwościami efektywnego wykorzystania takiego prawa dla podłączenia pomp ciepła.

 

 

Możliwe tryby współpracy pomp ciepła z fotowoltaiką

 

Bezpośrednie połączenie pompy ciepła z generatorem PV

 

(...)

 

System wyspowy PV – czyli off-grid z pompą ciepła

 


(...)

 

System zsynchronizowany z siecią – czyli on-grid

 


(...)

 

Aspekty ekonomiczne połączeń systemu PV+ PC w Polsce

 


(...)

 

Ekonomika w przypadku systemu off-grid połączenia PV i pompy ciepła grzewczej (CO)

 


(...)

 

Ekonomika w przypadku podłączenia ongrid zasilania PC grzewczej

 

(...)

 

Rozwiązanie hybrydowe

 


(...)

 

Aktualne pułapki i ograniczenia rozwiązania PC+PV

 

System taki ma jednak swoje ograniczenia. Pierwszym z nich jest fakt, że jest to rozwiązanie drogie i skomplikowane oraz jak wykazują analizy, żadna „standardowa oferta”, czy „zestaw producenta” nie jest zoptymalizowany do konkretnego budynku i potrzeb jego mieszkańców. Rozwiązanie to wymaga każdorazowo indywidualnego projektu. Drugim jest konieczność wykorzystania przekazanej do OSD energii w określonym czasie, różnie interpretowanym przez różnych OSD w Polsce. O ile „Energa”, nie ma wątpliwości co do intencji Ustawodawcy i możliwości pobierania energii przez 365 dni od jej wprowadzenia, o tyle inni OSD już odwołują się do swoich Umów Kompleksowych, w których bez kompleksów po swojemu czytają Ustawę twierdząc, że mogą rozliczać np. w dwumiesięcznych okresach rozliczeniowych, uniemożliwiając tym samym niskokosztowe składowanie energii z PV na „zimę” (w okresach pomiędzy rozliczeniami trzeba będzie najprawdopodobniej zapłacić za tzw. "prognozy zużycia energii"). Inną pułapką jest tzw. Opłata za moc czynną, parametr niestety związany z użytkowaniem pomp ciepła, który może stanowić dodatkowe obciążenie dla Prosumenta – może mu zostać naliczana dodatkowa znaczna opłata za wprowawprowadzenie tej mocy, jak to już precedensowo stało się faktem w tym roku w Białymstoku. Są to jednak problemy startu dużego i nowego systemu wsparcia po nowelizacji i mamy nadzieję, że problemy te będą z czasem rozwiązywane (jak istniejący do niedawna problem tzw. rozliczania międzyfazowego, który mamy nadzieję został rozstrzygnięty na korzyść Prosumentów, choć są też doniesienia o oszustwach niektórych OSD w tym zakresie).

 

 

Efekty środowiskowe instalacji PC+PV

 

Opisane przykłady z pompami ciepła mają, poza ekonomicznym jeszcze jeden, niesłychanie ważny wymiar – środowiskowy. System, w którym instalowane są nowe pompy ciepła, które zwiększają zapotrzebowanie na „czarną” energię elektryczną, może być oceniany przez sceptyków jako nieekologiczny, jak to pokazano na początku artykułu. Zastosowanie zestawu PC+PV obala argument, że pompy ciepła zwiększają emisję gazów cieplarnianych oraz zanieczyszczenie powietrza bardziej, niż kotły gazowe. Wytwarzając w przydomowym generatorze fotowoltaicznym energię, którą następnie zużywamy w tym samym domu, mamy do czynienia ze zmniejszeniem współczynnika WPi z 3 do zera dla znacznej części enenrgii wykorzystywanej w domu oraz całkowitą redukcją zanieczyszczeń towarzyszących ogrzewaniudomu (przy jednej PC), przygotowaniu C.W.U. oraz klimatyzacji.

 

Zdaniem Autora, użycie pomp ciepła do ogrzewania pomieszczeń, dogrzewania czy schładzania powietrza do wentylacji, czy też do produkcji C.W.U., przy wspomaganiu z mikroelektrowni PV staje się najbardziej ekologicznym. a zarazem najbardziej efektywnym z istniejących źródeł ciepła dla systemów HVAC na świecie. Pozostaje zawsze pytanie, kogo stać w Polsce na trzy pompy ciepła w nowobudowanym budynku mieszkalnym, ale to już kwestia systemu wsparcia, wybiegająca poza meritum tego artykułu.

 

 

 

Dr inż. Jacek BISKUPSKI
– Politechnika Krakowska,
Wydział Energetyki i Paliw
Ekspert ds. Energetyki Słonecznej,
właściciel firmy Unihome

 

 

PODOBNE ARTYKUŁY:

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

Reklama
  • omii

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.