Integracja pompy ciepła z inteligentnym systemem zarządzania energią EMS 

EMS – czy warto w niego zainwestować?

Integracja pompy ciepła z EMS została poruszona w trakcie Forum Pomp Ciepła organizowanego przez Redakcję GLOBENERGIA. W trakcie dedykowanego panelu przedstawiciele firmy Hewalex Ewa Sowa i Wojciech Szwed przybliżyli co i jak można zyskać dzięki wprowadzeniu systemu zarządzania energią, w celu zintegrowania domowego systemu pompy ciepła i instalacji fotowoltaicznej. Dzięki danym dostarczonym na podstawie funkcjonowania rzeczywistej instalacji w domu jednorodzinnym sprawdzimy, jakie konkretne liczby można uzyskać poprzez implementację EMS.

Niejeden właściciel instalacji fotowoltaicznej i pompy ciepła zastanawia się, co jeszcze może zrobić, aby lepiej zoptymalizować pracę swojego systemu. Właściwy dobór urządzenia do budynku, dopasowanie ustawień temperatur krzywej grzewczej czy czasu pracy urządzenia to oczywiście kluczowe elementy tej układanki. Co jeśli doszliśmy już do punktu maksymalnej optymalizacji pracy naszych urządzeń? Jednocześnie zużycie energii elektrycznej nadal pozostawia wiele do życzenia… Mając do dyspozycji pompę ciepła oraz instalację fotowoltaiczną możemy wymusić konkretne działania odnoszące się do sterowania pompą ciepła. Z naciskiem na sytuację, gdy nadwyżka mocy wytwarzanej z fotowoltaiki odprowadzana jest do sieci. Analizując rynek pomp ciepła, dostrzegamy pewną zależność: tam gdzie pompa ciepła, tam często pracuje również instalacja fotowoltaiczna. 

„Scenariusz posiadania pompy ciepła i fotowoltaiki aż się prosi o połączenie tych dwóch składowych w całość. To zadanie dla systemu zarządzania energią, tak zwanego EMS. Jest to układ urządzeń i oprogramowania, którego zadaniem jest kontrola i monitoring zużycia energii elektrycznej, zarządzanie tą energią oraz optymalizacja profilu jej zużycia” – wyjaśnia Wojciech Szwed, inżynier rozwoju produktu w firmie Hewalex.

Przykładem urządzenia, które wpisuje się w zakres pojęcia EMS (system zarządzania energią), jest produkt firmy Hewalex – sterownik OPTI-ENER. Główną ideą tego urządzenia jest zwiększenie bieżącego wykorzystania nadwyżek mocy oddawanej do sieci, czyli tak zwanej autokonsumpcji. Oczywiście ma to swoje przełożenie na efektywność pracy instalacji. Zasada działania opiera się na własnym układzie pomiarowym, na pomiarach natężenia prądu oraz napięcia. Dzięki czemu OPTI-ENER dokładnie wie, jaka jest aktualna wartość mocy produkowanej z instalacji fotowoltaicznej, oddawanej do sieci, pobieranej z sieci oraz zużywanej całościowo przez instalację. 

OPTI-ENER został wyposażony w wyjścia przekaźnikowe o stykach normalnie otwartych beznapięciowych, których włączanie można ustawić zgodnie z potrzebą użytkownika. Jako próg można ustawić nadwyżkę mocy oddawanej do sieci z uwzględnieniem priorytetów załączania programów czasowych, bądź w dowolnej chwili korzystając z aplikacji mobilnej. Wyjścia przekaźnikowe traktowane są inaczej jako obwody zarządzające. W kontekście pracy pompy ciepła jeden z obwodów może zostać przypisany dla pompy ciepła. Wszystkie zebrane dane wizualizowane są na dedykowanej platformie Ekontrol, która stanowi centrum zarządzania i monitoringu, gdzie użytkownik ma dostęp do szczegółów pracy swojej instalacji.

EMS – wysoka efektywność i wygoda 

OPTI-ENER posiada kilka obwodów do zarządzania. Jeden z obwodów może zostać przypisany dla pracy pompy ciepła, a konkretnie sygnał z wyjścia przekaźnikowego doprowadzony do odpowiedniego złącza w sterowniku pompy ciepła. Dalej instalator bądź użytkownik musi zadeklarować odpowiedni próg nadwyżki mocy, po przekroczeniu którego współpraca z fotowoltaiką zostanie rozpoczęta. Następnie użytkownik lub instalator na sterowniku pompy ciepła czy też przez Ekontrol włącza funkcję współpracy z instalacją fotowoltaiczną oraz ustala maksymalny bieg sprężarki, który pozwala na dopasowanie mocy elektrycznej pompy ciepła do nadwyżki produkowanej z instalacji fotowoltaicznej. W momencie pojawienia się sygnału ze sterownika OPTI-ENER o nadprodukcji mocy elektrycznej pompa ciepła otrzymuje sygnał i tym samym aktywowana jest funkcja współpraca z fotowoltaiką. Pompa ciepła przechodzi do pracy w trybie grzania ciepłej wody użytkowej, centralnego ogrzewania lub chłodzenia. Jest to zależne od chwilowego zapotrzebowania. W przypadku zapotrzebowania na wodę użytkową pompa ciepła przyjmuje żądanie, wynikające z ustawień w trybie komfortowym lub maksymalną temperaturę, która wynika z koperty pracy sprężarki. Jest to również zależne od bieżącego zapotrzebowania. Natomiast w przypadku centralnego ogrzewania czy chłodzenia budynku, pompa ciepła przyjmuje jako żądanie temperatury ustawione w trybie komfortowym. 

„Warto też wspomnieć, że dodatkową funkcją współpracy jest możliwość ustalenia maksymalnego biegu, na którym będzie pracować sprężarka pompy ciepła, tak aby nie przekroczyć nadwyżki produkowanej przez instalację fotowoltaiczną” – tłumaczy Ewa Sowa, Specjalista ds. pomp ciepła w firmie Hewalex.

Co konkretnie można zyskać?

Przeanalizujmy teraz dwa przypadki pracy instalacji, gdzie wykorzystano funkcjonalność sterowania zewnętrznego. Pod lupę weźmy nowy dom o powierzchni 300 m² wykonany zgodnie z WT 2021. Budynek jest zamieszkany przez 5 osób i znajduje się w 3-ciej strefie klimatycznej. Cała instalacja monitorowana jest przez system zarządzania energią OPTI-ENER. Budynek posiada rekuperację, a ciepło jest w 100% przekazywane za pomocą ogrzewania podłogowego. Obciążenie jednostkowe dla tego domu wynosi 40 W/m². Zainstalowana pompa ciepła firmy Hewalex monoblock 15 jest wykorzystywana w cieplejsze dni również do chłodzenia. Ponadto gospodarstwo posiada instalację fotowoltaiczną o mocy prawie 10 kWp. 

Pierwszym analizowanym przypadkiem jest ciepły dzień 1-go czerwca, kiedy to temperatura zewnętrzna wynosiła około 27 stopni Celsjusza. Na wykresie widzimy dobowy rozkład energii produkowanej w instalacji fotowoltaicznej zaznaczony kolorem pomarańczowym, energię elektryczną pobraną przez pompę ciepła kolorem niebieskim oraz energię elektryczną pobraną całościowo przez budynek kolorem żółtym. Warto też wspomnieć, że dane zobrazowane na wykresie pochodzą z instalacji pracującej w rzeczywistości. Zostały zgromadzone na platformie Ekontrol.

„Są to dane pobrane z Ekontrol. Dotyczą instalacji pompy ciepła, fotowoltaiki oraz OPTI-ENER. Na wykresie można dostrzec, że początkowo pompa ciepła pracuje w trybie grzania ciepłej wody użytkowej, zgodnie z nastawami na sterowniku. Następnie pojawia się nadwyżka mocy oddawanej do sieci przez instalację fotowoltaiczną, więc aktywowana zostaje funkcja współpraca z PV. Pompa ciepła tym samym przyjmuje maksymalną możliwą temperaturę w zasobniku ciepłej wody użytkowej i do takiej też podgrzewa nasz zasobnik” – przybliża Ewa Sowa.

Następnie przechodzimy do pracy w trybie chłodzenia, utrzymując w buforze temperaturę na poziomie 18 stopni Celsjusza i cały czas wykorzystujemy tę nadwyżkę mocy. Następnie w godzinach popołudniowych pompa ciepła przechodzi ponownie w tryb grzania ciepłej wody użytkowej, wykorzystując maksymalnie nadwyżkę, która w dalszym ciągu jest produkowana i przyjmując znowu maksymalną możliwą do osiągnięcia temperaturę w zasobniku. Po skończeniu się tej nadwyżki mocy oddawanej do sieci pompa ciepła przechodzi do pracy według nastaw na sterowniku. Autokonsumpcja w tym konkretnym przypadku wyniosła niemal 35%. Należy wspomnieć, że na analizowanym wykresie uwzględniamy tylko jeden z obwodów OPTI-ENER, przeznaczonych do zarządzania. Gdybyśmy dodatkowo wykorzystali pozostałe obwody, poziom autokonsumpcji wzrósłby znacznie.

Dla porównania, gdyby współpraca z PV nie była aktywna, autokonsumpcja osiągnęłaby poziom 20% i tym samym praca pompy rozminęłaby się z dogodnymi warunkami produkcji z instalacji fotowoltaicznej i pobór energii elektrycznej z sieci byłby większy.

Kolejny przypadek dotyczy tego samego gospodarstwa domowego, z tym że przedstawiono ciepły grudniowy dzień, gdzie temperatura zewnętrzna oscylowała w granicach 5 stopni Celsjusza. Jeśli chodzi o nastawy na sterowniku pompy ciepła, to wyglądały one następująco:

• temperatura centralnego ogrzewania wynosiła 35 stopni Celsjusza,
• ciepłej wody użytkowej 45 stopni Celsjusza.

Wykres tak samo jak poprzedni uwzględnia trzy zmienne parametry. Energia wytworzona z instalacji fotowoltaicznej oznaczona została kolorem pomarańczowym, energia zużyta przez pompę ciepła kolorem niebieskim i energia zużyta całościowo przez budynek kolorem żółtym. 

„Jak możemy odczytać z wykresu, pompa ciepła w godzinach porannych pracowała dla ciepłej wody użytkowej oraz centralnego ogrzewania. Natomiast w momencie przekroczenia odpowiedniego progu nadwyżki mocy oddawanej do sieci uruchomiona została funkcjonalność współpracy z fotowoltaiką, gdzie pompa ciepła pracowała również dla ciepłej wody użytkowej oraz centralnego ogrzewania, wykorzystując nadwyżki mocy oddawanej do sieci” – mówi Wojciech Szwed.

Zgodnie z wykresem w okolicach godziny 13:30 ta współpraca została zakończona i pompa ciepła powróciła do swojego nominalnego trybu pracy. Autokonsumpcja dla tego przypadku osiągnęła 79,4%. 

Integracja pompy ciepła z systemem EMS przynosi wiele korzyści, które mogą sprawić, że nasz system będzie bardziej efektywny i ekologiczny. Rozsądne zarządzanie energią pozwala zwiększyć niezależność energetyczną. Wprowadzenie innowacji w postaci integracji pompy ciepła systemem zarządzania energią stwarza inne możliwości m.in. efektywniejsze zarządzanie zużyciem energii elektrycznej, optymalizację pracy urządzeń w tym pompy ciepła, zwiększenie wydajności energetycznej, ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, niezależność energetyczną oraz redukcję kosztów energii elektrycznej.