Pompa ciepła i kolektory słoneczne PVT – hybrydowa instalacja idealna dla budynków mieszkalnych

Zdjęcie autora: Grzała

Grzała


Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii na Akademii Górniczo-Hutniczej

Grupa badaczy z Politechniki Mediolańskiej w swojej najnowszej pracy wzięła na tapetę wady i zalety połączenia pompy ciepła z kolektorami hybrydowymi. Według nich rozwój takich konfiguracji pomp ciepła to przyszłość budownictwa mieszkalnego. Do jakich wniosków doszli włoscy naukowcy?

Ogrzewanie oraz chłodzenie budynków, a także przygotowanie ciepłej wody użytkowej odpowiada obecnie za około 36% emisji CO2 w Unii Europejskiej. W swoich dyrektywach UE jasno określiła cele dla państw członkowskich do końca 2020 roku – wszystkie nowe budynki powinny być praktycznie zeroemisyjne. 

Pompa ciepła jako urządzenie, które jest w stanie zapewnić ciepło niezbędne zarówno do ogrzewania budynku, jak i przygotowania c.w.u., a także może być używane jako klimatyzator, odgrywa obecnie główną rolę w ograniczaniu emisji CO2 z budynków mieszkalnych. Ponadto, pompa ciepła może być łatwo podłączona do innego urządzenia OZE, które będzie do niej dostarczać energię elektryczną, tym samym redukując rachunki za energię. 

Ciepło z kolektorów na użytek pompy ciepła

Uczeni od lat badają między innymi połączenie pompy ciepła z kolektorami słonecznymi w ramach SAHP (solar-assisted heat pump). Badacze z Mediolanu postanowili wziąć na tapetę rozwiązanie niestandardowe, które wykorzystuje kolektory fotowoltaiczno-termiczne PVT (photovoltaic-thermal solar collector). Według włoskiego zespołu zastosowanie kolektorów PVT zwiększa się ze względu na ich zdolność do wytwarzania zarówno energii elektrycznej, jak i zapewnienie energii cieplnej, która może być wykorzystywana przez pompę ciepła z korzyścią dla obu systemów. Włosi w swoim badaniu skupili się jedynie na sprężarkowych pompach ciepła i systemach PVT-SAHP do ogrzewania lub chłodzenia wody w budynkach. Dodatkowo wzięto pod uwagę jedynie płaskie kolektory PVT chłodzone wodą, ponieważ jest to najbardziej wydajna technologia PVT, która jednocześnie najlepiej sprawdzi się w systemach ogrzewania lub chłodzenia budynku. 

Rozwiązanie problemów technicznych instalacji solarnych?

W systemach SAHP energia słoneczna zapewnia ciepło o wyższej temperaturze niż powszechnie stosowane źródła dla pomp ciepła. Wyższa temperatura odparowania skutkuje mniejszym zużyciem energii oraz podniesieniem wskaźnika COP. Takie rozwiązanie pozwala także pokonać wiele ograniczeń technicznych charakterystycznych dla samodzielnych instalacji solarnych (np. zależność od nasłonecznienia, niska wydajność i trudności przy osiągnięciu wysokich temperatur zimą). Pompa ciepła jest w stanie wykorzystać energię niskotemperaturową pochodzącą z kolektorów także w wypadku małego nasłonecznienia lub w przypadku całkowitego jego braku.

Dwie możliwe konfiguracje wymiennika ciepła

W swojej pracy autorzy podzielili systemy PVT-SAHP według sposobu, w jaki pompa ciepła wykorzystuje energię solarną. Tak więc można wyróżnić instalacje, gdzie kolektor PVT pełni funkcję parownika pompy ciepła oraz takie rozwiązania, w których wymiennik ciepła jest umieszczony pomiędzy obiegiem solarnym a obiegiem czynnika chłodniczego. Ponadto badacze wyodrębnili konfiguracje, w których jedynym źródłem ciepła pompy jest energia solarna, oraz takie instalacje, gdzie występuje dodatkowe źródło w postaci np. powietrza lub gruntu.  

Wady i zalety obu systemów

Zastosowanie kolektora PVT jako parowacza redukuje koszty związane z zamontowaniem osobnego wymiennika ciepła oraz upraszcza budowę instalacji. Jednakże zwiększa to również zależność systemu od dziennego nasłonecznienia. Jest to spowodowane tym, że proces przemiany fazowej płynu roboczego powinien odbywać się w stabilnych warunkach, podczas gdy temperatura kolektora PVT może się gwałtownie zmieniać. Jednocześnie bezpośrednie odparowanie czynnika chłodniczego w kolektorze pozwala uniknąć konieczności korzystania z płynów niezamarzających, co przekłada się na niższe temperatury robocze PVT, a tym samym na niższe straty ciepła w stosunku do otoczenia.  Należy również pamiętać o doborze właściwego czynnika chłodniczego, który odpowiada zarówno potrzebom PVT, jak i pompy ciepła, i nie dostanie się w formie ciekłej do sprężarki. 

Natomiast oddzielny wymiennik ciepła rozwiązuje wiele problemów, jakie nastręcza zastosowanie parownika tożsamego z kolektorem. Zapewnia stabilne warunki do przemiany fazowej, nie jest w tak dużym stopniu zależny od zmiennych warunków pogodowych, jak i zmniejsza ryzyko dostania się mokrego czynnika do sprężarki. Przede wszystkim to rozwiązanie zapewnia większe uzyski cieplne po stronie kolektora. Dodatkowo osobny parowacz zwiększa korzyści z zastosowania dodatkowego źródła ciepła. Mimo to, według przeprowadzonych badań to wykorzystanie kolektora PVT ma większy współczynnik COP (który wynosi od 2,7 do 7) od rozwiązań z osobnym wymiennikiem (COP w przedziale 2,3 do 4,5).

Jedno źródło ciepła to za mało

Pompa ciepła wspomagana jedynie energią solarną dobrze radzi sobie z podgrzewem ciepłej wody użytkowej, jednak nie znajduje zastosowania w chłodzeniu budynku w związku z brakiem źródła chłodu takiego jak powietrze lub grunt. Natomiast zastosowanie drugiego źródła ciepła w instalacji PVT-SAHP z osobnym parowaczem pozwala na efektywne chłodzenie. Tym samym jest w stanie pokryć wszystkie cieplne potrzeby budynku. Najlepszym wyborem, jeśli chodzi o rodzaj kolektora PVT, będzie taki z bezpośrednio laminowanymi ogniwami PV położonymi nad absorberem w kształcie spłaszczonej z dwóch stron rury (zwiększa to powierzchnię kontaktu między absorberem a ogniwami). Takie rozwiązanie pozwala na osiągnięcie największych uzysków energetycznych przy stosunkowo najmniejszych kosztach. 

Opracowane na podstawie: Miglioli A. i in., Photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump systems for building applications: Integration and design methods, Energy and Built Environment 4 (2023), pv-magazine.com, kampaniasolarna.pl

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Katarzyna Dubiel

Czytaj więcej w magazynie

Więcej

W tym samym temacie:

OZE i EE

Od 50 lat ten budynek korzysta z OZE – fotowoltaika, pompy ciepła i inne w...

Pompy ciepła

Nowe kompaktowe pompy ciepła LG Therma V R32 Split

czynnik chłodniczy, pompa ciepła,
Pompy ciepła

Zład wody dla pompy ciepła – czy bufor jest zawsze potrzebny?.

W jaki sposób zanieczyszczenia niszczą pompy ciepła? Na to pytanie odpowiada Dariusz Zabrzycki z firmy WOLF. Czy wystarczającym zabezpieczeniem są filtry? Jak je stosować? To wszystko znajdziesz w najnowszym artykule na GLOBENERGIA+
Pompy ciepła

Zanieczyszczenia niszczą pompę ciepła! Ekspert odpowiada, jak sobie z nimi radzi...

Pompy ciepła

Pompy ciepła kontra kotły gazowe – jak lobby gazowe próbuje zatrzymać tran...

Punkt biwalentny - dobór pompy ciepła
Pompy ciepła

Punkt biwalentny – dlaczego ważny jest odpowiedni dobór pompy ciepła?...

Czytaj najnowsze z gleobenergia.pl

Informacje branżowe

80 milionów euro na start projektu budowy farm wiatrowych – RES Global Investmen...

Informacje branżowe

80 milionów euro na start projektu budowy farm wiatrowych – RES Global Investmen...

Energetyka wiatrowa

Offshore na Bałtyku: jest pozwolenie na budowę linii wysokiego napięcia ...

Energetyka wiatrowa

Offshore na Bałtyku: jest pozwolenie na budowę linii wysokiego napięcia ...

Infografiki

Polikrystaliczny krzem tanieje – pociągnie za sobą panele PV?

Infografiki

Polikrystaliczny krzem tanieje – pociągnie za sobą panele PV?

Fotowoltaika

Degradacja paneli PV – inna w różnych lokalizacjach?

Fotowoltaika

Degradacja paneli PV – inna w różnych lokalizacjach?

Komentarze

HP Easy: Kompleksowość w dziedzinie pomp ciepła 

Komentarze

HP Easy: Kompleksowość w dziedzinie pomp ciepła 

Aktualności

Rekordowy przelew z KPO – 27 miliardów złotych dla Polski m. in. na termomoderni...

Aktualności

Rekordowy przelew z KPO – 27 miliardów złotych dla Polski m. in. na termomoderni...

Aktualności

Jakie wymagania ma pompa ciepła w stosunku do instalacji grzewczej?

Aktualności

Jakie wymagania ma pompa ciepła w stosunku do instalacji grzewczej?

Fotowoltaika

Ujemne ceny na rynku energii i kolejne wyłączenia OZE! Jakie znaczenie mają dla ...

Fotowoltaika

Ujemne ceny na rynku energii i kolejne wyłączenia OZE! Jakie znaczenie mają dla ...

Pompy ciepła

Pompa ciepła na czynnik R290 w domu jednorodzinnym – montaż, eksploatacja i stat...

Pompy ciepła

Pompa ciepła na czynnik R290 w domu jednorodzinnym – montaż, eksploatacja i stat...

Fotowoltaika

Fiasko nowelizacji ustawy o OZE ws. prosumentów. Miało być lepiej, a wyszło… jak...

Fotowoltaika

Fiasko nowelizacji ustawy o OZE ws. prosumentów. Miało być lepiej, a wyszło… jak...

Wodór

Podziemne magazynowanie wodoru odnawialnego. Wyzwania, regulacje i perspektywy...

Wodór

Podziemne magazynowanie wodoru odnawialnego. Wyzwania, regulacje i perspektywy...

pse fotowoltaiki
Aktualności

Kolejne wyłączenia fotowoltaiki!

pse fotowoltaiki
Aktualności

Kolejne wyłączenia fotowoltaiki!