Post on 14-Apr-2017
Instalacja fotowoltaiczna dla pompy ciepła
Możliwości techniczne współpracy pompy ciepła i instalacji fotowoltaicznej
Funkcja „PV Ready” w pompach ciepła wody użytkowej aroSTOR
Aspekty ekonomiczne współpracy instalacji fotowoltaicznej z pompą ciepła
Wydanie 1/2016
28.02.2016
www.eko-blog.pl www.vaillant.pl
2
Struktura rocznego zużycia energii w domu
jednorodzinnym wg danych GUS
Według danych Głównego Urzędu Statystycznego, ogrzewanie domu i podgrzewanie
ciepłej wody użytkowej odpowiada przeciętnie za 84% rocznego zużycia energii. Energia
elektryczna to w zasadzie od 9 do 17% rocznego bilansu energetycznego domu.
Udział energii elektrycznej w bilansie może być większy, gdy używa się jej do gotowania
posiłków, zmywania itp., a przede wszystkim gdy używa się jej do podgrzewania ciepłej
wody użytkowania czy też do ogrzewania domu.
EEL = 2.5004.500 kWh/rok
3
W przypadku budynku jednorodzinnego zużycie energii
elektrycznej mieści się zwykle w zakresie od 2.500
do 4.500 kWh/rok. Wyższe zużycie roczne energii na
poziomie 3.500 do 4.500 kWh może dotyczyć budynków
o większej liczbie odbiorników, w tym także przy
zastosowaniu pompy ciepła wody użytkowej, która wg
etykiet energetycznych powinna zużywać rocznie około
800900 kWh energii (dla profilu rozbioru L).
Instalacje PV dla standardowego domu
jednorodzinnego
EEL = 2.5004.500 kWh/rok
kWh/rok
Aby pokryć roczne zapotrzebowanie energii
elektrycznej standardowego budynku, należało by
zastosować instalację fotowoltaiczną o mocy
rzędu 45 kWp. Z uwagi na nierównomierność
poboru i produkcji energii elektrycznej, nie jest
jednak możliwe uniezależnienie się od sieci
elektroenergetycznej. Sieć musi dostarczać
energię przy zwiększonych potrzebach i odbierać
energię, gdy jej produkcja przez instalację PV
przekracza chwilowe zużycie ( następny slajd). Szacunkowa produkcja energii przez
instalację PV dla lokalizacji w Krakowie
4
Struktura zużycia energii dla standardowego
domu jednorodzinnego
EEL = 2.500 kWh/rok
(standardowe potrzeby)
EEL = 4.500 kWh/rok
(wysokie potrzeby, w tym także
pompa ciepła wody użytkowej) 3 kWp
kW
h/m
-ąc
Przy zużyciu 2.500 kWh/rok, zastosowanie instalacji fotowoltaicznej 3 kWp może pozwolić
na pokrycie całorocznych potrzeb energii. Przy zwiększonym zużyciu 4.500 kWh/rok,
pokrycie potrzeb rocznych będzie możliwe przy zastosowaniu instalacji fotowoltaicznej
o mocy 56 kWp. Problemem pozostaje jednak nie pełna zgodność zużycia i produkcji
energii w czasie, co wymusza potrzebę magazynowania energii elektrycznej. W praktyce
oznacza to konieczność współpracy instalacji fotowoltaicznej z siecią elektroenergetyczną
(instalacja typu ON-GRID, „w sieci”).
5
W przykładowym budynku niskoenergetycznym z pompą ciepła typu solanka/woda,
wentylacją mechaniczną i wyposażeniem całkowicie zasilanym energią elektryczną, zużycie
energii wyniosło w 2015 roku 9.100 kWh. Na potrzeby ogrzewania CO i podgrzewania wody
użytkowej CWU, pompa ciepła zużyła 3.460 kWh energii elektrycznej (38% bilansu domu).
Wyposażenie domu zużyło 4.370 kWh energii elektrycznej (48%).
Struktura zużycia energii w domu z pompą
ciepła do ogrzewania CO i podgrzewania CWU
EEL = 9.100 kWh/rok
6
Instalacje PV dla domu jednorodzinnego
z pompą ciepła do celów CO/CWU
W budynku niskoenergetycznym z pompą ciepła typu
solanka/woda, wentylacją mechaniczną i wyposażeniem
z zużyciem energii 9.100 kWh/rok, dla większego stopnia
pokrycia potrzeb energii, zastosowana musiała by być
instalacja fotowoltaiczna o mocy rzędu 10 kWp.
EEL = 9.100 kWh/rok
kWh/rok
W dalszym ciągu niezbędna jest współpraca
instalacji fotowoltaicznej z siecią elektroenergetyczną
dla uzupełniania niedoborów energii i oddawania
nadwyżek energii – szczególnie w okresie dnia
i poza sezonem grzewczym, gdy pompa ciepła
pracuje jedynie okresowo na potrzeby ciepłej
wody użytkowej.
Szacunkowa produkcja energii przez
instalację PV dla lokalizacji w Krakowie
7
Struktura zużycia energii w domu z pompą
ciepła do ogrzewania CO i podgrzewania CWU
EEL = 9.100 kWh/rok (wysokie potrzeby + zasilanie pompy ciepła
solanka/woda dla celów CO/CWU)
3 kWp
kW
h/m
-ąc
W budynku wyposażonym w pompę ciepła typu solanka/woda o mocy grzewczej 10 kW,
całkowicie uzależnionym od energii elektrycznej (zużycie 9.100 kWh/rok), całkowite pokrycie
potrzeb wymagało by zastosowania instalacji fotowoltaicznej o mocy co najmniej 10 kWp.
Zwiększa się tu jednak dysproporcja zużycia i wytwarzania energii elektrycznej, jedynie
w kwietniu i wrześniu występuje równowaga energetyczna i ilość energii wytwarzanej przez
instalację fotowoltaiczną pokrywa się z miesięcznym zużyciem energii w budynku.
Energia z instalacji o mocy 4 kWp lub niższej była by w całości wykorzystana, a roczny
stopień pokrycia potrzeb mógłby wynieść do 40% (pozostała część energii z sieci)
8
Struktura dziennego zużycia energii w domu
i produkcji energii elektrycznej z instalacji PV
Dane: kalkulacja PVGis, produkcja dzienna energii dla
instalacji PV o mocy 6 kWp = 14,5 kWh w III i 20,5 kWh
w VII. Zużycie energii wg licznika eTAURON
kW
h/h
kW
h/h
Niedobór energii
Pokrycie potrzeb
bieżących
Nadmiar energii
Nawet przy ewentualnym zastosowaniu instalacji fotowoltaicznej dużych rozmiarów
(6 kWp 40 m2) nie jest możliwe niezależne zasilanie budynku. Produkcja energii z instalacji
PV przez bardzo krótki czas znajduje się w równowadze z jej bieżącym zużyciem.
III
VII
W sezonie grzewczym (III) praca pompy
ciepła solanka/woda zwiększa zużycie
energii. W korzystnym dniu instalacja PV
o mocy 6 kWp może dostarczyć ok. 15
kWh energii co stanowi ok. 45% potrzeb
dziennych dla przykładowego budynku
Poza sezonem grzewczym (VII) ilość
energii wytwarzanej z instalacji PV będzie
często przekraczać dzienne potrzeby.
Instalacja PV wobec zmiennych
warunków pracy i zużycia energii musi de
facto zawsze być typu ON-GRID („w sieci”)
Uśredniony przebieg
dziennego zużycia
energii
21 kWh/d
15 kWh/d
9
Sterowanie pracą pompy ciepła przy
współpracy z instalacją fotowoltaiczną
Pompa ciepła Vaillant aroSTOR VWL BM 290/4 do podgrzewania ciepłej wody użytkowej
posiada integralną funkcję współpracy ze źródłem wytwarzającym energię elektryczną, np.
instalacją fotowoltaiczną. Funkcja PV MODE jest aktywowana w razie takiej potrzeby.
Pompa ciepła aroSTOR posiada 2 bezpotencjałowe
styki których zwieranie powoduje podgrzewanie wody do
podwyższonej temperatury. W ten sposób zbiornik pompy
ciepła staje się akumulatorem energii wytwarzanej
przez instalację fotowoltaiczną.
PV MODE
Styk nr 1 (PV ECO) podwyższa temperaturę
podgrzewanej wody użytkowej do 60 oC.
Styk nr 2 (PV MAX) podwyższa temperaturę
podgrzewanej wody do 65 oC (fabrycznie), co
zapewni dodatkową akumulację ciepła i zwiększy
odbiór energii elektrycznej z instalacji PV. W tym
trybie pracy, włączana zostaje także zabudowana
w zbiorniku grzałka elektryczna, co dodatkowo
zwiększa odbiór energii wytwarzanej w instalacji
fotowoltaicznej o 1500 W.
10
Współpraca pompy ciepła wody użytkowej
z inwerterem w instalacji fotowoltaicznej
Panele fotowoltaiczne stanowiące ogniwo () zasilają prądem stałym (AC) inwerter ().
Prąd przemienny (DC) jest przez tablicę rozdzielczą () kierowany do odbiorników () lub
przy nadpodaży produkcji do sieci elektroenergetycznej. Ilość zużywanej i oddawanej do
sieci energii jest rejestrowana np. przez licznik dwukierunkowy ().
Pompa ciepła Vaillant aroSTOR VWL () poprzez sygnały sterujące (styki inwertera) jest
włączana do pracy w trybie PV ECO (temperatura wody 60 oC) lub w trybie PV MAX (65 oC)
Wymagane jest posiadanie funkcji sterujących przez inwerter (przynajmniej jeden styk
dla realizacji trybu PV ECO) lub ewentualnie stosowanie odrębnego modułu sterującego.
AC
DC
PV ECO
PV MAX
PV Ready
11
Porównanie zużycia i produkcji energii
elektrycznej w budynku z pompą ciepła CWU
W przykładowym budynku 1-rodzinnym zużycie energii elektrycznej dla ogólnych potrzeb
wynosi średnio 13 kWh/dzień (poza sezonem grzewczym). Pompa ciepła wody użytkowej
pracując dla podwyższonych potrzeb (60 oC), zużyła by ok. 7 kWh energii. Standardowa
instalacja fotowoltaiczna o mocy 3 kWp (ok. 20 m2) w najkorzystniejszych dniach letnich,
była by w stanie pokrywać potrzeby energii elektrycznej budynku i pompy ciepła w ciągu
dnia (od ~9.00 do ~15.00). Jedynie niewielkie nadwyżki energii należało by oddać do sieci
elektroenergetycznej (co zwykle jest mniej korzystne niż wykorzystania na własne potrzeby).
kW
h/h
Uśredniony przebieg dziennego zużycia
energii, w lipcu, w ciągu tygodnia
roboczego (dane: licznik eTauron dla
przykładowego budynku).
3 kWp
10 kWh/d
13 kWh/d
7 kWh/d
Praca pompy ciepła wody użytkowej w godzinach
od 8.00 do 17.00. Podgrzewanie 290 litrów wody
w zbiorniku od 15 do 60 oC. Pobór mocy elektrycznej
zakładany jako stały 0,7 kW.
Praca instalacji fotowoltaicznej o mocy 3 kWp.
12
Podsumowanie
Zastosowanie instalacji fotowoltaicznej dla pompy ciepła wymaga starannej analizy
kosztów inwestycji i oszczędności. Oszczędności są tym wyższe im w większym stopniu
energia wytwarzana przez instalację PV będzie wykorzystywana na własne potrzeby.
Oddawanie energii elektrycznej do sieci na chwilę obecną (02.2016) cechuje się wyraźnie
niższymi cenami odsprzedaży w porównaniu do cen zakupu energii przez klienta
indywidualnego. Bilansowanie energii zużywanej i oddawanej do sieci (tzw. net metering)
mogło by stanowić dobre rozwiązanie pozwalające wykorzystać sieć elektroenergetyczną
jako bufor energii, ale obecnie (02.2016) brak jest korzystnych rozwiązań tego typu.
Zastosowanie akumulatorów energii nie
jest powszechnie praktykowane z uwagi na
znaczne podwyższenie kosztów inwestycji
i konieczność wymiany akumulatorów co
kilka- kilkanaście lat.
13
Pompa ciepła aroSTOR z funkcją PV Ready
Pompa ciepła Vaillant aroSTOR VWL
przeznaczona do podgrzewania wody użytkowej
stanowi jednocześnie bufor dla energii elektrycznej
wytwarzanej przez instalację PV. Dzięki dwóm
wejściom sterującym (PV ECO i PV MAX) możliwa
jest 2-stopniowa współpraca
pompy ciepła z instalacją
fotowoltaiczną – ekonomiczna
z podgrzewaniem wody do
60 oC oraz zwiększająca
odbiór energii elektrycznej
z dogrzewaniem wody
użytkowej do 65 oC.
Chłodzenie
Ogrzewanie
Energia odnawialna
Kotły gazowe
Kotły olejowe
Pompy ciepła
Kolektory słoneczne
Systemy wentylacji
www.eko-blog.pl www.vaillant.pl