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