Czy systemy solarne termiczne Demax można łączyć z pompami ciepła?

Kolektory Demax z pompami ciepła: układy hydrauliczne i ogrzewanie

Zrozumienie, jak zintegrować powyższe systemy, wymaga dobrej znajomości hydrauliki stosowanej w kolektorach słonecznych i obwodach pomp ciepła. W idealnym przypadku, przy danych warunkach pracy, przepływy przez kolektory i pompę ciepła powinny być utrzymywane w granicach ±10% względem siebie, aby uniknąć uciążliwych strat pobocznych spowodowanych nadmiernym pompowaniem. Ponadto, aby zapewnić wystarczającą wymianę ciepła, należy dążyć do utrzymania warunków przepływu turbulentnego. Powszechnym przekonaniem wielu praktyków jest to, że kolektory zapewniają określone gradienty termiczne lub różnice temperatur. Kolektory Demax mogą osiągać temperatury wyjściowe w zakresie 50–80 °C, podczas gdy większość pomp ciepła działa źle lub w ogóle nie funkcjonuje w zakresie temperatur 25–35 °C. Aby zlikwidować lub zminimalizować te gradienty termiczne oraz poprawić wymianę ciepła, może być konieczne zastosowanie zbiorników buforowych warstwowych lub kompaktowych wymienników płytowych o różnicach temperatur (tzw. „temperature approach”) nie przekraczających 2 °C. Badania branżowe wykazały, że w przypadku braku odpowiednich rozwiązań interfejsowych w systemach hybrydowych sprawność tych systemów może spadać o 15–22% w stosunku do projektowej. Jest to również jedna z głównych przyczyn, dla których zastosowanie zaworów termostatycznych do mieszania jest kluczowe dla utrzymania stabilnych temperatur na wejściu, gdy zmienna jest ilość energii słonecznej.

Marketing zgodności: logika priorytetów, etapowanie temperatury oraz przepisy zapobiegawcze przeciwko nadmiernemu cyklowaniu

Predykcyjna wydajność wymaga inteligentnie sterowanego systemu kontrolnego, który dostosowuje zużycie energii w oparciu o aktualne / rzeczywiste warunki. Aktywność systemu regulowana jest za pomocą trzech etapów priorytetyzacji:

Główny tryb solarny aktywuje się, gdy temperatura kolektora jest co najmniej o 8 °C wyższa niż wymagana temperatura źródła pompy ciepła.

Tryb wspomagania hybrydowego aktywuje się przy częściowym nasłonecznieniu i kontroluje temperaturę obwodu kolektora, dzięki czemu obwód źródłowy jest wstępnie podgrzewany bez nadmiernego nagrzewania.

Tryb priorytetyzacji pompy ciepła aktywuje się w przypadku niewystarczającej ilości energii słonecznej; wówczas przepływy w systemie są kontrolowane, a uszkodzenia sprężarki zapobiegane poprzez utrzymywanie / kontrolę czasów pracy.

Testy polowe przeprowadzone w Europie wykazały, że stopniowa kontrola temperatury zmniejszyła cyklowanie sprężarki o 40% i wydłużyła żywotność urządzenia o ten sam okres. Sterowanie zapobiegające krótkim cyklom obejmuje sterowanie predykcyjne i prognostyczne obciążenia oraz prognozowanie zapotrzebowania cieplnego, co pozwala zmniejszyć niepotrzebne uruchomienia, powodujące wzrost kosztów konserwacji o 740 USD rocznie na jednostkę (The Ponemon Institute, 2023).

Korzyści eksploatacyjne pomp ciepła wspomaganych energią słoneczną (SAHP)

Połączenie kolektorów słonecznych typu ciepłowniczego i pomp ciepła zapewnia synergiczne osiągi dzięki różnym mocnym stronom obu tych technologii, których żadna z nich nie osiągnęłaby samodzielnie. Można to uznać za rodzaj współpracy wielu źródeł energii. Kolektory słoneczne dostarczają ciepła, którego pompa ciepła może następnie użyć do bardziej efektywnego przekazywania ciepła. Na przykład budynki zużywają mniej energii na pracę pomp ciepła, ponieważ pompa ciepła wymaga mniejszego nakładu energii — część energii, którą należy przesunąć, jest już dostarczana przez energię słoneczną. Ponadto takie rozwiązanie poprawia wskaźniki energetyczne budynku oraz zmienia wzorce zużycia energii poprzez redukcję całkowitego zużycia energii, co z kolei podnosi efektywność energetyczną budynku i poprawia jego profil obciążenia. Dzięki temu pompy ciepła wspomagane energią słoneczną umożliwiają budynkom lepszą komunikację z siecią elektroenergetyczną, szczególnie w okresach szczytowego zużycia energii.

Poprawa współczynnika wydajności (COP): Badania terenowe pomp ciepła wspomaganych energią słoneczną z zintegrowanym systemem Demax w UE

Europejskie testy systemów SAHP połączonych z technologią Demax wykazują poprawę współczynnika wydajności cieplnej (COP) o 20–30% w porównaniu do pomp ciepła działających niezależnie. Gdy parownik jest zasilany energią cieplną pochodzącą ze źródeł słonecznych, całkowite zużycie energii elektrycznej się zmniejsza, a temperatura parownika sprężarki ułatwia pracę pomp ciepła o 10–15 °C. Największy potencjał oszczędności energii tej technologii występuje w przypadku pokrywania się okresu nasłonecznienia z zapotrzebowaniem na ciepło. Oprócz oszczędności energii elektrycznej, ulepszone systemy SAHP są bardziej efektywne energetycznie w okresie zimowym, ponieważ wymagają mniej cykli odmrażania i tym samym zużywają mniej energii.

Przesuwanie obciążenia i odporność sieci: wstępnego podgrzewania wody źródłowej w celu zmniejszenia szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną

Pompy ciepła wspomagane energią słoneczną (SAHP) wykorzystują światło słoneczne do podgrzewania wody, która jest następnie używana wieczorem, gdy stawki za energię są wyższe, a bateria cieplna SAHP jest ładowana w ciągu dnia, gdy stawki za energię są niższe. Zaobserwowaliśmy, że w komercyjnych systemach zastosowanie baterii cieplnej pozwala zmniejszyć szczytowe zapotrzebowanie na energię o 30–40 procent. Oprócz obniżenia kosztów energii, pompy ciepła wspomagane energią słoneczną zwiększają elastyczność sieci energetycznej, a uczestnictwo w odpowiedzi na zapotrzebowanie tworzy dodatkowe źródła przychodów dla właścicieli budynków. Dzięki pompom ciepła wcześniej pomijane urządzenia grzewcze stają się kluczowe przy zarządzaniu obciążeniem energetycznym odbiorców oraz poprawie ogólnej funkcjonalności sieci.

Dlaczego same systemy solarne nie wystarczają — i jak pompy ciepła uzupełniają strategię dekarbonizacji. Systemy solarne są w stanie pozyskiwać odnawialne ciepło ze Słońca, ale mają swoje ograniczenia. Ich zdolność do pozyskiwania ciepła zależy od zachmurzenia, pory roku (np. zimy) oraz nocy. Jeśli polega się wyłącznie na systemach cieplnych w sytuacjach, gdy konieczne jest pozyskiwanie ciepła do produkcji energii, systemy te będą musiały korzystać z paliw kopalnych, co podważa sam cel redukcji emisji dwutlenku węgla. W połączeniu z systemami cieplnymi pompy ciepła stają się szczególnie przydatne. Mogą one pozyskiwać energię cieplną ze środowiska otaczającego i dostarczać ciepło równolegle z produkcją energii słonecznej. Pompy ciepła charakteryzują się wysoką sprawnością i współczynnikiem wydajności (COP), który może osiągać wartość nawet 3,5 — co jest znacznie wyższe niż w przypadku tradycyjnych systemów. Dodatkowo, ich wykorzystanie w połączeniu z systemami solarne zwiększa ogólną efektywność. Urządzenie solarne nagrzewa wodę przed jej dopływem do pompy ciepła, dzięki czemu sprężarka pracuje bardziej wydajnie.

Zgodnie z badaniami ta konfiguracja może zmniejszyć szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną o 18–34% w okresach obciążenia sieci elektroenergetycznej (2023 r., Fraunhofer ISE). Obecnie, według danych IEA z 2024 r., pompy ciepła stanowią jedynie 10% globalnego zapotrzebowania na ciepło w budynkach, co nie jest zgodne z naszymi celami klimatycznymi. Jednak połączenie pomp ciepła z technologią solarną cieplną zwiększa naszą kontrolę nad obciążeniem energetycznym, podnosi niezawodność systemu oraz umożliwia roczne, neutralne pod względem emisji CO₂ ogrzewanie budynków. Te dwie technologie szczególnie dobrze się uzupełniają: energia słoneczna zwiększa wydajność pomp ciepła, a pompy ciepła zapewniają bezproblemową pracę w okresach niewystarczającej ilości energii słonecznej. To innowacyjne połączenie rzeczywiście przekształca sposób redukcji zależności od paliw kopalnych – zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym – w przeciwieństwie do innych technologii, które po prostu sumują „jeden plus jeden”, dając wynik równy „dwóm”.

Sekcja FAQ

Pytanie 1: Jaki jest główny problem związany z integracją kolektorów Demax z obwodami pomp ciepła?

A1: Głównym wyzwaniem jest dopasowanie układów hydraulicznych kolektorów słonecznych i obwodów pompy ciepła w celu uniknięcia strat pobocznych oraz zapewnienia efektywnego przekazywania ciepła.

W jaki sposób różnice temperatur wpływają na wzajemną integrację systemów?

Kolektory Demax mogą osiągać temperatury do 80 °C, natomiast pompy ciepła działają najefektywniej w zakresie 25–35 °C. Oznacza to, że wymagane są specjalne narzędzia umożliwiające pokonanie tej różnicy temperatur przy jednoczesnym zachowaniu ogólnej wydajności systemu.

W jaki sposób pompy ciepła wspomagane energią słoneczną (SAHP) zwiększają wydajność?

Pompy ciepła wspomagane energią słoneczną (SAHP) działają z wykorzystaniem energii słonecznej jako „nowej” (mniej niż 6-letniej) warstwy energetycznej. Ten rodzaj energii jest tańszy i jednocześnie umożliwia łatwe „przenoszenie” ciepła w obrębie jednostki.

Dlaczego same kolektory słoneczne nie wystarczają?

Systemy solarne cieplne również tracą na sprawności w pochmurne dni i w nocy, dlatego wymagają również wsparcia paliw kopalnych. Pompy ciepła mogą również wspomagać systemy solarne cieplne, dostarczając ciepła wtedy, gdy słońce nie jest dostępne, co przyczynia się do pełnego osiągnięcia celu dekarbonizacji.