Ali se lahko toplotni sončni sistemi Demax kombinirajo z toplotnimi črpalkami?

Kolektorji Demax z toplotnimi črpalkami: hidravlika in ogrevanje

Razumevanje, kako integrirati zgoraj omenjene sisteme, zahteva dobro razumevanje hidravlike, povezane s sončnimi toplotnimi kolektorji in toplotnimi črpalkami. V idealnem primeru naj bodo pri danih obratovalnih pogojih pretokovne hitrosti kolektorjev in toplotne črpalke ohranjene znotraj 10 % ena druge, da se izognejo nadležnim parazitnim izgubam zaradi prekomernega črpanja. Poleg tega, da zagotovimo zadostno prenos toplote, želimo doseči turbulentne pretokovne razmere. Zelo pogosta trditev mnogih strokovnjakov se nanaša na toplotne gradiente oziroma temperaturne razlike, ki jih omogočajo kolektorji. Kolektorji Demax lahko dosežejo izhodne temperature v območju od 50 do 80 °C, medtem ko večina toplotnih črpalk deluje slabo ali sploh ne deluje v območju 25–35 °C. Da bi zmanjšali ali izenačili te toplotne gradiente ter hkrati izboljšali toplotni izmenjavec, je morda potrebno uporabiti stratificirane posredne rezervoarje ali kompaktni ploščati toplotni izmenjevalec z razliko temperatur največ 2 °C. Industrijske raziskovalne študije so poročale, da v odsotnosti ustrezno zasnovanih vmesnikov v hibridnih sistemih učinkovitost sistemov lahko pade za 15 do 22 odstotkov glede na njihovo projektirano učinkovitost. To je tudi eden od glavnih razlogov, zakaj je uporaba termostatskih mešalnih ventilov ključna za ohranjanje stabilnih vhodnih temperatur, kadar je sončna dobitka spremenljiva.

Ustreznost v marketingu: logika prednosti, temperaturno faziranje in predpisi proti prekratkim ciklom

Prediktivna zmogljivost zahteva inteligentno krmiljenje, ki prilagaja porabo energije glede na dejanske/trenutne razmere. Aktivnost sistema nadzorujejo tri-fazni protokoli določanja prednosti:

Primarni sončni način se vklopi, ko je temperatura kolektorja vsaj za 8 °C višja od zahtevane temperature vira toplotne črpalke.

Hibridni pomožni način se aktivira ob delni sončni osvetlitvi in nadzoruje temperaturo kroga kolektorja tako, da se virni krog predgreje brez prekomernega segrevanja.

Način prednosti toplotne črpalke se aktivira, kadar ni dovolj sončne energije, pri čemer se nadzorujejo pretoki sistema in preprečijo poškodbe kompresorja z ohranjanjem/kontrolo delovnih časov.

Evropski poljski preskusi so pokazali, da je stopničasta regulacija temperature zmanjšala cikliranje kompresorja za 40 % in podaljšala življenjsko dobo opreme za to obdobje. Nadzor proti kratkim ciklom vključuje napovedne in predvidljive nadzorne mehanizme ter napovedovanje toplotnega zahtevka, s čimer se zmanjšajo nepotrebni zagoni, ki povečajo stroške vzdrževanja za 740 USD/leto/enota (The Ponemon Institute, 2023).

Prednosti delovanja toplotnih črpalk s sončno pomočjo (SAHP)

Kombinacija sončnih toplotnih zbiralnikov in toplotnih črpalk zagotavlja sinergično delovanje zaradi njihovih različnih prednosti, ki jih posamezna sestavina sama po sebi ne bi dosegla. Predstavljajte si to kot vrsto sodelovanja z več viri energije. Sončni zbiralniki zagotavljajo toploto, ki jo lahko nato toplotna črpalka uporabi za učinkovitejšo prenos toplote. Na primer, stavbe potrebujejo manj energije za obratovanje toplotnih črpalk, saj je za obratovanje toplotne črpalke potrebno manj energije, saj je del energije, ki jo je treba premakniti, že zagotovljen s sončno energijo. Poleg tega ta konfiguracija izboljša energetsko učinkovitost stavb in spremeni vzorce porabe energije z zmanjšanjem porabe energije, kar povečuje energetsko učinkovitost stavb in izboljšuje profil obremenitve stavbe. Na ta način sončno podprte toplotne črpalke pomagajo stavbam bolje komunicirati z omrežjem, še posebej med obdobji najvišje porabe energije.

Izboljšanje COP: Poljski preskusi SAHP z integriranim sistemom Demax v EU

Evropsko testiranje sistemov SAHP v povezavi s tehnologijo Demax kaže izboljšavo koeficienta zmogljivosti (COP) za 20 do 30 odstotkov v primerjavi z toplotnimi črpalkami, ki se uporabljajo neodvisno. Medtem ko je izhladilnik oskrbljen s sončno toplotno energijo, se skupna poraba električne energije zmanjša, temperatura izhladilnika kompresorja pa olajša delo toplotnih črpalk za 10 do 15 °C. Največji potencial varčevanja z energijo te tehnologije leži v prekrivanju sončne svetlobe in zahteve po ogrevanju. Poleg varčevanja z električno energijo so izboljšani sistemi SAHP v zimskem času energetsko učinkovitejši, saj zahtevajo manj ciklov odmrzovanja in s tem manj energije.

Premik obremenitve in odpornost omrežja: predogrev vode iz vira za zmanjšanje vrhunske električne obremenitve

Sončno podprti toplotni črpali (SAHP) uporabljajo sončno svetlobo za segrevanje vode, ki se nato uporabi zvečer, ko so energetske tarife višje, ter za polnjenje baterije SAPH (toplotne) med dnevom, ko so energetske tarife nižje. Pri komercialnih sistemih smo opazili, da baterija (toplotna) omogoča zmanjšanje vrhunskega energetskega povpraševanja za 30 do 40 odstotkov. Poleg zniževanja energetskih stroškov SAHP-ji izboljšujejo fleksibilnost energetske mreže, sodelovanje v odzivu na povpraševanje pa ustvarja dodatne prihodke za lastnike stavb. Z toplotnimi črpalkami se do sedaj zanemarjana ogrevalna oprema spremeni v ključno sestavino za upravljanje energetske obremenitve strank in izboljšanje celotne mreže.

Zakaj samostojni sončni toplotni sistemi niso dovolj – in kako toplotne črpalke dopolnjujejo strategijo dekarbonizacije Sončni toplotni sistemi lahko zajamejo obnovljivo toploto iz sonca, vendar imajo svoje omejitve. Zmožnost zajemanja toplote je odvisna od oblačnosti, zime in noči. Če se pri proizvodnji energije zanašamo izključno na toplotne sisteme, morajo ti v obdobjih, ko ne morejo učinkovito zajemati toplote, uporabiti fosilna goriva – kar nasprotuje cilju zmanjševanja emisij ogljikovega dioksida. V takšnih primerih postanejo toplotne črpalke izjemno uporabne. Lahko namreč zajamejo toplotno energijo iz okolja in zagotavljajo toploto tudi, ko sončna energija ni na voljo. Toplotne črpalke so zelo učinkovite in imajo koeficient zmogljivosti (COP), ki lahko doseže vrednost do 3,5 – kar je znatno učinkovitejše kot konvencionalni sistemi. Še večjo učinkovitost pa dosežejo v kombinaciji s sončnimi toplotnimi sistemi: sončni toplotni sistem namreč predhodno segreje vodo, preden vstopi v toplotno črpalko, zaradi česar deluje kompresor učinkoviteje.

Glede na študije lahko ta konfiguracija zmanjša vrhunsko porabo električne energije za 18 %–34 % v obdobjih obremenitve električnega omrežja (2023, Fraunhofer ISE). Po podatkih Mednarodne agencije za energijo (IEA) za leto 2024 toplotne črpalke trenutno predstavljajo le 10 % ogrevanja stavb po vsem svetu, kar ni v skladu z našimi podnebnimi cilji. Vendar integracija toplotnih črpalk s sončno toplotno tehnologijo izboljša naš nadzor nad energetskimi obremenitvami, poveča zanesljivost in omogoča ogljikovo nevtralno ogrevanje stavb skozi celo leto. Ti dve tehnologiji se posebej dobro dopolnjujeta: sončna energija poveča učinkovitost toplotnih črpalk, hkrati pa toplotne črpalke zagotavljajo gladko delovanje tudi v obdobjih, ko sončna energija ni zadostna. Ta inovativna kombinacija je resnično preobrazovna za zmanjševanje odvisnosti od fosilnih goriv tako z tehničnega kot gospodarskega vidika, v nasprotju z drugimi tehnologijami, ki preprosto prištejejo ena plus ena in dobijo dve.

Pogosta vprašanja

V1: Katera je glavna težava pri integraciji zbiralnikov Demax v zanke toplotnih črpalk?

A1: Glavna izziva je uravnoteženje hidravlike sončnih toplotnih zbiralnikov in toplotnih črpalk, da se izognemo parazitnim izgubam in omogočimo učinkovit prenos toplote.

Kako vplivajo razlike v temperaturi na integracijo sistemov med seboj?

Zbiralniki Demax lahko dosežejo temperature do 80 °C, toplotne črpalke pa delujejo najučinkoviteje pri 25–35 °C. To pomeni, da potrebujejo posebne orodja za premostitev te razlike v temperaturi, hkrati pa ohranijo skupno učinkovitost sistema.

Kako sončno podprte toplotne črpalke (SAHP) povečajo učinkovitost?

SAHP delujejo z energijo iz sonca kot »novim« (manj kot 6 let starim) energetskim nivojem. Ta vrsta energije je cenejša in hkrati omogoča, da se toplota v enoti preprosto »premika«.

Zakaj samostojna sončna toplotna energija ni dovolj?

Toplotni sončni sistemi izgubijo učinkovitost tudi ob oblačnem vremenu in ponoči, zato potrebujejo tudi pomoč fosilnih goriv. Toplotne črpalke lahko prav tako podprejo toplotne sončne sisteme tako, da zagotavljajo toploto, ko sonce ni na voljo, kar pomaga v celoti doseči cilj dekarbonizacije.