Чи можна поєднувати сонячні теплові системи Demax із тепловими насосами?

Колектори Demax із тепловими насосами: гідравліка та опалення

Розуміння того, як інтегрувати вищезазначені системи, вимагає глибоких знань гідравліки, пов’язаної з сонячними тепловими колекторами та контурами теплових насосів. Ідеально, за певних умов експлуатації, витрати рідини через колектори та тепловий насос слід підтримувати в межах 10 % одне від одного, щоб уникнути неприємних паразитних втрат, спричинених надмірною циркуляцією. Крім того, для забезпечення достатнього теплового переносу необхідно прагнути до підтримання турбулентного режиму потоку. Дуже поширеним твердженням серед багатьох фахівців є ствердження щодо теплових градієнтів або різниць температур, які забезпечують колектори. Колектори Demax можуть мати температуру на виході в діапазоні 50–80 °C, тоді як більшість теплових насосів працюють погано або зовсім не працюють у діапазоні 25–35 °C. Щоб зменшити або звести до мінімуму ці теплові градієнти й покращити тепловий обмін, може знадобитися використання стратифікованих буферних резервуарів або компактних пластинчастих теплообмінників із температурним наближенням не більше 2 °C. Дослідження, проведені в галузі, повідомляють, що за відсутності ефективних конструкцій інтерфейсу в гібридних системах їх ефективність може знижуватися на 15–22 % від проектної. Це також одна з основних причин, чому термостатичні змішувальні клапани є критично важливими для підтримання стабільних температур на вході, коли сонячне надходження є змінним.

Маркетинг відповідності: логіка пріоритетів, температурне стадіювання та регуляторні вимоги щодо запобігання короткочасному циклюванню

Прогнозування продуктивності вимагає інтелектуально керованого управління, яке змінює витрати енергії залежно від поточних/реальних умов. Системна активність регулюється за допомогою трьохфазних протоколів пріоритезації:

Основний сонячний режим активується, коли температура колектора на 8 °C вища за необхідну температуру джерела теплового насоса.

Режим гібридної підтримки активується за умов часткової сонячної інсоляції й регулює температуру контуру колектора таким чином, щоб контур джерела був попередньо нагрітий без надмірного нагріву.

Режим пріоритетного використання теплового насоса активується за недостатньої сонячної енергії; при цьому регулюються витрати робочого середовища в системі, а також запобігається пошкодженню компресора шляхом підтримки/регулювання тривалості його роботи.

Польові випробування в Європі показали, що ступінчасте регулювання температури зменшило циклічну роботу компресора на 40 % та збільшило термін служби обладнання на цей період. Системи захисту від короткочасного циклювання включають прогнозуюче та передбачувальне керування навантаженням і прогнозування теплового запиту, що зменшує непотрібні пуски, які збільшують витрати на технічне обслуговування на 740 дол. США/рік/одиниця (Інститут Понемона, 2023).

Експлуатаційні переваги теплових насосів із сонячною допомогою (SAHP)

Поєднання сонячних теплових колекторів і теплових насосів забезпечує синергетичну ефективність завдяки їх різним перевагам, якої кожен із компонентів поодинці досягти не зможе. Це можна уявити як командну роботу з використанням кількох джерел енергії. Сонячні колектори надають тепло, яке потім тепловий насос використовує для більш ефективної передачі тепла. Наприклад, будівлі витрачають менше енергії на роботу теплових насосів, оскільки частина енергії, що має бути переміщена, вже надається сонячною енергією. Крім того, така конфігурація покращує енергетичні показники будівлі та змінює патерни споживання енергії шляхом зниження загального споживання енергії, що, у свою чергу, підвищує енергетичну ефективність будівлі й поліпшує профіль її навантаження. Таким чином, сонячно-підсилені теплові насоси сприяють кращій взаємодії будівель з електромережею, зокрема під час періодів пікового споживання енергії.

Підвищення ККД: Польові випробування інтегрованих SAHP Demax у ЄС

Європейські випробування систем SAHP у поєднанні з технологією Demax показали підвищення коефіцієнта ефективності (COP) на 20–30 % порівняно з тепловими насосами, що працюють самостійно. Оскільки випарник отримує сонячну теплову енергію, загальне споживання електроенергії зменшується, а температура випарника компресора полегшує роботу теплових насосів на 10–15 °C. Найбільший потенціал енергозбереження цієї технології реалізується за умови перекриття сонячної інсоляції та потреби у опаленні. Крім економії електроенергії, покращені системи SAHP є більш енергоефективними взимку, оскільки вони потребують меншої кількості циклів розморожування й, відповідно, менше енергії.

Зміщення навантаження та стійкість електромережі: попереднє підігрівання вихідної води для зниження пікового електроспоживання

Сонячні теплові насоси (SAHP) використовують сонячне світло для нагріву води, яку використовують увечері, коли тарифи на енергію вищі, щоб заряджати акумулятор теплового насоса (SAPH) протягом дня, коли тарифи на енергію нижчі. У комерційних системах ми спостерігали, що акумулятори (теплові) дозволяють знизити піковий попит на енергію на 30–40 відсотків. Крім зниження витрат на енергію, SAHP підвищують гнучкість енергетичної мережі, а участь у програмах реагування на попит створює додаткові джерела доходу для власників будівель. Завдяки тепловим насосам обладнання для опалення, яке раніше не надавалося належної уваги, стає ключовим для управління енергетичним навантаженням споживачів і покращення загального стану енергомережі.

Чому однією лише сонячною тепловою енергетикою не обійдешся — і як теплові насоси завершують стратегію декарбонізації. Сонячні теплові системи здатні збирати відновлюване тепло від Сонця, але мають свої обмеження. Їх здатність збирати тепло залежить від хмарності, зимових умов та нічного часу. Якщо покладатися виключно на теплові системи для забезпечення теплом у процесі виробництва енергії, то такі системи будуть змушені використовувати викопне паливо, що спростовує саму мету зниження викидів вуглекислого газу. У поєднанні з тепловими системами теплові насоси стають надзвичайно корисними. Вони можуть збирати теплову енергію з навколишнього середовища й забезпечувати тепло навіть тоді, коли сонячна енергія виробляється. Теплові насоси є ефективними й характеризуються коефіцієнтом ефективності (COP), який може досягати 3,5. Це значно ефективніше, ніж у традиційних систем. Крім того, їх ефективність ще більше підвищується при спільному використанні з сонячними тепловими системами. Сонячний тепловий пристрій нагріває воду до того, як вона потрапляє до теплового насоса, тож компресор працює ефективніше.

Згідно з дослідженнями, така конфігурація може знизити піковий попит на електроенергію на 18–34 % у періоди навантаження енергосистеми (2023 р., Інститут сонячної енергетики імені Фраунгофера). За даними Міжнародного енергетичного агентства (2024 р.), теплові насоси зараз забезпечують лише 10 % опалення будівель у світі, що не відповідає нашим кліматичним цілям. Однак інтеграція теплових насосів із сонячною тепловою технологією покращує контроль над енергетичними навантаженнями, підвищує надійність системи та дозволяє забезпечувати вуглецево-нейтральне опалення будівель протягом усього року. Ці дві технології особливо добре доповнюють одна одну: сонячна енергія підвищує ефективність теплових насосів, а теплові насоси забезпечують стабільну роботу в періоди, коли сонячна енергія недостатня. Цей інноваційний поєднання справді трансформує процес зменшення залежності від викопного палива як з технічної, так і з економічної точки зору — на відміну від інших технологій, які просто додають «один плюс один», щоб отримати «два».

Розділ запитань та відповідей

Питання 1: Яка головна проблема при інтеграції колекторів Demax у контури теплових насосів?

A1: Основна проблема полягає в узгодженні гідравліки сонячних теплових колекторів та контурів теплових насосів, щоб уникнути паразитних втрат і забезпечити ефективну передачу тепла.

Як різниця температур впливає на інтеграцію систем між собою?

Колектори Demax можуть досягати температури 80 °C, але теплові насоси працюють найефективніше при 25–35 °C. Це означає, що для зменшення цього температурного розриву необхідні спеціалізовані засоби, які одночасно зберігають загальну ефективність системи.

Як сонячні теплові насоси (SAHP) підвищують ефективність?

SAHP працюють із сонячною енергією як «новим» (менше 6 років) рівнем енергії. Такий тип енергії є менш витратним і водночас дозволяє теплу легко «переміщатися» всередині одиниці.

Чому одного лише сонячного тепла недостатньо?

Сонячні теплові системи також втрачають ефективність у похмуру погоду та вночі, тому їм також потрібна допомога викопного палива. Теплові насоси також можуть допомагати сонячним тепловим системам, забезпечуючи тепло, коли сонце недоступне, що сприяє повному досягненню мети декарбонізації.