Tylko 2 z 54 testowanych systemów łączących pompy i PVT były opłacalne

Naukowcy przetestowali 54 warianty systemów SAHP

Zespół badawczy z Niemiec, Cypru i Egiptu, pod kierownictwem Karlsruhe Institute of Technology, przeanalizował 54 warianty hybrydowych systemów grzewczych opartych o pompy ciepła wspomagane energią słoneczną (SAHP). Każdy system integrował kolektory fotowoltaiczno-termiczne (PVT) z pompą ciepła w układzie pośrednim. Celem badania była ocena efektywności energetycznej, ekonomicznej i środowiskowej tych rozwiązań dla domów jednorodzinnych w Monachium, Berlinie i Hamburgu.

Jak działa testowany system SAHP?

Badany system korzystał z dwóch źródeł ciepła: ciepła pochodzącego z kolektorów PVT oraz z pompy ciepła. Oba źródła podgrzewały zasobnik wody, który następnie dostarczał ciepło na potrzeby ogrzewania pomieszczeń i ciepłej wody użytkowej. Część energii elektrycznej potrzebnej do pracy systemu była dostarczana przez moduły PVT, a nadwyżki mogły trafiać do sieci.

Do symulacji wykorzystano dane pogodowe i zużycia energii charakterystyczne dla trzech miast w Niemczech, przyjmując modelowy dom o powierzchni użytkowej 93,1 m² i ogrzewanej podłodze 89,1 m². Na dachu o powierzchni 82,4 m² umieszczono 32,9 m² kolektorów PVT.

Tylko dwa warianty miały sens finansowy

Spośród 54 wariantów tylko dwa systemy — oparte na czynnikach chłodniczych R32 i propanie — wykazały dodatnią wartość bieżącą netto (NPV) i okres zwrotu krótszy niż zakładany czas życia systemu (20 lat). Wartość NPV wyniosła odpowiednio 960 euro i 255 euro, a okres zwrotu 19,3 i 19,8 roku.

Reszta wariantów, choć niektóre osiągały wysoką efektywność energetyczną, nie była opłacalna przy obecnych cenach energii i kosztach inwestycyjnych.

Pokrycie zapotrzebowania na energię przez słońce

Systemy SAHP mogły pokryć choćby 39% rocznego zapotrzebowania na ciepło oraz ok. 50% energii zużywanej przez urządzenia elektryczne. Najlepsze wyniki osiągnięto w Monachium. Jednak zimą, gdy zapotrzebowanie na ciepło było największe, energia słoneczna nie wystarczała i system w dużej mierze opierał się na zasilaniu z sieci.

W miesiącach letnich ciepło dostarczane przez PVT w pełni pokrywało potrzeby domowników. W pozostałych miesiącach udział energii słonecznej był zmienny i zależny od konstrukcji systemu, m.in. zastosowanego czynnika chłodniczego i wydajności pompy.

Wykres przedstawia miesięczne wartości energii cieplnej dostarczanej do zbiornika przez trzy źródła: kolektory PVT (ciemnoczerwony), pompę ciepła zasilaną energią słoneczną (pomarańczowy) oraz pompę zasilaną z sieci (szary). Linia przerywana z punktami pokazuje miesięczne zapotrzebowanie na ciepło. Latem system opiera się głównie na energii słonecznej, zimą dominuje zasilanie z sieci.

Które rozwiązania sprawdziły się najlepiej?

Systemy z czynnikiem R32 osiągały najwyższe współczynniki wydajności (COP) i tym samym najlepsze wykorzystanie energii słonecznej. Podobne, choć nieco niższe wyniki osiągnęły systemy z propanem. Systemy z R410A były wyraźnie mniej efektywne.

Wszystkie analizowane konfiguracje miały tę samą powierzchnię kolektorów PVT i pojemność zasobnika (750 l). Różniły się jednak parametrami pracy, temperaturą źródła dolnego i górnego, tzw. pinch point (różnicą temperatur między czynnikiem grzewczym a medium) oraz mocą wyjściową (5,5 lub 7 kW).

SAHP kontra inne technologie grzewcze

Analiza wykazała, iż SAHP może być bardziej opłacalnym rozwiązaniem niż samodzielna pompa ciepła lub kocioł gazowy — pod warunkiem, iż ceny energii elektrycznej i gazu nie będą wyjątkowo niskie. W innym przypadku systemy te nie są w stanie konkurować z konwencjonalnymi technologiami pod względem kosztu jednostkowego energii (LCOE).

Trzy panele przedstawiają LCOE (w euro/kWh) jako funkcję ceny energii elektrycznej i gazu dla: (a) systemu SAHP, (b) kotła gazowego, (c) samodzielnej pompy ciepła. Kolor skali odzwierciedla koszt – im jaśniejszy, tym wyższy. System SAHP okazuje się konkurencyjny przy umiarkowanych cenach energii, natomiast opłacalność kotła gazowego i samodzielnej pompy zależy silnie od poziomu cen paliw.

• Saharyjski pył zagrożeniem dla produkcji energii słonecznej w Europie – nowe badania EGU25
• Darmowe narzędzie do doboru kąta nachylenia paneli PV. Zaskakujące wyniki badań
• Włosi stawiają na SMR: Nuclitalia rusza z badaniami nad nową energią

Źródło: „Comprehensive energy, economic, and environmental analysis of a hybrid photovoltaic-thermal (PVT) heat pump system”