Dobór instalacja fotowoltaicznej dla domu z pompą ciepła

Zapotrzebowanie domu na energię elektryczną

Projektując przydomową instalację fotowoltaiczną, najlepiej jest aby była ona „uszyta na miarę” potrzeb naszego domu. W tym celu należy ustalić jakie jest całkowite zużycie energii elektrycznej naszego domu. Oczywiście odpowiedzi mogą dostarczyć nam rachunki za energię elektryczną, najlepiej z całego ostatniego roku.

Co jednak w sytuacji jeżeli dopiero wprowadziliśmy się do nowego domu albo mamy świeżo zainstalowaną pompę ciepła. W takich okolicznościach pozostaje nam jedynie oszacowanie ilości energii elektrycznej jaką będziemy zużywać. Podchodząc do tego problemu powinniśmy uwzględnić wszystkie odbiorniki energii: pompę ciepła, sprzęty AGD, oświetlenie, instalację ładującą samochód elektryczny, urządzenia elektryczne wykorzystywane do naszego hobby czy ogrodu, itp.

Aby obliczyć zapotrzebowanie na energię pompy ciepła należy ustalić w pierwszej kolejności standard energetyczny naszego domu oraz ile ciepła będzie potrzebne do podgrzania ciepłej wody użytkowej (cwu) dla wszystkich domowników. Wszystkie obliczenia powinniśmy wykonać uwzględniając roczne zużycie energii. W tym celu najlepiej wykonać audyt energetyczny. Jeżeli jednak nie chcemy wykonywać audytu, to dla ustalenia standardu energetycznego domu można skorzystać z poniższej tabeli.

Należy mieć jednak świadomość, że tabela podaje jedynie przybliżone, statystycznie opracowane dane.

Aby dowiedzieć się ile ciepła, na potrzeby ogrzewania, będzie potrzebował nasz dom wskaźnik Q_CO należy pomnożyć przez powierzchnię domu.

Jeżeli chcemy wyznaczyć ilość energii zużywanej na przygotowanie ciepłej wody użytkowej, można posłużyć się normą PN-92 B-01706 „Instalacje wodociągowe – Wymagania w projektowaniu”, która podaje dobowe zużycie ciepłej wody dla celów mieszkalnych od 110 do 130 litrów na mieszkańca na dobę (dm³/ M⋅d), z czego 110 dm³/M⋅d odnosi się do łazienek z natryskami, a 130 dm³ /M⋅d do łazienek z wannami. Ilość ta odnosi się do wody o temperaturze zdatnej do użycia przez człowieka, czyli około 35^oC. Oznacza to, że woda podgrzewania w zasobniku do temperatury 55^oC będzie mieszana z wodą zimną i będzie zużyta w ilości około 60 dm³ na osobę na dzień.

Przyjmuje się, że cwu powinna mieć temperaturę 55^oC i podgrzewa się ją od temperatury 15^oC Energia potrzebną do jej podgrzania oblicza się ze wzoru:

W_cuw = V ⋅c_w ⋅ ρ ⋅ (T_k– T_p)

V – objętość podgrzewanej wody [m³] ,

c_w – ciepło właściwe wody, cw = 4,19 kJ/kg⋅K ,

ρ– gęstość wody, ρ = 1000 kg/m³,

T_k= 55^oC, T_p = 20^oC – temperatury wody, odpowiednio końcowa i początkowa.

Następnie należy obliczyć ile energii elektrycznej zużyje pompa ciepła aby dostarczyć ciepło na potrzeby ogrzewania domu i podgrzania cwu.

Obliczmy energie elektryczną na przykładzie:

W domu niskoenergetycznym WT2017, o powierzchni A = 150 m² mieszka nasza czteroosobowa rodzina i mamy gruntowa pompę ciepła zasilającą ogrzewanie podłogowe i zasobnik na ciepłą wodę.

Pompa ma współczynnik COP = 4,7 obliczony dla warunków B0W35. Oznacza to, że dla solanki w dolnym źródle ciepła o temperaturze 0^oC i wodzie zasilającej ogrzewanie podłogowe temperaturą 35^oC, na każdy 4,7 kW oddanego ciepła pompa potrzebuje 1 kW energii elektrycznej do zasilania sprężarki i pompy obiegowej. Szczegółowe wyjaśnienia dotyczące COP, patrz niżej ⁽¹⁾.

W domu jest zainstalowane ogrzewanie podłogowe, więc COP wyznaczony dla temperatury zasilającej górne źródło 35^oC jest jak najbardziej poprawny.

Ilość energii elektrycznej zużytej przez pompę ciepła na potrzeby ogrzewania tego domu w ciągu roku: W_CO = Q_co ⋅ A / COP [kWh/rok]

W_CO = 60 ⋅ 150 / 4,7 = 1 915 kWh/A

Podgrzewanie wody na potrzeby wody użytkowej wymaga podgrzania wody co najmniej do 55^oC. Nie znamy wartości COP dla takiej temperatury zasilania. Pozostaje jedynie przyjęcie, że COP dla tej temperatury będzie się kształtowało w granicach wartości 3 do 4. Przyjmijmy COP = 3,5.

Energia elektryczna zużyta przez pompę na potrzeby podgrzewania wody użytkowej:

W_cuw = 4osoby ⋅ 365dni ⋅ V ⋅ c_w ⋅ ρ ⋅ (T_k – T_p) / COP, [kJ/A]

Tutaj wartość energii otrzymujemy w kilodżulach więc należy tą wartość przeliczyć na kWh:

1 kWh = 3600 kJ

Ponadto

130 dm³ = 0,13 m³

W_cuw = 4 ⋅ 365 ⋅ 0,06 ⋅ 4,19 ⋅ 1000 ⋅ (55 – 15) / 3,5 ⋅ 3600 = 1 165 kWh

Nie posiadając rachunków, które mogły by wykazać dokładnie ilość energii zużytej przez gospodarstwo jesteśmy w kłopocie. Pozostaje jedynie przyjąć szacunkowe wartości.

Niższe wartości są jednak zarezerwowane dla mieszkańców bloków, którzy nie koszą trawników, nie przycinają żywopłotów, mają mniej pomieszczeń do oświetlania, itp.

Uzysk energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej

Produkcja prądu w instalacji fotowoltaicznej ma to do siebie, że nigdy nie będzie dokładnie pokrywała naszego zapotrzebowania na energię. Zazwyczaj instalacja produkuje w danym momencie zbyt mało lub za dużo energii dla naszych aktualnych potrzeb.

Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest możliwość magazynowania nadwyżek energii w celu jej wykorzystania w czasie, kiedy instalacja nie pokrywa naszego zapotrzebowania – system off-grid.

Innym rozwiązaniem jest oddawanie nadwyżek energii operatorowi energetycznemu i odbieranie jej w momencie kiedy będzie potrzebna. System taki nosi nazwę on-grid.

Oddawanie energii operatorowi energetycznemu odbywa się na dwa sposoby: net meteringu i net bilingu. Pierwszy sposób obowiązuje osoby, które podpisały umowę o sprzedaż energii przed 31 marca 2022 roku. Prosumenci zawierający umowy po tej dacie rozliczają się na zasadach net bilingu.

System net metering polega na tym, że prosument na każdy oddaną do sieci 1 kWh może odebrać:

0,8 kWh w przypadku instalacji o mocy nie większej niż 10 kW,

0,7 kWh w przypadku instalacji o mocy większej niż 10 kW.

System ten jest jasny: rozliczamy się w kilowatogodzinach i na oddanej energii tracimy 20 lub 30%.

Net biling polega na sprzedaży nadwyżek energii operatorowi po cenie hurtowej. Środki z tej sprzedaży gromadzone są na tzw. depozycie prosumenckim z którego prosument może później kupować energię z sieci ale już w cenie detalicznej.

W tym systemie strata na oddanej do sieci energii jest uzależniona od różnicy ceny detalicznej i hurtowej.

W świetle powyższych rozliczeń z operatorami energetycznymi wskazane jest takie zaprojektowanie systemu fotowoltaicznego, aby procent autokonsumpcji energii był jak największy. W praktyce poziom zużycia własnego wyprodukowanej energii elektrycznej wynosi dla instalacji on-grid tylko od 20 do 30%. Budując system umożliwiający magazynowanie energii elektrycznej można się spodziewać autokonsumpcji w granicach 65 do 90%. Wymaga to jednak kosztownej inwestycji w akumulatory.

Dobór wielkości instalacji fotowoltaicznej

Jeżeli nasza instalacja działa w systemie opustu (net metering) nominalną moc instalacji możemy obliczyć ze wzoru:

Dla instalacji pracującej w systemie odkupu (net-billing) moc instalacji można obliczyć:

M_PV – moc planowanej instalacji fotowoltaicznej [kWp],

E – ilość zużywanej rocznie energii elektrycznej przez gospodarstwo domowe (pompa ciepła, urządzenia AGD, oświetlenie, itp.), [kWh]

E_R – ilość energii możliwa do uzyskania w ciągu roku z 1kWp instalacji fotowoltaicznej, E_R = 800 – 1000 [kWh/rok*kWp] ⁽²⁾

k – wskaźnik autokonsumpcji wyprodukowanej przez instalację PV energii elektrycznej, k = 0,2 – 0,3

o – wskaźnik ilości wyprodukowanej energii oddanej do sieci, o = 1 – k,

u – wskaźnik ilości energii możliwej do odebrania w systemie net-metering, u = 0,8 lub 0,7,

cd – cena zakupu 1 kWh energii w systemie net-billingu,

ch –cena sprzedaży do sieci 1 kWh energii w systemie net-billingu,

Optymalnie zaprojektowana instalacja fotowoltaiczna powinna produkować taką ilość energii elektrycznej, aby uwzględniając sprzedaż nadwyżki i późniejsze odkupienie tej energii od operatora, pokrywała roczne zużycie energii przez gospodarstwo.

Przykład z danymi obliczonymi powyżej

E = W_co + W_cuw + Roczne zużycie energii 4 osoby, wg tab. 2 ,

E = 1 915 + 1 165 + 4 000 = 7 080 kWh

E_R = 900 kWh/rok⋅kWp

k = 0,3

o = 0,7

u = 0,8

cd = 0,67 zł/kWh

ch = 0,58 zł/kWh

Podstawiając powyższe wartości do wzorów na obliczenie mocy instalacji otrzymamy:

dla systemu rozliczeń net-metering M_PV = 9,24 kWp.

dla systemu rozliczeń net-biling M_PV = 8,72 kWp.

Należy mieć na uwadze to, że wskaźnik ilości energii możliwej do odebrania w systemie net-metering jest stały, natomiast w systemie net-billing, ceny cd i ch z pewnością będą się zmieniać w czasie.

Uwagi

Zapotrzebowanie budynku na ciepło ujęte w tabeli 1, są to wartości przyjęte na podstawie współczynników przenikania ciepła, które obowiązywały w latach oddania budynków do użytkowania. Wartości te nie uwzględniają mostków przenikania ciepła wynikających z błędów budowlanych, wymiany stolarki czy docieplenia ścian wykonanych w okresie użytkowania budynku. Dodatkowo wskaźnik Q_CO jest podany ze sporym rozrzutem.

Tabela 2 podaje jedynie szacunkowe wartości zużycia energii elektrycznej przez gospodarstwo domowe i stanowi pewną uśrednioną wartość. Korzystanie z tych danych jest zalecane jedynie wtedy, kiedy nie ma dostępu do rachunków za zużytą energię.

Zużycie wody użytkowej, nastawy ogrzewania oraz zużycie energii elektrycznej przez sprzęty domowe jest zależne od upodobań i przyzwyczajeń mieszkańców i wartości te mogą się różnic od wartości rzeczywistych.

Powinniśmy mieć świadomość tego, że wiele z przytoczonych wielkości przyjęto na podstawie danych statystycznych lub normowych. Nie są to wartości dokładne lecz przybliżone, których przyjęcie wynika z niemożności uzyskania danych dokładnych.

Taki tok postępowania jest właściwy dla obliczeń w budownictwie i jest powszechnie przyjęty w normach budowlanych, trzeba mieć jedynie w pamięci to, że są to wartości uśrednione uwzględniające dane statystyczne.

————–

1. Określając współczynnik COP pompy ciepła, producenci posługują się kodem, podając jednocześnie, do jakich parametrów pracy odnosi się wydajność pompy. Wartość tego współczynnika zależy zarówno od temperatury dolnego źródła, jak i temperatury zasilania instalacji grzewczej (górnego źródła).
   
   Źródła ciepła symbolizują następujące litery:
   
   
   • A jak Air (powietrze)B jak Brine (solanka/grunt)W jak Water (woda gruntowa/woda instalacji grzewczej)
   Kod składa się z następujących elementów:
   
   Skrót źródła ciepła + wartość temperatury w °C + skrót nośnika ciepła + temperatura zasilania
   
   Przykładowe opisy parametrów pracy instalacji:
   
   
   • A2W35 oznacza pompę ciepła typu powietrze/woda, której dolne źródło ciepła (powietrze) ma temperaturę 2^oC i której nośnik ciepła (woda) ma temperaturę zasilania 35^oC.B0W35 oznacza pompę ciepła typu solanka/woda, której dolne źródło ciepła (solanka) ma temperaturę 0^oC i której nośnik ciepła (woda) ma temperaturę zasilania 35^oC.W10W50 oznacza pompę ciepła typu woda/woda, której dolne źródło ciepła (woda gruntowa) ma temperaturę 10^oC i której nośnik ciepła (woda) ma temperaturę zasilania 50^oC.
   COP pompy ciepła określa stosunek wytworzonej energii cieplnej do energii elektrycznej służącej do napędu sprężarki i pompy obiegowej. Odnosi się przy tym zawsze do określonego stanu pracy w danej chwili. Jest zależny od dwóch parametrów w systemie grzewczym: temperatury zasilania systemu grzewczego oraz temperatury dolnego źródła, czyli powietrza lub gruntu. Z tego powodu wartość nadaje się do szerokiego porównania wydajności pomp ciepła.
   
   COP pompy można obliczyć, korzystając z następującego wzoru:
   
   COP = Wytworzona energia cieplna (kW) / zużyta do tego celu energia elektryczna (kW)
   
2. Kilowatopik [kWp] jest to jednostka określająca moc modułu lub instalacji fotowoltaicznej pracującej w standardowych warunkach testowania (STC, standard test conditions). STC zostały ustalone w celu ujednolicenia warunków testowania modułów PV i porównywania ich wydajności. Warunki STC określa:
   • irradiacja (intensywność promieniowania słonecznego) równa 1000 W/m² ,
   • temperatura ogniwa równa 25^oC, w słoneczny dzień temperatura ogniwa jest zazwyczaj wyższa niż temperatura powietrza,
   • masa optyczna atmosfery równa AM 1,5.