Spolupráce fotovoltaiky a systémů výroby tepla a chladu tepelnými čerpadly

Největší podíl spotřeby energie v rodinných domech se využije na vytápění, ohřev vody a v poslední době na chlazení – z tohoto důvodu se nabízí možnost použití tepelných čerpadel v kombinaci s fotovoltaickým systémem, a tak zvýšení účinnosti celé tepelné soustavy.

Fotovoltaický systém by vyprodukovanou energií mimo jiné zásoboval tepelné čerpadlo, které na svůj provoz může využívat energii uchovávanou v bateriích nebo vnější distribuční soustavu v případech, kdy nesvítí slunce, a především v zimním období, kdy je spotřeba energie na vytápění z celého roku nejvyšší.

Fotovoltaická elektrárna se především umísťuje na střechu rodinného domu, pokud však plocha střechy nestačí pro zvolenou velikost tohoto systému, je možné využít také například část zahrady. Systém může být jednofázový i třífázový, což závisí na zvolené velikosti systému a použitého střídače.

Tepelné čerpadlo je energetické zařízení, které je schopno odebrat tepelnou energii okolnímu prostředí při relativně nízké teplotě a přečerpat ji na vyšší teplotu. Touto vyšší teplotou je tepelné čerpadlo schopné vytápět dům, ohřívat teplou užitkovou vodu či bazén. Na toto přečerpání je třeba dodat tepelnému čerpadlu malý podíl elektřiny na pohon kompresoru, který spolu s dalšími prvky zajišťuje správný chod tepelného čerpadla.
Poměr mezi získanou tepelnou energií a dodanou elektrickou energií je určen výkonovým číslem tepelného čerpadla, jehož hodnota závisí na podmínkách, při jakých tepelné čerpadlo pracuje. Ideální využití je například pro podlahové vytápění, které lze provozovat při teplotách okolo 35 °C, a přitom je v domě dostatek tepla.

Fotovoltaika v systému tepelného hospodářství

Fotovoltaické systémy, které mají dodávat vyrobenou elektrickou energii prvotně na pokrytí vlastní spotřeby budov, vyžadují, aby byl výkon ze soustavy fotovoltaických panelů a měničů DC / AC veden přes ochranné prvky do elektroinstalace budov [1].

Technologické možnosti spolupráce

V systémech tepelného hospodářství na bázi elektricky poháněných tepelných čerpadel, fotovoltaika dokáže spolupracovat hlavně při přípravě teplé vody a chlazení [1]. Moderní technologie a technická řešení však umožňují vyřešit spolupráci v systému tepelného hospodářství ve všech oblastech spotřeby, čímž se dosáhne vyšší využití fotovoltaiky a zlepšení energetické náročnosti budovy. Principiální schéma kombinace fotovoltaického systému a tepelného čerpadla je uvedeno na obr. 1.

Celá koncepce systému však závisí především na ekonomickém stavu investice a také na návratnosti dané investice, která z dlouhodobého pohledu přináší úsporu nákladů vynaložených na energii v případě klasického odběru energie z okolní sítě.

Kombinované systémy pro rodinné domy

Kombinované systémy pro rodinné domy jsou řešeny rozmanitě – s přímým a nepřímým využitím solární energie [2] – a zároveň zohledňují místní klimatické podmínky a možnosti dodavatelů prvků systémů [3].

Kombinovaný systém s přímým systémem využití solárního tepla

Systém a hydraulické schéma se stratifikačním zásobníkem je na obr. 2 [2]. Obsahuje přímé získání solární energie pro výrobu teplé vody a na vytápění. V tomto případě je minimální spotřeba elektrické energie ze sítě. Plochý solární kolektor s plochou 50 m² má vysokou účinnost a stratifikační zásobník vody objem 10 m³. Tepelné čerpadlo typu vzduch / voda zásobuje požadované množství tepla do zásobníku. Vzhledem k tomu, že solární kolektor zabírá celou plochu na střeše objektu, nezbývá místo pro fotovoltaickou výrobu elektřiny.

Kombinovaný systém s fotovoltaikou a tepelným čerpadlem

Systém a hydraulické schéma s fotovoltaikou a tepelným čerpadlem je na obr. 3 [2]. Tato varianta používá jedinou jednotku tepelného čerpadla typu vzduch / voda jako zdroj tepla na vytápění a na výrobu teplé vody. Fotovoltaický panel zabírá plochu 50 m² pro výrobu elektrické energie. Fotovoltaika je přímo napojena na tepelné čerpadlo. Akumulační zásobník vody má objem 900 litrů.

Kombinovaný systém s kombinací fotovoltaiky, solárního kolektoru a tepelného čerpadla
Systém a hydraulické schéma s fotovoltaikou, solárním kolektorem a tepelným čerpadlem je na obr. 4 [2]. Tento systém kombinuje menší termický solární systém s tepelným čerpadlem typu vzduch / voda jako zdroj tepla na vytápění a na výrobu teplé vody. Solární kolektor s plochou 8 m² je spojen s akumulačním zásobníkem vody o objemu 900 litrů. Zbývající plochy střechy – 42 m² – slouží k výrobě elektrické energie.

Závěr

Při uvažování a realizaci spolupráce fotovoltaiky v budovách pro vytápění, chlazení a přípravy teplé vody je nutné si uvědomit základní charakteristiky technického řešení, zejména změny potřebného výkonu nejen během dne, ale i z hlediska sezónních odchylek silně závislých na daných klimatických podmínkách.

Literatura:

[1] KARABA, J. Možnosti TZB Haustechnik, 4/2017, str. 42 – 44 www.tzb-haustechnik.sk
[2] DOTT, R. GENKINGER, A. AFJEI, Th. System evaluation of combined solar and heat pump system, Energy Procedia 30 (2012) pp. 562-570
[3] DRAXLER, E. Kombination Photovoltaikanlage / Luft – Wasser Wärmepumpe beim Einfamilienhaus, Sborník přednášek 25. Mezinárodní vědecko-odborné konference VYKUROVANIE 2017, 6. – 10. marec 2017, Grand hotel Permon, Podbanské, V. Tatry, str. 291 – 298. ISBN 978-80-89878-05-5

Tato práce byla podporována Ministerstvem školství, vědy, výzkumu a sportu Slovenské republiky prostřednictvím grantu VEGA 1/0847/18.

doc. Ing. Belo Füri, Ph.D.
Autor působí na stavební fakultě STU Bratislava na katedře Technických zařízení budov.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK 3/2018.