Dobór systemu z pompą ciepła i PV

Przy wymiarowaniu systemu fotowoltaicznego współpracującego z pompą ciepła istotnych jest kilka czynników.

Przeczytaj

Przy wymiarowaniu systemu fotowoltaicznego rozliczanego w ramach systemu opustu współpracującego z pompą ciepła w zakresie produkcji energii elektrycznej, jej zużycia i magazynowania w sieci elektrycznej istotnych jest przede wszystkim kilka czynników. W celu ułatwienia obliczeń, przedstawiamy zależności między współczynnikiem samowystarczalności WSW a mocą instalacji PV. Ważnym aspektem jest także szacowane zużycie energii na rożne cele.

Określenie wskaźnika zużycia własnego

Przede wszystkim jeśli instalacja będzie współpracować z siecią energetyczną (on-grid), cały system powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby zapewnić możliwie wysoki wskaźnik zużycia własnego (autarki). Ponieważ w tym zakresie można osiągnąć wartości między 20 a 40% zużycia własnego, a w przyszłości – gdy dodatkowo zastosuje akumulatory elektryczne – możliwe jest nawet 70%. W celu oceny wskaźnika zużycia własnego należy ustalić wielkość produkcji energii z instalacji PV. Ważnym aspektem jest także ustalenie wielkości zużycia/zapotrzebowania na energię w konkretnym gospodarstwie domowym.

Wielkość produkcji energii

Generalnie na wielkość produkcji energii z instalacji fotowoltaicznej mają wpływ takie czynniki jak:

  • lokalizacja instalacji,
  • opcje dopasowania i rozmiar systemu fotowoltaicznego (generator)
  • z kolei o wielkości zużycia/zapotrzebowania na energię będzie decydować:
  • roczne zużycie energii elektrycznej w gospodarstwie domowym,
  • zapotrzebowanie grzewcze budynku (w tym przypadku dla standardu NF 40),
  • zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową,
  • styl życia mieszkańców (czas ogrzewania, obciążenia szczytowe, pobór c.w.u.),
  • zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła (w tym przypadku dane p.c. typu powietrze-woda) z instalacją ogrzewania płaszczyznowego (podłogowego).

Tabela 1. Praktyczne zestawienie mocy grzewczej, mocy systemu PV i mocy pompy ciepła typu powietrze-woda w budynku jednorodzinnym w standardzie NF 40 (ciepło użytkowe ok. 40 kWh/(m2 rok).

Przyjęte założenia:
  • nachylenie połaci dachu 40o,
  • kierunek południowy,
  • lokalizację budynku: Kraków
  • oraz pompę ciepła typu powietrze-woda o przeciętnej efektywności z instalacją ogrzewania płaszczyznowego.

Obliczenia zostały wykonane przy użyciu programu symulacyjnego WP-OPT.

Symbole w tabeli oznaczają:
WAK – wskaźnik autokonsumpcji (zużycia własnego; w %) = roczne zużycie własne energii z instalacji PV/roczna produkcja własna z PV;
WSW – wskaźnik samowystarczalności [%] = roczne zużycie energii elektrycznej samodzielnie wytworzonej po uwzględnieniu bilansu w ramach opustu/całkowite roczne zużycie energii elektrycznej w budynku

Tabela. Praktyczne zestawienie mocy grzewczej, mocy systemu PV i mocy pompy ciepła typu powietrze-woda w budynku jednorodzinnym w standardzie NF 40

Rys. Wskaźnik samowystarczalności WSW [%] w budynku o powierzchni 100 m2 w standardzie NF 40 w zależności od mocy instalacji PV i liczby domowników.
Rys. Wskaźnik samowystarczalności WSW [%] w budynku o powierzchni 150 m2 w standardzie NF 40 w zależności od mocy instalacji PV i liczby domowników.
Rys. Wskaźnik samowystarczalności WSW [%] w budynku o powierzchni 200 m2
w standardzie NF 40 w zależności od mocy instalacji PV i liczby domowników.
Rys. Przybliżony dobór mocy instalacji PV [kWp] w zależności od powierzchni ogrzewanej budynku w standardzie NF40 i liczby osób (bilansowanie tylko c.o. i c.w.u.)
Obliczenie mocy nominalnej instalacji PV

W związku z tym wymaganą moc nominalną instalacji fotowoltaicznej, która będzie działać w systemie opustu, oblicza się według wzoru:

wzór dobór

gdzie:

  • mocpv – wymagana moc nominalna instalacji fotowoltaicznej [kWp],
  • opust – udział energii wprowadzonej do sieci, którą może odebrać w ciągu roku prosument w ramach systemu opustu (w instalacjach do 10 kWp wynosi 80%) [%], 
  • Ek – ilość zużywanej rocznie energii elektrycznej [kWh/rok],
  • a – udział bieżącej konsumpcji własnej [%],
  • b – udział ilości energii oddanej do sieci [%],
  • a + b = 100%,
  • uzysk – uzysk roczny z 1 kWp [kWh/rok].
Przykład obliczenia wymaganej mocy instalacji PV

Dlatego też założenia do doboru mocy systemu fotowoltaicznego sieciowego przezentują się następująco:

  • roczne zużycie energii: 4200 kWh/rok,
  • kąt nachylenia dachu: 40 stopni,
  • odchylenie od południa: 0 stopni,
  • udział bieżącej konsumpcji własnej: 30%,
  • udział energii oddanej do sieci: 70%,
  • opust: 80%,
  • założony uzysk energii elektrycznej z 1 kWp: 960 kWh/rok.

Dlatego też obliczenie prezentuje się następująco:

Przybliżony dobór mocy instalacji PV

Generalnie można założyć, że dla instalacji fotowoltaicznej o mocy mniejszej niż 10 kWp, na każde zużyte rocznie w budynku 1000 kWh energii elektrycznej należy dobrać około 1,25 kWp mocy instalacji ze względu na to, że będzie działać w systemie opustu.

Tabela: Szacowane zużycie energii elektrycznej na potrzeby bytowe w nowym budynku
Tabela: Szacowanie zużycie energii elektrycznej przez pompę ciepła na potrzeby c.w.u. (50 l/osobę/dobę; SPF = 3)
Tabela: Szacowanie rocznego, jednostkowego zużycia energii elektrycznej na potrzeby c.o. przy wykorzystaniu pompy ciepła z ogrzewaniem płaszczyznowym
Rys. Wymagana moc instalacji fotowoltaicznej zależnie od standardu przykładowego budynku o powierzchni 150 m2. Budynek użytkowany przez cztery osoby.
Generalni instalacja PV działa w oparciu o system rocznego bilansowania (opustu). Instalacja PV ponadto współpracuje z pompą ciepła typu p-w (ogrzewanie płaszczyznowe i przygotowanie c.w.u.). W związku z tym warto zauważyć, że nakład inwestycyjny na realizację budynku w standardzie NF 40 (EU 40) wraz z instalacją PV jest znacząco niższy niż na wykonanie budynku pasywnego (EU 15) z instalacją PV o mniejszej mocy.
Rasumując możliw