Kolektory słoneczne PVT i pompa ciepła – jak działa to połączenie?

Obecnie, ogrzewanie, chłodzenie budynków i przygotowywanie ciepłej wody użytkowej generują około 36% emisji CO₂ w Unii Europejskiej. W odpowiedzi na to, Unia Europejska wyznaczyła jasne cele dla swoich państw członkowskich do końca 2020 roku, zobowiązując je do budowy nowych budynków o praktycznie zerowej emisji.

Pompa ciepła, która może dostarczać ciepło zarówno do ogrzewania budynku, jak i do podgrzewania wody użytkowej, a także służyć jako klimatyzator, obecnie odgrywa kluczową rolę w redukcji emisji CO₂ z budynków mieszkalnych. Dodatkowo, pompa ciepła może łatwo łączyć się z innymi urządzeniami do pozyskiwania energii odnawialnej (OZE), co pomaga obniżać koszty energii.

Kolektory słoneczne pomogą pompie ciepła

W badaniu włoscy naukowcy skupili się na badaniach pompy ciepła w połączeniu z kolektorami fotowoltaiczno-termicznymi PVT. Zauważyli, że taka kombinacja może efektywnie dostarczać zarówno energię elektryczną, jak i ciepło, co korzystnie wpływa na oba systemy. Badacze skoncentrowali się na pompach ciepła opartych na sprężarkach i systemach PVT-SAHP do ogrzewania lub chłodzenia wody w budynkach, przy czym uwzględnili tylko płaskie kolektory PVT chłodzone wodą jako najbardziej wydajne rozwiązanie w systemach ogrzewania lub chłodzenia budynków.

Badacze zwrócili uwagę, że energia słoneczna w systemach SAHP dostarcza ciepło o wyższej temperaturze niż tradycyjne źródła ciepła pomp ciepła. To zwiększa efektywność energetyczną i poprawia wskaźnik COP. Dodatkowo, połączenie pompy ciepła z kolektorami PVT może pomóc w pokonaniu wielu problemów technicznych związanych z samodzielnymi instalacjami solarnymi, takimi jak zależność od nasłonecznienia lub niska wydajność w zimie. Pompa ciepła jest w stanie wykorzystać energię niskotemperaturową z kolektorów, nawet w warunkach małego nasłonecznienia lub jego braku.

Badacze podzielili również systemy PVT-SAHP na te, gdzie kolektor PVT pełni funkcję parownika pompy ciepła, oraz te, gdzie wymiennik ciepła jest umieszczony pomiędzy obiegiem solarnym a obiegiem czynnika chłodniczego. Ocenili, że korzyści i wady wynikające z obu podejść różnią się, ale zauważyli, że wykorzystanie kolektora PVT jako parowacza może pomóc w redukcji kosztów i uproszczeniu instalacji, mimo że wprowadza pewną zależność od nasłonecznienia. Z kolei osobny wymiennik ciepła rozwiązuje wiele problemów, takich jak stabilność procesu przemiany fazowej, ale może być bardziej narażony na zmienne warunki pogodowe. Badania pokazały, że wykorzystanie kolektora PVT miało większy współczynnik COP w porównaniu do rozwiązań z osobnym wymiennikiem.

Dwa źródła ciepła

Podsumowując, pompa ciepła wspomagana energią słoneczną może efektywnie dostarczać ciepło do ogrzewania i chłodzenia budynków. Jednakże, aby zaspokoić wszystkie potrzeby cieplne budynku, może być konieczne wykorzystanie dodatkowego źródła ciepła w instalacji PVT-SAHP. Najlepszym wyborem kolektora PVT wydaje się być ten z bezpośrednio laminowanymi ogniwami PV nad absorberem w kształcie spłaszczonej rury, co zwiększa powierzchnię kontaktu między absorberem a ogniwami, osiągając przy tym najlepsze uzyski energetyczne przy stosunkowo niskich kosztach.

Opracowane na podstawie: Miglioli A. i in., Photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump systems for building applications: Integration and design methods, Energy and Built Environment 4 (2023), pv-magazine.com, kampaniasolarna.pl