Współpraca pomp ciepła z turbinami wiatrowymi i panelami fotowoltaicznymi – aspekty energetyczne i ekonomiczne

Dostępność energii wiatru oraz promieniowania słonecznego w Polsce jest zmienna [1]. Zależy od miejsca jej pozyskiwania w danym regionie Polski, od aktualnej pory roku, dnia i godziny. Badania i analizy [2, 3] pokazują, że aby osiągnąć wymagane przepisami niskie wartości zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do przygotowania ciepłej wody i ogrzewania budynku mieszkalnego, konieczne jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, zwłaszcza takich jak energia słoneczna i wiatrowa.

Połączenie w jednym budynku instalacji wykorzystujących obydwa te rodzaje OZE zapewnia korzyści wynikające z ich wzajemnej komplementarności.

Jesienią i zimą, kiedy możliwości wykorzystania energii słonecznej znacznie się zmniejszają, turbiny wiatrowe, ze względu na zwykle występującą w tym czasie wietrzną pogodę, wytwarzają znacznie więcej energii elektrycznej niż ogniwa fotowoltaiczne.

Sytuacja zmienia się w miesiącach letnich, kiedy ogniwa generują o wiele więcej energii ze względu na dłuższy dzień i dużo większe natężenie promieniowania słonecznego.

Wykorzystanie turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu oraz ogniw fotowoltaicznych znajduje zastosowanie w budownictwie o niskim zapotrzebowaniu na energię.

Istotą takiego budownictwa [4, 5] są rozwiązania charakteryzujące się znacznym zakresem redukcji potrzeb energetycznych, pokrywanych głównie z wykorzystaniem energii odnawialnej. Dotyczy to zarówno biernego, jak i aktywnego sposobu ich wykorzystania.

Głównym celem budownictwa o niskim zapotrzebowaniu na energię jest osiągnięcie znacznego ograniczenia zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną, niezbędną do pokrywania potrzeb tych budynków związanych przede wszystkim z ogrzewaniem, wentylacją i przygotowaniem ciepłej wody użytkowej.

Prąd elektryczny wytworzony dzięki współpracy turbin wiatrowych i ogniw fotowoltaicznych może w znacznym stopniu pokryć zapotrzebowanie na energię elektryczną niezbędną do napędu sprężarkowej pompy ciepła [6], stanowiącej jedyne źródło zaopatrujące budynek w ciepło. Zastosowanie w takim układzie systemu opartego na sprężarkowej pompie ciepła [7, 8], napędzanej głównie energią elektryczną z odnawialnych źródeł energii, przyczynia się do zmniejszenia zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną i umożliwia osiągnięcie wymaganej niskiej wartości jednostkowego wskaźnika EP_H+W, zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody.

Rys. 1. Lokalizacja wybranych miast, dla których przeprowadzono analizę [źródło: PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego]

Tabela 1. Założenia do analizy i symulacji

Rys. 2. Moc turbiny wiatrowej (5 kW) w zależności od prędkości wiatru [źródło: http://blitzmann.com/turbiny-wiatrowe, dane techniczne i katalogi (dostęp 1.06.2017)]

Zgodnie z Warunkami Technicznym 2017 [9] wskaźnik EP_H+W dla budynków wielorodzinnych osiąga wartość graniczną wynoszącą 85 kWh/(m² rok). Natomiast współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla zasilania z sieci elektroenergetycznej wynosi 3,0 [9], wpływając niekorzystnie na ostateczny wynik EP_H+W.

Współpraca instalacji korzystających z odnawialnych źródeł energii wiatrowej i słonecznej z pompą ciepła czerpiącą także z zasobów energii odnawialnej pozwala na znaczne ograniczenie kosztów eksploatacji budynku związanych z ogrzewaniem i przygotowaniem ciepłej wody oraz zmniejszenie wartości jednostkowego wskaźnika EP_H+W przy zachowaniu ekonomicznej opłacalności, w odniesieniu do początkowych nakładów na takie rozwiązanie oraz dbałości o nasze środowisko.

Celem badań opisanych w artykule było przeprowadzenie analiz statycznych, w warunkach ustalonych (na podstawie skryptu obliczeniowego przygotowanego w programie MATLAB), poszczególnych wariantów doboru turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu i wielkości ogniw fotowoltaicznych zasilających sprężarkową pompę ciepła dla niskoenergetycznych budynków mieszkalnych zlokalizowanych w wybranych regionach Polski (rys. 1).

Analizy dotyczyły przede wszystkim oceny wpływu dobranych instalacji wiatrowych i fotowoltaicznych na jakość energetyczną budynku, uwzględniały także aspekty ekonomiczne związane z wybranymi instalacjami.

Założono, że w wyniku zastosowania właściwie dobranych wydajności źródeł korzystających z energii odnawialnej osiągnięte zostaną korzystne efekty w postaci wysokiej jakości energetycznej budynku oraz że taki dobór pozwoli na pokrycie w znacznym zakresie zapotrzebowania pompy na energię elektryczną przy zachowaniu korzystnej efektywności ekonomicznej rozwiązania.

Założenia do analizy

W celu przeprowadzenia analizy niezbędne było przyjęcie kilku założeń zestawionych w tab. 1. Moc dostarczana przez siłownię wiatrową zależy od prędkości wiatru (rys. 2) dla turbiny o pionowej osi obrotu [11] i mocy nominalnej 5 kW osiąganej przy prędkości 12 m/s.

Czytaj też: Czynniki robocze dolnych źródeł gruntowych pomp ciepła >>>