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 >>>

Literatura

1. Olczak P., Olek M., Dostępność energii promieniowania słonecznego dla wybranych miejsc w Polsce, „Energetyka w odsłonach: ochrona środowiska, logistyka, OZE, technika, finanse, bezpieczeństwo”, 2016, s. 207–222.
2. Knapik M., Analiza i wybór źródła grzewczego przygotowującego ciepłą wodę z wykorzystaniem energii odnawialnej, „Rynek Instalacyjny“ nr 9/2016, s. 36–38.
3. Jadwiszczak P., Nowe wymagania, jakim powinny odpowiadać budynki. Możliwość spełnienia wymagań EP, „Rynek Instalacyjny“ nr 4/2014, s. 20–26.
4. Feist W., Münzenberg U., Thumulla J., Podstawy budownictwa pasywnego, 2009.
5. Rylewski E., Energia własna, 2002.
6. Knapik M., Analysis of the possibility to cover energy demand from renewable sources on the motive power of the heat pump in low-energy building, E3S Web of Conferences 17, 00039, 2017.
7. Wojtas K., Sprężarkowa pompa ciepła jako alternatywne źródło ciepła w budynku (cz. 1), „Polski Instalator“ nr 3/2011, s. 40–44.
8. Wojtas K., Sprężarkowa pompa ciepła jako alternatywne źródło ciepła w budynku (cz. 2), „Polski Instalator“ nr 4/2011, s. 40–44.
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).
10. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
11. http://blitzmann.com/turbiny-wiatrowe, dane techniczne i katalogi (dostęp 1.06.2017).
12. Narowski P.G., Dane klimatyczne do obliczeń energetycznych w budownictwie, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja“ nr 11/2006.
13. Budzyński K., Narowski P.G., Czechowicz J., Przygotowanie zbiorów zagregowanych danych klimatycznych dla potrzeb obliczeń energetycznych budynków, Ministerstwo Infrastruktury, 2004, na podstawie danych źródłowych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
14. EN-ISO 15927-4 Hygrothermal performance of buildings. Calculation and presentation of climatic data. Part 4: Data for assessing the annual energy for cooling and heating systems, 2003.
15. Narowski P.G., Metodyka wyznaczania klimatycznych warunków obliczeniowych dla instalacji ogrzewczych z uwzględnieniem dynamiki cieplnej budynków, praca doktorska, Politechnika Warszawska, 2001.
16. Powierzchnia dachu potrzebna pod instalację fotowoltaiczną [online], www.solaris18.blogspot.com (dostęp 15.10.2017).
17. Daikin, dane techniczne i katalogi (dostęp 19.04.2017).
18. PN-EN 15316-4-2:2008 Heating systems in buildings. Method for calculation of system energy requirements and system efficiencies. Part 4-2: Space heating generation systems, heat pump systems.
19. PN-90/B-01706:1992 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.
20. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376, z późn. zm.).
21. Bednarczyk A., Kulesza L., Wpływ cyrkulacji w instalacji c.w.u. na bilans energii tej instalacji, konferencja „Air&Heat – Water&Energy”, 2011, poster.
22. Taryfa dla energii elektrycznej na 2017 rok, PGE, 2017.
23. Wysokość cen referencyjnych według rozporządzenia Ministra Energii z dnia 24 marca 2017 r. w sprawie ceny referencyjnej energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w 2017 r. oraz okresów obowiązujących wytwórców, którzy wygrali aukcje w 2017 r. (DzU 2017, poz. 634).
24. Taryfa dla gazu ziemnego E na 2017 rok, PGNiG, 2017.
25. Koszty montażu i eksploatacji instalacji fotowoltaicznej [online], www.solaris18.blogspot.com (dostęp 15.10.2017).
26. Cennik usług serwisowych kotłów gazowych [online], www.unitherm.pl (dostęp 15.10.2017).
27. Kowalik M., Boryca J., Halusiak B., Analiza wpływu cen gazu ziemnego i energii elektrycznej na koszty ogrzewania za pomocą 2-funkcyjnego kotła gazowego w budownictwie wielorodzinnym, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja“ nr 3/2013, s. 96–100.
28. Śnieżyk R., Dostawa ciepłej wody zasilanej gazowym kotłem kondensacyjnym, „Rynek Instalacyjny“ nr 5/2014, s. 76–80.