System PV w budynkach jednorodzinnych – na co warto zwrócić uwagę, projektując instalację

I tym samym stara zasada: „jak nie wiesz, co będzie jutro – teraz zrób to, co możesz” wyjątkowo sprawdza się na polskich dachach. Zainteresowanie instalacjami fotowoltaicznymi i poszukiwanie wiarygodnych, sprawdzonych instalatorów mimo posezonowego czasu trwa w najlepsze! Dlatego wspólnie z ekspertami IBC SOLAR Polska, Mariuszem Wilk i Maciejem Drobczykiem, przeanalizowaliśmy krok po kroku proces przygotowania inwestycji fotowoltaicznej dla standardowego domu jednorodzinnego w Polsce. W ten sposób powstała czytelna mapa porad i podpowiedzi, które przydadzą się nie tylko inwestorom rozważającym montaż PV, ale także instalatorom, którzy będą z nimi poniższe obszary szczegółowo analizować.

Prosument na horyzoncie

Przyjmijmy, że instalacją systemu PV zainteresowany jest właściciel domu o powierzchni 150 m² i izolacyjnością wg WT 2021, w którym zamieszkuje czteroosobowa rodzina z ekologiczną świadomością i nawykami. Rodzina używa energooszczędnych sprzętów AGD i oświetlenia LED, ale też ceni sobie komfort codziennego życia, stąd w ich zasobach sprężarkowa pompa ciepła powietrze/woda, ogrzewanie wodne podłogowe na parterze (akumulacja) z kaloryferami na poddaszu i c.w.u. z zasobnikiem 400 l. Ponadto klimatyzacja typu multisplit z 2 jednostkami wewnętrznymi i centrala wentylacyjna z wymiennikiem ciepła (rekuperator). Do pełnej listy dobrych zielonych praktyk brakuje już tylko energii słonecznej pozyskiwanej z własnego dachu. Więcej na ten temat >>

KROK 1: pozycjonowanie nawyków

Podstawą wydajnie działającej instalacji fotowoltaicznej jest zaprojektowanie jej na podstawie wiarygodnego określenia zapotrzebowania energetycznego gospodarstwa w ciągu całego roku. To zadanie dla instalatora, który pełni w tym procesie rolę doradcy; ma zaproponować sensowne rozwiązania, opowiedzieć o szczegółach instalacji, być mentorem inwestycji. Z kolei klient jest bezcennym źródłem w zakresie przekazania danych o codziennym poziomie zużycia energii w domu oraz określeniu, kiedy zużycie roczne jest najwyższe. Budowany na tych informacjach portret użytkownika posłuży do stworzenia profilu konsumpcji bezpośredniej – tygodniowej, miesięcznej, sezonowej i pozwoli tak zaplanować całą inwestycję, by z wyprodukowanej latem energii uzyskać bezpieczną i pożądaną nadwyżkę.

Dlatego na etapie planowania inwestycji wszystkie pytania są niezwykle ważne i... przeliczalne na konkretne zyski lub straty w późniejszym okresie użytkowania systemu PV. A gdy mamy już wstępne parametry zebrane, warto skorzystać z dedykowanych narzędzi, które dokładnie analizują pozyskane dane i obliczają najlepsze parametry dla każdego elementu przyszłej instalacji fotowoltaicznej. Na potrzeby tego artykułu korzystamy z autorskiego oprogramowania IBC SOLAR, czyli platformy PV Manager. Sprawdź >>

KROK 2: analiza techniczna

Dobra analiza to drugi filar perfekcyjnie przygotowanej inwestycji. Analizując zapotrzebowanie energetyczne, czyli szukając odpowiedzi na pytanie, ile energii do gospodarstwa należy dostarczyć, tak aby dobrze funkcjonowało, musimy nastawić się na drobiazgowe wyliczenia.

Zapotrzebowanie cieplne dla nowego, dobrze izolowanego budynku to ok. 40 W /m². Zatem nasz 150-metrowy dom potrzebuje 150 * 40 = 6 kW energii na cele grzewcze. Do tego wyniku należy dodać kolejne dane, tym razem odnoszące się do zainstalowanych w domu urządzeń. Zacznijmy od niekwestionowanego priorytetu, czyli pompy ciepła. Każde tego typu urządzenie ma określony parametr SCOP, czyli poziom sprawności, z jaką przekształca energię pobraną w energię oddaną. Dla dobrej jakości pompy parametr SCOP wynosi ok 4-5. Gdy zatem w sezonie grzewczym pompa pracuje 2000 godzin, dostarczyć ma 6 * 2000 = 12 kWh. Oznacza to, iż przy SCOP 4 potrzebuje pobrać 12 000 / 4 = 3000 kWh prądu na wytworzenie wymaganego ciepła.

Kolejnym ważnym wydatkiem energetycznym jest podgrzanie c.w.u. Ponieważ pompa ciepła cechuje się nieco większą bezwładnością niż np. kotły gazowe wskazane jest przewymiarowanie zbiornika. Z ogólnego zapotrzebowania 1,16 Wh wymaganego na podgrzanie 1 l wody o 1 stopień Celsjusza, daje to finalnie pompę o mocy ok 7 kW. Analizując pobór energii przez pompę, zarówno na cele c.w.u, jak i c.o., i dodając ok. 5 kWh na pokrycie zużycia generowanego przez AGD i RTV, otrzymamy zapotrzebowanie energetyczne na poziomie około 8000 kWh.

W obecnym układzie prosumenckim energia elektryczna niezużyta na bieżąco trafia do sieci, skąd następnie odbieramy 80% jej wolumenu. Przyjmując poziom autokonsumpcji na poziomie 20-25% i „stratę” wspomnianych 20%, możemy dokonać następujących obliczeń:

• 8000 kWh * 0,20 = 1 600 kWh (konsumpcja bieżąca),
• 8000 – 2000 = 6000 kWh (energia, którą musimy pobrać z sieci),
• 6000 / 80 % = 7 500 kWh – tyle musimy wprowadzić do sieci, by odebrać z niej 80% tego, co przekazaliśmy, tj. wymagane 6 000 kWh.

Podsumowując, nasz system PV powinien wygenerować 2000 kWh na potrzeby bieżącego zużycia oraz 7 500 kWh na potrzeby ‘zmagazynowania’ w sieci do późniejszego wykorzystania. Łącznie 9 500 kWh.

Ponieważ ilość wygenerowanej przez fotowoltaikę energii zależy od wielu czynników takich jak nachylenie i orientacja dachu, sprawność paneli, odpowiednie rozłożenie stringów, efektywność falownika, nasłonecznienie, zacienienie itd., wszystkie te składowe należy wziąć po uwagę, dobierając ostateczną moc instalacji.

Tutaj z pomocą przychodzi PV Manager, w którym możemy porównać, jak rozłoży się energia produkowana przez panele fotowoltaiczne w różnych wariantach: z pompą ciepła i bez. Możemy także zasymulować układ z magazynem baterii lub bez, a w końcu również tak zaprojektować system PV, by pokrywał on zapotrzebowanie energii generowanej przez pompę ciepła z jej dodatkowym użyciem latem (tryb chłodzenia). Uwzględniając nachylenie dachu, średnie nasłonecznienie w oparciu o raporty meteorologiczne, efektywność paneli i charakterystykę podłączeń elektrycznych, z dużą dokładnością sprawdzimy, czy wydajność planowanej przez nas instalacji pokrywa się z oczekiwaniami.

Korzyści z wykorzystania narzędzi, takich jak platforma IBC SOLAR jest znacznie więcej. Przykładowo PV Manager może dokładnie obliczyć stronę elektryczną, biorąc pod uwagę obciążenie i wydajność poszczególnych stringów, symulację zacienienia i nasłonecznienia. Oprogramowanie wskaże także, na co zwracać uwagę przy montażu PV i jak sterować zużyciem energii w przypadkach akumulacji ciepła, gdy posiadamy energię własną lub tańszą taryfę. W końcu również podpowie, jaki falownik najlepiej sprawdzi się dla konkretnego gospodarstwa domowego, a także stworzy kompleksową analizę zużycia własnego i kalkulację rentowności, przesyłając je bezpośrednio klientowi.

Instalatorzy korzystający z oprogramowania IBC SOLAR zwracają także uwagę na takie zalety, jak wyjątkowo intuicyjne zintegrowanie funkcji planowania, sprzedaży i przetwarzania danych w jednym przejrzystym systemie, który przy rozbudowanym interfejsie gwarantuje specjalistom łatwość obsługi każdego projektu. Wszystko po to, by dobrać instalację PV pozwalającą osiągać maksymalne uzyski i stale zwiększać poziom autokonsumpcji.

KROK 3: poszukiwanie energetycznych oszczędności

W przypadku przedstawionego w tym artykule konkretnego scenariusza warto zauważyć, że odpowiednie sterowanie pracą pompy ciepła przekłada się na spore oszczędności poprzez zwiększenie bezpośredniej konsumpcji energii generowanej przez PV. Badanie, z którego wnioski zostały opublikowane w magazynie Renewable Energy[1], pokazuje, że system PV przewymiarowany w stosunku do pompy ciepła pozwala na zwiększenie oszczędności. Należy jednak przy tym pamiętać, że w przypadku przewymiarowanych systemów fotowoltaicznych musimy się pogodzić z o wiele większą ilością energii oddanej do sieci, a to może nie zawsze być najbardziej korzystne rozwiązanie. Zwłaszcza biorąc pod uwagę proponowane przez legislatorów zmiany w prawodawstwie i prognozowany koniec wspierania rynku prosumenta.

Co widać na poniższym wykresie, pompa ciepła ze sterowaniem pogodowym oraz optymalizacja grzania CWU (ciepłej wody użytkowej) poprzez nastawę temperatury na 45 stopni Celsjusza i ładowanie bufora CWU w godzinach największej produkcji PV prowadzi do dalszych oszczędności. W przypadku braku dostępu do automatyki regulującej pracę pompy ze sterowaniem pogodowym, drugim najkorzystniejszym rozwiązaniem wskazywanym przez naszych ekspertów z IBC SOLAR jest zastosowanie ładowania bufora w tańszej taryfie (rano, wieczorem), ale jednak w momencie, gdy panele już produkują prąd. Może to być nieco kłopotliwe zimą, gdy ranki lub wieczory to godziny niesłoneczne. Odpowiednio dobrany i docieplony, przewymiarowany bufor pozwoli jednak skompensować te straty poprzez ładowanie w tańszej taryfie w środku dnia przy wsparciu działającego wówczas PV.

KROK 4: o tym nie wolno zapomnieć

Każdy dach jest inny i trzeba podejść do niego indywidualnie. Jednym z najważniejszych elementów przygotowania projektu jest wykonanie niezbędnych wyliczeń i dobranie odpowiedniego systemu montażowego, ponieważ to właśnie on stabilizuje całą instalację i zapewnia bezawaryjną pracę przez długie lata użytkowania. Według danych IBC SOLAR, ok. 55% usterek systemów PV wynika ze źle dobranej konstrukcji montażowej. Niestabilna konstrukcja powoduje powstawanie drgań lub dodatkowych naprężeń, które prowadzą do mikropęknięć w ogniwach i spadku wydajności paneli, a to niesie za sobą widmo kosztownych napraw.

W programie PV Manager instalator może z łatwością dokonać wszystkich niezbędnych obliczeń i finalnie wygenerować raport statyczny. A elementem, na który warto zarezerwować sobie więcej czasu w dalszej kolejności, jest wybór wysokiej jakości komponentów dla instalacji PV. Dowiedz się więcej >>

Po takiej dawce informacji technicznych nasze vademecum z podpowiedziami dla potencjalnych niezdecydowanych można podsumować już tylko jednym: nowe rozliczenia prosumentów (jeśli ustawa przejdzie prognozowaną przez inicjatorów ścieżkę legislacyjną) wejdą w życie już 1 kwietnia 2022 r. Wszyscy, którzy zmieszczą się z instalacjami PV przed wskazanym okresem pozostaną w dotychczasowym systemie rozliczeń, a najbliższa podwyżka cen energii też zapowiadana na rok 2022 na pewno nie będzie ich martwić. Właściwe pytanie zatem nie powinno brzmieć: czy instalować system PV?, ale kiedy?

[1] Źródło; Ground source heat pump control methods for solar photovoltaic-assisted domestic hot water heating - ScienceDirect, Magazyn Renewable Energy, 2021, Ground source heat pump control methods for solar photovoltaic-assisted domestic hot water heating.