Tepelné čerpadlá spolupracujú s fotovoltaikou

Tepelné čerpadlá spolupracujú s fotovoltaikou

Lepšia spolupráca je v režime chladenia

Kombinácia TČ so SK a FV

Je možná. Nie je však ideálna ani po stránke ekonomickej ani energetickej. Kombináciou TČ a SK sa síce dosiahne zvýšenie energetickej efektívnosti, ale len odpovedajúco COP, ktoré prínos SK degraduje. Kombináciou FV a TČ, ktoré v zime kúri a najmä v lete chladí sa dá, i keď nie ideálne, FV systém zatiaľ najlepšie využiť. Kombinácia TČ s hybridným solárnym systémom je ekonomicky neopodstatnená [33].

Výkon fotovoltaického systému v rodinnom dome

Limitom pre výkon FVE sú rozmery strechy a spotreba rodinného domu za rok. Maximálne hodnoty výroby FVE pri výrobe v našich zemepisných šírkach sú:

1000 kWh na 1 kWp výkonu.

Inštalovateľné výkony FVE sú najčastejšie:

2-10kWp pre rodinný dom
500 kWp pre lokálny zdroj

FV panely na rodinných domoch sa nepredimenzovávajú pretože:

Čím väčšia bude výroba a teda veľkosť inštalovaného výkonu v pomere ku spotrebe rodinného domu, tým menšie percento z vyrobenej FE elektriny bude využité lokálne.

Ak sa zvolí pomer výroby a spotreby RD 1:1, doma sa spotrebuje len 20-30% a zvyšok elektriny pôjde do prenosovej sústavy. Pri pomere 1:3 sa doma spotrebuje 60-80%.

Maximálny inštalovateľný výkon na jednu fázu je 3,6 kWp. Pre tri fázy 10 kWp. Optimalizovanie priameho využitia FVE cez smerovače:

Posunutý štart práčky, umývačky
Vykurovanie/ chladenie tepelným čerpadlom
Klimatizácia, ohrev bazéna, vírivka

Osadenie panelov na streche

Keďže FVE panely sa inštalujú len na strechy (perspektívne aj na fasády) je potrebné zvážiť technický stav strechy ako prístup, nosnosť, životnosť krytiny, orientáciu strechy na svetové strany s možnosťou s preferenciou J, JZ, JV, ďalej sklon strechy medzi 30-35o je kompromisom medzi výkonom v lete a v zime.

Ak sa FV panely osadia s nesprávnym sklonom orientáciou, odvetraním, nedosiahne sa očakávaný výkon. Ak sa FV panely osadia na strechu so zlým prístupom, v zlom technickom stave, s nevýhodným sklonom, orientáciou, nielenže sa nedosiahne očakávaný výkon, ale vyvolané náklady s premiestňovaním panelom prevýšia očakávané prínosy.

Riešenia fotovoltického systému s tepelným čerpadlom

Prvé spojenia FV a TČ boli na bázepriamejvýroby teplej úžitkovej vody, predohrevu vykurovacej vody pre tepelné čerpadlo a pre výhrevné káble kondenzátu z výparníka. Tieto funkcie plnili namontovaný fotovoltaický set, bojler, menič jednosmerného prúdu na striedavý prúd, ističe DC, vnútorná jednotka tepelného čerpadla, ovládací panel spúšťania predohrevu vody v akumulačnom zásobníku vykurovacej vody pre tepelné čerpadlo.

Priame využitie jednosmerného prúdu na ohrev vody nie je ekonomické riešenie

Ovládanie FV a TČ – ako vytvoriť pridanú hodnotu

Je potrebné zosúladiť respektíve ovládať prevádzku tepelného čerpadla podľa množstva vyrobenej elektriny z FV s prihliadnutím na požiadavky na štruktúru spotreby elektriny v dome. To znamená, že napríklad pokiaľ je spustená práčka, umývačka, nebude TČ odoberať elektrinu z FV systému, aby sa nezvýšila spotreba zo siete.

Systém ukladania vyrobeného tepla do vnútornej akumulácie bez potreby batérií. Jednosmerný prúd naľavo je využívaný na priamy ohrev vody. Táto aplikácia nie je energeticky ani ekonomicky výhodná. Striedavý prúd na pravej strane môže byť využívaný energeticky, ekonomicky výhodnejšie klimatizáciou, ale tiež tepelným čerpadlom.

Kombináciou FV a TČ ovládaním tepelného čerpadla a domácich spotrebičov sa môže zlepšovať profil využitia FV elektriny tak, že v čase najvyššej výroby FV elektriny tepelné čerpadlo je spúšťané do núteného prevádzkového režimu k akumulácii tepla alebo elektriny.

Prevádzku tepelného čerpadla je treba ovládať podľa množstva vyrobenej elektriny z FV s prihliadnutím na požiadavky na štruktúru spotreby elektriny v dome. To znamená napríklad, že pokiaľ je spustená práčka, umývačka, nebude TČ odoberať elektrinu z FV systému, aby sa nezvýšila spotreba zo siete. Tým sa maximalizuje využitie FV elektriny (Panasonic).

Solárne fotovoltaické systémy v kombinácii s tepelným čerpadlom

Pripojenie tepelného čerpadla na FVE systém

Funkcia použitia prebytku z FVE systému sa má spustiť v prípade, pokiaľ elektrický príkon z FVE, ktorý meria počítadlo vyrobenej energie, prekročí nastavenú hranicu na úrovni príkonu kompresora. V tom prípade sa kompresor môže pustiť a plniť nasledovné funkcie v zimných mesiacoch:

Posunutý ohrev TÚV a zmena z nastavenej hodnoty na maximálnu
ohrev elektrickým telesom na teplotu nad 60 oC ako ochranu pred legionelou
ohrev vody v akumulačnom zásobníku na vykurovanie
zvýšenie nastavenej teploty v miestnostiach

Tým sa maximalizuje využitie FV elektriny. Pokiaľ FV panely vyrábajú dostatok elektriny k pokrytiu spotreby TČ, spustí sa nútený ohrev teplej vody k ohrevu na 55 alebo 65 °C. Pokiaľ je súčasťou TČ akumulačná nádrž, zvýši sa teplota v nej o 1 až 5 °C a to až na 55 °C. Môže sa spustiť tiež nadmerné vykurovanie, respektíve chladenie domu o 1-2 °C podľa obrázku.

V letných mesiacoch výroba FVE koreluje so spotrebou klimatizácie a jej využitie je lepšie, popri možnosti ohrevu TÚV, bazénu, ..

Schéma zapojenia FVE

Schéma zapojenia FVE s meničom jednosmerného prúdu DC prúdu na striedavý prúd AC s riešením prebytkov cez PV merač do tepelného čerpadla podľa Viessmann

Zo schémy vyplýva, že vyrobený jednosmerný elektrický prúd FVE je potrebné premeniť na striedavý, aby sa dal využiť domácimi spotrebičmi a tiež tepelným čerpadlom. Riešiť treba aj prebytky, teda elektrinu, ktorú domácnosť nevie spotrebovať a odviesť ju do prenosovej sústavy cez rozvádzač, ktorý by mal umožniť kompenzáciu v inom čase.

Udržanie výparnej teploty v sušičkách vzduchu

Prehriatie nemá vždy prioritu

V prípade sušičiek vzduchu prioritou je udržanie výparnej teploty tesne nad nulou. Dôvodom je zamedzenie namŕzania výparníka pri dosiahnutí čo najvyššieho odvlhčovacieho výkonu. Veľkosť výparnej teploty závisí od typu chladiva. S jednozložkovými chladivami sa dá priblížiť bližšie k nule pri výparnej teplote 2-3 o C. Zmesi chladív s teplotným sklzom pri tom istom tlaku sa začínajú vyparovať pri nižšej teplote než akú majú na čiare sýtej pary. Preto výparná teplota zodpovedajúca danému tlaku pri zeotropných chladivách bude vyššia podľa veľkosti teplotného sklzu. Napríklad pre R407 C výparná teplota bude 3-5 i viac o C.

Pri výrobe stlačeného vzduchu vzniká kondenzát. Môže byť silno zaolejovaný alebo aj bez oleja a tým agresívny. Okrem toho je plný čiastočiek nečistôt (napr. hrdza z potrubia) a iných nečistôt. Na úpravu stlačeného vzduchu sa preto kladú vysoké požiadavky.

Cieľ: odstraňovať kondenzát aj s jeho nečistotami

Kondenzačné sušenie je založené na princípe prudkého ochladenia stlačeného vzduchu pri vstupe do sušiacej jednotky pod teplotu rosného bodu (TRB) vzduchu a jeho následnom ohriatí na výstupe (zvyčajne vstupujúcim stlačeným vzduchom).

Sušenie stlačeného vzduchu na rosný bod nad 0 °C

pomocou kondenzačných a adsorpčných sušičiek

Princíp kondenzačného sušenia spočíva v ochladení stlačeného vzduchu, kondenzácii prebytočnej vlhkosti pri TRB +3 °C a následnom ohriatí stlačeného vzduchu.
Sušenie stlačeného vzduchu pomocou adsorpčných sušičov. Princíp spočíva vo fyzikálnych vlastnostiach materiálu (adsorbentu- silicagel), ktorý viaže vlhkosť na svojom povrchu.

Sušenie stlačeného vzduchu zariadeniami talianskej firmy MTA s odstránením neželaného kondenzátu, ako aj zbytkového oleja a iných nečistôt je na obrázku.

AKO to funguje?

Horúci vlhký stlačený vzduch vstupuje do výmenníka vzduch-vzduch (1), kde je ochladený suchým vzduchom opúšťajúcim sušičku. Kompresor (3) stláča pary chladiva a tlačí ich cez kondenzátor (4), kde kondenzujú. Chladivo potom prechádza cez kapiláru (5), do výparníka (2).

Okruh sa prispôsobuje skutočným pracovným podmienkam tak, že prostredníctvom „impulzov“ sa riadi otváranie a zatváranie solenoidového ventilu (6). V podmienkach čiastočného zaťaženia prúdi cez kalibrovaný otvor solenoidového ventilu (7) do kompresora menej chladiva, ktorý preto spotrebúva menej energie.

Predchladený vzduch vstupuje do výparníka (2), kde sa ochladí pod rosný bod chladivom, ktoré mení fázu a stáva sa parou pokračujúcou v obehu vstupom do sacej strany kompresora (3). Ochladený suchý stlačený vzduch sa potom vracia do tepelného výmenníka vzduch-vzduch (1), kde sa ohrieva privádzaným vzduchom, aby sa zabránilo kondenzácii vlhkého vzduchu na jeho rozvodoch.

Výkon sušičky vzduchu sa významne mení

Prispôsobovaním výkonu sušičky skutočným požiadavkám sa parametre chladiaceho okruhu menia tiež. Ak je napríklad polovičné zaťaženie, zariadenie s reguláciou pracuje na polovičný výkon (nezastavuje sa!) a teploty sa zmenia v súlade s výkonom výparníka. Vyparovacia teplota stúpne o hodnotu zodpovedajúcu nižšiemu zaťaženiu výparníka napríklad o 3 - 4 K a tým sa aj zníži množstvo vyzrážanej vlhkosti zo sušeného vzduchu.

Regulácia tlaku vo výparníku

Regulácia týmto spôsobom je bežná tam, kde je nutné udržovať určitý tlak chladiva vo výparníku alebo vo viacerých výparníkoch napríklad pre zamedzenie tvorby námrazy na teplo výmennej ploche výparníka. Ovládanie výkonu kompresora je možné v zásade dvoma spôsobmi:

na strane chladiva obtokom horúcich pár do sania kompresora alebo do výparníka a na
strane kompresora škrtením chladiva v saní kompresora.

Regulácia na strane chladiva sa myslí zmenami prietoku chladiva s reguláciou tlaku chladiva vo výparníku.

Každý spôsob má svoje prednosti a nedostatky

Pri regulácii obtokom kompresor pracuje obvykle pri ustálených podmienkach bez ohľadu na zmenu zaťaženia sústavy, pretože chladivo, ktoré nepretečie výparníkom je do kompresoru vedené obtokom, aby bol nasávaný objem chladiva stály. Kompresor spotrebováva viac energie, než to odpovedá dodávanému chladiacemu výkonu, pretože časť výkonu je obtokom marená. Pracuje však pri ustálených výhodných prevádzkových podmienkach, čo má priaznivý vplyv na spoľahlivosť a životnosť kompresoru.

Obr.1 Regulácia výkonu obtokom pred výparník Obr.2 Regulácia škrtením v saní

Na obrázku 1 je zobrazená regulácia obtokom horúcich pár pred výparník. Príslušný vstrekovací ventil zaistí i odpovedajúcu teplotu pár chladiva v saní kompresora. Obtok pár môže byť vedený aj za výparník. Prehriatie potom môže nadobúdať vysoké hodnoty keďže prioritou je udržanie čo najnižšej nadnulovej teploty.

Na obrázku 2 je zobrazená regulácia škrtením v saní, kde sa upravuje sací tlak chladiva kompresora na hodnotu, ktorá odpovedá požadovanému chladiacemu výkonu pri vyparovacom tlaku v nízkotlakovej časti okruhu. Kompresor síce spotrebováva menšie množstvo energie, ale pracuje pri menej výhodných podmienkach – s nízkym sacím tlakom, vyšším kompresným pomerom a obvykle i s vyššími teplotami výtlaku. Vyššie zaťaženie sa prejaví i v životnosti a spoľahlivosti kompresora.

Viac informácií nájdete v časopise Správy 7/2020