Bilance fotovoltaického systému v rodinném domě vytápěném tepelným čerpadlem
© Fotolia.com
V příspěvku je představena analýza využití fotovoltaického systému bez bateriového úložiště k pokrytí spotřeby elektrické energie v rodinném domě pro čtyřčlennou rodinu s tepelným čerpadlem jako zdrojem tepla pro vytápění a přípravu teplé vody. Výsledek analýzy ukazuje na důležitost použití dostatečně krátkého časového kroku u odběrových profilů elektrické energie pro správné hodnocení solárního pokrytí spotřeby FV systémem. Pro účely možného zjednodušení byl vytvořen graf pro rychlý odhad solárního pokrytí spotřeby elektrické energie FV systémem v dané aplikaci (tepelné čerpadlo, uživatelská energie).
Úvod
Návrh a vyhodnocení přínosů fotovoltaických systémů v rodinných domech vychází z energetických a ekonomických bilancí na základě zpravidla omezené znalosti průběhu spotřeby elektrické energie domu a produkce elektrické energie FV systémem. U stávajících objektů jsou zpravidla k dispozici spotřeby elektrické energie z fakturačního či podružného měření, nicméně pouze ve formě měsíčních či celoročních údajů. U novostaveb je spotřeba neznámá a odhaduje se na základě statistických údajů a vybavenosti. Pro výpočet roční případně měsíční produkce FV systému existují metody vycházející z norem [1] nebo fyzikálních zákonitostí [2].
Nicméně jak bylo ukázáno v případě bilancování FV systémů pro krytí spotřeby uživatelské elektrické energie [3], na spolehlivý výsledek bilance má značný vliv míra podrobnosti stanovení odběrového profilu na jedné straně a průběhu produkce FV systému na straně druhé. V případě rodinného domu s tepelným čerpadlem do bilance vstupuje navíc jako významná položka i spotřeba elektrické energie pro provoz tepelného čerpadla dodávajícího teplo pro přípravu teplé vody (celoročně) a vytápění (v zimním období). Příspěvek ukazuje bilanční výpočet přínosu konkrétní instalace FV systému v daném rodinném domě. Zároveň navrhuje zjednodušený přístup odvozený z detailní simulace stovek případů kombinace různých odběrových profilů a výkonů FV systému pro daný rodinný dům.
Analýza bilance FV systému pro rodinný dům
Bilance elektrické energie (EE) při hodnocení FV systému v rodinném domě je dána produkcí elektrické energie FV systémem a spotřebou elektrické energie rodinného domu. Produkce elektrické energie FV systémem je dána jeho návrhem (instalovaný výkon, plocha modulů, účinnost, vliv teploty, technologie modulů) a klimatickými podmínkami (sluneční ozáření, teplota venkovního vzduchu). Spotřeba elektrické energie v rodinném domě je pak dána celkovou spotřebou elektrické energie na provoz technických systémů a domácích spotřebičů (uživatelská energie, podle vybavenosti a obsazenosti). Pro účely analýzy byla uvažována spotřeba EE na provoz tepelného čerpadla (TČ) sloužícího pro vytápění a přípravu teplé vody (TV) a dále byla zahrnuta uživatelská energie (domácí spotřebiče, osvětlení) s celkovou roční spotřebou 2600 kWh. Byli uvažováni 4 obyvatelé, kteří jsou přes den spíše mimo domácnost (práce, škola). Odběrový profil s hodinovým výpočetním krokem byl získán z generátoru [4] pro definovanou aktivní obsazenost domácnosti (viz Obr. 1) při uvažování odlišnosti každého dne v roce (365 dní s různým průběhem odběru) zavedením vlivu nahodilosti provozu spotřebičů v době obsazenosti.
Obr. 1 Definovaný profil aktivní obsazenosti pro 4 osoby
Pro účely analýzy byl uvažován rodinný dům s celkovou tepelnou ztrátou 4,5 kW při venkovní výpočtové teplotě −12 °C, s energeticky vztažnou plochou domu 190 m2. Jako zdroj tepla bylo uvažováno tepelné čerpadlo země-voda o celkovém tepelném výkonu 5,8 kW a topném faktoru 4,4 (při teplotních podmínkách B0/W35). Tepelné čerpadlo slouží pro vytápění a přípravu TV. Otopná soustava je tvořena otopnými tělesy s návrhovým teplotním rozdílem 50/40 °C. Potřeba teplé vody vycházela z dávky teplé vody na osobu 50 l/os.den. Tepelné čerpadlo nedisponuje tzv. adaptivním řízením, které by upřednostňovalo chod TČ v době slunečního svitu, resp. v době produkce EE z FV systému [5]. Roční spotřeba EE na provoz TČ byla stanovena 2300 kWh/rok.
Pro analýzu byl uvažován FV systém se špičkovým výkonem 5 kWp, což přibližně odpovídá celkové ploše panelů 31 m2 se jmenovitou účinností 16 %. Sklon FV panelů byl uvažován 45° s orientací na jih. Pro daný systém není uvažována akumulace EE do bateriového úložiště, přebytky elektrické energie jsou předávány do nadřazené elektrické sítě. V rámci výpočtové bilance FV systém dodává elektrickou energii pro domácnost jako celek, není rozlišena dodávka po jednotlivých fázích. Roční produkce FV systému byla stanovena 4600 kWh/rok.
Provoz tepelného čerpadla, spotřeba elektrické energie v domácnosti a produkce FV systému během roku byly simulovány v prostředí TRNSYS s časovým krokem 1 hodina. Jako klimatické podmínky byly použity údaje z meteostanice UCEEB ČVUT v Buštěhradě (rok 2016).
Obr. 2 Bilance FV systému, 365denní profil, léto
Obr. 3 Bilance FV systému, 365denní profil, zima
Na Obr. 2 a Obr. 3 je graficky znázorněna bilance FV systému v rodinném domě respektující hodinový výpočetní krok pro letní a zimní den. Spotřeba EE je znázorněna jak pro celkovou spotřebu EE, tak i pouze pro TČ. Porovnáním grafů lze ukázat na různorodost průběhu odběru EE a produkce EE v různých časových obdobích. V letním období je znatelně vyšší produkce FV systému, která je doprovázena nižší spotřebou elektrické energie. Nižší spotřeba EE v letním období je způsobena nižší spotřebou TČ, které je v provozu pouze pro přípravu TV a zároveň nižším požadavkem na osvětlení v domácnosti.
V průběhu letního slunečného dne, kdy je k dispozici významná produkce FV systému, je spotřeba elektrické energie rodinného domu nízká. Je to dáno typem obsazenosti domácnosti, kdy jsou obyvatelé přes den mimo domácnost (práce, škola). Na zobrazených profilech si lze povšimnout nárůstu spotřeby domácnosti v ranních a večerních hodinách (používání el. spotřebičů, provoz TČ pro přípravu teplé vody ve špičce). V zimním období je pak patrné spínání tepelného čerpadla pro krytí tepelných ztrát objektu.
V analýze bylo sledováno solární pokrytí spotřeby elektrické energie, definované jako poměr využité produkce FV systému k celkové spotřebě elektrické energie rodinného domu. Jednoduchým bilancováním na základě ročních hodnot produkce a spotřeby, jak je obvyklé při hodnocení energetické náročnosti budov, je stanoveno solární pokrytí jako 4600 kWh / 4900 kWh = 94 %. Budova se touto zkreslenou bilancí s krokem výpočtu 1 rok ukazuje jako téměř soběstačná, což je daleko od praktických zkušeností s provozem budov s FV systémy.
Detailní výpočet solárního pokrytí s krátkým časovým krokem (1 hodina) ukazuje diametrálně odlišnou hodnotu. Počítačová simulace provozu FV systému v kombinaci s tepelným čerpadlem a detailním odběrovým profilem spotřebičů v domácnosti ukázala realistickou hodnotu solárního pokrytí 21 %.
Zjednodušující graf odhadu pokrytí
Pro praxi je potřeba výpočtový postup, kterým lze spolehlivě stanovit využití FV systému v budově. Na druhé straně je nezbytný výpočetní postup bez nutnosti používání podrobných počítačových simulací odběru elektrické energie domácnosti (spotřebiče, osvětlení tepelné čerpadlo) a klimatických údajů s krátkým časovým krokem. Pro běžné navrhování a hodnocení FV systémů byla proto vytvořena pomůcka sloužící k rychlému zjištění solárního pokrytí spotřeby elektrické energie FV systémem v rodinném domě vytápěném tepelným čerpadlem v podobě zjednodušujícího grafu. Z grafu lze při znalosti pouhého bilančního poměru roční vyrobené EE navrhovaného FV systému k roční spotřebované EE rodinného domu (domácí spotřebiče, tepelné čerpadlo) odečíst pravděpodobné procentuální solární pokrytí elektrické energie FV systémem bez použití podrobných výpočtů či simulací s krátkým časovým krokem.
Obr. 4 Zjednodušující graf pro odhad solárního pokrytí spotřeby uživatelské EE FV systémem
Sestrojení grafu vycházelo ze simulační analýzy téměř 1900 bilancí různých kombinací FV systémů s realistickými odběrovými profily s různou spotřebou EE, která se pohybuje v intervalu od 3600 do 6700 kWh/rok v závislosti na okrajových podmínkách.
Okrajové podmínky generování odběrových profilů uživatelské energie byly:
- počet osob (1 až 5),
- profil aktivní obsazenosti (přes den mimo / přes den v domácnosti) a uvažované domácí spotřebiče (vyšší standard / nižší standard).
Špičkový výkon FV systému byl uvažován v rozmezí 0 až 15 kWp. Naproti tomu, rodinný dům byl uvažován ve všech analýzách stejný, podobně i tepelné čerpadlo země-voda s výkonem 5,8 kW při teplotních podmínkách B0/W35.
Výsledný graf solárního pokrytí pro všechny případy kombinací je uveden na Obr. 4 v závislosti na poměru mezi roční produkcí FV systému (EFV) a roční spotřebou EE (ESP). Na základě poměru v praxi dostupných ročních hodnot produkce FV systému a spotřeby rodinného domu (např. z faktur) lze odhadnout předpokládaný rozsah solárního pokrytí. Byly vytvořeny 2 funkční závislosti (tučné křivky) reprezentující střední hodnotu odhadovaného solárního pokrytí pro dva různé typy obsazenosti. Spodní oblak bodů je reprezentován domácnostmi, kde uživatelé pobývají během dne mimo domácnost, tj. např. v práci či ve škole. Naopak horní oblak je platný pro domácnosti s uživateli, pobývajícími během dne převážně doma, nejvýše však 2 osoby z celkového počtu.
Jako příklad použití zjednodušujícího grafu lze uvést analýzu uvedenou výše, kde roční produkce elektrické energie EFV = 4600 kWh a roční spotřeba elektrické energie ESP = 4900 kWh. Pro bilanční poměr 0,94 lze z Obr. 4 odhadnout předpokládaný rozsah solárního pokrytí od 20 do 22 %, což odpovídá hodnotě získané z podrobné simulace.
Závěr
V příspěvku byla provedena analýza solárního pokrytí spotřeby elektrické energie FV systémem bez bateriového úložiště v rodinném domě vytápěném tepelným čerpadlem se zahrnutím spotřeby uživatelské energie. Zjednodušené roční bilancování vede k velice zavádějícím výsledkům extrémně vysokého solárního pokrytí. Na druhé straně detailní počítačové simulace nemají vzhledem ke komplexnímu přístupu praktické uplatnění v projekční praxi. Proto byla provedena simulační analýza solárního pokrytí pro téměř 620 případů a byl vytvořen zjednodušující graf pro odhad solárního pokrytí spotřeby elektrické energie FV systémem na základě poměru roční produkce FV systému k roční spotřebě EE v rodinném domě vytápěném tepelným čerpadlem. Smysl tohoto zjednodušení je získání spolehlivých výsledků solárního pokrytí bez použití složitých simulačních výpočtů. Nicméně, je zřejmé, že vzhledem k uvažování domu s konkrétní tepelnou ztrátou a konkrétním tepelným čerpadlem, je zjednodušený postup do značné míry omezený. Cílem dalších analýz bude proto zevšeobecnění výsledků pro různé instalace tepelných čerpadel (typ, výkon) v rodinných domech s různou tepelnou ztrátou a denní potřebou teplé vody.
Poděkování
Tento článek byl vytvořen se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu Národní centra kompetence I.
Literatura
- ČSN EN 15316-4-3 Energetická náročnost budov – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 4-3: Výroba tepla, fotovoltaické a solární tepelné soustavy, Modul M3-8-3, M8-8-3, M11-8-3, ČAS, 2017.
- MATUŠKA, T. Zjednodušený bilanční výpočet ročních přínosů fotovoltaických instalací, Vytápění, větrání, instalace, č. 5, str. 244–247, 2015.
- NOVOTNÝ, J., MATUŠKA, T. Problematika hodnocení solárního pokrytí FV systémem v domácnosti. Vytápění, větrání, instalace, č. 1, str. 26–31, 2019.
- RICHARDSON, I., THOMSON, M., INFIELD, D., CLIFFORD, C. Domestic electricity use: A high-resolution energy demand model. In: Energy and Buildings, 42(10): 1878–1887, 2010.
- MATUŠKA, T., SEDLÁŘ, J., ŠOUREK, B. Heat Pump System Performance with PV System Adapted Control, In: Proceedings of the ISES EuroSun 2016 Conference. Freiburg: International Solar Energy Society, 2017. p. 1257–1265. ISBN 978-3-9814659-6-9.
The paper presents an analysis of PV system usage without a battery storage to cover electricity consumption for single family house with 4 persons and heat pump as a heat source for heating and preparation of domestic hot water. The result of the analysis shows the importance of using a sufficiently short time step of load profiles for correct assessment of solar fraction of PV system. Simplifying chart for fast estimation of solar fraction in a given application (heat pump, user energy) has been developed.