Analiza długookresowego działania układu grzewczego z gruntową pompą ciepła zasilanego panelami fotowoltaicznymi

• Autorzy: Hanuszkiewicz-Drapała Małgorzata

Warianty tytułu

EN

Analysis of long-term operation of heating system with ground-source heat pump powered by photovoltaic panels

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono rezultaty symulacji numerycznych dwuletniego działania układu grzewczego budynku jednorodzinnego z pompą ciepła i gruntowym pionowym wymiennikiem ciepła, zasilanego energią elektryczną wytworzoną w układzie fotowoltaicznych paneli monokrystalicznych. Zbadano możliwości wykorzystania paneli jako lokalnego źródła energii elektrycznej dla układu grzewczego. Uwzględniono straty energii elektrycznej w układzie fotowoltaicznym. Obliczenia przeprowadzono dla założonej konfiguracji rur gruntowego pionowego wymiennika ciepła. Wykazały one, że średni sezonowy współczynnik efektywności całego układu grzewczego wynosi 2,88 w pierwszym sezonie grzewczym i 2,82 w sezonie drugim. Przy założeniu możliwości rocznego bilansowania energii elektrycznej z systemem elektroenergetycznym i możliwości wykorzystania 80% energii oddanej do systemu, układ fotowoltaiczny o mocy nominalnej 12,505 kW dostarcza rocznie ok. 99,1% energii elektrycznej potrzebnej w układzie grzewczym w pierwszym sezonie grzewczym i ok. 96,2% w sezonie drugim. Poziom bezpośredniego wykorzystania energii elektrycznej jest relatywnie niski i stanowi 18,5% i 15,3% zapotrzebowania na energię odpowiednio w sezonie pierwszym i drugim. Obliczenia wykazały, że zastosowanie paneli monokrystalicznych do zasilania układu grzewczego umożliwia ograniczenie w warunkach polskich emisji substancji szkodliwych do otoczenia, w tym obniżenie emisji dwutlenku węgla – w analizowanym okresie dwuletnim średnio o ok.7 ton/rok.

EN

The paper presents the results of numerical simulations of two-year operation of a heating system with a heat pump and a vertical ground heat exchanger. The heating system is powered by electricity generated in a system of monocrystalline photovoltaic panels. Losses of electrical energy in the photovoltaic system were taken into account. The possibility of using photovoltaic panels as a local source of electricity for this heating system was studied. As indicated by the results of the calculations carried out for the assumed configuration of the vertical ground heat exchanger, the average seasonal coefficient of performance of the entire heating system is about 2.88 in the first heating season and 2.82 in the second, respectively. The photovoltaic system provides annually about 99.1% of the electrical energy needed in the heating system in the first heating season and about 96.2% in the second season, assuming the possibility of annual energy balancing with the power system and the possibility of using 80% of the electricity transferred to the grid from the photovoltaic system. The level of the direct use of electricity is relatively low and accounts for 18.5% of the energy demand in the first season and 15.3% in the second season.

Słowa kluczowe

PL

pompa ciepła; gruntowy pionowy wymiennik ciepła; układ fotowoltaiczny; emisja substancji szkodliwych

EN

heat pump; vertical ground heat exchanger; photovoltaic panels; emissions of harmful substances

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2021
• Tom: Nr 6
• Strony: 3--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Hanuszkiewicz-Drapała Małgorzata

• Politechnika Śląska

Bibliografia

• [1] Florides G., Theofanous E., Iosif-Stylianou I., et al.: Modeling and assessment of the efficiency of horizontal and vertical ground heat exchangers. Energy 2013, 58, str. 655-663.
• [2] Gazda W., W.Stanek W.: Energy and evironmental assessment of integrated biomass trigeneration and photovoltaic plants as sustainable industrial system. Applied Energy 2016, 169, str. 138-149.
• [3] Hanuszkiewicz-Drapała M.: Analiza termodynamiczna gruntowej pompy ciepła zasilanej energią elektryczną wytworzoną w układzie fotowoltaicznym. Współczesne zagadnienia termodynamiki. Contemporary issues of thermodynamics. Red. Rafał Laskowski, Adam Smyk,Warszawa : Oficyna Wydaw. Politechniki Warszawskiej, 2020, s. 79-86.
• [4] Hanuszkiewicz-Drapała M.: Analiza termodynamiczna układu ogrzewania budynku z pompą ciepła sprężarkową parową i rurowym gruntowym wymiennikiem ciepła. Monografia habilitacyjna nr 314, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2011.
• [5] Hanuszkiewicz-Drapała M., Bury T.: Utilization of the horizontal ground heat exchanger in the heating and cooling system of a residential building. Archives of Thermodynamics 2016, 37, No.1, str. 47-72.
• [6] Hanuszkiewicz-Drapała M., Składzień J.: Heating system with vapour compressor heat pump and vertical U-tube ground heat exchanger. Archives of Thermodynamics 2010, 31 (4), str. 93-110.
• [7] Hanuszkiewicz-Drapała, J.Składzień, Operation characteristics of heat pump system with ground heat exchangers. Heat Transfer Engineering 2012, 33 (7), str. 629-641.
• [8] Hein P., Kolditz O., Gorke U.J., Bucher A., Shao H.: A numerical study on the sustainability and efficiency of borehole heat exchanger coupled ground source heat pump systems, Applied Thermal Engineering 2016, 100, str. 421–433.
• [9] https://www.sunbenefit.pl/do-pobrania/moduly/ (06.2020r.)
• [10] Jalaluddin, Miyara A: Thermal performance investigation of several types of vertical ground heat exchangers with different operation mode. Applied Thermal Engineering 2012, 33-34, str. 167-174.
• [11] Lee C.K: A modified three-dimensional numerical model for predicting the short-time-step performance of borehole ground heat exchangers. Renewable Energy 2016, 87, str. 618-627.
• [12] Li X., Chen Z., Zhao J.: Simulation and experiment on the thermal performance of U-vertical ground coupled heat exchanger. Applied Thermal Engineering 2006, 26, str. 1564-71.
• [13] Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) | EU Science Hub (europa.eu).
• [14] Stanek W. T.Simla T., Gazda W.: Exergetic and thermo-ecological assessment of heat pump supported by electricity from renewable sources. Renewable energy 2019, 131, str. 404-412.
• [15] Szymanski B.: Instalacje fotowoltaiczne. GLOBENERGIA sp. z o.o., Kraków 2017, wyd.VI.
• [16] Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne do obliczeń energetycznych budynków (archiwum.miir.gov.pl).
• [17] Wskaźniki emisyjności CO2, SO2, NOx, CO i pyłu całkowitego dla energii elektrycznej, Krajowy Ośrodek Badania i Zarządzania Emisjami, Instytut Ochrony Środowiska Państwowy Ośrodek Badawczy, 12. 2020.
• [18] Zeng H., Diao N., Fang Z.: Efficiency of vertical geothermal heat exchangers in the ground source heat pump system. Journal of Thermal Science Volume 2003;12(1), str. 77-81.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).