Od kilku lat obowiązuje w Polsce metoda bilansowania energii elektrycznej wprowadzonej do sieci, a wytworzonej przez instalację fotowoltaiczną, oraz energii pobieranej z sieci. Taka forma rozliczenia jest bardzo atrakcyjna, ponieważ w przypadku instalacji PV o mocy poniżej 10 kWp można potraktować sieć elektroenergetyczną jak akumulator i odzyskać – w rozliczeniu całorocznym – 80% energii tam odprowadzonej. Niższe niż wcześniej ceny elektrowni na dachu, wspomniana elastyczność sieci oraz duża popularność pomp ciepła stwarzają doskonałe warunki inwestycyjne. Energię elektryczną „zgromadzoną” w sieci w okresie wiosenno-letnim bez problemu wykorzysta się do pracy pompy ciepła jesienią i zimą. Dodatkowo automatyka pompy ciepła może wspomagać zarządzanie własną energią w celu zwiększenia autokonsumpcji.

Choć korzyści, jakie zapewnia współpraca domowej instalacji PV z siecią elektroenergetyczną i rozliczanie energii w systemie bilansowania są oczywiste, to jednocześnie wielu inwestorów zdaje sobie sprawę, że można zyskać więcej lub inaczej mówiąc – zminimalizować stratę w zakresie tych 20% energii, których po odprowadzeniu do sieci bezpłatnie już odzyskać nie można. Nie jest tajemnicą, że gdy energia elektryczna wytworzona we własnym zakresie z systemu fotowoltaicznego jest zużywana na bieżąco przez urządzenia w domu, to – zarówno z punktu widzenia nas jako konsumentów, jak i dostawcy energii elektrycznej – sytuacja jest dużo korzystniejsza.

Poprawa sprzężenia systemów
Podstawowym problemem związanym ze sprzężeniem dwóch systemów (wytwarzania energii z fotowoltaiki i zużycia energii elektrycznej w budynku) jest to, że ich działanie zwykle odbywa się w różnym czasie – krzywe wydajności wytwarzania energii przez domową instalację PV i zużycia energii elektrycznej są rozłożone w różnych porach dnia, co prezentuje rys. 2. Dlatego potrzebny jest inteligentny system sterowania, który zapewni buforowanie energii elektrycznej pochodzącej z systemu fotowoltaicznego w postaci ciepłej wody – ponieważ energia cieplna daje się bardzo prosto i tanio magazynować. Stosując urządzenie, jakim jest pompa ciepła, można dodatkowo poprawić efektywność przekształcania energii elektrycznej w cieplną w wodzie grzewczej lub użytkowej.

Typowy profil zużycia energii elektrycznej w zimie przez pompę ciepła na cele grzewcze i przygotowanie ciepłej wody użytkowej, wraz z wrysowanym profilem produkcji energii elektrycznej z domowej instalacji PV przedstawia rys. 3a (dla zwykłego dnia tygodnia) oraz 3b (dla weekendu). Z pomocą automatyki pompy ciepła można w dość prosty sposób tak ustawić okresy przygotowywania ciepłej wody użytkowej oraz w takich godzinach w ciągu dnia, aby czas ten pokrywał się z produkcją energii z własnej instalacji PV (rys. 4). W efekcie urządzenie zrealizuje proces ogrzewania wody użytkowej korzystając z bezpłatnej energii elektrycznej.Często jednak woda użytkowa jest już nagrzana i dogrzanie jej o kilka stopni oznacza krótki czas pracy pompy ciepła i zużycie jedynie niewielkiej ilości energii. Można wówczas dodatkowo zwiększyć temperaturę wymaganą w zbiorniku wody użytkowej, przez co uda się zmagazynować większą ilość energii elektrycznej w formie ciepła – przykładową ilość energii elektrycznej potrzebnej do ogrzania wody użytkowej w zbiorniku o pojemności 300 l w zależności od temperatury wody pokazuje rys. 5. Nie są to – jak widać – olbrzymie ilości energii, ale multiplikując to przez kolejne dni w ciągu roku, zauważalnie poprawi się efektywność instalacji poprzez zwiększenie stopnia bezpośredniego wykorzystania energii z dachu.

! Sugerowane rozwiązanie ma jedno spore ograniczenie. Taki sposób sterowania ogrzewaniem ciepłej wody użytkowej nie uwzględnia warunków pogodowych – niezależnie od dostępności energii słonecznej proces ogrzewania wody będzie realizowany tak samo każdego dnia – również zimą. Ale jest na to sposób!

„Inteligentna” regulacja i licznik energii elektrycznej
Automatyka pompy ciepła firmy Viessmann wyposażona jest w funkcję optymalizacji współpracy z instalacją fotowoltaiczną, która – w połączeniu z licznikiem energii (rys. 6) – automatycznie zwiększa tzw. zużycie własne wytworzonej energii elektrycznej. Układ sterowania pompą ciepła wykorzystuje dane pomiarowe i „uczy się” funkcji logicznych, aby określić, czy i kiedy należy spodziewać się zapotrzebowania na ciepłą wodę lub ogrzewanie. Ponadto automatyka określa oczekiwaną ilość promieniowania słonecznego w ciągu dnia na podstawie siedmiodniowej historii. W ten sposób okresy pracy pompy ciepła w celu pokrycia zapotrzebowania na ciepło można przesunąć do okna czasowego z wysokim promieniowaniem słonecznym lub dużym nadmiarem energii fotowoltaicznej. Takie działanie ma na celu poprawę rentowności współpracy pompy ciepła i systemu fotowoltaicznego.

Gdy korzysta się z tego rozwiązania, to po pierwsze pompa ciepła załączana jest tylko w przypadku nadprodukcji energii z instalacji fotowoltaicznej, a więc mierzona jest energia netto, uwzględniająca konsumpcję energii przez budynek. Po drugie – pompa ciepła załączana jest tylko wtedy, gdy ilość energii kierowana do sieci (moc elektryczna) pozwala na bezpłatną pracę sprężarki, a więc silnik sprężarki nie spowoduje dodatkowej konsumpcji energii z sieci. Co więcej, pompy ciepła wyposażone w sprężarki z inwerterem regulowane są w ten sposób, aby zużywać w danej chwili dokładnie tyle energii, ile wynosi jej nadprodukcja, a więc energia wolna do wykorzystania.

Na rys. 7 i 8 zostały przedstawione schematy ilustrujące opisaną wyżej współpracę domowej instalacji fotowoltaicznej z pompą ciepła wyposażoną w sprężarkę z inwerterem oraz „inteligentną” automatykę, która optymalizuje wykorzystanie dostępnej w danej chwili energii słonecznej.

Poprzez analizę do oszczędności i komfortu
Dzięki odpowiednim algorytmom automatyki w pompie ciepła, ogrzewanie wody użytkowej do wyższych temperatur w celu magazynowania w niej energii elektrycznej z instalacji PV będzie działać dynamicznie i niezależnie od użytkownika. To oznacza, że automatyka pompy ciepła może samodzielnie dokonać zmian w ustawionym wstępnie harmonogramie ogrzewania wody użytkowej w taki sposób, aby w okresie występowania bezpłatnej energii elektrycznej móc ją w pełni wykorzystać. Brana jest w tym przypadku pod uwagę także informacja o dotychczasowym zużyciu wody przez użytkowników, aby zawsze zapewnić komfortową temperaturę c.w.u. możliwie jak najmniejszym kosztem. Na rys. 9 przedstawiony jest wykres, który ilustruje samoczynne załączanie się pompy ciepła na cele zmagazynowania energii w postaci ciepła niezależnie od harmonogramu ustalonego przez użytkownika – po uzyskaniu informacji zwrotnej o ruchu energii elektrycznej od budynku do sieci (współpraca z licznikiem energii) oraz przeanalizowaniu przez algorytmy automatyki historii ogrzewania c.w.u. w budynku. Taki sposób współpracy instalacji fotowoltaicznej z pompą ciepła może być zdefiniowany i realizowany również w celu:

• magazynowania energii elektrycznej z instalacji PV w formie ciepła w buforze wody grzewczej,
• realizacji procesu wygrzewania antybakteryjnego zbiornika wody użytkowej,
• chłodzenia budynku.

To ostatnie rozwiązanie jest szczególnie polecane dla instalacji z aktywnym chłodzeniem.

Nawet do 60% autokonsumpcji
Doświadczenie krajów zachodnich pokazuje, że magazynowanie energii elektrycznej w formie ciepła i chłodu przy wykorzystaniu pompy ciepła z automatyką optymalizującą temperaturę c.w.u. pozwala na zwiększenie stopnia wykorzystania energii elektrycznej na potrzeby własne do ponad 50%. Jeżeli uzupełnimy to o umiejętne sterowanie pracą urządzeń AGD zużywających dużą ilość energii elektrycznej, a których działanie nie jest zależne od naszej obecności, to stopień autokonsumpcji osiągnie nawet 60%! Na wykresie na rys. 10 zaznaczono różnicę w autokonsumpcji energii z domowej mikroinstalacji fotowoltaicznej, która ma przykładowo moc 4 kWp, zależnie od tego, czy instalacja ta współpracuje z pompą ciepła z automatyką optymalizującą temperaturę c.w.u., czy też z pompą ciepła bez takiej automatyki.

Połączenie z licznikiem energii
Algorytmy i inteligentne sterowanie na nic się jednak zdadzą, jeżeli licznik energii współpracujący z pompą ciepła nie będzie poprawnie wpięty w instalację elektryczną. Ideą omawianego rozwiązania jest bowiem pomiar nadwyżki energii z instalacji PV oraz wzbudzenie pompy ciepła w odpowiednim momencie do pracy. Jej załączenie nie może przy tym powodować zmiany energii elektrycznej widocznej na liczniku.

Falownik instalacji PV powinien zostać wpięty do rozdzielnicy w budynku poprzez licznik energii komunikujący się z pompą ciepła, a miejsce wpięcia powinno znajdować się pomiędzy ochronnikiem przeciwprzepięciowym a zabezpieczeniem różnicowo-prądowym. Pompa ciepła wyposażona we własne zabezpieczenia, w tym własny RCD, podłączona jest za licznikiem.

Na rys. 11 i 12 przedstawiono schematy okablowania falownika (1-fazowego i 3-fazowego) oraz pompy ciepła, z wykorzystaniem licznika energii elektrycznej komunikującego się z regulatorem pompy ciepła. Szczegółowe informacje i schematy przyłączenia liczników znajdują się w materiałach szkoleniowych Akademii Viessmann.

Źródła:
[1] Materiały Viessmann
[2] Solarstromeigenverbrauch optimieren Handbuch, 2017

Artykuł stanowi piątą część wznowionego na łamach „Polskiego Instalatora” cyklu „Warsztaty instalatora OZE” w zakresie instalacji fotowoltaicznych, szczególnie mikro- i małych instalacji. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy kolejne odcinki tego cyklu, poświęcone np. doborowi zabezpieczeń elektrycznych czy najważniejszym zasadom montażu paneli. Znajdzie się w nich wiele cennych i praktycznych wskazówek dla wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami.