Potencjał energetyczny gruntowych pomp ciepła wspomaganych energią z kolektorów słonecznych stosowanych we francuskich budynkach biurowych

W artykule opisano konfigurację systemu gruntowych pomp ciepła wspomaganych energią słoneczną (Solar Assisted Ground-Source Heat Pump SA-GSHP). System SA-GSHP został opracowany i wdrożony w eksperymentalnej platformie testowej w EDF R&D. W proponowanej konfiguracji zastosowano tanie nieoszklone kolektory słoneczne. Celem jest dostarczenie energii oraz obniżenie kosztów inwestycyjnych, które stanowią główną barierę dla szerszego stosowania systemów GSHP, zwłaszcza we Francji. Wyniki eksperymentalne są wykorzystywane do sprawdzenia poprawności komponentu stworzonego w programie symulacyjnym TRNSYS. Model jest wykorzystywany do oceny potencjału proponowanych konfiguracji SA-GSHP we francuskich budynkach biurowych. Wyniki symulacji uzyskane dla badanej konfiguracji w przypadku ogrzewania pokazują, że można zredukować o 30% długość poziomego gruntowego wymiennika ciepła oraz o 20% zredukować koszty inwestycyjne takiego rozwiązania.

Potential of solar assisted ground source heat pumps with unglazed solar collectors for French office
buildings

This paper presents a system configuration for a Solar Assisted Ground-Source Heat Pump (SA-GSHP) system that was developer and implemented in an experimental test platform at EDF R&D. The proposed configuration uses low-cost unglazed solar collectors and is intended to deliver a significant reduction in capital costs, which represent the main barrier to a wider adoption of GSHP systems, particularly in France. Experimental results are used to validate component models in the TRNSYS simulation program. The model is then to assess the potential of the proposed SA GSHP configuration in French Office buildings. Simulation results obtained for a heating-only application show that this configuration can lead to a 30% reduction of ground heat exchanger length and a 20% reduction of capital costs.

Mimo udowodnionych korzyści w zakresie wydajności energetycznej i skojarzenia odnawialnych źródeł energii w budynku, gruntowe pompy ciepła (GSHP) mają ograniczoną możliwość wejścia na rynek Francji. Główną barierą szerszego wdrażania tej technologii są wyższe koszty inwestycyjne w porównaniu z konkurencyjnymi technologiami. Głównym kosztem inwestycyjnym jest koszt samego gruntowego wymiennika ciepła (GWC), który stanowi około 50% całkowitych kosztów w typowych systemach. Wymagany rozmiar GWC, a więc związane z tym koszty inwestycyjne, zależą od wartości obciążenia cieplnego gruntu, czyli jednostkowej ilości energii cieplnej, odniesionej do 1 m2 gruntu, która może być pobierana z lub oddawana, w cyklu chłodzenia pomieszczeń, do gruntu przez pompę ciepła. Maksymalne, jednostkowe obciążenie gruntu jest ważnym czynnikiem wymaganej długości wężownicy GWC, ale istotną rolę odgrywa także maksymalna miesięczna ilość energii cieplnej możliwej do pozyskania oraz roczna średnia wartość jednostkowego obciążenia gruntu. W budynku, w którym zapotrzebowanie na energię do ogrzewania jest dominujące (lub system zaspokaja tylko potrzeby związane z ogrzewaniem), strumień ciepła pobieranego z gruntu będzie charakteryzował się dużą zmiennością roczną. (...)

(...) Gruntowa pompa ciepła w połączeniu z nieoszklonymi kolektorami słonecznymi
Proponowana konfiguracja systemu SA-GSHP zakłada wykorzystanie nieprzeszklonych kolektorów słonecznych jako dodatkowego źródła ciepła dla pompy ciepła z wymiennikiem gruntowym (GWC) z wtórnym obiegiem wodnego roztworu glikolu. Panele słoneczne połączono szeregowo z obiegiem GWC, mogą być stosowane zarówno jako uzupełnienie energii cieplnej gruntu, gdy pompa ciepła pracuje lub do zakumulowania energii cieplnej w gruncie, gdy pompa ciepła jest wyłączona. Zastosowane kolektory słoneczne są to elastyczne moduły (nie osłonięte absorbery) połączone plastikowymi rurami i ułożone na dachu płaskim lub o niewielkim skosie. Zaletą tych kolektorów w analizowanym układzie jest ich niski koszt – są 8 razy tańsze niż typowe oszklone kolektory, niewielki ciężar – ich waga bez wypełnienia czynnikiem roboczym wynosi zaledwie 5 kg/m2, są łatwe w montażu, mają zdolność działania jako wymiennik ciepła woda-powietrze przy relatywnie niskiej temperaturze powietrza zewnętrznego i niskim poziomie promieniowania słonecznego. W tej konfiguracji te kolektory słoneczne są podłączone od strony źródła dolnego (wymiennika gruntowego) pompy ciepła poprzez zawór trójdrogowy,
jak pokazano na rysunku 1.

Stan pracy zaworu zależy od dwóch wartości temperatur, na wylocie z GWC (T_{gwc_out}) i na wylocie kolektora słonecznego (T_{ung_out}). Gdy pompa ciepła pracuje w trybie ogrzewania, stan pracy zaworu jest regulowany w następujący sposób:

jeśli Tg_{wc_out} > T_{ung_out} wówczas kolektory słoneczne są odcięte od obiegu pompy ciepła i nie dostarczają ciepła. Przepływ czynnika roboczego przez kolektor słoneczny ustaje a pracuje jedynie obieg GWC – pompa ciepła – układ grzewczy;
jeśli T_{gwc_out} < T_{ung_out} wtedy czynnik roboczy wychodzący z GWC jest kierowany przez zawór trójdrożny do kolektorów słonecznych, gdzie następuje dogrzew czynnika a następnie jest on kierowany do parowacza HP. Przepływ czynnika roboczego jest wymuszany, tak w obiegu GWC jak również w obiegu kolektorów słonecznych przez pompę cyrkulacyjną zainstalowaną w pompie ciepła.(...)

Autor: Odile Cauret, Michaël Kummert
Tłumaczenie – mgr inż. Joanna RUCIŃSKA

Całość dostępna w papierowym wydaniu miesięcznika "Energia i Budynek".