Повышение энергоэффективности путем присоединения к тепловым насосам гибридных фотоэлектрических термальных коллекторов
Обеспокоенность по поводу изменения климата подтолкнуло Европейский Союз и национальные правительства к принятию мер по снижению негативного влияния строительного сектора на глобальное потепление (EPBD Directive, RES Directive…). Следствием этих мер стало ограничение максимально допустимого потребления первичной энергии (кВтПЭ/м2) в новых или хорошо отремонтированных зданиях, и определение минимального количества возобновляемой энергии, которое следует использовать в этих домах.
Архитекторы и инженеры-строители должны решить проблему строительства эффективных зданий. Например, для Франции (Reglementation Thermique RT2012) целью будет снижение с 1 января 2013 года среднего количества потребляемой первичной энергии в каждом новом здании до 50 кВтПЭ/м2/год (на отопление, кондиционирование, ГВС, освещение и вспомогательные нужды), а потребление возобновляемой энергии в жилых зданиях должно быть не менее 5 кВтПЭ/м2/год.
В будущем эти правила станут более строгими, и уже обсуждается проект создания к 2020 году строений, вырабатывающих и поставляющих энергию (чистые здания или здания с положительной энергией). Для инженеров-строителей интересным решением проблемы может стать использование тепловых насосов и фотоэлектрических коллекторов (ФЭК). Сейчас эти устройства в основном устанавливают по-отдельности, и целью этого проекта будет создание эффективно действующей системы, использующей преимущества каждого из них. Это может решить проблему строительства новых эффективных зданий.
Основные задачи и описание проекта
Фотоэлектрический коллектор производит электричество и тепловую энергию, которая может быть использована для воздушного или водяного для обогрева здания. Комбинацию фотоэлектрического коллектора с воздушным солнечным коллектором обычно называют гибридным фотоэлектрическим термальным коллектором (ГФЭТК). Общеизвестно, что эффективность ФЭК уменьшается с повышением его рабочей температуры и с увеличением времени эксплуатации. Следовательно, охлаждение увеличит эффективность ФЭК. Коэффициент производительности теплового насоса в значительной мере зависит от температуры источника и температуры стока. Это особенно справедливо для воздушного теплового насоса. Можно значительно улучшить сезонный коэффициент производительности воздушного теплового насоса, объединив наружный блок с источником предварительно нагретого воздуха, помещенного в здание или рядом с ним. Такая система была сконструирована и установлена в демонстрационном здании.
Описание демонстрационного здания
Разработанный прототип был установлен в новое здание «La Petite Maison Z.E.N (PMZ)». Гостевой офис с нулевым потреблением энергии, объемом 116 м3, расположен в деревне Монтаголе, возле города Чамбери, Французкие Альпы.
Здание спроектировано так, чтобы иметь годовое потребление электроэнергии не более 50 кВт/м3. Чтобы достигнуть такого уровня производительности, конструкция здания и оборудования должна быть очень эффективной. Речь не идет о сложной архитектуре – здание компактно. С северной стороны, установлены тройные оконные стеклопакеты. С южной и восточной стороны, где расположены большие окна, пассивные солнечная энергия собирается окнами с двойным остеклением. Для уменьшения количества солнечной энергии летом, с южной стороны фасад оборудован карнизом. Конструкция здания состоит из деревянных рам шириной 145 мм. Здание изолированно 140 миллиметровыми древесными волокнами между рамами и 60 миллиметровыми древесными волокнами с внешней стороны для предотвращения тепловых потерь. Для уменьшения потерь через вентиляцию, была установлена механическая система, оснащенная теплообменником с эффективностью рекуперации 90. Фанкойл (вентиляторный доводчик), оснащенный вентиляторами с ЕС (electronically commutated) двигателями, используется как низкоинерционные эмиттеры для отопления и охлаждения.
Описание фотоэлектрического коллектора
Ориентированная на юг крыша, площадью 70 м2, полностью покрыта фотоэлектрическими модулями, разделенных на 2 части.
- тонкопленочные CIGS модули мощностью 7,2 кВт расположены на крыше
- прозрачные микроморфные модули мощностью 1 кВт вмонтированы в крышу патио.
Благодаря воздушному потоку, температура модуля редко превышает 60°C.
Описание системы и водяного контура
Окружающий воздух всасывается и циркулирует под ФЭ панелью благодаря вентиляторам, встроенным в установку кондиционирования воздуха. До того, как воздух оказывается за пределами здания, он проходит через спираль, где тепло поглощается и направляется через контур циркуляции в испаритель теплового насоса типа «вода-вода» (Рисунок 2).
Из вторичного контура теплового насоса, с помощью моторизированного трехходового клапана, тепло поступает либо в главный контур, либо в резервуар для ГВС. Главный контур состоит из большого резервуара, соединенного с резервуаром, который питает фанкойл, или в резервуар ГВС. Если температура извлеченного воздуха слишком высока, нагретый раствор направляется прямо в змеевик резервуара для ГВС в обход трехходового клапана теплового насоса. Система является реверсивной и может охлаждать воду летом.
Моделирование системы
Модели разных компонентов системы используются для создания модели здания.
Фотоэлектрический термальный коллектор (ФЭТК)
Количество произведенной фотоэлектрическим модулем энергии рассчитывается для однодиодной модели, предполагая, что коллектор подключен к электросети. В случае одного вентилируемого воздушного просвета, модель была разработана для вычисления тепловой эффективности фотоэлектрического термального коллектора. Эта модель предполагает стационарные условия и линейную проводимость теплопередачи перпендикулярно к поверхности коллектора.
Тепловой насос
Модель теплового насоса основана на стационарной опытной модели и предполагает его полную и частичную загрузку. Для определения и подтверждения более точных параметров модели теплового насоса, были проведены его испытания в устойчивом режиме на полувиртуальном испытательном стенде.
Резервуар для системы горячего водоснабжения
Модель соответствует типу 340 библиотеки TRNSYS (Система моделирования переходных состояний). В этом типе многослойный резервуар для горячей воды разделен на горизонтальные, термически однородные водяные слои.
Динамическое моделирование
Демонстрационное здание было смоделировано с помощью COMFIE – инструмента моделирования многозональных зданий: он позволяет оценить нагрузку на отопление и охлаждение, а также температурные профили разных зон. Инструмент моделирования позволяет получить почасовые значения, например, потребленной энергии и коэффициента производительности теплового насоса. Эти результаты, полученные в течение года, позволяют оценить эффективность системы в целом. Другие переменные (например, средняя температура в час или электрическая энергия, произведенная ФЭТК) также могут помочь оценить производительность системы в целом.
Система контроля
Система контроля направлена на сравнение цифровой модели с реальными измерениями, позволяя таким образом оценить производительность демонстрационной модели. Система контроля записывает информацию каждую минуту. К мониторируемой метеорологической информации, относятся температура окружающей среды и относительная влажность. Контролируется каждый компонент системы.
Сравнение результатов моделирования и результатов эксперимента в реальных условиях
На рисунке 3 сравниваются результаты моделирования и данные системы контроля – температуру воздуха на выходе ФЭТК в течение 3 дней первой недели ноября 2011 года. График показывает хорошее соответствие между данными, полученными с цифровой модели, и реальными измерениями. Можно заметить некоторые несоответствия в ночной период, обусловленный тем, что радиационный теплообмен между PV коллектором и небом не точно учитывался в ясную погоду. На рисунке 4 сравниваются результаты модели и экспериментальной установки с точки зрения коэффициента производительности теплового насоса за один день в феврале 2012 года (точнее с 12.00 до 16.00). График также показывает хорошее согласование между данными, полученными с цифровой модели, и реальными измерениями.
Моделирование годовой производительности
Было показано, что результаты моделирования системы очень близки к измерениям в реальных рабочих условиях. Это позволяет нам проверить систему в целом и смоделировать работу целой системы за год, включая расчет потребностей здания. Была смоделирована не только демонстрационная система, но и эталонная система, состоящая из теплового насоса типа «воздух-вода» и невентилированной крыши с фотоэлектрическими элементами, которая имеет такой же размер, как и в эталоне. Между тепловым насосом «воздух-вода» и крышей с ФЭ элементами нет связи, и нет резервуара для воды, как в эталонном варианте. Система отопления и конструкция здания одинаковы в обоих случаях. Использование такой комбинации оборудования приблизительно на 10% повышает производительность ФЭ элементов, снижает потребление энергии тепловым насосом приблизительно на 20% и повышает производительность системы на 10 % (смотри рисунок 5).
Выводы и перспективы
В демонстрационном здании была установлена система, представляющая собой комбинацию фотоэлектрического термального коллектора, расположенного на крыше, и теплового насоса. Эта система начала работать осенью 2011 года, c этого же времени проводиться мониторинг системы. Установленная система обеспечивает отопление, охлаждение и ГВС (с помощью теплового насоса или прямым солнечным нагреванием). Была создана модель системы, результаты моделирования показали преимущества такой комбинации устройств – повышение эффективности теплового насоса и количества произведенной ФЭК энергии, как и ожидалось в начале проекта. Результаты исследований показали, что система может быть улучшена (разработка вентиляционного блока, система контроля и т.д.). Планируются исследования и эксперименты для больших строений.
