Перспективы сочетания ФВТ с воздушными тепловыми насосами и грунтовыми тепловыми насосами

Введение

Под влиянием глобальной стратегии углеродной нейтральности энергетические системы зданий и промышленных предприятий стремительно развиваются в сторону чистоты и эффективности. Интеграция фотоэлектрических систем и солнечного тепла (PVT), воздушные тепловые насосы (ASHP) и геотермальные тепловые насосы (GSHP) постепенно стали типичными представителями этих технологий. Система PVT выполняет функции как генерации электроэнергии, так и отопления, в то время как различные типы тепловых насосов могут эффективно получать тепло окружающей среды из воздуха или грунта для отопления и охлаждения. Органичное сочетание PVT с воздушными и геотермальными тепловыми насосами позволяет создать комплексное энергетическое решение, интегрирующее электроэнергию, тепло и холод, что открывает новое направление в энергосбережении в зданиях и развитии распределенной энергетики.

I. Краткое описание принципов работы PVT и теплонасосных систем.

1. Система PVT

Система PVT (ФВТ) – это система, объединяющая фотоэлектрическую и солнечную тепловую энергию. Фотоэлектрическая часть преобразует энергию излучения в электрическую посредством солнечных элементов. Солнечная тепловая секция собирает остаточное тепло фотоэлектрических панелей через заднюю панель или трубопроводы для нагрева воды или воздуха. Система PVT не только повышает эффективность генерации энергии фотоэлектрическими модулями, но и обеспечивает дополнительную тепловую энергию.

2. Воздушный тепловой насос (ASHP)

АСГП переносит низкопотенциальное тепло из воздуха в воду или воздух через такие компоненты, как компрессоры, испарители и конденсаторы для нагрева или охлаждения. Его коэффициент полезного действия (КПД) обычно составляет от 2,5 до 4,5, что означает, что на каждую единицу потреблённой электроэнергии можно получить от 2,5 до 4,5 единиц тепловой энергии.

3. Геотермальный тепловой насос (ГТН)

GSHP использует относительно стабильную температуру подземных грунтов или водоёмов для тепло- и холодообмена. По сравнению с ASHP, GSHP меньше подвержен влиянию температуры окружающей среды и обладает более стабильной энергоэффективностью, но стоимость её установки выше.

II. Логика сочетания PVT и тепловых насосов

Сочетание PVT и тепловых насосов представляет собой не простую суперпозицию, а взаимодополняющее отношение:

PVT обеспечивает электроэнергией

Для работы тепловых насосов требуется электроэнергия. Электроэнергия, вырабатываемая PVT, может напрямую питать тепловой насос, тем самым снижая зависимость от электросети.

PVT обеспечивает низкотемпературный источник тепла

Эффективность теплового насоса тесно связана с температурой источника тепла. Использование отводимого тепла от задней пластины PVT в качестве вспомогательного источника тепла для испарителя повысит эффективность работы теплового насоса, особенно в холодное время года.

Тепловой насос работает стабильно.

Тепловой насос может продолжать работать ночью или в пасмурные дни, компенсируя колебания энергии, вызванные недостаточным солнечным излучением в ФВТ.

Комбинированное холодоснабжение и теплоснабжение

Благодаря комбинированной системе ФВТ и теплового насоса можно обеспечить комплексное снабжение электроэнергией, горячей водой, отоплением и охлаждением, удовлетворяя разнообразные энергетические потребности современных зданий.

III. Перспективы комбинирования PVT и воздушных тепловых насосов

Решить проблему снижения эффективности зимой

В условиях низких температур зимой испаритель ASHP подвержен обмерзанию, что значительно снижает его эффективность. Если тепло, выделяемое PVT в течение дня, позволяет предварительно прогреть испаритель, это может эффективно снизить частоту обмерзания и повысить эксплуатационную эффективность.

Подходит для городской архитектуры.

Городские здания, как правило, имеют ограниченную площадь кровли и высокое энергопотребление. Система PVT+ASHP может быть установлена ​​на крыше для выработки электроэнергии, отопления и горячего водоснабжения. Это экономичное решение, экономящее пространство.

Экономический анализ

Первоначальные инвестиции: относительно высокие, но ниже, чем у геотермальных тепловых насосов.

Эксплуатационные расходы: снижение затрат на покупку электроэнергии за счет самостоятельной генерации PVT.

Срок окупаемости: обычно составляет от 7 до 10 лет в регионах с высокими ценами на энергоносители.

Случай применения

В Италии, Испании и других местах некоторые отели внедрили системы ASHP на основе PVT, которые позволяют достичь самодостаточности в плане зеленой энергии как для охлаждения летом, так и для отопления зимой.

IV. Перспективы комбинирования PVT и геотермальных тепловых насосов

Повышение эффективности геотермальных тепловых насосов

ГТН потребляет электроэнергию. Использование ФТН позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы.

Отходящее тепло от ПВТ используется как вспомогательный источник тепла

Зимой температура под землей стабильна, но всё ещё относительно низкая. Если отходящее тепло, генерируемое PVT, будет передаваться под землю через теплообменные трубы, это может улучшить условия работы испарителя геотермального теплового насоса и повысить общий КПД.

Долгосрочная эксплуатационная надежность

GSHP отличается длительным сроком службы и стабильной работой. В сочетании с PVT он может создать эффективную, низкоуглеродную и долговечную систему, особенно подходящую для долгосрочно эксплуатируемых общественных зданий, таких как школы, больницы и промышленные парки.

Экономический анализ

Первоначальные инвестиции: выше, чем у ASHP, в основном из-за высоких затрат на бурение и прокладку труб.

Эксплуатационные расходы: самые низкие за счет стабильной температуры под землей и высокого коэффициента энергоэффективности.

Срок окупаемости: обычно 8–12 лет, но срок службы может достигать более 20 лет.

Сценарии применения

Сочетание PVT и GSHP больше подходит для холодных регионов, таких как Северная Европа и Германия, где потребности в отоплении и горячем водоснабжении могут удовлетворяться круглый год.

V. Технические и прикладные проблемы

Высокая первоначальная стоимость

Независимо от того, используется ли ASHP или GSHP, при сочетании с PVT сложность системы возрастает, а порог инвестиций остается относительно высоким.

Проблема с согласованием системы

Выходные характеристики генерации электроэнергии и отопления с помощью ФВТ не в полной мере соответствуют требованиям тепловых насосов, поэтому требуется их координация с интеллектуальным управлением и накоплением энергии.

Недостаточные стандарты и продвижение

В настоящее время отсутствуют единые стандарты для тепловых насосов PVT+, а опыт инженерного проектирования и строительства ограничен.

Низкая осведомленность пользователей

На рынке сложилось определенное понимание особенностей отдельных технологий PVT и тепловых насосов, однако комбинированная композитная система из этих двух систем пока неизвестна, и для ее продвижения необходимы демонстрационные проекты.

VI. Направления будущего развития

Интеллектуальная система управления

Благодаря искусственному интеллекту и Интернету вещей достигается соответствие выходной мощности PVT и нагрузки теплового насоса в режиме реального времени для оптимизации стратегий эксплуатации.

В сочетании с технологией хранения энергии

Накопление электроэнергии: накапливает электроэнергию в течение дня и приводит в действие тепловые насосы ночью.

Аккумулирование тепловой энергии: отходящее тепло, вырабатываемое PVT, хранится в резервуаре с водой или в материалах с изменяемой фазой для компенсации колебаний дня и ночи.

Модульная конструкция

В будущем PVT и тепловые насосы могут выпустить интегрированные продукты, что уменьшит сложность системной интеграции.

Политика продвижения

В рамках политики углеродной нейтральности ожидается, что правительство будет предлагать субсидии или кредиты на «зеленое» строительство для стимулирования их применения в государственных учреждениях и коммерческих зданиях.

VII. Заключение

Сочетание PVT с воздушными и геотермальными тепловыми насосами не только обеспечивает диверсифицированную взаимодополняемость различных видов энергии, но и значительно повышает эффективность её использования и снижает эксплуатационные расходы зданий. Этот тип комбинированной энергетической системы имеет широкие перспективы применения – от коммерческих зданий и государственных учреждений до промышленных парков. Хотя в настоящее время система PVT+ сталкивается с такими проблемами, как стоимость, соответствие стандартам и признание на рынке, благодаря технологическому прогрессу и политической поддержке, ожидается, что система PVT+ станет важной частью энергосистемы экологичных зданий в следующем десятилетии.