Тепловой насос с солнечной поддержкой (SAHP) — это любая система, в которой солнечная энергия повышает эффективность теплового насоса: питает его испаритель в качестве источника тепла (PVT или неостекленные коллекторы), работает рядом с ним как параллельный генератор или приводит в действие его компрессор электроэнергией PV. Поскольку эффективность компрессора растет примерно на 2–3 % на каждый кельвин более теплого источника, подогрев источника солнцем напрямую повышает сезонную эффективность.
Как работает тепловой насос с солнечной поддержкой?
Эффективность теплового насоса во многом определяется разницей температур, которую он должен преодолеть между источником и потребителем. Тепловой насос с солнечной поддержкой воздействует на сторону источника: солнечные коллекторы — чаще всего неостекленные гибридные панели PVT или другие WISC-коллекторы — подают теплоноситель с температурой выше, чем у окружающего воздуха, поэтому испаритель работает при более благоприятной температуре, а компрессор тратит меньше энергии на единицу тепла. Практическое правило: COP улучшается примерно на 2–3 % на каждый кельвин более теплого источника, поэтому источник на 10 К выше холодного зимнего воздушного потока дает порядка четверти дополнительной эффективности. Task 44 программы IEA Solar Heating & Cooling установила стандартную классификацию таких систем на параллельные, последовательные и регенеративные концепции.
Каковы основные конфигурации SAHP?
| Конфигурация | Роль солнечной энергии | Типичное оборудование |
|---|---|---|
| Параллельная | Солнце греет накопитель напрямую; тепловой насос покрывает остальное | Остекленные коллекторы + тепловой насос «воздух-вода» |
| Последовательная (солнечный источник) | Коллекторы питают испаритель теплового насоса | Неостекленные PVT или WISC + тепловой насос «рассол-вода» |
| С двумя источниками | Блок переключается или смешивает воздушный и солнечный источники | PVT + воздушный теплообменник с переключающими клапанами |
| Регенеративная | Солнце восстанавливает тепло грунтового источника | Коллекторы + скважина / грунтовый контур |
| С поддержкой PV | Электроэнергия PV приводит в действие компрессор | Поле PV + любой тепловой насос, часто SG Ready |
Параллельные системы — самые простые и остаются распространенными для ГВС. Последовательные системы — технически самое характерное семейство: при PVT в качестве единственного источника наружный вентиляторный блок исчезает полностью — поле бесшумно, не имеет вентилятора оттайки, а PV-часть, охлаждаемая контуром испарителя, одновременно вырабатывает электроэнергию. Полный разбор архитектуры — в материале Что такое тепловой насос с солнечной поддержкой?
Зачем использовать PVT-панели в качестве источника для теплового насоса?
Три причины. Во-первых, эффективность: тепловая часть PVT-панели улавливает солнечную радиацию, тепло окружающего воздуха и выигрыш от конденсации, поднимая температуру источника выше обычного наружного воздуха большую часть года — этот механизм описан в материале Как PVT-панель питает тепловой насос? Во-вторых, размещение: без наружного блока нет шума вентилятора и нет видимого короба на стене, что снимает реальные ограничения по разрешениям и отношениям с соседями в плотной застройке. В-третьих, электрический бонус: охлаждение испарителем удерживает температуру PV-элементов ниже, чем у неохлаждаемых модулей, а более холодные элементы лучше преобразуют солнечный свет. Solimpeks производит коллекторы PV-T с 2008 года, а также предлагает тепловой насос с солнечной поддержкой и MPPT, работающий непосредственно на энергии PV.
Какую эффективность можно ожидать от SAHP?
Это зависит от конфигурации и климата, поэтому опубликованные результаты полевых испытаний охватывают широкий диапазон, а не одно число. Полевые и расчетные исследования Task 44 IEA SHC показали, что системы с солнечным источником и параллельные системы превосходят свои эталонные варианты на воздушном источнике в климатах Центральной Европы, причем преимущество наибольшее там, где зимы солнечные и холодные. Исход решают практические вопросы проектирования: площадь коллекторов на кВт нагрузки испарителя, наличие резервного источника на долгие темные холодные периоды и стратегия управления, определяющая, когда солнечное тепло идет в накопитель напрямую, а когда — через тепловой насос. Может ли одно поле коллекторов обеспечивать дом теплом всю зиму, рассмотрено в материале Могут ли PVT-панели быть единственным источником тепла для теплового насоса?
Оправдан ли SAHP по сравнению с раздельными солнечной системой и тепловым насосом?
Когда интеграция решает реальное ограничение — наружный блок запрещен, ограниченная площадь крыши, на которой нужны и электроэнергия, и тепло, или грунтовый контур, нуждающийся в регенерации, — комбинированная система оправдывает дополнительную сложность проектирования. Там, где ни одно из этих ограничений не действует, правильно подобранный обычный тепловой насос плюс отдельные солнечные коллекторы могут оказаться более простым вложением. Честное сравнение, включая затраты, разобрано в материале Оправдана ли гибридная система солнечных панелей и теплового насоса?
Часто задаваемые вопросы
Чем отличаются последовательные и параллельные тепловые насосы с солнечной поддержкой?
В параллельной системе солнечные коллекторы и тепловой насос независимо нагревают бак-накопитель. В последовательной системе коллекторы питают испаритель теплового насоса как источник тепла, повышая температуру источника и, следовательно, COP. Последовательные системы обычно используют неостекленные PVT- или WISC-коллекторы.
Может ли тепловой насос с солнечной поддержкой работать ночью и зимой?
Да. Неостекленные коллекторы продолжают поглощать тепло окружающего воздуха и конденсации даже без солнца, поэтому испаритель получает энергию и ночью. Зимой источник холоднее, а мощность падает, поэтому важны подбор мощности и — в суровом климате — стратегия резервирования.
Нужен ли тепловому насосу с источником PVT наружный вентиляторный блок?
Нет — это одно из его главных достоинств. Поле коллекторов заменяет наружный блок с вентиляторным теплообменником, поэтому система снаружи практически бесшумна и не имеет вентилятора оттайки. Сам тепловой насос — блок «рассол-вода», устанавливаемый внутри здания.
Является ли тепловой насос, работающий на электроэнергии PV, тепловым насосом с солнечной поддержкой?
В широком смысле да — работа с поддержкой PV относится к признанным категориям SAHP. Она снижает эксплуатационные расходы и повышает собственное потребление, но не улучшает сам термодинамический цикл; управление SG Ready позволяет PV-системе сообщать тепловому насосу, когда включаться.