實際運作監控
PVT熱泵系統在單戶住宅中的應用
IntegraTE計劃伴随着快速增長的PVT行業，并研究了PVT熱泵系統在實際條件下的可靠性和性能。對五棟單戶住宅的多年監測産生了寶貴的見解。
1 - 調查的單戶住宅一目了然。該項目的簡介顯示了房屋供暖技術和供暖配置設定系統（地暖或散熱器）。該編号與可公開通路的監控門戶中的系統編号相對應。房屋 1 的結果是陰影的，因為瓦斯鍋爐與熱泵平行安裝，是以熱泵更有可能通過優惠調節在有利的天氣條件下運作。圖檔來源： IntegraTE
作者：Bärbel Epp，Solrico，Bielefeld，IntegraTE項目合夥人
光伏熱能 （PVT） 收集器被認為是鹽水熱泵的替代熱源。它們從太陽能和環境熱量中産生電力和熱量，并将其提供給熱泵，進而提高其效率和 CO2資産負債表。在這一年中，這種組合的PVT集熱器産生的總能量是相同面積的光伏系統的四倍。
為了提高建築行業對這種組合的認識，聯邦經濟事務和能源部自 2019 年底以來一直在為 IntegraTE 計劃提供資金。弗萊堡的弗勞恩霍夫ISE公司、斯圖加特大學建築能量學、熱技術和儲能研究所（IGTE）以及哈梅林太陽能研究所（ISFH）的三個科學合作夥伴正在起步。與此同時，來自德國和鄰國的16家系統供應商也加入了該倡議。
IntegraTE的一項核心活動是在實際條件下測量PVT熱泵系統。IntegraTE的工業合作夥伴能夠提出配備廣泛測量技術的示範房屋。現在已經對來自各種系統供應商的第一批具有投資概念的單戶住宅進行了為期兩年的調查（圖1）。監測資料 http://pvt-energie.de IntegraTE網站上公開提供。
評估系統的核心參數是年度績效系數（JAZ）。它的定義是每年為加熱和熱水提供的熱量與熱泵（壓縮機、加熱元件和控制系統）、熱源回路中的控制和泵送所需的電能有關。
Fraunhofer ISE的IntegraTE項目經理Korbinian Kramer說：“我們沒有将房屋的儲熱考慮在年度性能系數的系統限制中，是以不同的供熱系統對運作結果的影響不大，我們實作了更大的可比性。此外，圖1顯示了純粹用于加熱操作的JAZ。在這裡，不扣除直接用于操作熱泵的 PVT 集熱器的太陽能份額。
Altenbuch（5号房屋）的新單戶住宅建築表現最好，JAZ為4.2。在這裡，PVT收集器與花園中的三個地下籃子一起為熱泵提供熱量。在兩個測量年中，JAZ分别為3.3和3.4，瑞典的大型翻新單戶住宅（房屋3）也取得了令人滿意的效率。項目經理強調，新舊建築的所有示範系統在前兩年都非常穩定。由于與開展工作的專業公司的溝通，還可以在能源效率方面優化一些系統。
以建立築（4号房屋）和舊建築（3号房屋）為例，更詳細地檢查了兩家工廠的營運結果。
Harsefeld 住宅樓：PVT、光伏和太陽能熱泵
位于下薩克森州哈斯菲爾德的新住宅樓（4号房屋）将完全由調制6 kW的PVT集熱器供電Th-太陽能熱泵加熱。屋頂旁邊是16米2PVT 場，功率為 3.6 kW艾爾1.8 kW 光伏系統艾爾安裝。
一家四口，190米2可以期待低供暖成本，因為監測證明了遠高于 3 的年度性能系數。該餘額包括 7 kW 電加熱元件的電力需求，根據 2022 年的月度資産負債表，該電加熱元件很少啟動（見圖 2）。2022 年，Harsefeld 的供暖系統總共需要 2,566 kWh 的電力。其中，79%用于熱泵，13%用于泵和控制系統作為輔助電力，8%用于加熱元件。
2 - 房屋 4 的每月能源平衡 – 位于下薩克森州哈斯費爾德的一棟建立的單戶住宅，其熱泵僅從 PVT 集熱器場吸收熱量，并由電加熱元件熔化作為額外供暖。圖檔來源： IntegraTE
Kramer 總結說，在運作中，以 PVT 集熱器作為熱泵唯一熱源的 PVT 熱泵加熱系統實作了與具有 PVT 和地面集熱器的系統相似的效率，是以加熱元件當然比地面集熱器便宜得多。
圖 2 顯示，供暖系統的效率（以熱泵的月度性能系數表示）在一年中波動。很明顯，夏季生活熱水的高溫往往是由熱泵産生的，其效率低于主導秋冬季熱平衡的中等加熱溫度。
在監測過程中，還記錄了PVT集熱器太陽能電路中的溫度。因季節而異。在1月和2月，PVT收集器在該月的能量權重初始溫度分别為1.7 °C和0.4 °C。 每天，PVT收集器在冬季的膨脹溫度低至-12°C。 屋頂的太陽能電路電纜必須在建築圍護結構内保持良好的絕緣，以防止形成冷凝水。
另一方面，在 7 月和 8 月，屋頂的平均氣溫分别為 18.4 °C 和 19 °C。熱泵必須針對這些寬範圍的源溫度進行設計。是以，PVT熱泵系統必須始終是一個協調良好的整體系統，Kramer說。
如果減去與熱泵運作同時産生的太陽能份額，年度性能系數将如何增加？根據監測，在電池的幫助下，來自PVT集熱器和額外安裝的光伏元件的電力覆寫了哈斯菲爾德單戶住宅中熱泵和加熱元件年電力需求的33%。是以，根據這種自我消耗調整後的年度績效系數從3.9增加到5.9。
來自示範房屋的監測資料顯示，在沒有電池的情況下，在合理尺寸的系統中，大約10%至30%的光伏電力直接用于供暖目的。安裝太陽能電池後，此覆寫率增加到 25% 至 40%。
瑞典的獨棟别墅：PVT和地熱熱泵
對于監測的附件 3，瑞典的一棟大型翻新單戶住宅，長 340 米2有必要采取行動：地熱探頭——作為鹽水熱泵的唯一熱源運作多年——已經大大冷卻了地面。地熱探頭周圍形成冷漏鬥，探頭的産熱率不斷降低。
2020年安裝的PVT系統面積為31米2功率為 19 kW艾爾一次完成三項任務。它直接向鹽水熱泵供電和供熱（圖 3 中 x 軸上方的黃色柱形部分）。夏季多餘的熱量也可以輸入地熱探頭，使那裡的土壤再生。圖 3 顯示了效果良好的事實。特别是在 5 月至 9 月期間，PVT 系統将很大一部分熱量輸送到地面（x 軸下方的橙棕色柱子）。熱量的月平衡也顯示出一個有趣的效果，即即使在夏季，當沒有直接來自PVT收集器的熱量時，熱泵也會進入地面（X軸上方的棕色條形部分）。
3 - 房屋中 11 kWth 的鹽水熱泵熱源的每月熱平衡 3 - 瑞典一棟經過翻新的獨立式住宅，擁有 340 m2 的供暖生活空間。來自 PVT 系統和地面的熱量直接流向熱泵，以正向顯示（x 軸上方）。通過探頭送入地面的多餘PVT熱量出現在x軸下方。圖檔來源： IntegraTE
關于滿足瑞典住宅樓供暖和熱水熱需求的總體平衡：熱泵的25%的熱量直接來自PVT集熱器場，75%由地熱探頭提供。來自地熱探頭的76%的源熱最初來自PVT系統。“這個示範房表明，用PVT收集器場來補充舊建築中現有的地熱探測場是非常有幫助的，因為這樣地熱源可以保持多年的效率，而不必擴大，”克萊默總結道。
以瑞典的單戶住宅為例，測量技術顯示，一年中21%（1,427千瓦時）的熱泵電力需求直接由PVT電力覆寫。這裡沒有太陽能電池。如果考慮到這一影響，2022 年的年度績效系數将從 3.4 增加到 4.3。
在較高的加熱回路溫度下，年性能因數會降低
圖 4 将之前監測項目中不帶 PVT 的熱泵系統的現場測試結果與新的 IntegaTE 示範房的結果相結合。每個藍點代表空氣源熱泵，每個棕點代表鹽水熱泵——在所有現有的單戶住宅中。所調查的五個 IntegraTE 系統的黑點大緻介于空氣和鹽水熱泵的效率之間。“這是一個令人欣喜的結果，因為PVT熱泵系統仍然是一種更年輕、更不成熟的建築技術，這當然仍然有很大的改進潛力，”克萊默解釋說。
4 - 2019 年測量的有和沒有 PVT 的現有單戶住宅熱泵系統的年度性能系數。藍點代表空氣源熱泵，棕色圓點代表鹽水熱泵。兩者都是WP smart im Bestand項目的一部分。黑點顯示了 IntegraTE 調查的五棟住宅樓，其中包含 2022 年的資料。 圖檔：： IntegraTE
盡管圖 4 顯示熱泵的年性能系數取決于供暖回路和熱水回路中的溫度，但在舊建築中可以實作良好的效率值。“根據我們的研究結果，PVT熱泵系統也非常适合在裝修中使用，”克萊默總結道。