实际运行监控

PVT热泵系统在单户住宅中的应用

IntegraTE计划伴随着快速增长的PVT行业，并研究了PVT热泵系统在实际条件下的可靠性和性能。对五栋单户住宅的多年监测产生了宝贵的见解。

1 - 调查的单户住宅一目了然。该项目的简介显示了房屋供暖技术和供暖分配系统（地暖或散热器）。该编号与可公开访问的监控门户中的系统编号相对应。房屋 1 的结果是阴影的，因为燃气锅炉与热泵平行安装，因此热泵更有可能通过优惠调节在有利的天气条件下运行。图片来源： IntegraTE

作者：Bärbel Epp，Solrico，Bielefeld，IntegraTE项目合伙人

光伏热能 （PVT） 收集器被认为是盐水热泵的替代热源。它们从太阳能和环境热量中产生电力和热量，并将其提供给热泵，从而提高其效率和 CO2资产负债表。在这一年中，这种组合的PVT集热器产生的总能量是相同面积的光伏系统的四倍。

为了提高建筑行业对这种组合的认识，联邦经济事务和能源部自 2019 年底以来一直在为 IntegraTE 计划提供资金。弗莱堡的弗劳恩霍夫ISE公司、斯图加特大学建筑能量学、热技术和储能研究所（IGTE）以及哈梅林太阳能研究所（ISFH）的三个科学合作伙伴正在起步。与此同时，来自德国和邻国的16家系统供应商也加入了该倡议。

IntegraTE的一项核心活动是在实际条件下测量PVT热泵系统。IntegraTE的工业合作伙伴能够提出配备广泛测量技术的示范房屋。现在已经对来自各种系统供应商的第一批具有投资概念的单户住宅进行了为期两年的调查（图1）。监测数据 http://pvt-energie.de IntegraTE网站上公开提供。

评估系统的核心参数是年度绩效系数（JAZ）。它的定义是每年为加热和热水提供的热量与热泵（压缩机、加热元件和控制系统）、热源回路中的控制和泵送所需的电能有关。

Fraunhofer ISE的IntegraTE项目经理Korbinian Kramer说：“我们没有将房屋的储热考虑在年度性能系数的系统限制中，因此不同的供热系统对运行结果的影响不大，我们实现了更大的可比性。此外，图1显示了纯粹用于加热操作的JAZ。在这里，不扣除直接用于操作热泵的 PVT 集热器的太阳能份额。

Altenbuch（5号房屋）的新单户住宅建筑表现最好，JAZ为4.2。在这里，PVT收集器与花园中的三个地下篮子一起为热泵提供热量。在两个测量年中，JAZ分别为3.3和3.4，瑞典的大型翻新单户住宅（房屋3）也取得了令人满意的效率。项目经理强调，新旧建筑的所有演示系统在前两年都非常稳定。由于与开展工作的专业公司的沟通，还可以在能源效率方面优化一些系统。

以新建筑（4号房屋）和旧建筑（3号房屋）为例，更详细地检查了两家工厂的运营结果。

Harsefeld 住宅楼：PVT、光伏和太阳能热泵

位于下萨克森州哈斯菲尔德的新住宅楼（4号房屋）将完全由调制6 kW的PVT集热器供电Th-太阳能热泵加热。屋顶旁边是16米2PVT 场，功率为 3.6 kW艾尔1.8 kW 光伏系统艾尔安装。

一家四口，190米2可以期待低供暖成本，因为监测证实了远高于 3 的年度性能系数。该余额包括 7 kW 电加热元件的电力需求，根据 2022 年的月度资产负债表，该电加热元件很少启动（见图 2）。2022 年，Harsefeld 的供暖系统总共需要 2,566 kWh 的电力。其中，79%用于热泵，13%用于泵和控制系统作为辅助电力，8%用于加热元件。

2 - 房屋 4 的每月能源平衡 – 位于下萨克森州哈斯费尔德的一栋新建的单户住宅，其热泵仅从 PVT 集热器场吸收热量，并由电加热元件熔化作为额外供暖。图片来源： IntegraTE

Kramer 总结说，在运行中，以 PVT 集热器作为热泵唯一热源的 PVT 热泵加热系统实现了与具有 PVT 和地面集热器的系统相似的效率，因此加热元件当然比地面集热器便宜得多。

图 2 显示，供暖系统的效率（以热泵的月度性能系数表示）在一年中波动。很明显，夏季生活热水的高温往往是由热泵产生的，其效率低于主导秋冬季热平衡的中等加热温度。

在监测过程中，还记录了PVT集热器太阳能电路中的温度。因季节而异。在1月和2月，PVT收集器在该月的能量加权初始温度分别为1.7 °C和0.4 °C。 每天，PVT收集器在冬季的膨胀温度低至-12°C。 屋顶的太阳能电路电缆必须在建筑围护结构内保持良好的绝缘，以防止形成冷凝水。

另一方面，在 7 月和 8 月，屋顶的平均气温分别为 18.4 °C 和 19 °C。热泵必须针对这些宽范围的源温度进行设计。因此，PVT热泵系统必须始终是一个协调良好的整体系统，Kramer说。

如果减去与热泵运行同时产生的太阳能份额，年度性能系数将如何增加？根据监测，在电池的帮助下，来自PVT集热器和额外安装的光伏组件的电力覆盖了哈斯菲尔德单户住宅中热泵和加热元件年电力需求的33%。因此，根据这种自我消耗调整后的年度绩效系数从3.9增加到5.9。

来自示范房屋的监测数据显示，在没有电池的情况下，在合理尺寸的系统中，大约10%至30%的光伏电力直接用于供暖目的。安装太阳能电池后，此覆盖率增加到 25% 至 40%。

瑞典的独栋别墅：PVT和地热热泵

对于监测的附件 3，瑞典的一栋大型翻新单户住宅，长 340 米2有必要采取行动：地热探头——作为盐水热泵的唯一热源运行多年——已经大大冷却了地面。地热探头周围形成冷漏斗，探头的产热率不断降低。

2020年安装的PVT系统面积为31米2功率为 19 kW艾尔一次完成三项任务。它直接向盐水热泵供电和供热（图 3 中 x 轴上方的黄色柱形部分）。夏季多余的热量也可以输入地热探头，使那里的土壤再生。图 3 显示了效果良好的事实。特别是在 5 月至 9 月期间，PVT 系统将很大一部分热量输送到地面（x 轴下方的橙棕色柱子）。热量的月平衡也显示出一个有趣的效果，即即使在夏季，当没有直接来自PVT收集器的热量时，热泵也会进入地面（X轴上方的棕色条形部分）。

3 - 房屋中 11 kWth 的盐水热泵热源的每月热平衡 3 - 瑞典一栋经过翻新的独立式住宅，拥有 340 m2 的供暖生活空间。来自 PVT 系统和地面的热量直接流向热泵，以正向显示（x 轴上方）。通过探头送入地面的多余PVT热量出现在x轴下方。图片来源： IntegraTE

关于满足瑞典住宅楼供暖和热水热需求的总体平衡：热泵的25%的热量直接来自PVT集热器场，75%由地热探头提供。来自地热探头的76%的源热最初来自PVT系统。“这个示范房表明，用PVT收集器场来补充旧建筑中现有的地热探测场是非常有帮助的，因为这样地热源可以保持多年的效率，而不必扩大，”克莱默总结道。

以瑞典的单户住宅为例，测量技术显示，一年中21%（1,427千瓦时）的热泵电力需求直接由PVT电力覆盖。这里没有太阳能电池。如果考虑到这一影响，2022 年的年度绩效系数将从 3.4 增加到 4.3。

在较高的加热回路温度下，年性能因数会降低

图 4 将之前监测项目中不带 PVT 的热泵系统的现场测试结果与新的 IntegaTE 演示房的结果相结合。每个蓝点代表空气源热泵，每个棕点代表盐水热泵——在所有现有的单户住宅中。所调查的五个 IntegraTE 系统的黑点大致介于空气和盐水热泵的效率之间。“这是一个令人欣喜的结果，因为PVT热泵系统仍然是一种更年轻、更不成熟的建筑技术，这当然仍然有很大的改进潜力，”克莱默解释说。

4 - 2019 年测量的有和没有 PVT 的现有单户住宅热泵系统的年度性能系数。蓝点代表空气源热泵，棕色圆点代表盐水热泵。两者都是WP smart im Bestand项目的一部分。黑点显示了 IntegraTE 调查的五栋住宅楼，其中包含 2022 年的数据。 图片：： IntegraTE

尽管图 4 显示热泵的年性能系数取决于供暖回路和热水回路中的温度，但在旧建筑中可以实现良好的效率值。“根据我们的研究结果，PVT热泵系统也非常适合在装修中使用，”克莱默总结道。