Solar PV/Thermal Collectors for Cold-Climate Heat Pumps

Abstract

Att uppnå klimatmålen kommer att kräva att värmepumpar installeras i en takt som är tio gånger högre än idag. Detta kräver fler installationer på befintliga marknader och att värmepumparnas potential frigörs där användningen begränsas av sociala, tekniska eller ekonomiska hinder. Konventionella värmepumpslösningar, såsom bergvärmesystem, kan begränsas av tillgång till mark och höga investeringar, medan luftvärmepumpar kan möta bullerrelaterade eller estetiska begränsningar och uppvisa lägre prestanda vid låga utomhustemperaturer. I detta sammanhang är photovoltaic-thermal (PVT) kollektorer av särskilt intresse, eftersom de kan producera både el och värme från samma yta och integreras antingen som kompletterande och regenererande stöd till bergvärmepumpar, eller som den enda värmekällan.

Denna doktorsavhandling undersöker hur PVT-kollektordesigner integreras med värmepumpar under nordiska klimatförhållanden, med fokus på flerbostadshus där borrning av energibrunnar är begränsad eller inte möjlig. Arbetet kombinerar numerisk modellering, utomhusexperiment, dynamisk systemmodellering och teknoekonomisk analys för att besvara fyra frågor: i) vilka designparametrar som styr kollektorprestanda vid låga temperaturer, ii) experimentell jämförelse av olika PVT-koncept, iii) utformning av PVT+bergvärmesystem under begränsad borrhålskapacitet, och iv) teknoekonomisk genomförbarhet för värmepumpar med PVT som värmekälla.

Resultaten på komponentnivå visar att PVT-prestanda vid låg temperatur främst styrs av den termiska kontaktytan mellan PV-modulen, värmebäraren och omgivande luft. Designer med begränsad kontaktyta och utan utökade värmeöverförande ytor uppvisar liknande prestanda trots skillnader i material, medan baksidesflänsar ökar värmeupptaget från omgivningsluften, vilket leder till 2–3 gånger högre värmeövergångskoefficienter än standardkollektorer.

På systemnivå beror PVT-fältets roll på dess funktion i värmepumpssystemet. I PVT-assisterade bergvärmesystem med reducerad borrhålskapacitet är flödeshastighet och kollektorarea de designvariabler som har störst påverkan på den teknoekonomiska prestandan. Kostnadsoptimum uppnås vid kollektorfält på omkring 0.7–1.2 m² per kWth värmepumpskapacitet och flödeshastigheter på omkring 60–80 l/h-m². Skillnader mellan kollektordesigner är mindre viktiga; även om flänsförsedda kollektorer ökar den årliga termiska produktionen med 20–30 %, motsvarar detta mindre än 3 % skillnad i årsvärmefaktor på systemnivå. För de undersökta elprisscenarierna uppnår det optimerade PVT+bergvärmesystemet lägre livscykelkostnader än fjärrvärme, luftvärmepumpar och solceller+bergvärme.

För värmepumpssystem där PVT används som enda värmekälla förändras designlogiken i grunden eftersom kollektorfältet måste leverera tillräcklig momentan termisk effekt utan markens buffrande effekt. Kollektordesignen blir därför viktigare, och flänsförsedda koncept presterar bättre än koncept utan flänsar genom att upprätthålla högre källtemperaturer och minska behovet av tillsatsvärme. Under omkring 2.5 m²/kWth överstiger andelen tillsatsvärme 40 % och årsvärmefaktorn (SPF4+) ligger under 1.8. Vid omkring 3.5 m²/kWth sjunker andelen tillsatsvärme till under 30 % och SPF4+ når cirka 2.3–2.4. Resultaten bekräftar att värmepumpar med PVT som värmekälla är tekniskt genomförbara i kalla klimat, där de bäst presterande konfigurationerna uppnår TLCC-värden på cirka 515–530 k€. Även om de därmed utgör ett billigare alternativ än fjärrvärme, ligger de fortfarande över referenssystemen med luftvärmepump, solceller+bergvärme och PVT+bergvärme.

Sammantaget etablerar avhandlingen en teknoekonomisk designlogik för oglasade PVT-kollektorer som lågtemperaturvärmekällor för värmepumpar i kalla klimat. Den visar att PVT kan möjliggöra eller stärka värmepumpslösningar under borrningsbegränsningar, och att föredragen kollektordesign beror på om PVT stödjer ett bergvärmesystem eller fungerar som enda värmekälla. Resultaten ger praktisk vägledning för kollektortillverkare, systemdesigners, fastighetsägare och beslutsfattare inom elektrifiering av uppvärmning i täta urbana områden.

Link to DiVA