Международен изследователски екип разработи и тества хибридна енергийна система, която комбинира фотоволтаично-термални колектори, подземно съхранение на топлинна енергия и термопомпа с двоен източник, за да осигури нисковъглеродно отопление за животновъдни сгради.
Пълномащабният прототип, демонстриран в свинеферма в Италия, показа висока ефективност, силна сезонна производителност и намалена зависимост от изкопаеми горива, като същевременно позволява частично самозадоволяване с електричество и топлина.
Учените са интегрирали фотоволтаично-термални (PVT) колектори, подземно съхранение на топлинна енергия (BTES) и термопомпа с двоен източник (DSHP) в една цалостна хибридна енергийна система, предназначена да осигурява отопление и ток за животновъдни сгради.
Концепцията комбинира три допълващи се технологии за подобряване на общата ефективност и намаляване на зависимостта от конвенционалното отопление с изкопаеми горива.
„Интегрираната система позволява да се осигури отопление на животновъдните сгради, като почти напълно елиминира електрическото потребление“, каза водещият автор на изследването Франческо Тинти.
„PVT осигурява електрическа енергия, но също така и топлинна енергия за съхранение в BTES; BTES позволява възстановяване на топлинна енергия от под земята; а DSHP използва подземната енергия, но също така, за да не се изчерпи BTES, въздушния източник, когато е необходимо“, допълва той.
Анализът показва, че електрическата енергия, консумирана от термопомпата, почти изцяло се покрива от електричеството, генерирано от PVT модула.
„Капиталовата цена на системата обаче остава значителна в сравнение с конвенционалните системи с изкопаеми горива или въздушни термопомпи. От друга страна, тя е сравнима със стандартните геотермални термопомпи, тъй като допълнителната цена на PVT и соларното поле помага за намаляване на необходимата дължина на сондажите. Освен това ключово предимство на системата PVT–BTES–DSHP е, че тя значително намалява първичното енергопотребление“, пояснява Тинти.
Прототип на системата беше тестван във фермата за свине Golinelli в Мирандола, в северната италианска провинция Модена, където се отглеждат 500 свине-майки и 2500 прасенца в няколко обора. Преди това развъдникът за прасета се е отоплявал от газов котел с мощност 34 kW, подпомаган от топлинни лампи във всяка стая.
Системата PVT+BTES+DSHP комбинира термопомпа с двоен източник с мощност 35 kW, способна да използва въздух или земя като източници на топлина, подземно поле за съхранение на топлинна енергия (BTES) с осем сондажа с дълбочина 30 м, покривен фотоволтаично-термален (PVT) масив от 24 колектора, осигуряващи както топлинна, така и електрическа енергия, и централизирана соларна контролна станция, която управлява енергийните потоци между компонентите.
PVT масивът е хидравлично свързан с BTES. Система, базирана на прварително определени правила, управлява устройствата така, че гарантира ефективна работа чрез активиране на циркулацията само когато слънчевата радиация е достатъчна или когато температурните градиенти благоприятстват топлообмена, като по този начин се избягват ненужни енергийни загуби.
DSHP се управлява централно чрез PLC автоматизация, поддържайки постоянна температура на подаване от 50-55°C. Тя използва усъвършенствана модулация на компресора и двурежимно управление на изпарителя, за да оптимизира производителността, като приоритизира по-ефективния земен източник, когато условията го позволяват.
Всички компоненти на системата се наблюдават непрекъснато чрез облачна платформа, която позволява проследяване в реално време на температури, налягания и показатели за производителност.
Проектирането на системата се основава на подробни месечни изчисления на топлинното търсене и слънчевото натоварване, балансирайки сезонните енергийни нужди с дългосрочния капацитет за подземно съхранение и регулаторните ограничения върху температурите в почвата.
Като цяло, интегрираната система е проектирана да намали зависимостта от изкопаеми горива, да подобри сезонното съхранение на енергия и да увеличи максимално използването на възобновяема енергия за отопление на животновъдни приложения.
През първата година на наблюдение системата демонстрира стабилно термично поведение както в BTES, така и в кръговете за подаване на топлина към сградата. Минималните изходни температури на BTES остават над оперативните граници дори през зимата. Това потвърждава, че инжектирането на топлина от соларния масив предотвратява свръхохлаждането на земята и избягва термичното изчерпване на хранилището.
Максималните температури на BTES постепенно се повишават към пролетта, което показва сезонен термичен възстановителен процес, предизвикан от намаленото отоплително търсене и периодичното слънчево зареждане.
От страната на сградата, температурите на подаване постоянно отговарят на изискванията за отопление на развъдника без критични спадове, докато максималните стойности отразяват пиковите периоди на търсене. Температурната стабилност допринася за постоянни вътрешни условия, подпомагайки хуманното отношение към животните чрез избягване на температурни колебания.
DSHP работи основно между ноември и април, със скорост на размразяване едва 3,6% през този период, което потвърждава надеждната зимна производителност. През годината системата доставя 147 133 MJ топлина на сградата, като консумира 38 917 MJ електричество, което води до общ сезонен коефициент на полезно действие от 3,78.
Системата също така извлича 109 425 MJ околна енергия, от които 38,6% идват от работа само със земя, 6,0% от работа само с въздух и 55,4% от хибридна работа. Това потвърждава, че въздушният източник поддържа главно пиковите натоварвания, докато земята остава основният доставчик на енергия.
Сезонно зимните месеци са доминирани от хибридна работа, докато през пролетта системата предпочита работа само със земя, демонстрирайки адаптивно превключване на източниците според условията.
Анализът също така показва, че системата постига среден коефициент на трансформация (COP) от около 4,07, със стойности над 4 през благоприятните периоди. Освен това комбинацията от PVT, BTES и DSHP значително намалява изискванията за дължина на сондажите, като същевременно постига сравним резултат с конвенционалните системи с много по-ниско търсене на геотермална инфраструктура.
„Двуконтурният BTES намалява необходимата дължина на топлообменника на сондажа с около една трета, тъй като в конкретното местоположение и хидрогеоложки условия естествената температура на почвата е ниска, докато BTES позволява увеличаването ѝ с приблизително 5°C“, подчерта Тинти.
„Въпреки това не всички хидрогеоложки условия позволяват съхранение на слънчева топлина, която може да бъде разсеяна от естественото движение на подпочвените води“, подчертава той.
Предложената конфигурация е подходяща за ферми с достатъчно налична земя и благоприятни плитки геотермални условия, предоставяйки практичен път за намаляване на емисиите на парникови газове, като същевременно повишава енергийната устойчивост.
