Sterowanie pompą ciepła według prognozy produkcji fotowoltaiki

Sterowanie pompą ciepła według prognozy produkcji fotowoltaiki polega na zaplanowaniu ogrzewania i przygotowania ciepłej wody na godziny, w których instalacja PV ma wyprodukować najwięcej energii. System nie powinien jednak opierać się wyłącznie na prognozie. Musi korygować plan na podstawie rzeczywistej produkcji, poboru energii w domu, temperatur oraz ograniczeń sprężarki.

Najprostsza instalacja wykorzystuje harmonogram, bardziej rozbudowana sygnał SG Ready, a pełne sterowanie prognostyczne wymaga HEMS lub EMS, licznika energii i zgodnego interfejsu pompy. Celem nie jest wykorzystanie każdej chwilowej nadwyżki, lecz bezpieczne przesunięcie pracy urządzenia bez pogorszenia komfortu, zwiększenia liczby startów sprężarki i nadmiernego obniżania COP.

Jak działa sterowanie pompą ciepła według prognozy produkcji fotowoltaiki

System najpierw przewiduje godziny i wielkość produkcji PV, następnie układa plan pracy pompy, a po rozpoczęciu słonecznego okresu sprawdza rzeczywisty przepływ energii. Gdy prognoza się nie sprawdzi, plan jest ograniczany lub przesuwany, ale rozpoczęty cykl sprężarki nie powinien być przerywany przy każdej przechodzącej chmurze. Podstawowa automatyka pompy, ochrona przeciwzamrożeniowa i zabezpieczenia sprężarki muszą pozostać aktywne.

Praktyczny schemat obejmuje pięć elementów: prognozę, plan, kontrolę bieżącego bilansu, ograniczenia pompy i korektę. Przykładowo system może rano pozostawić rezerwę w zasobniku CWU, jeżeli na południe przewidziana jest wysoka produkcja. O godzinie rozpoczęcia zaplanowanego zadania sprawdza jednak nie tylko prognozę, ale również moc falownika oraz import lub eksport energii w punkcie przyłączenia. Jeżeli produkcja okazała się niższa od przewidywanej, system ogranicza podbicie temperatury albo przesuwa kolejne zadanie.

Trzeba przy tym odróżnić prognozowanie uzysku PV od pogodowej korekty ogrzewania. Funkcja taka jak NIBE Weather Forecast Control przewiduje zmianę warunków atmosferycznych i odpowiednio koryguje produkcję ciepła. Nie oznacza to automatycznie, że sterownik zna przyszły uzysk konkretnej instalacji fotowoltaicznej z uwzględnieniem jej mocy, azymutu, nachylenia i lokalizacji. Pełna prognoza PV jest zwykle zadaniem systemu zarządzania energią, a nie samego regulatora pogodowego pompy.

Jakich danych i urządzeń potrzebuje system

Do prostego przesuwania pracy wystarczy sterownik z harmonogramem. Sterowanie rzeczywiście prognostyczne potrzebuje jednak danych zarówno o przyszłości, jak i o aktualnym stanie instalacji. Bez pomiaru na przyłączu system może widzieć produkcję falownika, ale nie wie, czy energia jest eksportowana, czy zużywają ją płyta indukcyjna, ładowarka samochodu i pozostałe odbiorniki.

Kompletny układ może obejmować:

• falownik PV udostępniający dane o aktualnej produkcji,
• licznik energii lub licznik z przekładnikami mierzący import i eksport w punkcie przyłączenia,
• HEMS albo EMS pobierający prognozę pogody i wyliczający prognozę uzysku,
• dane o mocy nominalnej instalacji, lokalizacji, azymucie i nachyleniu modułów,
• pomiar lub prognozę bazowego zużycia energii w budynku,
• temperaturę pomieszczeń, zasobnika CWU, bufora i obiegów grzewczych,
• interfejs pompy, na przykład wejście SG Ready, Modbus TCP/IP, EEBUS, SEMP lub rozwiązanie producenta,
• opcjonalnie dane o cenach energii, stanie naładowania magazynu energii i planowanym ładowaniu samochodu.

System powinien znać także ograniczenia pompy: minimalny czas pracy sprężarki, minimalny czas postoju, zakres modulacji, dopuszczalne temperatury oraz zasady uruchamiania grzałki. Dlatego nie ma uniwersalnego ustawienia typu „włącz pompę po przekroczeniu 2 kW nadwyżki”. Inny pobór występuje podczas stabilnej pracy, inny przy przygotowaniu CWU, a jeszcze inny podczas odszraniania jednostki zewnętrznej.

Próg załączenia ustala się na podstawie pomiarów konkretnego urządzenia. Powinien uwzględniać pobór pompy i osprzętu, pozostawiać zapas dla innych odbiorników oraz mieć histerezę mocową i czasową. Bez niej krótkie zmiany zachmurzenia mogą powodować częste przełączanie wejścia sterującego, nawet jeśli automatyka pompy ostatecznie nie uruchomi sprężarki.

Sama prognoza również wymaga prawidłowych danych wejściowych. Podanie jedynie mocy instalacji PV nie wystarcza, jeżeli system nie zna orientacji połaci, kąta nachylenia modułów i lokalizacji budynku. Błędy mogą wynikać także z nieuwzględnionego zacienienia, zalegającego śniegu, zabrudzenia paneli lub czasowego ograniczania mocy falownika. Z tego powodu plan zawsze powinien być weryfikowany pomiarem rzeczywistym.

Harmonogram, SG Ready czy HEMS: trzy poziomy integracji

Najtańsze rozwiązanie nie zawsze jest złe. Jeżeli dom ma przewidywalne zużycie, instalacja PV osiąga najwyższą produkcję w podobnych godzinach, a CWU można przygotowywać w środku dnia, zwykły harmonogram może zapewnić znaczną część możliwych korzyści. Jego słabością jest brak reakcji na pochmurny dzień i brak informacji o rzeczywistym eksporcie.

Harmonogram godzinowy

Harmonogram nie analizuje pogody ani przepływu energii. Uruchamia przygotowanie CWU lub zmianę nastawy w ustalonym oknie czasowym. To dobre rozwiązanie początkowe, zwłaszcza gdy domownicy zużywają ciepłą wodę w przewidywalny sposób, a instalacja PV ma regularny profil produkcji.

W pochmurny dzień pompa może jednak pobrać energię z sieci, mimo że zadanie zaplanowano z myślą o fotowoltaice. Z kolei w wyjątkowo słoneczny dzień harmonogram nie wykorzysta dodatkowej nadwyżki, jeżeli przypada ona poza ustawionym oknem.

SG Ready i styk nadwyżki

SG Ready nie jest odpowiednikiem płynnego sterowania sprężarką. W typowej konfiguracji przekaźnik z wyjściem bezpotencjałowym podaje sygnał na wejście kontrolne pompy, a jej własny regulator wybiera dopuszczalny sposób działania. Może to być na przykład podniesienie wartości zadanej CWU lub zwiększenie zapotrzebowania na ciepło w granicach ustawionych przez producenta i instalatora.

Pompa pozostaje stale zasilana. Odcinanie jej zasilania stycznikiem w reakcji na zanik nadwyżki jest błędem. Może zakłócić prawidłowe zatrzymanie, ochronę przeciwzamrożeniową, pracę pomp obiegowych i procedury zabezpieczające sprężarkę.

HEMS z prognozą i komunikacją cyfrową

Interfejsy EEBUS, SEMP, Modbus lub protokół producenta mogą przekazywać status, pobór mocy i wartości zadane, ale sama obecność interfejsu nie gwarantuje pełnej funkcjonalności. Trzeba sprawdzić konkretny numer pompy, regulatora, wersję oprogramowania oraz wariant dostępny na polskim rynku.

Przykładowo SMA Sunny Home Manager 2.0 może tworzyć prognozę produkcji i zużycia na okres do 48 godzin oraz integrować wybrane urządzenia przez SG Ready, EEBUS lub SEMP. STIEBEL ELTRON oferuje ISG web z rozwiązaniami ISG Connect i EM Trend dla zgodnych pomp oraz pomiaru EM Meter. W systemach NIBE serii S i myUplink dostępność integracji PV zależy od konfiguracji. Żaden z tych przykładów nie zwalnia z kontroli aktualnej listy zgodności, wersji sterownika i zakresu udostępnionych funkcji.

Bezpieczna logika pracy CO i CWU krok po kroku

Sterowanie nadrzędne ma przesuwać zapotrzebowanie w czasie, a nie zastępować regulator pompy. EMS może zgłosić preferencję pracy lub zmienić dozwoloną wartość zadaną, lecz o uruchomieniu sprężarki, odszranianiu i ochronie urządzenia powinna nadal decydować automatyka producenta.

1. Wyznacz zapotrzebowanie cieplne. System sprawdza temperaturę w pomieszczeniach, temperaturę zasobnika i planowane zużycie CWU. Komfort oraz ochrona instalacji mają pierwszeństwo przed autokonsumpcją.
2. Oblicz prognozę PV i zużycia domu. Plan powinien uwzględniać nie tylko produkcję, ale też typowe obciążenie budynku. Prognozowane 4 kW z paneli nie tworzą nadwyżki 4 kW, jeśli dom ma w tym czasie pobierać 2,5 kW.
3. Pozostaw kontrolowaną rezerwę cieplną. Przed słonecznym okresem można opóźnić dogrzanie CWU lub nie podnosić wcześniej temperatury bufora, o ile nie spowoduje to braku ciepłej wody ani wychłodzenia domu.
4. Uruchom zadanie z histerezą. Decyzja powinna uwzględniać minimalny czas dostępności mocy, a nie pojedynczy odczyt licznika. Po uruchomieniu pompa powinna wykonać sensowny cykl zgodny z wymaganiami producenta.
5. Kontroluj rzeczywisty bilans. EMS porównuje plan z mocą falownika oraz importem i eksportem. Jeśli prognoza była zbyt optymistyczna, ogranicza kolejne zadania zamiast natychmiast odcinać działającą pompę.
6. Wróć do normalnych nastaw. Po wykorzystaniu słonecznego okna wartości zadane powinny wrócić do standardowego poziomu. Stałe utrzymywanie zawyżonej temperatury pogarsza sprawność i zwiększa straty postojowe.

Sterowanie przygotowaniem CWU

W przypadku CWU najczęściej przesuwa się pełny cykl grzania na godziny przewidywanej produkcji. Przed południem można pozostawić bezpieczną rezerwę pojemności w zasobniku, a następnie podnieść temperaturę do wartości zapewniającej zapas na wieczór. Rezerwa nie może jednak prowadzić do braku ciepłej wody lub kolidować z programem higienicznym.

Nie należy automatycznie ustawiać najwyższej dostępnej temperatury. Wysoka wartość zadana zwykle obniża COP, zwiększa straty postojowe, a w części urządzeń może spowodować uruchomienie grzałki elektrycznej. Strategia powinna wykorzystywać przede wszystkim przesunięcie cyklu, a dopiero w drugiej kolejności umiarkowane podbicie temperatury.

Sterowanie ogrzewaniem budynku

W ogrzewaniu podłogowym można nieznacznie podnieść temperaturę pomieszczeń przed wieczorem, wykorzystując pojemność cieplną wylewki i całego budynku. Korekta musi mieścić się w granicach komfortu. Przegrzewanie pomieszczeń tylko po to, aby ograniczyć eksport energii, oznacza marnowanie ciepła, a nie efektywną autokonsumpcję.

Temperatury zasilania nie należy podnosić bardziej, niż wymaga tego planowany zapas ciepła. Najpierw trzeba prawidłowo ustawić krzywą grzewczą pompy ciepła, a dopiero potem dodawać niewielką korektę z HEMS. Zbyt wysoka krzywa połączona z agresywnym podbiciem PV może zwiększyć pobór, obniżyć COP i wywołać krótkie cykle po zakończeniu okresu produkcji.

Ile energii można zmagazynować w zasobniku i budynku

Pojemność wodnego magazynu ciepła można oszacować ze wzoru: E ≈ 1,163 × V × ΔT, gdzie E oznacza energię cieplną w kWh, V objętość wody w m³, a ΔT zmianę temperatury w kelwinach. Podniesienie temperatury 200 litrów wody o 10 K magazynuje około 2,3 kWh ciepła.

Przy COP równym 3 dostarczenie 2,3 kWh ciepła wymagałoby teoretycznie około 0,8 kWh energii elektrycznej. Rzeczywisty wynik będzie inny ze względu na straty zasobnika, pracę pomp obiegowych, temperaturę źródła oraz spadek COP przy wyższej temperaturze wody. Obliczenie pokazuje przede wszystkim skalę: zasobnik CWU może przejąć część południowej produkcji, ale nie jest odpowiednikiem dużego akumulatora energii.

Bufor o pojemności 100 litrów podgrzany o 5 K zgromadzi około 0,58 kWh ciepła. Jego głównym zadaniem może być zapewnienie właściwego przepływu i stabilizacja hydrauliczna, dlatego duże podbicie temperatury wyłącznie dla autokonsumpcji często przynosi ograniczony efekt. Większą pojemność ma masywna posadzka i cały budynek, lecz jej wykorzystanie ograniczają komfort mieszkańców, bezwładność instalacji oraz straty przez przegrody.

Tańsza energia nie usprawiedliwia dowolnego przegrzewania. Jeżeli podbicie temperatury powoduje wyraźny spadek COP, część korzyści z autokonsumpcji znika. Najlepszy efekt daje zwykle umiarkowane przesunięcie pełnych cykli pracy, a nie maksymalizacja temperatury zasobnika i bufora przy każdej słonecznej godzinie.

Kiedy sterowanie może obniżyć koszty

Korzyść powstaje wtedy, gdy pompa zużywa więcej energii bezpośrednio z PV, ogranicza zakup prądu w mniej korzystnych godzinach i nie traci przy tym nadmiernie sprawności. Znaczenie mają wielkość instalacji, profil produkcji, zapotrzebowanie na ciepło, taryfa, sposób rozliczenia prosumenta, obecność magazynu energii oraz różnica między wartością energii oddawanej i pobieranej.

W polskim net-billingu instalacje uruchomione po 1 lipca 2024 roku są rozliczane według godzinowej rynkowej wartości energii. Godzina eksportu i późniejszego zakupu energii ma więc znaczenie, a system uwzględniający prognozę oraz ceny może podejmować trafniejsze decyzje niż sztywny zegar. Aktualne zasady rozliczeń opisuje Ministerstwo Klimatu i Środowiska.

Nie można obiecać stałego procentu oszczędności. W jednym badaniu eksperymentalnym sterowanie MPC zwiększyło wykorzystanie energii PV przez pompę o 107,7%, zmniejszyło jej pobór energii o 4,1% i koszt pracy o 9% względem badanego sterowania referencyjnego. Wynik dotyczył konkretnego układu, budynku i cen, dlatego nie jest prognozą dla każdego domu.

Najmniejszy potencjał występuje zwykle zimą, gdy zapotrzebowanie grzewcze jest wysokie, a produkcja PV niska. Wiosną i jesienią łatwiej przesuwać ogrzewanie na środek dnia. Latem głównym sterowalnym odbiornikiem pozostaje CWU, ale jej dobowe zapotrzebowanie może być zbyt małe, aby zagospodarować dużą instalację fotowoltaiczną.

Efekty trzeba oceniać na podstawie kilku wskaźników jednocześnie. Sam wzrost autokonsumpcji nie przesądza o opłacalności, jeżeli jednocześnie zwiększył się udział grzałki, spadł COP albo pomieszczenia są regularnie przegrzewane. Warto porównywać pobór pompy z sieci, energię pobraną przez grzałkę, eksport PV, liczbę startów sprężarki i temperatury w domu przed zmianą oraz po zmianie sterowania.

Który poziom sterowania wybrać

Wybierz harmonogram, jeżeli zależy Ci głównie na przygotowaniu CWU w środku dnia, produkcja PV ma regularny profil, a sterownik pompy pozwala ustawić osobne okna czasowe. To rozsądny pierwszy etap, który nie wymaga zakupu rozbudowanego HEMS.

Wybierz SG Ready lub styk nadwyżki, gdy falownik albo licznik energii może wystawić odpowiedni sygnał, a pompa ma zgodne wejście. Rozwiązanie dobrze sprawdza się jako prosta zachęta do podniesienia wartości zadanej. Trzeba jednak zaakceptować ograniczoną liczbę stanów i zwykle niewielką ilość informacji zwrotnych.

Wybierz HEMS z prognozą, jeżeli trzeba koordynować pompę, magazyn energii, ładowarkę samochodową i inne duże odbiorniki albo rozliczenie godzinowe istotnie wpływa na koszty. System ma sens również wtedy, gdy produkcja i zużycie są nieregularne, a prosty harmonogram często uruchamia pompę w niekorzystnym momencie.

Przed zakupem przygotuj checklistę kompatybilności:

• dokładny model pompy i regulatora,
• wersja oprogramowania oraz lista obsługiwanych protokołów,
• liczba i znaczenie stanów wejścia SG Ready,
• możliwość odczytu temperatur, statusu sprężarki i poboru mocy,
• zgodność licznika energii z falownikiem lub HEMS,
• sposób obsługi CWU, CO, grzałki i cyklu dezynfekcji,
• minimalne czasy pracy i postoju sprężarki,
• zakres wartości zadanych, które może zmieniać system nadrzędny,
• dostępność serwisu oraz możliwość przywrócenia standardowych ustawień.

Nie należy kupować systemu wyłącznie na podstawie nazwy protokołu. Modbus może udostępniać tylko odczyt części rejestrów, a funkcje EEBUS lub SEMP mogą zależeć od wersji oprogramowania i rynku. Przed zamówieniem potrzebne jest pisemne potwierdzenie zgodności konkretnych urządzeń, nie ogólna informacja, że dana marka współpracuje z pompami ciepła.

Uruchomienie, pomiary i granice samodzielnej pracy

Samodzielnie można przeanalizować wykresy produkcji, ustawić bezpieczny harmonogram w menu użytkownika i obserwować, czy pompa wykonuje dłuższe cykle w godzinach słonecznych. Dobrym początkiem jest co najmniej kilka dni pracy bez zmian, zapis poboru pompy, temperatur CWU i eksportu, a następnie przesunięcie jednego zadania, na przykład przygotowania wody. Nie należy jednocześnie zmieniać harmonogramu, krzywej grzewczej, temperatury CWU i ustawień grzałki, ponieważ później trudno ocenić skutki poszczególnych korekt.

Konfigurację należy powierzyć instalatorowi lub elektrykowi z odpowiednimi kwalifikacjami, gdy praca wymaga podłączenia wejść cyfrowych albo styków SG Ready, montażu licznika i przekładników w rozdzielnicy, konfiguracji Modbus, EEBUS lub SEMP, a także zmiany parametrów serwisowych. Dotyczy to również ingerencji w sterowanie grzałką, zabezpieczenie przeciwzamrożeniowe oraz minimalne czasy pracy sprężarki.

Szczególnej kontroli wymaga CWU. Nie wolno przypadkowo zablokować programu dezynfekcji termicznej ani ustawiać ograniczeń, które uniemożliwią jego wykonanie. Instalacja powinna umożliwiać uzyskanie w punktach czerpalnych temperatury 55-60°C oraz przeprowadzenie okresowej dezynfekcji termicznej wodą o temperaturze 70-80°C. Przy wysokich temperaturach trzeba zapewnić ochronę przed poparzeniem, między innymi za pomocą prawidłowo dobranego i wyregulowanego zaworu mieszającego.

Po uruchomieniu należy obserwować nie tylko autokonsumpcję, ale również liczbę startów sprężarki, czas pojedynczego cyklu, temperatury zasilania, udział grzałki i komfort domowników. Jeżeli po dodaniu automatyki rośnie liczba krótkich cykli, pomieszczenia są przegrzewane albo grzałka uruchamia się częściej, sterowanie wymaga korekty. Wyższy udział energii z PV nie jest sukcesem, jeśli został osiągnięty kosztem sprawności lub trwałości urządzenia.