Технології та інжиніринг
Технології та інжиніринг
ISSN 2786-5371 e-ISSN 2786-538X
DOI: 10.30857/2786-5371
Подати статтю

Стаття

Завантажити статтю

Інтеграція сонячної електростанції та теплового насоса в систему гарячого водопостачання на основі цифрового двійника

Микола Політикін, Олена Яценко

Отримано 30.01.2025, Доопрацьовано 26.05.2025, Прийнято 25.06.2025

Анотація

В умовах зростання загроз енергетичній безпеці України та необхідності підвищення автономності житлового сектору, дослідження ефективного поєднання теплових насосів та сонячної генерації є вкрай актуальним. Метою дослідження було обґрунтування доцільності інтеграції теплового насоса типу «повітрявода» у систему гарячого водопостачання багатоквартирного будинку, оснащеного сонячною електростанцією, з використанням цифрового двійника задля підвищення енергоефективності та автономності. У дослідженні застосовано наступні методи: аналіз фактичної бази енергоспоживання, енергетичне моделювання в програмі PV*SOL, інструментальний моніторинг температур, витрат води й електроенергії, а також порівняння варіантів конфігурації систем з урахуванням сезонних особливостей. Проведено порівняння режимів роботи теплового насоса: повного нагріву (до 55 °C) і бівалентного (до 35 °C з догрівом). Розраховано сезонну ефективність, покриття потреб від сонячної електростанції та варіанти балансування системи. В результаті встановлено, що фактичне споживання гарячої води у 21,5 раза нижче нормативного, а понад 60 % теплової енергії витрачається на циркуляцію. Надлишкова генерація сонячним масивом (понад 16 000 кВт·год/рік) може бути ефективно використана для нагріву води через тепловий насос. У режимі нагріву до 35 °C електроспоживання знижується на 50,9 % порівняно з режимом повного нагріву води (до 55 °C). Також, в роботі запропоновано цифровий двійник гібридної системи сонячна електростанція-тепловий насос, що адаптується до змін навантаження та умов роботи. Вперше проведено кількісну оцінку ефективності бівалентного режиму в умовах реального будинку з урахуванням фактичного споживання. Результати можуть бути використані для адаптивного проєктування систем гарячого водопостачання у житлових будинках. Запропонований підхід дозволяє знизити витрати, підвищити автономність, зменшити навантаження на мережу й адаптувати системи до кризових умов і змін у поведінці споживачів


Ключові слова:

автономне теплозабезпечення; багатоквартирний будинок; відновлювальні джерела енергії; енергетичне моделювання; енергоефективність

https://doi.org/10.30857/2786-5371.2025.3.6

Взято з Т. 26, № 3, 2025

Сторінки 77-88

Використані джерела ЦИТУВАТИ

Використані джерела

  1. Alden, R.E., Gong, H., Rooney, T., Branecky, B., & Ionel, D.M. (2023). Electric water heater modeling for large-scale distribution power systems studies with energy storage CTA-2045 based VPP and CVR. Energies, 16(12), article number 4747. doi: 10.3390/en16124747.
  2. Alhuyi Nazari, M., Rungamornrat, J., Prokop, L., Blazek, V., Misak, S., Al-Bahrani, M., & Ahmadi, M.H. (2023). An updated review on integration of solar photovoltaic modules and heat pumps towards decarbonization of buildings. Energy for Sustainable Development, 72, 230-242. doi: 10.1016/j.esd.2022.12.018.
  3. Association of Solar Energy of Ukraine. (2024). The end of the feed-in tariff: How to further develop solar energy in Ukraine. Retrieved from https://aseu.org.ua/kinets-zelenoho-taryfu-iak-dali-zarobliaty-na-soniachnij-enerhetytsi.
  4. Bezrodnyi, M.K., Prityula, N.O., & Misyura, T.O. (2017). Analysis of the efficiency of heat pump heating schemes using the heat of atmospheric air and solar energy. Power Engineering: Economics, Technique, Ecology, 4(50), 47-57. doi: 10.20535/1813-5420.4.2017.127544.
  5. Borodinecs, A., Lebedeva, K., & Odineca, T. (2024a). Evaluation of household electricity consumption in multi-apartment buildings for optimization of rooftop PV systems. Energy and Buildings, 325, article number 114971. doi: 10.1016/j.enbuild.2024.114971.
  6. Borodinecs, A., Lebedeva, K., Zajecs, D., & Jacnevs, V. (2024b). Towards a framework for optimizing rooftop pv systems based on household electricity consumption data of multi-apartment buildings. In ASHRAE international building decarbonization conference. Washington: ASHRAE. doi: 10.63044/ibd24bor32.
  7. Climatic data for the city of Kyiv. (n.d.). Central geophysical observatory named after Borys Sreznevsky. Retrieved from http://cgo-sreznevskyi.kyiv.ua/uk/diialnist/klimatolohichna/klimatychni-dani-po-kyievu.
  8. DBN V.2.5-64:2012. Internal Water Supply and Sewerage. (2013, March). Retrieved from https://dbn.co.ua/load/normativy/dbn/1-1-0-1059.
  9. Dumoulin, R., Rounis, E.D., & Athienitis, A. (2021). Operation and grid interaction modeling of a house with a building integrated photovoltaic thermal (BIPV/T) system coupled to an air-source heat pump. Science and Technology for the Built Environment, 27(9), 1311-1329. doi: 10.1080/23744731.2021.1941247.
  10. Energy efficiency fund of Ukraine. (2025). Monitoring of projects under the "GreenDIM" program. Retrieved from https://sites.google.com/eefund.org.ua/monitoring.
  11. Gagliano, A., Tina, G.M., & Aneli, S. (2025). Improvement in energy self-sufficiency in residential buildings using photovoltaic thermal plants, heat pumps, and electrical and thermal storage. Energies, 18(5), article number 1159. doi: 10.3390/en18051159.
  12. Galvin, R. (2022). Why German households won’t cover their roofs in photovoltaic panels: And whether policy interventions, rebound effects and heat pumps might change their minds. Renewable Energy Focus, 42, 236-252. doi: 10.1016/j.ref.2022.07.002.
  13. Lin, Y., Bu, Z., Yang, W., Zhang, H., Francis, V., & Li, C.-Q. (2022). A review on the research and development of solar-assisted heat pump for buildings in China. Buildings, 12(9), article number 1435. doi: 10.3390/buildings12091435.
  14. Malіar, S. (2022). Model of intellectual decision support for assessment of the housing fund. Innovation and Sustainability, 2(2), 177-183. doi: 10.31649/ins.2022.2.177.183.
  15. Martorana, F., Bonomolo, M., Leone, G., Monteleone, F., Zizzo, G., & Beccali, M. (2021). Solar-assisted heat pumps systems for domestic hot water production in small energy communities. Solar Energy, 217, 113-133. doi: 10.1016/j.solener.2021.01.020.
  16. Miglioli, A., Aste, N., Del Pero, C., & Leonforte, F. (2021). Photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump systems for building applications: Integration and design methods. Energy and Built Environment, 4(1), 39-56. doi: 10.1016/j.enbenv.2021.07.002.
  17. Politykin, M.V., & Yatsenko, O.I. (2025). Modeling and analysis of solar PV station for residential infrastructure. In ХХІІ international scientific and practical conference of young scientists and students “Modern problems of scientific support of power engineering” (pp. 186-188). Kyiv: Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute.
  18. Prozorro BI module. (2025). Retrieved from https://bi.prozorro.org/.
  19. PV*SOL premium. (n.d.). Retrieved from https://valentin-software.com/en/products/pvsol-premium/.
  20. Sokolovska, I., Teslenko, O., & Derii, V. (2024). Obstacles to the introduction of heat pumps in district heating. System Research in Energy, 2(77), 16-29. doi: 10.15407/srenergy2024.02.016.
  21. Tomczuk, K., & Obstawski, P. (2024). Analysis of the cooperation of a compressor heat pump with a PV system. Sustainability, 16(9), article number 3797. doi: 10.3390/su16093797.
  22. Uche, J., Martínez-Gracia, A., Zabalza, I., & Usón, S. (2024). Renewable energy source (RES)-based polygeneration systems for multi-family houses. Sustainability, 16(3), article number 945. doi: 10.3390/su16030945.
  23. Wang, F., Liu, M., Guo, W., Liu, X., Zhang, J., Li, J., Hu, G., & Yin, J. (2024). Photovoltaic/thermal integrated air source heat pump hot water system with phase change tank. Renewable Energy, 240, article number 122204. doi: 10.1016/j.renene.2024.122204.
  24. Xiang, B., Ji, Y., Yuan, Y., Wu, D., Zeng, C., & Zhou, J. (2021). 10-year simulation of photovoltaic-thermal road assisted ground source heat pump system for accommodation building heating in expressway service area. Solar Energy, 215, 459-472. doi: 10.1016/j.solener.2020.12.056.
  25. Zhang, C., Nielsen, E., Fan, J., Furbo, S., & Li, Q. (2021). Experimental investigation on a combined solar and ground source heat pump system for a single-family house: Energy flow analysis and performance assessment. Energy and Buildings, 241, article number 110958. doi: 10.1016/j.enbuild.2021.110958.
  26. Zohri, M., Prabowo, Suwarno, Fudholi, A., Suyono, T., Priandana, E.R., & Utomo, Y.S. (2023). Performance review of solar-assisted heat pump systems using solar collectors, PV, and PVT technologies. International Journal of Heat and Technology, 41(3), 657-665. doi: 10.18280/ijht.410318.

ЦИТУВАТИ

Politykin, M., & Yatsenko, O. (2025). Integration of a solar power plant and a heat pump into a hot water supply system based on a digital twin. Technologies and Engineering, 26(3), 77-88. https://doi.org/10.30857/2786-5371.2025.3.6