Zespół chińskich naukowców właśnie pokazał jedną z odważniejszych wizji przyszłości, w której domy stają się nie czymś, co po prostu trzeba ogrzać, a czymś, co tworzy jeden spójny energooszczędny ekosystem. Zamiast po prostu podpiąć pompę ciepła do istniejącej sieci i liczyć, że ceny prądu pozostaną znośne, zaprojektowali dom niskoenergetyczny, który zachowuje się jak miniaturowa elektrownia. Dach w całości obłożony panelami fotowoltaicznymi, dwie małe turbiny wiatrowe, magazyn energii elektrycznej i sprytna kombinacja gruntowej oraz powietrznej pompy ciepła są spięte w całość algorytmami optymalizacyjnymi, które ciągle przetasowują kierunki przepływu energii.
Na papierze efekt jest imponujący, bo z tego typu systemem dom znacząco obniża koszty energii i dużo rzadziej pobiera moc z sieci, a to wszystko mimo klimatu z ostrymi zimowymi mrozami i parnymi, gorącymi latami. Liczby robią wrażenie, ale jednocześnie otwierają niewygodną dyskusję o kosztach, złożoności i o tym, na ile podobne rozwiązanie da się realnie przenieść do zwykłych domów w Europie czy w Polsce.
Od jednego źródła ciepła do hybrydowej mikroelektrowni
Projekt powstał we współpracy Shenyang Jianzhu University i Shanghai Jiao Tong University, a jego wyniki zostały opisane w czasopiśmie Energy ze skrótowymi omówieniami m.in. w PV Magazine. Badacze nie zaczynali od abstrakcyjnej symulacji, tylko od konkretnego budynku mieszkalnego o niskim zapotrzebowaniu na energię w Shenyang, czyli mieście w północno-wschodnich Chinach, a więc regionie znanym z długich, mroźnych zim (27°C) i parnych lat (ponad 32°C). Modelowany dom to dwukondygnacyjny budynek o powierzchni około 335 m², który został zaprojektowany pod rygorystyczne standardy niskoenergetyczne, którego około 160 m² dach może przyjąć panele słoneczne na mniej więcej 130 m² powietrzni.
Czytaj też: Akumulatorowy Święty Graal ożywa w Japonii. Czas zacząć myśleć o końcu silnika spalinowego
W takiej scenerii naukowcy upchnęli hybrydowy system, który próbuje wykorzystać jednocześnie kilka różnych źródeł energii odnawialnej. Po stronie elektrycznej w grę weszły wysokosprawne panele fotowoltaiczne o mocy 550 watów każdy oraz dwie turbiny wiatrowe po 3 kW. Ich produkcja zasila zarówno odbiorniki domowe, jak i magazyn energii o pojemności 40 kWh, który przejmuje rolę bufora, gdy pogoda nie dopisuje. Po stronie cieplnej budynek ogrzewa i chłodzi duet pomp, bo gruntowa pompa ciepła (GSHP) podłączona do gruntowych wymienników ciepła oraz powietrzna pompa ciepła (ASHP), która może wspierać system, gdy zmieniają się warunki powietrza lub gruntu.
Dodatkowo inżynierowie zastosowali w instalacji zbiornik wody z materiałami zmiennofazowymi, który to pełni rolę magazynu ciepła, bo pochłania nadmiar ciepła lub chłodu wtedy, gdy jest to korzystne i oddaje go w momentach szczytowego zapotrzebowania. Co ciekawe, trzon układu stanowią pompy gruntowe. Wymieniając ciepło z gruntem kilka metrów poniżej powierzchni, pracują przeciwko znacznie stabilniejszej temperaturze niż powietrze zewnętrzne. Zwykle przekłada się to na lepszą sezonową sprawność, ale jednocześnie stwarza ryzyko powolnego wychładzania lub nagrzewania gruntu w wieloletniej perspektywie, jeśli system jest źle zbilansowany. Powietrzne pompy ciepła są tańsze i prostsze w instalacji, ale ich efektywność gwałtownie spada przy silnych mrozach. Dlatego też połączenie obu technologii w jednym domu jest dość nietypowe, lecz umożliwia sterownikowi wybór w każdej godzinie tej opcji, która w danych warunkach wypada korzystniej.
Sezonowa choreografia zamiast prostego włącz/wyłącz
To, co odróżnia ten projekt od zwykłego “przeładowanego gadżetami” domu pokazowego, to sposób sterowania systemem. Naukowcy zaproponowali tzw. sezonową strategię interakcji energetycznej. Wiosną, gdy zapotrzebowanie na ciepło spada, ale noce są wciąż chłodne, gruntowa pompa ciepła może delikatnie schładzać grunt, przygotowując go do pochłaniania ciepła latem. W tym sezonie produkcja z fotowoltaiki i turbin wiatrowych napędza aktywne chłodzenie oraz ładuje zarówno magazyn energii, jak i zbiornik ciepła. Jesienią kierunek się odwraca: grunt jest wstępnie dogrzewany, aby zimą pompa gruntowa mogła pracować z możliwie najwyższą sprawnością. Zimą priorytetem staje się utrzymanie komfortowej temperatury wewnątrz przy jednoczesnym ograniczaniu importu energii z sieci, wykorzystując prognozy obciążenia z wyprzedzeniem i harmonogramy ładowania akumulatorów, które amortyzują wahania cen i pogody.
Aby zdecydować, jak duże powinny być poszczególne elementy i w jaki sposób sterować całym systemem, zespół sięgnął po dwie dobrze znane techniki optymalizacyjne. W pierwszym etapie wykorzystał NSGA-II, a więc wielokryterialny algorytm genetyczny, który wyszukuje konfiguracje systemu łączące różne kompromisy między kosztem, wydajnością a wskaźnikami środowiskowymi. Po wybraniu optymalnego zestawu urządzeń, w drugim etapie, opartym na optymalizacji rojowej, specjaliści dopracowali tygodniową strategię ładowania i rozładowywania akumulatora oraz współpracę pomp ciepła, magazynów i sieci.
To podejście wpisuje się w szerszy trend badań nad energetyką budynków. Inne grupy tworzą modele predykcyjne oparte na uczeniu maszynowym do prognozowania produkcji z wiatru i słońca na potrzeby systemów grzewczych albo wykorzystują algorytmy rojowe i ewolucyjne do sterowania wielkimi sieciami ciepłowniczymi i hybrydowymi układami solarno-pompowymi. Projekt chińskich uczelni wyróżnia się tym, że przenosi te koncepcje na skalę pojedynczego domu niskoenergetycznego wyposażonego jednocześnie w magazyn ciepła i energii elektrycznej, zamiast skupiać się na zespole budynków czy instalacji przemysłowej.
Jak w praktyce sprawdził się taki hybrydowy, zaawansowany system?
W symulacjach badacze porównali cztery warianty systemu. Zaczęli od bazowej konfiguracji z pompą ciepła bez zaawansowanej strategii zarządzania energią. Krok po kroku dokładali sezonową interakcję, potem hybrydę GSHP + ASHP, następnie dwustopniową optymalizację, a na końcu pełne wyposażenie z fotowoltaiką, a później także z wiatrem. Najbardziej rozbudowany zestaw obniżył uśredniony koszt energii (LCOE) o co najmniej 54,7% względem prostego układu bazowego. Gdyby tego było mało, współczynnik niezależności od sieci, czyli miara tego, jak bardzo dom polega na zewnętrznej infrastrukturze, spadł o około 75%. Innymi słowy, w takim układzie budynek wciąż jest podłączony do sieci, ale ta zaczyna pełnić funkcję zabezpieczenia, a nie głównego źródła energii.
Czytaj też: Niemcy rzucają wyzwanie azjatyckim gigantom solarnym. Ten zakład pod Lipskiem produkuje coś wyjątkowego
W horyzoncie dziesięcioletniej symulacji temperatura gruntu wokół wymienników zmieniła się zaledwie o około 0,42°C. Jest to ważny szczegół, ponieważ wiele źle zaprojektowanych systemów gruntowych powoli wychładza otaczający grunt, co z czasem obniża sprawność i może wymagać kosztownych działań naprawczych. Tutaj sezonowa “choreografia” ładowania i rozładowywania zasobu cieplnego zdaje się utrzymywać równowagę w dłuższej skali. Optymalna konfiguracja dla hybrydowego układu obejmowała około 13,1 kW mocy fotowoltaiki na dachu, dwie małe turbiny wiatrowe, magazyn energii elektrycznej o pojemności 25,46 kWh, gruntową pompę ciepła 6,17 kW oraz zbiornik wody o objętości około 2,76 m³ jako magazyn ciepła. Jak na pojedynczy dom to naprawdę dużo sprzętu, a warto podkreślić, że wszystkie te wyniki pochodzą z modelu numerycznego, a nie z wieloletnich pomiarów w rzeczywistym budynku.
W artykule naukowym kryje się jeszcze jedna ciekawa niuansowa obserwacja. Dodanie drugiego etapu optymalizacji, który dopracowuje tygodniowy harmonogram pracy systemu ponad już zoptymalizowaną konfigurację, przyniosło dalszy spadek zależności od sieci, niższy uśredniony koszt energii i wyższe zużycie własnej produkcji z OZE. Jednocześnie jednak autorzy odnotowali nieznaczny wzrost emisji CO₂ względem pierwszego etapu optymalizacji. To sugeruje, że maksymalizowanie opłacalności ekonomicznej może prowadzić system do wzorców pracy, które nie są idealne z punktu widzenia klimatu.
Co ten eksperyment tak naprawdę nam mówi?
Mimo imponujących liczb trzeba pamiętać, czym w istocie jest projekt z Shenyang, bo jest on niczym innym, jak szczegółowo przeanalizowaną, starannie przeprowadzoną symulacją wyjątkowo dobrze wyposażonego domu niskoenergetycznego. Na rynku nie ma dziś gotowego produktu, który dokładnie odtwarzałby tę konfigurację, a nawet gdyby się pojawił, to koszt wejścia byłby według wszelkich rozsądnych szacunków bardzo wysoki. Zastosowane algorytmy bazują na dokładnych modelach zachowania budynku, które w kontakcie z rzeczywistością lubią się rozjeżdżać. Z drugiej strony byłoby błędem machnąć na to badanie ręką jako na nierealny eksperyment.
Czytaj też: Stacje ładowania ratują szwedzką sieć energetyczną. Nikt tego się nie spodziewał
Praca chińskich specjalistów bardzo wyraźnie wskazała trzy kierunki, które prawdopodobnie będą kształtować przyszłe systemy grzewcze. Po pierwsze, hybrydyzację, a więc łączenie w jednym budynku wielu źródeł ciepła i różnych typów magazynów, bo pozwala to wygładzać słabości każdej pojedynczej technologii. Po drugie, myślenie w horyzoncie sezonów, czyli magazynowanie i przesuwanie ciepła nie tylko z godziny na godzinę, ale także z pór roku na pory roku, bo jest ono kluczowe, by w pełni wykorzystać potencjał gruntu i zasobników ciepła, nie degradując otaczającego środowiska. Po trzecie, sterowanie algorytmiczne. W miarę jak systemy będą się komplikować, oddanie dyspozycji energią algorytmom optymalizacyjnym będzie jedynym sposobem, by utrzymać w ryzach koszty i emisje.