ORIGINAL PAPER
The ecological impact of using photothermal and photovoltaic installations for DHW preparation
Piotr Olczak 1  
,   Małgorzata Olek 2  
,   Dominik Kryzia 1  
 
More details
Hide details
1
Mineral and Energy Economy Research Institute, Polish Academy of Sciences, Poland
2
Faculty of Environmental and Energy Engineering, Cracow University of Technology, Poland
CORRESPONDING AUTHOR
Piotr Olczak   

Mineral and Energy Economy Research Institute, Polish Academy of Sciences, Poland
Submission date: 2020-02-24
Final revision date: 2020-03-14
Acceptance date: 2020-03-14
Publication date: 2020-03-18
 
Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 2020;23(1):65–74
 
KEYWORDS
TOPICS
ABSTRACT
A domestic hot water (DHW) system has been modernized in a multi-family house, located in the southeastern part of Poland, inhabited by 105 people. The existing heating system (2 gas boilers) was extended by a solar system consisting of 32 evacuated tube collectors with a heat pipe (the absorber area: 38.72 m2). On the basis of the system performance data, the ecological effect of the modernization, expressed in avoided CO2 emission, was estimated. The use of the solar thermal system allows CO2 emissions to be reduced up to 4.4 Mg annually. When analyzing the environmental effects of the application of the solar system, the production cycle of the most material-consuming components, namely: DHW storage tank and solar collectors, was taken into account. To further reduce CO2 emission, a photovoltaic installation (PV), supplying electric power to the pump-control system of the solar thermal system has been proposed. In the Matlab computing environment, based on the solar installation measurement data and the data of the total radiation intensity measurement, the area of photovoltaic panels and battery capacity has been optimized. It has been shown that the photovoltaic panel of approx. 1.8 m2 and 12 V battery capacity of approx. 21 Ah gives the greatest ecological effects in the form of the lowest CO2 emission. If a photovoltaic system was added it could reduce emissions by up to an additional 160 kg per year. The above calculations take also emissions resulting from the production of PV panels and batteries into account.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Ekologiczny wpływ zastosowania instalacji footermicznej i fotowoltaicznej do przygotowania ciepłej wody użytkowej
panel fotowoltaiczny, redukcja emisji CO2, próżniowe kolektory rurowe typu heat pipe
W budynku wielorodzinnym położonym w południowo-wschodniej części Polski, zamieszkałym przez 105 osób, zmodernizowano system przygotowania ciepłej wody użytkowej. Istniejący system grzewczy (2 kotły gazowe) został rozbudowany o układ kolektorów słonecznych składający się z 32 próżniowych kolektorów rurowych (powierzchnia absorbera wynosi 38,72 m2). Na podstawie danych o wydajności systemu oszacowano ekologiczny efekt modernizacji, wyrażony jako uniknięta emisja CO2. Zastosowanie systemu kolektorów słonecznych pozwala zmniejszyć emisję CO2 do 4,4 Mg rocznie. Analizując skutki środowiskowe zastosowania instalacji kolektorów słonecznych, wzięto pod uwagę cykl produkcyjny najbardziej materiałochłonnych komponentów instalacji, a mianowicie zasobnika ciepłej wody użytkowej i kolektorów słonecznych. Aby jeszcze bardziej ograniczyć emisję CO2, zaproponowano instalację fotowoltaiczną, dostarczającą energię elektryczną do napędu pompy obiegowej instalacji kolektorów słonecznych. W środowisku obliczeniowym Matlab, na podstawie danych pomiarowych z instalacji kolektorów słonecznych i danych pomiarowych całkowitego natężenia promieniowania, zoptymalizowano powierzchnię paneli fotowoltaicznych i pojemność akumulatorów. Wykazano, że układ paneli fotowoltaicznych o powierzchni ok. 1,8 m2 oraz akumulatorów 12 V o pojemności ok. 21 Ah zapewnia największy efekt ekologiczny w postaci najniższej emisji CO2. Dodanie paneli fotowoltaicznych może zmniejszyć roczną emisję CO2 nawet o dodatkowe 160 kg. Powyższe obliczenia uwzględniają również emisje wynikające z tytułu produkcji paneli fotowoltaicznych i akumulatorów.
 
REFERENCES (18)
1.
BBN 2012. Analysis of electric energy losses in Polish power distribution (Analiza nt. wielkości strat w przesyle energii elektrycznej w Polsce). [Online] www.bbn.gov.pl/download.php?s=... [Accessed: 2016-11-15] (in Polish).
 
2.
Bortolini et al. 2015 – Bortolini, M., Gamberi, M., Graziani, A. and Pilati, F. 2015. Economic and environmental bi-objective design of an off-grid photovoltaic–battery–diesel generator hybrid energy system. Energy Conversion and Management (106), pp. 1024–1038.
 
3.
Carotenuto et al. 2017 – Carotenuto, A., Figaj, R.D. and Vanoli, L. 2017. A novel solar-geothermal district heating, cooling and domestic hot water system: Dynamic simulation and energy-economic analysis. Energy (141), pp. 2652–2669.
 
4.
Energo-therm. PV. (Energosol) (Ekologiczne systemy solarne). [Online] http://www.energosol.pl/oferta... moduly_fotowoltaiczne.html [Accessed: 2016-12-12] (in Polish).
 
5.
Gawlik, L. eds. 2013. Coal for Polish energy sector in 2050 perspective – scenario analysis (Węgiel dla polskiej energetyki w perspektywie 2050 roku – analizy scenariuszowe). Katowice (in Polish).
 
6.
Greening, B. and Azapagic, A. 2014. Domestic solar thermal water heating: A sustainable option for the UK? Renewable Energy 63, pp. 23–36.
 
7.
Hill et al. 2012 – Hill, N., Brannigan, C., Wynn, D., Milnes, R., van Essen, H., den Boer, E., van Grinsven, A., Ligthart, T. and van Gijlswijk, R. 2012. The role of GHG emissions from infrastructure construction, vehicle manufacturing, and ELVs in overall transport sector emissions. [Online] http://www.eutransportghg2050.... [Accessed: 2016-12-12].
 
8.
igaz.pl: Calorific value of gas compared to other energy carriers (igaz 2019) (Wartość opałowa gazu w porównaniu do innych nośników energii). [Online] https://www.igaz.pl/index.php?... [Accessed: 2019-12-12] (in Polish).
 
9.
Institute for Renewable Energy (IEO), Association of Employers of the Renewable Energy Forum (ZP FEO). 2013. The Development Plan for Microgeneration for Poland based on Renewable Energy Sources until 2020. Warszawa. [Online] https://pl.boell.org/sites/def... [Accessed: 2017-01-13].
 
10.
Matuszewska et al. 2017 – Matuszewska, D., Kuta, M. and Górski, J. 2017. Cogeneration – development and prospect in Polish energy sector. E3S Web of Conferences 14.
 
11.
Mirowski, T. 2016. Utilization of biomass for energy purpose versus reduction of emission of air pollutants from municipal and households sector. Rocznik Ochrony Środowiska 18(1), pp. 466–477.
 
12.
The National Center for Emissions Management 2015. Emission factors of pollutants from small combustion installations < 50 MWth. IOŚ-PIB: Warszawa (in Polish).
 
13.
The National Center for Emissions Management 2019. Emission factors in [kg / MWh] for final consumers of electricity. [Online] https://www.kobize.pl/uploads/... [Accessed: 2019-12-30] (in Polish).
 
14.
Olczak, P. and Zabagło, J. 2015. The efficiency of the solar system with Heat Pipe collectors in apartment building (Efektywność pracy instalacji solarnej z kolektorami Heat Pipe w budynku wielorodzinnym). Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 11(46), pp. 427–431 (in Polish).
 
15.
Schneider Electric 2017. Lifecycle Carbon Footprint Analysis. [Online] http://www.apc.com/salestools/... [Accessed: 2017-01-03].
 
16.
Soltec 2016. Battery power (Moc baterii). [Online] http://www.soltec.sklep.pl/aku... [Accessed: 2016-12-12] (in Polish).
 
17.
Sornek et al. 2018 – Sornek, K., Filipowicz, M. and Jasek, J. 2018. The Use of Fresnel Lenses to Improve the Efficiency of Photovoltaic Modules for Building-integrated Concentrating Photovoltaic Systems. Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 6(3), pp. 415–426.
 
18.
Statistics Poland 2019. Energy Statistics 2017 and 2018 (Gospodarka paliwowo-energetyczna w latach 2017 i 2018). [Online] https://stat.gov.pl/en/topics/... 2017-and-2018,4,14.html [Accessed: 2020-03-07] GUS: Warszawa (in Polish).
 
ISSN:1429-6675