Evaluation of the performance of a hybrid heating system, integrated with a photovoltaic system, in a single-family building in use

openaccess, Vol. 629 (01) 2025 / czwartek, 23 stycznia, 2025

Ocena działania hybrydowego systemu grzewczego, współpracującego z systemem fotowoltaicznym, w eksploatowanym budynku jednorodzinnym

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2025.01.04

citation/cytuj: Piotrowska-Woroniak J., Szul T., Woroniak G., Krilek J. Evaluation of the performance of a hybrid heating system, integrated with a photovoltaic system, in a single-family building in use. Materiały Budowlane. 2025. Volume 629. Issue 01. Pages 22-28. DOI: 10.15199/33.2025.01.04

DOI: 10.15199/33.2025.01.04

The article presents the results of research on the energy efficiency of a hybrid heating system integrated with a photovoltaic installation. The system was implemented in an existing single-family house with an area of 175 m², which underwent comprehensive thermal modernization. The hybrid system consists of an air-source heat pump and a gas boiler. The heat pump serves as the primary heat source during the transitional period, down to a temperature of -1°C, while the boiler is used during the coldest months. The photovoltaic installation generates electricity to power the heating system devices. The research demonstrated that the hybrid system is highly efficient, particularly when combined with the ability to store excess electricity in the grid. This solution enables coverage of over 90% of the energy demand of the heat pump-based system.

W artykule przedstawiono wyniki badań efektywności energetycznej hybrydowego systemu grzewczego współpracującego z instalacją fotowoltaiczną. System został wdrożony w budynku jednorodzinnym o powierzchni 175 m², który poddano gruntownej modernizacji. Hybrydowy system składa się z powietrznej pompy ciepła i kotła gazowego. Pompa ciepła pełni rolę głównego źródła ciepła w okresie przejściowym, do temperatury -1°C, natomiast kocioł jest wykorzystywany w miesiącach najchłodniejszych. Instalacja fotowoltaiczna wytwarza energię elektryczną, która zasila urządzenia systemu grzewczego. Badania wykazały, że system hybrydowy jest bardzo efektywny, zwłaszcza w połączeniu z możliwością magazynowania nadwyżek energii elektrycznej w sieci. Takie rozwiązanie pozwala pokryć ponad 90% zapotrzebowania energetycznego systemu bazującego na pompach ciepła.
hybrid heating systems; energy efficiency of buildings; photovoltaic systems; prosument system.

hybrydowe systemy grzewcze; efektywność energetyczna budynków; systemy fotowoltaiczne; systemprosument.
  1. Usman M, Jonas D, Frey G. Amethodology for multi-criteria assessment of renewable integrated energy supply options and alternative HVAC systems in a household. Energy Build. 2022; https://doi.org/10.1016/j.enbuild. 2022.112397.
  2. Neubert D, Glück C, Schnitzius J, et al. Analysis of the Operation Characteristics of a Hybrid Heat Pump in an Existing Multifamily House Based on Field Test Data and Simulation. Energies. 2022; https://doi. org/10.3390/en15155611.
  3. Ren XY, Li LL, Ji BX, Liu JQ. Design and analysis of solar hybrid combined cooling, heating and power system: A bi-level optimization model. Energy. 2024; https://doi. org/10.1016/j. energy. 2023.130362.
  4. Da J, Li M, Li G, et al. Simulation and experiment of a photovoltaic – air source heat pump system with thermal energy storage for heating and domestic hotwater supply. Build Simul. 2023; https://doi.org/10.1007/s12273-023- 0999-5.
  5.  Chhugani B, Pärisch P, Helmling S, Giovannetti F. Comparison of PVT – heat pump systems with reference systems for the energy supply of a single-family house. Sol EnergyAdv. 2023; https://doi.org/10.1016/j.seja. 2023.100031.
  6.  Szul T, Lis S, Tomasik M. Ocena efektywności energetycznej i ekonomicznej instalacji grzewczej opartej na pompach ciepła typu powietrze-woda współpracujących z mikroinstalacjami fotowoltaicznymi. Przegląd Elektrotechniczny. 2020; https://doi. org/10.15199/48.2020.04.19.
  7.  Herrería-Alonso S, Suárez-González A, Rodríguez-Pérez M, et al. ASolar Altitude Angle Model for Efficient Solar Energy Predictions. Sensors. 2020; https://doi. org/10.3390/s20051391.
  8.  Mayer MJ, Gróf G. Extensive comparison of physical models for photovoltaic power forecasting. Appl Energy. 2021; https://doi. org/10.1016/j. apenergy. 2020.116239.
  9.  Rijvers L, Rindt C, de Keizer C. Numerical Analysis of a Residential Energy System That Integrates Hybrid Solar Modules (PVT) with a Heat Pump. Energies. 2022; https://doi. org/10.3390/en15010096.
  10.  Zukowski M, Woroniak G. Estimation of energy savings resulting from the cooperation of an air to water heat pump with a solar air heater. Sol Energy. 2023; https://doi. org/10.1016/j. solener. 2022.12.049.
  11. Roccatello E, Prada A, Baggio P, Baratieri M. Analysis of the Influence of Control Strategy and Heating Loads on the Performance of Hybrid Heat Pump Systems for Residential Buildings. Energies. 2022; https://doi. org/10.3390/en15030732.
  12.  Piotrowska-Woroniak J, Baranowski B. Analiza techniczno-ekonomiczna wyboru pomp ciepła dla zaspokojenia potrzeb cieplnych w budynku jednorodzinnym. Rynek Instalacyjny. 2017; 4: 28–34.
  13.  Canale L, Di Fazio AR, Russo M, Frattolillo A, Dell’Isola M. An Overview on Functional Integration of Hybrid Renewable Energy Systems in Multi-Energy Buildings. Energies. 2021; https://doi. org/10.3390/en14041078.
  14.  Vialetto G, Noro M, Rokini M. Studying a hybrid system based on solid oxide fuel cell combined with an air source heat pump and with a novel heat recovery. J Electrochem Energy Convers Storage. 2019; https://doi. org/10.1115/1.4042895.
  15.  Martin-Escudero K, Salazar-Herran E, Campos-Celador A, Diarce- -Belloso G, Gomez-Arriaran I. Solar energy system for heating and domestic hot water supply by means of a heat pump coupled to a photovoltaic ventilated façade. Sol Energy. 2019; https://doi.org/10.1016/j.solener. 2019.03.037.
  16.  Thieblemont H, Haghighat F, Ooka R, Moreau A. Predictive control strategies based on weather forecast in buildings with energy storage system: A review of the state-of-the art. Energy Build. 2017; https://doi. org/10.1016/j. enbuild. 2017.08.010.
  17.  Hou J, Li H, Nord N, Huang G. Model predictive control under weather forecast uncertainty for HVAC systems in university buildings. Energy Build. 2022; https://doi. org/10.1016/j. enbuild. 2021.111793.
  18.  Adegbenro A, Short M, Angione C. An Integrated Approach to Adaptive Control and Supervisory Optimisation of HVAC Control Systems for Demand Response Applications. Energies. 2021; https://doi. org/10.3390/en14082078.
  19.  Piotrowska-Woroniak J, Szul T, Cieśliński K, Krilek J. The Impact of Weather-Forecast-Based Regulation on Energy Savings for Heating in Multi-Family Buildings. Energies. 2022; https://doi. org/10.3390/en15197279.
  20. Nasouri M, Delgarm N. Numerical Modelling, Energy–Exergy Analyses, and Multi-objective Programming of the Solar-assisted Heat Pump System Using Genetic Algorithm Coupled with the Multi-criteria Decision Analysis. Arab J Sci Eng. 2023; https://doi. org/10.1007/s13369- -022-07125-2.
  21.  Famiglietti J, Toppi T, Bonalumi D, Motta M. Heat pumps for space heating and domestic hot water production in residential buildings, an environmental comparison in a present and future scenario. Energy Convers Manag. 2023; https://doi. org/10.1016/j. enconman. 2023.116527.
  22.  Naumann G, Schropp E, Gaderer M. Life Cycle Assessment of an Air- -Source Heat Pump and a Condensing Gas Boiler Using anAttributional and a ConsequentialApproach. Procedia CIRP. 2022; https://doi. org/10.1016/j. procir. 2022.02.058.
  23.  Statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków (stacja Białystok). 2024. https://dane.gov.pl/pl/dataset/ 797.
  24.  Materiały do projektowania firmy Stiebel Eltron. Mini Plama HPA-O CS Plus. 2024. https://www.stiebeleltron. pl (dostęp 10 grudnia 2024).
  25. Woroniak G, Piotrowska-Woroniak J, Woroniak A, Owczarek E, Giza K. Analysis of the Hybrid Power-Heating System in a Single-Family Building, along with Ecological Aspects of the Operation. Energies. 2024; https://doi.org/10.3390/en17072601.
dr inż. Joanna Piotrowska-Woroniak, Politechnika Białostocka, Wydział Budownictwa i Nauk o Środowisku
ORCID: 0000-0001-7858-231X
dr inż. Tomasz Szul, prof. URK, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Produkcji i Energetyki
ORCID: 0000-0003-0346-2289
dr hab. inż. Grzegorz Woroniak, Politechnika Białostocka, Wydział Budownictwa i Nauk o Środowisku
ORCID: 0000-0002-2162-7123
prof. dr hab. inż. Józef Krilek, Faculty of Technology, Technical University in Zvolen, Slovakia
ORCID: 0000-0002-8349-5269

dr inż. Joanna Piotrowska-Woroniak, Politechnika Białostocka, Wydział Budownictwa i Nauk o Środowisku ORCID: 0000-0001-7858-231X

Correspondence address: j.piotrowska@pb.edu.pl

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2025.01.04

Article in PDF file

Received: 06.12.2024 / Artykuł wpłynął do redakcji: 06.12.2024 r.
Revised: 02.01.2025 / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 02.01.2025 r.
Published: 24.01.2025 / Opublikowano: 24.01.2025 r.