Інтеграція домашніх теплових насосів із сонячними фотоелектричними та накопичувальними акумуляторами

Підключення до гідравлічної системи для систем теплового насоса

Дослідники Fraunhofer ISE досліджували потенціал сонячних енергетичних систем на дахах житлових будинків, зокрема те, як вони можуть працювати в тандемі з тепловими насосами та накопичувачами акумуляторів.

Їхнє дослідження було зосереджено на будинку для однієї сім’ї 1960 року у Фрайбурзі, Німеччина, обладнаному системою, яка поєднувала фотоелектричні (PV) панелі, тепловий насос і акумуляторну батарею, і все це керувалося розумною мережею (SG). готовий контроль. Шубхам Бараскар, дослідник, поділився з журналом PV, що інтелектуальне керування ефективно покращило роботу теплового насоса, підвищивши задану температуру. Наприклад, контроль підвищив температуру подачі на 4,1 Кельвіна для приготування гарячої води, що призвело до зниження коефіцієнта сезонної продуктивності (SPF) на 5,7% з 3,5 до 3,3. У режимі обігріву приміщення розумне керування зменшило SPF на 4%, з 5,0 до 4,8.

SPF, подібний до коефіцієнта продуктивності (COP), відрізняється тим, що він обчислюється протягом більш тривалого періоду за різних умов. 

Бараскар і його команда детально описали свої висновки у своєму дослідженні «Аналіз продуктивності та роботи системи теплового насоса з фотоелектричними батареями на основі даних польових вимірювань», опублікованому в Solar Energy Advances. Вони відзначили, що основними перевагами фотоелектричних теплових насосів є зменшення споживання електроенергії та зниження витрат на електроенергію.

Пропонована система теплового насоса — це наземний агрегат потужністю 13,9 кВт із буферним накопичувачем для обігріву приміщень. Він також включає резервуар і станцію прісної води для виробництва гарячої води для побутових потреб (ГВП), обидва з допоміжними електричними нагрівачами.

Сонячна фотоелектрична система орієнтована на південь з кутом нахилу 30 градусів, має вихідну потужність 12,3 кВт і охоплює 60 квадратних метрів. Акумулятор зі зв’язком постійного струму має ємність 11,7 кВт/год. Вибраний будинок має опалювальну площу 256 м² і річну потребу в опаленні 84,3 кВт·год/м²рік.

Дослідники пояснили, що постійний струм від фотоелектричних і акумуляторних блоків перетворюється на змінний струм за допомогою інвертора з максимальною потужністю 12 кВт і європейським ККД 95%. Контроль SG-ready взаємодіє з електромережею, відповідно коригуючи роботу системи. Це дозволяє зменшити навантаження на мережу в періоди високого навантаження, вимикаючи тепловий насос або активуючи його в зворотних ситуаціях.

У системі, розробленій дослідниками, сонячна енергія від фотоелектричних панелей спочатку використовується для побутових потреб. Будь-яка додаткова потужність потім спрямовується на батарею. Тільки коли потреби будинку задоволені, а батарея повністю заряджена, надлишок енергії відправляється в мережу. І навпаки, якщо фотоелектрична система та акумулятор не можуть задовольнити енергетичні потреби будинку, використовується електроенергія з мережі.

Команда підкреслила, що режим SG-Ready запускається, коли батарея або повністю заряджена, або заряджається на максимумі, і все ще є надлишок сонячної енергії. Він вимикається, коли сонячна енергія нижча, ніж потреба будинку, принаймні на 10 хвилин.

Їхнє дослідження, яке включало детальні 1-хвилинні дані з січня по грудень 2022 року, розглядало рівні власного споживання, сонячну частку, ефективність теплового насоса та вплив фотоелектричної системи та акумулятора на продуктивність теплового насоса. Вони виявили, що контроль SG-Ready підвищив температуру подачі теплового насоса на 4,1 K для побутової гарячої води (ГВП) і досяг 42,9% рівня самоспоживання протягом року, що призвело до фінансової економії для власників будинків.

Потреба в електроенергії для теплового насоса була покрита на 36% системою PV/батареї, з 51% у режимі ГВП та 28% у режимі опалення приміщення. Однак вони відзначили, що більш високі температури знижують ефективність теплового насоса на 5,7% у режимі ГВП та на 4,0% у режимі опалення приміщення.

Бараскар вказав на недолік опалення приміщень: інтелектуальне керування інколи спричиняло роботу теплового насоса вище необхідних температур нагріву через ймовірне підвищення встановленої температури зберігання, навіть якщо опалення не було потрібним. Він також згадав про можливість збільшення тепловтрат через надмірно високі температури зберігання.

У майбутньому команда планує вивчити більше комбінацій фотоелектричних/теплових насосів із різними конфігураціями та засобами керування. Вони підкреслили, що ці результати є специфічними для систем, які вони перевіряли, і можуть змінюватися залежно від специфікацій різних будівель та енергетичних систем.