Интеграция домашних тепловых насосов с фотоэлектрическими солнечными батареями и аккумуляторными батареями

Соединения гидравлической системы для систем теплового насоса

Исследователи Fraunhofer ISE изучают потенциал солнечных энергетических систем на крышах жилых домов, в частности то, как они могут работать в тандеме с тепловыми насосами и аккумуляторами.

Их исследование было сосредоточено на доме на одну семью, построенном в 1960 году во Фрайбурге, Германия, оборудованном системой, объединяющей фотоэлектрические (PV) панели, тепловой насос и аккумуляторную батарею, управляемые интеллектуальной сетью (SG). готовый контроль. Шубхам Бараскар, исследователь, поделился с журналом PV, что интеллектуальное управление эффективно увеличило работу теплового насоса за счет повышения заданных температур. Например, регулирование повысило температуру подачи на 4,1 Кельвина для приготовления горячей воды, что привело к снижению сезонного коэффициента полезного действия (SPF) на 5,7% с 3,5 до 3,3. В режиме обогрева помещения интеллектуальное управление снижает SPF на 4 %, с 5,0 до 4,8.

SPF, аналогичный коэффициенту эффективности (COP), отличается тем, что рассчитывается за более длительный период при различных условиях. 

Бараскар и его команда подробно изложили свои выводы в своем исследовании «Анализ производительности и работы системы теплового насоса с фотоэлектрическими батареями на основе данных полевых измерений», опубликованном в журнале Solar Energy Advances. Они отметили, что основными преимуществами фотоэлектрических теплонасосных систем являются снижение потребления электроэнергии и снижение затрат на электроэнергию.

Предлагаемая система теплового насоса представляет собой геотермальную установку мощностью 13,9 кВт с буферным накопителем для обогрева помещений. Он также включает в себя резервуар и станцию ​​пресной воды для производства горячей воды (ГВС), каждая из которых оснащена дополнительными электрическими нагревателями.

Солнечная фотоэлектрическая система обращена на юг с углом наклона 30 градусов, имеет мощность 12,3 кВт и занимает площадь 60 квадратных метров. Аккумулятор постоянного тока имеет емкость 11,7 кВтч. Выбранный дом имеет отапливаемую площадь 256 м² и годовую потребность в отоплении 84,3 кВтч/м²год.

Исследователи объяснили, что мощность постоянного тока от фотоэлектрических и аккумуляторных блоков преобразуется в переменный ток через инвертор с максимальной мощностью 12 кВт и европейским КПД 95%. Система управления, готовая к использованию SG, взаимодействует с электросетью, соответствующим образом корректируя работу системы. Это позволяет снизить нагрузку на сеть в периоды высокой нагрузки за счет отключения теплового насоса или включения его в обратных ситуациях.

В системе, разработанной исследователями, солнечная энергия от фотоэлектрических панелей в первую очередь используется для бытовых нужд. Вся дополнительная мощность затем направляется в батарею. Только когда потребности дома удовлетворены и аккумулятор полностью заряжен, избыточная энергия отправляется в сеть. И наоборот, если фотоэлектрическая система и батарея не могут удовлетворить потребности дома в энергии, используется электричество из сети.

Команда подчеркнула, что режим SG-Ready включается, когда аккумулятор либо полностью заряжен, либо заряжается на максимуме, но при этом остается избыток солнечной энергии. Он выключается, когда уровень солнечной энергии ниже потребности дома в течение как минимум 10 минут.

В исследовании, включавшем подробные 1-минутные данные с января по декабрь 2022 года, изучались уровни собственного потребления, доля солнечной энергии, эффективность теплового насоса, а также влияние фотоэлектрической системы и батареи на производительность теплового насоса. Они обнаружили, что система управления SG-Ready повысила температуру подачи теплового насоса на 4,1 K для горячего водоснабжения (ГВС) и достигла уровня собственного потребления 42,9% за год, что привело к финансовой экономии для домовладельцев.

Потребность в электроэнергии для теплового насоса на 36 % покрывалась фотоэлектрической/аккумуляторной системой, 51 % — в режиме ГВС и 28 % — в режиме отопления помещений. Однако они отметили, что более высокие температуры снижают эффективность теплового насоса на 5,7% в режиме ГВС и на 4,0% в режиме отопления.

Бараскар указал на недостаток обогрева помещений: интеллектуальное управление иногда приводило к тому, что тепловой насос работал выше необходимой температуры отопления из-за вероятного повышения заданной температуры хранения, даже когда отопление не требовалось. Он также упомянул о возможности увеличения теплопотерь из-за чрезмерно высоких температур хранения.

В будущем команда планирует изучить больше комбинаций фотоэлектрических/тепловых насосов с различными конфигурациями и средствами управления. Они подчеркнули, что эти результаты специфичны для протестированных ими систем и могут различаться в зависимости от характеристик зданий и энергетических систем.