Нове дослідження німецького Інституту систем сонячної енергії Фраунгофера (Fraunhofer ISE) показало, що поєднання фотоелектричних систем на даху з акумуляторними батареями та тепловими насосами може підвищити ефективність теплового насоса, одночасно зменшуючи залежність від електромережі.
Дослідники Fraunhofer ISE вивчили, як житлові фотоелектричні системи на даху можна поєднати з тепловими насосами та накопичувачами акумуляторів.
Вони оцінили продуктивність фотоелектричної теплової насосно-акумуляторної системи на основі готового керування розумною мережею (SG) в односімейному будинку, побудованому в 1960 році у Фрайбурзі, Німеччина.
«Було виявлено, що інтелектуальне керування покращує роботу теплового насоса, підвищуючи встановлені температури», — сказав дослідник Шубхам Бараскар журналу pv. «Керування SG-Ready підвищило температуру подачі на 4,1 Кельвіна для приготування гарячої води, що потім знизило сезонний коефіцієнт продуктивності (SPF) на 5,7% з 3,5 до 3,3. Крім того, для режиму обігріву приміщення інтелектуальне керування зменшило SPF на 4% з 5,0 до 4,8».
SPF — це значення, подібне до коефіцієнта продуктивності (COP), з тією різницею, що воно обчислюється за довший період із змінними граничними умовами.
Бараскар і його колеги пояснили свої висновки в «Аналіз продуктивності та роботи системи теплового насоса з фотоелектричними батареями на основі даних польових вимірювань”, яка нещодавно була опублікована вДосягнення сонячної енергії.Вони сказали, що головна перевага фотоелектричних теплових насосів полягає в їх зниженому споживанні мережі та менших витратах на електроенергію.
Теплонасосна система — це наземний тепловий насос потужністю 13,9 кВт, розроблений з буферним накопичувачем для опалення приміщень. Він також покладається на накопичувальний бак і станцію прісної води для виробництва гарячої води для побутових потреб. Обидва накопичувачі обладнані допоміжними електричними нагрівачами.
Фотоелектрична система орієнтована на південь і має кут нахилу 30 градусів. Він має вихідну потужність 12,3 кВт і площу модуля 60 квадратних метрів. Акумулятор працює по постійному струму і має ємність 11,7 кВт/год. Вибраний будинок має опалювальну житлову площу 256 м2 і річну потребу в опаленні 84,3 кВт-год/м²a.
«Постійний струм від фотоелектричних і акумуляторних блоків перетворюється на змінний струм через інвертор, який має максимальну потужність змінного струму 12 кВт і європейський ККД 95%», — пояснили дослідники, зазначивши, що готовий до SG контроль може взаємодіяти з електричної мережі та відповідно налаштувати роботу системи. «Під час періодів високого навантаження на мережу оператор мережі може вимкнути роботу теплового насоса, щоб зменшити навантаження на мережу, або може також виконати примусове ввімкнення в протилежному випадку».
Відповідно до запропонованої конфігурації системи, фотоелектрична енергія повинна спочатку використовуватися для домашніх навантажень, а надлишок подається до батареї. Надлишок електроенергії можна експортувати в мережу, лише якщо домогосподарство не потребує електроенергії, а батарея повністю заряджена. Якщо ні фотоелектрична система, ні батарея не в змозі задовольнити потреби будинку в енергії, можна використовувати електричну мережу.
«Режим SG-Ready активується, коли батарея повністю заряджена або заряджається на максимальній потужності, і все ще є надлишок фотоелектричної енергії», — сказали вчені. «І навпаки, умова запуску виконується, коли миттєва фотоелектрична потужність залишається нижчою за загальну потребу будівлі протягом принаймні 10 хвилин».
Їхній аналіз враховував рівні власного споживання, сонячну частку, ефективність теплового насоса та вплив фотоелектричної системи та батареї на ефективність роботи теплового насоса. Вони використали 1-хвилинні дані високої роздільної здатності з січня по грудень 2022 року та виявили, що контроль SG-Ready підвищив температуру подачі теплового насоса на 4,1 K для ГВП. Вони також встановили, що система досягла загального власного споживання 42,9% протягом року, що означає фінансову вигоду для власників будинків.
«Потреба в електроенергії для [теплового насоса] була покрита на 36% завдяки PV/батарейній системі, на 51% у режимі ГВП та на 28% у режимі опалення приміщення», — пояснила дослідницька група, додавши, що більш висока температура раковини знижує ККД теплового насоса на 5,7% в режимі ГВП і на 4,0% в режимі опалення приміщення.
«Для опалення приміщень також було виявлено негативний ефект інтелектуального керування», — сказав Бараскар. «Завдяки управлінню SG-Ready тепловий насос працював при опаленні приміщень вище заданих температур. Це сталося тому, що система керування, ймовірно, підвищила задану температуру накопичувача та запустила тепловий насос, навіть якщо тепло не було потрібне для опалення приміщення. Слід також враховувати, що надмірно високі температури зберігання можуть призвести до більших втрат тепла при зберіганні».
Вчені заявили, що в майбутньому дослідять додаткові комбінації PV/теплового насоса з різними системами та концепціями керування.
«Слід зазначити, що ці висновки є специфічними для окремих оцінених систем і можуть значно відрізнятися залежно від специфікацій будівлі та енергетичної системи», – підсумували вони.
Час публікації: 13 листопада 2023 р