Параметри продуктивності побутових теплових насосів, пов'язаних з фотоелектричними системами та накопичувачами
Німецькі дослідники протягом року вимірювали роботу теплового насоса на фотоелектричних батареях з акумуляторною батареєю в односімейному будинку у Фрайбурзі, Німеччина. Насос оснащений інтелектуальною технологією, готовою до роботи з мережею, яка регулює роботу в залежності від мережі.
Дослідники під керівництвом Інституту сонячних енергетичних систем ім. Фраунгофера (Fraunhofer ISE) в Німеччині вивчили побутову установку теплового насоса (ТН) в поєднанні з фотоелектричними установками, акумуляторними батареями та інтелектуальною системою, готовою до роботи в мережі.
“Глибокі дослідження з точки зору впливу інтелектуального управління на динамічну ефективність теплового насоса відсутні, – кажуть дослідники. – Необхідно провести велику роботу для аналізу впливу фотоелектричних модулів та акумуляторних батарей на енергію, що споживається тепловим насосом, шляхом перевизначення системних меж систем PV-HP”.
Їхній аналіз базується на річних даних з односімейного будинку у Фрайбурзі, Німеччина. У ньому використовується ґрунтовий тепловий насос номінальною потужністю 13,9 кВт. Фотоелектрична установка має площу модулів 60 м² і номінальну потужність 12,3 кВт. Акумуляторна батарея має ємність 11,7 кВт/год. Система повинна була забезпечити опалення житлового приміщення площею 256 м², а також бак для гарячої води (ГВП).
Тепловий насос установки має маркування SG-Ready, який означає, що він може обмінюватися даними з мережею і самостійно регулювати свою роботу. У контексті цього дослідження, однак, він використовувався для максимізації власного споживання фотоелектричної енергії шляхом регулювання роботи теплового насоса на основі доступної фотоелектричної електроенергії.
“В аналізованій системі режим SG-Ready налаштований на запуск теплового насосу в посиленому режимі, завдяки чому підвищується температура опалення приміщень та ГВП, – пояснили в групі. – Режим SG-Ready активується, коли батарея повністю заряджена або заряджається на максимальній потужності, а фотоелектричний надлишок все ще доступний”.
Коли миттєва фотоелектрична потужність залишається нижчою за загальну потребу будівлі протягом щонайменше 10 хвилин, виконується умова відключення, що призводить до повернення теплового насоса до нормальної роботи, визначеної параметрами системи, зазначають дослідники. Теплові та електричні дані систем, що використовувалися в дослідженні, збиралися протягом усього 2022 року і аналізувалися з дискретністю в одну хвилину.
Дослідники заявили, що комбінована система досягла рівня власного споживання 43% на рік. Взимку, при зниженому рівні фотоелектричної генерації, цей показник сягав від 94% до 100%. У літні місяці з високим рівнем фотоелектричної генерації власне споживання падало нижче 50%, досягаючи найнижчої точки в 25% у липні.
Вчені також дослідили сонячну частку (СЧ), яка посилається на відношення фотоелектричної енергії, що подається безпосередньо на навантаження теплового насоса або через розрядку акумулятора, до загального споживання електроенергії тепловим насосом.
“Протяом досліджуваного періоду тепловий насос спожив загалом 5 064 кВт/год, 63,8% з яких було отримано від мережі, – зазначають вони. – Фотоелектричні модулі забезпечили 899 кВт/год (17,8%), а акумуляторні батареї – 934 кВт/год (18,4%), в результаті чого річна частка сонячної енергії склала 0,36%”.
Дослідники розрахували сезонний коефіцієнт продуктивності (SPF) для комбінованої системи, який склав 6,7, що на 59,5% краще порівняно з системою, яка живить тепловий насос виключно від електромережі. Крім того, інтелектуальна мережева система підвищила температуру подачі гарячої води для ГВП на 4,1К та опалення приміщень на 1,8К. Однак лише 5% теплової енергії в режимі опалення приміщень і 28% в режимі гарячого водопостачання забезпечувалися при підвищених температурах.
“Підвищення температури знижує ефективність 3,5 на 0,2 пункти, таким чином, на 5,7%”, – зазначають вони. – У режимі опалення приміщень ККД знижується з 5,0 до 4,8, тобто лише на 4,0%”.
Ефективним, економним та, що найважливіше, автономним рішенням для отримання тепла та електрики може стати модульна котельня. Маючи можливість працювати навіть на дуже низькоякісному паливі з вологістю до 40%, котельня генеруватиме 8,2 кВт електроенергії та опалюватиме на 130 кВт тепла з вискоим ККД.