Параметры производительности бытовых тепловых насосов, связанных с фотоэлектрическими системами и накопителями
Немецкие исследователи в течение года измеряли работу теплового насоса на фотоэлектрических батареях с аккумуляторной батареей в односемейном доме во Фрайбурге, Германия. Насос оснащен интеллектуальной технологией, готовой к работе с сетью, которая регулирует работу в зависимости от сети.
Исследователи под руководством Института солнечных энергетических систем им. Фраунгофера (Fraunhofer ISE) в Германии изучили бытовую установку теплового насоса (ТН) в сочетании с фотоэлектрическими установками, аккумуляторными батареями и интеллектуальной системой, готовой к работе в сети.
«Глубокие исследования с точки зрения влияния интеллектуального управления на динамическую эффективность теплового насоса отсутствуют, — говорят исследователи. — Необходимо провести большую работу для анализа влияния фотоэлектрических модулей и аккумуляторных батарей на энергию, потребляемую тепловым насосом, путем переопределения системных границ систем PV-HP».
Их анализ базируется на годовых данных из односемейного дома во Фрайбурге, Германия. В нем используется грунтовой тепловой насос номинальной мощностью 13,9 кВт. Фотоэлектрическая установка имеет площадь модулей 60 м² и номинальную мощность 12,3 кВт. Аккумуляторная батарея имеет емкость 11,7 кВт/ч. Система должна была обеспечить отопление жилого помещения площадью 256 м², а также бак для горячей воды (ГВС).
Тепловой насос установки имеет маркировку SG-Ready, который означает, что он может обмениваться данными с сетью и самостоятельно регулировать свою работу. В контексте этого исследования, однако, он использовался для максимизации собственного потребления фотоэлектрической энергии путем регулирования работы теплового насоса на основе доступной фотоэлектрической электроэнергии.
«В анализируемой системе режим SG-Ready настроен на запуск теплового насоса в усиленном режиме, благодаря чему повышается температура отопления помещений и ГВС, — пояснили в группе. — Режим SG-Ready активируется, когда батарея полностью заряжена или заряжается на максимальной мощности, а фотоэлектрический избыток все еще доступен».
Когда мгновенная фотоэлектрическая мощность остается ниже общей потребности здания в течение не менее 10 минут, выполняется условие отключения, что приводит к возвращению теплового насоса к нормальной работе, определенной параметрами системы, отмечают исследователи. Тепловые и электрические данные систем, использовавшихся в исследовании, собирались в течение всего 2022 года и анализировались с дискретностью в одну минуту.
Исследователи заявили, что комбинированная система достигла уровня собственного потребления 43% в год. Зимой, при пониженном уровне фотоэлектрической генерации, этот показатель достигал от 94% до 100%. В летние месяцы с высоким уровнем фотоэлектрической генерации собственное потребление падало ниже 50%, достигая самой низкой точки в 25% в июле.
Ученые также исследовали солнечную долю (СЧ), которая ссылается на отношение фотоэлектрической энергии, подаваемой непосредственно на нагрузку теплового насоса или через разрядку аккумулятора, к общему потреблению электроэнергии тепловым насосом.
«В течение исследуемого периода тепловой насос потребил всего 5 064 кВт/ч, 63,8% из которых было получено от сети, — отмечают они. — Фотоэлектрические модули обеспечили 899 кВт/ч (17,8%), а аккумуляторные батареи — 934 кВт/ч (18,4%), в результате чего годовая доля солнечной энергии составила 0,36%».
Исследователи рассчитали сезонный коэффициент производительности (SPF) для комбинированной системы, который составил 6,7, что на 59,5% лучше по сравнению с системой, которая питает тепловой насос исключительно от электросети. Кроме того, интеллектуальная сетевая система повысила температуру подачи горячей воды для ГВС на 4,1К и отопления помещений на 1,8К. Однако лишь 5% тепловой энергии в режиме отопления помещений и 28% в режиме горячего водоснабжения обеспечивались при повышенных температурах.
«Повышение температуры снижает эффективность 3,5 на 0,2 пункта, таким образом, на 5,7%», — отмечают они. — В режиме отопления помещений КПД снижается с 5,0 до 4,8, то есть всего на 4,0%».
Эффективным, экономным и, что самое важное, автономным решением для получения тепла и электричества может стать модульная котельная. Имея возможность работать даже на очень низкокачественном топливе с влажностью до 40%, котельная будет генерировать 8,2 кВт электроэнергии и отапливать на 130 кВт тепла с высоким КПД.