Новое исследование немецкого Института систем солнечной энергии Фраунгофера (Fraunhofer ISE) показало, что сочетание фотоэлектрических систем на крыше с аккумуляторными батареями и тепловыми насосами может повысить эффективность теплового насоса, одновременно снижая зависимость от электроэнергии из сети.
Исследователи Fraunhofer ISE изучили, как фотоэлектрические системы на крышах жилых домов можно объединить с тепловыми насосами и аккумуляторными батареями.
Они оценили эффективность системы фотоэлектрический тепловой насос-батарея, основанной на готовом к использованию интеллектуальной сети (SG) управлении в частном доме, построенном в 1960 году во Фрайбурге, Германия.
«Было обнаружено, что интеллектуальное управление увеличивает производительность теплового насоса за счет повышения заданных температур», — рассказал исследователь Шубхам Бараскар журналу PV. «Регулятор SG-Ready увеличил температуру подачи на 4,1 Кельвина для приготовления горячей воды, что затем снизило сезонный коэффициент полезного действия (SPF) на 5,7% с 3,5 до 3,3. Кроме того, в режиме обогрева помещения интеллектуальное управление снизило SPF на 4% с 5,0 до 4,8».
SPF — это величина, аналогичная коэффициенту полезного действия (КПД), с той разницей, что он рассчитывается за более длительный период с различными граничными условиями.
Бараскар и его коллеги объяснили свои выводы в «Анализ производительности и работы системы теплового насоса с фотоэлектрическими батареями на основе данных полевых измерений», который был недавно опубликован вДостижения солнечной энергетики.По их словам, основное преимущество фотоэлектрических теплонасосных систем заключается в снижении потребления электроэнергии и снижении затрат на электроэнергию.
Система теплового насоса представляет собой геотермальный тепловой насос мощностью 13,9 кВт, оснащенный буферным накопителем для обогрева помещений. Он также использует резервуар для хранения и станцию пресной воды для производства горячей воды для бытовых нужд (ГВС). Оба хранилища оборудованы дополнительными электронагревателями.
Фотоэлектрическая система ориентирована на юг и имеет угол наклона 30 градусов. Он имеет выходную мощность 12,3 кВт и площадь модуля 60 квадратных метров. Аккумулятор работает по постоянному току и имеет емкость 11,7 кВтч. Выбранный дом имеет отапливаемую жилую площадь 256 м² и годовую потребность в отоплении 84,3 кВтч/м² год.
«Энергия постоянного тока от фотоэлектрических и аккумуляторных блоков преобразуется в переменный ток через инвертор, который имеет максимальную мощность переменного тока 12 кВт и европейский КПД 95 %», — объяснили исследователи, отметив, что система управления, готовая к использованию SG, способна взаимодействовать с электросети и соответствующим образом отрегулировать работу системы. «В периоды высокой нагрузки на сеть оператор сети может отключить работу теплового насоса, чтобы уменьшить нагрузку на сеть, или в противоположном случае может также подвергнуться принудительному включению».
В соответствии с предлагаемой конфигурацией системы, фотоэлектрическая энергия должна первоначально использоваться для нагрузки дома, а избыток поступать в батарею. Избыточную мощность можно экспортировать в сеть только в том случае, если домохозяйству не требуется электроэнергия и аккумулятор полностью заряжен. Если и фотоэлектрическая система, и батарея не могут покрыть потребность дома в энергии, можно использовать электросеть.
«Режим SG-Ready активируется, когда аккумулятор полностью заряжен или заряжается на максимальной мощности, и все еще имеется избыток фотоэлектрических элементов», — сказали ученые. «И наоборот, условие срабатывания выполняется, когда мгновенная фотоэлектрическая мощность остается ниже общей потребности здания в течение как минимум 10 минут».
В их анализе учитывались уровни собственного потребления, доля солнечной энергии, эффективность теплового насоса, а также влияние фотоэлектрической системы и батареи на эффективность работы теплового насоса. Они использовали 1-минутные данные высокого разрешения с января по декабрь 2022 года и обнаружили, что система управления SG-Ready увеличила температуру подачи теплового насоса на 4,1 К для ГВС. Они также установили, что система достигла общего уровня собственного потребления в размере 42,9% в течение года, что приводит к финансовой выгоде для домовладельцев.
«Потребность в электроэнергии для [теплового насоса] была покрыта на 36% с помощью фотоэлектрической/аккумуляторной системы, на 51% в режиме горячего водоснабжения и на 28% в режиме отопления помещений», — пояснила исследовательская группа, добавив, что более высокие температуры в раковине снижают КПД теплового насоса на 5,7% в режиме ГВС и на 4,0% в режиме отопления.
«В отношении отопления помещений также был обнаружен отрицательный эффект интеллектуального управления», — сказал Бараскар. «Благодаря системе управления SG-Ready тепловой насос работал при обогреве помещений выше заданной температуры отопления. Это произошло потому, что система управления, вероятно, увеличила заданную температуру аккумулирования и включила тепловой насос, хотя тепло не требовалось для обогрева помещения. Следует также учитывать, что чрезмерно высокие температуры хранения могут привести к более высоким потерям тепла при хранении».
Ученые заявили, что в будущем они будут исследовать дополнительные комбинации фотоэлектрических систем и тепловых насосов с различными концепциями систем и управления.
«Следует отметить, что эти результаты специфичны для отдельных оцениваемых систем и могут сильно различаться в зависимости от характеристик здания и энергосистемы», — заключили они.
Время публикации: 13 ноября 2023 г.