Новое исследование, проведенное немецким Институтом систем солнечной энергетики имени Фраунгофера (Fraunhofer ISE), показало, что сочетание фотоэлектрических систем на крыше с аккумуляторными батареями и тепловыми насосами может повысить эффективность тепловых насосов, одновременно снижая зависимость от сетевой электроэнергии.
Исследователи Института экономики и энергетики имени Фраунгофера изучили, как можно объединить фотоэлектрические системы на крышах жилых домов с тепловыми насосами и аккумуляторными батареями.
Они оценили производительность системы из фотоэлектрических систем, теплового насоса и аккумуляторов на основе управления, готового к использованию в интеллектуальных сетях (SG), в односемейном доме, построенном в 1960 году во Фрайбурге, Германия.
«Было обнаружено, что интеллектуальное управление увеличило работу теплового насоса за счет повышения заданных температур», — рассказал исследователь Шубхам Бараскар журналу pv. «Управление SG-Ready увеличило температуру подачи на 4,1 Кельвина для подготовки горячей воды, что затем снизило сезонный коэффициент производительности (SPF) на 5,7% с 3,5 до 3,3. Кроме того, для режима отопления помещения интеллектуальное управление снизило SPF на 4% с 5,0 до 4,8».
SPF — это величина, аналогичная коэффициенту полезного действия (COP), с той разницей, что она 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», которая недавно была опубликована вРазвитие солнечной энергетики.По их словам, основным преимуществом систем фотоэлектрических тепловых насосов является сниженное потребление энергии из сети и более низкие затраты на электроэнергию.
Система теплового насоса представляет собой геотермальный тепловой насос мощностью 13,9 кВт, разработанный с буферным накопителем для отопления помещений. Он также использует накопительный бак и станцию пресной воды для производства горячей воды для бытовых нужд (ГВС). Оба накопителя оснащены электрическими вспомогательными нагревателями.
Система PV ориентирована на юг и имеет угол наклона 30 градусов. Ее выходная мощность составляет 12,3 кВт, а площадь модуля — 60 квадратных метров. Аккумуляторная батарея подключена к постоянному току и имеет емкость 11,7 кВт·ч. Выбранный дом имеет отапливаемую жилую площадь 256 м² и годовую потребность в отоплении 84,3 кВт·ч/м²a.
«Постоянный ток от фотоэлектрических и аккумуляторных блоков преобразуется в переменный через инвертор, который имеет максимальную мощность переменного тока 12 кВт и европейскую эффективность 95 %», — пояснили исследователи, отметив, что управление SG-ready способно взаимодействовать с электросетью и соответствующим образом корректировать работу системы. «В периоды высокой нагрузки на сеть оператор сети может отключить работу теплового насоса, чтобы снизить нагрузку на сеть, или также может принудительно включить его в противоположном случае».
В предлагаемой конфигурации системы фотоэлектрическая энергия должна изначально использоваться для домашних нагрузок, а излишки поставляться в аккумулятор. Избыточная энергия может экспортироваться в сеть только в том случае, если домашнему хозяйству не требуется электричество, а аккумулятор полностью заряжен. Если и фотоэлектрическая система, и аккумулятор не могут покрыть потребности дома в энергии, можно использовать электросеть.
«Режим SG-Ready активируется, когда аккумулятор полностью заряжен или заряжается на максимальной мощности, и еще есть избыток фотоэлектрических модулей», — говорят ученые. «И наоборот, условие отключения выполняется, когда мгновенная мощность фотоэлектрических модулей остается ниже общей потребности здания в течение как минимум 10 минут».
В своем анализе они учитывали уровни собственного потребления, долю солнечной энергии, эффективность теплового насоса и влияние фотоэлектрической системы и аккумулятора на эффективность работы теплового насоса. Они использовали данные с высоким разрешением за 1 минуту 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 собственного потребления в размере 42,9% в течение года, что означает финансовую выгоду для домовладельцев.
«Потребность в электроэнергии для [теплового насоса] была покрыта на 36% системой фотоэлектрических систем/аккумуляторов, на 51% в режиме горячего водоснабжения и на 28% в режиме отопления помещений», — пояснила исследовательская группа, добавив, что более высокая температура радиатора снизила эффективность теплового насоса на 5,7% в режиме ГВС и на 4,0% в режиме отопления помещений.
«Для отопления помещений также был обнаружен негативный эффект интеллектуального управления», — сказал Бараскар. «Благодаря управлению SG-Ready тепловой насос работал при отоплении помещений выше заданных температур отопления. Это было связано с тем, что управление, вероятно, увеличило заданную температуру хранения и включило тепловой насос, хотя тепло не было нужно для отопления помещений. Следует также учитывать, что чрезмерно высокие температуры хранения могут привести к более высоким потерям тепла в хранилище».
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 существенно различаться в зависимости от характеристик здания и энергетической системы», — заключили они.
Время публикации: 13 ноября 2023 г.