Nowe badania przeprowadzone przez niemiecki Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (Fraunhofer ISE) wykazały, że połączenie dachowych systemów fotowoltaicznych z magazynami energii i pompami ciepła może poprawić wydajność pomp ciepła, zmniejszając jednocześnie zależność od sieci energetycznej.
Naukowcy z Fraunhofer ISE badali, w jaki sposób systemy fotowoltaiczne na dachach domów można połączyć z pompami ciepła i magazynami energii.
Ocenili wydajność systemu fotowoltaicznego, pompy ciepła i akumulatora opartego na sterowaniu przystosowanym do inteligentnej sieci (SG) w domu jednorodzinnym wybudowanym w 1960 roku we Fryburgu w Niemczech.
„Okazało się, że inteligentne sterowanie zwiększyło działanie pompy ciepła poprzez podniesienie ustawionych temperatur” – powiedział badacz Shubham Baraskar magazynowi pv. „Sterowanie SG-Ready zwiększyło temperaturę zasilania o 4,1 kelwina w celu przygotowania ciepłej wody, co następnie zmniejszyło sezonowy współczynnik wydajności (SPF) o 5,7% z 3,5 do 3,3. Ponadto w trybie ogrzewania pomieszczeń inteligentne sterowanie zmniejszyło SPF o 4% z 5,0 do 4,8”.
SPF to wartość podobna do współczynnika wydajności (COP), z tą różnicą, że jest obliczany na przestrzeni dłuższego okresu czasu przy zmiennych warunkach brzegowych.
Baraskar i jego współpracownicy wyjaśnili swoje odkrycia w artykule „Analiza wydajności i działania systemu pompy ciepła z ogniwami fotowoltaicznymi i akumulatorem na podstawie danych z pomiarów terenowych”, który niedawno został opublikowany wPostęp w dziedzinie energii słonecznej.Powiedzieli, że główną zaletą systemów fotowoltaicznych i pomp ciepła jest zmniejszone zużycie energii elektrycznej i niższe koszty energii elektrycznej.
System pompy ciepła to pompa ciepła gruntowa o mocy 13,9 kW zaprojektowana z buforowym zbiornikiem do ogrzewania pomieszczeń. Opiera się również na zbiorniku magazynowym i stacji świeżej wody do produkcji ciepłej wody użytkowej (DHW). Obie jednostki magazynowe są wyposażone w elektryczne grzałki pomocnicze.
System PV jest zorientowany na południe i ma kąt nachylenia 30 stopni. Ma moc wyjściową 12,3 kW i powierzchnię modułu 60 metrów kwadratowych. Akumulator jest sprzężony prądem stałym i ma pojemność 11,7 kWh. Wybrany dom ma ogrzewaną powierzchnię mieszkalną 256 m2 i roczne zapotrzebowanie na ciepło 84,3 kWh/m²a.
„Moc DC z PV i jednostek akumulatorowych jest przekształcana na AC za pomocą falownika o maksymalnej mocy AC 12 kW i europejskiej sprawności 95%” – wyjaśnili badacze, zauważając, że sterowanie SG-ready jest w stanie współdziałać z siecią elektryczną i odpowiednio dostosowywać działanie systemu. „W okresach dużego obciążenia sieci operator sieci może wyłączyć działanie pompy ciepła, aby zmniejszyć obciążenie sieci lub może również przejść do wymuszonego włączenia w przeciwnym przypadku”.
Zgodnie z proponowaną konfiguracją systemu, energia PV musi być początkowo używana do obciążeń domowych, a nadwyżka dostarczana do akumulatora. Nadwyżka energii może być eksportowana do sieci tylko wtedy, gdy gospodarstwo domowe nie potrzebuje prądu, a akumulator jest całkowicie naładowany. Jeśli zarówno system PV, jak i akumulator nie są w stanie pokryć zapotrzebowania domu na energię, można wykorzystać sieć elektryczną.
„Tryb SG-Ready jest aktywowany, gdy akumulator jest w pełni naładowany lub ładuje się z maksymalną mocą i nadal jest dostępny nadmiar PV” – powiedzieli naukowcy. „Odwrotnie, warunek wyłączenia wyzwalacza jest spełniony, gdy chwilowa moc PV pozostaje niższa niż całkowite zapotrzebowanie budynku przez co najmniej 10 minut”.
Ich analiza uwzględniała poziomy autokonsumpcji, frakcję energii słonecznej, wydajność pompy ciepła oraz wpływ systemu fotowoltaicznego i akumulatora na wydajność pompy ciepła. Wykorzystali dane o wysokiej rozdzielczości 1-minutowe od stycznia do grudnia 2022 r. i odkryli, że sterowanie SG-Ready zwiększyło temperaturę zasilania pompy ciepła o 4,1 K dla ciepłej wody użytkowej. Stwierdzili również, że system osiągnął całkowite autokonsumpcję na poziomie 42,9% w ciągu roku, co przekłada się na korzyści finansowe dla właścicieli domów.
„Potrzeba energii elektrycznej dla [pompy ciepła] została pokryta w 36% przez system fotowoltaiczny/akumulatorowy, w 51% w trybie ciepłej wody użytkowej i w 28% w trybie ogrzewania pomieszczeń” – wyjaśnił zespół badawczy, dodając, że wyższe temperatury ujścia zmniejszały wydajność pompy ciepła o 5,7% w trybie ciepłej wody użytkowej i o 4,0% w trybie ogrzewania pomieszczeń.
„W przypadku ogrzewania pomieszczeń stwierdzono również negatywny wpływ inteligentnego sterowania” — powiedział Baraskar. „Ze względu na sterowanie SG-Ready pompa ciepła pracowała w ogrzewaniu pomieszczeń powyżej temperatur zadanych ogrzewania. Stało się tak, ponieważ sterowanie prawdopodobnie zwiększyło ustawioną temperaturę magazynowania i uruchomiło pompę ciepła, mimo że ciepło nie było potrzebne do ogrzewania pomieszczeń. Należy również wziąć pod uwagę, że nadmiernie wysokie temperatury magazynowania mogą prowadzić do większych strat ciepła magazynowania”.
Naukowcy stwierdzili, że w przyszłości będą badać inne kombinacje instalacji fotowoltaicznych i pomp ciepła, wykorzystując różne koncepcje systemów i sterowania.
„Należy zauważyć, że ustalenia te dotyczą konkretnych ocenianych systemów i mogą się znacznie różnić w zależności od budynku i specyfikacji systemu energetycznego” – podsumowali.
Czas publikacji: 13-11-2023