Nowe badania przeprowadzone przez niemiecki Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (Fraunhofer ISE) wykazały, że połączenie dachowych systemów fotowoltaicznych z akumulatorami i pompami ciepła może poprawić wydajność pomp ciepła, jednocześnie zmniejszając zależność od energii elektrycznej z sieci.
Naukowcy z Fraunhofer ISE badali, w jaki sposób można połączyć dachowe systemy fotowoltaiczne w budynkach mieszkalnych z pompami ciepła i akumulatorami.
Ocenili wydajność układu fotowoltaicznego z pompą ciepła i akumulatorami opartego na sterowaniu gotowym do inteligentnej sieci (SG) w domu jednorodzinnym zbudowanym w 1960 r. we Fryburgu w Niemczech.
„Odkryto, że inteligentne sterowanie zwiększyło działanie pompy ciepła poprzez podniesienie ustawionych temperatur” – powiedział magazynowi pv badacz Shubham Baraskar. „Sterowanie SG-Ready podniosło temperaturę zasilania o 4,1 kelwina w celu przygotowania ciepłej wody, co następnie zmniejszyło współczynnik wydajności sezonowej (SPF) o 5,7% z 3,5 do 3,3. Co więcej, w przypadku trybu ogrzewania pomieszczeń inteligentne sterowanie obniżyło współczynnik SPF o 4% z 5,0 do 4,8”.
SPF jest wartością zbliżoną do współczynnika wydajności (COP), z tą różnicą, że jest obliczany w dłuższym okresie przy zmieniających się warunkach brzegowych.
Baraskar i jego współpracownicy wyjaśnili swoje ustalenia w „Analiza wydajności i działania układu fotowoltaicznej pompy ciepła na podstawie danych z pomiarów terenowych”, który ukazał się niedawno wPostęp w dziedzinie energii słonecznej.Stwierdzili, że główna zaleta systemów fotowoltaicznych pomp ciepła polega na zmniejszonym zużyciu energii z sieci i niższych kosztach energii elektrycznej.
System pompy ciepła to gruntowa pompa ciepła o mocy 13,9 kW, wyposażona w zasobnik buforowy do ogrzewania pomieszczeń. Opiera się również na zbiorniku magazynującym i stacji świeżej wody do produkcji ciepłej wody użytkowej (CWU). Obydwa magazyny wyposażone są w elektryczne grzejniki pomocnicze.
System fotowoltaiczny 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 o powierzchni 256 m2 i roczne zapotrzebowanie na ogrzewanie wynoszące 84,3 kWh/m²a.
„Moc prądu stałego z modułów fotowoltaicznych i akumulatorów jest przekształcana na prąd przemienny za pomocą falownika o maksymalnej mocy prądu przemiennego wynoszącej 12 kW i europejskiej sprawności na poziomie 95%” – wyjaśnili naukowcy, zauważając, że sterownik SG-ready może współpracować z sieci energetycznej i odpowiednio dostosować pracę systemu. „W okresach dużego obciążenia sieci operator sieci może wyłączyć pracę pompy ciepła, aby zmniejszyć obciążenie sieci, lub może także w odwrotnym przypadku zastosować wymuszone włączenie”.
Zgodnie z proponowaną konfiguracją systemu, energia fotowoltaiczna musi być początkowo wykorzystywana do zasilania domu, a nadwyżka dostarczana do akumulatora. Nadwyżkę energii można było wyeksportować do sieci jedynie wówczas, gdy gospodarstwo domowe nie potrzebowało prądu, a akumulator był w pełni naładowany. Jeśli zarówno instalacja fotowoltaiczna, jak i akumulator nie są w stanie pokryć zapotrzebowania domu na energię, można skorzystać z sieci energetycznej.
„Tryb SG-Ready włącza się, gdy akumulator jest w pełni naładowany lub ładuje się z maksymalną mocą, a nadal dostępna jest nadwyżka fotowoltaiczna” – stwierdzili naukowcy. „I odwrotnie, warunek wyzwolenia jest spełniony, gdy chwilowa moc fotowoltaiczna pozostaje niższa niż całkowite zapotrzebowanie budynku przez co najmniej 10 minut”.
W analizie uwzględniono poziom zużycia własnego, udział energii słonecznej, wydajność pompy ciepła oraz wpływ systemu fotowoltaicznego i akumulatora na wydajność pompy ciepła. Wykorzystali jednominutowe dane o wysokiej rozdzielczości od stycznia do grudnia 2022 r. i odkryli, że sterowanie SG-Ready zwiększyło temperatury zasilania pompy ciepła o 4,1 K w przypadku CWU. Ustalili także, że w ciągu roku system osiągnął całkowite zużycie własne na poziomie 42,9%, co przekłada się na korzyści finansowe dla właścicieli domów.
„Zapotrzebowanie na energię elektryczną dla [pompy ciepła] zostało pokryte w 36% w przypadku systemu fotowoltaicznego/baterii, w 51% w trybie ciepłej wody użytkowej i 28% w trybie ogrzewania pomieszczeń” – wyjaśnił zespół badawczy, dodając, że wyższa temperatura zlewu zmniejszyła się sprawność pompy ciepła o 5,7% w trybie CWU i o 4,0% w trybie ogrzewania pomieszczenia.
„W przypadku ogrzewania pomieszczeń stwierdzono również negatywny wpływ inteligentnego sterowania” – powiedział Baraskar. „Dzięki sterowaniu SG-Ready pompa ciepła działała w trybie ogrzewania pomieszczeń powyżej temperatur zadanych ogrzewania. Stało się tak, ponieważ sterownik prawdopodobnie podniósł ustawioną temperaturę przechowywania i uruchomił pompę ciepła, mimo że ciepło nie było potrzebne do ogrzewania pomieszczenia. Należy również wziąć pod uwagę, że zbyt wysokie temperatury przechowywania mogą prowadzić do większych strat ciepła podczas przechowywania.
Naukowcy zapowiedzieli, że w przyszłości zbadają dodatkowe kombinacje fotowoltaiki i pomp ciepła z różnymi koncepcjami systemów i sterowania.
„Należy zauważyć, że ustalenia te są specyficzne dla poszczególnych ocenianych systemów i mogą się znacznie różnić w zależności od specyfikacji budynku i systemu energetycznego” – podsumowali.
Czas publikacji: 13 listopada 2023 r