نحوه ترکیب پمپ های حرارتی مسکونی با PV، ذخیره باتری

محققان Fraunhofer ISE بررسی کرده‌اند که چگونه سیستم‌های PV روی پشت بام مسکونی را می‌توان با پمپ‌های حرارتی و ذخیره‌سازی باتری ترکیب کرد.

آنها عملکرد یک سیستم پمپ حرارتی PV-باتری مبتنی بر کنترل آماده شبکه هوشمند (SG) را در یک خانه تک‌خانواده‌ای که در سال 1960 در فرایبورگ آلمان ساخته شد، ارزیابی کردند.

Shubham Baraskar محقق به مجله pv گفت: "مشخص شد که کنترل هوشمند عملکرد پمپ حرارتی را با افزایش دمای تنظیم شده افزایش می دهد." "کنترل SG-Ready دمای عرضه را 4.1 کلوین برای آماده سازی آب گرم افزایش داد، که سپس ضریب عملکرد فصلی (SPF) را 5.7٪ از 3.5 به 3.3 کاهش داد. علاوه بر این، برای حالت گرمایش فضا، کنترل هوشمند SPF را 4 درصد از 5.0 به 4.8 کاهش داد.

SPF مقداری مشابه ضریب عملکرد (COP) است، با این تفاوت که در یک دوره طولانی‌تر با شرایط مرزی متفاوت محاسبه می‌شود.

باراسکار و همکارانش یافته های خود را در این مقاله توضیح دادند.تجزیه و تحلیل عملکرد و عملکرد یک سیستم پمپ حرارتی فتوولتائیک-باتری بر اساس داده های اندازه گیری میدانی"، که اخیرا در منتشر شده استپیشرفت انرژی خورشیدیآنها گفتند که مزیت اصلی سیستم های پمپ حرارتی PV شامل کاهش مصرف شبکه و هزینه کمتر برق است.

سیستم پمپ حرارتی یک پمپ حرارتی منبع زمینی 13.9 کیلوواتی است که با یک ذخیره سازی بافر برای گرمایش فضا طراحی شده است. همچنین به یک مخزن ذخیره و یک ایستگاه آب شیرین برای تولید آب گرم خانگی (DHW) متکی است. هر دو واحد ذخیره سازی مجهز به بخاری برقی کمکی هستند.

سیستم PV جهت جنوب است و دارای زاویه شیب 30 درجه است. توان خروجی آن 12.3 کیلو وات و مساحت ماژول 60 متر مربع است. باتری DC-coupled و دارای ظرفیت 11.7 کیلووات ساعت است. خانه انتخابی دارای فضای نشیمن گرمایشی 256 متر مربع و نیاز گرمایشی سالانه 84.3 کیلووات ساعت بر متر مربع است.

محققان توضیح دادند: "برق DC از واحدهای PV و باتری از طریق یک اینورتر به AC تبدیل می شود که دارای حداکثر توان AC 12 کیلو وات و بازده اروپایی 95٪ است."، با اشاره به اینکه کنترل آماده SG قادر به تعامل با شبکه برق و عملکرد سیستم را به ترتیب تنظیم کنید. در طول دوره‌های بار بالای شبکه، اپراتور شبکه می‌تواند عملکرد پمپ حرارتی را خاموش کند تا فشار شبکه را کاهش دهد یا همچنین می‌تواند تحت یک روشن کردن اجباری در حالت مخالف قرار گیرد.

تحت پیکربندی سیستم پیشنهادی، برق PV باید در ابتدا برای بارهای خانه استفاده شود و مازاد آن به باتری عرضه شود. تنها در صورتی می‌توان برق اضافی را به شبکه صادر کرد، در صورتی که خانه به برق نیاز نداشته باشد و باتری کاملاً شارژ شود. اگر هم سیستم PV و هم باتری قادر به تامین انرژی مورد نیاز خانه نباشند، می توان از شبکه برق استفاده کرد.

دانشگاهیان گفتند: «حالت SG-Ready زمانی فعال می‌شود که باتری به طور کامل شارژ شود یا با حداکثر توان خود شارژ شود و همچنان PV مازاد در دسترس باشد». برعکس، شرط خاموشی زمانی برآورده می‌شود که توان PV لحظه‌ای برای حداقل 10 دقیقه کمتر از کل تقاضای ساختمان باقی بماند.

تجزیه و تحلیل آنها سطوح خود مصرفی، کسر خورشیدی، راندمان پمپ حرارتی و تأثیر سیستم PV و باتری بر راندمان عملکرد پمپ حرارتی را در نظر گرفت. آنها از داده‌های 1 دقیقه‌ای با وضوح بالا از ژانویه تا دسامبر 2022 استفاده کردند و دریافتند که کنترل SG-Ready دمای عرضه پمپ حرارتی را تا 4.1 کلوین برای DHW افزایش می‌دهد. آنها همچنین دریافتند که سیستم در طول سال به مصرف کلی 42.9 درصدی دست یافته است که به سود مالی برای صاحبان خانه تبدیل می شود.

تیم تحقیقاتی توضیح داد: «تقاضای برق برای [پمپ حرارتی] با سیستم PV/باتری 36 درصد، از طریق 51 درصد در حالت آب گرم خانگی و 28 درصد در حالت گرمایش فضا پوشش داده شد.» و افزود که دمای سینک بالاتر کاهش می‌یابد. راندمان پمپ حرارتی 5.7% در حالت DHW و 4.0% در حالت گرمایش فضا.

باراسکار گفت: "برای گرمایش فضا، اثر منفی کنترل هوشمند نیز مشاهده شد." با توجه به کنترل SG-Ready، پمپ حرارتی در گرمایش فضا بالاتر از دمای نقطه تنظیم گرمایش کار می کند. این به این دلیل بود که احتمالاً کنترل دمای تنظیم شده ذخیره سازی را افزایش داده و پمپ حرارتی را به کار می اندازد حتی اگر گرما برای گرمایش فضا مورد نیاز نباشد. همچنین باید در نظر گرفت که دمای بالای ذخیره سازی بیش از حد می تواند منجر به تلفات گرمای ذخیره سازی بیشتر شود.

دانشمندان گفتند که در آینده ترکیبات اضافی PV/پمپ حرارتی را با مفاهیم مختلف سیستم و کنترل بررسی خواهند کرد.

آنها نتیجه گرفتند: "باید توجه داشت که این یافته‌ها برای سیستم‌های ارزیابی‌شده فردی خاص هستند و بسته به مشخصات ساختمان و سیستم انرژی می‌توانند بسیار متفاوت باشند."