Prototyp pompy ciepła-ze wspomaganiem fotowoltaicznym i podwójnym skraplaczem osiąga współczynnik wydajności 7,59

Naukowcy z Uniwersytetu Miguela Hernándeza w Elche w Hiszpanii zaprojektowali system pompy ciepła powietrze-do-wody, który może przesunąć produkcję ciepłej wody użytkowej (CWU) na centralne godziny dzienne, maksymalizując w ten sposób wykorzystanie wytwarzania energii fotowoltaicznej.

Nowość systemu polega na zastosowaniu dwóch skraplaczy zamiast jednego.

Naukowcy wyjaśnili, że konwencjonalna kompaktowa pompa ciepła do ciepłej wody użytkowej (CWU) składa się ze sprężarki, parownika, zaworu rozprężnego i skraplacza owiniętego wokół dna zasobnika, ogrzewającego całą objętość wody w drodze naturalnej konwekcji. Proponowana konfiguracja z dwoma-skraplaczami dodaje drugi skraplacz na górze zbiornika w połączeniu ze zoptymalizowanym systemem sterowania umożliwiającym wybór trybu pracy, zachowując jednocześnie standardowe komponenty.

Zarówno dolny, jak i górny skraplacz składają się ze spiralnych rurek zainstalowanych pomiędzy ścianą zbiornika a warstwą izolacyjną. Kiedy działa dolny skraplacz, ciepło dostarczane jest na dno 215-litrowego zbiornika, co sprzyja rozwarstwianiu i ogrzewaniu całej objętości. Po włączeniu górnego skraplacza ogrzewana jest tylko górna część zbiornika, co umożliwia bardziej ukierunkowaną pracę i mniejsze magazynowanie energii.

Prototyp opracowano na podstawie komercyjnej pompy ciepła typu split-powietrze-na-wodę, wyposażonej w sprężarkę scroll o mocy 600 W i czynnik chłodniczy R134a. Oryginalna elektryczna grzałka oporowa o mocy 2400 W została odłączona, aby zapewnić działanie wyłącznie w trybie pompy ciepła. System miał-określony przez producenta współczynnik wydajności (COP) wynoszący 3,17 przy 14 C. Modyfikacje obejmowały integrację drugiego skraplacza, przeprojektowanie obwodu chłodniczego i modernizację systemu sterowania w celu przetestowania w realistycznych warunkach pracy CWU i fotowoltaiki.

Układ eksperymentalny zaprojektowano tak, aby odtworzyć rzeczywiste zapotrzebowanie gospodarstw domowych na ciepłą wodę użytkową przy użyciu-systemu z zamkniętą pętlą, aby uniknąć marnowania wody. Składał się z dwóch komór klimatycznych, podwójnej-skraplającej pompy ciepła, instalacji fotowoltaicznej o mocy 600 W i sterowanego obwodu hydraulicznego. Pompę ciepła podłączono zarówno do sieci, jak i do systemu fotowoltaicznego, bez uwzględniania rekompensaty finansowej za nadwyżkę energii elektrycznej wprowadzonej do sieci.

Zbiornik pomocniczy, pompa obiegowa i agregat wody lodowej utrzymywały temperaturę wody na wlocie na poziomie 10°C, symulując warunki zasilania z sieci. Kontroler Arduino Mega zarządzał pompami, zaworami, agregatem chłodniczym i pompą ciepła, umożliwiając automatyczne testowanie. System wyposażono także w 30 czujników temperatury, przepływomierzy i elektrycznych urządzeń monitorujących, których dane rejestrowane są w odstępach-minutowych.

Badacze ocenili trzy konfiguracje w temperaturze otoczenia 18 C: konwencjonalną pompę ciepła z pojedynczym-skraplaczem, ten sam system w połączeniu z fotowoltaiką oraz podwójną-skraplającą pompę ciepła z fotowoltaiką. Testy przeprowadzono według profilu zużycia CWU opartego na normie EN 16147, zapewniając temperaturę zasilania powyżej 45°C.

Wyniki pokazały, że konfiguracja z dwoma-skraplaczami poprawiła kontrolę stratyfikacji, zmniejszyła ogólne zużycie energii i utrzymała jakość obsługi CWU, jednocześnie znacznie zwiększając-zużycie własne instalacji fotowoltaicznej.

Analiza wykazała, że ​​średni sezonowy współczynnik COP pompy ciepła osiągnął 3,55 w konfiguracji z jednym-skraplaczem i 3,65 w połączeniu z fotowoltaiką.

„Zgodnie z oczekiwaniami obie wartości są podobne, ponieważ nie ma między nimi różnicy w trybie pracy” – podkreślił zespół badawczy. „W trzecim teście, z dwoma skraplaczami i ulepszoną strategią sterowania, która pozwala na pracę z niższą temperaturą wody, sprawność ta wzrasta do 3,71. Tendencja ta jest bardziej wyraźna, gdy analizujemy efektywność przygotowania ciepłej wody użytkowej, gdzie wyniki wynoszą 3,08 i 3,12 dla pierwszych dwóch trybów pracy oraz 3,37 dla konfiguracji z dwoma skraplaczami i panelami fotowoltaicznymi. Im chłodniejszy jest zbiornik w konfiguracji z dwoma skraplaczami, tym straty ciepła są mniejsze.”

Tymczasem własne-zużycie energii słonecznej w systemie z dwoma-skraplaczami wzrosło z 9,9% do 55,5%.

„Wyniki podkreślają również potrzebę uwzględnienia chwilowego-zużycia własnego na podstawie podstawy obliczeń wynoszącej co najwyżej minutę-na-minutę, a nie godzinę lub dzień, ponieważ to drugie skutkuje nierealistycznie wysokim wkładem energii słonecznej” – podsumowali naukowcy. „Biorąc pod uwagę energię dostarczaną przez panele fotowoltaiczne, można ponownie ocenić wydajność HP, uzyskując współczynnik COP na poziomie 3,46 w przypadku pracy z jednym skraplaczem i 7,59 w przypadku pracy w konfiguracji z dwoma skraplaczami.”

System opisano w artykule „Eksperymentalna ocena nowatorskiej konstrukcji fotowoltaicznej pompy ciepła z podwójnym skraplaczem” opublikowanym w czasopiśmie Solar Energy.