Прототип теплового насоса з підтримкою PV- із подвійним конденсатором досягає коефіцієнта ефективності 7,59

Дослідники з Університету імені Мігеля Ернандеса в Ельче в Іспанії розробили систему теплового насоса повітря--вода, яка може перенести виробництво гарячої води для побутових потреб (ГВП) на центральний денний час, таким чином максимізуючи використання фотоелектричної енергії.

Новизна системи полягає у використанні двох конденсаторів замість одного блоку.

Дослідники пояснили, що звичайний компактний тепловий насос для гарячої води (ГВП) включає компресор, випарник, розширювальний клапан і конденсатор, обернутий навколо дна накопичувального бака, нагріваючи весь об’єм води за допомогою природної конвекції. Запропонована конфігурація подвійного-конденсатора додає другий конденсатор у верхній частині резервуара в поєднанні з оптимізованою системою керування для вибору режиму роботи, зберігаючи стандартні компоненти.

Як нижній, так і верхній конденсатори складаються зі спіральних труб, встановлених між стінкою бака та шаром ізоляції. При роботі нижнього конденсатора тепло подається на дно ємності об'ємом 215 л, сприяючи розшарування і нагрівання всього об'єму. Коли активовано верхній конденсатор, нагрівається лише верхня частина бака, що забезпечує більш цілеспрямовану роботу та менший запас енергії.

Прототип був розроблений на основі комерційного теплового насоса-повітряного--водяного типу, оснащеного спіральним компресором потужністю 600 Вт і холодоагентом R134a. Оригінальний електричний резистивний нагрівач потужністю 2400 Вт був відключений, щоб забезпечити роботу виключно в режимі теплового насоса. Система мала-номінальний коефіцієнт ефективності (COP) 3,17 при 14 C. Модифікації включали інтеграцію другого конденсатора, переробку контуру охолодження та модернізацію системи керування для тестування в реалістичних умовах роботи ГВП та фотоелектричної системи.

Експериментальна установка була розроблена, щоб відтворити реальну потребу в гарячій воді в домогосподарствах за допомогою замкнутої-системи, щоб уникнути марнування води. Він складався з двох кліматичних камер, подвійного-конденсаторного теплового насоса, фотоелектричної установки потужністю 600 Вт і керованого гідравлічного контуру. Тепловий насос був підключений як до мережі, так і до фотоелектричної системи, без фінансової компенсації за надлишок електроенергії, що подається в мережу.

Допоміжний бак, циркуляційний насос і охолоджувач води підтримували температуру води на вході на рівні 10 C, щоб імітувати умови електропостачання. Контролер Arduino Mega керував насосами, клапанами, охолоджувачем і тепловим насосом для автоматизованого тестування. Система також була оснащена 30 датчиками температури, витратомірами та електричними пристроями моніторингу, із записом даних з інтервалом в одну -хвилину.

Дослідники оцінили три конфігурації за температури навколишнього середовища 18 C: звичайний один-конденсаторний тепловий насос, така ж система, поєднана з PV, і подвійний-конденсаторний тепловий насос з PV. Тести проходили відповідно до профілю споживання гарячої води на основі EN 16147, забезпечуючи температуру подачі вище 45 C.

Результати показали, що конфігурація з подвійним-конденсатором покращила контроль стратифікації, зменшила загальне споживання енергії та зберегла якість обслуговування ГВП, одночасно значно підвищивши само-споживання PV.

Аналіз виявив, що середній сезонний COP теплового насоса досяг 3,55 у конфігурації з одним-конденсатором і 3,65 у поєднанні з PV.

«Як і очікувалося, обидва значення схожі, оскільки між ними немає різниці в режимі роботи», — підкреслила дослідницька група. «У третьому тесті з двома конденсаторами та вдосконаленою стратегією керування, яка дозволяє працювати з нижчою температурою води, ця ефективність зростає до 3,71. Ця тенденція більш виражена при аналізі ефективності служби ГВП, де результати становлять 3,08 і 3,12 для перших двох режимів роботи та 3,37 для конфігурації з двома конденсаторами та фотоелектричними панелями. Оскільки резервуар холодніший у конфігурації з двома конденсатори, менше втрат тепла».

Тим часом власне споживання сонячної-енергії з подвійною-конденсаторною системою зросло з 9,9% до 55,5%.

«Результати також підкреслюють необхідність розгляду миттєвого власного-споживання, використовуючи базу для розрахунку щонайбільше хвилина-за-хвилиною, а не щогодини чи щодня, оскільки останнє призводить до нереалістично високих сонячних внесків», – підсумували вчені. «Враховуючи енергію, яку постачають фотоелектричні панелі, продуктивність HP можна переоцінити, що призведе до COP 3,46 при роботі з одним конденсатором і 7,59 при роботі з конфігурацією з двома конденсаторами».

Система була описана в «Експериментальній оцінці нового дизайну фотоелектричного теплового насоса з подвійним конденсатором», опублікованому в Solar Energy.