Тестирование 54 различных комбинаций тепловых насосов с солнечным питанием
Исследователи из Германии смоделировали десятки систем тепловых насосов с солнечным приводом и косвенным расширением, использующих фотоэлектрические и тепловые панели, для домов на одну семью в Мюнхене, Берлине и Гамбурге. При моделировании учитывались местные погодные условия, потребление электроэнергии и потребность в тепле.
Международная исследовательская группа под руководством Технологического института Карлсруэ в Германии провела энергетическую, экономическую и экологическую оценку 54 фотоэлектрических тепловых (PVT) тепловых насосов с косвенным расширением (IDX), работающих на солнечной энергии (SAHP), и обнаружила, что только две конфигурации обеспечивают положительную чистую текущую стоимость и приемлемый срок окупаемости.
Группа использовала MATLAB для моделирования систем с тремя хладагентами — R32, пропаном и R410A.
Исследователи проанализировали параллельную установку IDX SAHP, в которой накопительный бак нагревается двумя отдельными контурами: погружным змеевиком от PVT-коллектора и внешним теплообменником (HEX) от контура теплового насоса. Бак обеспечивает как потребность в горячей воде (HWD), так и потребность в отоплении помещений (SHD) с помощью двух дополнительных HEX.
Во всех системах использовались PVT-панели площадью 1,55 м² с номинальной мощностью 260 Вт, с электрической эффективностью 16% и оптической тепловой эффективностью 51%. В ходе тестирования были проверены 54 конфигурации с тремя хладагентами, тремя расчётными температурами (-9,2 °C, -8,3 °C, -6,1 °C), тремя разницами температур в точке сжатия (3 °C, 5 °C, 10 °C) и двумя уровнями теплоотдачи (5500 Вт и 7000 Вт).
Из них команда выбрала по три репрезентативные системы для каждого хладагента: одну высокоэффективную систему с высокой стоимостью и максимальным средним коэффициентом полезного действия (COP); одну менее эффективную систему с низкой стоимостью и наименьшей общей стоимостью; и один вариант среднего класса со средним COP и умеренной ценой.
Все системы были смоделированы для дома на одну семью в Мюнхене, Берлине или Гамбурге с учётом погодных условий, спроса на электроэнергию и тепловую энергию в зависимости от местоположения. Площадь каждого дома составляла 93,1 м², из которых 89,1 м² были покрыты тёплыми полами. Площадь крыши составляла 82,4 м², из которых 32,9 м² были покрыты панелями PVT для поддержки SAHP.
«С точки зрения энергопотребления, для рассматриваемого домохозяйства система позволяла покрывать более трети годового спроса на тепло и около половины годового спроса на электроэнергию для бытовых приборов за счёт солнечной энергии. Однако несоответствие между выработкой солнечной энергии и потреблением тепла ограничивало способность системы использовать ещё большее количество солнечной энергии, — объяснили учёные. — Летом низкий спрос на тепло в основном удовлетворялся за счёт солнечной энергии. Зимой, напротив, более высокий спрос на тепло в основном удовлетворялся за счёт теплового насоса, работающего на электроэнергии из сети».
Анализ показал, что система SAHP обеспечила самый высокий уровень использования солнечной энергии в Мюнхене, удовлетворяя до 39% спроса на тепловую энергию среди протестированных городов. Во всех конфигурациях высокоэффективная конструкция с использованием хладагента R32 обеспечила самый высокий вклад солнечной энергии.
«С экономической и экологической точек зрения, конструкции, обеспечивающие более высокий уровень покрытия спроса за счёт солнечной энергии, показали наилучшие результаты. Высокопроизводительные конструкции HP, использующие R32 и пропан, были единственными, которые оказались жизнеспособной инвестицией с положительной чистой текущей стоимостью (NPV) в размере 960 евро (1099 долларов) и 255 евро, а также сроком окупаемости (PBT), меньшим, чем срок службы технологии (19,3 и 19,8 лет)», — заявили учёные. «Если сравнивать SAHP с другими технологиями, то автономный котёл, работающий на природном газе, может сравниться по удельной стоимости энергии (LCOE) с SAHP только при исключительно низких ценах на электроэнергию или газ».
Их выводы были опубликованы в статье «Комплексный энергетический, экономический и экологический анализ гибридной фотоэлектрической и тепловой (PVT) системы теплового насоса», опубликованной в Energy. В исследовании также приняли участие учёные из Технологического института Карлсруэ в Германии, Университета Кипра и Университета науки и технологий в Египте.