Повышение эффективности теплового насоса с PVT-устройством за счёт подачи жидкости
Аккумулятор FIAMM FG 21202
Исследователи из Китая разработали крупномасштабную фотоэлектрическую тепловую насосную систему с использованием метода жидкостной подпитки, который, как сообщается, повышает как тепловую, так и электрическую эффективность. Полевые испытания показали увеличение выработки электроэнергии на 4,81 % и значительное снижение потерь давления по сравнению с обычными системами.
Исследовательская группа из Даляньского технологического университета (ДТУ) в Китае изучила эксплуатационные характеристики крупномасштабной фотоэлектрической тепловой (ФВТ) системы тепловых насосов с использованием метода подачи жидкости.
В отличие от обычных систем с непосредственным испарением, в которых расширительный клапан направляет смесь жидкого и газообразного хладагента непосредственно в модули PVT, в системе с перепускным клапаном происходит разделение газовой и жидкой фаз. В модули PVT направляется только жидкий хладагент, что снижает нагрузку на компрессор и повышает тепловые и электрические характеристики.
«Система подачи хладагента обеспечивает лучшее смачивание стенок и максимально эффективное использование поверхности теплообмена, — объяснила команда. — Она также позволяет компрессору всасывать пары с более высокой плотностью, увеличивая скорость потока хладагента и теплопередачу системы. Кроме того, меньший массовый расход паров в испарителях минимизирует потери давления, что ещё больше оптимизирует работу компрессора».
В отличие от системы прямого расширения, в которой компрессор всасывает перегретый пар, метод перепуска позволяет компрессору всасывать насыщенный пар с более низкой температурой. Пар с более высокой плотностью повышает индикаторный КПД компрессора и обеспечивает более интенсивный процесс сжатия.
Система была внедрена в 2023 году в общежитии ДГТУ в рамках проекта по созданию централизованных душевых для студентов. На крыше общежития под углом 40° к югу были установлены 84 модуля PVT мощностью 450 Вт каждый. Модули были разделены на шесть групп по 14 штук и подключены параллельно через подающие и обратные патрубки. Установка также включает в себя тепловой насос с четырьмя спиральными компрессорами, каждый из которых имеет производительность 37,7 м³/ч и мощность 7,3 кВт.
Конденсатор теплового насоса имеет мощность 54 кВт и дополнен резервуаром на 100 л и ресивером на 460 л. В системе используется хладагент R134a. Также в комплект входят центробежный маслоотделитель и механический насос производительностью 10,0 м³/ч и мощностью 3,0 кВт. На первом этаже находится теплоаккумулирующая станция с резервуаром для воды объемом 32,0 м³, в котором хранится горячая вода, собранная с крыши. Эта горячая вода подаётся в душевые кабины с помощью двух насосов, а за преобразование электроэнергии отвечает струнный инвертор мощностью 40 кВт.
Во время работы фотоэлектрические панели вырабатывают как электричество, так и тепло. Хладагент R134a циркулирует по панелям, поглощая тепло, а затем поступает в ресивер, где пар отделяется и поднимается к компрессору, а жидкость остаётся на дне. Компрессор нагнетает пар, который затем проходит через конденсатор, передавая тепло воде, используемой для душа. После выделения тепла хладагент снова конденсируется и превращается в жидкость, которую механический насос возвращает в фотоэлектрические панели. Электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрическим слоем, питает компоненты системы, такие как насос и компрессор. Полевые испытания проводились в течение двух дневных сессий в мае 2025 года.
«Эффективность выработки энергии фотоэлектрическими модулями повысилась примерно на 3 % в пасмурные дни и на 4,81 % в солнечные дни, — заявили исследователи. — Однако в периоды высокой влажности окружающей среды ранним утром и ближе к вечеру эффективность снижалась из-за образования конденсата на поверхности фотоэлементов, который рассеивал солнечный свет и уменьшал эффективное излучение. Рекомендуется не использовать фотоэлектрические тепловые насосы в это время».
Команда также оценила равномерность распределения хладагента с помощью индекса неоднородности температуры возврата. Неоднородность составила 0,3 % в группах PVT и 0,2 % в модулях. «Средняя потеря давления в модуле составила 26,1 кПа в пасмурный день и 25,9 кПа в солнечный день — всего от 24,6 % до 32,5 % от значений, указанных в существующих исследованиях», — отметили исследователи.
Их выводы изложены в статье «Эксплуатационные характеристики крупномасштабной фотоэлектрической теплонасосной системы с методом жидкостной подпитки», опубликованной в Energy. В исследовании приняли участие учёные из китайского Даляньского технологического университета, Северо-Западного архитектурного проектно-исследовательского института Китая и Университета Цинхуа.