Как повысить эффективность теплового насоса с непрямым расширением и PVT-модулем
Аккумулятор FIAMM 12FGH65
Ученые из Таиланда смоделировали фотоэлектрический тепловой насос с непрямым расширением и измерили его производительность при различных температурах холодной воды и размерах резервуара.
Схема системы
Исследователи из Университета Чиангмая в Таиланде оценили эффективность системы фотоэлектрических тепловых насосов с непрямым расширением (IDX-PVT-AHP), предназначенной для производства горячей воды в тропическом климате Чиангмая.
«Применение системы IDX-PVT-AHP в тропическом климате Чиангмая сопряжено с определенными трудностями из-за высокой влажности в регионе, которая может привести к скоплению влаги на панелях PVT, — заявили исследователи. — Чтобы решить эту проблему, необходимо регулировать температуру холодной воды и определить оптимальный размер резервуара для хранения холодной воды, чтобы предотвратить чрезмерное охлаждение, а также подобрать подходящее количество модулей PVT».
Система работает за счёт циркуляции воды через модули PVT, которые поглощают тепло перед подачей в резервуар для хранения холодной воды. Внутри резервуара змеевик служит испарителем теплового насоса, передавая тепло от пластинчатого теплообменника, который выполняет функцию конденсатора, в резервуар для хранения горячей воды. Кроме того, модули PVT вырабатывают электроэнергию для питания компрессора теплового насоса, водяного насоса и вспомогательных нагревателей. Если электроэнергии, вырабатываемой модулями PVT, недостаточно, система получает дополнительное питание из сети.
В первом имитационном эксперименте система состояла из резервуара для горячей воды объёмом 1000 л и резервуара для холодной воды объёмом 1500 л, подключённых к трём фотоэлектрическим модулям. При использовании монокристаллических элементов максимальная мощность составила 550 Вт, а КПД — 21,3 %, при этом тепловой пик составил 1436 Вт. Мощность охлаждения компрессора составляла 5,7 кВт, он работал на хладагенте R-134. В климатических условиях Чиангмая в 2023 году были протестированы четыре варианта минимальной температуры холодной воды в резервуаре: вариант 1 — 18 °C, вариант 2 — 21 °C, вариант 3 — 24 °C и вариант 4 — реальная точка росы. Точка росы — это температура, при которой в воздухе начинает образовываться конденсат.
“Наименьшее потребление энергии было достигнуто, когда заданное значение температуры резервуара для хранения холодной воды составляло 18 ° C; это условие приводило к чрезмерному количеству часов, что вызывало конденсацию водяного пара (302 ч / год), потенциально ускоряя деградацию модуля PVT”, - показали результаты. “Среди оцененных сценариев поддержание температуры резервуара для хранения холодной воды на уровне точки росы обеспечило наиболее благоприятный компромисс между минимизацией потребления электроэнергии и снижением риска конденсации водяного пара на фотоэлектрических модулях”.
Во втором эксперименте температура холодной воды в резервуаре поддерживалась на уровне реальной точки росы, а количество модулей PVT и размер резервуара для холодной воды варьировались. Что касается модулей PVT, то это были те же монокристаллические модули мощностью 550 Вт, соединённые попарно или втроём. Размер резервуара для воды составлял 500, 750, 1000 или 1500 литров. Целью этой оптимизации было найти размер, при котором срок окупаемости нагрева 1000 л воды до 60 °C будет минимальным.
Исследователи также обнаружили, что увеличение количества модулей PVT повышает производительность системы и снижает зависимость от вспомогательных нагревателей, в то время как увеличение объёма резервуара для хранения холодной воды немного улучшает тепловую буферность, но увеличивает срок окупаемости.
Они пришли к выводу, что оптимальная конфигурация состоит из трёх модулей PVT, накопительного бака для горячей воды объёмом 1000 л и накопительного бака для холодной воды объёмом 1500 л, что позволяет эффективно сбалансировать энергоэффективность, надёжность и экономическую выгоду в тропических условиях. Они также отметили, что при использовании заданного значения температуры точки росы продолжительность конденсации водяного пара сократилась до семи часов в год, при этом годовое потребление электроэнергии осталось на низком уровне — 7315,5 кВт·ч, а срок окупаемости составил 3,36 года.
Система была представлена в статье «Оценка влияния температуры холодной воды и размера резервуара на производительность системы тепловых насосов с фазовым переходом для горячего водоснабжения», опубликованной в Практических исследованиях в области теплотехники.