Прототип теплового насоса с фотоэлектрическим приводом и двойным конденсатором достигает коэффициента полезного действия 7,59

Аккумулятор Challenger A12-120

Испанские ученые разработали тепловой насос «воздух-вода» с двумя конденсаторами, который позволяет вырабатывать горячую воду для бытовых нужд в светлое время суток, максимально используя солнечную энергию. Прототип увеличил использование солнечной энергии с 9,9% до 55,5% и достиг пикового коэффициента полезного действия 7,59 при работе с использованием солнечной энергии.

Схема прототипа системы теплового насоса

Исследователи из Университета Мигеля Эрнандеса в Эльче в Испании разработали систему тепловых насосов типа "воздух-вода", которая может переключить производство горячей воды для бытовых нужд (ГВС) на центральное дневное время, тем самым максимально используя производство фотоэлектрической энергии.

Новизна системы заключается в использовании двух конденсаторов вместо одного.

Исследователи объяснили, что обычный компактный тепловой насос для горячего водоснабжения (ГВС) состоит из компрессора, испарителя, расширительного клапана и конденсатора, расположенного в нижней части накопительного бака. Он нагревает весь объем воды за счет естественной конвекции. В предложенной конфигурации с двумя конденсаторами второй конденсатор расположен в верхней части бака, а оптимизированная система управления позволяет выбирать режим работы, при этом используются стандартные компоненты.

И нижний, и верхний конденсаторы состоят из спиральных трубок, установленных между стенкой резервуара и слоем изоляции. При работе нижнего конденсатора тепло поступает в нижнюю часть 215-литрового резервуара, способствуя расслоению и нагреву всего объема. При работе верхнего конденсатора нагревается только верхняя часть резервуара, что обеспечивает более целенаправленную работу и снижает энергопотребление.

Прототип был разработан на основе коммерческого воздушного теплового насоса сплит-системы, оснащенного спиральным компрессором мощностью 600 Вт и хладагентом R134a. Исходный электронагреватель мощностью 2400 Вт был отключен, чтобы обеспечить работу исключительно в режиме теплового насоса. Коэффициент полезного действия (КПД) системы, заявленный производителем, составлял 3,17 при температуре 14 °C. В систему были внесены изменения: добавлен второй конденсатор, перепроектирован холодильный контур и модернизирована система управления для тестирования в реальных условиях горячего водоснабжения и фотоэлектрической системы.

Экспериментальная установка была спроектирована таким образом, чтобы воспроизвести реальные потребности домохозяйств в горячей воде с помощью системы с замкнутым контуром, исключающей перерасход воды. Она состояла из двух климатических камер, двухконтурного теплового насоса, фотоэлектрической установки мощностью 600 Вт и контролируемого гидравлического контура. Тепловой насос был подключен как к электросети, так и к фотоэлектрической системе, при этом избыток электроэнергии, поступающей в сеть, не компенсировался.

Вспомогательный резервуар, циркуляционный насос и охладитель воды поддерживали температуру на входе на уровне 10 °C, имитируя условия подачи воды из водопровода. Контроллер Arduino Mega управлял насосами, клапанами, охладителем и тепловым насосом, обеспечивая возможность автоматического тестирования. Система также была оснащена 30 датчиками температуры, расходомерами и устройствами контроля электропитания, которые фиксировали данные с интервалом в одну минуту.

Исследователи протестировали три конфигурации при температуре окружающей среды 18 °C: обычный тепловой насос с одним конденсатором, ту же систему в сочетании с фотоэлектрической системой и тепловой насос с двумя конденсаторами и фотоэлектрической системой. В ходе испытаний использовался профиль потребления горячей воды в соответствии со стандартом EN 16147, обеспечивающий температуру подачи выше 45 °C.

Результаты показали, что конфигурация с двумя конденсаторами улучшила контроль стратификации, снизила общее энергопотребление и сохранила качество горячего водоснабжения, при этом значительно увеличив самопотребление фотоэлектрических систем.

Анализ показал, что средний сезонный коэффициент полезного действия теплового насоса в конфигурации с одним конденсатором составил 3,55, а в сочетании с фотоэлектрическими системами — 3,65.

«Как и ожидалось, оба показателя схожи, поскольку режимы работы у них одинаковые, — подчеркнули исследователи. — В третьем тесте с двумя конденсаторами и усовершенствованной стратегией управления, позволяющей работать при более низкой температуре воды, этот показатель вырос до 3,71. Эта тенденция более заметна при анализе эффективности системы горячего водоснабжения: в первых двух режимах работы показатели составляют 3,08 и 3,12, а в конфигурации с двумя конденсаторами и фотоэлектрическими панелями — 3,37». Поскольку в конфигурации с двумя конденсаторами бак охлаждается сильнее, потери тепла меньше.

При этом доля собственной солнечной энергии, потребляемой системой с двумя конденсаторами, выросла с 9,9% до 55,5%.

«Результаты также указывают на необходимость учитывать мгновенное самопотребление, используя для расчетов поминутную, а не почасовую или посуточную базу данных, поскольку в последнем случае вклад солнечной энергии будет нереалистично высоким, — заключили ученые. — С учетом энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими панелями, эффективность парового двигателя можно оценить в 3,46 при работе с одним конденсатором и в 7,59 при работе с двумя конденсаторами».

Система была описана в “Экспериментальной оценке новой конструкции фотоэлектрического теплового насоса с двойным конденсатором”, опубликованной в Solar Energy.