Гибридное скрыто-чувствительное хранилище может повысить КПД тепловых насосов для жилых помещений с фотоэлектрическим приводом на 72,4%

Аккумулятор FIAMM 12FGHL28

Исследовательская группа из Италии разработала систему теплового насоса с приводом от парокомпрессионного термоэлектрического генератора для производства горячей воды для бытовых нужд, которая сочетает в себе аккумулирование скрытой теплоты парокомпрессионного генератора с аккумулированием явной теплоты для лучшего баланса спроса и предложения. Моделирование показало, что гибридное аккумулирование в сочетании с температурной маршрутизацией значительно повышает эффективность системы, увеличивая коэффициент полезного действия теплового насоса и расширяя возможности использования возобновляемых источников энергии.

Исследователи из Политехнического университета Бари и Падуанского университета в Италии разработали систему бытовых тепловых насосов с фотоэлектрическим и тепловым (ФЭТ) приводом для производства горячей воды для бытовых нужд (ГВС) на основе гибридной концепции хранения тепловой энергии, в которой накопитель скрытой тепловой энергии с неподвижным слоем (PB-LHTES) дополняет буферный накопитель явной тепловой энергии (STES).

Такая конфигурация системы призвана повысить гибкость за счет сочетания быстродействующего аккумулирования скрытой теплоты с буферной способностью аккумулирования явной теплоты, что позволяет сглаживать несоответствия между теплоснабжением и теплопотреблением. Аккумулирование скрытой теплоты в плотном слое используется для повышения удельной энергоемкости, снижения требований к объему накопителя при сохранении высокой тепловой эффективности.

“Цель этой системы - улавливать излишки фотоэлектрического тепла и перенаправлять его на пик спроса, ограничивая при этом использование вспомогательной электроэнергии”, - сказал автор-корреспондент Аминхоссейн Джаханбин. “Более конкретно, исследование позволяет количественно оценить, как маршрутизация на основе температуры на интерфейсе аккумулирующего теплового насоса влияет на полезное качество тепла, работу теплового насоса и сезонные характеристики. В дополнение к этому анализу мы разработали эффективную с точки зрения вычислительных ресурсов модель PB-LHTES для динамического моделирования с минутным разрешением и проверили ее на соответствие экспериментальным данным, что позволило интегрировать ее в анализ систем горячего водоснабжения на уровне зданий.

Система использует фотоэлектрические коллекторы для выработки как электрической, так и тепловой энергии. Электроэнергия компенсирует вспомогательное потребление, а тепло используется для прямого применения, зарядки аккумуляторов или работы теплового насоса в зависимости от настроек системы. Тепловой насос выступает в качестве резервного источника тепла, обеспечивая горячее водоснабжение, когда солнечной энергии и накопленной энергии недостаточно.

Кроме того, в системе используется расположенный ниже по потоку резервуар STES, обеспечивающий мгновенное удовлетворение потребности в горячей воде, а смесительный узел поддерживает стабильную температуру подачи в соответствии с заданными пользователем параметрами. Модель PB-LHTES основана на концепции теплового неравновесия с использованием метода концентрической дисперсии, учитывающего осевой теплообмен и динамику фазовых переходов. Основные уравнения описывают совместный теплообмен между теплоносителем и заключенным в него материалом с фазовым переходом (МФП). Реалистичные профили потребности в горячей воде генерируются с помощью стохастической модели на основе гауссова распределения, учитывающей особенности использования помещений, сезонную изменчивость и типичные пики потребления в течение дня.

С помощью MATLAB и TRNSYS ученые разработали систему совместного моделирования для оценки эффективности гибридной системы. Ежегодное моделирование проводилось с шагом в 1 минуту с использованием реалистичных данных о погоде и подробных описаний компонентов, включая фотоэлектрические коллекторы, стратифицированные накопительные баки, трубопроводные сети и тепловые насосы с регулируемой скоростью вращения. В рамках иерархической стратегии управления приоритет отдавался прямому использованию солнечного тепла, затем зарядке и разрядке накопителей и, наконец, при необходимости, включению теплового насоса. Для предотвращения коротких циклов и повышения стабильности работы была реализована логика управления на основе гистерезиса.

В ходе моделирования ученые рассматривали пятиэтажное жилое здание в Бари, для которого характерна высокая инсоляция и умеренная потребность в отоплении. Были проанализированы четыре конфигурации. В первом случае после геотермального поля устанавливается система PB-LHTES для накопления избыточной тепловой энергии и поддержки нагрева воды для бытовых нужд, что снижает зависимость от теплового насоса. Во втором и третьем случаях тепловой насос «воздух-вода» заменяется на тепловой насос «вода-вода», а система PB-LHTES устанавливается на стороне нагрузки для улучшения условий работы теплового насоса. Четвертая конфигурация является эталонной и представляет собой базовую систему теплового насоса с промежуточным теплоносителем для производства горячей воды для бытовых нужд.

Анализ показал, что во всех четырех конфигурациях добавление PB-LHTES и переход на тепловые насосы типа «вода-вода» повышают производительность системы за счет более эффективного использования энергии и снижения энергопотребления тепловых насосов. Наилучшие результаты показал третий вариант благодаря условной тепловой разводке, при которой приоритет отдается прямому использованию накопителей и оптимизируются условия работы тепловых насосов.

Также было установлено, что коэффициент полезного действия (КПД) теплового насоса последовательно увеличивается в зависимости от конфигурации: с 2,5 в базовом варианте до 2,9–3,1 в варианте 1 и до 4,3 в варианте 3, что свидетельствует о снижении температурного напора и улучшении интеграции системы.

Коэффициент использования возобновляемых источников энергии также значительно повысился, особенно в сценариях с использованием фотоэлектрических систем с пассивным охлаждением, — с примерно 14–37 % в базовой конфигурации до 75–80 % в летний период в сценарии 1 и до 40–60 % в течение всего года в сценариях 2 и 3, что свидетельствует о более высоком уровне самопотребления фотоэлектрических систем и более сбалансированной сезонной производительности.

«В целом результаты показывают, что в системах горячего водоснабжения с рекуперацией тепловой энергии основной прирост производительности достигается не за счет интеграции накопителей, а за счет синергетического сочетания гибридных накопителей с аккумулированием тепловой энергии и стратегий маршрутизации с учетом температуры, — говорит Джаханбин. — Такое сочетание позволяет сохранить качество рекуперированной тепловой энергии, повысить стабильность подачи горячей воды и снизить зависимость от работы теплового насоса в течение года».

Предложенная система была описана в статье «Стратегии распределения скрытого и явного тепла в гибридных системах с аккумулированием в плотном слое для бытовых систем горячего водоснабжения с тепловыми насосами, работающими на солнечной и тепловой энергии», которая недавно была опубликована в журнале Applied Thermal Engineering.