Совместное использование бытовых тепловых насосов и термохимических накопителей на основе карбоната калия

Американские исследователи обнаружили, что сочетание бытовых тепловых насосов с термохимическими накопителями энергии может снизить потребность в электроэнергии в периоды похолодания. Повышение эффективности накопителей и производительности тепловых насосов может увеличить вклад тепловых накопителей в низкоуглеродные энергосистемы.

сследовательская группа из Университета штата Пенсильвания в США провела оценку бытовых тепловых насосов в сочетании с термохимическими накопителями энергии (ТХНЭ) для длительного хранения энергии. Исследователи хотели выяснить, может ли накопление тепла перед наступлением холодов снизить потребность в электроэнергии для отопления, когда тепловые насосы становятся менее эффективными, а нагрузка на энергосистему возрастает.

«В этой статье мы моделируем систему термохимической конденсации и электролиза с использованием карбоната калия (K₂CO₃) в качестве термохимического материала (ТХМ)», — пояснили авторы. «Эта система может быть заблаговременно заряжена с помощью электрического теплового насоса и разряжена для обеспечения тепловой нагрузки здания в отопительный сезон». Оптимальная работа системы оценивается в самый напряженный период отопительного сезона на основе прогнозов на 2050 год».

Исследователи использовали моделирование и линейную оптимизацию для оценки работы воздушного теплового насоса в сочетании с теплоаккумулирующим элементом на основе карбоната калия и аккумуляторной батареей в частном доме площадью 220,82 м² в условиях Нью-Йорка. Почасовые прогнозы энергосистемы на 2050 год, в которой выбросы углекислого газа будут сокращены на 95 %, были преобразованы в переменные ограничения по потреблению электроэнергии в здании.

Модель TCES предполагала накопление тепла за счет обезвоживания соли и выделение тепла за счет гидратации. Для зарядки требовалась вода температурой около 80 °C, а для лучистого отопления во время разрядки — вода температурой 35 °C. Команда дополнительно оптимизировала почасовую работу системы, чтобы минимизировать потребление электроэнергии, при этом удовлетворяя потребность в отоплении и соблюдая лимит потребления электроэнергии.

Эталонные показатели эффективности зарядки/разрядки составили 45%/80% для теплоаккумулятора и 95%/95% для аккумулятора. В ходе 96 симуляций варьировались производительность теплового насоса, удельная тепловая мощность теплоаккумулятора и эффективность зарядки, чтобы оценить их влияние на требуемую емкость накопителей.

Согласно результатам, для эталонной системы потребовалось 68 кВт·ч тепловой энергии и 168 кВт·ч энергии в аккумуляторах, при этом аккумуляторы обеспечивали большую часть аккумулирования энергии. Более высокий коэффициент полезного действия теплового насоса в теплое время года (COP), улучшенная эффективность зарядки теплоаккумулирующих систем и более высокая удельная тепловая мощность благоприятствовали использованию теплоаккумуляторов, в то время как более высокий коэффициент полезного действия в холодное время года снижал требования к теплоаккумуляторам. В сценарии, наиболее благоприятном для использования теплоаккумуляторов, оптимальная емкость теплоаккумулирующей системы составила 894 кВт·ч.

«Эти результаты указывают на два потенциальных пути, по которым будущие исследователи и производители смогут обеспечить эффективное и длительное хранение энергии с помощью тепловых насосов и теплоаккумулирующих систем», — отметили ученые. «Первый подход предполагает повышение эффективности зарядки TCES с 45 % до 65 %, а второй — увеличение коэффициента полезного действия теплового насоса как минимум на 25 %, даже если в холодном климате он будет работать хуже».

По словам исследователей, дальнейшая разработка предложенной конфигурации может быть направлена на повышение удельной мощности системы аккумулирования тепла. Такие усовершенствования позволят системам аккумулирования тепла обеспечивать большую долю потребности в отоплении в периоды повышенной нагрузки на энергосистему, снижая зависимость от аккумуляторных батарей. Однако жизнеспособность комбинированной системы будет зависеть от повышения эффективности компонентов и возможности интеграции систем аккумулирования тепла с бытовыми системами отопления.

Challenger EVG12-100S https://invertory.ru/product/Challenger-EVG12-100S/