PV-assistert varmepumpeprototype med dobbel kondensator når 7,59 ytelseskoeffisient

Forskere ved Miguel Hernández-universitetet i Elche i Spania har designet et luft-til-vann-varmepumpesystem som kan flytte husholdningsvarmtvannsproduksjonen til sentrale dagslystimer, og dermed maksimere utnyttelsen av PV-kraftproduksjon.

Det nye med systemet ligger i bruken av to kondensatorer i stedet for en enkelt enhet.

Forskerne forklarte at en konvensjonell kompakt varmtvannsvarmepumpe (DHW) inkluderer en kompressor, fordamper, ekspansjonsventil og en kondensator viklet rundt bunnen av lagertanken, og varmer opp hele vannvolumet gjennom naturlig konveksjon. Den foreslåtte doble-kondensatorkonfigurasjonen legger til en ekstra kondensator på toppen av tanken, kombinert med et optimert kontrollsystem for å velge driftsmodus, samtidig som standardkomponentene beholdes.

Både nedre og øvre kondensatorer består av spiralrør installert mellom tankveggen og isolasjonslaget. Når den nedre kondensatoren er i drift, leveres varme til bunnen av 215-liters tanken, noe som fremmer lagdeling og varmer opp hele volumet. Når den øvre kondensatoren er aktivert, er kun den øvre delen av tanken oppvarmet, noe som muliggjør mer målrettet drift og lavere energilagring.

Prototypen ble utviklet fra en kommersiell delt-type luft-til-varmepumpe utstyrt med en 600 W scrollkompressor og R134a kjølemiddel. Den originale 2400 W elektriske motstandsvarmeren ble koblet fra for å sikre drift utelukkende i varmepumpemodus. Systemet hadde en produsent-vurdert ytelseskoeffisient (COP) på 3,17 ved 14 C. Modifikasjoner inkluderte integrering av den andre kondensatoren, redesign av kjølekretsen og oppgradering av kontrollsystemet for testing under realistiske DHW- og PV-driftsforhold.

Eksperimentoppsettet ble designet for å gjenskape ekte husholdnings varmtvannsbehov ved å bruke et lukket-sløyfesystem for å unngå vannsløsing. Den besto av to klimatiske kamre, den doble-kondensatorvarmepumpen, en 600 W PV-installasjon og en kontrollert hydraulisk krets. Varmepumpen ble koblet til både nettet og solcelleanlegget, uten at det ble vurdert økonomisk kompensasjon for overskuddsstrøm til nettet.

En hjelpetank, sirkulasjonspumpe og vannkjøler holdt temperaturen på innløpsvannet på 10 C for å simulere strømforsyningsforholdene. En Arduino Mega-kontroller administrerte pumper, ventiler, kjøleren og varmepumpen for å muliggjøre automatisert testing. Systemet var også utstyrt med 30 temperatursensorer, strømningsmålere og elektriske overvåkingsenheter, med data registrert med ett{4}}minutts intervaller.

Forskerne evaluerte tre konfigurasjoner ved en omgivelsestemperatur på 18 C: en konvensjonell enkelt-kondensatorvarmepumpe, det samme systemet koblet til PV, og den doble-kondensatorvarmepumpen med PV. Testene fulgte en EN 16147-basert varmtvannsforbruksprofil, og sikret tilførselstemperaturer over 45 C.

Resultatene viste at den doble-kondensatorkonfigurasjonen forbedret stratifiseringskontrollen, reduserte det totale energiforbruket og opprettholdt DHW-tjenestekvaliteten samtidig som det økte PV-egen-forbruket betydelig.

Analysen fant at gjennomsnittlig sesongmessig COP for varmepumpen nådde 3,55 i enkelt-kondensatorkonfigurasjonen og 3,65 når den ble kombinert med PV.

"Som forventet er begge verdiene like, siden det ikke er noen forskjell i driftsmodusen mellom dem," understreket forskerteamet. "I den tredje testen, med to kondensatorer og en forbedret kontrollstrategi som tillater drift med lavere vanntemperatur, stiger denne effektiviteten til 3,71. Denne trenden er mer uttalt når man analyserer effektiviteten til DHW-tjenesten, hvor resultatene er 3,08 og 3,12 for de to første driftsmodusene og 3,37 for konfigurasjonen med to kalde panelkondensatorer og PV-konfigurasjonen med to kalde panelkondensatorer. kondensatorer, er det færre varmetap."

Selv-selvforbruket av solenergi med det doble-kondensatorsystemet steg i mellomtiden fra 9,9 % til 55,5 %.

«Resultatene fremhever også behovet for å vurdere øyeblikkelig selv-forbruk, ved å bruke en beregningsbase på maksimalt minutt-for-minutt i stedet for hver time eller daglig, siden sistnevnte resulterer i urealistisk høye solenergibidrag, konkluderte akademikerne. "Med tanke på energien som leveres av PV-panelene, kan ytelsen til HP revurderes, noe som fører til en COP på 3,46 når du arbeider med én kondensator og på 7,59 når du arbeider med den doble kondensatorkonfigurasjonen."

Systemet ble beskrevet i "Eksperimentell vurdering av en ny fotovoltaisk varmepumpedesign med dobbel kondensator," publisert i Solar Energy.