כיצד לשלב משאבות חום למגורים עם PV, אחסון סוללות

חוקרי Fraunhofer ISE חקרו כיצד ניתן לשלב מערכות PV על גג מגורים עם משאבות חום ואחסון סוללות.

הם העריכו את הביצועים של מערכת PV-משאבת חום-סוללה המבוססת על שליטה מוכנה לרשת חכמה (SG) בבית חד-משפחתי שנבנה בשנת 1960 בפרייבורג, גרמניה.

"נמצא שהבקרה החכמה הגדילה את פעולת משאבת החום על ידי הגברת הטמפרטורות שנקבעו", אמר החוקר שובם ברסקר למגזין pv. "בקרת ה-SG-Ready העלתה את טמפרטורת האספקה ​​ב-4.1 קלווין להכנת מים חמים, ולאחר מכן הורידה את מקדם הביצועים העונתי (SPF) ב-5.7% מ-3.5 ל-3.3. יתר על כן, עבור מצב חימום חלל הבקרה החכמה הורידה את ה-SPF ב-4% מ-5.0 ל-4.8".

ה-SPF הוא ערך הדומה למקדם הביצועים (COP), כאשר ההפרש הוא מחושב על פני תקופה ארוכה יותר עם תנאי גבול משתנים.

Baraskar ועמיתיו הסבירו את ממצאיהם ב"ניתוח ביצועים ותפעול של מערכת משאבת חום פוטו-וולטאית על בסיס נתוני מדידה בשטח," שפורסם לאחרונה בהתקדמות אנרגיה סולארית.לדבריהם, היתרון העיקרי של מערכות משאבת חום PV מורכב מצריכת הרשת המופחתת שלהן ועלויות חשמל נמוכות יותר.

מערכת משאבת החום היא משאבת חום מקורה קרקעית של 13.9 קילוואט המעוצבת עם אחסון חיץ לחימום חלל. הוא מסתמך גם על מיכל אגירה ותחנת מים מתוקים להפקת מים חמים ביתיים (DHW). שתי יחידות האחסון מצוידות בתנורי עזר חשמליים.

מערכת ה-PV מכוונת לדרום ובעלת זווית הטיה של 30 מעלות. יש לו הספק של 12.3 קילוואט ושטח מודול של 60 מ"ר. הסוללה מצמדת DC ובעלת קיבולת של 11.7 קוט"ש. לבית הנבחר יש שטח מגורים מחומם של 256 מ"ר ודרישת חימום שנתית של 84.3 קוט"ש/מ"ר.

"הספק ה-DC מיחידות PV וסוללה מומר ל-AC באמצעות מהפך בעל הספק AC מקסימלי של 12 קילוואט ויעילות אירופית של 95%", הסבירו החוקרים, וציינו שהבקרה המוכנה ל-SG מסוגלת ליצור אינטראקציה עם את רשת החשמל ולהתאים את פעולת המערכת בהתאם. "בתקופות של עומס רשת גבוה, מפעיל הרשת יכול לכבות את פעולת משאבת החום כדי להפחית את עומס הרשת או יכול גם לעבור הפעלה מאולצת במקרה ההפוך".

תחת תצורת המערכת המוצעת, יש להשתמש בתחילה בכוח PV עבור עומסי הבית, כאשר עודפים מסופקים לסוללה. כוח עודף יכול להיות יוצא לרשת רק אם לא נדרש חשמל על ידי משק הבית והסוללה טעונה לחלוטין. אם גם מערכת ה-PV וגם הסוללה אינם מסוגלים לכסות את דרישת האנרגיה של הבית, ניתן להשתמש ברשת החשמל.

"מצב ה-SG-Ready מופעל כאשר הסוללה טעונה במלואה או נטענת בעוצמה המקסימלית שלה ועדיין יש עודפי PV זמינים", אמרו אנשי האקדמיה. "לעומת זאת, תנאי ההפעלה מתקיים כאשר הספק ה-PV המיידי נשאר נמוך מהביקוש הכולל של הבניין למשך 10 דקות לפחות."

הניתוח שלהם בחן את רמות הצריכה העצמית, חלק השמש, יעילות משאבת החום וההשפעה של מערכת ה-PV והסוללה על יעילות ביצועי משאבת החום. הם השתמשו בנתונים של דקה אחת ברזולוציה גבוהה מינואר עד דצמבר 2022 ומצאו שבקרת SG-Ready הגדילה את טמפרטורות אספקת משאבת החום ב-4.1 K עבור DHW. הם גם גילו שהמערכת השיגה צריכה עצמית כוללת של 42.9% במהלך השנה, מה שמתורגם להטבות כספיות לבעלי הבית.

"הביקוש לחשמל עבור [משאבת החום] היה מכוסה ב-36% עם מערכת ה-PV/סוללה, דרך 51% במצב מים חמים ביתיים ו-28% במצב חימום חלל", הסביר צוות המחקר והוסיף כי טמפרטורות גבוהות יותר של הכיור הפחיתו יעילות משאבת חום ב-5.7% במצב DHW וב-4.0% במצב חימום חלל.

"עבור חימום חלל, נמצאה גם השפעה שלילית של הבקרה החכמה", אמר Baraskar. "בשל בקרת ה-SG-Ready, משאבת החום פעלה בחימום חלל מעל טמפרטורות ההגדרה של החימום. הסיבה לכך הייתה שהבקרה כנראה העלתה את טמפרטורת האחסון שנקבעה והפעילה את משאבת החום למרות שהחום לא היה נחוץ לחימום החלל. כמו כן, יש לקחת בחשבון שטמפרטורות אחסון גבוהות מדי עלולות להוביל לאיבוד חום גבוה יותר באחסון."

המדענים אמרו שהם יחקרו שילובים נוספים של PV/משאבת חום עם מושגי מערכת ובקרה שונים בעתיד.

"יש לציין שממצאים אלה הם ספציפיים למערכות המוערכות הבודדות ויכולים להשתנות מאוד בהתאם למפרטי הבניין והאנרגיה", הם סיכמו.