Πρωτότυπο αντλίας θερμότητας με υποβοηθούμενη φωτοβολταϊκή-με διπλό συμπυκνωτή συντελεστή απόδοσης 7,59

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Miguel Hernández του Έλτσε στην Ισπανία σχεδίασαν ένα σύστημα αντλίας θερμότητας αέρα--το οποίο μπορεί να μετατοπίσει την παραγωγή ζεστού νερού οικιακής χρήσης (ΖΝΧ) στις κεντρικές ώρες της ημέρας, μεγιστοποιώντας έτσι τη χρήση της παραγωγής ενέργειας από Φ/Β.

Η καινοτομία του συστήματος έγκειται στη χρήση δύο συμπυκνωτών αντί για μία μονάδα.

Οι ερευνητές εξήγησαν ότι μια συμβατική συμπαγής αντλία θερμότητας ζεστού νερού οικιακής χρήσης (DHW) περιλαμβάνει έναν συμπιεστή, έναν εξατμιστή, μια βαλβίδα εκτόνωσης και έναν συμπυκνωτή τυλιγμένο γύρω από το κάτω μέρος της δεξαμενής αποθήκευσης, θερμαίνοντας τον πλήρη όγκο του νερού μέσω φυσικής μεταφοράς. Η προτεινόμενη διαμόρφωση διπλού-συμπυκνωτή προσθέτει έναν δεύτερο συμπυκνωτή στο επάνω μέρος της δεξαμενής, σε συνδυασμό με ένα βελτιστοποιημένο σύστημα ελέγχου για την επιλογή του τρόπου λειτουργίας, διατηρώντας παράλληλα τα τυπικά εξαρτήματα.

Τόσο ο κάτω όσο και ο επάνω συμπυκνωτής αποτελούνται από σπειροειδείς σωλήνες που είναι εγκατεστημένοι μεταξύ του τοιχώματος της δεξαμενής και του μονωτικού στρώματος. Όταν λειτουργεί ο κάτω συμπυκνωτής, η θερμότητα διοχετεύεται στο κάτω μέρος της δεξαμενής των 215 λίτρων, προάγοντας τη στρωματοποίηση και τη θέρμανση ολόκληρου του όγκου. Όταν ενεργοποιείται ο επάνω συμπυκνωτής, θερμαίνεται μόνο το επάνω τμήμα της δεξαμενής, επιτρέποντας πιο στοχευμένη λειτουργία και χαμηλότερη αποθήκευση ενέργειας.

Το πρωτότυπο αναπτύχθηκε από μια εμπορική αντλία θερμότητας τύπου split-αέρα-σε-νερού εξοπλισμένη με κυλιόμενο συμπιεστή 600 W και ψυκτικό R134a. Ο αρχικός θερμαντήρας ηλεκτρικής αντίστασης 2.400 W αποσυνδέθηκε για να διασφαλιστεί η λειτουργία αποκλειστικά σε λειτουργία αντλίας θερμότητας. Το σύστημα είχε{9}}βαθμολογημένο συντελεστή απόδοσης (COP) από τον κατασκευαστή 3,17 στους 14 C. Οι τροποποιήσεις περιελάμβαναν την ενσωμάτωση του δεύτερου συμπυκνωτή, τον επανασχεδιασμό του κυκλώματος ψύξης και την αναβάθμιση του συστήματος ελέγχου για δοκιμές υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας ΖΝΧ και Φ/Β.

Η πειραματική ρύθμιση σχεδιάστηκε για να αναπαράγει την πραγματική οικιακή ζήτηση ζεστού νερού χρήσης χρησιμοποιώντας ένα σύστημα κλειστού-βρόχου για την αποφυγή σπατάλης νερού. Αποτελούσε δύο κλιματικούς θαλάμους, τη διπλή-αντλία θερμότητας συμπυκνωτή, μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση 600 W και ένα ελεγχόμενο υδραυλικό κύκλωμα. Η αντλία θερμότητας συνδέθηκε τόσο με το δίκτυο όσο και με το φωτοβολταϊκό σύστημα, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη οικονομική αποζημίωση για την πλεονάζουσα ηλεκτρική ενέργεια που τροφοδοτείται στο δίκτυο.

Μια βοηθητική δεξαμενή, αντλία κυκλοφορίας και ψύκτη νερού διατήρησαν τη θερμοκρασία του νερού εισόδου στους 10 C για την προσομοίωση των συνθηκών παροχής δικτύου. Ένας ελεγκτής Arduino Mega διαχειριζόταν τις αντλίες, τις βαλβίδες, το ψυκτικό συγκρότημα και την αντλία θερμότητας για να επιτρέψει την αυτοματοποιημένη δοκιμή. Το σύστημα ήταν επίσης εξοπλισμένο με 30 αισθητήρες θερμοκρασίας, μετρητές ροής και ηλεκτρικές συσκευές παρακολούθησης, με δεδομένα που καταγράφονται σε διαστήματα ενός-λεπτού.

Οι ερευνητές αξιολόγησαν τρεις διαμορφώσεις σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 18 C: μια συμβατική μονή-αντλία θερμότητας συμπυκνωτή, το ίδιο σύστημα σε συνδυασμό με Φ/Β και τη διπλή-αντλία θερμότητας συμπυκνωτή με Φ/Β. Οι δοκιμές ακολούθησαν ένα προφίλ κατανάλωσης ΖΝΧ με βάση το EN 16147, διασφαλίζοντας θερμοκρασίες παροχής πάνω από 45 C.

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η διαμόρφωση διπλού-συμπυκνωτή βελτίωσε τον έλεγχο της στρωματοποίησης, μείωσε τη συνολική κατανάλωση ενέργειας και διατήρησε την ποιότητα της υπηρεσίας ΖΝΧ ενώ αύξησε σημαντικά την ιδιοκατανάλωση Φ/{1}}.

Η ανάλυση διαπίστωσε ότι ο μέσος εποχιακός COP της αντλίας θερμότητας έφτασε το 3,55 στη διαμόρφωση ενός-συμπυκνωτή και το 3,65 όταν συνδυάστηκε με ΦΒ.

«Όπως ήταν αναμενόμενο, και οι δύο τιμές είναι παρόμοιες, αφού δεν υπάρχει διαφορά στον τρόπο λειτουργίας μεταξύ τους», τόνισε η ερευνητική ομάδα. "Στην τρίτη δοκιμή, με δύο συμπυκνωτές και μια βελτιωμένη στρατηγική ελέγχου που επιτρέπει τη λειτουργία με χαμηλότερη θερμοκρασία νερού, αυτή η απόδοση αυξάνεται στο 3,71. Αυτή η τάση είναι πιο έντονη κατά την ανάλυση της απόδοσης της υπηρεσίας ΖΝΧ, όπου τα αποτελέσματα είναι 3,08 και 3,12 για τους δύο πρώτους τρόπους λειτουργίας και 3,37 με το κρύο πάνελ και 3,37 με το panel configur. στη διαμόρφωση με δύο συμπυκνωτές, υπάρχουν λιγότερες απώλειες θερμότητας."

Η ιδιοκατανάλωση ηλιακής ενέργειας-με το σύστημα διπλού-συμπυκνωτή, εν τω μεταξύ, αυξήθηκε από 9,9% σε 55,5%.

"Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν επίσης την ανάγκη να ληφθεί υπόψη η στιγμιαία ιδιοκατανάλωση, χρησιμοποιώντας μια βάση υπολογισμού το πολύ λεπτό-προς-λεπτό και όχι ωριαία ή ημερήσια, καθώς η τελευταία έχει ως αποτέλεσμα μη ρεαλιστικά υψηλές ηλιακές συνεισφορές", κατέληξαν οι ακαδημαϊκοί. "Λαμβάνοντας υπόψη την ενέργεια που παρέχεται από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, η απόδοση του HP μπορεί να επαναξιολογηθεί, οδηγώντας σε COP 3,46 όταν εργάζεστε με έναν συμπυκνωτή και 7,59 όταν εργάζεστε με τη διαμόρφωση διπλού συμπυκνωτή."

Το σύστημα περιγράφηκε στην "Πειραματική αξιολόγηση ενός νέου σχεδιασμού φωτοβολταϊκών αντλιών θερμότητας με διπλό συμπυκνωτή", που δημοσιεύτηκε στο Solar Energy.