Анализ: Термопомпена система в комбинация с фотоволтаик+батерия, базирана на данни от измерванията на полето

Акценти

Централни стойности за оценка на ефективността на комбинация от фотоволтаична система / термопомпа / батерия в еднофамилна къща.
Резултати, базирани на подробно метрологично изследване, сравнени с различни съществуващи анализи, базирани на модели по темата.
Разглеждане на индивидуалните свойства на обекта в реални условия, допълнени от реалното потребителско поведение на обитателите.
Определени са фотоволтаичната самоконсумация, автаркията, слънчевата част и ефективността (намаляването) на термопомпата.

Translated with DeepL.com (free version)

Абстракт

Комбинацията от фотоволтаична помпа (PV-HP) със системи за управление на батериите и енергията става все по-популярна поради способността им да увеличават автаргийната и използването на самогенерираната фотоволтаична енергия. Тази тенденция се дължи на продължаващата електрификация на отоплителния сектор и нарастващото несъответствие между нарастващите разходи за електроенергия и намаляването на тарифите в Германия. Могат да се използват стратегии за интелигентно управление за контрол и оптимизиране на работата на термопомпата за постигане на по-високо собствено потребление на фотоволтаична енергия. Тази работа представя резултатите от оценката на оптимизирана система с интелигентна мрежа, контролирана PV-HP-батерия в еднофамилно домакинство в Германия, като се използват данни за измерване на поле с 1 минута. В рамките на 12 месеца е определена самостоятелна консумация в размер на 43 %. Слънчевата фракция на HP възлиза на 36 %, което се дължи и на по-високите температури за отопление на помещенията и производството на битова гореща вода. Съответно SPF намалява с 4,0 % отоплението на помещенията и с 5,7 % в режим на битова гореща вода. Комбинираният сезонен функционален фактор за термопомпата се увеличава от 4.2 до 6.7, когато се има предвид само електроенергията, взета от мрежата, и пренебрегваща местно произведената електроенергия, доставяна от фотоволтаични и акумулаторни устройства.

1. Въведение

1.1. Предистория

В Германия секторът на сградите е отговорен за 35 % от общото потребление на енергия, 63 % от тях са от жилищни сгради [1]. Следователно жилищният сектор предлага висок потенциал за икономии в прехода в енергийния сектор. Повече от 80 % от крайното потребление на енергия в жилищния сектор се дължи на отоплението на помещенията (70 %) и на подготовката за топла вода (14 %) [2]. Следователно подобряването на енергийната ефективност на отоплителния сектор чрез насърчаване на оползотворяването на енергията от възобновяеми източници е жизнеспособно решение за декарбонизиране на сградния сектор.

Термопомпите (HP) играят ключова роля в този контекст. Благодарение на високата си енергийна ефективност и ниските емисии, термопомпите набират все по-голямо приемане. В германския контекст правителството се е споразумяло за целта за въвеждане в експлоатация на 500 000 термопомпи всяка година от 2024 г. [3] [3], при която евентуално всяка нова отоплителна система в сградата трябва да се експлоатира с най-малко 65 % възобновяема енергия [3,4]. В жилищния сектор електрически задвижваните термопомпи за компресия, особено термопомпите с въздушен източник, са най-използвани, следвани от термопомпите от наземен източник [5]. По-нататъшен потенциал за икономии се крие в подобряването на входящата електрическа енергия към термопомпата, например под формата на възобновяема фотоволтаична енергия (PV).

Фунетично-PV системите на покрива бързо се разширяват не само в Германия, но и в световен мащаб.[6] PV системите имат кратко време за изплащане [6], като осигуряват както финансови, така и екологични предимства. Производството на фотоволтаична енергия може да се подава и в електроенергийната мрежа, срещу възнаграждение под формата на тарифа за подаване на енергия. В Германия тарифата за подаване на фотоволтаични системи под 10 kW стана по-ниска от цените на електроенергията в мрежата през 2012 г., след което стана по-добър избор за собствениците на жилища да консумират своята фотоволтаична енергия [7]. Освен това неотдавнашният конфликт между Русия и Украйна доведе до значителен скок в цените на електроенергията [8] и необходимостта от по-високи собствени количества (SC) става все по-актуална.

PV поколението варира в зависимост от слънчевото облъчване, докато търсенето на домакинствата остава относително постоянно през целия ден. Това темпорално несъответствие ограничава прякото вътрешно потребление на PV електроенергия [7] и води до значително подаване на газопреносване в мрежата, което натоварва мрежата [9]. Електрическо съхранение на батерията, когато е свързано с фотоволтаичния блок, може да съхранява излишната фотоволтаична енергия и да я доставя на строителните товари съгласно търсенето [10].

Няколко проучвания споменават ползите от PV-батерия системи под формата на повишена самостоятелно потребление и автоархия [7,11,12]. Самоконсумацията описва дела на общото вътрешно производство на енергия от фотоволтаична енергия, което се използва директно в сградата или за зареждане на батерии [13], докато автархията определя дела на общото домакинско натоварване, което се доставя от PV, пряко или чрез батерия [13]. Освен това, батериите могат също така да намалят напрежението в мрежата, причинено поради прекомерно подаване по време на пиковите часове на производство на фотоволтаици [9,14]. Батериите за зареждане на автомобили предлагат подобна възможност за увеличаване на потреблението на собствено фотоволтаично производство [15]. Тази статия анализира една такава PV-батерна система по отношение на нивата на самоконсумация и ефекта от интегрирането й с термопомпения агрегат.

Свързването на секторите на отоплението и електроенергията, под формата на PV-HP системи, набира интерес от мнозина. Интелигентните термопомпи, които могат да комуникират с домашната енергийна система, могат да коригират работата си, за да увеличат максимално домашната фотоволтаична консумация или да работят ориентирани към мрежата, в зависимост от използваната стратегия за контрол [16]. В този контекст фотоволтаичните системи влияят върху работата на термопомпите, за да се използва излишъкът на наличната електроенергия. Тази манипулация се извършва чрез стратегии като засилена работа на термопомпата, повишени температури на за съхранение или чрез изместване на работата на термопомпата в зависимост от наличната фотоволтаична енергия. Такава функция, която позволява да се контролират термопомпите на базата на наличната електроенергия, е SG-Ready (съкратено за интелигентни мрежи), който е подробно описан в раздел 2.1.1. Важно е, че тези стратегии имат потенциал да повлияят на оперативната ефективност на термопомпите. Това сложно взаимодействие представлява ключова фокусна точка, която това проучване има за цел да изследва. Няколко проучвания обсъждат силата на PV-HP системите, като например повишената самостоятелно потребление и независимост на мрежата, в допълнение към икономическите и екологичните ползи [16,17,18,19,20,21,22]. Фишер и т. н. [22] показват потенциала за смяна на товара, като анализирате басейн от 284 термопомпи по отношение на техния отговор на различни SG-Ready сигнали, с помощта на симулации. Те показват, че изместването на товара води до значителни загуби на енергия в термопомпата. През [20] авторите симулират PV-HP система с електрически и термични хранилища и потвърждават, че интелигентните стратегии за контрол на термопомпата помагат за намаляване на мощността, закупена от мрежата, като преместват работа на часове с излишната мощност на PV и прегряване на резервоара за съхранение на DHW.

В общ контекст, ако не се вземат предвид инвестициите, поддръжката и възможните застрахователни разходи, електроенергията от PV и батерията е безплатна за потребителя, за разлика от непрекъснатите разходи за закупуване на електроенергия от мрежата. Следователно става интересно да се анализира ефективността на термопомпата само за доставеното на мрежата електроенергия. Като се вземат предвид икономиите на електроенергия поради PV и батерията, доставяна на термопомпата, коефициентът на изпълнение може да се изчисли само за вложената електроенергия на мрежата към термопомпата за една и съща топлинна мощност. Някои фактори за енергийните характеристики на PV-HP системите, които отчитат само електроенергията от мрежата, подавана към термопомпата, са упоменати в Доклад D1 от задача SHC 60 [23]. Нидерхьойзер и др. [18] извършва мониторингово проучване за комбинация PV-HP, при което пълната фотоволтаична мощност е подадена към термопомпата. Авторите отбелязват, че за същата граница на системата (включително страната на топлоснабдяването), като се има предвид, че производството на фотоволтаична енергия увеличава сезонния функционален фактор (SPF) от 5,3 на 6,9. Фрага и др. [24] показа ползата от фотоволтаичната доставка на термопомпата под формата на значително високи SPF (до 21.9) за нова сграда с термопомпа с воден източник за различни преоборудващи състояния на сграда. В цялостния си преглед на соларните помпени системи, Poppi et al. [17] обсъжда значението на правилното определяне на границите на системата при разглеждането на PV-HP системите. Те допълнително обсъждат значението на по-високата разделителна способност и допълнителната сложност при оценката на PV-HP системите, когато допълнително се разглежда захранването на батерията на термопомпата и други строителни товари. В тази връзка ясното определяне на границите на системата е от решаващо значение за системите PV-HP-батерия [17]. Границите на системата са в основата на оценката на термопомпените системи, които уреждат тълкуването на свързаните ключови показатели за ефективност (КИИ). Според Poppi et al. [17] не може да се установи обичайна практика в това отношение и трябва да се направи повече работа за оценка на ползите от комбинацията PV-HP система.

1.2. Обектив и структура

Няколко проучвания са предприели експериментален или симулационен подход, за да получат прозрения в комбинацията PV-HP по отношение на комбинациите от системи, интелигентния контрол на термопомпите, поддържащи мрежата, и екологичното и икономическото въздействие на такива комбинации [16,17,18,19,20,21,22]. Въпреки това, задълбочени изследвания липсват по отношение на въздействието на интелигентния контрол върху динамичната ефективност на производителността на термопомпата. Освен това трябва да се работи обширна работа, за да се анализира ефектът на PV и акумулаторните единици върху консумираната от термопомпата енергия чрез предефиниране на системните граници на PV-HP системите.

Тази работа има за цел да подпомогне текущите изследвания на PV-HP системите в комбинация с батерии. Данните от реалния свят от еднофамилна къща във Фрайбург, Германия, са събрани с помощта на инсталираното измервателно оборудване и се анализират за оценка на производителността на системата. Резултатите от оценката на системата са представени под формата на различни KPI, като се обърне внимание на следния въпрос за изследванията:

. . .
Как PV и батериите влияят върху производителността на слънчевата термопомпена система?
. . .
Как интелигентният контрол влияе върху поведението на работа и ефективността на термопомпата?

Раздел 2 се задълбочава в методологията, като предоставя подробен отчет за настройката на системата, обхващаща както хидравличните, така и електрическите връзки. След описание на SG-Ready контрол, се описва и последователността на управление на енергията на PV-HP системата, придружена от създаването на набор от KPI за количествено определяне на производителността на системата. Раздел 3 представя резултатите от оценката на ефективността на системата. Освен това тук се обсъжда и въздействието на интелигентния контрол на SG-Ready върху температурите на подаване на термопомпи. Дискусията в раздел 4 критично анализира резултатите в контекста на изследователските въпроси, поставени в началото, и е от основно значение по отношение на тълкуването на значението на констатациите и предлагането на прозрения в по-широкия контекст на изследването. Основните констатации от тази работа са обобщени в раздел 5, заключение.

2. Методология

2.1. Описание на системата

Анализът, извършен в това проучване, се основава на данни за измерване на полето от полусамостоятелна къща, разположена във Фрайбург, Германия. Къщата е построена през 1960 г. и е с отопляема жилищна площ от 256 м². Къщата има годишно специфично търсене на отопление от 84.3 kWh/m2a.

Хидроновите компоненти, инсталирани в системата, са показани на фиг. 1. Системата е съставена от термопомпа източник на земята с номинална мощност 13,9 kW (B0/W35), която извлича топлина от земята чрез един топлообменник на сондажа. Топлината, генерирана от термопомпата, се използва за отопление на помещения чрез буферно съхранение и за подготовка на битова гореща вода чрез резервоар за съхранение и станция за прясна вода. И двете складове са оборудвани с електрически спомагателни нагреватели. Топлинната мощност на спомагателните нагреватели се очаква да бъде изчислена от единицата за събиране на данни (DAQ) от измерената консумация на електроенергия, като се има предвид ефективност на преобразуване от 100 %. Въпреки това, от наблюдението се наблюдава, че спомагателните нагреватели са неработни за пълния период на наблюдение, а пълната топлинна енергия е осигурена от термопомпата.

Топлинните измервателни уреди се поставят на различни места в веригата, както е посочено от зелените кутии. Директно надолу по веригата на термопомпата, един термометър измерва топлинната мощност на термопомпата, докато разделението между отоплението на помещенията и режимите DHW се извършва чрез измерване на състоянието на регулиращия клапан. Топломерите измерват разликата между температурите на подаване и връщане; и заедно с измерения обемен поток, изчислете топлинната енергия на местата, както е посочено в цифрата.

Смокиня. 2 показва електрическите компоненти в системата. От електрическата страна, PV масивът на мрежата, допълнен от акумулаторния блок, е основният източник на захранване за домакинството, последван от закупуването на мрежата. Системата има фотоволтаична единица с модулна площ 60 m ² и номинална мощност от 12,3 kWp. PV модулът е ориентиран в посока юг-югозапад и има наклон от 30°, DC-свързаният електрически акумулаторен агрегат има капацитет от 11,7 kWh. Захранването на постоянен ток от PV и акумулаторни агрегати се преобразува в променлив ток чрез инвертор, който има максимална мощност на променливотоковия двигател 12 kW и европейска ефективност от 95 %.

2.1.1. SG-Ready контрол на термопомпите

Термопомпите с SG-Ready (умести готови за мрежата) етикети могат да взаимодействат с електрическата мрежа и съответно да регулират работата си по начин, ориентиран към мрежата начин [25]. По време на периодите на високо натоварване на мрежата операторът на мрежата може да изключи работата на термопомпата, за да намали напрежението в мрежата или също може да претърпи принудително включване в обратния случай. Това може да послужи за влияние върху електрическия товар, например, за да се стабилизира общото натоварване и / или да се предотврати ограничаването на производството на вятърна или фотоволтаична енергия. По същия начин интерфейсът SG-Ready може да се използва и за максимално увеличаване на фотоволтаичната самостоятелно потребление чрез регулиране на работата на термопомпата въз основа на наличната фотоволтаична енергия [25]. Етикетът SG-Ready помага за идентифициране на термопомпи, които имат способността да работят в следните състояния на действие [22,25]:

2.1.2. Поредица управление на енергията

Контролната последователност на търговската система за управление на енергията се получава от анализа на полеви данни (refer Fig. 3): PV мощността е приоритизирана за изграждане на товари, за да се максимизира самостоятелното потребление. Всяка излишна мощност се използва за зареждане на батерията, като се има предвид състоянието на зареждане (SOC). Ако фотоволтаичната енергия надвишава максималната мощност на зареждане на батерията или капацитета за съхранение, излишната мощност се изнася в мрежата. Ако PV мощността е недостатъчна, за да отговори на изискванията за натоварване на сградата, енергията се извлича от батерията. Ако батерията е празна или вече се разрежда при максимална мощност, всяко оставащо мигновено търсене се изпълнява чрез снабдяване с мрежата.

Термопомпата се контролира по отношение на SG-Ready интерфейса, който променя работата на термопомпата, за да се увеличи максимално PV самостоятелното потребление. В анализираната система SG-Ready е конфигуриран да задейства термопомпата при подсилена работа, при което температурите на отоплението и DHW се повишават. Това съответства на държавата OS3, както е описано в таблица 1. Режимът SG-Ready се активира, когато батерията е напълно заредена или се зарежда при максималната си мощност и все още има наличен PV излишък. Обратно, състоянието на задействане се удовлетворява, когато моментната фотоволтаична енергия остава по-ниска от общото търсене на сгради за най-малко 10 минути. За изследваната система спусъкът съответства на състоянието OS2, където термопомпата се изпраща обратно към нормална работа, подчинявайки се на зададените параметри на системата.

Таблица 1. SG-Ready операция държави [22,25].

Оперативна държавна държава	Описание
OS1: Принудително ОФ	HP се изключва за максимум 2 часа
OS2: Нормална работа	Незасегната работа, подчиняване на зададените ограничения на системата
OS3: Препоръчителна	Подсилена работа на HP за отопление на помещения и битово отопление на топла вода. Препоръчителна команда за включване.
OS4: Принудително ON	Вариант 1: HP активно включи
OS4: Принудително ON	Вариант 2: HP и спомагателен нагревател активно са включени Незадължително: повишаване на температурите на съхранение

2.2. Обработка на данни

В този раздел се обяснява методологията, прилагана за оценка на жилищните енергийни системи. Топлинните и електрическите данни на системите, както е посочено в таблица А.1 (приложение), са събрани от 01.01.2022 г. до 31.12.2022 г. Оценяваната система е оборудвана с оборудване за наблюдение, което събира данните, отнасящи се до термични и електрически характеристики на системата. Подробности за измервателното оборудване се споменават в таблица А.2. Отделът за събиране на данни (DAQ) събра данните при висока резолюция от 10 s и използва комуникационния протокол modbus, за да прехвърли ежедневните сурови данни на сървър на Fraunhofer ISE. Тези събрани данни бяха допълнително прочетени в mondas, където се извършваше по-нататъшна обработка и мониторинг. mondas е уеб платформа за IoT, използвана за управление на данни в реално време, анализ на данни (откриване на грешки, изчисление, филтриране на данни и т.н.) и визуализация.

За анализ са изнесени данни за 1 минута резолюция от мондас, където преобразуването от 10 s към 1 min резолюция е постигнато чрез изчисляване на средната стойност на суровите данни през всяка минута за данни за захранването. Следващата стъпка включваше проверка на данните спрямо логическите граници и сравняването им с компонентите, предоставени от производителите. Всички данни, произтичащи от повреда на DAQ или дефектни измервания от сензорите, например, внезапна 0 мигновена стойност за консумацията на сградата, бяха маскирани, за да се осигури правилност на последващата оценка. След това балансът на мощността на системата беше оценен чрез сравняване на входящите и изходящите потоци на системата за всяка минута. Приемайки подобен подход, балансът се извършваше за дневни и месечни времеви интервали. Таблица A.5 (приложение) споменава компонентите, разглеждани при входящите и изходните потоци на мощност.

2.3. Ключови показатели за ефективност (KPI) за PV-HP-батерийни системи

KPI са от решаващо значение при анализа на работата на системата. Следният набор от KPIs е избран въз основа на предишни проучвания, позволяващи последователно описание на електрическата и топлинната ефективност на акумулаторната система PV-HP в контекста на сградата. След проверката за обработка и правдоподобност на данните, системата е оценена чрез изчисляване на КПИ, както следва, като се използват електроенергия E и топлинна Q в съответствие с номенклатурата, показана вСяка. 4: :

. . .
Самоконсумация: Самоконсумацията дава дела на общото вътрешно производство на енергия за PV, което се използва пряко от строителните товари ( $E_{e l . P V, b u i l d i n g}$

) или под формата на зареждане на батерията ( $E_{e l . P V, B A T}$ ). Ниските стойности на самостоятелното потребление показват високоенергийна захранване. (1) $S C = \frac{E_{e l . P V, b u i l d i n g} + E_{e l . P V, B A T}}{E_{e l . P V}}$ $S C = \frac{E_{e l . P V, b u i l d i n g} + E_{e l . P V, B A T}}{E_{e l . P V}}$

. . .
Слънчева фракция: в контекста на термопомпите, слънчевата фракция се отнася до съотношението на фотоволтаичната електроенергия, доставяна директно към натоварването на термопомпата ( $E_{e l . P V, H P}$

) или чрез разреждане на батерията ( $E_{e l . B A T, H P}$ ), за общата консумация на електроенергия от термопомпата ( $E_{e l . s y s, H P}$ ).(2) $S F = \frac{E_{e l . P V, H P} + E_{e l . B A T, H P}}{E_{e l . sys, H P}}$ $S F = \frac{E_{e l . P V, H P} + E_{e l . B A T, H P}}{E_{e l . sys, H P}}$

. . .
Сезонен коефициент на изпълнение: SPF е съотношението на общата топлинна енергия, доставена от термопомпа по време на отоплителен/охладен сезон или повече от година към консумацията на електроенергия през същия период. Тълкуването на SPF е предмет на определението за граница на системата (SB). Границата определя компонентите, за които са включени термичните и електрическите параметри за изчисляване на SPF. Анализът в тази работа се основава на системна граница 3 по проект за измерване на полето, WPsmart im Bestand [26], който включва спомагателния нагревател заедно с компресора за термопомпа, страничната помпа източник и контролите (вижте Fig. A.1 и таблица A.6; апендикс).

SPF е подобен на коефициента на производителност (COP) с това, че и двата параметъра дават ефективността на термопомпата. Въпреки това, COP може да се разбира като стойност на ефективност, която е валидна за фиксирани гранични условия (например A2/W35). Като има предвид, че SPF е ефективността за по-дълъг период (пълна година или сезон за отопление / охлаждане), с различни гранични условия.(3) $S P F 3 = \frac{Q_{H P} + Q_{a u x}}{E_{e l . c o m p} + E_{e l . a u x} + E_{e l . source} + E_{e l . c t r l}}$

. . .
Отоплителна крива: Кривата на нагряване на термопомпата дава връзката между външната температура на въздуха и необходимата температура на подаване или връщане за отопление на пространството, за да се отговори на необходимото търсене на топлина . Контролерът на термопомпата определя температурата на отопление на помещенията или температурата на връщане на термопомпата на базата на измерената температура на околната среда [27,28]. Ако външната температура се повиши, температурата на дебита на термопомпата намалява и поро-е-област. Прекомерно високите температури в отоплителната верига могат да доведат до топлинни загуби. Следователно, кривата на отоплението контролира температурата на потока, за да изпълни търсенето на отопление на сградата. На практика термопомпените контролери прилагат пълзяща средна стойност на определено време, за да заглушат температурите на околната среда и да повишат здравината на системата [28].

Според [17,23] може да бъде полезно да се оцени ефективността на термопомпата само за консумираната електроенергия от мрежата за термопомпи, комбинирани с фотоволтаични системи. Този подход се основава на предположението, че електроенергията, генерирана от домашните фотоволтаични и акумулаторни единици, е ефективно безплатна за собствениците на жилища. Следователно фокусът се измества към количествено определяне на топлинната мощност, произведена от термопомпата на единица закупена електроенергия от мрежата. За да се анализира допълнително ефектът на PV и батерията върху производителността на термопомпата, SPF3 се изчислява за три различни системни граници, както е илюстрирано във Фиг. 4. Само компонентите извън границата се считат за източници на електроенергия. За системната граница SB _HP се счита само термопомпа вътре в границата и се отчита общото потребление на термопомпата. Съответният SPF3 _HP е конвенционалният SPF3 на системата. За SB _HP+PV директното подаване на PV за термопомпата не се взема предвид, тъй като се генерира в рамките на границата на системата, а съответният SPF3 е SPF3 _HP+PV. По същия начин за границата SB _HP+PV+BAT се счита само електроенергията от мрежата, подавана към термопомпата, за изчисляване на SPF3 _HP+PV+BAT, като се дава стойност на пълната местно произведена електроенергия на системата PV+battery.

Ако общата електроенергия, доставена на термопомпата, се нарича E _{el.sys, HP}, където:: $E_{e l . s y s, H P} = E_{e l . g r i d, H P} + E_{e l . P V, H P} + E_{e l . B A T, H P}$

След това, за границата SB _HP, като се има предвид общата електроенергия, доставена на термопомпата, SPF3 _HP се дава от: (5) $S P F 3_{H P} = \frac{Q_{H P} + Q_{a u x}}{E_{e l . s y s, H P}}$

За граница SB _HP+PV, като се има предвид самоконсумацията на PV, SPF3 _HP+PV се изчислява като:(6) $S P F 3_{H P + P V} = \frac{Q_{H P} + Q_{a u x}}{E_{e l . s y s, H P} - E_{e l . P V, H P}}$

И накрая, за границата SB _HP+PV+BAT, като се има предвид самостоятелното потребление на фотоволтаични и акумулаторни батерии, SPF3 _HP+PV+BAT се определя от:(7) $S P F 3_{H P + P V + B A T} = \frac{Q_{H P} + Q_{a u x}}{E_{e l . s y s, H P} - E_{e l . P V, H P} - E_{e l . B A T, H P}}$

3. Резултати

Този раздел разглежда резултатите от оценката от анализираната сграда, където са направени заключенията чрез анализ на данните за полевата резолюция от 1 минута. Резултатите са обсъдени по отношение на гореспоменатите KPI. За по-добро тълкуване на резултатите трябва да се има предвид, че глобалната слънчева радиация на площадката на Фрайбург през 2022 г. (1348 kWh/m2) е с 9,3 % над средната стойност за периода 2013—20 г. (1234 kWh/m2) въз основа на данни за измерване от собствената метеорологична станция Fraunhofer ISE.

3.1. Самостоятелно потребление (SC) на фотоволтаичната система

Смокиня. 5 показва месечните данни за фотоволтаичната самостоятелно потребление, изобразена от червените маркери. Кореспониращите енергийни показатели се показват през решетките, където синият сегмент означава локално използвана електроенергия, генерирана от PV, а оранжевата част представлява електроенергия, изнасяна в мрежата през всеки месец през наблюдавания период. Илюстрацията разкрива различни противоположни годишни тенденции в производството на фотоволтаици и самостоятелното потребление. През зимните месеци (ноември – февруари) самообслужването показва повишени нива, вариращи между 94 % и 100 %. Това явление може да се отдаде на намаленото генериране на PV през зимата, като по-голямата част от генерираната енергия пряко служи за домакинските нужди. За разлика от това, през месеците, обхващащи периода от май до август, характеризиращи се със значително месечно PV производство, над 1600 kWh, самостоятелното потребление остава ниско, като се задържа под 50 %. Това се дължеше на излишното електричество, което трябваше да бъде пренасочено към мрежата. По-специално, юли регистрира най-ниската собствена консумация на 25 %, като има най-високото PV поколение за годината при 1755 kWh.

Изтегляне : Изтеглете пълноразмерно изображение

Сянка. 5. Месечна енергия, генерирана от PV и самостоятелно потребление (SC) на системата за целия период на наблюдение.

Връзката между PV поколението и самоконсумацията е ефективно демонстрирана чрез килими, както е илюстрирано във Фиг. 6. Може да е изкушаващо да се разгледа PV системата извънгабаритни или маломерната батерия за летния сезон и обратно за зимните месеци. Въпреки това, определянето на оптималните размери на компонентите се нуждае от щателни изчисления, като се имат предвид както енергийните, така и икономическите аспекти.

Изтегляне : Изтеглете пълноразмерно изображение

Сянка 6. Годишно поведение на PV генерирането и съответното самостоятелно потребление.

Смокиня. 6 показва ежегодния характер на PV поколението и съответната самостоятелна консумация под формата на килими. Х-осът представлява месеците на годината на наблюдение, докато оста y представлява часове на деня. В първата графика „PV поколение“ червените региони показват, че високата фотоволтаична енергия се генерира между часовете от 10:00 ч. и 18:00 ч. и през месеците от март до септември, когато моментната фотоволтаична мощност е повече от 5 kW. Този модел намалява към зимните месеци и към края на деня, тъй като PV поколението е ниско. Съответно „SC“ на правото показва годишния модел в самостоятелната консумация за фотоволтаичната система. За разлика от времевата рамка с високото генериране на PV, могат да се наблюдават ниски стойности на SC. В този регион СК поддържаше под 50 %, което е показателно за висок износ на мрежата. Съответно началните и последните месеци на годината се отнасят до много високи нива на самообслужване, като стойностите достигат 100 %, тъй като ниската фотоволтаична енергия, генерирана през периода, е до голяма степен пряко използвана от строителните товари. Освен това, по-високото потребление на HP поради повишеното отопление през зимата допълнително добавя към високите стойности на SC. Изчислена от сбора от енергии, системата има годишна собствена консумация от 42,9%.

3.2. Слънчева фракция (SF) на термопомпената система

Слънчевата фракция на термопомпата е показана на фиг. 7. Височината на решетките представлява общото потребление на термопомпата за всеки месец от годината, докато оранжевите, сините и сивите секции на прътите представляват захранването съответно от PV, батерията и мрежата. Годишното поведение на потреблението на енергия е ясно видимо, когато термопомпата консумира малко електроенергия през по-топлите месеци от май до октомври, а повече през останалите месеци поради повишеното търсене на отопление на помещенията. Това води до подобен, но противоположен модел, последван от слънчевата фракция на термопомпата, както е посочено от червените маркери. Много високата слънчева фракция, по-голяма от 0,90, от юни до август може да се обясни с намаленото търсене на електроенергия от термопомпите поради работата само на термопомпата. Това е пряко свързано с високото производство на PV през този период, когато термопомпата може директно да изразходва фотоволтаичната електроенергия. Освен това интелигентният контрол на термопомпата чрез SG-Ready интерфейс засили работата на термопомпата, която концентрира работата в часовете на PV наличност, като допълнително се добавя към слънчевата фракция. Противоположният ефект може да се види за месеците януари-февруари и ноември-декември, където сравнително по-ниското PV поколение ограничава слънчевата фракция до максимум 0,26, като е най-ниското ниво от 0,05 през декември.

Изтегляне : Изтеглете пълноразмерно изображение

Смотана 7. Месечно потребление на енергия и слънчева фракция (SF) на термопомпата (вляво) и процентният принос на различните електрически източници към годишното потребление на електроенергия в термопомпата (вдясно).

За сравнителен анализ кухите маркери показват слънчева фракция на термопомпата за времето, когато режимът SG-Ready активно контролира работата на термопомпата. През тези времена е трябвало да се доставя много ниско количество енергия от мрежата и е постигната висока слънчева фракция. Изчислената от сумирането на енергиите за цялата година, системата е имала годишна слънчева фракция от 0,36, в сравнение с 0,98 пъти по време на SG-Ready сигнал.

Пияната диаграма вдясно (фиг. 7) графично представлява дяловете на наличните източници на електроенергия за термопомпата. Делът на PV и батерията на термопомпата е сходен през годината. Въпреки това, приносът на фотоволтаичната енергия изглежда доминира през май до август, докато през по-късните месеци батерията доставя повече енергия на термопомпата от PV. Това е така, защото през по-студените месеци повишеното търсене на отопление на помещенията, с по-ниски нива на излъчване, води до несъответствие на производството на фотоволтаични и топлинни нужди. Като цяло през периода на оценка термопомпата е консумирала общо 5064 kWh, от които основно 63,8 % е било допринесло за доставка на мрежата. PV масивът доставя 899 kWh (17,8 %), а акумулаторната единица, доставена 934 kWh (18,4%), което води до годишна слънчева фракция от SF – 0,36. Тези акции са представени графично от пай графиката в смокината. 7.

3.3. Сезонен коефициент на изпълнение (SPF3) по източник на електроенергия

Съответствайки на различните системни граници за PV-HP-батерийни системи (преразгледайте точка 2.2.2), смокина. 8 представлява SPF3 за различни системни граници от електрическата страна, съответната консумация на електроенергия и производството на топлинна енергия на термопомпата. За да се оцени ефектите от точността на измерване върху SPF3, таблиците A.3 и A.4 съдържат съответно изчисление в съответствие с [26]. Въз основа на предполагаемите условия на работа относителната грешка на SPF3 възлиза на 4,4 %. Трите кутии отляво показват електрическата консумация на термопомпата, докато оранжевата лента вдясно представлява общата топлинна мощност на термопомпата за отопление на помещенията и DHW. Общата консумация на електроенергия за границата SB _HP е представена от червената зона, а маркерът показва съответния SPF3 _HP. SPF3 _HP от 4.2 се изчислява въз основа на общото потребление на електроенергия на термопомпата, независимо от източника и като се предполага, че цялата електроенергия се доставя от мрежата. Това означава, че за всеки кифт от закупена мрежова енергия потребителят е получил 4,2 kWh топлинна енергия.

Подобни илюстрации за граници SB _HP+PV и SB _HP+PV+Bat са направени съответно от жълтите и сините области. Когато се извади директната консумация от фотоволтаичната единица за термопомпата, SPF3 се увеличава от SPF3 _HP и 4.2 към SPF3 _HP+PV и 5.2. Когато се счита, че електроенергията, доставена от акумулаторната батерия директно на термопомпата, в допълнение към директното PV снабдяване, производителността се подобрява до SB _HP+PV+Bat 6.7; увеличение с 59,5 % в сравнение със SPF3 _HP. За собственика на дома това означава 6,7 кВтч топлина, докато трябва да плати за 1 kWh електроенергия, закупена от мрежата.

3.4. Ефект на PV-оптимизирания контрол на HP

Смокиня. 9 показва връзката на температурите на подаване на термопомпи според SG-Ready състояния, разделени за пространство и режими на отопление на битова гореща вода. Топлинните карти дават обща картина на работата на системата за цялата година, където оста x показва дните на 2022 г., докато оста y представлява часовете на деня. Двата горни парцела показват съществуващата връзка между PV мощността и SG-Ready Active сигнал. Както е посочено в раздел 2.1.2 само едно SG-Ready състояние (1) се прилага за принудителното функциониране на HP. Тъй като може да се заключи от парцела „PV поколение“, PV мощността е силно концентрирана в часовете между 10:00 и 06:00 часа, а през по-топлите месеци от март до септември, с ниско производство през останалите месеци. Съответно системата работи в режим SG-Ready за значителен дял от годината. Както е видно от сюжетите „PV поколение“ и „SG-Ready статус“, спусъкът върху него е силно зависим от наличната фотоволтаична мощност. Точните гранични условия, които са задействали режима SG-Ready, както е идентифицирано от данните от мониторинга, са описани в раздел 2.2. Режимът SG-Ready беше много активен през месеците от февруари до октомври.

Подчинявайки се на граничните условия на задействане, термопомпената помпа работи в режим SG-Ready за подготовка на DHW между февруари (17.02.2022) и октомври (16.10.2022). От сюжета „Supply temp. (DHW) ” (Фиг. 9), ефектът от SG-Ready режим е ясно видим по отношение на повишена температура на термопомпото. През периода, когато термопомпата функционира под OS3, максималната температура на термопомпото за DHW достига повече от 60 °C, изобразена от тъмночервени региони. За разлика от тях, температурите на снабдяване по време на нормалната OS2 операция достигат около 55 °C.

Подобен ефект се наблюдава и при работа с отопление на помещенията. Режимът SG-Ready контролира термопомпата в режим на отопление на помещенията през февруари (19.02.2022) до октомври (09.10.2022). Поради сравнително по-топлите температури на околната среда през тези месеци, честотата на работа на термопомпата в режим на отопление на помещенията е ниска, а ефектът от SG-Ready не е ясно видим в парцела „Температура на доставки. (SH)“. Въпреки това, този ефект може да се наблюдава по-добре с измерената крива на нагряване, както е показано на фиг. 12, което означава най-високите температури на подаване за всеки цикъл на отопление на отопление.

3.4.1. Ефект на PV-оптимизирания контрол на HP върху режим на битова гореща вода

Първият парцел във фиг. 10 показва максималното подаване на термопомпата и съответните температури на връщане, достигнати, според цикъла на DHW. Сините и зелените точки представляват температурите на снабдяване и връщане за OS2, докато съответните параметри за OS3 са представени от червените и оранжевите маркери. Може да се види ясно разграничение между нормалната (OS2) и подобрената (OS3) работа на HP. Годишната температура на претеглената топлинна енергия е с 51,8 °C за OS2 и 55.5 °C за SG-Ready режим OS3; увеличение от 3,7 K. По отношение на максималните температури на доставка на цикъл е определена средна годишна стойност от 55,8 °C за SG-Ready OS2, докато се увеличава с 4.2 K до 60.0 °C при SG-Ready OS3. Температурната разлика от около 5 K между температурите на подаване и връщане е валидна както за нормални, така и за SG-Ready. Изчислено от регресионните криви за температурите на подаване за OS2 и OS3, а за температурите на околната среда между 2 °C и 35 °C се наблюдава, че OS3 увеличава максималната температура на подаване на термопомпата за DHW средно с 4.1 K. Температурният диапазон между 0 °C и 35 °C е избран, тъй като както OS2, така и OS3 се появяват по време на тези температури на околната среда, и следователно има по-голям смисъл да се анализира ефектът за дадения температурен диапазон. Повече подробности следват в смокинята. 11.

Втората графика показва почасовия коефициент на изпълнение (PF) за циклите на DHW спрямо температурата на околната среда. Пренебрегвайки отклоненията, ПФ в нормалната работа (сини точки) се намира най-вече между 2,6 и 4,0 с очевидна корелация с температурата на околната среда, тъй като по-ниските температури на околната среда водят до по-високи нужди от отопление на помещенията и впоследствие до по-висока екстракция на топлина от наземния източник. Това води до по-ниски температури на източника и по-ниски стойности на ефективност. Стойностите на PF по време на SG-Ready OS3 са между 2,8 и 3.6, като по този начин в обхвата на PF с OS2, въпреки че температурите на топлинния източник по време на OS3 са по-високи, тъй като тези цикли на термопомпата за DHW са по-видими при по-високи температури на околната среда. В това отношение връзката на топлинната енергия с температурата на околната среда и съответния ефект върху факторите на производителността е по-добре описана при фиг. 11.

За да се интерпретира по-добре ефектът от по-високите температури на подаване в SG-Ready OS3 на PF на термопомпата, PFs в двата режима са сравнени за различни температури на околната среда, като ги забиват на стъпки от 2 K, както е показано на фиг. 11. Баровете представляват топлинната енергия, произведена от термопомпата за DHW във всяко кошче; синята част на баровете показва производството на топлинна енергия в OS2. Това в OS3 е представено от червената секция. По същия начин, сините и червените маркери показват PF за DHW на кошче, съответно за OS2 и OS3. През годината термопомпата е генерирала 5244 kWh топлина за DHW подготовка, при която повече от 85% от нея е настъпила между температурите на околната среда от 0 °C и 24 °C. Термичната енергия, произведена в SG-Ready OS3, е възникнала предимно при по-високи температури, където 96 % от енергията е генерирана при температури над 10 °C. Установено е, че делът на топлинната енергия, произведена в SG-Ready OS3, е 1368 kWh, който представлява 26 % от общата топлинна енергия, произведена за DHW. Да се оцени и общата топлинна енергия, произведена с PV/Battery електроенергия (не е показана на фиг. 11) е изчислена слънчева фракция от 0,51 за DHW. Въпреки това, SG-Ready OS3 се появява само когато са изпълнени условията на задействане, посочени в раздел 2.1.2.

Това е утвърдено разбиране, че ефективността на термопомпата се подобрява с повишаване на температурата на източника; това може да се потвърди от парцела. Както за нормалните, така и за интелигентните режими на работа, PF на термопомпата за работа на DHW се повишават с повишаване на температурите на околната среда. Въпреки това, факторите за производителност по време на SG-Ready OS3 са по-ниски от тези по време на нормалната OS2, тъй като SG-Ready контролира работата на термопомпата чрез увеличаване на температурите на подаване.

Без диференциране между различните режими на работа (OS2 и OS3) годишният SPF за производство на DHW възлиза на 3.3. За да се определи количествено ефектът от контролата на SG-Ready върху ефективността на HP, ще бъдат въведени по-долу.

Първият подход е насочен към разликата в ефективността на температурите на околната среда между 0 °C и 35 °C, където се извършва работа на термопомпата както в OS2, така и в OS3. За да се пренебрегне влиянието на претеглянето на ПФ със съответните енергии, по време на високи или ниски температури на околната среда, се разглеждат само регресионните криви на стойностите на ПФ за всеки режим и средната разлика в PF възлиза на 0,42 точки. Това може да се разбере, че OS3 намалява PF за DHW с 0.42 точки, когато се изчислява въз основа на средната разлика от кривата на регресия. За разлика от това, когато се вземат предвид съответните енергии, произведени в OS2 и OS3, т.е. претегляне на ПФ на кошчето от регресионната крива с произведената топлинна енергия, разликата в PF от регресионните криви възлиза на 0,26. Намалената разлика се дължи на факта, че по-голямата част от OS2 се появява при по-ниски температури на околната среда в сравнение с OS3. Както бе споменато, работата с различна температура на околната среда води до различни температури на източника и по този начин различна ефективност.

Друг, още по-всеобхватен подход включва изчисляване на ПФ чрез пренебрегване на съществуването на OS3. Този подход предполага, че цялата топлинна енергия се произвежда при работните условия на OS2; съответно PF се изчислява чрез претегляне на PFs за OS2 с общата топлинна енергия, генерирана за DWH. Ако приемем, че и за двата режима на работа се появяват едни и същи температури на околната среда на температурно кошче, може да се изключи влиянието на температурата на източника. Чрез претегляне на PF в OS2 с общата топлинна енергия, произведена по време на OS3, SPF е от 3,5. В сравнение с действителната SPD от 3.3 за DHW, по този начин може да се заключи, че поради по-високите температури на снабдяване в OS3, може да се наблюдава намаление на DSPF3 и 0,2 точки за работа на DHW.3.4.2 Ефект на PV-оптимизирания контрол на HP върху режима на отопление на помещенията

За отоплението, температурата на захранването и връщането на цикъл на термопомпата и съответните почасови фактори на производителност, разделени за нормална и интелигентна работа, са изобразени на фиг. 12. За OS2 кривата на нагряване (сини и зелени точки за температури на подаване и връщане) варира от около 46 °C температура на подаване в най-ниската работна точка от около 7 °C температура на околната среда до около 40 °C при температура на околната среда от 16 °C. Въпреки това, отоплението на помещенията се наблюдава допълнително в режим SG-Ready OS3 (съответно червени и оранжеви точки за температури на подаване и връщане) до температура на околната среда от 19 °C. За експлоатацията на термопомпата са наблюдавани две различни криви за експлоатация на термопомпата, която при разследване е установено, че е резултат от нощно намаление между 02:00 до 05:00 часа, заето като енергоспестяваща мярка. Леко изместване на кривата на нагряване се наблюдава по целия диапазон на работа, което е резултат от SG-Ready контрол (червена крива), което увеличава температурата на подаване на термопомпата, в сравнение с кривата в нормалната работа (синя крива). Годишната температура на топлопретеглената мощност за отопление на помещенията е 38,8 °C. Отделени за нормални и интелигентни режими на работа, температурите на претегляне на топлинната енергия са 38,9 °C за работа в OS2 и 39,2 °C в OS3, повишаване на температурата на ? T _supply? 0.3 K. За да се определи моменталното повишаване на температурата, заложено в контролния по-нататъшен анализ на регресионните криви за температурите на подаване при OS2 и OS3 между температурите на околната среда от 0 °C и 16,4 °C. Този температурен диапазон е избран както OS2, така и OS3 се появяват по време на този диапазон, което прави сравнението по-разумно. Средната разлика в двете криви възлиза на 1,8 К.

Графиката в долната част показва почасовите фактори за ефективност на термопомпите срещу температурата на околната среда. Според основните термодинамични отношения се наблюдава ясно положително линейно отношение между динамичните фактори и външната температура. Също така е очевидно, че повишаването на температурите на подаване в SG-Ready намалява ефективността на производителността на термопомпата. По-добра интерпретация на този ефект на интелигентния контрол е изобразена във фиг. 13.

Термопомпата е произвела 16 260 кВтч за отопление през целия период на наблюдение. В сравнение с режима на DHW (26 %) SG-Ready OS3 за отопление на помещения е настъпило значително по-малко поради по-ниската радиация в периода на нагряване. Само 5 % или 814 kWh от топлинната енергия за отопление на помещенията е произведена по време на OS3, отличаваща се с червената част на прътите в смокините. 13 съответно. Независимо от това, цялостното покритие на режима на отопление на помещенията чрез PV/батерийна електроенергия е значително по-високо, тъй като слънчевата фракция за отопление на помещенията възлиза на 0,28. SG-Ready контролираната операция за отопление на помещенията е станала само при температури на околната среда над 0 °C. Интересното е, че над външната температура от 16,5 °C термопомпата работи скоро и единствено при интелигентен режим на работа. Както и видимата форма на кривата на нагряване (фиг. 12), без влиянието на OS3, тази допълнителна работа на термопомпата за отопление на помещенията може да не е настъпила.

Съответните PF за двата режима на работа се показват от сините маркери за OS2 и от червените маркери за OS3. И двете ПФ следват възходяща тенденция, като повишават температурите на открито.

Без да се отделя за режимите OS2 и OS3, годишният коефициент на производителност, изчислен като средна стойност на топлинната енергия, претеглена PF на кофа за боклук, е 4,8 за отоплителна експлоатация на термопомпата. Подходи, аналогични на въведените в раздел 3.4.1, са описани за отопление на помещенията, за да се определи количествено ефектът от SG-Ready контрол върху ефективността на термопомпата, както следва.

Подходът, при който само се обмислят температури на околната среда между 0 °C и 16,5 °C, и регресионните криви на стойностите на ПФ водят до средна разлика в ПФ от 0,65 точки. Като се има предвид допълнително съответните енергии, произведени в SG-Ready OS2 и OS3, разликата в PF намалява до 0,42 точки. Намаляването на разликата в PF е, че по-голямата част от OS2 се наблюдава при по-ниски температури на околната среда и по този начин при по-ниски температури на източника в сравнение с OS3. Освен това, за разлика от DHW, тук ефектът е по-важен и поради по-високите температури на снабдяване в OS2, управлявани от кривата на нагряване.

За по-всеобхватния подход с претеглянето на PF в OS2 с общата топлинна енергия, произведена по време на OS3, може да се изчисли SPF3 от 5.0. Това се изразява в намаление на ?SPF3 ? 0.2 точки поради OS3, за работа с отопление на помещения в сравнение с действителния SPF3 от 4.8.

4. Дискусия

Свързването на топлинна и електрическа енергия в сградите, под формата на PV-HP-батерийни системи, се очертава като всестранно решение на жилищния пазар. Доставката на високоефективни термопомпи с възобновяема вътрешна фотоволтова електроенергия допринася не само за екологичните, но и до икономическите ползи от гледна точка на собствениците на жилища. Във финансовия контекст е благоприятно за собствениците на жилища да максимизират своята фотоволтаична собствена консумация поради високите цени на електроенергията на мрежата и високотехняващата мрежа за закупена електроенергия от мрежата. Друг потенциал се крие в оптимизирането на работата на термопомпата чрез прилагане на интелигентни стратегии за контрол за работа с термопомпата по PV-ориентиран начин. В този раздел се обсъждат резултатите от оценката на такава система, оценявана PV-HP-батерия, в обхвата на тази работа.

. . .
Как PV и батериите влияят върху производителността на „слънчевата термопомпа“?

За да се отговори на този въпрос, границите на системата се определят от електрическата входяща страна на термопомпата, за една и съща топлинна мощност през всички граници. Тази методология е подобна на слънчево-термалните термопомпени системи, където топлината, доставяна от слънчевия термичен агрегат, може да намали търсенето на термопомпи. Въпреки това, в системите PV-HP ползите са под формата на намалено потребление на мрежата, което също намалява разходите за електроенергия [17]. Съответно границата SB _HP се отнася до предполагаем случай, при който пълното потребление на електроенергия на термопомпата се доставя от мрежата. Съответният SPF3 _HP може да се разбира като общия SPF3 на системата. Системата има годишен SPF3 _HP от 4.2. Изваждайки фотоволтаичната енергия, директно консумирана от термопомпата (SB _HP+PV), съответният SPF3 _HP+PV се увеличава до 5.2, което показва допълнителен kWh топлинна мощност в сравнение със SB _HP. С добавянето на агрегат за съхранение на батерии, SPF3 _HP+PV+BAT се увеличава до 6.7. С аналогична интерпретация на горния случай, това показва, че като се има предвид директното потребление на общо (PV+battery) самостоятелно генерирано електричество, потребителят получава 6,7 kWh топлинна енергия за всеки kWh, закупен от мрежата.

Увеличаването на факторите за ефективност чрез отчитане на самостоятелното потребление на фотоволтаични и PV+ батерии е показателно за високото значение на самостоятелно генерираната електроенергия при задоволяване на топлинната нужда на отоплителната система на сградата. От гледна точка на собственика на дома, това може да се тълкува като преки икономии на разходи в потреблението на електроенергия за отопление на сгради и независимост от мрежата. Високата ефективност, както е представена от SPF3 _HP+PV и SPF3 _HP+PV+BAT, обаче не трябва да се бърка с действителния годишен SPF на термопомпата. SPF е мярка за ефективността на термопомпата при прехвърляне на топлина от източник към мивка, като консумира външна мощност. От друга страна, трите варианта, обсъдени по-горе, са теоретично съображение, насочено към посочване на потенциалните ползи от добавянето на фотоволтаична и батерия към енергийната система на сградата и техния принос в консумацията на електроенергия на топлинната помпа. Важно е да се разгледат тези KPIs заедно с действителните абсолютни стойности на приноса на PV и батерията в консумацията на електроенергия на термопомпата. Освен това техните стойности, посочени в тази работа, са валидни само за дадената конфигурация на системата и могат да се променят значително в зависимост от фактори като размера на PV и акумулаторните единици, разхода на потребителския профил на домакинството, разходния профил на HP, стратегията за слънчево облъчване и приложената система. Освен това тази работа приема фотоволтаичната и акумулаторната електроенергия като свободен източник на електроенергия и изчислява SPF3 само за входящата мрежа. В действителност, както батерията, така и фотоволтаичните агрегати идват със съответните икономически и екологични разходи. PV и акумулаторните системи не могат да се считат за напълно безплатни, докато не бъдат достигнати периодите на изплащане. Цялостният анализ на жизнения цикъл ще даде по-добра представа за действителните екологични и икономически спестявания чрез самопроизводство на електроенергия. Освен това, от екологична гледна точка, следва да се вземе предвид и делът на енергията от възобновяеми източници в електроенергийната мрежа.

В допълнение към подобренията на ефективността от използването на PV/battery мощност, трябва да се споменат малко недостатъци. Прякото влияние на повишаването на температурата върху ефективността на HP е разгледано по-долу. Това, което обаче не е количествено описано в настоящата работа, са допълнителните топлинни загуби на буферните хранилища за отопление на помещения и DHW, както и евентуално ненужното функциониране на термопомпата поради повишаването на температурата. Поне операцията в режим на отопление над температурата на нагряване може да бъде открита при анализа на кривата на нагряване (Фиг. 12).

През цялата година системата има самостоятелна консумация от 42,9%. Тази стойност е в рамките на нормалния диапазон от 30 % до над 65 %, както е посочено в литературата.[16]. . Самоконсумацията се управлява силно от наличната фотоволтаична мощност, със стойности, близки до 100 % през януари, ноември и декември. За разлика от тях, високата излишна фотонимулация води до по-ниска собствена консумация през лятото, обикновено по време на пиковите часове на слънчевата светлина. По-големият капацитет на батерията би помогнал да се максимизира потреблението на самоуправление, но това също предполага, че по-голямата част от капацитета на батерията ще остане неизползвана през зимните месеци с ограничена мощност на фотоволтаичния излишък. Батерията се настройва да се зарежда, когато има фотоволтаичен излишък, в зависимост от последователността, която показва оптимизираната за самоконсумация стратегия, обща за жилищни системи.[16]. . Освен това, също така се вижда, че слънчевата фракция на системата значително следва модела на генериране на PV. Записана е слънчева фракция на SF – 0.36 през годината. Стойности между SF ? 0,25 до 0,40 се отчитат в литературата в немския контекст[16]. .

. . .
Как интелигентният контрол влияе върху поведението на работа и ефективността на термопомпата?

Отличителен SG-Ready сигнал се чете от измервателното оборудване, което помага да се разграничи производителността на системата при нормална (OS2) и принудителната (OS3) операция. Особено, когато стратегията за контрол е настроена да променя температурите на зададената система, това може да бъде точно уловено от измерените температури. Тъй като зададените параметри не са известни, температурата се повишава от OS2 до OS3, са определени с помощта на регресионни линии на измерените температури на снабдяване на работен режим. В режим на отопление на помещенията повишаването на температурата е 1,8 K и в режим на битова гореща вода 4.1 K. Въпреки това, и двата режима на работа се различават значително по това колко често се прилага OS3. Докато в режим на отопление на помещенията само 5 % от топлинната енергия е осигурена при повишени температури, в режим на битова гореща вода тя е била 28 %. Влиянието върху ефективността в режима на подгряване на вода е съответно по-високо. Повишаването на температурата намалява ефективността от 3,5 с 0,2 пункта и по този начин с 5,7 %. В режим на отопление ефективността се намалява от 5,0 на 4,8 и по този начин само с 4,0 %. Това, че различните температури повишават и енергийните акции на работен режим в OS3 предполагат, че още по-голямо влияние се нуждае от по-нататъшно разследване. Възможен подход би бил влиянието на отделните характерни криви на коефициента на изпълнение при различни температури на източника и мивката, тъй като и двете са в много различни диапазони по време на OS3. Освен това, поради чистия полеви подход за анализа, трябва да се вземат предвид опростяванията в методиката за оценка и съществуващите грешки при измерването.

5. Заключение

Действайки като важен конектор, термопомпите засилват интеграцията и сътрудничеството между секторите на топлинната и електрическата енергия. Тази работа подчертава значението на комбинираната работа на термопомпените и PV+ батериите по отношение на самостоятелното потребление, слънчевата фракция, ефективността на термопомпата и ефекта на PV+батерните агрегати върху ефективността на ефективността на топлинната помпа. Анализирани са 1-минутни данни с висока резолюция от януари до декември 2022 г. от система за PV-HP-батерия в еднофамилно домакинство в Германия, за да се оцени комбинацията от системата. Синергията между PV, термопомпата и акумулаторните системи бяха анализирани с помощта на данни за измерване на полето, за да се получат KPI, специфични за PV-HP системите.

Дискретен SG-Ready контролен сигнал е прочетен от измервателното оборудване. Констатациите показват, че SG-Ready контрол на термопомпата е увеличил температурите на подаване на термопомпата с 4.1 K за DHW и с 1.8 K за отопление на пространството, за да се максимизира фотоволтаичната самостоятелно потребление. Системата е имала общо потребление на себе си от 42,9 % за анализираната година. Търсенето на електроенергия за HP беше обхванато от 36 % със системата PV/батерията, чрез 51 % в режим на битова гореща вода и 28 % в режим на отопление на помещенията. Поради по-високите температури на мивката ефективността на HP намалява с 5,7% в режим DHW и с 4,0% в режим на отопление на помещенията.

Проучването също така оценява въздействието на съхранението на PV и батериите върху търсенето на електроенергия на термопомпената система. Това се извършва чрез предефиниране на границите на системата в съответствие с настоящата литература. Целта беше да се оцени ефективността на термопомпата само за консумираната електроенергия от мрежата. Резултатите показват, че като се има предвид фотоволтаичната електроенергия, доставена на термопомпата, SPF3 се е увеличил от 4.2 на 5.2. Когато се разглежда комбинираното подаване от PV и батерията към термопомпата, SPF3 се увеличава до 6,7. Тези SPF дават количеството топлинна мощност за всеки kWh мрежова електроенергия, доставяна на термопомпата в зависимост от техния източник. По-просто казано: ползата се крие в намалената електрическа мрежа, необходима за посрещане на нуждите от отопление на домакинствата. Трябва обаче да се отбележи, че тези констатации са специфични за отделните оценени системи и могат да варират значително в зависимост от спецификациите на сградата и енергийната система. Ограничен брой проучвания са анализирали този подход за оценка на комбинацията PV-HP-батерия.

Като цяло резултатите подчертават ползите от интегрирането на фотоволтаичните, акумулаторните и термопомпените системи за постигане на по-добри енергийни характеристики на домакинството. Получената по-висока консумация на собствена консумация се превръща във финансови ползи за собствениците на жилища. Независимо от това, интелигентният контрол може да има отрицателен ефект върху ефективността на термопомпата поради повишените температури на снабдяване. Дългосрочната оценка на ниво система, като се има предвид ефектът от загубите на съхранение и се вземат предвид икономическите резултати, може по-добре да оцени ефекта от интелигентния контрол върху системата. Освен това PV и батериите значително подобряват производителността на термопомпата, изчислена въз основа на потреблението на електроенергия в мрежата. С фокус върху отоплителните системи бъдещата работа трябва да обмисли цялостен подход, като анализира икономическото и екологичното въздействие на тази системна комбинация, като следва стандартен набор от системни граници. Като част от проекта „WP-QS im Bestand“, до девет допълнителни PV/HP комбинации с различни системни и контролни концепции ще бъдат оценени по идентичен начин до средата на 2024 г.

„Декларация на генеративни AI и технологии, подпомагани от изкуствен интелект в процеса на писане

Изявление: По време на подготовката на тази работа авторите са използвали ChatGPT, за да подобрят качеството и четливостта на текста. След като използват този инструмент / услуга, авторите преглеждат и редактират съдържанието, ако е необходимо, и поемат пълна отговорност за съдържанието на публикацията.

Декларация за конкурентен интерес

Авторите заявяват, че нямат известни конкуриращи се финансови интереси или лични отношения, които биха могли да повлияят на работата, докладвана в този документ.

Подобийте

Признаваме с благодарност финансовата подкрепа на германското федерално министерство на икономиката и енергетиката (BMWK) поради влизането в сила на германския Бундестаг по номера на безвъзмездните средства 03EN2029A („WP-QS im Bestand“) [29]. Бихме искали да благодарим на всички партньори по проекта за ползотворното сътрудничество.

Допълнение

Маса А.1. Термични и електрически параметри, прочетени от DAQ единица.

Термична енергия	Електрическа енергия	Температура
HP изход (пространствено отопление и DHW)	Електрическа мрежа	Амбиент въздух
Наземен източник	PV поколение	Източник на HP (поток и връщане)
Спегона на топлофикация (след съхранение)	Батерия	Доставка на HP (поток и връщане)
DHW обръщение	Строителен товар	Отопление на космическото пространство след съхранение (поток и връщане)
DHW подслушване	Компресор + контроли	DHW циркулация (преплач и връщане)
–	Спомагателен нагревател (пространствено отопление)	DHW подслушване (поток и връщане)
–	Спомагателен нагревател (DHW)	–
–	Помпа от слепи	–
–	Спегото на отоплителна помпа за отопление	–
–	Помпена за отопление (след съхранение)	–
–	DHW товарна помпа	–
–	DHW циркулационна помпа	–

Маса А.2. Подробности за измервателното оборудване.

Параметър	Тип на сензора	Стандартни
Ambient temp temp	от Pt100	IEC 60751 клас B
HP поток и връщане температура.	от Pt500	EN 1434 клас 2
Поток на обема на HP	Ултразвуков	EN 1434 клас 2
HP източник поток и връщане температура.	от Pt500	EN 1434 клас 1
Поток на обема на HP	MID	EN 1434 клас 1
Електрически метри	–	IEC 62053–21 клас B

Маса А.3. Оперативни условия се приемат за изчисляване на грешката.

Измервателен инструмент	Стойност	Номерът	Звено
Топлинна метър	Температурна разлика	5.0	КК
	Обемният поток	1.05	м3/h
	Време за операция	1800 г.	зм
Електрически измервателен уред	Електрическа работа	2600	кВтч

Маса А.4. Първоначалните стойности и резултатите за относителни и абсолютни грешки на частичните стойности и получения SPF 3.

Стойност	Символ на формулата	Ограничение за грешка	Измерена стойност	Звено	Абсолютна грешка	Относителна грешка
Температурна разлика	гДТ	Е _т	5.0	КК	0.12	2,3%
Обемният поток		Е _V	1.05	м3/h	0.03	3.0%
Тенуга на преноса на вода	в _сп	г. л Е _C	4186.0	J/(кг и К)	46.05	1,1%
Плътност Вода	. . .	г. л Е _C	998.2	kg/m3	10.98	1,1%
Електрически Енергия	Е _ел	Е _П	от 2600.0	кВтч	52.00	2,0%
SPF 3	SPF3	–	4.2	–	0.19	4.4%

Маса А.5. Източници на електроенергия и мивки за проверка на баланса на мощността в оценяваната система.

Източници	Мивките
PV поколение	Домакинство + TBE и консумация
Изхвърляне на батерията	Зареждане на батерията
Мрежово снабдяване	Прехвърляне на фуража

. . .: TBE се отнася до техническото сградно оборудване като компресор, отоплителни имплементационни агрегати, измервателно оборудване, циркулационни помпи, система за управление и др.

Маса А.6. Електрически и термични компоненти, включени в границата на системата 3.

Празна клетка	на ASHP	г. GSHP
Термичен изход	компресор ( $Q_{t h . H P}$

)
Спомагателен нагревател ( $Q_{t h . a u x}$

)
Електрически вход	компресор ( $E_{e l . c o m p}$

)	компресор ( $E_{e l . c o m p}$

)

Спомагателен нагревател (

E_{e l . a u x}

)	Спомагателен нагревател ( $E_{e l . a u x}$

)

Фен (

E_{e l . f a n}

)	помпата с щиплани ( $E_{e l . b r i n e p u m p}$

)

Контрол (

E_{e l . c t r l}

)	Контрол ( $E_{e l . c t r l}$

)

Сподели с приятел:

ЦЕНИ НА ФОТОВОЛТАИЧНИТЕ СИСТЕМИ С ВКЛЮЧЕН МОНТАЖ ВИЖТЕ ТУК

Каталог - Фотоволтаични системи & продукти

Хибридни ФЕЦ системи

Вижте повече

Фотоволтаични панели

Вижте повече

Хибридни инвертори

Вижте повече

Литиеви батерии LiFePO4

Вижте повече

Конструкции за фотоволтаици

Вижте повече