PV-prototip toplotne črpalke z dvojnim kondenzatorjem doseže koeficient učinkovitosti 7,59

Raziskovalci z Univerze Miguel Hernández v Elcheju v Španiji so zasnovali sistem toplotne črpalke zrak{0}}-voda, ki lahko preusmeri proizvodnjo tople vode za gospodinjstvo (STV) na osrednje dnevne ure in tako poveča izkoristek proizvodnje fotovoltaične energije.

Novost sistema je v uporabi dveh kondenzatorjev namesto ene enote.

Raziskovalci so pojasnili, da običajna kompaktna toplotna črpalka za toplo vodo za gospodinjstvo (STV) vključuje kompresor, uparjalnik, ekspanzijski ventil in kondenzator, ovit okoli dna hranilnika, ki ogreva celotno količino vode z naravno konvekcijo. Predlagana konfiguracija dvojnega-kondenzatorja dodaja drugi kondenzator na vrhu rezervoarja v kombinaciji z optimiziranim nadzornim sistemom za izbiro načina delovanja, pri čemer ohranja standardne komponente.

Tako spodnji kot zgornji kondenzator sta sestavljena iz spiralnih cevi, nameščenih med steno rezervoarja in izolacijsko plastjo. Ko deluje spodnji kondenzator, se toplota dovaja na dno 215-litrskega rezervoarja, kar spodbuja razslojevanje in ogrevanje celotne prostornine. Ko je zgornji kondenzator aktiviran, se segreje samo zgornji del rezervoarja, kar omogoča bolj ciljno delovanje in manjše shranjevanje energije.

Prototip je bil razvit iz komercialne toplotne črpalke z deljenim-zrak-na-vodo, opremljeno s 600 W spiralnim kompresorjem in hladilnim sredstvom R134a. Prvotni električni uporovni grelnik z močjo 2.400 W je bil odklopljen, da se zagotovi delovanje izključno v načinu toplotne črpalke. Sistem je imel -koeficient učinkovitosti (COP) proizvajalca 3,17 pri 14 C. Spremembe so vključevale integracijo drugega kondenzatorja, preoblikovanje hladilnega kroga in nadgradnjo krmilnega sistema za testiranje v realnih delovnih pogojih STV in PV.

Eksperimentalna postavitev je bila zasnovana tako, da posnema dejansko povpraševanje po sanitarni vodi v gospodinjstvu z uporabo zaprtega-sistema zanke, da se prepreči potrata vode. Vseboval je dve klimatski komori, dvojno-kondenzacijsko toplotno črpalko, 600 W PV inštalacijo in krmiljen hidravlični krog. Toplotna črpalka je bila priključena tako na omrežje kot na fotonapetostni sistem, brez finančnega nadomestila za presežke električne energije, dovedene v omrežje.

Pomožni rezervoar, obtočna črpalka in vodni hladilnik so vzdrževali temperaturo vstopne vode pri 10 C za simulacijo pogojev omrežne oskrbe. Krmilnik Arduino Mega je upravljal črpalke, ventile, hladilno napravo in toplotno črpalko za omogočanje avtomatiziranega testiranja. Sistem je bil opremljen tudi s 30 temperaturnimi senzorji, merilniki pretoka in električnimi nadzornimi napravami, pri čemer so se podatki beležili v-minutnih intervalih.

Raziskovalci so ocenili tri konfiguracije pri temperaturi okolice 18 C: običajno eno-kondenzatorsko toplotno črpalko, isti sistem, povezan s PV, in dvojno-kondenzatorsko toplotno črpalko s PV. Preizkusi so sledili profilu porabe sanitarne vode na podlagi standarda EN 16147, ki je zagotavljal temperature dovoda nad 45 C.

Rezultati so pokazali, da je konfiguracija dvojnega-kondenzatorja izboljšala nadzor razslojevanja, zmanjšala skupno porabo energije in ohranila kakovost storitve sanitarne vode, medtem ko je bistveno povečala lastno-porabo PV.

Analiza je pokazala, da je povprečni sezonski COP toplotne črpalke dosegel 3,55 v konfiguraciji z enim-kondenzatorjem in 3,65 v kombinaciji s PV.

"Po pričakovanjih sta obe vrednosti podobni, saj med njima ni razlike v načinu delovanja," je poudarila raziskovalna skupina. "V tretjem testu z dvema kondenzatorjema in izboljšano strategijo regulacije, ki omogoča delovanje z nižjo temperaturo vode, ta učinkovitost naraste na 3,71. Ta trend je bolj izrazit pri analizi učinkovitosti storitve STV, kjer sta rezultata 3,08 in 3,12 za prva dva načina delovanja in 3,37 za konfiguracijo z dvema kondenzatorjema in PV paneli. Ker je rezervoar hladnejši v konfiguraciji z dvema kondenzatorjev, je manj toplotnih izgub."

Lastna poraba-sončne energije z dvojnim{1}}kondenzatorskim sistemom se je medtem povečala z 9,9 % na 55,5 %.

"Rezultati prav tako poudarjajo potrebo po upoštevanju trenutne lastne-porabe z uporabo izračunane osnove največ minut-za-minuto in ne na uro ali dan, saj slednje povzroči nerealno visoke sončne prispevke," so zaključili akademiki. "Glede na energijo, ki jo dobavljajo fotovoltaične plošče, je mogoče ponovno oceniti zmogljivost HP, kar vodi do COP 3,46 pri delu z enim kondenzatorjem in 7,59 pri delu s konfiguracijo dvojnega kondenzatorja."

Sistem je bil opisan v "Eksperimentalni oceni nove zasnove fotovoltaične toplotne črpalke z dvojnim kondenzatorjem", objavljeni v Solar Energy.