PV-assisteret varmepumpeprototype med dobbelt kondensator når 7,59 ydeevnekoefficient

Forskere ved Miguel Hernández University of Elche i Spanien har designet et luft-til-vand-varmepumpesystem, der kan flytte produktionen af ​​varmt brugsvand (DHW) til centrale dagslystimer og dermed maksimere udnyttelsen af ​​PV-energiproduktion.

Det nye ved systemet ligger i brugen af ​​to kondensatorer i stedet for en enkelt enhed.

Forskerne forklarede, at en konventionel kompakt varmtvandsvarmepumpe (DHW) inkluderer en kompressor, fordamper, ekspansionsventil og en kondensator viklet rundt om bunden af ​​lagertanken, der opvarmer hele vandvolumen gennem naturlig konvektion. Den foreslåede dobbelte-kondensatorkonfiguration tilføjer en anden kondensator i toppen af ​​tanken, kombineret med et optimeret kontrolsystem til at vælge driftstilstand, mens standardkomponenterne bibeholdes.

Både den nederste og den øverste kondensator består af spiralrør installeret mellem tankvæggen og isoleringslaget. Når den nederste kondensator kører, afgives varme til bunden af ​​215-liters tanken, hvilket fremmer lagdeling og opvarmer hele volumen. Når den øverste kondensator er aktiveret, opvarmes kun den øverste del af tanken, hvilket muliggør mere målrettet drift og lavere energilagring.

Prototypen blev udviklet fra en kommerciel delt-type luft-til-varmepumpe udstyret med en 600 W scroll-kompressor og R134a-kølemiddel. Den originale 2.400 W elektriske modstandsvarmer blev afbrudt for at sikre drift udelukkende i varmepumpetilstand. Systemet havde en producent-vurderet ydeevnekoefficient (COP) på 3,17 ved 14 C. Ændringer omfattede integration af den anden kondensator, redesign af kølekredsløbet og opgradering af kontrolsystemet til test under realistiske DHW- og PV-driftsforhold.

Eksperimentopsætningen blev designet til at genskabe husholdningernes reelle brugsvandsbehov ved hjælp af et lukket-sløjfesystem for at undgå vandspild. Den bestod af to klimatiske kamre, den dobbelte-kondensatorvarmepumpe, en 600 W PV-installation og et kontrolleret hydraulisk kredsløb. Varmepumpen var tilsluttet både nettet og solcelleanlægget, uden at der blev taget hensyn til økonomisk kompensation for overskydende el, der blev tilført nettet.

En hjælpetank, cirkulationspumpe og vandkøler holdt indløbsvandets temperatur på 10 C for at simulere netforsyningsforholdene. En Arduino Mega-controller styrede pumper, ventiler, køleren og varmepumpen for at muliggøre automatiseret test. Systemet var også udstyret med 30 temperatursensorer, flowmålere og elektriske overvågningsenheder med data registreret med et{4}}minuts intervaller.

Forskerne evaluerede tre konfigurationer ved en omgivelsestemperatur på 18 C: en konventionel enkelt-kondensatorvarmepumpe, det samme system koblet til PV, og den dobbelte-kondensatorvarmepumpe med PV. Testene fulgte en EN 16147-baseret brugsvandsforbrugsprofil, der sikrede fremløbstemperaturer over 45 C.

Resultaterne viste, at den dobbelte-kondensatorkonfiguration forbedrede stratificeringskontrol, reducerede det samlede energiforbrug og opretholdt DHW-servicekvaliteten, samtidig med at PV-selv-forbruget øgedes markant.

Analysen viste, at varmepumpens gennemsnitlige sæsonbestemte COP nåede 3,55 i enkelt-kondensatorkonfigurationen og 3,65, når det kombineres med PV.

"Som forventet er begge værdier ens, da der ikke er nogen forskel i driftstilstanden mellem dem," understregede forskerholdet. "I den tredje test, med to kondensatorer og en forbedret kontrolstrategi, der tillader drift med en lavere vandtemperatur, stiger denne effektivitet til 3,71. Denne tendens er mere udtalt, når man analyserer effektiviteten af varmtvandstjenesten, hvor resultaterne er 3,08 og 3,12 for de to første driftstilstande og 3,37 for konfigurationen med to kolde panelkondensatorer og PV-konfigurationen med to. kondensatorer, er der færre varmetab."

Solenergiselv-forbruget med det dobbelte-kondensatorsystem steg i mellemtiden fra 9,9 % til 55,5 %.

"Resultaterne fremhæver også behovet for at overveje øjeblikkeligt selv-forbrug ved at bruge en beregningsbase på højst minut-for-minut i stedet for hver time eller dagligt, da sidstnævnte resulterer i urealistisk høje solenergibidrag," konkluderede akademikerne. "I betragtning af den energi, der leveres af PV-panelerne, kan HP's ydeevne revurderes, hvilket fører til en COP på 3,46, når du arbejder med en kondensator og på 7,59, når du arbejder med den dobbelte kondensatorkonfiguration."

Systemet blev beskrevet i "Eksperimentel vurdering af et nyt fotovoltaisk varmepumpedesign med dobbelt kondensator," offentliggjort i Solar Energy.