Прототип теплового насоса с фотоэлектрической-мощностью и двойным конденсатором достиг коэффициента полезного действия 7,59

Исследователи из Университета Мигеля Эрнандеса в Эльче в Испании разработали систему теплового насоса воздух-в-воду, которая может перенести производство горячей воды для бытового потребления (ГВС) в центральное дневное время, тем самым максимизируя использование фотоэлектрической энергии.

Новизна системы заключается в использовании двух конденсаторов вместо одного.

Исследователи объяснили, что обычный компактный тепловой насос для горячего водоснабжения (ГВС) включает в себя компрессор, испаритель, расширительный клапан и конденсатор, обернутый вокруг нижней части накопительного бака, нагревающий весь объем воды за счет естественной конвекции. Предлагаемая конфигурация с двойным-конденсатором добавляет второй конденсатор в верхней части резервуара в сочетании с оптимизированной системой управления для выбора рабочего режима, сохраняя при этом стандартные компоненты.

И нижний, и верхний конденсаторы состоят из спиральных трубок, установленных между стенкой резервуара и изоляционным слоем. При работе нижнего конденсатора тепло подается на дно 215-литрового бака, способствуя расслоению и нагреву всего объема. Когда верхний конденсатор активирован, нагревается только верхняя часть резервуара, что обеспечивает более целенаправленную работу и снижает накопление энергии.

Прототип был разработан на основе коммерческого теплового насоса воздух-вода-раздельного типа, оснащенного спиральным компрессором мощностью 600 Вт и хладагентом R134a. Оригинальный электронагреватель мощностью 2400 Вт был отключен для обеспечения работы исключительно в режиме теплового насоса. Система имела-номинальный коэффициент полезного действия (COP) 3,17 при температуре 14 C. Модификации включали интеграцию второго конденсатора, изменение конструкции холодильного контура и модернизацию системы управления для тестирования в реальных условиях эксплуатации ГВС и фотоэлектрических систем.

Экспериментальная установка была разработана для имитации реальной потребности в ГВС для домохозяйств с использованием замкнутой-системы, позволяющей избежать потерь воды. Он состоял из двух климатических камер, теплового насоса с двойным-конденсатором, фотоэлектрической установки мощностью 600 Вт и управляемого гидравлического контура. Тепловой насос был подключен как к сети, так и к фотоэлектрической системе, при этом финансовая компенсация за избыточную электроэнергию, подаваемую в сеть, не рассматривалась.

Вспомогательный бак, циркуляционный насос и водоохладитель поддерживали температуру воды на входе на уровне 10°С, чтобы имитировать условия электроснабжения. Контроллер Arduino Mega управлял насосами, клапанами, чиллером и тепловым насосом, обеспечивая автоматическое тестирование. Система также была оснащена 30 датчиками температуры, расходомерами и электрическими устройствами мониторинга, данные записывались с интервалом в одну-минуту.

Исследователи оценили три конфигурации при температуре окружающей среды 18 C: обычный тепловой насос с одним-конденсатором, та же система в сочетании с фотоэлектрическими модулями и тепловой насос с двумя-конденсаторами с фотоэлектрическими модулями. Испытания проводились в соответствии с профилем потребления горячей воды согласно стандарту EN 16147, обеспечивая температуру подачи выше 45 C.

Результаты показали, что конфигурация с двумя-конденсаторами улучшила контроль расслоения, снизила общее потребление энергии и сохранила качество горячего водоснабжения, одновременно значительно увеличив собственное-потребление фотоэлектрических систем.

Анализ показал, что средний сезонный КПД теплового насоса достиг 3,55 в конфигурации с одним-конденсатором и 3,65 в сочетании с фотоэлектрическими батареями.

«Как и ожидалось, оба значения схожи, поскольку разницы в режиме работы между ними нет», — подчеркнули исследовательская группа. «В третьем тесте с двумя конденсаторами и улучшенной стратегией управления, которая позволяет работать с более низкой температурой воды, этот КПД возрастает до 3,71. Эта тенденция более выражена при анализе эффективности ГВС, где результаты составляют 3,08 и 3,12 для первых двух режимов работы и 3,37 для конфигурации с двумя конденсаторами и фотоэлектрическими панелями. Поскольку в конфигурации с двумя конденсаторами резервуар холоднее, потери тепла меньше».

Тем временем собственное-потребление солнечной энергии при использовании системы с двумя-конденсаторами выросло с 9,9 % до 55,5 %.

«Результаты также подчеркивают необходимость учитывать мгновенное собственное-потребление, используя базу расчета максимум поминутно-на-минуту, а не ежечасно или ежедневно, поскольку последнее приводит к нереально высокому солнечному вкладу», — заключили ученые. «Учитывая энергию, подаваемую фотоэлектрическими панелями, производительность HP можно переоценить, что приведет к коэффициенту COP 3,46 при работе с одним конденсатором и 7,59 при работе с конфигурацией с двумя конденсаторами».

Система была описана в «Экспериментальной оценке новой конструкции фотоэлектрического теплового насоса с двойным конденсатором», опубликованной в журнале Solar Energy.