วิธีการรวมปั๊มความร้อนในที่พักอาศัยเข้ากับ PV และแบตเตอรี่สำรอง

นักวิจัยของ Fraunhofer ISE ได้ศึกษาว่าระบบ PV บนดาดฟ้าบ้านพักอาศัยสามารถผสมผสานกับปั๊มความร้อนและระบบกักเก็บแบตเตอรี่ได้อย่างไร

พวกเขาประเมินประสิทธิภาพการทำงานของระบบแบตเตอรี่ปั๊มความร้อน PV ที่ใช้การควบคุมแบบสมาร์ทกริด (SG) ในบ้านเดี่ยวที่สร้างขึ้นเมื่อปีพ.ศ. 2503 ในเมืองไฟรบวร์ก ประเทศเยอรมนี

“พบว่าระบบควบคุมอัจฉริยะช่วยเพิ่มการทำงานของปั๊มความร้อนโดยเพิ่มอุณหภูมิที่ตั้งไว้” นักวิจัย Shubham Baraskar กล่าวกับนิตยสาร pv “ระบบควบคุม SG-Ready เพิ่มอุณหภูมิที่จ่ายขึ้น 4.1 เคลวินสำหรับการเตรียมน้ำร้อน ซึ่งทำให้ปัจจัยประสิทธิภาพตามฤดูกาล (SPF) ลดลง 5.7% จาก 3.5 เป็น 3.3 นอกจากนี้ สำหรับโหมดทำความร้อนในพื้นที่ ระบบควบคุมอัจฉริยะยังลด SPF ลง 4% จาก 5.0 เป็น 4.8”

SPF เป็นค่าที่มีลักษณะคล้ายกับค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (COP) โดยความแตกต่างจะถูกคำนวณตามช่วงเวลาที่ยาวนานกว่า โดยมีเงื่อนไขขอบเขตที่แตกต่างกัน

บาราสการ์และเพื่อนร่วมงานของเขาอธิบายการค้นพบของพวกเขาใน “การวิเคราะห์ประสิทธิภาพและการทำงานของระบบปั๊มความร้อนแบบโฟโตวอลตาอิค-แบตเตอรี่จากข้อมูลการวัดภาคสนาม” ซึ่งตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ในความก้าวหน้าด้านพลังงานแสงอาทิตย์พวกเขาบอกว่าข้อได้เปรียบหลักของระบบปั๊มความร้อน PV ประกอบด้วยการใช้ไฟฟ้าจากกริดที่ลดลงและต้นทุนไฟฟ้าที่ต่ำลง

ระบบปั๊มความร้อนเป็นปั๊มความร้อนจากพื้นดินขนาด 13.9 กิโลวัตต์ที่ออกแบบให้มีที่เก็บความร้อนสำรองสำหรับทำความร้อนในพื้นที่ นอกจากนี้ยังใช้ถังเก็บความร้อนและสถานีน้ำจืดเพื่อผลิตน้ำร้อนในครัวเรือน หน่วยเก็บความร้อนทั้งสองหน่วยติดตั้งเครื่องทำความร้อนเสริมไฟฟ้า

ระบบ PV เป็นแบบวางในทิศใต้และมีมุมเอียง 30 องศา มีกำลังไฟฟ้าออก 12.3 กิโลวัตต์และพื้นที่โมดูล 60 ตารางเมตร แบตเตอรี่เป็นแบบ DC-coupled และมีความจุ 11.7 กิโลวัตต์ชั่วโมง บ้านที่เลือกมีพื้นที่ใช้สอย 256 ตารางเมตรและมีความต้องการความร้อนต่อปี 84.3 กิโลวัตต์ชั่วโมง/ตารางเมตร

“พลังงานไฟฟ้ากระแสตรงจากแผงโซลาร์เซลล์และแบตเตอรี่จะถูกแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับผ่านอินเวอร์เตอร์ที่มีพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับสูงสุด 12 กิโลวัตต์และประสิทธิภาพระดับยุโรป 95%” นักวิจัยอธิบาย พร้อมระบุว่าระบบควบคุม SG-ready สามารถโต้ตอบกับระบบไฟฟ้าและปรับการทำงานของระบบได้อย่างเหมาะสม “ในช่วงที่มีโหลดสูงในระบบไฟฟ้า ผู้ควบคุมระบบไฟฟ้าสามารถปิดการทำงานของปั๊มความร้อนเพื่อลดความเครียดของระบบไฟฟ้าหรืออาจบังคับให้เปิดเครื่องในกรณีตรงกันข้ามก็ได้”

ภายใต้การกำหนดค่าระบบที่เสนอ พลังงานจาก PV จะต้องถูกนำไปใช้สำหรับโหลดของบ้านก่อน โดยพลังงานส่วนเกินจะถูกจ่ายไปยังแบตเตอรี่ พลังงานส่วนเกินสามารถส่งออกไปยังกริดได้เท่านั้น หากบ้านไม่ต้องการไฟฟ้าและแบตเตอรี่ได้รับการชาร์จจนเต็ม หากทั้งระบบ PV และแบตเตอรี่ไม่สามารถรองรับความต้องการพลังงานของบ้านได้ ก็จะสามารถใช้กริดไฟฟ้าได้

“โหมด SG-Ready จะเปิดใช้งานเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จเต็มหรือกำลังชาร์จที่พลังงานสูงสุดและยังมี PV ส่วนเกินเหลืออยู่” นักวิชาการกล่าว “ในทางกลับกัน เงื่อนไขการหยุดทำงานจะบรรลุผลเมื่อพลังงาน PV ในขณะนั้นต่ำกว่าความต้องการอาคารทั้งหมดเป็นเวลาอย่างน้อย 10 นาที”

การวิเคราะห์ของพวกเขาพิจารณาถึงระดับการใช้ไฟฟ้าเอง เศษส่วนของพลังงานแสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพของปั๊มความร้อน และผลกระทบของระบบ PV และแบตเตอรี่ต่อประสิทธิภาพการทำงานของปั๊มความร้อน พวกเขาใช้ข้อมูลความละเอียดสูง 1 นาทีตั้งแต่เดือนมกราคมถึงธันวาคม 2022 และพบว่าระบบควบคุม SG-Ready ช่วยเพิ่มอุณหภูมิที่จ่ายให้กับปั๊มความร้อนได้ 4.1 K สำหรับ DHW พวกเขายังยืนยันด้วยว่าระบบบรรลุการใช้ไฟฟ้าเองโดยรวมที่ 42.9% ตลอดทั้งปี ซึ่งแปลเป็นผลประโยชน์ทางการเงินสำหรับเจ้าของบ้าน

“ความต้องการไฟฟ้าสำหรับ [ปั๊มความร้อน] ได้รับการครอบคลุม 36% ด้วยระบบ PV/แบตเตอรี่, 51% ในโหมดน้ำอุ่นภายในบ้าน และ 28% ในโหมดการทำความร้อนในพื้นที่” ทีมวิจัยอธิบาย พร้อมเสริมว่าอุณหภูมิอ่างล้างจานที่สูงขึ้นทำให้ประสิทธิภาพของปั๊มความร้อนลดลง 5.7% ในโหมด DHW และ 4.0% ในโหมดการทำความร้อนในพื้นที่

Baraskar กล่าวว่า “ระบบควบคุมอัจฉริยะยังพบผลกระทบเชิงลบต่อระบบทำความร้อนในพื้นที่ด้วย เนื่องจากระบบควบคุม SG-Ready ทำให้ปั๊มความร้อนทำงานในระบบทำความร้อนในพื้นที่ที่อุณหภูมิสูงเกินกว่าค่าที่ตั้งไว้ เนื่องจากระบบควบคุมอาจเพิ่มอุณหภูมิที่จัดเก็บไว้และทำงานปั๊มความร้อนแม้ว่าจะไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อนในการทำความร้อนในพื้นที่ก็ตาม นอกจากนี้ ควรพิจารณาด้วยว่าอุณหภูมิในการจัดเก็บที่สูงเกินไปอาจนำไปสู่การสูญเสียความร้อนในการจัดเก็บที่สูงขึ้น”

นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าพวกเขาจะตรวจสอบการรวมกันของ PV/ปั๊มความร้อนเพิ่มเติมโดยใช้ระบบและแนวคิดการควบคุมที่แตกต่างกันในอนาคต

“จะต้องสังเกตว่าผลการค้นพบเหล่านี้มีความเฉพาะเจาะจงสำหรับระบบที่ประเมินแต่ละระบบและอาจแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะของอาคารและระบบพลังงาน” พวกเขาสรุป