PV-assisterad värmepumpsprototyp med dubbel kondensor når 7,59 prestandakoefficient

Forskare vid Miguel Hernández-universitetet i Elche i Spanien har designat ett luft-till-vattenvärmepumpsystem som kan flytta produktionen av hushållsvatten (DHW) till centrala dagsljustider och på så sätt maximera utnyttjandet av PV-kraftgenerering.

Det nya med systemet ligger i användningen av två kondensorer istället för en enda enhet.

Forskarna förklarade att en konventionell värmepump för kompakt hushållsvatten (DHW) inkluderar en kompressor, förångare, expansionsventil och en kondensor lindad runt botten av lagringstanken, som värmer upp hela vattenvolymen genom naturlig konvektion. Den föreslagna konfigurationen med dubbla-kondensorer lägger till en andra kondensor i toppen av tanken, kombinerat med ett optimerat kontrollsystem för att välja driftsläge, samtidigt som standardkomponenterna behålls.

Både den nedre och den övre kondensorn består av spiralrör installerade mellan tankväggen och isoleringsskiktet. När den nedre kondensorn är i drift levereras värme till botten av 215-literstanken, vilket främjar skiktning och värmer upp hela volymen. När den övre kondensorn är aktiverad värms endast den övre delen av tanken upp, vilket möjliggör mer målinriktad drift och lägre energilagring.

Prototypen utvecklades från en kommersiell delad-typ luft-till-värmepump utrustad med en 600 W scrollkompressor och R134a köldmedium. Den ursprungliga elektriska motståndsvärmaren på 2 400 W kopplades bort för att säkerställa drift uteslutande i värmepumpsläge. Systemet hade en tillverkares-prestandakoefficient (COP) på 3,17 vid 14 C. Modifieringar innefattade integrering av den andra kondensorn, omdesign av kylkretsen och uppgradering av styrsystemet för testning under realistiska DHW- och PV-driftförhållanden.

Experimentupplägget utformades för att replikera det verkliga DHW-behovet i hushållen med hjälp av ett slutet-system för att undvika vattenslöseri. Den bestod av två klimatkammare, den dubbla-kondensorvärmepumpen, en 600 W PV-installation och en kontrollerad hydraulkrets. Värmepumpen var ansluten till både elnätet och solcellssystemet, utan någon ekonomisk kompensation för överskottsel som matades in i nätet.

En hjälptank, cirkulationspump och vattenkylare höll temperaturen på inloppsvattnet vid 10 C för att simulera nättillförselförhållandena. En Arduino Mega-styrenhet hanterade pumpar, ventiler, kylaren och värmepumpen för att möjliggöra automatisk testning. Systemet var också utrustat med 30 temperatursensorer, flödesmätare och elektriska övervakningsenheter, med data som registrerades med en-minutersintervall.

Forskarna utvärderade tre konfigurationer vid en omgivningstemperatur på 18 C: en konventionell enkel-kondensatorvärmepump, samma system kopplat till PV, och den dubbla-kondensatorvärmepumpen med PV. Testerna följde en EN 16147-baserad varmvattenförbrukningsprofil, vilket säkerställde framledningstemperaturer över 45 C.

Resultaten visade att den dubbla-kondensorkonfigurationen förbättrade stratifieringskontrollen, minskade den totala energiförbrukningen och bibehöll DHW-servicekvaliteten samtidigt som den avsevärt ökade PV-egenförbrukningen-.

Analysen fann att värmepumpens genomsnittliga säsongsbetonade COP nådde 3,55 i enkel-kondensorkonfigurationen och 3,65 i kombination med PV.

"Som förväntat är båda värdena lika, eftersom det inte finns någon skillnad i driftläget mellan dem", betonade forskargruppen. "I det tredje testet, med två kondensorer och en förbättrad styrstrategi som tillåter drift med en lägre vattentemperatur, stiger denna verkningsgrad till 3,71. Denna trend är mer uttalad när man analyserar effektiviteten för DHW-tjänsten, där resultaten är 3,08 och 3,12 för de två första driftlägena och 3,37 för konfigurationen med två kalla panelkondensatorer och PV-konfigurationen med två. kondensatorer, det finns färre värmeförluster."

Solenergins egen-förbrukning med det dubbla-kondensorsystemet ökade samtidigt från 9,9 % till 55,5 %.

"Resultaten visar också behovet av att överväga omedelbar egen-förbrukning, med en beräkningsbas på högst minut-för-minut snarare än varje timme eller dagligen, eftersom det senare resulterar i orealistiskt höga solenergibidrag", avslutade akademikerna. "Med tanke på energin som tillförs av PV-panelerna kan HP:s prestanda omvärderas, vilket leder till en COP på 3,46 när man arbetar med en kondensor och på 7,59 när man arbetar med den dubbla kondensatorkonfigurationen."

Systemet beskrevs i "Experimentell bedömning av en ny solcellsvärmepumpsdesign med dubbel kondensor", publicerad i Solar Energy.