Ερευνητική ομάδα στην Ιταλία ανέπτυξε ένα σύστημα αντλίας θερμότητας για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης (DHW), τροφοδοτούμενο από φωτοβολταϊκά-θερμικά (PVT) - (pv-magazine)
Οι προσομοιώσεις τους έδειξαν ότι η υβριδική αποθήκευση σε συνδυασμό με δρομολόγηση βάσει θερμοκρασίας βελτιώνει σημαντικά την απόδοση του συστήματος, αυξάνοντας τον συντελεστή απόδοσης της αντλίας θερμότητας και ενισχύοντας τη χρήση ανανεώσιμης ενέργειας.
Ερευνητές από το Polytechnic University of Bari και το University of Padua ανέπτυξαν ένα οικιακό σύστημα αντλίας θερμότητας για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης (DHW), τροφοδοτούμενο από φωτοβολταϊκά-θερμικά (PVT), βασισμένο σε μια υβριδική έννοια θερμικής αποθήκευσης ενέργειας, στην οποία μια μονάδα αποθήκευσης λανθάνουσας θερμικής ενέργειας τύπου packed-bed (PB-LHTES) συμπληρώνει μια δεξαμενή αποθήκευσης αισθητής θερμικής ενέργειας (STES).
Αυτή η διαμόρφωση του συστήματος προορίζεται να ενισχύσει την ευελιξία συνδυάζοντας την ταχείας απόκρισης αποθήκευση λανθάνουσας θερμότητας με την ικανότητα εξισορρόπησης της αποθήκευσης αισθητής θερμότητας, εξομαλύνοντας τις ασυμφωνίες μεταξύ θερμικής προσφοράς και ζήτησης.
Η αποθήκευση λανθάνουσας θερμότητας τύπου packed-bed χρησιμοποιείται για την αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας, μειώνοντας τις απαιτήσεις όγκου αποθήκευσης ενώ διατηρεί υψηλή θερμική απόδοση
«Στόχος αυτού του σχεδιασμού συστήματος είναι η αξιοποίηση της πλεονάζουσας θερμότητας από τα PVT και η μετατόπισή της στις περιόδους αιχμής της ζήτησης, περιορίζοντας παράλληλα τη χρήση βοηθητικής ηλεκτρικής ενέργειας», δήλωσε στο pv magazine ο Aminhossein Jahanbin.
«Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη ποσοτικοποιεί το πώς η δρομολόγηση βάσει θερμοκρασίας στη διεπαφή αποθήκευσης–αντλίας θερμότητας επηρεάζει την ποιότητα της αξιοποιήσιμης θερμότητας, τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας και την εποχική απόδοση. Για να υποστηρίξουμε αυτή την ανάλυση, αναπτύξαμε επίσης ένα υπολογιστικά αποδοτικό μοντέλο PB-LHTES για δυναμικές προσομοιώσεις ανάλυσης ανά λεπτό και το επικυρώσαμε με πειραματικά δεδομένα, κάτι που επέτρεψε την ενσωμάτωσή του σε αναλύσεις DHW κλίμακας κτιρίου.»
Το σύστημα χρησιμοποιεί συλλέκτες PVT για την παροχή τόσο ηλεκτρικής όσο και θερμικής ενέργειας, με την ηλεκτρική ενέργεια να αντισταθμίζει τη βοηθητική κατανάλωση και τη θερμότητα να υποστηρίζει την άμεση χρήση, τη φόρτιση αποθήκευσης ή τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας ανάλογα με τον έλεγχο του συστήματος.
Η αντλία θερμότητας λειτουργεί ως εφεδρική πηγή θερμότητας, εξασφαλίζοντας την παροχή DHW όταν η ηλιακή εισροή και η αποθηκευμένη ενέργεια δεν επαρκούν
Επιπλέον, το σύστημα χρησιμοποιεί μια δεξαμενή STES κατάντη που καλύπτει την άμεση ζήτηση DHW, ενώ ένα στάδιο ανάμιξης εξασφαλίζει σταθερές θερμοκρασίες παροχής στο επιθυμητό σημείο ρύθμισης του χρήστη.
Το μοντέλο PB-LHTES βασίζεται σε διατύπωση θερμικής μη ισορροπίας χρησιμοποιώντας ομόκεντρη προσέγγιση διασποράς, αποτυπώνοντας την αξονική μεταφορά θερμότητας και τη δυναμική αλλαγής φάσης.
Οι εξισώσεις που διέπουν το σύστημα περιγράφουν τη συζευγμένη μεταφορά θερμότητας μεταξύ του ρευστού μεταφοράς θερμότητας και του εγκιβωτισμένου υλικού αλλαγής φάσης (PCM). Ρεαλιστικά προφίλ ζήτησης DHW δημιουργούνται χρησιμοποιώντας ένα στοχαστικό μοντέλο βασισμένο σε Gaussian κατανομή που ενσωματώνει πρότυπα κατοίκησης, εποχική μεταβλητότητα και τυπικές ημερήσιες αιχμές χρήσης.
Χρησιμοποιώντας MATLAB και TRNSYS, οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα πλαίσιο συν-προσομοίωσης για την αξιολόγηση της απόδοσης του υβριδικού συστήματος
Ετήσιες προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν με χρονικό βήμα 1 λεπτού χρησιμοποιώντας ρεαλιστικά μετεωρολογικά δεδομένα και λεπτομερείς αναπαραστάσεις εξαρτημάτων, συμπεριλαμβανομένων συλλεκτών PVT, στρωματοποιημένων δεξαμενών αποθήκευσης, δικτύων σωληνώσεων και αντλιών θερμότητας μεταβλητής ταχύτητας.
Μια ιεραρχική στρατηγική ελέγχου έδινε προτεραιότητα στην άμεση χρήση της ηλιακής θερμικής ενέργειας, ακολουθούμενη από φόρτιση και εκφόρτιση αποθήκευσης και τέλος από ενεργοποίηση της αντλίας θερμότητας όταν απαιτούνταν.
Υλοποιήθηκε λογική ελέγχου βασισμένη σε υστέρηση για την αποφυγή συχνών κύκλων λειτουργίας και τη βελτίωση της λειτουργικής σταθερότητας.
Για τις προσομοιώσεις τους, οι επιστήμονες εξέτασαν ένα πενταώροφο κτίριο κατοικιών στο Bari που χαρακτηρίζεται από υψηλή ηλιακή διαθεσιμότητα και μέτρια ζήτηση θέρμανσης
Αναλύθηκαν τέσσερις διαμορφώσεις. Η Περίπτωση 1 εισάγει μια μονάδα PB-LHTES κατάντη του πεδίου PVT για αποθήκευση πλεονάζουσας θερμικής ενέργειας και υποστήριξη της φόρτισης DHW, μειώνοντας έτσι την εξάρτηση από την αντλία θερμότητας.
Οι Περιπτώσεις 2 και 3 αντικαθιστούν την αντλία θερμότητας αέρα-νερού με μονάδα νερού-νερού και ενσωματώνουν PB-LHTES στην πλευρά φορτίου για βελτίωση των συνθηκών λειτουργίας της αντλίας θερμότητας.
Η τέταρτη διαμόρφωση λειτουργεί ως περίπτωση αναφοράς, εκπροσωπώντας ένα βασικό σύστημα αντλίας θερμότητας υποβοηθούμενο από PVT για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης.
Η ανάλυση έδειξε ότι, και στις τέσσερις διαμορφώσεις, η προσθήκη PB-LHTES και η μετάβαση σε αντλίες θερμότητας νερού-νερού βελτιώνουν την απόδοση του συστήματος ενισχύοντας την αντιστοίχιση ενέργειας και μειώνοντας την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας της αντλίας θερμότητας. Η Περίπτωση 3 βρέθηκε ότι παρέχει τα καλύτερα αποτελέσματα χάρη στη θερμική δρομολόγηση υπό συνθήκες, η οποία δίνει προτεραιότητα στην άμεση χρήση της αποθήκευσης και βελτιστοποιεί τις συνθήκες λειτουργίας της αντλίας θερμότητας.
Διαπιστώθηκε επίσης ότι ο συντελεστής απόδοσης (COP) της αντλίας θερμότητας αυξάνεται σταθερά μεταξύ των διαμορφώσεων, ανεβαίνοντας από περίπου 2,5 στην περίπτωση αναφοράς σε περίπου 2,9–3,1 στην Περίπτωση 1 και φτάνοντας περίπου το 4,3 στην Περίπτωση 3, αντανακλώντας τη μειωμένη ανύψωση θερμοκρασίας και τη βελτιωμένη ενσωμάτωση του συστήματος.
Ο συντελεστής ανανεώσιμης ενέργειας βελτιώθηκε επίσης σημαντικά
Ιδιαίτερα στις περιπτώσεις PB-LHTES, αυξανόμενος από περίπου 14-37% στη διαμόρφωση αναφοράς σε θερινές κορυφές 75-80% στην Περίπτωση 1 και σταθεροποιούμενος περίπου στο 40-60% καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους στις Περιπτώσεις 2 και 3, υποδεικνύοντας υψηλότερη ιδιοκατανάλωση φωτοβολταϊκής ενέργειας και πιο ισορροπημένη εποχική απόδοση.
«Συνολικά, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι στα συστήματα DHW που τροφοδοτούνται από PVT, οι σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση δεν επιτυγχάνονται μόνο μέσω της ενσωμάτωσης αποθήκευσης, αλλά μέσω της συμπληρωματικής σύζευξης υβριδικής αποθήκευσης λανθάνουσας-αισθητής θερμότητας με στρατηγικές δρομολόγησης προσαρμοσμένες στη θερμοκρασία», δήλωσε ο Jahanbin.
«Αυτός ο συνδυασμός διατηρεί την ποιότητα της ανακτώμενης θερμικής ενέργειας, ενισχύει τη σταθερότητα των συνθηκών παροχής DHW και μειώνει σταθερά την εξάρτηση από τη λειτουργία αντλίας θερμότητας που τροφοδοτείται από το δίκτυο καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους» συμπλήρωσε.
(Το προτεινόμενο σύστημα περιγράφηκε στο «Hybrid packed-bed latent and sensible thermal storage routing strategies for PV/T-assisted heat-pump domestic hot water systems», το οποίο δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Applied Thermal Engineering.)
www.worldenergynews.gr
