كيفية الجمع بين المضخات الحرارية السكنية مع الطاقة الكهروضوئية وتخزين البطاريات

قام باحثو Fraunhofer ISE بدراسة كيفية دمج الأنظمة الكهروضوئية على الأسطح السكنية مع المضخات الحرارية وتخزين البطاريات.

وقاموا بتقييم أداء نظام بطارية مضخة الحرارة الكهروضوئية على أساس التحكم الجاهز للشبكة الذكية (SG) في منزل لأسرة واحدة تم بناؤه عام 1960 في فرايبورغ، ألمانيا.

وقال الباحث شوبهام باراسكار لمجلة pv: "لقد وجد أن التحكم الذكي زاد من تشغيل المضخة الحرارية من خلال زيادة درجات الحرارة المحددة". "لقد أدى التحكم SG-Ready إلى زيادة درجة حرارة الإمداد بمقدار 4.1 كلفن لإعداد الماء الساخن، مما أدى بعد ذلك إلى خفض عامل الأداء الموسمي (SPF) بنسبة 5.7% من 3.5 إلى 3.3. علاوة على ذلك، بالنسبة لوضع تسخين المكان، قام التحكم الذكي بتقليل عامل الحماية من الشمس (SPF) بنسبة 4% من 5.0 إلى 4.8.

SPF هي قيمة مشابهة لمعامل الأداء (COP)، مع الفارق يتم حسابها على مدى فترة أطول مع شروط حدودية مختلفة.

وأوضح باراسكار وزملاؤه النتائج التي توصلوا إليها في "تحليل أداء وتشغيل نظام المضخة الحرارية للبطارية الكهروضوئية بناءً على بيانات القياس الميداني"، والذي تم نشره مؤخرًا فيتقدم الطاقة الشمسية.وقالوا إن الميزة الرئيسية لأنظمة المضخات الحرارية الكهروضوئية تتمثل في انخفاض استهلاك الشبكة وانخفاض تكاليف الكهرباء.

نظام المضخة الحرارية عبارة عن مضخة حرارية من مصدر أرضي بقدرة 13.9 كيلووات مصممة مع مخزن مؤقت لتدفئة المساحة. كما أنها تعتمد على خزان ومحطة للمياه العذبة لإنتاج الماء الساخن المنزلي (DHW). تم تجهيز كلا وحدتي التخزين بسخانات كهربائية مساعدة.

النظام الكهروضوئي موجه نحو الجنوب وله زاوية ميل تبلغ 30 درجة. يبلغ إنتاج الطاقة 12.3 كيلووات ومساحة الوحدة 60 مترًا مربعًا. البطارية مقترنة بالتيار المستمر وتبلغ سعتها 11.7 كيلووات في الساعة. يحتوي المنزل المختار على مساحة معيشة مدفأة تبلغ 256 مترًا مربعًا ويتطلب تدفئة سنوية تبلغ 84.3 كيلووات في الساعة / متر مربع.

وأوضح الباحثون أن "طاقة التيار المستمر من الوحدات الكهروضوئية والبطاريات يتم تحويلها إلى تيار متردد عبر عاكس يتمتع بقدرة تيار متردد قصوى تبلغ 12 كيلووات وكفاءة أوروبية تبلغ 95٪"، مشيرين إلى أن نظام التحكم المجهز بـ SG قادر على التفاعل مع شبكة الكهرباء وضبط تشغيل النظام وفقًا لذلك. "خلال فترات الحمل العالي على الشبكة، يمكن لمشغل الشبكة إيقاف تشغيل المضخة الحرارية لتقليل إجهاد الشبكة أو يمكن أيضًا الخضوع لتشغيل قسري في الحالة المعاكسة."

وبموجب تكوين النظام المقترح، يجب استخدام الطاقة الكهروضوئية في البداية لأحمال المنزل، مع توفير الفائض للبطارية. ولا يمكن تصدير الطاقة الزائدة إلى الشبكة إلا إذا لم تكن الأسرة بحاجة إلى الكهرباء وكانت البطارية مشحونة بالكامل. إذا لم يتمكن كل من النظام الكهروضوئي والبطارية من تغطية الطلب على الطاقة في المنزل، فيمكن استخدام شبكة الكهرباء.

وقال الأكاديميون: "يتم تنشيط وضع SG-Ready عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل أو يتم شحنها بأقصى طاقتها ولا يزال هناك فائض كهروضوئي متاح". "على العكس من ذلك، يتم استيفاء شرط التشغيل عندما تظل الطاقة الكهروضوئية اللحظية أقل من إجمالي الطلب على المبنى لمدة 10 دقائق على الأقل."

وقد أخذ تحليلهم في الاعتبار مستويات الاستهلاك الذاتي، والجزء الشمسي، وكفاءة المضخة الحرارية، وتأثير النظام الكهروضوئي والبطارية على كفاءة أداء المضخة الحرارية. استخدموا بيانات عالية الدقة مدتها دقيقة واحدة من يناير إلى ديسمبر 2022 ووجدوا أن التحكم SG-Ready زاد درجات حرارة إمداد المضخة الحرارية بمقدار 4.1 كلفن للمياه الساخنة. كما تأكدوا من أن النظام حقق استهلاكاً ذاتياً إجمالياً خلال العام بنسبة 42.9%، وهو ما يترجم إلى فوائد مالية لأصحاب المنازل.

وأوضح فريق البحث: "تم تغطية الطلب على الكهرباء لـ [المضخة الحرارية] بنسبة 36% باستخدام النظام الكهروضوئي/البطارية، من خلال 51% في وضع الماء الساخن المنزلي و28% في وضع تسخين المكان"، مضيفًا أن ارتفاع درجات حرارة الحوض أدى إلى انخفاض كفاءة المضخة الحرارية بنسبة 5.7% في وضع DHW وبنسبة 4.0% في وضع تسخين المساحة.

وقال باراسكار: "بالنسبة لتدفئة المكان، تم العثور أيضًا على تأثير سلبي للتحكم الذكي". "نظرًا للتحكم في SG-Ready، تعمل المضخة الحرارية في تسخين المكان فوق درجات حرارة نقطة التسخين المحددة. وذلك لأن التحكم ربما أدى إلى زيادة درجة حرارة التخزين المحددة وتشغيل المضخة الحرارية على الرغم من عدم الحاجة إلى الحرارة لتدفئة المكان. وينبغي أيضًا الأخذ في الاعتبار أن درجات حرارة التخزين المرتفعة المفرطة يمكن أن تؤدي إلى زيادة فقدان حرارة التخزين.

وقال العلماء إنهم سيحققون في مجموعات إضافية من المضخات الكهروضوئية/الحرارية مع أنظمة مختلفة ومفاهيم التحكم في المستقبل.

وخلص الباحثون إلى أنه "تجدر الإشارة إلى أن هذه النتائج خاصة بالأنظمة الفردية التي تم تقييمها ويمكن أن تختلف بشكل كبير اعتمادًا على مواصفات المبنى ونظام الطاقة".