كيفية دمج مضخات الحرارة السكنية مع الطاقة الشمسية وتخزين البطاريات

قام باحثو معهد فراونهوفر للأبحاث العلمية بدراسة كيفية دمج أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على أسطح المنازل مع المضخات الحرارية وتخزين البطاريات.

قاموا بتقييم أداء نظام مضخة الحرارة الكهروضوئية والبطارية القائمة على التحكم في الشبكة الذكية (SG) في منزل عائلي تم بناؤه عام 1960 في فرايبورغ بألمانيا.

صرّح الباحث شوبهام باراسكار لمجلة pv قائلاً: "وُجد أن نظام التحكم الذكي يزيد من كفاءة تشغيل مضخة الحرارة من خلال رفع درجات الحرارة المُحددة". وأضاف: "رفع نظام التحكم SG-Ready درجة حرارة الإمداد بمقدار 4.1 كلفن لتحضير الماء الساخن، مما أدى إلى انخفاض معامل الأداء الموسمي (SPF) بنسبة 5.7% من 3.5 إلى 3.3. علاوة على ذلك، في وضع التدفئة، خفض نظام التحكم الذكي معامل الأداء الموسمي بنسبة 4% من 5.0 إلى 4.8".

SPF هي قيمة مشابهة لمعامل الأداء (COP)، مع الفرق أنه يتم حسابه على مدى فترة أطول مع ظروف حدودية مختلفة.

وقد شرح باراسكار وزملاؤه النتائج التي توصلوا إليها في "تحليل أداء وتشغيل نظام مضخة الحرارة الكهروضوئية والبطارية بناءً على بيانات القياس الميداني"، الذي نُشر مؤخرًا فيالتقدم في مجال الطاقة الشمسية.قالوا إن الميزة الرئيسية لأنظمة مضخات الحرارة الكهروضوئية تتمثل في انخفاض استهلاك الشبكة وانخفاض تكاليف الكهرباء.

نظام المضخة الحرارية عبارة عن مضخة حرارية أرضية بقدرة 13.9 كيلوواط، مصممة مع مخزن مؤقت لتدفئة المساحات. كما يعتمد على خزان تخزين ومحطة مياه عذبة لإنتاج الماء الساخن المنزلي. كلتا وحدتي التخزين مزودتان بسخانات كهربائية مساعدة.

نظام الطاقة الكهروضوئية موجه جنوبًا بزاوية ميل 30 درجة. تبلغ قدرته الإنتاجية 12.3 كيلوواط، وتبلغ مساحة الوحدة 60 مترًا مربعًا. البطارية متصلة بالتيار المستمر، وسعتها 11.7 كيلوواط/ساعة. تبلغ مساحة المنزل المُختار 256 مترًا مربعًا، ويبلغ استهلاكه السنوي للتدفئة 84.3 كيلوواط/ساعة/متر مربع.

يُحوَّل التيار المستمر من وحدات الطاقة الشمسية والبطاريات إلى تيار متردد عبر عاكس طاقة تيار متردد قصوى تبلغ 12 كيلوواط، وكفاءة أوروبية تبلغ 95%، كما أوضح الباحثون، مشيرين إلى أن نظام التحكم المُجهَّز بتقنية SG قادر على التفاعل مع شبكة الكهرباء وضبط تشغيل النظام تبعًا لذلك. «خلال فترات ارتفاع الحمل على الشبكة، يُمكن لمُشغِّل الشبكة إيقاف تشغيل مضخة الحرارة لتقليل الضغط عليها، أو يُمكنه أيضًا تشغيلها قسرًا في الحالة المعاكسة».

بموجب تكوين النظام المقترح، يجب استخدام الطاقة الكهروضوئية مبدئيًا لتغطية أحمال المنزل، مع تزويد البطارية بالفائض. لا يمكن تصدير الطاقة الفائضة إلى الشبكة إلا إذا لم يكن المنزل بحاجة إلى كهرباء وكانت البطارية مشحونة بالكامل. إذا لم يتمكن كلٌّ من نظام الطاقة الكهروضوئية والبطارية من تغطية احتياجات المنزل من الطاقة، فيمكن استخدام شبكة الكهرباء.

قال الأكاديميون: "يُفعّل وضع SG-Ready عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل أو عند شحنها بأقصى طاقتها مع وجود فائض من الطاقة الكهروضوئية". وأضافوا: "في المقابل، يُفعّل وضع التشغيل عندما تبقى الطاقة الكهروضوئية اللحظية أقل من إجمالي الطلب على المبنى لمدة 10 دقائق على الأقل".

راعَى تحليلهم مستويات الاستهلاك الذاتي، ونسبة الطاقة الشمسية، وكفاءة مضخة الحرارة، وتأثير نظام الطاقة الكهروضوئية والبطارية على كفاءة أداء مضخة الحرارة. واستخدموا بيانات عالية الدقة لمدة دقيقة واحدة من يناير إلى ديسمبر 2022، ووجدوا أن نظام التحكم SG-Ready قد زاد من درجات حرارة إمداد مضخة الحرارة بمقدار 4.1 كلفن لمياه الشرب المنزلية. كما تأكدوا من أن النظام حقق استهلاكًا ذاتيًا إجماليًا بنسبة 42.9% خلال العام، مما يُترجم إلى فوائد مالية لأصحاب المنازل.

وأوضح فريق البحث أن "الطلب على الكهرباء لمضخة الحرارة تم تغطيته بنسبة 36% باستخدام نظام الطاقة الكهروضوئية/البطارية، وبنسبة 51% في وضع الماء الساخن المنزلي وبنسبة 28% في وضع التدفئة المكانية"، مضيفًا أن درجات حرارة الحوض المرتفعة قللت من كفاءة مضخة الحرارة بنسبة 5.7% في وضع الماء الساخن المنزلي وبنسبة 4.0% في وضع التدفئة المكانية.

قال باراسكار: "بالنسبة لتدفئة المساحات، وُجد أيضًا تأثير سلبي للتحكم الذكي. فبفضل نظام التحكم SG-Ready، عملت مضخة الحرارة في تدفئة المساحات بدرجات حرارة أعلى من نقطة ضبط التسخين. ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن نظام التحكم رفع درجة حرارة التخزين المُحددة، وشغّل مضخة الحرارة رغم عدم الحاجة للحرارة لتدفئة المساحات. كما يجب مراعاة أن درجات حرارة التخزين المرتفعة جدًا قد تؤدي إلى خسائر أكبر في حرارة التخزين".

وقال العلماء إنهم سوف يقومون بدراسة مجموعات إضافية من الطاقة الشمسية/مضخة الحرارة باستخدام أنظمة ومفاهيم تحكم مختلفة في المستقبل.

وخلص الباحثون إلى أنه "يجب ملاحظة أن هذه النتائج خاصة بكل نظام يتم تقييمه بشكل فردي ويمكن أن تختلف بشكل كبير اعتمادًا على مواصفات المبنى ونظام الطاقة".